區(qū)域性軟土土性參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)模型與隨機(jī)固結(jié)沉降的研究與應(yīng)用.pdf

1、巖士工程面臨著大量的不確定性，如何在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮這些不確定性是工程師面臨的重要問(wèn)題之一。傳統(tǒng)方法主要依賴于安全系數(shù)，這是沒(méi)有更好選擇下的無(wú)奈之舉?；诳煽啃岳砟畹脑O(shè)計(jì)方法理應(yīng)成為考慮巖土工程中不確定性問(wèn)題的首選方法，然而在研究過(guò)程中卻遇到了似乎難以逾越的困難。主要原因是統(tǒng)計(jì)所得土性參數(shù)變異性過(guò)大，從而導(dǎo)致計(jì)算所得可靠度指標(biāo)過(guò)小，即便對(duì)已經(jīng)證明是安全穩(wěn)定的工程也是如此。造成這種理論與實(shí)際情況背離的根本原因有二：①現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)方法無(wú)法體現(xiàn)巖土

2、參數(shù)的自相關(guān)性特點(diǎn)；②土性參數(shù)的測(cè)試值大多代表空間土體的點(diǎn)特性，而土的工程特性卻依賴于空間土體的平均特性，現(xiàn)有分析手段無(wú)法調(diào)和二者之間的矛盾。
　　 鑒于此，本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.50478072），將隨機(jī)場(chǎng)理論引入巖土工程的概率分析中。首先進(jìn)行軟土地區(qū)區(qū)域性土性參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)模型的研究，通過(guò)土性參數(shù)變異性、自相關(guān)性和概率分布形式的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)建立區(qū)域性軟土土性參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)模型的目標(biāo)。然后在此基礎(chǔ)上，針對(duì)軟土地區(qū)工程實(shí)

3、踐中經(jīng)常會(huì)遇到的固結(jié)變形問(wèn)題，通過(guò)隨機(jī)場(chǎng)的局部平均理論建立參數(shù)點(diǎn)特性和空間平均特性之間的橋梁，進(jìn)而研究有關(guān)地基固結(jié)變形問(wèn)題的概率反映特性和可靠性分析方法。取得的關(guān)鍵性成果如下：
　　 1.針對(duì)傳統(tǒng)隨機(jī)變量理論建模土性參數(shù)的不足，論證了隨機(jī)場(chǎng)理論建立土層剖面模型的優(yōu)越性，即：它可以通過(guò)空間位置坐標(biāo)的函數(shù)，有效地區(qū)分反映結(jié)構(gòu)性的趨勢(shì)分量和體現(xiàn)隨機(jī)性的波動(dòng)分量，更加精確地抽象土性參數(shù)的空間變異性特征。
　　 2.研究發(fā)現(xiàn)：以土

4、性參數(shù)為基礎(chǔ)建立隨機(jī)場(chǎng)模型，反映結(jié)構(gòu)性的趨勢(shì)分量一般在試驗(yàn)室物理性質(zhì)指標(biāo)參數(shù)中并不明顯存在，而在反映強(qiáng)度和變形的各指標(biāo)中明顯存在，且形式不一，線性居多，但也不乏高次，實(shí)際分析中根據(jù)具體情況可以采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析。并且，不同的趨勢(shì)函數(shù)形式對(duì)土性參數(shù)變異性的統(tǒng)計(jì)結(jié)果影響比較顯著。
　　 3.對(duì)比了各種變異性統(tǒng)計(jì)方法的理論基礎(chǔ)和優(yōu)越性，發(fā)現(xiàn)基于隨機(jī)場(chǎng)理論的統(tǒng)計(jì)方法明顯優(yōu)于基于隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)方法，因?yàn)榍罢吣軌蛴行У厝コ厔?shì)分量的

5、影響，得到較為可靠的變異性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
　　 4.對(duì)江蘇地區(qū)兩種典型軟土（蘇中湖相軟土和連云港海相軟土）的土性參數(shù)變異性特征和大小進(jìn)行了系統(tǒng)地統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明：由于試驗(yàn)室物理性質(zhì)指標(biāo)不存在明顯的趨勢(shì)分量，可以用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，且統(tǒng)計(jì)變異系數(shù)較小；相比較而言，試驗(yàn)室測(cè)得的變形和強(qiáng)度參數(shù)由于一般都存在明顯的趨勢(shì)分量，建議用基于隨機(jī)場(chǎng)理論的變異性統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，且統(tǒng)計(jì)變異系數(shù)較大。
　　 5.對(duì)相關(guān)距離的各種計(jì)算方法進(jìn)行

6、了對(duì)比分析和優(yōu)化研究，探討了土性參數(shù)相關(guān)距離的各種性狀?；谠混o力觸探數(shù)據(jù)，對(duì)江蘇地區(qū)兩種典型軟土的豎直向和水平向相關(guān)距離進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了各自的特點(diǎn)和產(chǎn)生這些特點(diǎn)的原因，并對(duì)豎直向和水平向的相關(guān)距離進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)。
　　 6.論證了中心極限分布系列描述土性參數(shù)的合理性，對(duì)比了隸屬于中心極限分布系列的正態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)分布的各種特性，提出了在二者之間如何選擇的標(biāo)準(zhǔn)。除此之外，還論證了泊松比更適合建模為Beta分布的事實(shí)。
　

7、　 7.利用隨機(jī)場(chǎng)的局部平均理論，結(jié)合目前基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中主流的沉降計(jì)算方法（分層總和法），推導(dǎo)了能夠反映土性參數(shù)空間變化特性的基礎(chǔ)沉降表達(dá)式；在假定自相關(guān)函數(shù)的條件下，利用5點(diǎn)Gauss積分，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)沉降概率反映特性的一次二階矩分析，提出了基礎(chǔ)沉降的概率預(yù)報(bào)方法及給定沉降控制標(biāo)準(zhǔn)下的可靠性分析步驟。
　　 8.用對(duì)數(shù)正態(tài)分布的空間隨機(jī)場(chǎng)對(duì)土體固結(jié)系數(shù)cv進(jìn)行模擬，通過(guò)5000次的Monte-Carlo模擬計(jì)算，對(duì)地基土的一維概率

8、固結(jié)特性進(jìn)行了分析。提出了不同時(shí)刻平均固結(jié)度和超靜孔壓標(biāo)準(zhǔn)差的近似計(jì)算公式；同時(shí)，還通過(guò)不同相關(guān)距離對(duì)變異系數(shù)的影響分析，給出了不同情況下方差折減系數(shù)的有效計(jì)算方法。
　　 9.從精度、效率和實(shí)用方便性的角度對(duì)隨機(jī)場(chǎng)的各種計(jì)算機(jī)模擬方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)，指出了局部平均細(xì)分法適合于巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)越性所在，分析了離散尺寸和相關(guān)距離對(duì)模擬結(jié)果的影響，開(kāi)發(fā)了成層地基的隨機(jī)場(chǎng)分層模擬方法，并用一工程實(shí)例，展示了隨機(jī)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬在基礎(chǔ)概率