岩土工程的可靠度研究浅述

本文分析了常规定值设计法的不足,指出了可靠度设计方法在工程结构设计中的科学性、合理性和经济性,简单论述了可靠度的计算方法,对岩土工程的特点和不确定性的来源进行了分析;最后简要介绍了可靠度分析方法在岩土工程中的应用前景。     

岩土工程新材料“EMC”测试与研究

我们对ＥＭＣ进行了物理力学性质测试,测试表明ＥＭＣ能有效提高处理材料的抗压强度、抗剪强度、密实度、承载力及抗机械蚀能力。使用ＥＭＣ与使用常规传统稳定剂比较有较高的经济效益。ＥＭＣ属新型环保产品,对环境无害。     

浅议岩土工程勘察中的几个问题

文章结合桂林市的几个工程实例，对岩土工程勘察中的有关抗剪强度c、ψ值的选用，地基承载力理论确定方法，及地基沉降计算等几个问题进行了粗浅的探讨，指出c、ψ的确定取决于不同岩土体和不同的试验方法，承载力的理论计算值须结合实际情况确定其适应性，在正确性取压缩模量和修正标准的基础上确定地基沉降量。     

基于贝叶斯理论的抗剪强度参数最优Copula函数识别

提出基于贝叶斯理论的抗剪强度参数最优Copula函数识别方法,首先简要介绍了基于Copula函数的岩土体抗剪强度参数相关结构表征方法,给出常用的识别最优Copula函数的最小平方欧氏距离法和AIC(akaike information criterion)准则。其次,采用蒙特卡洛模拟方法验证了贝叶斯理论识别最优Copula函数的有效性,比较了3种方法的最优Copula函数识别能力,并分析了影响贝叶斯理论识别精度的主要因素。最后,收集了实际工程共23组抗剪强度参数试验数据,研究了贝叶斯理论在抗剪强度参数最优Copula函数识别中的应用。结果表明,贝叶斯理论能够有效地识别表征抗剪强度参数间相关结构的最优Copula函数,且能有效考虑先验信息对识别结果的影响;与传统的最小平方欧氏距离法和AIC准则相比,贝叶斯理论的识别能力和识别精度都更高;抗剪强度参数的样本数目、相关性大小、真实Copula函数类型以及先验信息都对贝叶斯理论的识别精度具有重要的影响。此外,常用的Gaussian Copula函数并不总是表征抗剪强度参数间相关结构的最优Copula函数。     

基于MATLAB的均质土坡稳定可靠度的蒙特卡罗模拟

根据Bishop条分法建立均质土坡的可靠度计算模型,利用MATLAB进行蒙特卡罗方法模拟的程序实现,进行均质土坡的可靠度模拟计算.结果表明土性参数c、ψ在正态分布或对数正态分布情况下,对于边坡可靠度基本没有影响.并将其应用于工程实例分析,取得良好效果,说明可靠度分析方法是对传统的确定性分析方法的有益补充.     

抗剪强度参数概率分布的最大熵估计及边坡可靠度分析

提出了基于最大熵原理的抗剪强度参数概率分布估计方法。首先简要介绍了最大熵原理估计抗剪强度参数概率分布的基本步骤。其次,基于模拟数据分别验证了最大熵原理估计抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率的有效性,并比较了最大熵原理、选优识别和核密度估计方法的不确定性建模精度和稳健性。最后,以一组残积土抗剪强度参数试验数据并结合无限边坡稳定分析为例研究了最大熵原理在抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率估计中的应用。结果表明：最大熵原理能够有效地估计抗剪强度参数的概率分布和边坡失效概率。与传统的选优识别和核密度估计相比,最大熵原理估计抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率的精度和稳健性都更高。最大熵原理避免了核密度估计过分依赖有限样本数据的缺点,又克服了选优识别可能未将真实分布包括在备选概率分布集合中的缺陷。此外,基于有限数据估计的抗剪强度参数概率分布和边坡失效概率具有较大的离散性。     

基于随机响应面法的边坡系统可靠度分析

提出了一套基于随机响应面法的边坡系统可靠度分析方法。该方法首先从大量潜在滑动面中筛选出代表性滑动面。针对每条代表性滑动面,采用Hermite多项式展开建立其安全系数与土体参数间的非线性显式函数关系（即随机响应面）。然后,采用直接蒙特卡洛模拟计算边坡系统失效概率。在蒙特卡罗模拟中,采用所有代表性滑动面的随机响应面计算每一组样本所对应的边坡最小安全系数。最后,以两个典型多层边坡系统可靠度问题为例验证了该方法的有效性。结果表明：文中提出的边坡系统可靠度分析方法能够有效地识别边坡代表性滑动面,具有较高的计算精度和效率,并且确定代表性滑动面时无需计算滑动面间的相关系数。同时该方法可以有效地计算低失效概率水平的边坡系统可靠度,为含相关非正态参数的边坡系统可靠度问题提供了一条有效的分析途径。此外,多层边坡可能同时存在多条潜在滑动面,基于单一滑动面（如临界确定性滑动面）或者部分代表性滑动面进行边坡系统可靠度分析均会低估边坡失效概率。     

基于主动学习径向基函数的边坡系统可靠度分析

相较于极限平衡法,强度折减法在计算边坡稳定性系数上有许多优势,但更大的计算量在一定程度上限制了其在边坡可靠度分析中的应用。为了有效地减少可靠度分析中数值模型的计算次数,以减轻使用强度折减法所带来的计算压力,引入了基于主动学习径向基函数(ARBF)代理模型的高效分析方法:利用主动学习函数在极限状态面附近搜索训练样本更新代理模型,加快模型训练的收敛速度;采用线性核径向基插值函数简化模型参数优化过程,建立简洁、稳定的代理模型。此外,为了充分发挥主动学习代理模型的优势,提出针对土质边坡特性的初始采样策略。当得到稳定的代理模型后,结合蒙特卡罗模拟计算边坡的系统失稳概率。作为对比,基于两个典型边坡算例,测试了两种经典的可靠度方法:主动学习克里金模型(AK)和二次响应面法(QRSM),论证了引入的主动学习径向基函数代理模型在计算效率上的高效性和计算模型上的稳定性。     

有限数据条件下边坡可靠度分析的Bootstrap方法

基于Bootstrap抽样技术提出了有限数据条件下边坡可靠度分析方法。简要介绍了传统的边坡可靠度分析方法。采用Bootstrap方法模拟了抗剪强度参数概率分布函数的统计不确定性。以无限边坡为例研究了抗剪强度分布参数和分布类型不确定性对边坡可靠度的影响规律。结果表明：基于有限数据估计的样本均值、样本标准差和AIC值具有较大的变异性,这种变异性进一步导致了抗剪强度参数概率分布函数存在明显的统计不确定性。在考虑抗剪强度参数概率分布函数的统计不确定性时,边坡可靠度指标应为具有一定置信度水平的置信区间,而不是传统可靠度分析中的固定值。边坡可靠度指标的置信区间变化范围随安全系数的增加而增大,同时考虑分布参数和分布类型不确定性计算的可靠度指标具有更大的变异性和更宽的置信区间变化范围。Bootstrap方法为有限数据条件下抗剪强度参数概率分布函数统计不确定性的模拟以及边坡可靠度的评估提供了一条有效的途径。     

特定场地下土工构筑物的几何可靠性分析

针对特定场地下土工构筑物的正常使用极限状态,采用近年发展的几何可靠性方法计算了多种构筑物的可靠度指标。考虑同一场地下的钻孔灌注桩、抗浮锚杆和CFG桩单桩加载变形测试曲线的离散性,各曲线回归参数呈现差异并可作为随机变量,进而探讨了各曲线回归参数间的相关性及联合分布特性。基于这些回归参数的联合发散概率密度等值线,即随机变量刚好达到极限承载能力状态,该几何可靠性算法可在随机变量的原始空间求得土工构筑物的可靠度指标。通过比对该几何可靠度指标与常规的一次可靠性算法成果,验证了该几何可靠性计算技术的可行性。计算表明,几何可靠性评价模型实施简便,易于被工程技术人员接受。     

岩土工程可靠度分析中方差折减函数确定的一般规律

将可靠度理论应用于岩土工程稳定性分析过程中,即使是已证明安全的工程所得到的边坡或地基的失效概率通常较大,导致这一现象的原因是估算的方差偏大。计算土性指标的试验数据仅表征了该试验点的特征,而不是空间平均特征。在随机场理论应用于岩土工程可靠度分析的过程中,方差折减函数是将点特性过渡为空间平均特性的必要参数。首次对闫澍旺等提出的完全不相关距离理论中完全不相关距离的确定方法进行改进,不但理论上有所突破,而且计算方法更为简洁。对折减函数值的确定过程进行了分析,得到了用完全不相关距离方法确定折减函数的一般规律。     

岩土工程可靠度分析的改进四阶矩方法

岩土工程可靠度分析中,功能函数往往呈隐式且具有强非线性性质,而目前最为实用的矩方法,如JC法、二次二阶矩法,主要适用于显式功能函数情形。为此,将高效的统计矩估计方法和可靠度分析的高阶矩法相结合,提出了一种岩土工程可靠度分析的改进四阶矩方法。首先,通过引入变量的独立化变换和线性变换将功能函数转换为参考变量的函数,并结合多变量函数的单变量降维近似方法和参考变量计算节点与权系数的确定方法,建立了功能函数前四阶矩的高效点估计法。然后,将上述统计矩与立方正态变换假设相结合,提出了易于实现的岩土工程可靠度分析的改进四阶矩方法。最后,由数学算例验证了统计矩估计方法的效率和精度,并通过经典的岩土工程算例验证了建议的改进四阶矩方法具有高效率、高精度且操作简单等特点。     

基于广义可靠指标相对安全率的岩土工程设计安全判据

相对安全率为建立确定性设计和可靠度设计安全判据的定量关系以及验证安全判据的普适性提供了有效工具。然而,目前相对安全率准则仅适用于岩土工程结构响应(如挡土墙抗滑稳定安全系数F_S)服从正态或对数正态分布的工况。基于F_S的累计概率分布函数提出了广义可靠指标相对安全率,适用于F_S服从任意概率分布的设计工况,克服了现有可靠指标相对安全率仅适用于正态和对数正态分布的局限,拓宽了相对安全率准则的应用范围。基于所提广义可靠指标相对安全率,证明了F_S服从正态或对数正态分布条件下安全系数相对安全率和可靠指标相对安全率相等是确定性设计和可靠度设计安全判据等价(两种方法对应的设计可行域相同)的充分条件,F_S服从任意概率分布条件下安全系数相对安全率和广义可靠指标相对安全率相等是确定性设计和可靠度设计安全判据等价的充分条件。通过重力式挡土墙抗滑稳定算例,说明了基于广义可靠指标相对安全率标定抗滑稳定允许安全系数的过程,比较了广义可靠指标相对安全率与可靠指标相对安全率的标定结果,验证了基于广义可靠指标相对安全率标定安全判据的合理性。     

岩土工程可靠度分析的改进响应面法研究

为了提高响应面法的计算效率和精度,对现有的全局响应面法进行了改进。采用径向基函数（RBF）神经网络,代替目前常用的BP网络,迭代过程中在超锥体的范围内构造响应面,逼近隐式的非线性功能函数。数值算例分析表明,与通常的响应面法相比,改进全局响应面法的迭代次数和有限元分析次数均大幅减少,节省机时,有利于提高计算精度。同时,以浅基础和挡土墙为工程背景进行可靠度分析,表明该方法能以较快的收敛速度和较少的有限元分析次数,获得较高精度的可靠度指标,适用于岩土工程的可靠度分析。     

岩土工程可靠度分析的神经网络四阶矩法

针对岩土工程的功能函数强非线性且难以显式表达的特点,提出了基于人工神经网络的四阶矩法,充分利用了基本随机变量的统计信息。首先利用神经网络对结构的隐式功能函数进行拟合,求得基本随机变量在均值点处的功能函数值及其偏导数,然后利用泰勒级数展开的方法由基本随机变量的前四阶矩求得功能函数的前四阶矩,并借助于Pearson系统获得功能函数的更高阶矩。在此基础上,通过最大熵原理确定以功能函数各阶矩为约束的功能函数的概率密度函数,最后由一次积分得到结构的失效概率。通过数值算例和工程实例不同方法的对比分析,表明基于神经网络的结构可靠度分析四阶矩方法是可行的,有效的,能够满足岩土工程可靠度分析的要求。     

极限平衡条件的拓展与土工结构稳定分析

与土体稳定有关的工程问题诸如挡土结构物上的土压力、地基承载力以及土坡稳定性都与土的极限平衡状态相关 联。将土体一点（单元）的极限平衡条件推广,给出土体沿滑动面的极限平衡条件,证明了该条件的充分必要性。依据该条件,提出了有限元应力分析与极限平衡结合的有限元极限平衡法及土体稳定的安全系数,并明确了安全系数的物理意义,以评价土工结构的稳定性。随后,列举了该方法在土工结构稳定分析中的一些具有代表性的应用,证明了该法是有效的,可以用于分析岩土工程中的稳定问题。     

Role of reliability calculations in geotechnical design

ABSTRACT

This paper adds to the ongoing discussion on the role of reliability calculations in geotechnical design. It situates design calculations, be it verified by a global factor of safety, partial factors, or reliability-based design (RBD), in a larger context of quality management over the life cycle of the structure. It clarifies that uncertainties amenable to probabilistic treatment typically fall under the category of “known unknowns” where some measured data and/or past experience exist for limited site-specific data to be supplemented by both objective regional data and subjective judgement derived from comparable sites elsewhere. Within this category, reliability is very useful in handling complex real-world information (multivariate correlated data) and information imperfections (scarcity of information or incomplete information). It is also very useful in handling real-world design aspects such as spatial variability that cannot be easily treated using deterministic means. Examples are presented to illustrate how reliability calculations could relieve engineering judgement from the unsuitable task of performance verification in the presence of uncertainties so that the engineer can focus on setting up the right lines of scientific investigation, selecting the appropriate models and parameters for calculations, and verifying the reasonableness of the results.     

Implementing statistical fitting and reliability analysis for geotechnical engineering problems in R

Reliability analysis and multivariate statistical fitting are valuable techniques that enhance the scientific basis of regulatory decisions in geotechnical problems. This study introduces the use of several R packages specifically developed to assist risk assessors in their geotechnical projects. Firstly, the fitting of parameterised models either to the distribution of observed samples or to characterise the dependence structures among variables, or both is presented. Secondly, the most popular reliability analysis methods, such as the first- and second-order reliability methods and the random sampling simulation method, are implemented in R. The efficiency of implementing these classical approximation methods is demonstrated through two example problems.