可靠性分析在岩土工程中的应用

可靠性分析在岩土工程中的应用

陈静

土木工程系南京理工大学南京210094 江苏

摘要：就可靠性理论的发展为线索,阐述了可靠性理论在土木工程、岩土工程的发展与应用,分析了岩土参数的不确定性与其本身固有的变异性,特别针对泥岩参数的可靠性分析,提出了可靠性分析在泥岩中的基本发展思路。

关键词:可靠性;土木工程;不确定性;泥岩;泥岩参数

1 引言

岩土工程中所接触的岩石和土是在漫长的地质年代中形成的,本身处在不断的变化中,这种变化是由包括自然条件的变化和人类活动所引起的变化。再从岩土的物质成分的组成、结构与构造的特点、含水状态以及疏密状态等性状来看,尽管人们已经在理论上和试验手段上做出很大努力,但是要做出与实际情况相同的各种参数是不可能做到的,这就说明岩土性状表现出很大的变异性,非人类完全所能控制的。在岩土工程中的许多工程现象和过程,表现出很大的随机性。其特征是实际情况往往难以预先知道,或者是仅在某种程度上可加以预估而无确切的把握[1]。

岩土工程不确定性的显著程度和变化幅度固有地存在于岩土工程设计和施工过程中[2]。为了处理这些不确定性问题与岩土工程的安全度问题,长期以来的做法是采用定值论的方法,用安全系数来表达安全程度,采用一个总的安全系数笼统地来考虑这种不确定性。此方法已经积累了相当丰富的经验,但是传统方法毕竟还是不够完备,此方法的最大缺点就是安全系数大小本身不可能对工程给出定量的意义,不能作为表示安全性的尺度[3],无法提供说明工程可靠性的评价指标。常用的安全系数法,在计算上常采用经验的办法去考虑工程中可能发生的最不利情况,但是这样做往往会有两种结果,一是不能排除采用该安全系数下工程失效的可能性,二是无法估计这种失效的可能性和其安全度究竟有多大。这就说明仅从安全系数中了解破坏的可能性或破坏的概率,是非常困难的事情。

设计中的每一个环节都是在大量的不确定性下进行的,虽然在实际工程中,按定值法计算出的安全系数是足够的,但是在实际当中却又可能发生失稳的现象。这说明单一的一个安全系数还不能完全解决不确定性问题。为了协调好安全与经

济这两矛盾体,又能处理好岩土工程中的不确定性问题,给岩土工程师们对其所关心的系统的安全度以及破坏的可能性或破坏的概率一个明确的答复,那么岩土工程中可靠性分析自然而然的就浮出水面。可靠度设计法的优点就是可以更全面地考虑诸因素的客观变异性,使所设计的工程更加合理,能够用严格的概率来度量其安全度,所以在岩土工程设计中采用可靠度分析法更符合实际。

2 可靠性理论的发展

所谓可靠性是指一个系统在给定的条件下和预计的时间内完成规定的功能运行的概率。可靠性理论萌芽于第二次世界大战,而在战后得到了完善与发展.当时是为了解决军用武器失效与失灵等问题,就引用了概率论和统计学的方法,从而就孕育了一门新的学科——可靠性理论。在第二次世界大战后,可靠性理论才得到了飞速的发展,也逐步应用于许多工程领域,并取得显著的成效。

可靠性理论在土木工程的结构方面的应用是开始得比较早的一个领域。1947年,苏联的尔然泥钦就提出了用一次二阶矩理论的方法来估计结构的失效概率;美国的弗罗伊詹特在40年代开创了美国结构安全度的研究工作,并在1951年提出,破坏概率的选择,应使结构建造费用与期望的破坏损失费的总和为最小的概念;尔后,美国的康乃尔(C.A.Cornell)、洪(A.H-S)和邓(W.H.Tang)发展了工程技术中应用的概率概念和方法。在60年代和70年代,土木工程结构可靠度的研究工作广泛的开展并逐步进入实用阶段。60年代美国成立了结构安全度委员会。我国从50年代初期开始用数理统计方法确定超载系数和材料强度系数。70年代成立了工业与民用建筑规范系列的《建筑结构设计统一标准》编委会和专题研究组等[1],总结了我国工程实践经验,并借鉴了国际标准《结构可靠性总原则》(ISO 2394),在征求了全国有关单位意见的基础上,先后编制了《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-92)等6本统一标准。主要采用以随机可靠性理论为基础、以分项系数表达的概率极限状态设计方法,作为我国土木、建筑、水利等专业结构设计规范改革、修订的准则。我国从1982～1992年间有203篇有关“工程结构可靠性”的研究文献,内容非常丰富,包括结构可靠性一般理论的若干问题、介绍了我国在可靠性基本理论方面的研究工作、结构体系可靠性问题、结构动力可靠性问题、结构疲劳可靠性问题、岩土工程的可靠性问题、已有工程结构的可靠性鉴定等[4]。

3 岩土工程的可靠性研究和设计理论

由于岩土工程中大量的不确定性问题及不确知因素的存在,岩土工程的可靠度问题是工程可靠度分析研究中一个比较困难的问题,它的发展远落后于结构可靠度的发展[2]。可靠性理论在岩土工程中的应用,可以说是一个突破,也可以说岩土工程是可靠性理论应用的一个重要领域。早在1956年,卡萨格兰特(A.Casagrande)提出了土工和基础工程中计算风险的问题[5]。从20世纪60年代起[1-3],Hooper、Lumb P、Meyerhof松尾稔等人开始了关于土的性能统计性质的研究和资料收集。70年代对土性参数概率统计分析进入一个新的发展时期,从1972年开始,有许多

有关统计学和概率论在土工和结构工程方面的应用的相关论文不断发表。由国际标准化组织岩土工程技术委员会(ISO/TC182)主持编制的国际标准(草案)中规定采用极限状态设计原则和分项系数方法,并对各级岩土工程提出了可靠性指标β的建议值,这是岩土工程中可靠性研究进入实用阶段的标志,1975年Lumb P 首次提到土的空间变异性概念,1977年Van-marcke E H提出了土层剖面的概率模型,1981年Meyerhof GG在他的一篇论文中总结了岩土工程中极限状态设计方法,讨论了变异性、总安全系数和分项安全系数等问题。80年代内,可靠性理论在土工中的研究领域进一步扩大,除了土性参数和边坡外,内容涉及近海洋平台基础、锚桩、挡土墙以及基础的破坏模式和计算模拟的不确定性等。关于沉降,据松尾稔介绍,以Vanmarcke EH和Cornell C A为主的麻省理工学院研究小组取得较大成果;对于软土地基上的填土、天然及人工边坡、开挖地基等破坏问题或沉降观测问题,作为整个系统考虑的可靠性设计已经导出固定的公式。我国从70年代末才开展土力学中可靠性问题的研究。虽然起步较晚,但是发展较快,也很活跃的。不过在某些领域里其发展较慢,如在岩石方面开展研究较少,土动力学方面尚正在起步。经过二十多年的发展,在这方面出了不少专著和发表了不少论文,其中有系统性论述的,有关沉降概率分析,有关于岩土参数概率模型的,有关于渗透问题的和有关岩土参数的统计规律的,它们集中反映了我国岩土工程可靠性研究领域的进展情况。

70年代开始,国际上都不定期地召开有关统计学和概率论在土工和结构中应用以及岩土工程中概率分析方法的各种会议。1993年5月在丹麦哥本哈根召开