岩土参数随机场模型研究现状

介绍目前国内外岩土随机场理论及其应用的研究现状。首先介绍岩土参数随机场的基本理论，从相关距离的求解及常用的离散方法两个方面进行比较和评述；其次，就随机场理论的应用情况进行综述，并指出存在的问题；最后，对这一理论的发展前景提出了看法。      

宁波软黏土土性相关距离计算分析

相关距离是应用随机场理论进行岩土工程可靠度分析的重要参数。基于宁波某地铁车站地质勘察资料,分析取样间距对宁波软黏土层相关距离的影响,提出宁波软黏土层相关距离在取样间距变化时的确定原则。同时,分析了依据不同土性参数和不同计算方法得到的宁波软黏土层相关距离的差异,并应用Wilcoxon单向评秩分析方法对各自的差异进行统计检验。检验结果表明,各自的差异均不存在统计显著性。结合宁波轨道交通1号线工程地质勘察资料,对该地区典型软黏土层竖向相关距离进行计算和统计,得到淤泥质黏土层和淤泥层的竖向相关距离代表值分别为0.436 m与0.352 m。     

考虑围岩抗剪强度空间变异性的隧道变形分析

为研究岩土体非均质性所产生的低抗剪强度区对隧道变形的影响,利用随机场的计算机模拟,考虑围岩抗剪强度空间变异性进行隧道变形研究。借助FISH语言将土性随机场与FLAC3D模型一对一单元映射,建立二维有限差分各向同性随机场,对不同相关距离和变异系数下低抗剪强度区的特点和发展模式进行分析,同时对各组多次试验结果开展概率统计分析,结合确定性结果研究低抗剪强度区对隧道变形的作用。结果表明,随机场计算机模拟可以很好地再现土层剖面土性的不确定性;增大相关距离和变异系数会导致低抗剪强度区域进一步发展,但两者发展模式有根本不同;低抗剪强度区域的存在会改变地应力对隧道各位置的作用程度。     

考虑土体弹性模量空间变异性的盾构隧道变形分析

在对隧道变形的研究中,土体参数通常按确定值考虑,忽略了土体性质的空间结构性和变异性,与实际情况不符。将随机场理论与数值计算结合,开展Monte-Carlo随机分析,研究了土体弹性模量空间变异性对隧道变形的影响,并与确定性分析结果作对比。结果表明,随机场计算机模拟结合Monte-Carlo方法,计算次数足够多时可以得到很好的模拟结果,分析土体性质的随机性是可行的;土体弹性模量的空间变异性对隧道变形有重要影响,概率统计结果与确定性分析相比在量值上有明显不同,变形结果会随着相关距离和变异系数的增大变得越来越离散。     

可靠性理论在强风化岩石边坡稳定性分析中的应用

为了对强风化岩块组成的岩石边坡的稳定性进行评价,通过一次二阶矩法、蒙特卡罗模拟和有限差分数值分析相结合的方法对其进行了可靠性分析和研究。首先,将岩石边坡等效为连续介质体,利用等效连续模型获得强风化岩石边坡的特征参数,之后,将岩石边坡的岩土材料参数定义为二维空间变异参数,并通过一次二阶矩法建立了变异参数的不确定性模型;然后,利用蒙特卡罗模拟了岩土参数的空间变异性;最后,利用有限差分的方法研究了协方差、相关距离对安全系数和可靠性指标的影响。结果表明:岩土工程参数空间变异性对特定岩石边坡的稳定性评价具有很大的影响;强风化岩石边坡的安全性评价不能仅凭单一参数值确定;随着岩石边坡参数协方差的增大,可靠性指标值逐渐减小,安全系数逐渐减小;随着自相关距离的增大,可靠性指标逐渐增大。因此,应在边坡常规分析和设计过程中充分考虑岩土工程参数空间变异性。     

红石岩堰塞坝力学参数随机场模拟研究

空间变异性是天然土体固有的一种属性,现场试验结果表明鲁甸地震形成的红石岩堰塞坝新堆积体具有明显的空间变异性,传统均值材料数值模型无法准确描述这种变异性。采用空间随机场理论根据现场勘测试验数据和室内三轴试验参数构建了红石岩堰塞坝的随机场模型,对该堆积体岩土力学相关参数进行了随机模拟。研究结果表明：红石岩新堆积体的邓肯-张E-B模型参数K、n、Kb和m服从对数正态分布;新堆积体随机场的竖向相关距离为2.84 m,水平相关距离为33.94 m;新模型能较好地模拟堆积体参数的空间变异性。     

基于三维随机场的地下洞室围岩变形分析

为充分考虑材料的非均匀性以及各向异性,将岩土参数模拟为三维随机场,分析岩土体参数的空间变异性对围岩变形的影响.采用K-L级数展开方法生成弹性模量的三维随机场,构建了考虑弹性模量空间变异性的有限差分模型,研究了不同横向、纵向、竖向波动范围对开挖区域上覆岩层变形的影响.研究结果表明:在竖向波动范围小于0.4 m时,地下洞室...     

基于参数空间变异性随机场的地铁基坑变形研究

鉴于地铁基坑工程存在土体参数不确定性导致难以精细化控制变形的问题,依托济南地铁闫千户站基坑工程,考虑土体参数空间变异性,将随机场理论与数值模拟有机耦合,研究基坑变形特性与变异系数对变形的影响规律。结果表明,土体参数变异性较小时,可将二维随机场模型简化为一维计算;地表沉降大小和围护结构的变形具有较强相关性,围护结构最大变形区域在0.5H～0.9H,平均值约在0.7H;变异系数与地表沉降呈正相关,变异系数从0.1增加到0.4,地表沉降值增大了70%。     

岩石地基弹性模量随机场建模方法研究

提出了一种根据实测数据建立岩石地基弹模随机场的方法。该方法分两步进行:(1)是数据的收集与预处理,也就是随机场自身的建模问题。针对工程中常见的随机场一般是非均匀随机场的实际,预处理部分主要包括去势处理、异常值的检验、均匀性检验和统计参数(如均值、方差及相关距离)的计算等内容;(2)目标随机场的模拟部分,包括随机场的离散及模拟两部分内容。离散采用局部平均法进行,将模拟区域离散成规则的矩形随机场单元,然后进行单元之间的协方差矩阵的计算;模拟部分采用Cholesky分解技术和随机抽样技术获得均匀随机场的样本,然后把趋势分量在各单元的取值相加即得到目标随机场的模拟样本。最后用一工程实例对该方法的实用性和有效性进行了检验。     

岩土工程中随机-模糊统计公式的修订及应用

岩土工程中的随机-模糊统计方法用模糊理论准确表达了岩土材料特性的空间变异性,通过信息理论、计算技术与岩土力学的结合,实现了模糊模型的定量求解并使经典的随机统计公式作为一种特例包含于相应的随机-模糊统计公式中.简述了岩土工程中随机-模糊统计原理和相关计算公式,并对这些计算公式进行了局部修订以完善其理论逻辑,讨论了应用岩土工程中随机-模糊统计原理和相关计算公式应注意的问题以便推广应用.     

考虑土性参数空间变异性的单桩竖向承载力分析

岩土体是自然界的产物,其性质具有较大的空间变异性。在已有土体随机场模拟研究成果基础上,考虑了土体强度参数的变异系数和相关距离,通过数值方法研究了竖向荷载作用下土体空间变异性对桩基础承载力的影响。结果表明,考虑土体空间变异性后,桩基承载力的中值都小于确定性分析得到的桩基承载力;随着变异系数和相关距离的增大,桩基承载力的不确定性越来越大,实际工程中需重点关注土体参数变异性大的工况。考虑土体强度参数空间变异性的桩基竖向承载力分布规律可以用对数正态分布曲线来描述,当样本数足够多时,可依此获取任一荷载下桩基础的失效概率。     

考虑土体强度参数深度依赖性的非平稳随机场边坡滑动深度和体积分析

基于随机有限元方法（RFEM）和Monte-Carlo模拟,建立了能够模拟具有深度依赖性的土体强度参数边坡或具有软弱夹层边坡的非平稳随机场模型。通过辐射扫描方法获取最危险滑动面,得到非平稳随机场边坡滑动深度和滑动体积。将该方法与均质边坡和平稳随机场边坡获得的滑动深度和滑动体积进行对比,研究土体强度参数深度依赖性的非平稳随机场边坡的不同坡度和各向异性对滑动深度和滑动体积的影响。结果表明：基于RFEM的非平稳随机场滑动深度和滑动体积结果为地质灾害风险及后果评估提供了一个参考分析的新角度;参数的深度依赖性程度越高(变化率b越大),则边坡平均滑动深度和滑动体积越小;在大坡度滑坡风险后果评估中,可以基于均质边坡分析结果进行初步预估;在非平稳随机场中,随着各向异性的增大,所有坡度边坡的滑动体积变异系数增大;不同坡度下,水平方向的相关程度越大,则土坡内软弱夹层的不确定性越强,滑动体积的变异系数也不断增大。     

岩土工程研究60年回顾与展望

本文简要回顾了中国水利水电科学研究院岩土工程研究所建所60年的科研工作情况,重点介绍了近10年来的主要科研进展及主要研究成果,内容包括土的工程性质研究、土石坝工程技术研究、土工离心模拟技术研究、岩石力学与工程技术研究、工业固体废弃物安全贮放技术研究、现代信息技术在岩土工程中的应用研究等,同时对今后岩土工程研究所的重点科研发展方向进行了展望。     

Three-dimensional stochastic seepage field for embankment engineering

Owing to the complexity of get-engineering seepage problems influenced by different random factors, three-dimensional simulation and analysis of the stochastic seepage field plays an important role in engineering applications. A three-dimensional anisotropic heterogeneous steady random seepage model was developed on the basis of the finite element method. A statistical analysis of the distribution characteristics of soil parameters sampled from the main embankment of the Yangtze River in the Southern Jingzhou zone of China was conducted. The Kolomogorov-Smimov test verified the statistical hypothesis that the permeability coefficient tensor has a Gaussian distribution. With the help of numerical analysis of the stochastic seepage field using the developed model, various statistical and random characteristics of the stochastic seepage field of the main embankment of the Yangtze River in the Southern Jingzhou zone of China were investigated. The model was also examined with statistical testing. Through the introduction of random variation of the upstream and downstream water levels into the model, the effects of the boundary randomness due to variation of the downstream and upstream water levels on the variation of simulated results presented with a vector series of the random seepage field were analyzed. Furthermore, the combined influence of the variation of the soil permeability coefficient and such seepage resistance measures as the cut-off wall and relief ditch on the hydraulic head distribution was analyzed and compared with the results obtained by determinate analysis. Meanwhile, sensitivities of the hydraulic gradient and downstream exit height to the variation of boundary water level were studied. The validity of the simulated results was verified by stochastic testing and measured data. The developed model provides more detail and a full stochastic algorithm to characterize and analyze three-dimensional stochastic seepage field problems.     

引江济汉工程渠道膨胀土分类及工程处理

膨胀土问题是引江济汉工程的关键技术问题之一。在大量的试验分析、研究的基础上,经对比分析,确定适合引江济汉工程区特点的分类指标及分类方法。为适应膨胀土分布不均一的特性,采取"样本1/3"法则对单层土体的膨胀性进行判别及"厚度1/3"法则对渠道膨胀土进行界定。并根据膨胀土的宏观地质特征,进行野外快速判别,以指导工程施工。在此基础上,针对不同膨胀等级的渠段进行可靠、经济合理的工程处理。     

考虑裂隙迹长和开度相关性的随机裂隙网络数值模拟及渗流分析

基于蒙特卡罗法,引入裂隙迹线长度和开度的相关性函数,提出了一个改进的随机裂隙网络生成算法。利用MATLAB平台编制程序,实现二维裂隙网络的生成,通过与布尔模拟生成的真实裂隙场的比较,验证了改进算法的有效性和程序的正确性。然后借助离散裂隙网络渗流模型对生成的裂隙网络进行渗流分析。分别在考虑迹长开度相关性和不考虑二者相关性的条件下,计算了随机裂隙网络的渗流场,给出了下游边界出口裂隙流量分布和裂隙网络内部水压力的分布。计算结果表明,考虑裂隙迹线长度和开度的相关性能很好地反映裂隙网络渗流的结构特征,从而证明了所提方法的合理性。该模型是对随机裂隙网络模型的有效补充,可为岩体工程渗控分析提供理论基础和数值计算工具。     

试论水电主体工程设计中水土保持工程的界定和评价

为尽可能减少水电工程施工活动产生水土流失对生态环境带来影响,要从工程设计入手,从源头上预防工程水土流失的发生。对主体工程具有水土保持功能的工程的界定和评价,可以体现“预防为主,防治结合”的基本理念。建议在界定时采用可或缺性、非安全性、功能性原则。水电工程主体工程设计中具有水土保持功能的工程主要有开挖形成的非岩石边坡的防护工程、地表截排水工程和绿化工程等。     

考虑土体强度空间变异性的单桩水平承载力研究

空间变异性是土体的固有天然属性,在确定桩基础承载力时理应考虑土的这一特性。应用已有的土体参数随机模拟方法,考虑不同的变异系数和相关距离,通过数值方法研究了土体强度的空间变异性对单桩水平承载力的影响。研究发现:确定性分析得到的单桩水平承载力明显大于考虑土体强度空间变异性后的单桩水平承载力均值,应用规范方法设计的单桩基础仍有失效的可能;相关距离对单桩水平承载力均值无明显影响,但承载力标准差随相关距离的增大而增大;随着变异系数的增大,单桩水平承载力均值随之减小,但承载力标准差随之增大。因土体强度空间变异性导致单桩承载力的不确定性,其分布规律可以用对数正态分布进行描述,据此规律可获得任一荷载下单桩基础的失效概率。     

卵石土蠕变本构模型及其工程应用

卵石土是岩土工程建设中的常用材料,由于针对其流变力学特性的研究较少,导致无法评价该种材料的长期稳定性。采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法,针对卵石土开展了室内三轴蠕变试验,对卵石土蠕变的有关力学问题进行了探讨,分析了卵石土蠕变与时间、应力状态的关系,并提出了11参数卵石土蠕变的数学表达式及相应的参数指标。将该本构模型嵌入到ABAQUS软件中,计算了某大桥锚碇下覆地基的长期沉降变形。结果表明,提出的本构模型可以很好地描述卵石土的流变特性。与锚碇沉降变形监测结果相比,蠕变加速变形阶段的沉降计算结果偏大,蠕变稳定阶段的沉降计算结果偏小。研究结果可为卵石土的长期变形计算提供相关参考。     

基于FLAC3D的土工格室挡墙工程性状及敏感性因素分析

以驻信高速路基边坡的土工格室柔性挡墙工程为背景 ,研究土工格室挡墙的工程性状和敏感性因素.通过FLAC3 D有限差分软件 ,模拟格室单元与填土的相互作用 ,对挡墙的受力与变形规律进行研究 ,并结合实体工程进行对比验证.同时 ,基于FLAC3D强度折减法 ,对挡墙稳定性影响因素进行了敏感性分析.结果表明 :土工格室挡墙在上覆荷载作用下 ,墙背应力沿墙背先增大 ,再减小 ,再增大的波动形分布 ,并且由墙背至墙身递减 ;挡墙位移曲线的斜率随墙高递减 ,呈"网兜"状 ;数值计算与现场测试得到的曲线变化规律一致 ,表明采用的数值模型是合理的 ;此外 ,计算表明土工格室挡墙稳定性对填土内摩擦角最为敏感.研究成果对土工格室挡墙的设计与施工具有重要的参考价值和指导意义.