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基于实测数据的可靠度法用于基坑风险分析

郑宏伟  
【摘要】:随着我国城市人口密度的不断增加和城市的不断扩展,合理地开发与利用地下空间是城市可持续发展的要求,随之而来的深基坑工程向着“深、大、紧、难”的方向发展,导致的基坑事故也在逐年增多,基坑风险问题由此引起了广泛的关注。由于能够考虑众多因素的不确定性,以及给出定量的风险分析结果,基于概率论的可靠度法常被用于基坑工程的风险分析。由于通常难以为具体的基坑工程找到符合具体工程特征的风险分析模型,常用构造的响应面关系代替实际的受力模型用于基坑分析分析,在此引入一种工作量较少而精度较高的响应面构造方法。在响应面的基础之上,用现场实测的信息取代假定的随机样本进行基坑的风险分析。结合工程实例,针对基坑风险较大的设计和施工阶段,分别对基坑的设计安全系数、基坑变形等主要风险指标进行了模拟分析,并给出了风险控制的置信区间。 本文主要采用均匀试验设计法、ACE回归技术、Bootstrap方法和Monte Carlo方法解决如下几个问题: 1、基于响应面方法和Bootstrap抽样技术对设计风险进行分析。结合工程实例,首先针对14个设计取值参数由均匀试验设计法构造60组计算数据组,在有限元分析的基础之上用ACE回归分析获得主要设计指标关于设计取值参数的响应面关系。用Bootstrap抽样技术对现场实测的小样本信息进行分析以后,结合响应面关系模拟出主要设计指标的概率分布,并进一步给出具有一定置信度的置信区间,以方便设计人员控制设计风险。 2、对不同施工阶段的基坑变形进行模拟分析。首先通过均匀试验设计方法确定了较少的基坑变形影响因素的计算数据组,然后通过有限元对该数据组分析以后获得在不同施工阶段的基坑变形,在此基础之上用ACE回归技术获得不同施工阶段的响应面关系。基于不同施工阶段的多个响应面关系,应用Monte Carlo法模拟分析出整个施工阶段基坑变形概率分布的演进过程。结合一工程实例证明了该方法的有效性。 3、基坑风险在不同模拟样本下的模拟结果对比分析。首先针对主要的基坑风险影响因素用均匀试验法确定具有代表性的计算数据组,用有限元分析获得均匀试验的输出以后,再用ACE回归分析得到了响应面关系。在相同响应面关系的基础之上,基于现场的实测数据(小样本)用Bootstrap技术对模拟样本进行分析,以及基于假定分布的随机样本(大样本)用Monte Carlo模拟对模拟样本进行分析。通过对比模拟结果表明,两种模拟结果在多数情况下是一致的,在个别结果会出现一些差异,而Bootstrap技术更加适合于小样本的情况。 通过本文方法成功解决了基坑在设计和施工阶段的风险分析问题,基于均匀试验设计方法和ACE回归分析技术的响应面方法具有计算量小和计算精度高的特点,基于现场实测数据的Bootstrap模拟结果和基于随机样本的Monte Carlo模拟结果之间可以相互验证,而Bootstrap方法更加适用于小样本的情况。本文针对设计和施工阶段给出了基坑风险分析的方法,该方法能够针对不同阶段的风险给出具有一定针对性的定量分析结果,工程实例证明本文方法对于实际工程的风险分析有一定的指导意义。 本论文属于国家自然科学基金项目(编号:51078175)和云南省自然科学基金项目(编号:2008E038M)的组成部分。


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