关于随机场理论在土工可靠度计算中应用的研究

应用随机场理论进行可靠度分析时,关键在于随机场理论求得的参数,尤其是方差折减函数如何同可靠度理论结合起来。在土工可靠度计算中正确选取并且合理应用方差折减函数是一个非常关键但又很容易被忽略的问题。本文从随机场的基本理论出发,对这一问题进行探讨和研究,提出方差折减函数的确定原则;并通过一个工程算例,说明此折减原则较为合理,且在实际工程中偏于安全。     

考虑土性参数空间变异性的桩基可靠度分析

土性参数空间变异性是土性不确定性的一个主要来源,对岩土结构稳定性影响非常大,但目前多数研究采用间接近似的隐式模型模拟,采用直接明确的显式模型模拟的研究较少。本文将基于蒙特卡洛模拟的可靠度方法与随机场理论相结合,建立基于随机场理论的桩基可靠度分析方法,采用随机场法直接明确地模拟土性参数空间变异性,并基于钻孔桩实例分析土性参数空间变异性对钻孔桩可靠度设计的影响。结果表明,土性参数空间变异性对桩基设计结果影响很大,忽略空间变异性将导致设计结果更保守,土性参数空间变异性对小直径钻孔桩的设计结果影响更突出。另外,文章还采用等效方差折减法间接近似地模拟空间变异性,结果表明,采用方差折减函数简化形式的等效方差折减法模拟设计结果偏保守。     

不排水强度的空间变异性及单桩承载力可靠性分析

对于土性随深度变化的情况,讨论了不排水剪切强度cu空间变异性的随机场概率统计模型.由于现有的土层随机场模型都是针对平稳随机场,即土性的随机分量的,所以首先要用回归的方法分离出趋势分量来,然后才能对随机分量进行模拟.认为在进行岩土工程可靠度分析时,不仅要考虑抽样所带来的误差,还要考虑土性本身的空间变异性.并用不排水剪强度cu的变异性来计算粘性土中单桩承载力的方差,旨在阐明随机场理论在岩土工程可靠性分析中的应用.最后用一个算例作了具体说明.     

深层搅拌桩可靠度分析

结合工程实例,应用随机场理论对比贯入阻力进行了统计分析,得出土性指标的空间均值和方差,将单桩承载力、荷载和活载作为随机变量计算深层搅拌桩承载力的可靠度,并对影响的各个因素进行了分析.     

软土地基抗剪强度指标的变异性

引入土层剖面随机场模型,把土性参数的点变异性和空间变异性联系起来。利用上海地区17个典型场地的直固快剪试验资料的统计结果,提出土层抗剪强度指标点变异系数的置信区间,建议在可靠度分析中使用置信上限估计值并考虑空间平均后的折减效应。     

软土抗剪强度指标的变异性

引入土层剖面随机场模型 ,把土性参数的点变异性和空间变异性联系起来。利用上海地区 1 7个典型场地的直固快剪试验资料的统计结果 ,提出土层抗剪强度指标点变异系数的置信区间 ,建议在可靠度分析中使用置信上限估计值并考虑空间平均后的折减效应。     

随机场理论在抗剪强度指标统计中的应用

 根据土力学关于地基承载力等课题的基本假定,土的抗剪强度指标是描述均匀土体平均强度趋势的参数,统计时应计算其一定空间范围的均值及其均值方差,因而有必要将随机场理论引入抗剪强度指标的统计方法,并考虑土性指标的自相关性及互相关性。以抗剪强度指标的传统统计方法为基础,结合随机场理论,提出抗剪强度指标的随机场统计方法,在抗剪强度指标统计时既考虑单个指标的自相关性,又考虑指标之间的互相关性;并且不必分别研究c,tanj 的自相关函数及互相关函数,而是通过回归直接得到其均值方差,使计算大为简化。最后,通过天津新港的工程算例,进一步说明用此统计方法得到的可靠度指标与工程的实际安全程度相对应,且较传统的统计方法更为合理。     

土质边坡可靠性分析的分层非平稳随机场模型

在边坡稳定可靠度分析中使用较为广泛的土性参数平稳随机场模型,通常假设土性参数具有定值涨落尺度或相关长度。对于土壤类别差异较大、分层显著的边坡,尤其是存在局部软弱层的边坡,该模型无法有效模拟不同土层尤其是软弱层的影响。为此,针对由不同类别土壤构成的具有显著分层特性的土性边坡,建立了沿深度方向具有多涨落尺度的土性参数非平稳随机场模型。采用连续回归分析各层土性参数的均值变化函数与方差结构,利用指数相关函数构建非平稳随机场的协方差矩阵,建立了具有多涨落尺度的土性参数非平稳随机场模型,应用塑性极限分析方法,对一个实际工程边坡进行了稳定可靠性分析,研究了黏聚力、内摩擦角等强度参数的非平稳性对临界滑移面形状、位置以及边坡稳定可靠度的影响。分析结果表明,所建具有分层非平稳随机场模型,适于土性参数沿土体埋深呈明显分层特征的土质边坡,能有效反映局部软弱层对边坡稳定可靠性的影响,而平稳随机场模型或均值连续变化的非平稳随机场模型则适于由同一类型土壤构成的边坡。     

各向异性随机场下的边坡模糊随机可靠度分析

土性参数具有很大的空间变异性,且在水平方向和垂直方向上差异显著。基于随机变量模型的传统边坡模糊随机可靠度分析方法并未对此进行考虑。提出一种能合理考虑土性参数空间变异性的边坡模糊随机可靠度分析方法。首先,视黏聚力和内摩擦角的均值为正态模糊数,对其取不同的λ截集水平并在各截集水平上进行参数组合。其次,利用各向异性随机场模拟土性参数的空间变异性,将有限元法和Monte–Carlo模拟相结合,计算各参数组合对应的可靠度指标。再通过数学方法得到边坡在各截集水平上的可靠度指标。最后,运用加权平均法计算边坡的模糊随机可靠度指标。算例分析表明:与水平方向的空间变异性相比,垂直方向的空间变异性对边坡模糊随机可靠度的影响更为显著;不考虑土性参数的空间变异性在一般情况下会低估边坡的模糊随机可靠度指标,但在抗剪强度参数变异性较大时,反而可能会高估边坡的模糊随机可靠度指标;此外,黏聚力与内摩擦角之间的相关性对边坡失效概率的影响趋势基本不受土性参数空间变异性的干扰。     

基于二维随机场在圆弧曲线上局部平均化的边坡可靠度分析

土质参数随机场在边坡滑移面上局部平均后的"空间特性"值是控制边坡可靠性的主导因素。以边坡滑移面为圆弧为前提,基于随机场理论进行了公式推导,通过二维随机场在圆弧曲线上的一维局部平均得出了局部平均方差的计算式。以推导出的局部平均方差计算式为基础提出了适用于均质原状边坡的简便可靠度分析方法。方法首先通过少量确定性有限元分析经拟合得出极限状态曲线,然后经过一维局部平均方差计算边坡强度参数的"空间特性"统计指标,最后通过积分计算强度参数分布函数在极限状态曲线危险侧的面积得出边坡失稳概率。经与蒙特-卡罗随机有限元法进行对比表明,提出的基于二维随机场一维局部平均的边坡可靠度分析方法计算结果可靠,可为边坡可靠性分析提供一种新思路。     

考虑岩土参数空间变异性的盾构隧道地表沉降分析

现有随机场理论能够较好地描述单一岩土参数的天然随机性、空间结构性和局部奇异性。当前面临的挑战是如何考虑多个土层、多元及统计相关的岩土参数空间变异性对岩土工程的影响。考虑岩土参数如黏聚力、内摩擦角和压缩模量等具有明显的空间变异性,将随机场理论引入盾构隧道地表沉降可靠指标分析。主要研究工作包括:(1)采用局部均值方法将多个非平稳土层同一岩土参数转化为平稳各向异性随机场变量,并给出随机场的统计特征;(2)简化岩土参数的空间变异性为一般变异性,直接采用响应面方法计算盾构隧道地表沉降可靠指标;(3)提出协同序贯高斯离散算法,在空间网格上实现多元岩土参数随机场的同步离散化,并基于经典Monte-Carlo随机模拟原理和盾构隧道数值计算,直接统计地表沉降的可靠指标;(4)引入子集Monte-Carlo随机模拟加速算法。将以上方法应用于天津~#5、~#6地铁环湖西路站—宾馆西路站区间盾构隧道四线交叠工程,结果表明,采用经典随机理论描述岩土参数的变异性,所得到的盾构隧道地表沉降可靠指标小于基于随机场理论的对应值。该结论为复杂盾构隧道的施工控制与设计优化提供了理论依据。     

基于随机场理论的桩基沉降预测方法

针对土性指标普遍存在的变异性与自相关性 ,引入随机场理论分析方法 ,在研究桩基沉降概率分布特征及其特征值计算的基础上 ,提出了一种估算桩基沉降上限的方法 ,建立了一种新的桩基沉降预测方法     

基于相关联长度的随机场理论及其应用

把固体物理相关联长度的概念引入土体 ,利用随机场理论和数理统计的方法 ,在考虑误差分析的情况下 ,给出了获得CPT曲线统计特性的方法和实用化公式。     

土工离心模型的空间变异性研究

土工离心模型的试验结果主要由模型箱内空间平均的土性指标影响。基于随机场的原理,研究了土工离心模型中土性指标的空间变异性。根据实测土密度和孔隙率数据,采用相关函数法计算相关距离,并讨论了模型与原型的空间变异性的相似关系。结果表明,离心模型中土性指标的点变异系数相比原位测试值偏小,相关距离则远小于原位土的相关距离。即使点变异系数和相关距离一致,不同比尺的模型对应原型的空间均值变异系数也不相等。给出了空间均值变异系数云图,可用来调整离心模型以满足原型空间均值变异系数的要求。     

Spatial probabilistic evaluation of offshore/nearshore sea bottom soils based on cone penetration tests

The inherent variability of soil has a crucial role in reliability-based design, especially for offshore foundations where the variability and uncertainty are more critical due to high costs as compared to the onshore counterparts. In this study, spatial probabilistic evaluation of the characteristics of offshore/nearshore sea bottom soils is performed based on data of 65 cone penetration tests (CPTs), reaching to 200-m depths in seabed soils, in up to 64 m of water. The types and typical characteristics of sea bottom soils are reported, together with statistical evaluation. A key parameter for random field theory, the spatial correlation length, based on CPT data is obtained for different soil types, using four different autocovariance functions (exponential, squared exponential, cosine exponential and second-order autoregressive). For these purposes, a MATLAB code is developed to take the CPT data, identify individual soil layers, carry out statistical evaluation of the properties of soils and report the vertical spatial correlation length of each layer using four different autocovariance functions. The undrained shear strength of clays in nearshore and offshore soils increases with depth, at rates of 1 to 3 kPa/m. Sands nearshore and offshore have similar relative density that is generally less than 50% (i.e. in loose to medium-dense state). The vertical spatial correlation length based on CPT of all soils is in the range of 0.11 m to 0.27 m, for all four different autocovariance functions, for all CPT cone tip resistances, sleeve friction and friction ratio, and for all shallow- and deep-water soils. The vertical spatial correlation length of nearshore soils is slightly larger than offshore soils. The results add to the scarce data on the spatial correlation length of offshore soils and can be useful for future studies on reliability and risk assessment of nearshore/offshore foundations.

     

对地基动刚度及惯性作用的研究

过去在动力基础和构筑物的振动设计中均不考虑地基的惯性作用。本文应用线性质-阻-弹振动理论,在大量野外试验的基础上提出了基础和构筑物在垂直振动作用下,其地基参振土质量及其垂直刚度的经验计算公式。文中还讨论了基础埋置深度对参振土质量和地基刚度的影响。大量的分析表明,考虑地基惯性作用后的动力计算精度有相当改善。     

膨胀法处理湿陷性黄土地基的理论及试验

通过对湿陷性黄土地区地基处理技术的研究,提出了利用生石灰桩膨胀材料处理湿陷性黄土地基的方法。首先阐述了膨胀法处理地基的基本原理。其次利用圆柱形孔扩张理论推导了在处理大厚度湿陷性黄土地基时,生石灰桩膨胀材料使用量的计算方法。最后,将该方法用于工程实践,通过土工试验测试处理后地基土的物理力学性质指标。试验结果表明,用该方法处理后的湿陷性黄土地基,湿陷性完全被消除,各项物理力学指标得到显著改善,土的压缩性及压缩模量均得到提高,体现了该计算理论的正确性,进一步证明了膨胀法在大厚度湿陷性黄土地基处理中的可行性。     

海洋采油平台打桩工程中土塞效应研究

 根据太沙基深基础计算方法提出新的土塞效应判断方法,考虑边载效应,同时考虑打桩对周围土体的影响,引入动力效应系数,并将其应用于实际工程中,实测打桩记录结果与计算结果吻合较好,可用于桩的可打入性分析。     

考虑参数空间变异性的隧道结构变形分析简化方法

土体参数具有空间变异性是被广泛接受的,而这种变异性对岩土中结构性能有着重要的影响.随机场理论是一种常用的用来模拟土体参数空间变异性的方法.基于随机场理论,以土体弹性模量的空间变异性为切入点,采用蒙特卡罗方法和有限差分模拟计算相结合的方法,开展隧道水平收敛的随机分析.在大量蒙特卡罗计算基础上,提出了3种简单易用的简化考虑...     

Application of the ZEL method in the prediction of foundation bearing capacity considering the stress level effect

There are a number of factors affecting the bearing capacity of shallow foundations. Among them, the scale effect can be mentioned as one of the most important factors. Unlike the theoretical equations, experiments show that the bearing capacity of foundations does not increase without limit when the foundation size increases. The effect of stress level on soil shear strength parameters has been known as the main reason for this observation. The method of the zero extension lines (ZEL) for the solution of plasticity problems in soil mechanics has been utilized to take this effect into account by incorporating the stress level − dependent soil friction angle. The bearing capacity of shallow foundations is then computed with the aid of this method, showing a decreasing tendency in the third factor, N _γ, which is the main contributor in shallow foundations. Comparisons have been made with experimental data, showing good consistency between experiments and theoretical predictions with the ZEL method.