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。

考虑土质边坡多失效模式的区域概率风险分析方法

针对现有边坡风险分析仅考虑单一失效模式及风险分析结果难以被工程师理解等问题,提出了考虑边坡多失效模式的区域概率风险分析方法。首先给出了区域概率的概念,建立了以区域概率定量表征边坡稳定性的方法,推导了基于区域概率的边坡系统风险评价公式,探讨了该公式的适用性。在此基础上采用直接蒙特卡罗模拟计算边坡区域失效概率。最后以一不排水黏性土坡为例阐明了所提方法的有效性。结果表明:区域概率风险分析方法为表征边坡的关键失效区提供了一种简单、直接的可视化工具,为工程师制定合理的边坡加固设计方案提供了参考依据。基于区域概率风险分析方法的边坡系统风险评价公式不仅能够有效地回避边坡风险评价中多滑面间安全系数及滑块体积之间相关性计算问题,而且能够准确地量化边坡多破坏模式的系统风险。传统的风险评价方法可能显著低估边坡系统风险,使得边坡设计方案偏危险。边坡失效概率最大的滑面不一定是边坡失效风险最大的滑面,在边坡加固设计中,失效风险较大的滑面也应该予以关注。

基于广义可靠指标相对安全率的岩土工程设计安全判据

相对安全率为建立确定性设计和可靠度设计安全判据的定量关系以及验证安全判据的普适性提供了有效工具。然而,目前相对安全率准则仅适用于岩土工程结构响应(如挡土墙抗滑稳定安全系数F_S)服从正态或对数正态分布的工况。基于F_S的累计概率分布函数提出了广义可靠指标相对安全率,适用于F_S服从任意概率分布的设计工况,克服了现有可靠指标相对安全率仅适用于正态和对数正态分布的局限,拓宽了相对安全率准则的应用范围。基于所提广义可靠指标相对安全率,证明了F_S服从正态或对数正态分布条件下安全系数相对安全率和可靠指标相对安全率相等是确定性设计和可靠度设计安全判据等价(两种方法对应的设计可行域相同)的充分条件,F_S服从任意概率分布条件下安全系数相对安全率和广义可靠指标相对安全率相等是确定性设计和可靠度设计安全判据等价的充分条件。通过重力式挡土墙抗滑稳定算例,说明了基于广义可靠指标相对安全率标定抗滑稳定允许安全系数的过程,比较了广义可靠指标相对安全率与可靠指标相对安全率的标定结果,验证了基于广义可靠指标相对安全率标定安全判据的合理性。

基于广义可靠指标相对安全率的地基承载力安全判据研究

相对安全率搭建了岩土工程确定性设计和可靠度设计安全判据的桥梁。广义可靠指标相对安全率克服了相对安全率受分布类型限制的局限,拓宽了相对安全率准则的应用范围。提出了在给定目标失效概率(或目标可靠指标)的条件下基于广义可靠指标相对安全率,标定允许安全系数的方法和流程。将所提允许安全系数标定方法应用于地基承载力安全判据研究,分别标定了传统抗力荷载比值法和强度折减法对应的地基承载力允许安全系数。通过地基承载力算例说明了不同工况下可靠指标相对安全率与广义可靠指标相对安全率的相互关系,探讨了不同参数和计算模型对地基承载力允许安全系数的影响。根据所标定的允许安全系数得到的确定性设计可行域与可靠度设计可行域相同,验证了所提方法在地基承载力允许安全系数标定中的有效性。

土水特征曲线试验单阶段贝叶斯优化设计方法

直接测量土水特征曲线(SWCC)十分耗时。因此,SWCC试验通常只能获得有限的试验数据,基于有限数据估计SWCC不可避免地存在不确定性。因此,合理地确定试验方案(即指定SWCC测点控制变量的值),以提高试验数据的价值,减少所估计SWCC的不确定性十分重要。基于SWCC模型参数先验信息和试验仪器信息,提出了一种SWCC试验单阶段贝叶斯优化设计(OBEDO)方法。首先,所提方法通过离散试验控制变量(比如基质吸力)生成试验方案设计空间;设计空间中的候选试验方案由控制点及附加点构成,其作用分别为控制SWCC的主要趋势和降低SWCC的不确定性。然后,采用期望效用量化候选试验方案对应数据的价值,并利用子集模拟优化(SSO)方法搜索具有最大期望效用的候选试验方案。最后选取具有最大期望效用的候选试验方案为最优试验设计方案。通过一个SWCC试验设计实例说明了所提方法的有效性。结果表明,所提方法可为考虑不确定性条件下的SWCC试验设计提供一个合理的工具。

边坡稳定确定性设计与可靠度设计的安全判据等价性充分条件

边坡稳定设计中不可避免地存在多种不确定性,确定性设计方法难以合理地考虑各种不确定性。相对而言,可靠度设计方法能够定量考虑岩土工程设计中的不确定性因素。确定性设计与可靠度设计采用了不同的安全判据,具有相同安全系数的设计方案的可靠度水平可能不同,导致两种设计方法的设计可行域不一致(即两种设计方法安全判据不等价),阻碍了可靠度设计方法在工程实践中的应用。相对安全率和广义可靠指标相对安全率建立了两种设计方法安全判据之间的定量联系,将广义可靠指标相对安全率应用于边坡稳定可靠度设计,提出边坡稳定确定设计与可靠度设计的安全判据等价性充分条件。基于随机场模型研究了单层和双层土质边坡确定性设计与可靠度设计的等价关系。结果表明:考虑空间变异性条件下,单层边坡可以满足所提充分条件,确定性设计与可靠度设计可以得到相同的设计可行域;相反,双层边坡不满足所提充分条件,难以建立两种设计安全判据的等价关系。

水工岩土工程可靠度与风险控制领域基础研究回顾与展望

水工岩土工程可靠度与风险控制是一个具有高度学科交叉性的研究领域,该研究可以系统地考虑岩土结构物设计、施工、运维等阶段所涉及的诸多不确定性因素,从而实现岩土结构物全生命周期的安全控制。本文首先统计分析了1997—2019年度该领域国家自然科学基金"面青地"项目的资助情况。其次,对该领域的主要研究进展、代表性成果进行了总结和分析。最后对该领域研究的关键科学问题和未来研究方向提出了4点建议。

基于广义耦合马尔可夫链的地层变异性模拟方法

传统的广义耦合马尔可夫链模型是地层变异性模拟一种有效的工具。然而,由于岩土工程地质勘探过程中钻孔分布的稀疏性,广义耦合马尔可夫链水平方向转移概率矩阵不能直接估计,传统的广义耦合马尔可夫链模型不能直接用于地层变异性模拟。为此,提出了基于钻孔资料广义耦合马尔可夫链水平两方向转移概率矩阵的极大似然估计方法,验证了该方法的有效性,在此基础上采用信息熵图量化地层变异性。以爱尔兰地区都柏林市丹拉海尔港口处的一组钻孔资料为例进行地层变异性模拟,分析了钻孔布置方案对水平方向转移概率矩阵估计的影响,探讨了钻孔布置方案对地层变异性模拟的影响规律。结果表明：提出的水平方向转移概率矩阵极大似然估计方法能够有效地估计水平方向转移概率矩阵,从而为基于钻孔资料的地层不确定性分析奠定了基础。钻孔布置方案对各方向上转移概率矩阵的估计和地层变异性的模拟结果都十分重要,为获得准确的转移概率矩阵应提供足够的钻孔数据。钻孔位置对地层变异性模拟有明显的影响,应将钻孔布置于重点研究区域,尽量减少地层模拟不确定性。信息熵图能够直观地量化地层模拟的不确定性,可用于指导钻孔方案的布置。

基于多维Gaussian Copula的岩土体设计参数概率转换模型构建方法

岩土工程中经常需要基于直接测量参数去预测设计参数,概率转换模型是确定设计参数真实分布范围的有效工具。常用的基于多维正态分布的概率转换模型构建方法容易引起误差且受边缘分布类型限制。为此,提出了基于多维Gaussian Copula的岩土体设计参数概率转换模型构建方法。以全球黏土数据库CLAY/6/535为例验证了所提方法的有效性,分别推导了不排水抗剪强度和超固结比与孔压静力触探试验指标之间的概率转换模型。结果表明:基于多维Gaussian Copula的概率转换模型构建方法可以将相关结构与边缘分布分开构建,该方法不受岩土体参数的边缘分布类型限制,有效地避免了误差由边缘分布向相关结构的传播。在构建的概率转换模型中,岩土体设计参数的不确定性、相关性与直接测量参数的数目以及直接测量参数与设计参数之间的相关性成反比。

基于广义可靠指标相对安全率的高土石坝坝坡稳定设计安全判据

坝坡稳定对土石坝安全至关重要,现行规范规定应对坝高200 m及以上的高坝坝坡抗滑稳定设计安全判据进行专门研究.现行土石坝设计规范采用安全系数作为土石坝坝坡稳定的安全判据,难以合理地考虑土石坝堆石料强度参数等不确定性因素的影响,亟需发展对应的可靠度设计方法.可靠度设计中采用目标可靠度作为安全判据,因此研究高土石坝的目标可靠度是发展可靠度设计方法的重要前提.广义可靠指标相对安全率搭建了确定性设计安全判据和可靠度设计安全判据之间的桥梁,本文将广义可靠指标相对安全率应用于超过200 m高土石坝坝坡稳定安全判据研究,验证高土石坝坝坡稳定确定性设计与可靠度设计安全判据之间的等价关系,并提出了软岩土石坝和硬岩土石坝坝坡稳定可靠度控制标准.结果发现,《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199-2013)中规定的硬岩堆石坝的目标可靠度符合所标定目标可靠度要求,建议提高软岩堆石坝的目标可靠度.

含砂黄土土水特征曲线试验研究与参数识别

崩积黄土-砂土混合物在黄土滑坡中普遍存在,影响非饱和黄土边坡的稳定性。含砂黄土物理力学性质复杂,相关研究资料十分有限,尤其对其持水特性认识严重不足。土水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)作为非饱和土力学的关键函数,描述了土体含水率(或饱和度)与基质吸力之间的关系,SWCC在非饱和土抗剪强度、变形及渗透特性研究等方面发挥着重要的作用。基于土砂混合物SWCC压力板仪试验,结合贝叶斯理论进行SWCC模型参数反演,确定不同掺砂比条件下SWCC的模型参数,研究了砂组分对于黄土土水特征曲线形态的影响,发现掺砂比对SWCC模型参数的影响显著,揭示了掺砂比对SWCC曲线形态的影响规律。

基于贝叶斯理论的土水特征曲线模型选择与参数识别方法

土水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve,SWCC)是非饱和土力学的关键函数,可通过现场或室内试验测得.然而,由于直接试验方法所需条件苛刻且耗时较长,获取的试验数据非常有限,难以测得基质吸力可能范围内完整的SWCC.有限试验数据条件下如何合理地确定SWCC模型并量化模型估计的不确定性(或置信度)是关键难点.本文提出了一种基于贝叶斯理论的SWCC模型比选和参数识别方法,在模型比选的同时进行参数识别,并通过参数概率分布特性定量表征SWCC模型估计的不确定性.以飞凤山滑坡中原状黄土试验数据为例,说明了所提方法的有效性,并采用模拟数据进行方法验证和敏感性分析.结果表明:本文所提方法能够基于有限试验数据合理地确定SWCC模型并量化所估计的SWCC模型的不确定性.此外,SWCC模型识别准确率随着数据量增加而逐渐提高.