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土工风险可靠度分析

/risk and reliability analysis in geotechnical engineering/
条目作者李锦辉

李锦辉

最后更新 2024-12-03
浏览 130
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综合考虑岩土工程中不确定性因素,研究在给定条件和时间下完成规定功能的概率的方法。

英文名称
risk and reliability analysis in geotechnical engineering
所属学科
力学

岩土工程可靠度分析的基本内容包括岩土参数的不确定性表征、可靠度分析方法和岩土工程可靠度设计。

由于岩体、土体是在复杂的地质作用下形成的天然材料,其参数随空间、时间变化,存在着天然变异性。岩土参数常通过测定方法,试验设备及测量条件等可能引入显著的测量误差;将测量原始参数转换为岩土设计参数的模型也可能存在模型误差,这些都导致岩土参数存在着强烈的不确定性,合理表征岩土参数的变异性和离散性对于岩土结构设计至关重要。变异系数常用来表征土体参数的不确定性,土体强度参数的变异系数较大,可达到20%~30%;土体渗透系数的变异性非常大,变异系数值可以超过100%。此外,岩土参数还存在空间变异性,这种自相关性(同一岩土参数在不同空间位置测量值之间的相关性)可以通过波动范围量化。当波动范围较大时,两个相近位置间的参数相关性强。

可靠度分析中通过设定功能函数判断完成某一确定功能的概率,其结果常用可靠指标和失效概率表示。可靠指标和失效概率的计算常通过一次二阶矩法、蒙特卡罗方法、响应面法等。一次二阶矩法将功能函数在某点用泰勒级数展开,取一次项利用随机变量的均值和标准差(即前二阶矩)来求解可靠指标。蒙特卡罗方法是首先生成随机变量的样本,然后将随机变量的样本作为输入获得极限状态方程函数的样本,再统计失效区样本的数量从而估算失效概率的一种方法。对于复杂结构难以写出功能函数的显式,直接采用蒙特卡罗方法工作量太大,此时可以采用响应面法来确定结构功能函数。响应面法通过设计一系列取样点,采用确定性的分析得到系统的安全响应,进而拟合一个响应面来逼近真实的极限状态曲面。

岩土工程设计经历了完全依据经验设计、按容许应力设计、极限状态设计和按可靠度理论设计的发展过程。容许应力设计采用一个安全系数来考虑所有与设计有关的不确定性,此方法概念简单且使用方便,然而对相同的安全系数值,其实际的安全水平可能差异很大,这是因为岩土参数离散性的大小会影响失效概率的大小。极限状态设计以失效概率或可靠指标代替以往的安全系数,可以分为承载能力极限状态和正常使用极限状态。使用失效概率或可靠指标来评价结构的可靠性比单一的安全系数更为合理,但是由于影响荷载和抗力的因素很多,且缺乏足够的统计资料,当前直接采用概率的分析方法计算结构的可靠度还较困难,也可采用较为实用的荷载抗力系数设计方法。该法是指包含荷载和抗力系数的设计,而荷载和抗力系数是根据目标可靠度校准而来。

可靠度理论对岩土工程实践的影响已经无处不在,而基于风险的工程评价与决策正在兴起。基于社会经济原则,综合考虑人员伤亡、环境损坏和经济损失,将风险系统合理地考虑进可靠度设计中是发展趋势。

  • BAECHER G B, CHRISTIAN J T.Reliability and statistics in geotechnical engineering.Chichester:John Wiley & Sons Ltd,2003.
  • ANG A H-S, TANG W H.Probability concepts in engineering-emphasis on applications to civil and environmental engineering.USA:John Wiley & Sons Ltd,2007.

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