边坡可靠度理论分析方法研究综述

自然界中边坡土体的强度参数普遍存在随机性和离散性,因此应用可靠度理论来分析边坡的稳定性性成为岩土工程领域的一大热门,如何准确地量化分析边坡的可靠度指标和失效概率具有重要意义。基于国内外多位学者在边坡可靠度理论方面的研究成果,系统地总结了可靠度指标和失效概率的求解方法,并就边坡可靠度理论的发展方向提出了新的看法。

中国南海神狐海域水合物储层井壁稳定可靠度分析

天然气水合物具有巨大的潜在经济和环境价值,其开发利用对国家能源安全和实现国家碳达峰碳中和的“双碳目标”具有战略意义。我国天然气水合物资源主要分布于南海海域,海洋环境的复杂性和隐蔽性使工程测量数据具有较大不确定性,影响钻井安全。目前未见有水合物储层井壁稳定可靠度研究。为定量评估在我国南海神狐海域水合物储层钻井风险,基于水合物储层钻井井壁稳定解析理论和南海神狐海域具体地质条件,结合可靠度分析方法中的改进一次二阶矩法和响应面法,研究南海神狐海域水合物储层钻井井壁失稳概率分布特征,分析该海域井壁失稳概率及安全钻井液压力窗口对主要参数均值和不确定性的敏感性,结果表明:(1)若测量数据足够精确,在我国南海神狐海域水合物储层进行钻井活动的安全性较高,安全钻井液压力窗口也较大。测量数据的不确定性增大将使井壁失稳概率显著升高,缩窄安全钻井液压力窗口。(2)较低的钻井液温度对降低井壁失稳概率略有帮助,且能明显地扩大安全钻井液压力窗口。(3)5个主要参数的均值和不确定性对井壁失稳概率的影响次序相同,均为初始地应力>初始内摩擦角>弹性模量比>初始黏聚力>初始弹性模量。实际工程中对初始地应力数据精确测量,能够显著提高水合物储层钻井井壁稳定性。

水工隧洞围岩稳定可靠度计算的智能优化算法及其应用

深埋水工隧洞围岩稳定的主要表现之一是岩体变形或应变能够控制在允许范围内,而隧洞设计中围岩变形或应变的求解一般可采用收敛约束法,但该方法对围岩变形的求解隐含在非线性方程组中,难以运用传统的可靠度算法进行计算。因此,根据可靠指标的几何涵义,将可靠度计算转化为约束优化问题的求解,提出了基于成吉思汗鲨鱼优化器的深埋水工隧洞围岩稳定可靠度计算方法,并对某深埋水工隧洞进行了验证分析。结果表明,该方法对隐式非线性功能函数的可靠度计算问题具有很好的适用性,在计算效率和计算准确性之间能够达到较好的平衡,可为深埋水工隧洞结构设计和围岩稳定可靠性评价提供技术支撑。

勘察数据变化条件下空间变异土坡稳定可靠度协同更新方法

贝叶斯理论为合理表征土性参数的空间变异性以及量化勘察数据(如不排水剪切强度值)对边坡稳定可靠度的影响提供了有效工具。然而,勘察数据随边坡空间位置变化,而且土性参数空间变异性表征模型(如随机场模型)包含高维不确定性参数。勘察数据的动态变化与高维随机参数反演导致基于贝叶斯理论的边坡稳定可靠度更新具有显著的计算量。为此,提出了考虑变化勘察数据的空间变异土坡稳定可靠度协同更新方法。该方法首先基于贝叶斯更新框架BUS模拟条件随机场,执行边坡稳定性分析;然后基于拒绝抽样原理和协同式分析方法根据不同勘察数据表征岩土体参数的空间变异性,并更新边坡的稳定可靠度。当勘察数据在边坡不同空间位置变化时,避免了重新模拟条件随机场以及执行边坡稳定性分析,同时继承了BUS解决高维随机参数反演的特性,实现了基于贝叶斯理论的空间变异边坡稳定可靠度快速更新。以单层非平稳随机场土坡为例验证了所提方法的合理性和有效性。结果表明,所提方法为勘察数据变化条件下土性参数空间变异性动态表征以及边坡稳定可靠度实时更新提供重要工具。

基于响应面法的桥梁抗船撞可靠度分析

为解决桥梁抗船撞可靠度分析中影响因素选取的问题,基于响应面法建立包含船舶因素和桥梁因素的响应面函数来计算在不同响应面函数下的桥梁抗船撞可靠度,并对桥梁的墩顶位移和失效年限进行可靠度分析。研究结果表明:1)影响因素的灵敏度与桥梁抗船撞的安全性正相关,高灵敏度因素对可靠度的影响较大;2)多种影响因素的选取会导致试验繁琐,且低灵敏度的因素可能在分析中失效,而“中性”因素则显示出较好的适用性;3)选取15 mm的墩顶位移允许值来分析桥梁抗船撞可靠度和失效年限可靠度比较符合实际情况。

可靠度理论下矿山法开挖的稳定性分析

分析可靠度理论下矿山法开挖的稳定性,以某矿场为研究对象,采用蒙特卡洛分析法对应用矿山法开挖的矿场边坡进行可靠性分析,得出稳定性相关指标,试验验证了该方法具有较好的应用效果。

高层结构基于稳定极限状态的整体抗震可靠度分析及应用

对于高层建筑结构,重力二阶效应对结构稳定性的不利影响显著。建立了基于等效刚重比退化率的整体稳定能力极限状态方程,提出了基于随机响应面法的整体抗震可靠度分析方法。以框架-核心筒结构为例进行整体稳定能力极限状态抗震可靠度分析,并与当前设计规范相适应的变形能力抗震可靠度分析结果进行对比。结果表明:整体稳定能力抗震可靠度指标可以有效地评估结构的抗震可靠性,与变形能力抗震可靠度指标具有较好的一致性。考虑材料强度和地震作用随机性,提出的方法可应用于高层建筑设计结构方案比选、既有高层结构的可靠性鉴定分析以及对加固方案有效性的评估。

工程结构可靠度计算方法分析

围绕工程结构可靠度计算理论,深入阐述了结构可靠度计算的各种方法,并总结出这些方法的优缺点,为实际工程结构的可靠度分析提供了有力参考。尤其是对一次二阶矩法中的中心点法、验算点法以及JC法进行了详细的推导分析,同时基于一次二阶矩理论得到了结构可靠指标的几何含义,并建立了可靠指标β的数学优化模型。

基于非概率可靠度的重力坝抗滑稳定分析

重力坝抗滑稳定分析是大坝安全评价的重要组成部分,其结果直接影响大坝正常服役。在内部和外部环境等多因素协同驱动下,长期服役的混凝土坝材料性能将呈现不同程度的时变衰退,而已有的研究多采用概率可靠度方法进行分析,且重力坝工程统计信息与实际工况不相匹配,统计资料难以反馈各参数变量的精确概率分布。针对上述问题,基于非概率可靠度理论,提出区间参数下的重力坝抗滑稳定非概率可靠度分析方法,并结合某工程实例编制相应的可靠度分析程序。实例分析表明,长期服役下的重力坝各失效模式的非概率可靠度指标明显下降,安全裕度变小,计算结果可为大坝补强修缮提供一定的参考依据。

基于可靠度理论的桥梁结构安全性能评估方法

在大型桥梁的设计、施工和运维全过程中,由于涉及众多的构件和参数,难以保证结构安全性能评估的效率和精度。文章提出了基于可靠度理论的桥梁结构安全性能评估方法,首先分析了影响结构性能的主要因素并提出了桥梁结构安全智能评估方法。对比发现,文章提出的智能评估方法相较于传统的有限元方法节省了70%的计算时间,且精度超过95%,该方法将安全评估过程中的物理问题转化为数学问题,为桥梁的安全评估提供了新的思路。

基于极限分析理论的复合地层中双模盾构开挖面稳定性研究

针对目前双模式盾构在复合地层土-岩交界面进行掘进模式转换过程中掘进面稳定性研究中存在的问题,采用空间离散技术构建双模式盾构在穿越土-岩交界面过程中开挖面前方岩土体的二维破坏机制,利用该破坏机制和极限分析上限定理推导得到极限状态下土舱压力的目标函数,通过优化计算得到盾构机在穿越土-岩交界面过程中维持开挖面稳定所需的土舱压力上限解,并讨论不同参数对土舱压力及开挖面前方岩土体破坏模式的影响。在此基础上,基于可靠度理论建立土舱压力的可靠度模型,并给出复合地层中容许可靠度下维持开挖面稳定性最小土舱压力的建议值。结果表明:盾构机在穿越土-岩交界面过程中维持开挖面稳定所需的土舱压力随着盾构机与土-岩交界面距离的减小而减小;开挖面前方岩土体的破坏范围随着界面倾角的增大而增大。

基于子集模拟法的施工进度计划可靠性评估

建筑工程施工进度管理是项目管理的核心,施工进度计划的可靠性对工程建设起着决定性作用。为及时准确评估建筑工程施工进度计划的可靠性,结合随机概率理论,将可靠度分析引入关键路径法中,基于子集模拟法提出了一种动态的施工进度计划可靠性评估方法。实际工程案例分析表明,该方法概念简单易懂、实时性强、计算效率高,能够实时地为项目管理者提供决策依据,有效避免工程进度逾期风险,提升了项目管理的效率和质量。

胶凝砂砾石坝抗滑稳定可靠度分析方法研究

为探索胶凝砂砾石(CSG)坝抗滑稳定性分析方法,文章采用加权响应面法及滑动面应力分析的非线性有限元法,计算CSG坝各可能滑动路径抗滑稳定可靠性指标,分析基于滑动面应力分析的有限单元法与强度折减法的相关关系,比较CSG坝各层面可靠性指标及可能滑动面的抗滑稳定安全指标,分析可靠性指标与强度折减系数的关系,为胶凝砂砾石坝的工程应用提供依据。

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.

考虑基坑宽度及软弱土层厚度的基坑抗隆起稳定可靠度研究

坑底隆起破坏是导致基坑失稳的关键因素之一。对坑底隆起的影响因素展开研究工作,分析基坑宽度以及软弱土层厚度对坑底隆起变形以及基坑抗隆起稳定可靠度的影响规律。首先,建立不同工况的基坑开挖有限元模型,获取坑底不同特征点的隆起变形值,分析其变形规律,进而构建基于隆起变形限值的坑底抗隆起失效极限状态函数,最后采用蒙特卡罗法对坑底进行概率分析。数值模拟结果表明:当软弱土层厚度足以使隆起破坏滑动面贯通时,窄基坑的坑底两侧隆起变形大,中间小,宽基坑隆起变形规律与之相反;两种类型基坑坑底隆起变形都随基坑宽度增加而增大。改变软弱土层厚度,坑底各特征点隆起变形值随之变化,当为窄基坑时,坑底隆起变形依旧是中间小,两侧大;当基坑为宽基坑时,随软弱土层厚度增加,隆起变形随之增大,且坑底中心隆起变形逐渐超过两侧隆起变形;依据变形规律得到不同宽度基坑隆起破坏滑动面贯通时的软弱土层厚度。坑底抗隆起稳定可靠度与基坑宽度、特征点位置以及软弱土层厚度有关,坑底的稳定状态以及可靠度最低的特征点位置随基坑宽度以及软弱土层厚度变化而变化。

基于响应面法的地表塌陷可靠度分析

地下矿开采诱发的地表塌陷已成为矿山生产中重大的安全隐患.目前地表塌陷范围圈定仍采用传统的岩移角概念,其圈定范围与实际塌陷范围存在较大偏差.为改善上述问题,基于响应面法得到的可靠度指标建立了塌陷区范围的计算方法.首先利用离散元数值计算方法开展岩层塌陷变形的岩体力学参数敏感度分析,选择敏感度较强的参数作为随机变量拟合响应面函数;然后采用MATLAB计算不同劣化程度下岩体的可靠度指标,最终利用可靠度指标划分不同风险等级区域.利用该方法对辽宁省朝阳新华钼业有限责任公司钼矿塌陷区范围进行了计算分析,数值计算结果显示,岩体的弹性模量、内聚力和内摩擦角是地表塌陷区计算的敏感性参数,通过与无人机扫描的塌陷坑范围比对,证明提出的塌陷区计算方法较为合理与准确,可以为矿山塌陷区的安全管理提供工程指导.

尾矿库稳定性最短路径强度折减极限分析

尾矿库堆积边坡稳定性研究手段常以有限元强度折减的方式实现,尾矿砂抗剪强度参数(c,φ)对于坝体稳定性的影响存在差异。为此,引入最短路径强度折减理论,开展东北某大型尾矿库稳定性实例分析。主要结论:1)以逼近尾矿砂实际容重的方式,利用Optum G2进行渗流条件下尾矿库最短路径强度折减稳定性极限分析,获得尾矿堆积边坡最小综合安全系数及潜在破坏面。2)非等比例强度折减过程中,随着折减比例增大,折减路径长度先减小后增大,说明最短折减路径求得的最小综合安全系数,对应于尾矿堆积边坡最不利极限状态;3)利用最短路径强度折减极限分析得到的尾矿库最小综合安全系数,稍小于瑞典条分法和简化Bishop法结果,但整体上吻合较好;4)随尾矿库堆积边坡的增高,最小综合安全系数持续降低,潜在尾矿坝滑动体范围增大,对应的滑动面向库内扩展。

考虑土体参数非平稳特性下开挖边坡稳定性可靠度分析

基于极限分析上限法和随机场理论,采用蒙特卡洛模拟针对不排水条件下开挖边坡的稳定性开展可靠度分析。黏土不排水抗剪强度被模拟为非平稳随机场,并在参数敏感性分析中重点研究了非平稳程度和变异系数对边坡可靠度指标的影响。其中,将随机场中边坡的失效模式分为三类,研究了不同随机参数输入组合下每种失效模式的发生概率。结果表明边坡的可靠度指标随着非平稳程度的增加而增加,随着变异系数的增大而减小。结果显示,土体的空间变异性对边坡的失效模式影响显著。在考虑的随机参数组合下,失效模式以深部破坏模式为主,并且随着非平稳程度和变异系数的增加,深部破坏模式的发生概率逐渐降低,但坡趾破坏和深部坡趾破坏模式的发生概率增加。

基于Chebyshev-Galerkin-KL展开的土质边坡稳定可靠度分析

提出了一种基于Chebyshev-Galerkin-KL(Karhunen-Loève)展开的新型随机场离散方法,推导了该方法的理论公式,并研发了基于Python语言的边坡滑体体积计算及其失效模式自动识别的高效程序。采用一个水位上涨时的非饱和土坡算例验证了方法的有效性。结果表明:所提随机场生成方法为求解第二类Fredholm积分方程提供了一种新思路,可准确表征岩土体参数的空间变异性。基于Python提出的边坡风险评估程序,与随机有限元计算过程不耦合,极大地提升了开展边坡风险评估的效率,从而增强预测滑坡致灾风险的时效性。此外,研究中非饱和土坡算例可靠度分析结果表明:水位上涨速度越慢,最大水位高度越高,该边坡的安全程度将越低。岩土体参数的竖向空间变异性对该算例边坡安全系数的影响甚微,但对滑体体积的影响较为显著。在对水位上升条件下的边坡开展可靠度分析时,应关注抗剪强度参数间的负相关性,否则将会低估边坡的安全程度。