框架式预应力锚固系统分阶段可靠性分析

将框架梁在张拉阶段或工作阶段时纵梁与横梁的破坏、梁的正截面与斜截面的破坏以及锚杆的破坏等主要失效模式视为串联系统,提出了框架预应力锚索的分阶段系统可靠性计算模型。在张拉阶段,将锚索力按照位移协调和静力平衡的原则分配在纵、横梁上,然后按Winkler弹性地基梁模型分别计算单片梁的内力;在工作阶段,将侧向土压力系数视为随机变量,框架梁视为土压力作用下的简支梁来计算其内力。基于各失效模式功能函数之间的相关系数矩阵,导出了预应力锚索框架的系统可靠性计算方法并编制了计算程序。对某工程实例的计算结果表明,预应力锚索框架的失效概率主要由纵梁在工作阶段和张拉阶段的正截面失效概率及锚杆的失效概率三者共同决定,而假设此3种失效模式相互独立的系统失效概率与考虑失效模式相关性的系统失效概率误差为8.1%。     

锚杆多种失效模式与双滑块边坡锚固系统可靠性分析

考虑锚杆拉杆拉断、拉杆从注浆体中拔出、锚固段注浆体从岩体中拔出、外锚头破坏以及垫墩底岩体的压坏等失效模式,利用系统可靠性原理和极限平衡分析方法,建立了双滑块边坡多锚杆锚固系统可靠性分析模型。基于蒙特卡罗随机抽样原理提出了该类边坡锚固系统破坏概率的直接求解方法。最后结合算例,分别基于中值安全系数和破坏概率指标分析了各计算参数对计算结果的影响,并讨论了锚杆锚固角和被动滑块可能滑裂面倾角对锚固系统稳定性的影响。     

基于广义子集模拟的土坡系统可靠度分析

如何有效地评价边坡的系统可靠度并识别出对边坡稳定性具有重要影响的关键滑面一直是边坡稳定性分析的关键问题。提出了基于广义子集模拟的边坡系统可靠度分析方法及代表性滑面识别方法,并推导了基于广义子集模拟的边坡系统可靠度计算公式及边坡中滑面对边坡系统失效的相对贡献量化公式。基于广义子集模拟计算结果,采用概率网络评价方法识别边坡代表性滑面。以一个双层黏性土坡和芝加哥国会切坡算例验证了所提方法的有效性。结果表明：提出的基于广义子集模拟的边坡系统可靠度分析方法可有效地估计边坡系统及其单一滑面的失效概率,对于具有低失效概率水平边坡可靠度的求解,其计算效率明显优于传统蒙特卡洛模拟方法。此外,对于单个失效模式而言,广义子集模拟与子集模拟计算效率相当。对于多个失效模式的失效概率计算问题,广义子集模拟不需要重复对每个失效模式失效概率进行计算,计算效率明显优于子集模拟。提出的代表性滑面选择方法是在系统失效概率及单滑面失效概率的高效计算基础上实现的,代表性滑动面能够较好地代表边坡系统失效,从而有效地降低了边坡系统失效概率对代表性滑面数目及代表性滑面失效概率估计准确性的依赖性。     

双滑块边坡锚固系统时变可靠性分析

考虑锚杆锚固段从岩体中拔出、拉杆拉断、拉杆从注浆体中拔出等失效模式,利用系统可靠性原理和极限平衡分析方法,并基于Monte-Carlo抽样原理提出双滑块岩质边坡锚固系统破坏概率的直接求解方法。同时考虑锚杆钢筋的腐蚀与软弱滑动面抗剪强度c、? 的时变性,建立了考虑锚杆多失效模式双滑块岩质边坡锚固系统的时变可靠性模型。算例计算结果表明：软弱滑动面上的强度参数c、? 的时变性和注浆体与围岩之间的抗力时变性对锚固系统的破坏概率的影响较大,而锚杆的腐蚀对锚固系统破坏概率的影响不明显。     

基坑体系可靠度的条件概率计算方法

基坑存在多种失效模式,考虑失效模式之间的相关性,双界限法计算体系失效概率存在计算结果区间范围较大的弊端。利用均匀试验和非参数回归方法建立响应面,在响应面的基础上,对Monte Carlo模拟生成的随机参数进行插值,得到各个失效模式指标,结合Pearson相关系数检验两两失效模式之间的相关性,用条件概率方法计算基坑体系失效概率,提出了基于条件概率考虑多失效模式相关的基坑体系可靠度分析方法。在此基础上,通过1个典型算例进行对比分析,计算结果表明,该方法不仅计算简便,而且结果可靠,其结果可为基坑体系可靠度分析理论提供一条新的途径。     

低概率水平岩质边坡系统可靠度分析

针对目前含多个相关失效模式的低概率水平岩质边坡系统可靠度分析的难题,提出了基于子集模拟的岩质边坡系统可靠度分析方法,推导了典型边坡系统失效概率计算表达式。为表征不同失效模式间的相关性,提出采用max和min函数构建边坡系统功能函数。并通过含多个相关失效模式的双滑块岩质边坡及锦屏一级左岸坝肩边坡系统可靠度分析验证了提出方法的有效性。结果表明:提出方法计算效率明显高于蒙特卡洛模拟方法,计算精度优于一阶等效近似方法、N维等效方法和Ditlevsen上下限方法,可为解决低概率水平复杂岩质边坡系统可靠度问题提供一个重要的工具。此外,通过max和min函数构建的边坡系统功能函数不仅可以准确地表征边坡不同失效模式间的相关性,而且可为边坡系统可靠度分析提供便利。     

柱下独立基础稳健性设计与分析

岩土工程随机参数统计特征的不确定性,使得岩土工程可靠度设计存在一定风险。岩土工程稳健性设计能够充分考虑随机参数的不确定性结合结构安全性、稳健性和经济性实现最优设计。针对随机参数统计特征的不确定性对柱下独立基础设计的影响,基于可靠度理论和岩土工程稳健性设计方法,考虑岩土参数、混凝土和钢筋材料力学参数统计特征不确定性的影响,以独立基础几何尺寸作为可控设计参数进行设计分析。将独立基础地基承载力、地基变形、基础结构冲切破坏和基础弯曲破坏4种失效模式视为串联系统,进行多失效模式下的结构体系稳健性设计,分析了多失效模式下结构几何参数与结构体系可靠度的关系。结合稳健性和经济性,进行了独立基础多目标优化设计,确定柱下独立基础设计的最优解。     

多失效模式下基于区间非概率的岩质隧道稳定可靠度分析

对于岩质隧道工程的稳定可靠度分析,一方面由于岩体参数的统计数据获取困难使得概率可靠度方法难以适用,另一方面其工程稳定与多种失效模式密切相关,须考虑隧道结构体系的可靠度问题。首先,基于区间理论,通过区间变量形式表征不确定性参数;然后,针对岩质隧道工程中多种失效模式并存的情况,引入结构体系可靠度理念,建立基于区间非概率的岩质隧道结构体系可靠度指标计算及其稳定性评价方法;在此基础上,通过工程实例验证了该方法的合理性;最后,定义不确定性参数的波动幅度,进一步分析各失效模式中不同参数对相应可靠度指标以及结构体系可靠度指标的影响。分析结果表明,各失效模式相应的非概率可靠度指标均随区间变量范围的增大而降低,且同一参数在不同失效模式中表现出不同的影响;另外,不确定性参数的变化还将导致影响岩质隧道结构体系稳定的主要失效模式发生相应的变化。     

基于Copula函数的岩土结构物系统可靠度分析

研究了基于Copula函数的抗剪强度参数联合分布模型对岩土结构物系统可靠度的影响规律,揭示了抗剪强度参数间相关结构对岩土结构物系统可靠度影响的过程。介绍了不完备概率信息条件下基于Copula函数的抗剪强度参数联合分布模型构造方法,提出了Copula理论框架下岩土结构物系统失效概率计算的蒙特卡罗模拟方法,以典型岩土结构物如挡土墙和岩质边坡为例研究了Copula函数对系统可靠度的影响。结果表明:Copula函数为不完备概率信息条件下抗剪强度参数联合分布模型的构建提供了一种有效的工具。不完备概率信息条件下岩土结构物系统可靠度不唯一,不同Copula函数计算的系统失效概率差别非常大,这种差别在实际工程可靠度设计中应该引起重视。Copula函数对系统可靠度的影响分为两个机制不同的阶段,首先是参数间相关结构对系统中单一失效模式可靠度的影响,其次是每一个失效模式对系统可靠度的影响。     

基于多重响应面法的空间变异土坡系统可靠度分析

空间变异土坡可靠度问题应该视为系统可靠度问题,多重响应面法为高效、准确地对其进行求解提供了一条有效途径。针对单一滑面确定了合理的空间变异土坡安全系数的响应面形式,并探讨了可靠度分析精度和随机场离散精度间的近似线性关系。建立基于大量潜在滑面的多重响应面,计算系统失效概率,并识别其中的代表性滑面。通过两个土坡算例验证所提方法的有效性。结果表明:随着空间变异性的增强,土坡可靠度的系统性增强,单一滑面的失效概率将显著低估土坡整体失效概率;通过控制随机场离散精度,可以事先保证一定的可靠度分析精度,从而有效地避免离散出过多并不重要的随机变量;合理地选择多重响应面形式有利于进一步提高计算效率和计算精度;多重响应面法可以同时分析所有潜在滑面的失效概率以及系统失效概率,并识别出代表性滑面,为边坡防治提供参考。     

土质滑坡格构锚杆抗滑机制及受力试验研究

通过滑坡防治格构锚固大型物理模型试验,分析了土质滑坡格构锚杆体系在坡顶荷载下的变形和位移,揭示了格构锚杆的抗滑机制,探讨了锚固力与坡体位移及锚杆变形的关系,提出了极限锚固力的计算方法。结果表明：滑坡滑动时,格构梁与坡体整体发生旋转滑移,锚杆在滑面处发生了弯曲变形,处于弯曲和轴向拉伸组合变形状态;格构锚杆的抗滑作用表现为锚杆在滑面处的抗剪抗滑和锚杆格构梁的挡土阻滑;格构锚杆的极限锚固力由初始预应力、锚杆弯曲变形引起锚拉力、坡体位移引起锚拉力三部分组成,可通过公式 计算。该研究结果可为格构锚固体系的优化设计提供一定的参考。     

Efficient system reliability analysis illustrated for a retaining wall and a soil slope

Although first-order reliability method is a common procedure for estimating failure probability, the formulas derived for bimodal bounds of system failure probability have not been widely used as expected in present reliability analyses. The reluctance for applying these formulas in practice may be partly due to the impression that the procedures to implement the system reliability theory are tedious. Among the methods for system reliability analysis, the approach suggested in Ditlevsen 1979 is considered here because it is a natural extension of the first-order reliability method commonly used for failure probability estimation corresponding to a single failure mode, and it can often provide reasonably narrow failure probability bounds. To facilitate wider practical application, this paper provides a short program code in the ubiquitous Excel spreadsheet platform for efficiently calculating the bounds for system failure probability. The procedure is illustrated for a semi-gravity retaining wall with two failure modes, a soil slope with two and eight failure modes, and a loaded beam with three failure modes. In addition, simple equations are provided to relate the correlated but unrotated equivalent standard normals of the Low and Tang 2007 FORM procedure with the uncorrelated but rotated equivalent standard normals of the classical FORM procedure. Also demonstrated are the need for investigating different permutations of failure modes in order to get the narrowest bounds for system failure probability, and the use of SORM reliability index for system reliability bounds in a case where the curvature of the limit state surface cannot be neglected.     

基于耦合欧拉-拉格朗日法的锚板在黏土中的极限承载力数值分析

当结构在土体中运动时,往往导致土体发生较大的变形,此类问题采用大变形数值分析方法更为恰当。耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian, 简称CEL）法是大变形数值分析方法中的一种,在分析大变形问题时具有很强的适用性,但在国内尚未开展CEL法分析锚板承载力的研究。以方形锚板在均质土及线性土中的拔出试验为原型,基于CEL法建立数值模型,对锚板的极限承载力及破坏机制进行研究,并通过用户自定义子程序,实现了线性土的强度分布随锚板拔出而变化。计算结果表明,土体杨氏模量越大,锚板的极限承载力越大;随着位移增大,锚板的抗拔力先增大,后降低;当埋深小于临界埋深时,土体发生整体破坏;当埋深大于等于临界埋深时,土体发生局部破坏。数值计算反映的规律与试验结果基本吻合,体现了CEL法模拟锚板在海床中大位移响应的出色能力。     

软黏土中张紧式吸力锚循环承载力简化计算方法

张紧式吸力锚是一种重要的深水浮式平台基础。深水环境中,海底浅层沉积物多为饱和软黏土。软黏土中平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚的循环承载力对其设计至关重要。根据最佳系泊点受倾斜荷载作用下吸力锚的破坏模式,假设不同破坏区土体具有相同的平均剪应力,且平均剪应力与循环剪切强度比等于吸力锚所受静荷载与静荷载和循环荷载之和的比值。结合室内土性试验获得的饱和软黏土样不固结不排水归一化循环剪切强度随归一化平均剪应力的变化关系曲线,建立了破坏区土体不排水循环剪切强度的确定方法。对不同破坏区土体阻力进行分析,按照水平应力具有连续性这一特点,构建了上部滑动楔体破坏区与深部平面流动破坏区交界深度的计算方法,进而提出了计算吸力锚循环承载力的简化极限平衡方法。采用该方法对竖向和水平破坏模式吸力锚循环承载力模型试验结果进行了预测,预测与试验结果基本吻合,最小和最大偏差分别为0.79 %和16.08 %,平均偏差为5.74 %,可较好地反映吸力锚循环承载力随循环破坏次数增加而减小的变化关系,验证了该方法的可行性。     

强度折减有限元法中锚杆计算模型研究

针对目前岩土工程中锚杆数值模型存在的局限性,受商用软件中锚杆强度模型的启发而提出了一种适用于强度折减有限元法的锚杆强度模型,并建议了考虑锚杆强度折减的强度折减方法,研制了相应程序。该模型应用于岩坡锚固计算,计算结果说明了模型的有效性;应用于土质边坡稳定性评估计算,结果表明模型方便可行。     

预应力锚杆柔性支护体系的锚杆抗拔力研究

预应力锚杆柔性支护体系是在锚杆支护基础上发展起来的,是用于深基坑支护或提高边坡稳定性的一种新技术,为深入了解其工作性能和作用机制,对其锚杆抗拔力进行了分析和研究,提出了摩擦型灌浆锚杆抗拔力的改进求解方法。研究表明,预应力锚杆柔性支护结构体系中锚杆所提供的抗拔力应由锚土作用抗拔力和土体自承作用抗拔力两部分组成;锚杆在支护体系中是作为传力构件传递土体自承作用抗拔力,通过锚土作用提供抗拔力。进一步分别对两部分抗拔力进行理论求解,给出了各自相应的理论计算公式,确定了预应力锚杆支护体系总的抗拔力。工程实例证明了所提出的锚杆抗拔力求解的合理性。依据改进求解方法所求得的锚杆极限抗拔力在数值上较传统方法结果大,改进求解方法后的抗拔力概念更加明确,这从理论上进一步充实了预应力锚杆支护体系的作用机制,为工程实践提供了科学依据。     

隧道结构系统可靠度研究

在结构系统可靠度研究的基础上,根据隧道结构的特点,应用概率理论及工程结构系统可靠度分析方法,对整个隧道结构系统可靠度进行了探讨。隧道结构系统可靠度研究包括衬砌断面可靠度、在各种不同围岩压力作用下衬砌断面可靠度、同种围岩地段衬砌可靠度以及整座隧道可靠度的研究。整座隧道可看作由两端洞门和洞内不同围岩地段隧道衬砌所组成的串联系统,任一围岩地段衬砌和任一洞门结构的破损,都认为该隧道破损,则运用“概率网络估算技术”（又称PNET法）可求得整座隧道系统的失效概率与可靠指标。通过实例计算得到,整座隧道系统的总体可靠指标比所有单段结构的可靠指标都要低。