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地下结构可靠性设计特点与方法研究

摘要:随着地下空间的大量开发,地下结构工程可靠性的问题逐渐

被提上日程。阐述了将可靠性设计方法引入到地下结构工程中的必要

性,从地下结构功臣可靠性设计的特点入手,分析了当前地下结构工程

可靠性的研究方法。

关键词:地下结构可靠性一次二阶矩法Rosenblueth法蒙

特卡罗法随即有限元法

随着地下空间开采深度的不断增加,地下结构工程的安全性及其

对周围环境的影响问题也越来越突出。地下工程设计的不合理不仅会

在经济上造成了巨大的浪费,而且将产生很大的负面影响。

地下结构在整个设计过程中存在大量的不确定性,传统方法设计

时用安全系数来考虑众多不确定性的影响,对各参数、变量都假定未

定值,这就是定值设计法。虽然以后对某些参数(如材料的强度)取值时

也用数理统计方法找出其平均值或某个分位值,但未能考虑各参数的

离散型对安全度的影响。所以,安全系数法度量地下结构的可靠度是

不够科学的,它不能真正反映地下结构的可靠度大小。因此,如何保证

地下结构工程的可靠性,使地下工程结构在概率保证的条件下达到安

全和经济的最佳平衡,已成为地下工程迫切需要解决的问题之一。

1地下结构可靠性设计的特点

可靠行设计理论已广泛应用于地面结构工程,并完成了相应结构

设计规范的修订,如《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)

等。鉴于地下工程结构学科的发展和国民经济实际需要,地下工程作

为岩土工程的重要组成部分,其可靠性分析与设计已相继开展,但由于

难度大、牵涉面广,虽然已有不少成果,但总体上目前还处于发展阶段。

地下工程作为建设工程的一部分,在采用概率理论为基础的可靠

性设计方法时,与上部结构具有许多共同特点,正是基于这些共同点才

将结构可靠性的一些方法和原则移植过来,但同时也必须看到,地下工

程较上部结构更具复杂性和不确定性,具有一些与上部结构不安全相

同的特点,必须充分研究这些特点,才能得到正确结果。

地下工程中存在大量不确定性和不确知的因素,研究对象千变万

化,远比人工材料如钢材、混凝土等复杂。与上部结构工程相比,地下

结构工程可靠性分析有下列几大特点。

(1)地下工程的规律和尺寸比一般结构工程大得多,其实际范围是

半无限空间,工程计算分析中采用的边界是近似和模糊的。地下岩土

的各种参数是空间的函数,参数的变异性大,变异系数有的可超过0.4,

并且土性之间或不同点的土性具有较强的相关性,包括互相关和自相

关。

(2)地下工程的结果所受的载荷是多种多样的,同时也具有不确定

性,如岩石容重、地应力、地下水、地震、爆破震动、降雨等,这些载

荷很难用确定性指标描述,它们都是随机的。

(3)地下岩土是一种高度非线性材料,在不同的应力水平下具有很

不相同的变形特征。其极限状态方程也经常是高度非线性的,并且诱

发极限状态的原因或作用多种多样,对这些不同原因和作用,会有不同

的极限状态方程。

(4)地下工程中岩土试样性质与原状土的性质往往存在较大差别

时,即使原位测试所反映的,也是岩土的“点”性质;而地下工程的行为

往往由它的整体空间平均性质控制。因此,在地下工程可靠度分析设

计中,必须注意“点”、“线”到“空间平均性”概率统计指标问题。

(5)由于上述岩土性质和岩土工程的不确定性加之推理的不确定

性,地下结构工程计算模型—极限状态方程往往具有较大的不确定性

或不精确性,对于同一个计算参数存在不同的计算表达式(即功能函

数)。

(6)地下结构工程性质和功能,受施工工艺、施工质量和施工水平

的影响很大。

2地下结构可靠性的研究方法

在我国,近年来地下工程可靠性研究得到了很大的发展,尤其是国

家基础性研究重大项目(攀登计划)“重大土木与水利工程安全性与耐

久性的基础研究”,对地下工程可靠性的研究更是一个巨大的推动。目

前,地下工程可靠性分析常用的方法主要有一次二阶矩法,高次阶矩法,

响应面法,蒙特卡罗(MonteCarlo)法等。

2.1一次二阶矩法

在实际工程中,占主流的一次二阶矩法应用相当广泛,已成为国际

上结构可靠度分析和计算的基本方法。其要点是非正态随机变量的正

态变换及非线性功能函数的线性化。由于将非线性功能函数作了线性

化处理,所以该类方法是一种近似的计算方法,但具有很强的