土性参数随机场建模方法及其在边坡可靠性分析中的应用

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:HanMa_1978
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合理的参数输入是岩土工程分析与数值计算的前提和关键,目前常用的赋确定性参数值的方法不仅忽略了参数本身的空间变异性,而且用确定性参数描述复杂岩土体力学性能的方法在某些情况下甚至可能会导致分析结果与真实情况的背离。因此要弥补此不足,就必须构建参数随机场的反演模型,并进行参数空间变异性对工程可靠性的影响规律的研究。  本文在现有研究成果的基础上,首先研究了随机场反演的基本模型,并将此扩展成三种特殊的随机场反演模型,其次采用随机场与有限元蒙特卡洛分析相结合的分析方法,研究了土性强度参数空间变异性对边坡可靠性的影响。具体如下:  (1)基本随机场反演模型:基于随机矢量理论及相关函数的快速衰减特性,在矩阵分解法的基础上构建了随机场反演的循环模型,即改进的矩阵分解法,该模型不仅能满足大规模随机场反演的要求,而且可采用“3θ”原则或方差贡献率方法确定随机场反演的精度。基于此两点,该模型为本文进行随机场建模的基本模型。  (2)各向异性随机场模型:基于等概率线理论,对各向异性相关模式的描述可归结为波动范围(相关距离)函数的探讨,同时反演精度的要求可归结为相关性考虑范围的探讨。基于以上两点,构建了各向异性相关矩阵,再结合改进的矩阵分解法,建立了各向异性随机场的反演模型。  (3)多参数随机场模型:基于相关函数基本定义,分析了自相关函数与互相关函数之间的区别,并通过构造和、差随机场的方法,分析了二者之间的联系;又从多脉冲场的自相关矩阵为单位阵,而互相关矩阵为零矩阵的特性出发,并基于改进的矩阵分解法,得出了互相关随机场反演具有关系:“自相关性=互相关性+剩余自相关性”,即“一体两分”模型。  (4)条件性随机场模型:由改进的矩阵分解法的基本模型可知,随机场与脉冲场之间是通过相关矩阵联系起来的,当给定空间某区域参数值时,实际上是给定了相应位置的脉冲场值,因此在进行条进性模拟时,可采用逆向变换调整脉冲场的方法进行条件性随机场的反演,且这种处理方法不会改变原有的相关性条件。  (5)土性参数空间变异性对边坡可靠性的影响分析:通过随机场与有限元蒙特卡洛相结合的手段,研究了①粘聚力横观各项同性对边坡可靠性的影响;②粘聚力旋转横观各向同性对边坡可靠性的影响;③强度参数互相关性对对边坡可靠性的影响;④粘聚力条件性模拟对边坡可靠性的影响。分别以下结论:  1)在竖直向相关距离不变的情况下,边坡的安全系数均值与确定性分析结果接近,但方差随着横观各向异性系数的增大而增大,即分布更加离散。因此当横观各向异性系数较大时,边坡设计应考虑更大的安全储备。  2)在横观各向异性系数不变的情况下,相关结构旋转角度对边坡可靠性的影响规律是:当相关长轴方向与边坡最可能滑移线方向垂直时,边坡可靠性最低;当相关长轴方向与边坡最可能滑移线方向平行时,边坡可靠性最高。  3)在强度参数(粘聚力与内摩擦角)各自空间变异性不变的情况下,二者之间互相关性的负相关程度愈高,边坡可靠性愈高;反之二者之间互相关性的正相关程度愈高,边坡可靠性愈底。  4)条件性模拟结果表明,相对于非条件性模拟结果,条件性模拟下安全系数分布的标准差变化较小,而均值变化较大,即参数条件性对边坡可靠性的影响主要是使累计破坏概率曲线发生平移。
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