考虑参数空间变异性多层土坡系统可靠度分析

多层土坡在岩土工程实际中十分常见,不仅土体参数存在一定的空间变异性,而且土体框架呈现明显的层状分布特征,然而目前对考虑土体参数空间变异性的多层土坡稳定可靠度研究的远远不够。提出了基于多重响应面边坡系统可靠度分析的蒙特卡洛模拟（MCS）方法,给出了计算流程图,系统地研究了考虑土体参数空间变异性的多层土坡系统可靠度问题。结果表明,提出方法能够有效地分析考虑参数空间变异性低失效概率水平的多层土坡系统可靠度问题,并且具有较高的参数敏感性分析计算效率。     

考虑参数空间变异性的非饱和土坡可靠度分析

在考虑多个土体参数空间变异性的基础上,提出了基于拉丁超立方抽样的非饱和土坡稳定可靠度分析的非侵入式随机有限元法。利用Hermite随机多项式展开拟合边坡安全系数与输入参数间的隐式函数关系,采用拉丁超立方抽样技术产生输入参数样本点,通过Karhunen-Loève展开方法离散土体渗透系数、有效黏聚力和内摩擦角随机场,并编写了计算程序NISFEM-KL-LHS。研究了该方法在稳定渗流条件下非饱和土坡可靠度分析中的应用。结果表明：非侵入式随机有限元法为考虑多个土体参数空间变异性的非饱和土坡可靠度问题提供了一种有效的分析工具。土体渗透系数空间变异性和坡面降雨强度对边坡地下水位和最危险滑动面位置均有明显的影响。当降雨强度与饱和渗透系数的比值大于0.01时,边坡失效概率急剧增加。当土体参数变异性或者参数间负相关性较大时,忽略土体参数空间变异性会明显高估边坡失效概率。     

约束随机场下的边坡可靠度随机有限元分析方法

目前边坡可靠度中常用的简化分析方法,不考虑边坡土体的空间变异性,每次计算整个边坡都取用相同的强度参数,由离散点试样试验得到的土体参数统计特性只能反映点特性,而边坡的稳定性受滑面上平均抗剪强度特性控制,因此,需要考虑空间范围内的平均特性。描述空间变异性的随机场理论对变异性较高的土体,实际上高估了其空间变异性。把随机场理论和地质统计中的区域化变量理论结合起来,建立约束随机场,并在此基础上进行Monte-Carlo随机有限元分析。计算实例表明,在高变异性条件下约束随机场能有效降低完全随机场的模拟方差,得到更低的破坏概率。对比了随机有限元和简化法的计算结果表明,简化法在土体强度变异性很高时其结果并非偏于保守。另外也指出了可靠度分析中存在的边坡尺度效应和简化法的适用条件。     

基于微结构模拟的土体自相关距离分析

土体具有显著的空间变异性,描述土体空间变异性的重要指标是自相关距离。提出基于土体微结构模拟的方法来求解土体的自相关距离。在生成土体的微结构数值模型时,对四参数随机生长法（QSGS法）进行改进,考虑土体的粒径分布信息,使得生成的土体微结构更加合理。改进的四参数随机生长法（MQSGS法）所需的输入参数可以结合土体的扫描电镜试验及粒径分析试验获取。基于生成的土体微结构数值模型,即可计算土体的2点自相关函数,再通过曲线拟合即可求解土体的自相关距离。研究表明：与QSGS法相比,采用MQSGS法生成的土体微结构更加符合自然界的真实土体;基于MQSGS法生成的微结构数值模型计算得到的土体自相关距离略小于QSGS法得出的自相关距离。     

土体参数不确定性对软土隧洞掌子面稳定影响分析

岩土体参数取值对于工程设计意义较大,为更好地评估土体参数不确定性对软土隧洞掌子面稳定的影响,采用Monte-Carlo随机模拟方法,分析了土体参数变异性及样本容量水平对掌子面稳定特性的影响,提出了掌子面设计安全系数的确定方法.结合工程实例评估了设计安全系数的合理性,分析结果表明,样本容量较大时,土体参数的不确定性对软土...     

基于多源试验数据空间变异土体参数概率反演及边坡可靠度更新

岩土工程现场勘察试验通常只能获得有限的试验数据,据此难以真实地量化土体参数的空间变异性。提出了考虑土体参数空间变异性的概率反演和边坡可靠度更新方法,基于室内和现场两种不同来源的试验数据概率反演空间变异参数统计特征和更新边坡可靠度水平,并给出了计算流程。此外为合理地描述土体参数先验信息,发展了不排水抗剪强度非平稳随机场模型。最后通过不排水饱和黏土边坡算例验证了提出方法的有效性,并探讨了试验数据和钻孔位置对边坡后验失效概率的影响。结果表明：提出方法实现了空间变异土体参数概率反演与边坡可靠度更新的一体化,基于有限的多源试验数据概率反演得到的土体参数均值与试验数据非常吻合,明显降低了对参数不确定性的估计,更新的边坡可靠度水平显著增加。受土体参数空间自相关性的影响,试验数据对钻孔取样点附近区域土体参数统计特征更新的影响明显大于距离取样点较远区域。     

土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性及系统可靠度的影响

常用的计算失效模式间近似相关系数存在一定的误差,采用Pearson相关系数准确地表征边坡失效模式间相关性。基于近似相关系数和Pearson相关系数,研究了土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性、代表性失效模式数目、边坡系统失效概率上、下限3方面的影响。简要介绍了选取边坡代表性滑动面的风险聚类法以及系统失效概率上、下限的Ditlevsen双模界限公式。以单层和两层边坡为例研究了近似相关系数的适用性。结果表明:常用的近似相关系数不能考虑土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性的影响,而Pearson相关系数能够有效地反映土体参数空间变异性对边坡失效模式间相关性的影响。当土体参数空间变异性较弱时,近似相关系数与Pearson相关系数间差别明显,基于近似相关系数会选取过多的代表性滑动面,不能有效地反映边坡代表性破坏模式。此外,基于近似相关系数计算的边坡系统失效概率上限会超过1,系统失效概率上、下限范围很宽,使得系统失效概率上、下限失去了意义。相比之下,基于Pearson相关系数计算的边坡系统失效概率上、下限范围较窄,能够有效地反映系统失效概率变化情况。     

考虑地层变异和参数空间变异的浅基础承载力可靠度分析

地层不确定性显著影响浅基础承载力，其不确定性主要包括地层变异和参数空间变异性。以往研究已分别研究了地层变异和参数空间变异性对浅基础承载力的影响。旨在建立浅基础承载力的随机概率计算框架，以揭示地层不确定性对浅基础承载能力的影响。其中，使用马尔可夫随机场模拟地层变异。在此基础上，考虑土体参数竖向相关距离的变化，使用对数正态随机场模拟不同地层中土体参数的空间变异性。基于深圳妈湾的钻孔和土体参数数据，根据所提出的计算框架进行浅基础承载力分析。使用子集模拟方法加速计算各方案的可靠度，提出了缩小系数对计算结果进行不同程度的缩减以达到简化考虑空间变异性的效果。定义了贡献率指标以定量计算地层变异和参数空间变异性对浅基础承载力计算结果的影响。结果表明，如果不考虑地层不确定性，传统确定性的承载力计算会高估浅基础的承载力。当钻孔数量较少时，地层变异对承载力计算起主要影响；当钻孔数量充足时，则由参数空间变异主导。     

不排水抗剪强度非平稳随机场模拟及边坡可靠度分析

边坡可靠度分析中通常假定采用平稳或准平稳随机场表征土体参数的空间变异性,然而大量现场试验数据表明,土体参数如不排水抗剪强度沿土体埋深常呈现明显的非平稳分布特征,即其均值和标准差均随埋深发生变化,因此亟需发展土体参数非平稳随机场模型及其模拟方法。针对目前不能有效单独模拟土体参数趋势分量和随机波动分量的不确定性,提出了一种有效的不排水抗剪强度参数非平稳随机场模型,并给出了土体参数二维非平稳随机场模拟方法计算流程,同时将新提出的模型与现有非平稳随机场模型及平稳随机场模型进行了系统比较。最后通过不排水饱和黏土边坡算例验证了提出模型的有效性,并揭示了不排水抗剪强度非平稳分布特征对边坡可靠度的影响规律。结果表明：提出模型能够有效地单独模拟土体参数趋势分量和随机波动分量的不确定性,考虑土体参数均值和标准差随埋深增加而增大的特性,可为表征土体参数非平稳分布特征提供了一条有效的途径。此外,与采用非平稳随机场模拟土体参数空间变异性相比,采用常用的平稳随机场模型会低估边坡失效概率,从而造成偏危险的边坡工程设计方案。     

基于随机场理论的盾构隧道地表沉降槽曲线研究

在对地表变形产生的沉降槽的研究中,通常将土性参数看作确定值,并且假定沉降槽是关于隧道轴线对称的,这样往往忽略了土体的非均质性特点,对沉降槽的假定也偏于理想化。为此,借助随机场的计算机模拟方法,在引入曲线偏移量对经典Peck公式改进的基础上,开展Monte-Carlo随机分析,分析土体弹性模量空间变异性对沉降槽曲线的影响。研究结果表明:(1)引入曲线偏移量是可行的,并且可以表现沉降槽在隧道轴线位置的不对称性;(2)土体弹性模量空间变异性对沉降槽的形态影响不明显,但对沉降槽宽度、最大沉降值和最大沉降位置有重要影响。     

青藏高原那曲地区非均质土壤导温率的变化及土壤温度数值模拟

土壤中的热传输是地-气能量交换的组成部分,而非均质土壤导温率/导热率的获得是研究土壤热传输过程中的一个难点,是至今仍未很好解决的问题.分析了一维热传导方程在非均质土壤条件下的适用形式,利用青藏高原那曲站实测土壤温度资料,计算了非均质土壤导温率,计算结果表明,土壤导温率有明显的随深度和季节的变化.利用考虑非均质土壤导温率参数的土壤温度数值模式,对那曲地区各层土壤温度的年变化进行了模拟试验,模拟结果显示,按冷季和暖季分别采用两组不同的土壤导温率,对土壤温度的年变化已有较好的模拟效果.     

吹填软土低位真空预压室内试验及其数值模拟

以天津滨海新区临港工业区吹填软土为试验材料,以普通型竖向排水板、改进型竖向排水板及改进型横向排水板进行室内低位真空预压试验。结果表明,利用普通型竖向排水板进行低位真空预压试验,在真空-堆载联合作用下,28 d表层土体强度达到10 kPa,但中间土体强度偏低,整体呈两边硬中间软的夹心层;以改进型竖向排水板进行低位真空预压试验,前10 d土体强度增长与普通型竖向排水板试验接近,后期土体强度增长明显比前者快,28 d表层土体强度达到12 kPa,中间土体强度略有提高,但整体均匀性仍较差;以改进型横向排水板进行低位真空预压试验,28 d表层土体强度达到11 kPa,强度增长比改进型竖向排水板试验慢,但中部土体强度和整体均匀性均优于改进型竖向排水板试验。基于上述试验成果,运用有限元模拟低位真空预压试验过程,计算沉降量和孔隙水压力并与实测数据对比,发现两种竖向排水板试验计算结果与实测数据吻合较好,改进型横向排水板试验稍差,但基本上都能反映低位真空预压过程中土体沉降量和孔隙水压力变化趋势。     

基于土体三维波动模型的饱和土中管桩竖向振动

基于土体的三维波动模型研究了饱和土中单个管桩的竖向振动。将桩周土和桩芯土视为两相多孔介质,管桩视为等截面的圆管杆单元。在考虑桩周饱和土和桩芯饱和土径向位移和竖向位移的情况下,建立了基于土体三维波动模型的饱和土-管桩竖向耦合振动模型。借助势函数和分离变量法并考虑土体边界条件,求解了考虑土体三维波动的桩周饱和土和桩芯饱和土的竖向振动。在此基础上,考虑管桩桩端边界条件,利用三角函数正交性求解了饱和土中单个管桩的竖向振动,得到了管桩桩顶的竖向复刚度。通过数值算例,对比分析了土体三维波动模型解和不考虑土体径向位移的简化模型解的计算结果,分析了主要桩、土参数对饱和土中管桩竖向振动的影响。研究表明：当管桩壁较薄时且低频时不应忽略土体径向位移的影响,在动态刚度因子和等效阻尼随频率变化曲线峰值峰谷处不宜忽略土体液相的影响,管桩壁不宜过薄。管桩壁厚、长径比、桩芯饱和土与桩周饱和土密度比、剪切模量比以及桩-土模量比对饱和土中管桩竖向振动有较大影响,在进行管桩设计时需要综合考虑相关参数。     

Analysis of a rigid footing lying on three-layered soil using the finite difference method

A numerical procedure is described for the analysis of the vertical deformation and the stress distribution of the strip footings on layered soil media. Three layers of soil with different stiffness are considered with the middle soil layer the thinnest and most stiff layer. The soil media is discretized and using the theory of elasticity, the governing differential equations are obtained in terms of vertical and horizontal displacements. These equations along with appropriate boundary and continuity conditions are solved by using the finite difference method. The vertical and horizontal displacements, strains and stresses are found at various nodes in the soil media. Parametric studies are carried out to study the effect of the placement depth of the middle soil layer, the relative ratios of the moduli of deformation of the soil layers on the vertical displacement of the footing and the vertical stress distribution. These studies reveal that the middle thin but very stiff layer acts like a plate and redistributes the stresses on the lower soft soil layer uniformly. The displacement on the top and bottom of the middle soil layer is almost the same showing that the compression of the middle layer is negligible as it is very stiff.     

成层土中倾斜荷载作用下桩承载力有限元分析

利用有限元方法对现场单桩水平载荷试验进行模拟,在此基础上,分析了成层土中桩在倾斜荷载作用下其竖向分量的有利作用和横向土抗力分布特点。计算结果表明,在地面下一定范围内,倾斜荷载作用下的桩侧摩阻力比水平荷载作用下的桩侧摩阻力大。在土层分界处土抗力分布有明显的跳跃。达到一定深度后,横向土抗力主要是静止土压力,而由荷载引起的横向土抗力很小。承台能有效减小土体及桩的水平位移。模拟的灌注桩和钢管桩桩顶在地面以上的自由长度较小,竖向分量由于桩身挠曲变形而产生的P-Δ效应较小,所以就算例中的灌注桩和钢管桩而言,荷载倾斜度不大时,荷载竖向分量提高了桩的侧阻并由此增大桩侧土竖向应力,对桩水平承载力总体上起到了有利的作用。     

基于BOFDA的砂—黏土互层垂向变形物理模型试验研究

地面沉降作为一种常见地质灾害对城市发展造成巨大威胁,有效监测土层的垂向变形过程是地面沉降防治的一项重 要工作。文章采用布里渊光频域分析（BOFDA） 技术,利用室内地面沉降模型,对砂-黏土互层土体在排灌水循环中的垂 向变形进行分布式监测,并结合固结压缩试验对土体的垂向变形进行分析。结果表明：黏土层为地面沉降的主要变形层; 在排灌水循环中,土体也会经历压缩-回弹的循环。此外,BOFDA分布式监测技术可以有效地捕捉砂-黏土互层土体在排 灌水状态下的垂向变形情况,实现对地面沉降发育过程中土体垂向变形的实时监测。研究结果可为实现地面沉降的有效防 治措施提供一定的参考依据。     

基于BOFDA的砂—黏土互层垂向变形物理模型试验研究

地面沉降作为一种常见地质灾害对城市发展造成巨大威胁，有效监测土层的垂向变形过程是地面沉降防治的一项重 要工作。文章采用布里渊光频域分析（BOFDA） 技术，利用室内地面沉降模型，对砂—黏土互层土体在排灌水循环中的垂 向变形进行分布式监测，并结合固结压缩试验对土体的垂向变形进行分析。结果表明：黏土层为地面沉降的主要变形层； 在排灌水循环中，土体也会经历压缩—回弹的循环。此外，BOFDA分布式监测技术可以有效地捕捉砂—黏土互层土体在排 灌水状态下的垂向变形情况，实现对地面沉降发育过程中土体垂向变形的实时监测。研究结果可为实现地面沉降的有效防 治措施提供一定的参考依据。     

地表超载对地铁盾构隧道的影响分析

针对地表超载导致的隧道竖向土压力问题,参照室内模型试验的隧道结构变形与土压力实测结果,建立了有限元模型。在地表超载作用下,分析了隧道穿越土层与隧道上覆土层的压缩性能对隧道周围土压力与结构变形的影响。结果表明：隧道穿越土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的隧道竖向土压力越大,且对应的隧道水平土压力越小,隧道结构越容易发生横椭圆变形;隧道上覆土层的压缩模量越小,地表超载作用导致的竖向土压力越小,隧道结构发生的变形也越小;在软土地区地表堆土（超载）导致的隧道竖向土压力要大于按土柱理论计算所得的隧道竖向土压力。研究结果可为软土地区地铁盾构隧道设计与运营期管控提供参考依据。     

分数导数模型描述的饱和土桩纵向振动分析

土体具有黏弹性性质,为了更好地考虑饱和土体固相土骨架的黏弹性性质,在分数导数理论和多孔介质理论的基础上,将土体视为液固饱和两相介质,并利用分数导数模型来描述饱和土固相土骨架的应力-应变关系,建立分数导数模型描述的饱和土的控制方程。在三维轴对称情况下,利用势函数和分离变量法研究了分数导数模型描述的饱和土中桩的振动问题。分析了模型参数对饱和土中桩的竖向振动的影响。研究表明,分数导数模型描述的饱和土的控制方程应用范围更广,模型参数对桩的竖向振动有较大的影响。     

饱和黏弹性地基土中管桩纵向振动研究

用解析方法在频率域内研究考虑质量耦合效应的饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动特性。基于Biot理论,采用薄层法,推导得到饱和黏弹性地基土的位移、应力等的表达式。将管桩等效为一维弹性杆件处理。根据界面连续性条件,给出饱和黏弹性地基土中管桩的纵向振动一般分析方法和桩顶动力复刚度的表达式。在该基础上,对比分析饱和地基土中实心桩和管桩纵向振动特性。通过算例分析,考察桩周土和桩芯土的力学参数对桩顶刚度因子和等效阻尼的影响。研究表明,饱和黏弹性地基土中实心桩和管桩的纵向振动有明显的差异。