论如何实现岩土工程的可靠性设计陈君

论如何实现岩土工程的可靠性设计陈君

陈君

河北恒生永筑岩土工程有限公司，河北衡水053000

摘要：岩土工程是天然和人工相结合的土体，天然土体性质会随地质变化形成地层上和地区上的区别，而人工土体的性质会随材料、方法、质量等发生变化，因此要分析和计算岩土工程的的可靠性，确保岩土工程的可靠性设计满足岩土工程的质量安全。

关键字：岩土工程；可靠性；设计；

虽然岩土工程是由有限个独立参数确定的，但是其设计是非确定性的，要通过非确定模型的数理统计和数学概率进行可靠性设计。在传统的岩土工程可靠性设计中忽略了物理力学的性质，仅用简单的安全系数表达安全，对岩土工程的质量会造成一定程度的安全隐患，因此要改进仅用安全系数表示安全的设计方法。

一、岩土工程可靠性设计的概述

岩土工程是一个整体的大系统，如果把岩土工程分解成多个单元或者子系统，根据可靠性来分析岩土工程设计中要承担的工程风险和经济风险，同时把风险控制在可承受范围内就是风险分析，风险分析又叫极限状态概率设计。

可靠性是系统在预计时间和特定条件下规定功能的完成概率，不仅是工程质量的反映，还是工程系统的成败关键点，在岩土工程中非常重要。工程系统一般是多个子系统和元件组成的，对于系统的可靠性分析主要在于子系统的可靠性评估，因此要在岩土工程的可靠性设计中，通过各个子系统的可靠性评价来强化薄弱环节，增强整体可靠性。

二、我国岩土工程的可靠性研究现状

我国岩土工程的可靠性研究开始于20世纪70年代，表现出研究起步晚，发展进程快，研究面广泛，研究规模巨大的特点，虽然在一定程度上取得了显著成就，但是也存在岩石可行性的研究少、岩土工程特征较为忽略、岩土的动力学研究不充分、岩土的可靠性和力学结合不紧密等不足。我国岩土工程可靠性的设计是基于极限状态和概率法进行分项系数的设计，目前，桩基研究成绩较为显著，在世界研究中有较大影响力，其他岩土工程的研究和设计都比较局限。

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2011）在概率法和极限状态方面只做了原则性的规范，例如：规定岩土工程使用定值法进行定量分析，在特殊工程中若有需要可以辅助概率法；规定勘察成果中不同情况要有不同的参数值。

三、岩土工程可靠性设计的注意事项

（一）岩土工程的特征

1、天然性。岩土工程的材料是天然的，例如岩石、土，这些天然物质的属性是大自然决定的，无法人为改变，因此只有通过实验进行参数获取。

2、变化性。地方不同岩土的性质就不同，另外相同地方的岩土也会随着岩土深度的变化而发生性能的变化，因此在对土层的变异性进行统计时，要把位置变化所引起的的性能变化纳入统计范畴。

3、获取参数难。岩土的性能指标要通过实验才能获取，在实验中获取参数的资金和时间投入大，因此岩土的性能参数获取较难。

（二）岩土工程可靠性设计的注意事项

由于岩土工程上述特征，必须对土的荷载、性状、环境等实验数据和观察现象进行统计处理。例如：检验设计参数的分布概率，对统计参数进行预测和计算；对现场进行勘察和取样，并设计初步试验；采取适应的压实技术条件和质量控制方法，分析安全系数和破坏概率的关系、分析工程造价和工程安全的关系、分析总体沉降和差异沉降的关系；制定岩土工程在不确定环境下的优化处理措施。

四、岩土工程的可靠性设计

岩土工程的可靠性设计离首先应进行可靠性分析。传统的岩土工程可靠性分析中，人们只重视安全系数，而忽视了岩土的物理指标和荷载效应，没有对工程的差异性引起足够重视，因此在岩土工程的系数计算中要把物理指标和荷载效应相结合进行计算。下面几种分析方法可在进行可靠性设计时组合使用：

（一）一次二阶矩分析法

一次二阶矩分析法根据展开点划分为验算点法和中心点法，这种计算方法通过独立的随机变量为前提，建立可靠指标的求解公式，是计算可靠性的最简单算法，在岩土工程可靠性中广泛应用。但需要注意以下两个方面：一是土性指标互相关和自相关性很强，而一次二阶矩法中不考虑变量的相关性，因此求出的可靠性指标误差较大；二是该方法在非线性不高的极限状态中较为适用，而非线性高的极限状态中求导困难，并且线性化会使极限状态发生较大偏离，影响计算精度。例如：邱贤德通过一次二阶矩法分析了矿山的边坡可靠性；巩海帆、葛耀君、H.Tanaka通过一次二阶矩法分析了上海杨浦大桥的颤振可靠性。

（二）蒙特卡罗分析法

蒙特卡罗分析法是通过数值模拟来分析可靠性的数学分析法，在具体分析中大量抽样随机变量，把样本值带进问题进行分析，根据工程失效率对结构失效率进行估算。这种方法适用广泛、概念确定，由于随机量和模拟速度无关、模拟过程和极限状态的复杂无关、因此可靠性分析中较为直接便捷，并且蒙特卡罗分析法是目前检验其他方法计算精确性的唯一方法。随着网络技术的发展，蒙特卡罗分析法模拟次数多和费时的问题得到有效解决，大大提高了可靠性的分析效率，因此该方法在岩土工程中最为实用。例如：何春光、刘明维通过蒙特卡罗法分析了土坡的可靠性；杨桦针、冯晓波采用蒙特卡罗的直接抽样方法克服了结构设计中的困难，通过MATLAB的抽样模拟降低了连续分布中直接抽样的难度，并提高了可靠性的计算效率。

（三）响应面分析法

响应面分析法是近年来发展的可靠性分析法，主要是通过响应面模拟极限状态的曲面来分析失效模式。这种方法的循环次数受随机变量影响，当随机变量的数量多时，失效率难以保证，同时输入变量的变化小和输出变量发生突变时，响应面分析法难以适应。例如：武清玺等人通过响应面法中的变f法，在可靠性计算中保证了计算精度，克服了试验次数多的问题；C.G.Bucher通过内插技术，用计算所求系数。

（四）随机有限元分析法

随机有限元分析法是把概率统计和确定性分析两者相结合的方法，发展于20世纪80年代。这种方法是通过计算工程的统计特征来对结构可靠性进行分析，在随机有限元分析法中主要采用以下两种方法：一是把随机量离散化；二是把函数转化成功率谱的密度函数。随机有限元较为客观合理，可靠性的分析也比较精准，目前在岩土工程中应用广泛，发展前景广阔。例如：李登新用神经网络的有限元法分析了隧道支护结构的可靠性，通过ANSYS模拟分析了隧道浅埋段的力学状态，从而获取围岩和支护结构的力学特征和位移特征；南世卿通过RFPA的建模，对地下开采造成的顶柱变形和顶柱受力，以及顶柱的可靠性和稳定性进行了分析。

五、结束语

岩土工程的可靠性设计在岩土工程中非常重要，关乎着岩土工程的质量安全和系统成败，因此在岩土工程可靠性的设计过程中要基于物理力学的基础，把统计学和概率论相结合，对土体的载荷效应和性状概率进行分析和预测，从而使岩土工程的可靠性设计满足工程质量的标准和要求。

参考文献：

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