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。     

顺层边坡稳定性及可靠度的随机有限元分析法

阐述了基于摄动法的随机有限元基本原理,采用以均值为中心的2阶摄动随机有限元,运用局部平均的空间离散方法,对顺层边坡的应力场进行了2阶统计均值、协方差和方差的分析,并结合顺层边坡沿软弱夹层滑动的破坏特征,推导了基于Mohr-Coulomb准则的顺层边坡整体稳定的安全系数和可靠度的计算表达式。结合典型顺层岩质路堑边坡工程实例,采用摄动随机有限元法进行了边坡稳定性和可靠度的分析计算。结果表明,文中介绍的摄动随机有限元法可以考虑多种随机变量对边坡系统的影响,可同时采用安全系数和可靠度作为边坡稳定性的评价指标,判定结果更为准确和全面。     

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。     

边坡稳定可靠性的随机有限元分析

随机有限元法可以处理土性参数的变异性和空间相关性。对二阶摄动随机有限元法的摄动理论和程序进行了研究，提出了偏导矩阵的组集方法，采用正态分布随机变量的正交变换法来提高计算效率。考虑土性参数随机场作用和土性指标之间的互相关性，建立边坡局部抗剪和总体稳定性可靠度的随机有限元分析模型，对某实际土坡进行了可靠度计算，计算结果较为符合实际。     

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。     

路堤边坡稳定可靠度计算中的模型不确定性分析

基于均质路堤边坡Monte Carlo法的稳定可靠度计算,分析了临界滑面搜索策略和稳定分析方法两类模型不确定性对边坡可靠度的影响特性,讨论了边坡失效概率随土工参数变异性的变化规律。研究表明,选用不同的临界滑面搜索策略所得可靠度结果差异不大,参数滑面法（overall slope）的失效概率略大于均值滑面法（global minimum）,但差别对边坡稳定性分析没有实质性影响;土性参数变异水平是影响边坡可靠度的最重要因素,边坡在相同设计参数安全系数下的可靠度指标随参数变异性增大而急剧降低;不同稳定性分析方法对应的安全系数概率密度函数曲线形态基本一致,但失效概率差异明显,因此目标可靠度指标取值应与稳定性分析方法相适应。提出的考虑土工参数变异水平的安全系数取值修正原则,对改进确定性设计的边坡稳定分析技术有积极意义。     

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。     

基于FELA的随机场方法在考虑降雨入渗的边坡开挖稳定性分析中的应用

黑山共和国南北高速公路项目部分路段处于复理石地区,降雨集中、空间变异性显著且分层分布的岩土体给道路边坡施工带来了挑战。条分法、常规有限元法等确定性分析方法不能考虑岩土材料的不确定性,给出的具有唯一性、确定性的结果不能反映边坡稳定的不确定性。以该工程某边坡为例,采用有限元极限分析方法（FELA）,考虑岩土材料强度的空间变异性,利用上下限解法得出安全系数的分布区间。由勘察资料得到材料均值、标准差和空间相关长度并重建描述抗剪强度指标的二维随机场,同时考虑开挖岩层的节理分布,分析边坡在分级开挖过程中,各施工步骤的稳定性和破坏模式。与有限元分析结果相比,随机场条件下,部分情况开挖阶段安全系数低于限值,并出现局部破坏和整体破坏两种形式。结合不饱和土理论,模拟暴雨情况下雨水的入渗深度并在饱和区采用降低后的强度参数重新计算。通过蒙特卡洛模拟,得到各工况下安全系数、滑动体体积、挡墙弯矩和锚杆内力的概率密度分布函数。挡墙结构约束土体的变形,使得破坏模式趋向于整体破坏,安全系数分布区间变小。锚杆能带动更多土体进入工作状态,同样约束安全系数分布区间。旱季施工与雨季施工边坡破坏区域不同,同等支护条件下,雨季边坡安全系数分布区间更大,且均值明显降低。      

边坡安全系数概率密度研究

边坡安全系数概率分布形态是边坡可靠指标、破坏概率的计算基础,目前对边坡安全系数的影响参数如摩擦系数、凝聚力、重度等的变异性及分布形态有一定的研究,但对边坡安全系数的变异性及概率分布形态缺乏研究。以三峡库区巴东沿江路云沱段（狮子包）边坡为例,基于岩土参数c、? 值服从正态分布,通过Monte-Carlo模拟计算,研究得到安全系数的概率分布为正态分布,并利用Q-Q图分析对概率分布形态进行了定量检验。由安全系数服从正态分布得到狮子包边坡安全系数的平均值和失稳风险。     

Reliability analysis of serviceability performance for an underground cavern using a non-intrusive stochastic method

This paper proposes a non-intrusive stochastic analysis procedure for reliability analysis of the serviceability performance of an underground cavern with an implicit limit state function. This procedure is formulated on the basis of the stochastic response surface method (SRSM) and the deterministic finite element method. First, the SRSM is briefly introduced and implemented through a MATLAB code. Then, the software SIGMA/W is used to perform a deterministic finite element analysis. Next, a link between the MATLAB code and SIGMA/W is developed to automatically pass exchange data between the two platforms. Finally, two examples are presented to illustrate the capacity and validity of the proposed procedure. In the first example, a closed-form limit state function is adopted to validate the SRSM by comparing it with the results obtained from a direct Monte Carlo simulation. In the second example, the serviceability performance of an underground cavern is analyzed to illustrate the capacity of the proposed procedure to handle a reliability problem with an implicit limit state function. The proposed procedure does not require the user to modify the existing deterministic finite element code. The deterministic finite element analysis and the probabilistic analysis are decoupled. This is a major practical advantage because realistic probabilistic analyses are made possible. The SRSM can produce sufficiently accurate reliability results. Furthermore, the method is much more efficient than the direct Monte Carlo simulation. Sensitivity analyses show the effect of the variability of input random variables and the correlation between them on: (1) the probability density functions, (2) the first four order statistical moments, and (3) the probability of failure, which is investigated and discussed.     

基于饱和渗透系数空间变异结构的斜坡渗流及失稳特征

以往研究一般采用单随机变量方法（SRV）或基于水平或垂直方向波动范围生成的空间变异随机场来模拟岩土参数的空间变异性,对具有倾斜定向特征的空间变异随机场未有涉及.基于条件模拟相关理论和非侵入式随机有限元的理论框架,提出了利用序贯高斯模拟方法进行斜坡参数条件随机场模拟并运用有限元方法进行斜坡渗流和稳定性分析的方法.针对理想边坡,对各向同性和几何各向异性的共7种空间变异结构的饱和渗透系数（K_s）各进行了200次条件随机场模拟,基于条件随机场模拟结果进行了有限元渗流和稳定性计算,对每种空间变异结构多次计算结果进行了统计分析.结果表明:本文所提出的方法不仅再现了研究区域参数的空间二阶统计特性,通过设定变异函数参数进行不同空间变异类型、变异程度、变异定向性的随机场模拟,同时利用现场观测数据对随机场模拟结果进行条件限制,从而提高了随机场的赋值精度;K_s的空间变异结构对孔隙水压力的分布规律、地下水位线变化范围、稳定性系数和最危险滑动面分布特征均有一定程度的影响.本研究为库岸斜坡稳定性评价提供方法支撑.      

基于有限元强度折减法的边坡动力稳定性可靠性分析

传统有限元强度折减法在边坡稳定性数值分析中取得了一定的成功,但由于未考虑岩土体材料参数的变异性等不确定性因素,尚不能直接应用于边坡稳定性特别是动力稳定性可靠性分析问题。为此提出了基于有限元强度折减法的地震边坡动力稳定性可靠性分析方法。将有限元极限分析法、动力分析法和可靠性分析法三者耦合,分析求解边坡在地震作用下的动力稳定性可靠性问题,并将这一过程在数值计算程序中得以实现。在计算分析过程中,克服了原方法需不断人工试算才能得到边坡安全系数而无法量化处理问题,并对边坡动力失效准则进行了适用于程序化的改进,使其计算过程完全实现自主运行。结合典型算例分析结果表明,该方法显著的特点是能较全面地反映岩土体的动力特性和边坡岩土体材料强度参数的变异性及相关性,所得结果相对更加合理且更符合工程实际。该方法既是对有限元强度折减法的应用范围的有益推广,也为边坡动力稳定性可靠性问题研究提供了一条新的有效途径。     

基于塑性极限分析上限法理论的土质边坡可靠度分析

将极限分析的上限定理、有限元离散思想、随机规划理论和蒙特卡洛方法这四者结合起来,提出了一种土质边坡可靠度分析的上限数值方法。首先采用三节点有限单元离散土质边坡,然后将土体的抗剪参数设为随机变量,根据上限定理构建同时满足三角形单元的塑性流动约束条件、单元公共边的塑性流动约束条件和单元速度边界条件的机动许可速度场,并根据内功功率等于外功功率条件建立目标函数,构建土质边坡可靠度分析的上限法随机规划模型。采用蒙特卡洛方法求解上限法随机规划模型,同时提出了一种基于上限法速度场的边坡失效风险系数估算方法,该方法特别适用于具有多种失效模式的边坡风险分析。对2个经典算例进行了深入分析,验证了方法的正确性。     

基于节理不确定性的可靠度分析

边坡稳定性一直是边坡安全的重点研究对象,针对边坡评价中常见的不确定性因素,可靠度分析是值得利用的方法。为评价某节理发育的岩质岸坡稳定性,通过有限元计算软件,结合现场勘探测绘数据,建立以边坡节理强度参数c、φ为输入变量,安全系数为输出变量的点估计（PEM）计算概率模型,计算结果表明:节理发育对该边坡变形具有明显控制作用;边坡整体可靠性较好,破坏概率极低。最后,通过蒙托卡罗法对可靠度结果进行验证,结果表明两种方法的计算结果不存在显著性差异。研究结果表明节理对岩质边坡稳定具有良好的敏感性,基于节理不确定性的点估计法分析边坡可靠度是一种有效的方法。