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土性统计参数及土坡稳定性可靠度分析研究

申翃  
【摘要】:可靠性分析需要大量的统计资料。20世纪80年代,我国岩土工程面临的主要问题是不能正确估计岩土参数的变异性,使计算的可靠指标偏低。经过20多年的努力,经历了基础研究和应用开发研究等阶段,形成了一套从指标统计、分项系数确定到可靠性指标校核的实用研究方法。对于土的工程性质指标的统计,特别是在随机场理论的实用化方面取得了突破性的进展,包括相关距离、抗剪强度指标的统计、空间均值、变异系数的计算等。但这样的研究工作还存在地区的差异,离工程实用、普及还有一段不小的距离。1999年颁布的上海地基基础设计规范已率先引入可靠度方法,但在边坡稳定性评价的应用方面,尚未纳入到规范中。本文从可靠性分析所需参数的获取到土坡可靠度的分析方法作了较为系统的研究和总结。 论文分析了土工参数的不确定性来源,并力图将其量化。考虑到土性指标具有空间相关性,论文结合土体的概率模型,用随机场的理论来分析土体的空间均值及空间变异性。对于试验数据和观测数据,首先要检验它们的可靠性:是否来自同一母体;是否混入了异常数据。论文针对土体参数的不确定性,归纳总结了几种预测技术,对于小样本或试验数据缺乏情况下土性参数统计特征的获得具有指导意义。在进行土坡稳定的可靠性分析时,选择了基于简化Bishop法和Chen-Morgenstern改进的通用条分法的优化方法,并在Microsoft Excel中实现,为可靠度分析提供了一条简便、直观、实用的途径。论文还给出了以可靠性指标为依据的土坡概率危险滑面的搜索方法。此外,论文对土坡稳定性评价中的三个方面提出了应用可靠性分析的思路,对土坡稳定可靠性分析发展的趋势提出了自己的看法。 论文的研究方法和主要的研究成果归结如下: (1) 论文分析了土工参数的不确定性来源,结合随机场理论给出了空间均值和均值变异系数(或标准差)的表达式,并用算例说明了土工参数的统计方法和注意事项。 (2) 论文分析比较了相关距离的各种计算方法,并研究了不同土层、不同土性指标对相关距离计算值的影响。认为相关距离是土体的属性,不同成因的土层应有不同的相关距离;同一土层根据不同土性指标得出的相关距离没有显著差异,但由原位测试指标计算出的相关距离通常大于室内试验结果,建议用原位测试指标计算出的相关距离作为土体真实相关性的一个较恰当的估计值;文中给出了利用原位测试指标得出的相关距离的均值和范围值,对勘察时取样间距的布置、取样部位及岩土参数空间方差的估计具有参考价值。 (3) 分析了试验、观测数据中的误差类型,总结了粗差和系统误差的处理方法:对于系统误差,用均方连差检验;对于过失误差带来的异常数据可用移动极差检验、格罗贝斯准则及t检验,后二者可适用于小样本。对岩土工程中适用的统计检验方法(如,u检验、t检验、x~2检验、F检验以及方差分析等)及 申栩.土性统计参数及土坡稳定性可靠度分析研究 2004 适用范围作了归纳。如,用t分布检验可以用来鉴别两组数据是否来自同一总体, 如来自同一总体就可以合并统计,如分属两个总体,则应分别统计;方差分析 被用在第3章,研究了不同土层、不同土性参数对土性相关距离值的影响,得 出了一些有益的结论。 (4)土体参数的不确定性可分为四类:随机性、模糊性、灰色性、未确知 性,针对这些不确定性可以有概率统计的方法、模糊数学的方法、灰色系统的 方法及证据理论等方法。论文归纳总结了几种预测技术:PERI,预测、极差估算、 贝叶斯预测、证据理论、回归预测、模糊数学、工程判断等,主要针对随机性, 结合算例对土性参数的均值、变异系数(或标准差)进行了估值。文中强调了 结合工程实际,依据工程经验作出判断的重要性。 (5)论文介绍了岩土工程中可靠度的分析方法,通过算例比较了各种方法 的结果以及极限方程表达式形式(安全系数或安全余量)对可靠性指标的影响; 总结了最优化方法在确定边坡最小安全系数、可靠性指标方面的应用;提出了 基于简化Bishop法和Chen一Morgenstem改进的通用条分法的优化方法,通过 Excel中内置的函数和简单的自定义函数,利用Excel中的规划求解器优化求解 安全系数和可靠性指标,具有精度高、直观、实用的优点。 (6)论文提出了定值危险滑面和概率危险滑面的概念,直接以可靠性指标 为依据搜索最小可靠性指标对应的概率危险滑面,而不是在定值危险滑面上计 算土坡的可靠度。定值危险滑面只有一个,只与参数的均值有关;概率危险滑 面考虑了参数的变异性、相关性,是真正意义上的最危险滑面,尽管概率危险 滑面上的安全系数可能高于土坡的最小安全系数。 (7)给出了两种确定概率危险滑面的方法:组合参数搜索法及基于矩阵公 式的直接搜索法。并比较了两种方法的结果:组合参数搜索法是一种近似的方 法,但至少比按变量均值搜索到的定值危险滑面更接近实际的最危险滑面,而 且可以利用现有的定值分析法的程序,只不过多输入几组数据;基于矩阵公式 的直接搜索法比较精确,在Excel中易于操作,过程一目了然,有利于作出判断。 (8)以安全系数为随机变量,讨论了它与可靠性指标的关系;总结了工程 界给出的


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