考虑渗透系数空间变异性的堤防工程渗流分析

水力参数的空间变异性对堤防的渗流状态有明显影响,对其进行量化分析可为堤防的安全运行提供保障。为此,基于随机场理论建立了非侵入式随机渗流分析框架,研究了复杂堤防在不同随机场参数下堤防内水力坡降、渗流量等渗流控制指标的变化规律。结果表明,变异系数每增大0.2,堤防内粘土的水力坡降最大值增加20.4%,中砂则增加60.5%,水力参数空间变异性的影响不可忽视。此外,同时考虑堤防内所有材料的随机渗流特性与仅考虑粘土随机渗流特性相比,粘土内最大水力坡降和流量存在较小波动,这意味着粘土作为主要防渗材料,其渗流安全主要受自身材料属性的影响。

考虑土体空间变异性的液化区埋地管道上浮反应与易损性分析

为分析可液化场地土体空间变异性对管道上浮反应的影响,以土体相对密度Dr为随机场变量,采用基于乔列斯基分解的中点法生成随机场,基于OpenSees软件进行埋地管道二维随机有限元计算,分析了土体空间变异性对管道上浮位移的随机统计特征以及管道上浮易损性的影响。结果表明:当管道上浮位移较大时,土体空间变异性条件下管道上浮位移均值小于确定性分析结果,且差距随空间变异性增强而更为显著;局部致密区间的存在一定程度上限制了管道上浮行为的发展;累积绝对速度CAV可较好表征地震动强度对管道上浮位移的影响;易损性函数的离差随土体空间变异性增强而不断增加,且均大于所对应的确定性离差,导致易损性曲线更为平缓;随机变量模型不能合理表征空间变异性对管道上浮反应的影响。

考虑土性参数空间变异性的珠三角软土地区土钉支护结构可靠度分析

如何定量定性描述软土土性参数空间变异性对准确确定软土土性参数和合理评价软土地区土钉支护结构稳定性至关重要。采用既有统计分析方法定量描述空间变异性通常需要大量数据,难以满足。本文基于随机场理论模拟软土土性参数空间变异性,建立了一套考虑土性空间变异性的软土地区土钉支护结构可靠度设计方法,最后以MATLAB软件包为平台进行计算程序的开发与工程实例研究。分析结果表明,本文采用随机场方法模拟软土土体固有空间变异性及其在土钉支护结构可靠度分析中的应用具有合理性与普适性。

考虑参数空间变异性和基于高效代理模型的边坡可靠度分析

在考虑参数空间变异性情况下评估小失效概率的边坡可靠度,传统可靠度分析方法往往存在耗时冗长或难以求解等问题。为此,提出了一种基于分段逆回归的主动学习多元自适应回归样条法与子集模拟结合的边坡可靠度分析方法,并探讨了分段逆回归方法对代理模型响应值的影响。首先,利用Karhunen-Loève展开法离散抗剪强度参数随机场,通过强度折减法计算得到一定数量的训练样本用于构建初始代理模型。接着,采用主动学习函数选取一定量最优样本点更新代理模型,使用最终的代理模型与子集模拟耦合进行边坡可靠度分析。最后,以两个典型的边坡算例,验证所提方法的有效性。结果表明:在考虑参数空间变异性情况下,所提方法可以采用更少的训练样本进行小失效概率边坡可靠度分析,不仅可得到比较精确的结果,而且避免出现内存溢出情况。

基于贝叶斯理论和条件协同模拟的海上风电场土体参数空间变异性表征

海上风电场土体参数的空间变异性表征对海上风电工程具有重要意义,多源土体参数融合可降低表征结果的不确定性。然而,现有方法无法利用非同位多源土体参数数据,且不考虑统计不确定性对空间变异性表征的影响。为此,提出了基于贝叶斯理论的条件协同模拟方法,该方法根据非同位多源土体参数数据,利用贝叶斯理论估计交叉变异函数,再利用条件协同模拟方法生成大量土体参数空间分布的模拟样本,表征参数空间变异性,表征过程中合理地考虑模型参数的统计不确定性。以某海上风电场为工程背景,利用提出的方法融合无侧限抗压强度(qu)和标准贯入试验(SPT)击数N值,表征qu的空间变异性。结果表明:提出的方法可以根据有限非同位的qu和N值数据,表征qu的空间变异性,合理地反映了有限数据条件下统计不确定性的影响。此外,利用强信息先验分布或者融合标准贯入数据,可以降低变异函数模型参数统计不确定性和条件协同模拟结果的不确定性。

基于t-SNE-AMARS-MPM的空间变异性边坡可靠度分析及大变形破坏模式研究

在考虑参数空间变异性对大变形边坡可靠度评估的影响,特别是在小失效概率的情况下,传统分析方法常因耗时冗长或难以评估大变形失稳破坏而受限.针对这一问题,提出一种结合t分布-随机邻近嵌入、主动学习多元自适应回归样条法和物质点法的新方法,并深入探讨了t分布-随机邻近嵌入对代理模型的优化作用.首先,利用Cholesky分解法离散边坡参数随机场,并通过确定性分析获取训练样本.随后,采用主动学习函数优化代理模型,高效求解边坡安全系数并按升序排列.最后,使用物质点法依次模拟并获取失效样本.以一个两层不排水土坡为例,验证了该方法的有效性.结果表明,所提方法相较于传统随机物质点法,计算量仅为其1.64%,显著提高了计算效率.同时,通过对失效样本的深入剖析,识别出边坡失稳具有4种不同的破坏模式,这些破坏模式的演化过程与土体参数的空间分布紧密相关.尤为值得注意的是,多层渐进破坏模式作为其中破坏过程最为复杂的类型,其对周边环境的威胁尤为显著,需要重点防范.这为边坡工程的风险评估和加固提供了重要依据.

考虑参数空间变异性的高桩码头-岸坡体系可靠性分析

为进一步发展高桩码头-岸坡体系结构可靠性分析方法,基于KL-Copula互相关随机场模拟方法,综合考虑了岸坡土体参数空间变异性与其相关结构及大小的影响,提出一种岸坡-高桩码头体系互相关随机场模拟与可靠性求解数值实施流程,并基于PLAXIS计算程序平台,编写了高桩码头-岸坡体系互相关随机场模拟与可靠性分析外挂求解程序KLCPRP。在此基础上,进一步结合非侵入式随机分析方法进行相关算例分析,探讨不同岸坡强度参数Copula函数结构对互相关随机场模拟和高桩码头结构可靠性求解的影响规律。计算分析结果表明:不同Copula函数结构所对应模拟样本的线性相关系数、秩相关系数均存在一定差异性;对于有限实验数据情况,Gaussian Copula函数结构会导致随机场计算结果偏于保守;所提出的KL-Copula模拟随机场数值实施流程及对应外挂求解程序KLCPRP具有良好的精度和有效性,可为高桩码头-岸坡相互作用体系的相关工程设计及安全评价提供理论参考。

考虑材料参数空间变异性的SBFEM开裂模拟

论文建立了基于比例边界有限元法(scaled boundary finite element methods,SBFEM)框架的非局部宏微观损伤模型,考虑材料细观物理参数的空间变异性,探讨了材料参数的空间变异性对结构开裂过程的影响。结果表明:考虑材料参数空间变异性后,裂纹扩展路径具有不确定性,建议的模型能够很好地反应材料内在的随机性;随着结构受力情况的复杂化和结构本体缺陷的增多,裂纹开裂模式的变异性也会增大。自相关长度和参数变异系数对结构开裂分析结果有重要影响。

考虑各向异性空间变异性的边坡可靠度分析

在边坡可靠度分析中,通常采用横观各向异性或各向同性随机场来刻画土体参数的空间变异特性,而忽略了土体参数的各向异性空间变异性,从而可能会得出错误的可靠度评价结果。为此,建立考虑各向异性空间变异性的边坡可靠度随机有限差分方法(RFDM)计算框架,并以一般各向异性空间变异性边坡为参考边坡,从波动范围方向结构、互相关系数、变异系数和波动范围等方面系统地探讨各向异性空间变异性对边坡可靠度的影响。结果表明:基于坐标转换的各向异性随机场模拟方法可以有效地刻画土体参数各向异性空间变异性;应变聚类边坡临界滑面搜索算法适用于复杂临界滑面的精确搜索;相比一般各向异性空间变异性,旋转各向异性空间变异性会高估边坡失效概率,横观各向异性空间变异性会严重低估边坡失效概率,而各向同性空间变异性会在较大和较小的波动范围内分别高估和低估边坡失效概率。

基于静力触探试验及土工参数的黏性土空间变异性研究

自相关距离是进行岩土参数空间变异性分析的重要参数。基于浙江嘉兴某黏性土场地的246组静力触探试验(CPT)及18个钻孔取土室内土工试验,采用平均跨距法、递推空间法、曲线极限法计算了基于侧壁摩阻力f_(s)、锥尖阻力q_(c)和其他土工参数的自相关距离,分析了不同方法、不同参数计算垂直和水平自相关距离的优劣。研究表明:递推空间法的计算结果异常值少且变异系数较小,是研究区场地土体自相关距离的最优计算方法;基于f_(s)、q_(c)算得的自相关距离较为接近,垂直和水平自相关距离分别约为2 m和19 m,但不同土工参数计算得到的结果存在一定的差异。本研究获得了嘉兴黏性土自相关距离的典型值,为土体参数的空间变异性研究提供了基础,对该地区岩土工程的勘探点位布设、随机场的建立及后续可靠度分析具有重要的指导意义。

考虑地层厚度空间变异性的水下隧道差异变形预测

为了解决地层空间变异性等不确定因素极大地增加了水下交通隧道的隧道全寿命安全性能预测难度的问题,依托南京市定淮门隧道实际工程,通过统计分析获得了敏感性地层厚度的空间变异性累积概率分布函数,并考虑不同水压耦合作用效应,揭示了南线和北线空间变异性地层中隧道的差异变形及内力变化规律。研究结论表明:管片拱顶竖向位移随着粉细砂地层厚度累积概率和隧道周围水压的增大而增大;随着上覆粉质黏土夹粉砂层厚度累积概率的增大,管片最大水平位移也越来越大。总体上土层厚度的空间变异性对隧道的位移、错缝量、内力均有很大影响,不同的空间变异性对隧道的安全性影响规律不同,应引起重视,设计时若采用传统方法无法预知其风险,设计带有一定隐患。

空间变异性软土层管廊隧道安全可靠度分析

根据宿迁地区钻孔资料统计分析,获得了沿综合管廊轴向软黏土地层底高程的截断式正态分布函数;结合不同黏土土样的改进广义指数蠕变本构模型,基于随机有限元模拟技术建立了同时考虑地层厚度和蠕变特性空间随机分布的综合管廊运营期安全预测随机有限元模拟方法。研究结果表明:宿迁地区综合管廊运营期10 a后的变形和结构内力已趋于稳定,管廊结构最大等效应力分布为3.00~3.50 MPa,最大值比最小值大16.67%,管廊最大等效应力概率密度近似偏态分布;管廊结构最大拉应力和最大差异沉降概率密度近似正态分布。软土层的空间变异性对综合管廊安全预测结果有一定影响,建立考虑软土层空间变异性的综合管廊运营期可靠度预测方法可以更全面掌控风险,对综合管廊的优化设计和施工安全控制具有重要指导意义。

考虑多层土体空间变异性的地表变形分析

为了探究多层土体空间变异性对盾构隧道开挖引起的地表沉降变形的影响,本文将内摩擦角和黏聚力值作为随机参数对象。探究多层土体地况下,内摩擦角和黏聚力变异系数对地表变形的影响,利用乔列斯基分解法和拉丁超立方抽样法实现了参数的随机化,利用有限元分析地表沉降变形。研究结果表明:盾构隧道开挖的多层土体的地表沉降变形规律和单层土体地表变形规律相似,地表沉降值服从对数正态分布;内摩擦角的变异系数对隧道开挖地表沉降变形的影响强于黏聚力变异系数变化的影响;模型整体呈现上软下硬的地层状况,地表沉降变形对土的参数变化比较敏感,导致沉降变化较大。

考虑空间变异性的隧道稳定性分析

基于随机场理论和有限元数值分析方法,研究岩土参数的空间变异性对地面沉降的影响。以内摩擦角和黏聚力空间变异性为重点,系统考虑内摩擦角和黏聚力的水平和竖直自相关距离对地面沉降的影响。结果表明,平均地表沉降曲线随着黏聚力和内摩擦角自相关距离的增加不断地离散,相较于黏聚力的水平竖直自相关距离的影响下,内摩擦角的竖直自相关距离对地面沉降影响比较大;内摩擦角和黏聚力的水平和竖直的自相关距离的改变,对地面最大沉降量产生的影响也不尽相同。

湖底沉积物渗透系数空间变异性分析

湖底沉积物垂向渗透系数在研究地下水与湖水转化关系中起着重要作用。采用竖管法测定银川清水湖24个试验点位的垂向渗透系数(K_(v)),结合颗粒分析和统计学方法分析其渗透系数的分布规律和空间变异性。为更准确地表述和分析研究区K_(v)的空间变异性,根据结果把研究区划为A、B两个分区。结果表明:K_(v)值主要分布在0.107~5.004 m/d范围内,总体呈正态分布,均值为1.995 m/d,变异系数为0.730,渗透性有中等程度的空间变异性;A区试验点K_(v)均值为0.926 m/d,明显小于B区试验点的均值3.063 m/d,且变异程度由A区向B区逐渐减小;除个别试验点外,有效粒径d_(10)与界限粒径d_(50)较大的试验点的K_(v)值相对较大,说明沉积物颗粒大小与分布情况是K_(v)值产生差异的关键因素之一;湖水与地下水的水文交互作用影响K_(v)值的大小。研究结论为清水湖湿地的湖水和地下水转换研究提供了较为科学的理论依据。

茂兰喀斯特原始森林土壤有机碳的空间变异性与代表性土样采集方法

茂兰原生林中20m×30m研究样地存在着7类小生境：石面、土面、石土面、石沟、石缝、石坑、石洞。样地内土壤有机碳的含量范围为40.1～203.5gkg^-1,样点与小生境间土壤有机碳含量的变异系数分别为43%和41%;同类型小生境间为22%～42%;小生境内为14%～57%;说明样地内土壤有机碳含量具有高度的空间变异性。为了促进岩溶山区土壤退化研究中数据之间的可比性,文中建议以土壤面积权重确定的小生境土样组成样地代表性土样的方法。选取样地内面积之和超过样地总土壤面积95%以上的几类小生境,由面积权重确定组成样地土壤代表样的各类小生境土样样品量,而各类小生境土样则分别由以面积权重确定的同类小生境样品量混合构成。利用该方法计算的研究样地土壤有机碳含量的面积权重值为92.1gkg^-1。

湿润和干旱条件下喀斯特地区洼地表层土壤水分的空间变异性

在桂西北喀斯特洼地，用地统计学方法研究了旱季初期湿润和干旱条件下表层（0—5和5～10cm）土壤水分的空间结构及其分布特征．结果表明，表层土壤水分存在明显的空间异质性和各向异性，呈现差异显著的斑块状分布格局．湿润条件下，土壤水分具有中等和较强的空间相关性，变程分别为33．15n，和15．75m，其中0～5cm层具有明显的趋势效应；干旱条件下，土壤水分则呈现出强烈的空间相关性，而且相似斑块的空间尺度有所减小，变程最小仅为8．22m;在平均含水量较低时（干旱条件）其变异程度较大，实际应用中应根据平均含水量水平采取不同的取样设计．实验区表层土壤水分空间变异及其分布格局的显著差异，主要是受地貌、平均含水量（降水）和地形等因素的影响．

考虑参数空间变异性的边坡可靠度分析非侵入式随机有限元法

提出了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的非侵入式随机有限元法。采用Karhunen-Loeve级数展开方法表征土体抗剪强度参数空间变异性,其中通过wavelet-Galerkin技术求解Fredholm积分方程得到相关函数的特征解。基于有限元滑面应力法计算边坡安全系数,采用随机多项式展开将隐式函数表达的安全系数替换为显式函数表达的安全系数,并编写了计算程序NISFEM。研究了所提方法在考虑土体参数空间变异性的边坡稳定可靠度分析中的应用。结果表明:提出的非侵入式随机有限元法极大地提高了考虑土体参数空间变异性的边坡可靠度分析的计算效率,为解决复杂边坡稳定可靠度问题提供了一条有效的途径。考虑抗剪强度参数空间变异性的边坡可靠度分析存在临界变异系数,其随边坡安全系数的增加而增大。当抗剪强度参数的变异系数小于临界变异系数时,忽略土体参数空间变异性将会高估边坡失效概率。当边坡安全系数小于1时,边坡失效概率并不总是随着抗剪强度变异系数的增加而增大。此外,土体黏聚力和内摩擦角随机场间相关性对边坡失效概率具有十分明显的影响。

基于GPS和GIS的田间土壤特性空间变异性的研究

以一块面积约为 13 .3 hm2 的冬小麦田为研究区 ,利用 GPS接收机定位 ,按 5 0 m× 5 0 m设置网格 ,共取 63个采样点 ,测定土壤表层 (2 0 cm)内的土壤有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾、容重、田间土壤含水率和电导率 ,研究麦田土壤特性的空间变异规律。采用传统统计学和地统计学相结合的方法对所取的数据进行了分析 ,利用 Arcview3 .2软件的空间分析功能 ,绘制了表达这些土壤特性随机性和结构性的半方差图和空间分布图。研究结果表明 :所有土壤特性均服从正态分布 ;土壤容重具有弱变异强度 ,其它土壤特性具有中等变异强度 ;土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾和电导率具有很强的相关性 ,土壤容重、速效磷和含水率具有中等强度的空间相关性 ,土壤特性的相关距变化范围为 2 46.8～ 42 6.8m。该成果可为农田的定位施肥、灌溉以及其它的农田精细管理提供依据。

华北太行山前平原农田土壤养分的空间变异性研究

采用地统计方法 ,分别对栾城县 (面积约 30 4 90hm2 )和中国科学院栾城生态农业试验站示范区(15hm2 )农田耕层土壤养分的空间变异特征进行了研究 .结果表明 ,在 2个不同采样间距下 ,各土壤养分含量均具有空间相关性 ,县域范围近似以 1km网格采样 ,最大相关距离为 4 2～ 15 6km ,在示范区以 2 0m网格采样 ,则为 112～ 2 2 3m ;在同一采样间距下 ,土壤有机质、全氮、全磷、速效养分 (N、P、K)含量的空间变异结构也各不相同 ,具有块金方差效应 ,半方差图分别遵从高斯和球函数模型 .认识本区土壤的这种空间变异结构有助于实现对农田土壤养分的分区和合理管理 .