基于BUS方法的无限长边坡可靠度更新

某一特定岩土场地的试验数据、监测资料和观测信息等通常十分有限,然而贝叶斯方法却可充分利用有限的场地信息克服试验数据样本量较小的不足。为有效估计有限样本条件下参数统计特征,提出了基于结构可靠度方法和贝叶斯更新(BUS)的边坡可靠度更新方法,通过融入直剪试验数据更新无限长边坡可靠度验证了提出方法的有效性,并系统探讨了岩土体参数先验信息如试验样本量、概率分布和似然函数模型对边坡可靠度更新的影响规律。结果表明:BUS方法能够考虑岩土体参数概率分布和似然函数模型的影响,融入有限的场地信息准确地估计参数统计特征和更新边坡可靠度,为解决有限样本条件下边坡可靠度更新问题提供了一条有效的途径。土体参数概率分布对边坡可靠度更新结果(参数后验均值、标准差以及更新的失效概率)具有重要的影响,基于常用的正态和对数正态分布的边坡可靠度更新结果偏于保守,相比之下,似然函数模型对边坡可靠度更新结果的影响相对较小。此外,岩土体参数不确定性和更新的边坡失效概率均随着试验样本量的增大而减小,但当样本量增大到一定程度时它们的变化不大。     

小样本岩土参数下考虑矩估计偏差的土质边坡可靠度分析

以样本平均值和样本方差为表征的矩估计值在小样本岩土参数下具有较大不确定性,直接用于可靠度分析可能导致结果出现较大误差。根据抽样获得的同一小样本X可能来自不同总体W~*的事件发生概率关系,基于正态总体均值、方差与相应矩估计值的偏差分别服从t及χ~2分布的基本规律,依据条件概率原理构建了由W~*组成的岩土参数虚拟总体空间?_(POP)及对应发生概率空间?_(OCC);以简单土坡为对象,采用Monte Carlo法获得了不同强度参数总体W~*下的失效概率空间?_(FAI),应用全概率公式建立了考虑样本矩估计偏差影响的边坡稳定可靠指标β_T计算方法,分析了多批次小样本抽样下β_T空间分布特征。研究表明:以小样本岩土参数矩估计偏差发生概率为权重的矩偏权值法能有效收窄β_T分布区间,减小参数估计误差传递至β_T空间的不确定性,且β_T空间平均值收敛于真值,表现出良好的有效性和无偏性;针对实际勘察工作中的单批次小样本取样特点,矩偏权值法能较好降低数据在偏差偶然过大情况下造成的可靠性计算结果失真程度。     

小样本岩土参数下考虑矩估计偏差的土质边坡可靠度分析

以样本平均值和样本方差为表征的矩估计值在小样本岩土参数下具有较大不确定性,直接用于可靠度分析可能导致结果出现较大误差。根据抽样获得的同一小样本X可能来自不同总体W~*的事件发生概率关系,基于正态总体均值、方差与相应矩估计值的偏差分别服从t及χ~2分布的基本规律,依据条件概率原理构建了由W~*组成的岩土参数虚拟总体空间?_(POP)及对应发生概率空间?_(OCC);以简单土坡为对象,采用Monte Carlo法获得了不同强度参数总体W~*下的失效概率空间?_(FAI),应用全概率公式建立了考虑样本矩估计偏差影响的边坡稳定可靠指标β_T计算方法,分析了多批次小样本抽样下β_T空间分布特征。研究表明:以小样本岩土参数矩估计偏差发生概率为权重的矩偏权值法能有效收窄β_T分布区间,减小参数估计误差传递至β_T空间的不确定性,且β_T空间平均值收敛于真值,表现出良好的有效性和无偏性;针对实际勘察工作中的单批次小样本取样特点,矩偏权值法能较好降低数据在偏差偶然过大情况下造成的可靠性计算结果失真程度。     

先验概率分布及似然函数模型的选择对边坡可靠度评价影响的定量评估

受工程勘察成本及试验场地限制,可获得的试验数据通常有限,基于有限的试验数据难以准确估计岩土参数统计特征和边坡可靠度。贝叶斯方法可以融合有限的场地信息降低对岩土参数不确定性的估计进而提高边坡可靠度水平。但是,目前的贝叶斯更新研究大多假定参数先验概率分布为正态、对数正态和均匀分布,似然函数为多维正态分布,这种做法的合理性有待进一步验证。总结了岩土工程贝叶斯分析常用的参数先验概率分布及似然函数模型,以一个不排水黏土边坡为例,采用自适应贝叶斯更新方法系统探讨了参数先验概率分布和似然函数对空间变异边坡参数后验概率分布推断及可靠度更新的影响。计算结果表明：参数先验概率分布对空间变异边坡参数后验概率分布推断及可靠度更新均有一定的影响,选用对数正态和极值I型分布作为先验概率分布推断的参数后验概率分布离散性较小。选用Beta分布和极值I型分布获得的边坡可靠度计算结果分别偏于保守和危险,选用对数正态分布获得的边坡可靠度计算结果居中。相比之下,似然函数的影响更加显著。与其他类型似然函数相比,由多维联合正态分布构建的似然函数可在降低对岩土参数不确定性估计的同时,获得与场地信息更为吻合的计算结果。另外,构建似然函数时不同位置处测量误差之间的自相关性对边坡后验失效概率也具有一定的影响。     

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。     

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。     

基于自适应贝叶斯更新方法的岩土参数概率分布推断

合理推断岩土参数概率模型是岩土工程可靠度分析与风险评估的重要一步,目前大多基于现场或室内试验数据推断岩土参数概率分布。提出了岩土力学参数概率分布推断的自适应贝叶斯更新方法,建立了定量的子集模拟计算终止条件,构建了岩土参数概率分布推断及可靠度分析框架,并给出了计算流程。以台湾3号高速公路滑坡及不排水饱和黏土边坡为例验证了提出方法的有效性,并探讨了子集模拟每层样本数目对岩土参数概率分布推断的影响。结果表明:与最大似然和马尔可夫链蒙特卡洛方法相比,提出的方法计算效率高,编程较为简便,可为解决低接受概率水平岩土参数概率分布推断问题提供一个有效的工具。子集模拟每层随机样本数目对概率分布推断具有一定的影响,随着样本数目的增加,岩土参数后验统计特征和子集模拟阈值均逐渐收敛。此外,可根据互补累积分布函数随子集模拟阈值的变化关系来验证所建立的定量的子集模拟计算终止条件的合理性。     

考虑空间变异性条件下的边坡稳定可靠度高效敏感性分析

在有限数据条件下,可靠度敏感性分析是研究各种不确定性因素对边坡失稳概率影响规律的重要途径。基于直接蒙特卡洛模拟和概率密度加权分析方法提出了一种高效边坡稳定可靠度敏感性分析方法。所提出的方法通过随机场表征岩土体参数的空间变异性,并采用局部平均理论建立岩土体参数的缩维概率密度函数,用于概率密度加权分析中高效、准确地计算不同敏感性分析方案对应的边坡失稳概率。最后,通过一个工程案例--詹姆斯湾堤坝说明了所提出方法的有效性和准确性。结果表明：在敏感性分析过程中,所提出的方法只需要执行一次直接蒙特卡洛模拟,避免了针对不同敏感性分析方案重新产生随机样本和执行边坡稳定分析,节约了大量的计算时间和计算资源,显著提高了基于蒙特卡洛模拟的敏感性分析计算效率;在概率密度加权分析中采用岩土体参数的缩维概率密度函数能够准确地计算边坡失稳概率,避免了有偏估计,使概率密度加权分析方法适用于考虑空间变异性条件下的边坡稳定可靠度敏感性分析问题。     

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。     

岩土样本力学参数的模糊统计特征研究

岩土工程参数中的各种信息都存在模糊性。通过对岩土样本力学参数试验值的研究,提出当分析样本统计特征时,应该充分考虑模糊不确定性因素对参数特征值的影响。在确定的参数隶属函数基础上,推导了岩土样本力学参数模糊统计特征值的计算公式,并证明了公式的合理性。应用实例表明,由于文中提出的计算方法考虑了参数模糊性的影响,其计算结果比按常规统计方法得到的结果更具合理性。在任何情况下,模糊方差和模糊变异系数都比常规统计方法得到的方差和变异系数小。分析结果表明,该方法具有广泛的推广价值。     

Rosenblueth方法在深基坑抗隆起可靠度分析中的应用

由于岩土参数具有很大的不确定性,在深基坑抗隆起稳定性分析中高安全系数并不一定安全。为此,提出了深基坑抗隆起稳定性可靠度分析方法,基于Rosenblueth方法开发了相应计算程序,研究了土性参数c, 变异性对可靠指标的影响,并通过实例分别运用可靠度和安全系数分析方法分析深基坑抗隆起稳定性。结果表明:可靠度分析方法具有科学性和合理性,同时体现了Rosenblueth方法在复杂功能函数中进行可靠指标计算的优越性。     

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。     

岩土工程最小勘探数据量确定方法

准确地确定岩土设计参数统计特征值诸如均值、标准差是岩土工程可靠度分析与设计的重要前提。在满足岩土设计参数统计特征值计算精度条件下,文中提出了岩土工程最小勘探数据量的确定方法,定义了相对误差和相对变异性指标衡量岩土设计参数统计特征值计算准确性。系统地分析了静力触探试验数据量对砂土有效内摩擦角统计特征值计算精度的影响,并且根据相对误差和相对变异性指标确定了静力触探最小勘探数据量。研究结果表明,由静力触探试验间接估计砂土有效内摩擦角时均值相对误差较低,砂土有效内摩擦角相对变异性指标随静力触探试验数据量的增加而降低,即由认知不足引起的不确定性占总变异性的比值随静力触探试验数据量的增加而减小;当砂土有效内摩擦角容许相对变异性指标小于0.2时砂土有效内摩擦角在最大变异（COV=20%）与最小变异性（COV=5%）范围内,满足预定要求所需的最小静力触探试验数据量为10～100;若容许相对变异性指标小于0.3,所需的最小静力触探试验数据量为5～43。此外,间接估计岩土设计参数时经验回归模型不确定性对最小勘探数据量有显著影响。静力触探试验最小勘探数据量随经验回归模型不确定性的增大而增加,在确定岩土设计参数统计特征值时应尽量广泛收集勘探数据并选择精度较高的计算模型。     

基于Info-Gap的重力式挡土墙的鲁棒性分析

由于岩土力学参数的变异性及其数据信息获取的有限性,致使现有重力式挡土墙稳定性的不确定性分析方法难以反映其真实的安全性能和失效水平。拟在现有重力式挡土墙稳定性分析方法中引入Information-Gap (Info-Gap)理论,通过分析不确定参量允许不确定性程度的变化幅值及其度量方法,建立重力式挡土墙稳定性的不确定性分析的鲁棒可靠度评价模型;基于重力式挡土墙功能输出响应模型,利用区间组合法确定相应的鲁棒可靠度指标,进而建立了基于Info-Gap理论的重力式挡土墙鲁棒性设计方法。为了验证所提出的鲁棒性分析方法的有效性和重要性,结合某工程实例加以说明。在鲁棒性设计方法和可靠性设计方法的基础上对该设计进行了比较研究。该方法为因缺乏足够数据样本和信息量的工程问题的不确定性分析提供了新的途径。     

西安黄土土性相关距离的统计分布特性研究

土性指标概率模型参数的确定是进行岩土工程可靠度分析和设计的基础。为了更好地推行岩土工程可靠度设计,应该首先建立地区土性参数的概率模型。作为反映土性指标自相关特性的相关距离,研究其区域分布特性,建立其概率分布模型是必要的。本文收集了西安黄土的176个钻孔CPT数据,利用其端阻值qc作为样本,采用递推空间法计算了各层西安黄土的相关距离。研究了计算结果的统计特性,并对其均值进行了单侧置信区间估计,提出了各层西安黄土相关距离的代表值。建立了西安各层黄土相关距离的概率模型,对模型参数进行了估计,采用皮尔逊-卡方检验法对模型进行了拟合优度检验,检验结果认为其符合Beta分布。     

西安黄土土性相关距离的统计分布特性研究

土性指标概率模型参数的确定是进行岩土工程可靠度分析和设计的基础。为了更好地推行岩土工程可靠度设计,应该首先建立地区土性参数的概率模型。作为反映土性指标自相关特性的相关距离,研究其区域分布特性,建立其概率分布模型是必要的。本文收集了西安黄土的176个钻孔CPT数据,利用其端阻值q c作为样本,采用递推空间法计算了各层西安黄土的相关距离。研究了计算结果的统计特性,并对其均值进行了单侧置信区间估计,提出了各层西安黄土相关距离的代表值。建立了西安各层黄土相关距离的概率模型,对模型参数进行了估计,采用皮尔逊-卡方检验法对模型进行了拟合优度检验,检验结果认为其符合Beta分布。     

参数变异性对抗滑桩锚固深度可靠度的影响分析

工程岩（土）体由于地质条件、取样及试验条件等的差异,其物理力学性质指标均表现出较强的变异性.在常规抗滑桩锚固深度计算方法的基础上,建立起抗滑桩锚固深度可靠度分析的计算模型.通过工程实例,分析了参数的变异性对抗滑桩锚固深度可靠度的影响.认为参数变异性对抗滑桩锚固深度可靠度影响明显,参数变异性越大,抗滑桩失效概率也越大,同时得出抗滑桩锚固深度的可靠度对岩土体内摩擦角φ、内聚力C及容重γ的变异性最为敏感.     

基于区间不确定分析方法的边坡稳定性分析

影响边坡稳定性的岩土参数大多具有随机性、模糊性和可变性等不确定性的特点,因此,需要引入不确定性分析模型进行分析。本文在综合分析岩土参数区间性的基础上,将区间分析模型应用于边坡的稳定性分析。通过引用区间数学的思想,运用区间极限平衡法推导出边坡最小安全系数区间,并在此基础上对边坡进行非概率可靠度分析。     

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。     

岩土工程风险分析及应用综述

系统分析了岩土工程不确定性的根源及其分析方法,总结了降低不确定性的途径。系统评述了岩土参数随机场估计、随机变量描述方法以及模型不确定性研究。对几类典型岩土工程问题的风险分析方法、研究现状及其工程应用进行了总结。对目前岩土工程风险理论及其应用的前沿问题进行了研究和展望。研究指出岩土工程风险分析待研问题主要有：系统的风险源辨识方法包括风险源辨识的可视化研究,不确定性因子的合理描述研究,极限状态包括失效模式的仿真研究,不确定性计算包括应用信息融合技术数据挖掘技术研究,目标可靠度研究,风险转嫁风险交换的量化及风险跟踪的实施研究,风险的反分析研究等。展望岩土工程风险分析与应用：风险分析反映了对工程设计的综合性要求,表现了安全与经济的统一;定量风险分析作为决策工具或传统设计的补充,可给决策者提供更多的辅助评价信息,提高了结果的置信程度;但现在能描述的还只是“随机性的确定性模式”,工程师们只有使用“保守的”选择,以适应和弥补不完全的认识与有限的资料的条件。