论提高岩土工程设计可靠性的有效措施

2016-08-23温丹

地球 2016年7期

关键词：二阶工程设计岩土

■温丹

（广东有色工程勘察设计院广东广州510080）

论提高岩土工程设计可靠性的有效措施

■温丹

（广东有色工程勘察设计院广东广州510080）

由于岩土是自然生成的产物，当中带有很大的不确定性，这种不确定性在一定程度上影响了岩土工程设计的可靠性。随着我国对岩土工程设计可靠性的要求越来越高，提高岩土工程设计可靠性非常重要。本文重点阐述并分析了岩土工程在设计可靠性中出现的一些问题，针对这些问题提出了一些提高岩土工程设计可靠性的有效措施。

岩土工程设计可靠性

1　引言

岩石和土壤形成于漫长的地质年代，并且在不断地变化中，这导致岩土工程所得到的参数是多变的，带有不确定性。尽管人类已经为理论和实践不断努力，但是仍然不可能做到使实际情况与各种参数完全相同的。传统的岩土工程设计会有不足，比如测试岩土强度，会因为测试的离散性大，测试出的结构构件的尺寸常常都会存在误差。这些不确定性显著的存在于岩土工程设计中，影响了岩土设计的可靠性。近年来，不断发展的工程结构可靠性分析法能够比较好地解决传统的岩土工程设计法带来的缺点，提高岩土工程设计的可靠性。

2　可靠性

2.1可靠性理论发展史及其重要性

可靠性理论出现于20世纪30年代，在二战时期为了解决军用武器的失效问题而衍生的一门新的学科，并在之后得到了快速发展。国内对岩土工程在可靠性方面的研究起步较晚，在20世纪后期才开始研究。

岩土工程可靠性的问题是可靠性分析中比较困难的一个问题，这是因为岩土工程的研究对象是富有变化的自然因素，含很多不确定因素，所以岩土工程的可靠性问题是一个比较复杂的问题。

2.2可靠性分析的特点

岩土工程的可靠性分析具有几个特点:①岩土性质指标的相关性；②岩土工程的极限状态的方程较为复杂,根据实际工程才能加以确定；③岩土的物理、力学参数时空变异性较大。

岩土性质的指标相关性有同一个指标的自相关的性质，也有不同指标的相关性。在考虑土性互相性时,土性概率特征参数作为随机的变量,不但有方差以及均值,还有自相关函数。岩土材料自身带有不确定性，它受到位置的影响，即使是同一位置的岩土也会因深度不同而影响测试数据。因此，土性的随机变量可以被看作一个随机场，这是考虑岩土工程可靠性是会考虑的因素。

岩土工程的极限状态方程很复杂，不同材料在不同应力水平下带有不同的变形特点，其材料和方程都带有高度的非线性，很多情况下无法采用带有参数的显示函数进行明确表达。并且由于岩土本身带有的不确定性，结果往往不太精确。因此，在进行岩土工程的可靠度分析时要根据实际情况来进行研究。

岩土材料是自然的产物，人为无法控制器组成的成分和结构，这使得岩土的物理和力学参数时空变异性较大。

3　提高可靠性设计

3.1解决的问题

要提高岩土工程的设计可靠性，要重点解决以下的几个的问题：①要对采集到的岩土材料进行观察、分析或者对现有试验数据进行分析处理。其中重点包括环境的因素、土的性质和状态和荷载；②需要对现场的岩土环境进行勘探、取样并且进行试验设计；③采用合适的压实技术；④计算和分析安全系数是否达到标准并找到和破坏概率之间的关系；⑤计算工程所要花费的成本对安全度的影响；⑥考虑在不确定的条件下的进行的优化和与之相关的决策。

3.2可靠度分析的方法

人们对于岩土工程系数的计算容易只关注到安全系数，而忽略了对岩土荷载的考察。所以，在计算岩土工程系统时要结合荷载和物理学指标。

当前,计算可靠度方法常见的有：Monte-Carlo模拟方法、可靠指标法、随机场有限元法、统计矩计算法等四种。可靠指标法主要包括了均值的一次二阶矩法、改进的一次二阶矩法和常用的JC法。可靠指标法是常用的比较适用的方法。

3.2.1JC法

将非正态分布的随机变量用当量正态分布的随机变量代替是JC法的基本原理,并用一次二阶矩法求得可靠度指标。土性相关性是在岩土可靠度计算中必须考虑的因素之一,它包括正相关和负相关,如果不考虑其相关性,会影响计算时的某些参数,如φ值,其影响已有人做过研究。受土性参数相关性的影响,在计算概率模式中会出现协方差项，但是在许多可靠性分析中假定参数间都是相互独立的,所以必须要进行修正。

3.2.2一次二阶矩法

一次二阶矩法分为均值的一次二阶矩法和改进的一次二阶矩法。均值一次二阶矩法是在均值点附近对功能函数线性化，造成非线性功能函数误差大,而改进一次二阶矩法没有均值一次二阶矩法的缺点,较适用于统计独立的正态分布变量。这里重点介绍改进的一次二阶矩法。

用改进的一次二阶矩法计算可靠度需要把线性化点选在与结构最大可能失效概率对应的设计验算点P＊=(X＊1,…,X＊n)上。计算步骤如图1,2所示：

图1　一次二阶矩计算

图2　一次二阶矩计算

3.2.3Monte-Carlo法

Monte-Carlo法是一种用数值的模拟来解决可靠性问题的数学方法。这种方法的特点是更加精确、直观、信息获取量更多，它能有效计算次数高且非线性问题的结构可靠度。使用这种方法首先要大量抽取随机变量,然后进行分析。该方法概念清晰明了,通用性强,回避了结构可靠度分析中涉及到数学的困难，虽由于数据量大，会带来计算量大,耗时长，效率低下缺点，但Monte-Carlo法可检验其他方法的精确性。计算机技术的发展能够使Monte-Carlo法更好的被使用。在岩土工程的可靠性的计算上Monte-Carlo法是不可缺少的。