土体参数概率分布函数对边坡系统可靠度影响

利用Monte Carlo法与极限平衡方法相结合,针对一典型土坡,比较分析了正态分布函数与对数正态分布函数对边坡系统可靠度的影响,研究得出:相同均值与标准差的前提下,假定土体材料符合对数正态分布函数得到的系统失效概率较之正态分布函数假定下的系统失效概率要大,另外,若仅在确定性临界滑动面上进行可靠度分析时,对数正态分布函数假定得到的失效概率同样较之正态分布函数假定下要大,但是,其增幅要大于边坡系统可靠度分析时的增幅。     

考虑概率分布影响的低概率水平边坡可靠度分析

目前考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析所研究的边坡几何尺寸相对较小。为有效地分析考虑参数空间变异性的几何尺寸相对较大的边坡可靠度问题,提出了基于多重响应面与子集模拟的边坡可靠度分析方法。以一个坡高为24 m的两层非均质黏土边坡为例验证了提出方法的有效性,并探讨了正态、对数正态、极值I型、Gamma和Beta这5种概率分布类型对边坡可靠度的影响。结果表明,提出方法具有以下优势:1可以有效地计算考虑多参数空间变异性的低概率水平边坡可靠度;2可以较好地解决几何尺寸相对较大的边坡可靠度问题;3有较高的参数敏感性分析计算效率,可为调查概率分布类型和波动范围等参数统计特征对边坡可靠度的影响提供技术支持。此外,参数概率分布类型对边坡可靠度具有重要的影响,常用的正态和对数正态分布分别用于表征参数概率分布特征时,可能会分别高估和低估边坡失效概率。     

基于有限差分方法的边坡可靠度分析方法

采用水平分层法在EXCEL中利用rand函数生成一系列的样本值,将每个样本值对应的强度参数输入有限差分程序中计算边坡的安全系数,统计安全系数小于1的样本数目与总体样本数目的比值,该比值即为边坡的失效概率,并通过算例分析验证了该方法的有效性。     

基于Copula函数的抗剪强度参数间相关性模拟及边坡可靠度分析

为了研究表征抗剪强度参数间相关性的Copula函数对边坡可靠度的影响规律,简要介绍了Copula函数的基本定义,收集了水利水电工程中4组岩基抗剪强度参数试验数据,采用AIC准则识别出表征抗剪强度参数间相关结构最优的Copula函数。提出了无限边坡失效概率计算的直接积分方法,以无限边坡可靠度问题为例系统地研究了Copula函数的类型对边坡可靠度的影响规律。结果表明：表征抗剪强度参数间相关性的Copula函数类型对边坡可靠度具有重要的影响,不同Copula函数计算的边坡失效概率具有明显的差别,这种差别随边坡安全系数的增加（或失效概率的减小）而增加、随抗剪强度参数间负相关性的增强而增大、随变异系数的减小而增大。常用的Gaussian Copula函数并不是表征抗剪强度参数间相关结构最优的Copula函数,Gaussian Copula函数构造抗剪强度参数的联合概率分布函数将会明显低估边坡的失效概率,不能为了计算简便而盲目采用Gaussian Copula函数表征抗剪强度参数间相关性。     

强降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的基岩型层状边坡可靠度分析

边坡土体因其自身的不均匀性及试验监测的不准确性,饱和渗透系数表现出一定的变异性。为探索强降雨条件下基岩型层状边坡的稳定性及失稳破坏概率,以笔者前期对基岩型层状边坡降雨入渗及其稳定性模型的研究为基础,结合Monte Carlo法,建立了考虑饱和渗透系数变异性的基岩型层状边坡稳定性可靠度计算模型,并基于MATLAB将这一计算过程程序化。最后,利用建立的基岩型层状边坡可靠度计算模型,得到了张家湾滑坡在不同饱和渗透系数变异系数及降雨强度下的失稳破坏概率,分析了饱和渗透系数变异系数及降雨强度对滑坡失稳破坏概率及安全系数均值的影响。计算结果表明在一定降雨条件下,当失稳破坏概率小于50%时,变异系数越大、滑坡发生失稳破坏的概率越大;当失稳破坏概率大于50%时,变异系数越小、滑坡发生失稳破坏的概率越大。     

节理化岩质边坡的关键块体可靠度分析

把随机概率模型引入块体理论,在考虑块体几何参数和力学强度随机分布的条件下,采用蒙特卡罗法进行随机模拟,对大小不等的块体形成概率以及不同破坏模式下块体的破坏概率进行计算,推导联合概率与分界边长的函数关系,求出不同块体大小的区间联合概率分布并对不同大小区间的块体稳定性进行综合分析,为节理化岩质边坡的加固提供理论依据,该方法具有重要的工程应用价值。     

基于子集模拟的边坡可靠度分析方法研究

边坡稳定受到诸多不确定性因素的影响,比如土体性质的空间变异性以及地层情况的不确定性。这些不确定性因素的影响可以通过蒙特卡洛模拟(Monte Carlo Simulation, MCS)进行定量地分析。MCS概念简单并具有广泛的适用性。但是,在小概率失效区域内,MCS计算效率很低,需要庞大的随机样本量来保证一定的计算精度。本文提出了一种实用的边坡可靠度分析方法。通过采用一种高级的MCS方法(Subset Simulation, 子集模拟)来提高小概率区域内的计算效率以及计算精度,并以EXCEL的表单环境为平台,联合使用Visual Basic Application(VBA)编写计算程序。在该程序中,子集模拟、边坡稳定的确定性分析和不确定性分析分别由三个相对独立的计算模块实现。最后,本文以James Bay 土坝为例,简明地说明了所提出方法的有效性,并探索了临界滑动面的不确定性对边坡可靠度分析的影响。     

边坡稳定的非线性有限元可靠度分析方法研究

在分析和评价现有的边坡稳定性分析方法的基础上,综合岩土力学、弹塑性力学、非线性有限元方法、概率论与数理统计、可靠度数学及计算机科学等多学科知识,研究了边坡稳定非线性有限元可靠度分析的有关方法,推导了相关公式,并编制了相应的计算程序,进行了均质土坡及非均质土坡的可靠度分析.主要研究成果与结论如下:(1) 提出基于强度折减的边坡稳定有限元可靠度分析方法.此方法无需对各有限单元求单元的可靠指标,能一次性得出边坡的整体可靠指标;不需对定值法有限元分析程序作修改,无论是线性有限元问题还是非线性有限元问题都适用,因而方便易用、适用性广.(2) 基于增量初应力法及偏微分技术,研究了基于滑面应力分析的非线性有限元可靠度分析方法中边坡整体可靠指标及其对应滑面位置的求解方法,探讨了有限元分析中功能函数形式对计算结果的影响.在这种方法中,功能函数的形式对滑面可靠指标的影响很大,计算中应采用考虑滑面方向的函数形式作为功能函数,它能更好地反映滑面方向对边坡可靠指标的影响,物理概念明确.(3) 分析比较了上述两种方法的异同点:基于强度折减的有限元可靠度分析方法编程简单,可调用现有的定值法程序,但计算速度较慢;基于滑面应力分析的有限元可靠度分析方法编程复杂,需对现有的定值法分析程序进行较大修改,但计算速度较快,并且能得到边坡整体可靠指标对应的滑面位置;两种方法本质相同.(4) 针对当前响应面法中的一些不足之处,提出了一种改进的响应面法.其主要的计算分二步:一是用验算点法求解可靠指标及验算点的位置,二是在此验算点处进行响应面的拟合,并对此响应面函数用常规的可靠度分析方法求解相应的可靠指标.该方法在计算精度及效率上比常用的基于响应面迭代的响应面法有所提高.(5) 研究边坡有限元可靠度分析中的敏感性计算方法,推导基本变量相关时在原始空间中求解可靠指标对参数敏感性的计算公式,提出进行参数的相对敏感性分析方法及公式.基本变量相关时在原始空间中求解可靠指标对参数敏感性的优点是无需求解转换矩阵,计算更加简单直接;对参数进行相对敏感性分析能剔除变量的单位对计算结果的干扰,敏感性分析的结果更具有可比性.(6) 研究结果既考虑边坡的弹塑性材料非线性又考虑其大变形几何非线性:在小变形情况下,弹性模量对边坡的安全系数及可靠指标影响很小,在边坡稳定性分析时可以忽略其影响.但是当考虑土体中发生的大变形现象时,弹性模量对边坡安全系数及可靠指标影响很大,不能忽略不计.(7) 为提高非线性有限元程序的收敛性,基于常规有限元计算中的Aitken加速收敛算法,研究了基于增量切线刚度法的随机有限元分析中相应的加速收敛方法,推导了其计算公式.与不采用加速收敛算法的随机有限元相比较,此方法明显提高了有限元计算的收敛速度,提高了计算效率.(8) 研究了有限步长迭代法在边坡稳定有限元可靠度分析中的应用,分析了初始步长及步长控制系数对一阶可靠度分析中可靠指标迭代过程的影响,这种方法克服了常规验算点法中可能出现的可靠指标迭代不收敛的问题.     

蒙特卡罗法在边坡可靠度分析中的应用

针对某均质边坡,采用简化Bishop法和Morgenstern-Price法计算滑动面的安全系数,对给定的滑动面进行了不同抽样次数的比较分析,选取了不同的土性随机参数进行计算,并进行了最大失效概率滑动面的搜索,得出了一些有意义的结论。     

广州科学城岩质边坡稳定性可靠度分析

边坡稳定性问题是边坡工程最关键的问题,如何研究其稳定性也是岩土工程的重点研究课题。把Monte Carlo法引入边坡稳定性分析和评价中,借助传统的极限平衡理论,建立边坡稳定性分析的极限状态函数。运算过程中采用伪随机数的方法生成服从正态分布的抗剪强度参数随机变量,进而求出边坡安全系数、安全系数的可靠度指标和失效概率。与传统的极限平衡方法相比,可靠性分析可以直观地反映边坡稳定的可靠程度及其失效概率,能为边坡工程支护设计提供更为可靠的参数,同时也能为生产提供指导作用。因此,可靠度分析方法是边坡稳定性评价的有效方法,具有广泛的应用前景。     

抗滑桩加固边坡的稳定可靠度分析

经常需要在试验资料不充分的条件下进行边坡工程设计,故如何从搜集到的各方面信息中统计得到工程设计所需参数具有重要的理论和工程意义。某边坡工程以实测两断层实验数据为基础,参照类似工程的实测资料分析结果,利用岩石分类确定断层的内摩擦角,利用反演分析和考虑残差的最小二乘拟合的方法确定断层的黏聚力;抗滑桩是横向受力体系,考虑抗滑桩4种失效模式的相关性,利用反分析的方法确定出抗滑桩的抗力统计参数;根据规范推荐的传递系数法确定出边坡滑动的功能函数,利用离散化降维解法求得边坡稳定的可靠度指标。分析结果表明:利用反演方法修正参数,减少了认识的不确定性,能够提高边坡工程设计的可靠性,在统计数据不足的情况下按可靠度进行边坡工程设计是一种可行方法;同时表明锚索抗滑桩加固边坡的效果是显著的。     

考虑隶属函数特性的边坡模糊可靠性分析

针对边坡工程岩土参数所具有的随机性、模糊性与区间性,根据隶属函数分布特征与截集技术提出岩土参数隶属函数截集取值方案,构建隶属函数不同分布形式的表征方法及其取值界限确定方法,建立基于截集技术与模糊点估计法的边坡模糊可靠性分析方法。通过两个典型算例不同工况计算结果的系统分析获得了岩土参数隶属函数分布形式、截集取值方案与取值界限对边坡模糊可靠度的影响规律。岩土参数样本数据量较少时可优先采用取值界限为±2.5σ的三角形分布与正态分布,对数正态与拟正态分布次之,而Beta(4,3)与Beta(4,4)分布将使模糊可靠度计算结果偏大。界限截集水平对计算结果影响程度显著,三角形、拟正态与Beta(4,3)分布的截集区间可取[0,1.0],正态与对数正态分布的截集区间可取[0.05,0.95],并选取隶属函数界限值与0.1间隔的截集水平值进行计算。获得了考虑隶属函数特性的边坡模糊可靠性分析方法,其将使边坡模糊可靠度计算结果更具合理性。     

斜拉桥拉索风雨激振参数联合概率分布模型

为了研究拉索风雨激振特征,在洞庭湖大桥建立了现场观测系统并开展了长期观测,得到了拉索风雨激振主要影响参数--风速、雨量、风向的一维边缘分布模型。采用Archimedean Copula函数建立了风速-雨量、风速-风向、雨量-风向的二维联合概率分布模型,及风速、风向和雨量三维联合分布模型,根据拟合优度评价指标确定了各联合概率分布的分布函数和参数值。综合风雨激振发生的风速、雨量、风向的一维边缘分布、二维联合分布及三维联合分布,得到了风雨激振发生的三维联合不超越概率和三维联合超越概率模型。该模型可以计算三维超越/不超越联合概率、联合条件概率以及不同组合条件下的概率密度,评价各种风、雨条件下拉索风雨激振的发生概率。     

基于盲数理论的边坡可靠度分析

 针对边坡岩土体参数的多种不确定性,采用盲数理论提出一种边坡可靠度分析方法,并首次提出以边坡盲数安全系数和最小安全要求可靠度作为指标来综合评判边坡的稳定性。首先,运用响应面法和有限元强度折减法求出边坡极限状态方程,运用盲数理论建立边坡安全系数的盲数模型,解出安全系数的盲数解,并进一步求出边坡盲数安全系数和最小安全要求可靠度的计算表达式。算例分析表明,边坡盲数安全系数和最小安全要求可靠度与传统方法相比均偏低,能更安全地评价边坡的稳定性,弥补了均值安全系数和传统可靠度之间无关联的缺陷。     

考虑参数空间变异性的无限长边坡可靠度分析

目前有关土体参数空间变异性对边坡稳定性影响的研究没有考虑抗剪强度参数随深度变化的影响。为此,提出了考虑土体抗剪强度参数均值随深度变化的无限长边坡稳定性概率分析方法。采用Karhunen-Loeve展开建立了表征土体空间变异性的随机场模型。探讨了考虑土体抗剪强度参数空间变异性时边坡失效概率和最危险滑动面的变化规律。最后,以无限长边坡稳定性概率分析问题为例验证了所提方法的有效性。结果表明：土体抗剪强度参数的空间变异性对无限长边坡失效概率有明显的影响,边坡失效概率随土体抗剪强度参数相关距离的增加而减小。对于不排水黏性边坡来说,边坡不排水抗剪强度随深度变化越明显,边坡失效概率越小。边坡最危险滑动面大部分都位于边坡底部。对于摩擦/黏性边坡来说,随着边坡抗剪强度随深度变化的增强,边坡失效概率有先减后增的趋势。抗剪强度参数随深度变化不同趋势对最危险滑动面分布规律有明显的影响。不考虑抗剪强度参数均值随深度变化将会导致最危险滑动面最可能出现在边坡底部。     

基于节理产状不确定性的边坡稳定性及敏感度分析

用Monte Carlo法对服从Fisher分布的节理产状进行模拟,计算每个模拟产状的安全系数,并统计拟合安全系数的分布规律及边坡的可靠度。为同时考虑安全系数对节理倾角和倾向的敏感度,提出了以安全系数对节理面法向矢量球面距离的敏感度来反映其对产状敏感度的分析方法,并建议用平均值和最大值两个指标来反映任意产状的敏感度。用赤平投影方法在赤平图上绘制安全系数等值线图和敏感度等值线图,实现了计算结果的可视化展示。算例分析表明：此方法实现了对节理产状不确定性的全面直观分析,消除了产状测量数据离散化可能造成的安全隐患,解决了以往产状敏感度分析中需单独对倾角或倾向分析的不足。     

蒙特卡罗法在边坡失效概率计算中的应用

为了定量地掌握蒙特卡罗法中抽样次数对固定滑动面失效概率的影响程度,针对两个边坡,分别假定潜在滑动面为圆弧和非圆弧,土体材料的黏聚力和内摩擦角为服从正态分布的随机变量,选取不同的滑动面,进行了不同抽样次数下的计算分析．对比分析发现：对于失效概率为0的滑动面而言,抽样次数的大小对结果没有影响,而失效概率大于0的滑动面,随着抽样次数的增加,失效概率有减小的趋势．