隧道圍巖與支護結(jié)構穩(wěn)定可靠性分析方法研究.pdf

1、隧道工程是巖土工程的重要研究領域之一，由于隧道所處地下環(huán)境及巖土體材料成因歷史等原因，決定隧道結(jié)構穩(wěn)定的各類因素存在無法忽視的不確定性。而可靠度或相應的非確定性方法可以有效地考慮地層環(huán)境及巖土體物理力學參數(shù)的變異性，其概率表征指標有助于更清楚地表達地下工程的失效風險。隧道結(jié)構穩(wěn)定可靠性評價一直是隧道工程領域所面臨的重大理論問題之一?？煽啃栽u價為實施地下工程可靠性優(yōu)化設計提供依據(jù)，同時也是風險預測的必要環(huán)節(jié)。合理可行的可靠度計算方法是實施

2、地下工程可靠性評價的必然途徑，其計算結(jié)果的準確性與適應性不僅直接關系到地下工程的安全可靠程度，而且也將為制定合理的工程處置方案提供依據(jù)，對工程決策產(chǎn)生重大影響。為此，本文在考慮隧道工程不確定參數(shù)隨機特征描述方法及處理的基礎上，分別從概率、非概率以及兩者相結(jié)合的角度對隧道工程進行不確定性分析研究。
　　首先，通過兩條途徑構建隧道圍巖與支護結(jié)構功能函數(shù)。其一，基于組合拱原理、位移變形協(xié)調(diào)原理、彈性厚壁筒理論及圍巖破裂模型，建立了隧道錨

3、噴支護結(jié)構功能函數(shù)。其二，根據(jù)現(xiàn)代地下結(jié)構力學的核心觀點——圍巖不僅是支護體系的一部分，而且是承載的主體，以Duncan-Fama地層特征描述函數(shù)為基礎，結(jié)合整體式襯砌力學機制，通過收斂-約束原理，導出支護體系中圍巖變形表達方程，根據(jù)工程類比方法確定承載圍巖容許變形，按照變形失穩(wěn)控制原則，建立圍巖結(jié)構功能函數(shù)。
　　其次，基于概率論模型，針對隧道功能函數(shù)高度非線性隱式特征導致常規(guī)可靠度方法無法運用這一難點，基于半解析公式的Nata

4、f變換與八點估計法相結(jié)合，構建了僅依靠基本變量統(tǒng)計特征并能考慮其相關性的非線性隱式功能函數(shù)統(tǒng)計矩點估計法。以統(tǒng)計矩為約束，基于最大熵原理，導出了功能函數(shù)的概率密度函數(shù)，從而建立了復雜結(jié)構可靠度求解的一維直接積分方法，為類似隧道錨噴支護的穩(wěn)定可靠度求解提供了直觀、實用并滿足精度的計算途徑。
　　為進一步拓展高度非線性泛函隱式功能函數(shù)可靠度求解方法，利用數(shù)值差分理論將具有很高精度的二次二階矩算法進行改造，有效地解決了一次二階矩法、二次

5、二階矩法等可靠度方法需要對功能函數(shù)進行偏導數(shù)求解這一難題。將此方法應用于上述第一條途徑建立的功能函數(shù)模型中，為類似隧道圍巖結(jié)構的高度非線性隱式功能函數(shù)的失效概率計算研制了一種直接求解方法。同時，構建了襯砌安裝時機確定、揭示基本參數(shù)變異性及其相互作用對隧道結(jié)構圍巖失穩(wěn)概率影響的耦合效應分析途徑。
　　再次，針對不確定性參數(shù)信息缺乏，在非概率模型的框架內(nèi)，采用區(qū)間方法來解決隧道不確定性問題。依據(jù)改進子區(qū)間法有效地解決了區(qū)間擴張，將隱式

6、函數(shù)迭代程序與統(tǒng)計優(yōu)化模型結(jié)合起來，得到了功能函數(shù)響應值的合理區(qū)間，研究一種隧道工程隱式功能函數(shù)非概率方法，并應用于隧道工程實際的強度設計中。
　　最后，在不確定性參數(shù)信息缺乏表現(xiàn)出小樣本特征的前提下，基于集合理論建立隧道超橢球凸集模型;在單位超球體標準向量空間內(nèi)，運用區(qū)間拉丁超立方試驗得到虛擬初始樣本點同時代入隧道模型獲得功能函數(shù)的響應值，通過Kriging代理模型擬合隧道圍巖結(jié)構功能函數(shù)。依據(jù)非概率可靠性指標的幾何涵義，借鑒概