可靠性分析在深基坑中的應用

1、第17卷第1期湖南理工學院學報(自然科學版)Vol.167No.12004年3月JournalofHunanInstituteofScienceandTechnology(NaturalSciences)Mar.2004可靠性分析在深基坑中的應用江學良平(中南大學,)摘要:,較系統(tǒng)的論述了關(guān)鍵詞:;文獻標識碼:A文章編號:167225298(2003)0420088204ApplicationofAnalysisonReliabilityinDeepExcavationJIANGXue2liang,CAOPing(CentralSouthUniversity,Changsha410083,Ch

2、ina)Abstract:Shortcomingofconventionalmethodwhichisusedtoestimatethestabilityofexcavationispointedout,analysisonreliabilityisappliedtothedesignofexcavationengineeringandtheprocedureofanalysisonreliabilityforexcavationisinterpretedsystematicallyinthisarticle.Keywords:analysisonreliability;deepexcavat

3、ion深基坑工程設(shè)計是一項技術(shù)復雜,綜合性很強的工作,它與場地工程地質(zhì)勘察、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工開挖、基坑穩(wěn)定、降水、施工管理、現(xiàn)場監(jiān)測、相鄰場地施工互相影響等因素密切相關(guān)。目前,在深基坑設(shè)計中仍然采用原來的安全系數(shù)法來評價基坑的穩(wěn)定。安全系數(shù)雖是以數(shù)值表示安全度指標,但其并不能定量表示安全度。不能說Fs=3.0的基坑邊坡的安全程度是Fs=1.5的基坑邊坡安全程度的兩倍。在實際工作中,安全系數(shù)的確定往往憑借設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗,并沒有通用的準則。要定量評定深基坑工程的安全度,有必要引入基于風險概念的可靠性分析。1可靠性與極限狀態(tài)方程可靠性是指在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成預定功能的能力?？煽慷染?/p>

4、是在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)完成預定功能的概率?？煽慷扔腥N尺度:一是穩(wěn)定概率,即可靠度或稱可靠概率;二是破壞概率,)。即不可靠度或稱不可靠概率;三是可靠指標或稱安全指標(基坑穩(wěn)定性受許多變量的控制,這些變量都具有不確定性,都是隨機變量。可以用下面模型來描述基坑的穩(wěn)定狀態(tài)。(1)Z=g(x)=g(x1,x2,xn)函數(shù)g(x)反映基坑的狀態(tài)或性能,稱為狀態(tài)函數(shù)或功能函數(shù),x為基本狀態(tài)變量。極限狀態(tài)方程為Z=g(x1,x2,xn)=0(2)收稿日期:2003-06-05作者簡介:江學良(19772),男,中南大學巖土工程專業(yè)碩士,主要研究方向:巖土邊坡、深基坑、地基基礎(chǔ)等方面的設(shè)計與處理。

5、9; 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期江學良曹平:可靠性分析在深基坑中的應用89Z=g(x)>0安全狀態(tài)Z=g(x)=0極限狀態(tài)Z=g(x)<0破壞狀態(tài)2基坑可靠性分析211基坑設(shè)計參數(shù)的獲取土參數(shù),特別是土的抗剪強度c,值,對基坑支護設(shè)計影響甚大,c,直接決定著基坑設(shè)計的成敗。然而,土體參數(shù)又是不確定的,:性;二是勘查取樣與試驗方法的誤差;、處理都必須遵循可靠性思想。21111數(shù)據(jù)的采集與處理(1)數(shù)據(jù)采集目前,如何使勘察工作滿足可靠性設(shè)計的

6、要求,是一個很值得研究的問題,為滿足可靠性設(shè)計對參數(shù)統(tǒng)計的要求,宜結(jié)合可靠?；谝陨显?基坑勘查的布點取樣、測試要嚴格按照有關(guān)規(guī)范和(2)土參數(shù)的試驗方法高層建筑巖土工程勘察規(guī)范規(guī)定,對基坑支護設(shè)計宜采用三軸不固結(jié)不排水剪或直剪快剪(UU),而上海深基坑施工技術(shù)指南則建議采用固結(jié)快剪(CU),而且規(guī)定考慮降水后土質(zhì)條件的改善,對c,值還可以適當提高。到底采用何種試驗方法,可以從下面三個方面考慮:從基坑開挖的速率考慮。目前基坑多采用機械開挖,施工速度快,如土的透水性較差且排水條件又不好時,土來不及固結(jié)就可能失穩(wěn),這時可采用UU試驗;如土的透水性較好時,可采用CU試驗。從基坑是否降水和土的滲透性

7、考慮?；咏邓畷r,在基坑開挖過程中,粉土,粉質(zhì)粘土既非完全不排水,又非安全排水,可采用CU或CD(慢剪)試驗結(jié)果;對粉土,飽和粘土,老粘土,淤泥質(zhì)土,由于滲透性很小,宜采用UU試驗;當基坑不降水而采取止水措施時,宜采用UU試驗。從應力路徑考慮。深基坑的開挖,宏觀上屬于卸載問題,土體中平均應力下降,偏應力增大(見圖1)。由圖可知,對卸載問題,采用UU試驗是偏于危險的,特別是對老粘土或裂隙性粘土,該種土表現(xiàn)為Ccd0,Ccu<Cuu,宜采用Ccu結(jié)果。21112數(shù)據(jù)的處理(1)異常數(shù)據(jù)的剔除在工程勘察過程中,土工模型,儀器,操作者影響會造成異常測試結(jié)果的出現(xiàn)。常見的剔除異常數(shù)據(jù)的統(tǒng)計判別法有

8、三倍標準差判別法,Chauvenet判別法,Crubbs方法等,具體可參看有關(guān)圖1不同試驗方法結(jié)果的比較文獻。(2)土工參數(shù)的不確定性分析土參數(shù)的“真”值未知的,它的大小只能通過有限的室內(nèi)或現(xiàn)場試驗了解,其值是變化的,而且離散性很大,具有很強的不確定性3。21113土體參數(shù)的可靠性分析如隨機變量x是某種分布形式,已知標準差,可根據(jù)下式計算樣本的置信度1-和期望值。(1)當樣本數(shù)量少,又非正整數(shù)分布時,置信區(qū)間可用Chebyshev不等式(3)pX -h<< x+h=1-2=1-h(2)如分布為對稱的,函數(shù)只有一個最大值時,有pX -h<< x+h=1-9h2=1-(4)

9、式中 x為x的平均值,n為樣本數(shù)。© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 90第16卷湖南理工學院學報(自然科學版)在實際設(shè)計時,土參數(shù)c,值可取其下限值,以確?；拥姆€(wěn)定。212基坑可靠性分析的數(shù)學方法21211蒙特卡羅方法蒙特卡羅方法是一種通過隨機變量的數(shù)字模擬和統(tǒng)計分析求解工程技術(shù)問題近似解的數(shù)值方法,利用這種方法求解問題的途徑可以歸納為三個基本步驟:隨機變量的抽樣。按基本隨機變量的已知概率分布進行隨機抽樣。樣本反應求解。對每個抽樣樣本,。計算反應量

10、的統(tǒng)計量估計。對所有樣本反應,、方差或概率分布。,應增加一百倍的模擬計算工作量,在深基坑中不常用。21212一次二階矩方法,現(xiàn)實的做法是利用隨。其中,利用隨機變量的一、二階矩計算結(jié)構(gòu)的失效概率的。在二階矩方法中,將非線性功能函數(shù)經(jīng)級數(shù)展開近似為線性功能函數(shù)的算法統(tǒng)稱為一次二階矩方法。常見的算法可分為中心點法和驗算點法兩類?？紤]當量正態(tài)分布轉(zhuǎn)換的驗算點法通常稱為JC法。JC法在深基坑中應用較多。其基本思想是將極限狀態(tài)方程Z=g(x1,x2,xn)從x空間按ui3=(xi3-i3)/xi變換U空間,得Z=g1(U1,U2,U3,Un),在幾何上就是U空間內(nèi)從原點到極限狀態(tài)超曲面Z=0的最矩距離。通

11、過數(shù)學計算,可找到滿足要求的p3=(u1,u2,u3,un)從而得到可靠指標:=z-|ui3ui3i=1n32(|ui)=1g2n(5)式中:ui3=i是敏感系數(shù)i式中最簡單的情況是由互相獨立的基本變量R和S組成的二維狀態(tài),即極限狀態(tài)的R-S模型;Z=g(R,S)=R-S=0式中:R為抗滑力或抗滑力矩;S為滑動力或滑動力矩。在基坑邊坡工程,破壞概率可由下式表示),pr(Z=R-S)<0=1-(其中Z=R-S的物理意義是安全儲備?？煽恐笜思礊榘踩珒渚蹬c標準差之比=22zR-S2s式中為安全儲備均值;安全儲備標準差。z=R-sz=R-2為(6)對于某一確定的fz(Z)來說,則有破壞概率:

12、Pf=P(Z<0)=FZ(0)=f(Z)dZz-令=則有:z=0,z=1,ZzPf=p(<)=P(Z<)=FZ(-)zzzz)=FZ(-(7)如果R,S為正態(tài)變量,即RN(R,R)和SN(s,s),則有ZN(z,z),于是:© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期江學良曹平:可靠性分析在深基坑中的應用91-zPf=-exp-()2dZ2(8)=1-()=(-)z()為標準正態(tài)分布函數(shù)。式中=1-(3可靠度標準的確定,程可靠程度。建議

13、現(xiàn)階段設(shè)計可靠度取值參照表2表2破壞類型317412安全等級3123172173124實例分析=2°某工程,邊坡高H=9.0m,坡頂荷載Q=15kPa,土重度r2=19kN/m3,c=12kPa,c=3kPa,土釘長度為10.0m,孔徑110mm,水平垂直距離為1m。根據(jù)自編的FORTRAN程序計算,得到其整體安全系數(shù)Fs=2.2,取其抗滑力矩為R,滑動力矩為S,)=0.9999,則該工程設(shè)計的整體抗滑破壞概按R-S模型計算,求得=4.6。查標準正態(tài)分布表得()=10-6。率為Pf=1-(由以上可知,把可靠性分析引入基坑設(shè)計中,可以知道與某一具體可靠指標對應的基坑失穩(wěn)概率,可以定量的

14、描述基坑的可靠程度,優(yōu)越于傳統(tǒng)的安全系數(shù)法。參考文獻1祝玉學.邊坡可靠性分析M.北京:冶金工業(yè)出版社.19932秦四清等.深基坑優(yōu)化設(shè)計M.北京:地震出版社.19983冷伍明,趙善銳.土工參數(shù)的不確定性分析J.巖土工程學報.1995,34吳南群.工程勘察測試數(shù)據(jù)的可靠性分析J.巖土工程學報.1995,vol(13)5李杰.隨機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)M.北京:科學出版社.1996(上接55頁)3結(jié)論從上面的理論分析與仿真實驗可以看出,對于變參數(shù)、非線性的對象用常規(guī)的控制算法難以實現(xiàn)有效的控制,而用神經(jīng)網(wǎng)絡進行模型辨識,在辨識的基礎(chǔ)上再進行預測控制,就可以得到比較好的控制效果,這樣既保留了常規(guī)預測控制的優(yōu)點,又解決了常規(guī)預測控制中復雜對象難以建模、實時運用難的缺點。因此基于神經(jīng)網(wǎng)絡辨識的預測控制算法是一種比較好的、有著廣闊應用前景的新型控制算法。參考文獻1王耀南1計算智能信息處理技術(shù)及其應用M1長沙:湖南大學出版社,1999,100-10712張燕1杜太行,呂德忠1一種改進的快速BP算法A11999中國控制與決策學術(shù)年會論文集C11999,670-673.3TanakaM.NonlinearSystemIdentificationbytheCombinationofSelf-OrganizingFeatureMapandRadialBasis