■溫丹

（廣東有色工程勘察設(shè)計院廣東廣州510080）

論提高巖土工程設(shè)計可靠性的有效措施

■溫丹

（廣東有色工程勘察設(shè)計院廣東廣州510080）

由于巖土是自然生成的產(chǎn)物，當(dāng)中帶有很大的不確定性，這種不確定性在一定程度上影響了巖土工程設(shè)計的可靠性。隨著我國對巖土工程設(shè)計可靠性的要求越來越高，提高巖土工程設(shè)計可靠性非常重要。本文重點(diǎn)闡述并分析了巖土工程在設(shè)計可靠性中出現(xiàn)的一些問題，針對這些問題提出了一些提高巖土工程設(shè)計可靠性的有效措施。

巖土工程 設(shè)計 可靠性

1　引言

巖石和土壤形成于漫長的地質(zhì)年代，并且在不斷地變化中，這導(dǎo)致巖土工程所得到的參數(shù)是多變的，帶有不確定性。盡管人類已經(jīng)為理論和實(shí)踐不斷努力，但是仍然不可能做到使實(shí)際情況與各種參數(shù)完全相同的。傳統(tǒng)的巖土工程設(shè)計會有不足，比如測試巖土強(qiáng)度，會因?yàn)闇y試的離散性大，測試出的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸常常都會存在誤差。這些不確定性顯著的存在于巖土工程設(shè)計中，影響了巖土設(shè)計的可靠性。近年來，不斷發(fā)展的工程結(jié)構(gòu)可靠性分析法能夠比較好地解決傳統(tǒng)的巖土工程設(shè)計法帶來的缺點(diǎn)，提高巖土工程設(shè)計的可靠性。

2　可靠性

2.1可靠性理論發(fā)展史及其重要性

可靠性理論出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，在二戰(zhàn)時期為了解決軍用武器的失效問題而衍生的一門新的學(xué)科，并在之后得到了快速發(fā)展。國內(nèi)對巖土工程在可靠性方面的研究起步較晚，在20世紀(jì)后期才開始研究。

巖土工程可靠性的問題是可靠性分析中比較困難的一個問題，這是因?yàn)閹r土工程的研究對象是富有變化的自然因素，含很多不確定因素，所以巖土工程的可靠性問題是一個比較復(fù)雜的問題。

2.2可靠性分析的特點(diǎn)

巖土工程的可靠性分析具有幾個特點(diǎn):①巖土性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性；②巖土工程的極限狀態(tài)的方程較為復(fù)雜,根據(jù)實(shí)際工程才能加以確定；③巖土的物理、力學(xué)參數(shù)時空變異性較大。

巖土性質(zhì)的指標(biāo)相關(guān)性有同一個指標(biāo)的自相關(guān)的性質(zhì)，也有不同指標(biāo)的相關(guān)性。在考慮土性互相性時,土性概率特征參數(shù)作為隨機(jī)的變量,不但有方差以及均值,還有自相關(guān)函數(shù)。巖土材料自身帶有不確定性，它受到位置的影響，即使是同一位置的巖土也會因深度不同而影響測試數(shù)據(jù)。因此，土性的隨機(jī)變量可以被看作一個隨機(jī)場，這是考慮巖土工程可靠性是會考慮的因素。

巖土工程的極限狀態(tài)方程很復(fù)雜，不同材料在不同應(yīng)力水平下帶有不同的變形特點(diǎn)，其材料和方程都帶有高度的非線性，很多情況下無法采用帶有參數(shù)的顯示函數(shù)進(jìn)行明確表達(dá)。并且由于巖土本身帶有的不確定性，結(jié)果往往不太精確。因此，在進(jìn)行巖土工程的可靠度分析時要根據(jù)實(shí)際情況來進(jìn)行研究。

巖土材料是自然的產(chǎn)物，人為無法控制器組成的成分和結(jié)構(gòu)，這使得巖土的物理和力學(xué)參數(shù)時空變異性較大。

3　提高可靠性設(shè)計

3.1解決的問題

要提高巖土工程的設(shè)計可靠性，要重點(diǎn)解決以下的幾個的問題：①要對采集到的巖土材料進(jìn)行觀察、分析或者對現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。其中重點(diǎn)包括環(huán)境的因素、土的性質(zhì)和狀態(tài)和荷載；②需要對現(xiàn)場的巖土環(huán)境進(jìn)行勘探、取樣并且進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計；③采用合適的壓實(shí)技術(shù)；④計算和分析安全系數(shù)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)并找到和破壞概率之間的關(guān)系；⑤計算工程所要花費(fèi)的成本對安全度的影響；⑥考慮在不確定的條件下的進(jìn)行的優(yōu)化和與之相關(guān)的決策。

3.2可靠度分析的方法

人們對于巖土工程系數(shù)的計算容易只關(guān)注到安全系數(shù)，而忽略了對巖土荷載的考察。所以，在計算巖土工程系統(tǒng)時要結(jié)合荷載和物理學(xué)指標(biāo)。

當(dāng)前,計算可靠度方法常見的有：Monte-Carlo模擬方法、可靠指標(biāo)法、隨機(jī)場有限元法、統(tǒng)計矩計算法等四種?？煽恐笜?biāo)法主要包括了均值的一次二階矩法、改進(jìn)的一次二階矩法和常用的JC法?？煽恐笜?biāo)法是常用的比較適用的方法。

3.2.1JC法

將非正態(tài)分布的隨機(jī)變量用當(dāng)量正態(tài)分布的隨機(jī)變量代替是JC法的基本原理,并用一次二階矩法求得可靠度指標(biāo)。土性相關(guān)性是在巖土可靠度計算中必須考慮的因素之一,它包括正相關(guān)和負(fù)相關(guān),如果不考慮其相關(guān)性,會影響計算時的某些參數(shù),如φ值,其影響已有人做過研究。受土性參數(shù)相關(guān)性的影響,在計算概率模式中會出現(xiàn)協(xié)方差項(xiàng)，但是在許多可靠性分析中假定參數(shù)間都是相互獨(dú)立的,所以必須要進(jìn)行修正。

3.2.2一次二階矩法

一次二階矩法分為均值的一次二階矩法和改進(jìn)的一次二階矩法。均值一次二階矩法是在均值點(diǎn)附近對功能函數(shù)線性化，造成非線性功能函數(shù)誤差大,而改進(jìn)一次二階矩法沒有均值一次二階矩法的缺點(diǎn),較適用于統(tǒng)計獨(dú)立的正態(tài)分布變量。這里重點(diǎn)介紹改進(jìn)的一次二階矩法。

用改進(jìn)的一次二階矩法計算可靠度需要把線性化點(diǎn)選在與結(jié)構(gòu)最大可能失效概率對應(yīng)的設(shè)計驗(yàn)算點(diǎn)P＊=(X＊1,…,X＊n)上。計算步驟如圖1,2所示：

圖1　一次二階矩計算

圖2　一次二階矩計算

3.2.3Monte-Carlo法

Monte-Carlo法是一種用數(shù)值的模擬來解決可靠性問題的數(shù)學(xué)方法。這種方法的特點(diǎn)是更加精確、直觀、信息獲取量更多，它能有效計算次數(shù)高且非線性問題的結(jié)構(gòu)可靠度。使用這種方法首先要大量抽取隨機(jī)變量,然后進(jìn)行分析。該方法概念清晰明了,通用性強(qiáng),回避了結(jié)構(gòu)可靠度分析中涉及到數(shù)學(xué)的困難，雖由于數(shù)據(jù)量大，會帶來計算量大,耗時長，效率低下缺點(diǎn)，但Monte-Carlo法可檢驗(yàn)其他方法的精確性。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展能夠使Monte-Carlo法更好的被使用。在巖土工程的可靠性的計算上Monte-Carlo法是不可缺少的。

4　結(jié)束語

設(shè)計的可靠性在巖土工程中愈發(fā)重要，但是它帶有自身的特點(diǎn)，在研究問題時不能盲目照搬現(xiàn)有的可靠性分析的方法，要正確運(yùn)用概率論和統(tǒng)計學(xué)的方法和原則并且以土力學(xué)的物理概念作為出發(fā)點(diǎn)，提高巖土工程設(shè)計的可靠性。

[1]王勇智.論如何實(shí)現(xiàn)巖土工程的可靠性設(shè)計 [J].廣東科技,2013(9):143-144.

P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-479-1