基于专家信息融合法的岩土参数概率分布推断

有限小样本条件下推断岩土参数的概率分布类型,在岩土工程可靠性分析是一个热点问题。在现场有限个小样本和存在多个大样本先验分布的条件下,提出了专家信息融合方法,探讨如何综合利用已有的经验资料并结合工程现场的试验数据来确定岩土参数的概率分布。考虑各先验分布的影响因素,通过专家打分方法,确定各先验分布的权重,进而进行整体融合,实现统计意义上概率分布类型的优化。     

推断岩土参数概率分布的二维正态信息扩散法EI北大核心CSCD

提出推断岩土参数概率分布的二维正态信息扩散法。基于正态信息扩散原理,并考虑二维岩土参数的相关性,建立了二维正态信息扩散法模型的一般表达形式。结合K-S检验法的原理和二维岩土参数的分布特点,提出了一种改进的二维分布K-S检验法和具体的检验步骤。以某水电站工程中的二维抗剪强度参数作为实例,利用二维正态分布和二维正态信息扩散分布对实际数据的分布进行了拟合比较,并利用二维K-S检验方法进行了检验。研究结果表明,二维正态信息扩散分布的检验值要低于二维正态分布的检验值,二维正态信息扩散分布函数更加接近实际数据的分布,表明二维正态信息扩散分布在描述岩土参数概率分布方面更有优势。研究结果也表明,二维正态信息扩散函数的边缘分布同样服从一维正态信息扩散分布,并且其精度同样比一维正态分布高。     

基于AHP先验分布融合法的岩土参数概率分布推断

在存在多个大样本先验分布和现场有限个小样本的条件下,提出了推断岩土参数概率分布的AHP先验分布融合法,探讨如何综合利用已有的经验资料并结合工程现场的试验数据来确定岩土参数的概率分布。借鉴AHP多目标决策方法的思想,并考虑各先验分布的影响因素,构造关于可信度的层次结构模型来确定各先验分布的权重并进行整体融合,进而求得融合验后分布的参数估计。研究结果表明:该方法可以增强统计决策中的稳健性,实现统计意义上概率分布类型的优化。     

随机加权法辅助小样本岩土参数分布拟合

提出小样本条件下基于随机加权法的多项式拟合方法,对岩土参数总体分布密度函数进行推断。应用随机加权法重采样技术对小样本数据信息进行提取,估计总体各阶原点矩。采用勒让德正交多项式拟合推断分布密度函数并采用精度较高的K-S检验法进行检验,确认本方法具有较高的精度。本方法直接根据样本数据进行推断,大大降低了对已有数据及经典分布概型的依赖性,具有明确的数学物理意义,能够满足岩土工程可靠性分析的需要。     

岩土参数最优概率分布推断方法及判别准则的研究

 为了获得岩土参数概率分布的最佳推断方法,首先考虑岩土参数均为非负值的特性,提出以“3?”准则为基础并考虑样本数据偏度进行调整的积分区间确定方法;以5组典型岩土参数作为基本信息,利用经典分布拟合法、最大熵法、一般多项式逼近法、正交多项式逼近法和正态信息扩散法分别对其概率分布函数进行了推断,并根据K-S检验法进行检验。通过所得概率分布的检验值、累积概率值和函数曲线的对比,研究上述方法的优劣。结果表明：与经典分布拟合法相比,其他4种方法的检验值普遍较小,均克服了经典分布无法反应样本随机波动性的缺陷,并且满足累积概率值等于1的要求。但最大熵法的检验值存在大于经典分布检验值的情况,一般多项式和正交多项式方法的概率密度函数则在样本数据局部分布区间存在负值情况。正态信息扩散法不存在上述缺陷,而且该方法得到的检验值最小,累积概率值始终为1,并可以随着样本的波动呈现多峰状态,拟合精度最高,是一种比较理想的最佳推断方法。最后给出了岩土参数最优概率分布的判别准则。     

推断岩土参数概率分布的二维正态信息扩散法

提出推断岩土参数概率分布的二维正态信息扩散法。基于正态信息扩散原理,并考虑二维岩土参数的相关性,建立了二维正态信息扩散法模型的一般表达形式。结合K-S检验法的原理和二维岩土参数的分布特点,提出了一种改进的二维分布K-S检验法和具体的检验步骤。以某水电站工程中的二维抗剪强度参数作为实例,利用二维正态分布和二维正态信息扩散分布对实际数据的分布进行了拟合比较,并利用二维K-S检验方法进行了检验。研究结果表明,二维正态信息扩散分布的检验值要低于二维正态分布的检验值,二维正态信息扩散分布函数更加接近实际数据的分布,表明二维正态信息扩散分布在描述岩土参数概率分布方面更有优势。研究结果也表明,二维正态信息扩散函数的边缘分布同样服从一维正态信息扩散分布,并且其精度同样比一维正态分布高。     

基于第二类切比雪夫多项式的岩土参数概率分布推断

基于数值分析中的逼近原理,提出了描述岩土参数概率分布的第二类切比雪夫正交多项式逼近法。直接根据试验样本值,运用第二类切比雪夫正交多项式来拟合岩土参数的概率密度函数。研究结果表明,采用该方法所得到概率密度曲线非常接近实际统计频率分布,为较大样本条件下描述岩土参数的概率分布提供了一条新途径。     

岩土参数概率分布的系统推断研究

借助数据挖掘技术,将岩土参数测试样本概率分布的选择系统化。选取了19组岩土参数测试样本,选择beta分布和正态信息扩散法作为推断岩土参数概率密度的两种方法。借助数据挖掘技术中的模糊C-均值聚类方法,根据岩土参数测试样本的数字特征值,将19组岩土参数测试样本归聚为4类,再根据每一类样本的分布规律,确定其概率密度函数的推断方法。对于波动性和离散性严重的测试样本,在采用正态信息扩散法推断其概率密度函数时,为解决窗宽选择问题,提出以均方差最小为目标,在窗宽的基础上,改变窗宽的大小,确定样本最优窗宽的方法。对于一组新的测试样本,根据数字特征值即可推断出测试样本的概率分布。     

岩土参数概率分布类型及其选择标准

 岩土参数的概率分布类型对风险评价和可靠度分析具有相当大的影响,对其研究是一项基础性的重要工作。从分析总结各种概率分布类型的产生背景、所描述对象的物理意义着手,将其分门别类,发现大致有5大系列,即Bernoulli分布系列、Poisson分布系列、极值分布系列、中心极限分布系列和用于统计分析的分布系列。然后研究岩土参数被建模为随机变量时影响其不确定性的因素,得出用中心极限分布系列对其描述较为合理,在此基础上,详尽地对比隶属于中心极限分布系列的正态、对数正态分布的各种特性,提出在二者之间如何选择的标准,即当变异系数小于30%且偏度系数小于0.025时选择正态分布,反之,选择对数正态分布。另外,论证泊松比更适合建模为b 分布的事实。最后,用一统计实例诠释本文所提观点的正确性。研究成果对岩土工程的风险评价和可靠度分析具有重要的参考价值。     

小样本岩土参数的Bootstrap估计及边坡稳定分析

 针对岩土参数小样本下t分布法区间估计较宽将导致工程设计偏于保守的问题,根据描述土体固有变异性的c,?总体开展小样本随机取样勘察模拟,运用Bootstrap法进行数据重构得到区间估计和点估计结果,对比与t分布法所得参数估计的差异。基于充足次数重复抽样构建的参数估计空间,分析与之映射的边坡稳定安全系数离散特征。研究表明：对应于同一置信水平,能充分利用小样本经验分布信息的Bootstrap法可有效收窄c,?均值置信区间,保证率下限值较传统t分布法结果更接近真值;虽然2种方法得到点估计结果的均值和方差相同,即对应的边坡稳定可靠指标相等,但采用Bootstrap法保证率下限值计算的边坡稳定安全系数均值相对较大,离散性更小,且这种改善效果随参数变异水平上升愈加明显;在保证相同可靠度条件下,Bootstrap法能更合理地对小样本统计不确定性导致的边坡安全风险进行补偿。     

岩土工程可靠度关于强度参数分布函数概型的敏感度分析

应用岩土工程可靠度计算中常用的一次二阶矩法,以Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ准则的抗剪度参数ｃ,ψ为例,针对各种不同分布函数概型对可靠度指标的敏感度进行了定量分析。结果表明,岩土工程可靠度计算中分布函数概型引起的可靠度误差不容忽视。     

基于正态信息扩散原理的Mohr-Coulomb强度准则参数概率模型推断方法

为构建Mohr-Coulomb强度准则可靠度判别表达式,需要研究岩石抗剪强度参数的概率分布规律,为此提出小样本容量下基于正态信息扩散原理的抗剪强度参数概率模型推断方法。考虑到一般情况下岩石抗剪强度参数样本量较小,以岩石单轴和三轴压缩试验数据为基本信息,根据排列组合理论构建小样本容量下的抗剪强度参数信息库,并利用稳健回归估计方法得到黏聚力c,内摩擦角?和摩擦因数f的样本数据。最后,基于正态信息扩散原理,推断获得3个强度参数的概率分布函数。为和传统拟合检验法所得到的结果进行比较,采用精度较高的K-S检验法进行检验。研究结果表明,基于正态信息扩散原理得到的抗剪强度参数的概率分布更加接近参数的实际分布规律,不论是在检验值还是累积概率值方面,所得结果都优于传统拟合检验法。     

岩土材料试验次数的概率估计方法

探讨了如何利用概率论与数理统计的知识。以期望损失最小为目标函数。以严格的数学推理来合理地确定最优的试验次数。应用举例说明提出方法的有效性，并就有关问题进行了讨论。     

岩石力学参数概率分布的信息熵推断

基于信息论的最大熵原理，直接用牛顿迭代法，由样本矩来推断岩石力学参数的概率密度函数，并且用精度较高的K-S检验法，从理论上证明所求的密度函数的正确性。算例表明，该方法避免了复杂的数值计算，可以满足岩石工程随机可靠性分析的要求。直接根据试验样本信息和统计方法推断，而不是先假定成经典的理论概率分布，具有更充分的数学和物理意义。由于概率分布采用指数形式而不是幂函数系多项式，避免了计算中的震荡等不稳定现象。     

岩土工程参数多重相关性的度量

表征岩土体特性的物理力学参数往往是一些不确定性变量，它们相互交叉影响、互为因果，存在互相关性。对于多变量的情形，由于自变量之间的相互作用，各自变量与因变量之间的相关关系不是简单相关系数所反映的情况。基于偏最小二乘法的回归理论，引入偏相关系数，辨识和度量岩土体的各物理力学参数之间的关系，并给出了算法实例和分析实例。工程算例表明，偏相关系数与简单相关系数有较大差别，这是由于多变量中重叠信息的交又影响的结果，偏相关系数更准确、真实地反映变量之间的相关关系。     

EVALUATION OF THE PROBABILITY OF FAILURE WITH UNCERTAIN DISTRIBUTION PARAMETERS

Formulations are presented for estimating probability of failure considering uncertainty of distribution parameters in time invariant and time variant reliability analyses. Based on the formulations the probability of failure can be calculated by recursively using the first order reliability method. Also, a more efficient approximate analysis procedure by using the point estimate method to estimate the probability of failure is given. In this analysis procedure, the point estimate method is used to discretize the uncertain distribution parameters in the time invariant reliability analysis, and to discretize the time-independent random variables and uncertain distribution parameters in the time variant reliability analysis. The probability of failure is then obtained by weighting the probability of failure conditioned at each of discrete points. The conditional probability of failure can be calculated by using first order reliability method, second order reliability method or any other convenient methods. The use of point estimate method to treat uncertain distribution parameters in calculating probability of failure is less computer time consuming than the one of recursively using FORM. Illustrative numerical examples of calculating probability of failure are presented.     

基于混合遗传算法岩土抗剪指标参数识别方法

岩土边坡的稳定性取决于边坡的几何形状和岩土材料的抗剪指标参数。由于尺寸效应,根据实验室小尺寸试件获得的参数具有某些局限性,反分析方法为解决这一课题提供了新的途径。根据实验观测岩土边坡滑移面的形状参数,建立了应用混合遗传算法识别岩土材料的抗剪指标参数的方法。遗传算法的特点之一是不需要计算目标函数的导数。为了提高参数识别方法的有效性、收敛速度和鲁棒性,将梯度搜索方法和遗传算法有机地结合在一起,使得所建立的反演策略具有梯度搜索方法和遗传算法的各自特性。研究了观测信息的不确定性对参数反演结果的影响。通过一个数值算例对比,显示了所建立参数识别方法的实用性和有效性。     

场分布参数的声波层析成像反演

温度场、渗流场和应力场等参数的检测是岩土工程领域中重要课题,利用场参数与声学参数的对应关系,通过声波层析成像技术可获取工程体内部的场分布特征。将描述物理场分布特征的偏微分方程转化为平滑算子,实现了物理场分布规律对层析成像反演过程的约束,提高了反演解释的精度。最后,通过数值模拟,说明了该方法的特点。