邊坡工程可靠度分析課件

第八章工程結(jié)構(gòu)可靠性分析

第一節(jié)邊坡工程及其不確定性1.邊坡工程不確定性簡(jiǎn)介2.邊坡工程不確定性的分類(lèi)3.邊坡工程可靠性分析的重要性1、邊坡工程不確定性簡(jiǎn)介

邊坡是山區(qū)基本建設(shè)工程中很常見(jiàn)的一種現(xiàn)象，自然邊坡的不穩(wěn)定性問(wèn)題一直是世界上許多國(guó)家和地區(qū)所面臨的最主要的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。在許多行業(yè)的生產(chǎn)和建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到巖土開(kāi)挖邊坡、填筑邊坡和自然邊坡，對(duì)邊坡的設(shè)計(jì)、施工和評(píng)價(jià)是巖土工程人員所面臨的基本問(wèn)題。2、邊坡工程不確定性的分類(lèi)1、巖層剖面與邊界條件的不確定性：

在邊坡分析中，巖層及厚度變化情況是很重要的。但是，由于巖層出露條件和鉆孔工作量的局限，很難精確描述它們。巖層剖面和邊界條件的不確定性必然導(dǎo)致破壞和計(jì)算模型的不確定性。2、巖土性質(zhì)的固有變異性：

巖體和土體都是非均質(zhì)的各向異性體，由于試驗(yàn)品不足及其它各種因素的影響，其性質(zhì)表現(xiàn)出隨機(jī)性。同一組試樣在相同條件下測(cè)定其強(qiáng)度，結(jié)果也表現(xiàn)出一定的離散性，其中，摩擦角φ可能離散25％，粘結(jié)力C值可能離散50％，抗剪強(qiáng)度變化約為30％.3試驗(yàn)樣品數(shù)量的不足：

從理論上講，巖層的邊界條件和性質(zhì)等是卻是存在于三維空間的，如果進(jìn)行無(wú)限多的勘察工作，情況是可以確知的。但在實(shí)踐中，勘察、試驗(yàn)工作是有限的，所以必須將巖層性質(zhì)和特征看作是隨機(jī)的，試驗(yàn)樣品數(shù)量的影響程度也是不確定的，人們很難確知樣品與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果之間的確切關(guān)系。5、勘測(cè)取樣方法和試驗(yàn)方法的誤差：

在取樣及測(cè)試過(guò)程中對(duì)試件的擾動(dòng)，試驗(yàn)環(huán)境條件以及試驗(yàn)方法的不同，都使結(jié)果產(chǎn)生差異。6、計(jì)算模型的不確定性：

邊坡工程，在定量分析中邊坡物理力學(xué)模型的建立，是以對(duì)巖土體地質(zhì)模型的深刻觀察和分析為依據(jù)的。由于工程巖土的復(fù)雜性和人們分析判斷能力的局限性及模擬條件和原型的差異，必然導(dǎo)致結(jié)果的不確定性。3.邊坡工程可靠性分析的重要性

由于巖土邊坡的不穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的確定性方法表現(xiàn)出很多缺點(diǎn)。邊坡安全系數(shù)使巖土許多參數(shù)的函數(shù)，既然這些參數(shù)具有不確定性，那么把安全系數(shù)作為確定值來(lái)判斷邊坡的安全度是不夠合理的。在邊坡工程中，也確實(shí)出現(xiàn)過(guò)K>1的邊坡發(fā)生破壞，而K<1的邊坡卻依然穩(wěn)定的情況。故，單憑安全系數(shù)這一籠統(tǒng)數(shù)據(jù)很難定量的評(píng)價(jià)工程的安全程度。

第二節(jié)邊坡工程可靠度的分析方法1.邊坡可靠性研究的進(jìn)展2.邊坡可靠性分析常用的方法3.小結(jié)一、邊坡可靠性研究的進(jìn)展出于市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的需要和人類(lèi)對(duì)安全性的更高要求，可靠性理論和可靠性工程研究成為當(dāng)今世界各國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的熱門(mén)課題之一。僅在美國(guó)，就有從事這方面的工程技術(shù)人員50萬(wàn)。在我國(guó)邊坡可靠性研究工作開(kāi)展較晚，時(shí)至1983年，攀鋼石灰石礦邊坡可靠性分析與經(jīng)濟(jì)分析研究課題才作為第一個(gè)這個(gè)領(lǐng)域的研究成果通過(guò)冶金部鑒定。

近年來(lái)，邊坡可靠性研究和應(yīng)用得到一定的發(fā)展。邊坡可靠性問(wèn)題之所以提出，是由于邊坡工程一系列設(shè)計(jì)基本變量具有不確定性，邊坡工程性質(zhì)屬于非確定或隨機(jī)性的。而可靠性理論提供系統(tǒng)的構(gòu)思，可靠性分析方法為評(píng)價(jià)不確定性因素的工程影響的有效手段?？梢灶A(yù)計(jì)，可靠度分析方法的推廣和應(yīng)用必將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)邊坡工程技術(shù)的進(jìn)步。蒙特卡洛模擬法的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）可確定系統(tǒng)性能，估計(jì)系統(tǒng)可靠度，預(yù)測(cè)出任一指定開(kāi)采時(shí)期、指定邊坡地段、指定條件下邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析，使復(fù)雜的時(shí)空相互作用問(wèn)題得以處理。

（2）用蒙特卡洛法評(píng)價(jià)邊坡可靠度，受問(wèn)題條件限制的影響較小，其收斂性與極限狀態(tài)方程的非線性、變量分布的非正態(tài)性無(wú)關(guān)，適應(yīng)性強(qiáng)。就可靠度計(jì)算而言，若隨機(jī)變量的變異系數(shù)大于30%，可靠指標(biāo)法的計(jì)算結(jié)果往往遠(yuǎn)離精確解。然而，蒙特卡洛法卻不受這個(gè)約束。而且，因?yàn)槊商乜宸ǖ挠?jì)算是通過(guò)大量而簡(jiǎn)單的重復(fù)抽樣實(shí)現(xiàn)的，故方法和程序都很簡(jiǎn)單。

（3）

因?yàn)槊商乜宸ǖ姆椒ㄕ`差只與標(biāo)準(zhǔn)差和樣本容量N有關(guān)，而與樣本元素所在空間無(wú)關(guān)，則它的收斂速度與問(wèn)題維數(shù)無(wú)關(guān)；同樣，蒙特卡洛法的收斂是概率意義下的收斂，可指出其誤差以接近1的概率不超過(guò)某個(gè)界限，亦與問(wèn)題維數(shù)無(wú)關(guān)。（2）蒙特卡洛法似乎很容易，但是它可能使

變量間和假設(shè)間的主要概率關(guān)系模糊不清。為了簡(jiǎn)便，把空間變量簡(jiǎn)化成集總參數(shù)，忽略了相互關(guān)系。（3）收斂速度慢，因此花費(fèi)機(jī)時(shí)數(shù)較大?？偟膩?lái)說(shuō)，蒙特卡洛模擬法是理論比較成熟、精度比較高的一種數(shù)值計(jì)算方法，由于其模型和程序簡(jiǎn)單，且不受狀態(tài)變量分布類(lèi)型以及變量間關(guān)系的限制，所以得到廣泛應(yīng)用。2.可靠指標(biāo)法：

可靠指標(biāo)法包括中心點(diǎn)法和驗(yàn)算點(diǎn)法。在由n個(gè)基本狀態(tài)變量組成的n維狀態(tài)空間，極限狀態(tài)曲面至原點(diǎn)的最短距離定義為可靠指標(biāo)，以此作為邊坡安全度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。（3）統(tǒng)計(jì)矩法：

統(tǒng)計(jì)矩法是80年代初開(kāi)始引入邊坡可靠性分析的一種方法，它的基本數(shù)學(xué)工具是RosenbluethE.于1975年提出的統(tǒng)計(jì)矩點(diǎn)估計(jì)方法，故又稱Rosenblueth法。這是一種近似方法，當(dāng)各狀態(tài)變量的概率分布為未知時(shí)，只要利用它們的均值和方差，就可以求得狀態(tài)函數(shù)（安全系數(shù)或安全儲(chǔ)備）的一階矩（均值）、二階矩（方差）、以及三、四階矩，從而求得邊坡的可靠指標(biāo)，且在狀態(tài)函數(shù)值的假定概率分布下求得破環(huán)概率Pf，因而頗便應(yīng)用。(4)隨機(jī)有限元法:自從上個(gè)世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著有限單元法在邊坡工程分析、評(píng)價(jià)和設(shè)計(jì)中的深入發(fā)展，對(duì)巖體力學(xué)模型、影響應(yīng)力及變形因素的定量化提出更高的要求，期望為計(jì)算分析提供更合理的模型和更精確的數(shù)據(jù)。然而，由于巖體組成、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、荷載條件以及力學(xué)狀態(tài)的不確定性和變化性，巖體的力學(xué)常數(shù)并非常數(shù)，而是一組隨機(jī)變量，這樣，用確定型分析方法不可能真確地描述邊坡的本征屬性。3.小結(jié)

任何一種分析