論提高巖土工程設計可靠性的有效措施

■溫丹

（廣東有色工程勘察設計院廣東廣州510080）

論提高巖土工程設計可靠性的有效措施

■溫丹

（廣東有色工程勘察設計院廣東廣州510080）

由于巖土是自然生成的產物，當中帶有很大的不確定性，這種不確定性在一定程度上影響了巖土工程設計的可靠性。隨著我國對巖土工程設計可靠性的要求越來越高，提高巖土工程設計可靠性非常重要。本文重點闡述并分析了巖土工程在設計可靠性中出現的一些問題，針對這些問題提出了一些提高巖土工程設計可靠性的有效措施。

巖土工程 設計 可靠性

1　引言

巖石和土壤形成于漫長的地質年代，并且在不斷地變化中，這導致巖土工程所得到的參數是多變的，帶有不確定性。盡管人類已經為理論和實踐不斷努力，但是仍然不可能做到使實際情況與各種參數完全相同的。傳統的巖土工程設計會有不足，比如測試巖土強度，會因為測試的離散性大，測試出的結構構件的尺寸常常都會存在誤差。這些不確定性顯著的存在于巖土工程設計中，影響了巖土設計的可靠性。近年來，不斷發展的工程結構可靠性分析法能夠比較好地解決傳統的巖土工程設計法帶來的缺點，提高巖土工程設計的可靠性。

2　可靠性

2.1可靠性理論發展史及其重要性

可靠性理論出現于20世紀30年代，在二戰時期為了解決軍用武器的失效問題而衍生的一門新的學科，并在之后得到了快速發展。國內對巖土工程在可靠性方面的研究起步較晚，在20世紀后期才開始研究。

巖土工程可靠性的問題是可靠性分析中比較困難的一個問題，這是因為巖土工程的研究對象是富有變化的自然因素，含很多不確定因素，所以巖土工程的可靠性問題是一個比較復雜的問題。

2.2可靠性分析的特點

巖土工程的可靠性分析具有幾個特點:①巖土性質指標的相關性；②巖土工程的極限狀態的方程較為復雜,根據實際工程才能加以確定；③巖土的物理、力學參數時空變異性較大。

巖土性質的指標相關性有同一個指標的自相關的性質，也有不同指標的相關性。在考慮土性互相性時,土性概率特征參數作為隨機的變量,不但有方差以及均值,還有自相關函數。巖土材料自身帶有不確定性，它受到位置的影響，即使是同一位置的巖土也會因深度不同而影響測試數據。因此，土性的隨機變量可以被看作一個隨機場，這是考慮巖土工程可靠性是會考慮的因素。

巖土工程的極限狀態方程很復雜，不同材料在不同應力水平下帶有不同的變形特點，其材料和方程都帶有高度的非線性，很多情況下無法采用帶有參數的顯示函數進行明確表達。并且由于巖土本身帶有的不確定性，結果往往不太精確。因此，在進行巖土工程的可靠度分析時要根據實際情況來進行研究。

巖土材料是自然的產物，人為無法控制器組成的成分和結構，這使得巖土的物理和力學參數時空變異性較大。

3　提高可靠性設計

3.1解決的問題

要提高巖土工程的設計可靠性，要重點解決以下的幾個的問題：①要對采集到的巖土材料進行觀察、分析或者對現有試驗數據進行分析處理。其中重點包括環境的因素、土的性質和狀態和荷載；②需要對現場的巖土環境進行勘探、取樣并且進行試驗設計；③采用合適的壓實技術；④計算和分析安全系數是否達到標準并找到和破壞概率之間的關系；⑤計算工程所要花費的成本對安全度的影響；⑥考慮在不確定的條件下的進行的優化和與之相關的決策。

3.2可靠度分析的方法

人們對于巖土工程系數的計算容易只關注到安全系數，而忽略了對巖土荷載的考察。所以，在計算巖土工程系統時要結合荷載和物理學指標。

當前,計算可靠度方法常見的有：Monte-Carlo模擬方法、可靠指標法、隨機場有限元法、統計矩計算法等四種。可靠指標法主要包括了均值的一次二階矩法、改進的一次二階矩法和常用的JC法。可靠指標法是常用的比較適用的方法。

3.2.1JC法

將非正態分布的隨機變量用當量正態分布的隨機變量代替是JC法的基本原理,并用一次二階矩法求得可靠度指標。土性相關性是在巖土可靠度計算中必須考慮的因素之一,它包括正相關和負相關,如果不考慮其相關性,會影響計算時的某些參數,如φ值,其影響已有人做過研究。受土性參數相關性的影響,在計算概率模式中會出現協方差項，但是在許多可靠性分析中假定參數間都是相互獨立的,所以必須要進行修正。

3.2.2一次二階矩法

一次二階矩法分為均值的一次二階矩法和改進的一次二階矩法。均值一次二階矩法是在均值點附近對功能函數線性化，造成非線性功能函數誤差大,而改進一次二階矩法沒有均值一次二階矩法的缺點,較適用于統計獨立的正態分布變量。這里重點介紹改進的一次二階矩法。

用改進的一次二階矩法計算可靠度需要把線性化點選在與結構最大可能失效概率對應的設計驗算點P＊=(X＊1,…,X＊n)上。計算步驟如圖1,2所示：

圖1　一次二階矩計算

圖2　一次二階矩計算

3.2.3Monte-Carlo法

Monte-Carlo法是一種用數值的模擬來解決可靠性問題的數學方法。這種方法的特點是更加精確、直觀、信息獲取量更多，它能有效計算次數高且非線性問題的結構可靠度。使用這種方法首先要大量抽取隨機變量,然后進行分析。該方法概念清晰明了,通用性強,回避了結構可靠度分析中涉及到數學的困難，雖由于數據量大，會帶來計算量大,耗時長，效率低下缺點，但Monte-Carlo法可檢驗其他方法的精確性。計算機技術的發展能夠使Monte-Carlo法更好的被使用。在巖土工程的可靠性的計算上Monte-Carlo法是不可缺少的。

4　結束語

設計的可靠性在巖土工程中愈發重要，但是它帶有自身的特點，在研究問題時不能盲目照搬現有的可靠性分析的方法，要正確運用概率論和統計學的方法和原則并且以土力學的物理概念作為出發點，提高巖土工程設計的可靠性。

[1]王勇智.論如何實現巖土工程的可靠性設計 [J].廣東科技,2013(9):143-144.

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-479-1