隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)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(lǐng)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(gòu)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(yīng)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(xué)參數(shù)的變異性，其概率表征指標(biāo)有助于更清楚地表達(dá)地下工程的失效風(fēng)險(xiǎn)。隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性評(píng)價(jià)一直是隧道工程領(lǐng)域所面臨的重大理論問題之一?？煽啃栽u(píng)價(jià)為實(shí)施地下工程可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)也是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的必要環(huán)節(jié)。合理可行的可靠度計(jì)算方法是實(shí)施

2、地下工程可靠性評(píng)價(jià)的必然途徑，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與適應(yīng)性不僅直接關(guān)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(duì)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(jī)特征描述方法及處理的基礎(chǔ)上，分別從概率、非概率以及兩者相結(jié)合的角度對(duì)隧道工程進(jìn)行不確定性分析研究。
　　首先，通過兩條途徑構(gòu)建隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)功能函數(shù)。其二，根據(jù)現(xiàn)代地下結(jié)構(gòu)力學(xué)的核心觀點(diǎn)——圍巖不僅是支護(hù)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(chǔ)，結(jié)合整體式襯砌力學(xué)機(jī)制，通過收斂-約束原理，導(dǎo)出支護(hù)體系中圍巖變形表達(dá)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(gòu)功能函數(shù)。
　　其次，基于概率論模型，針對(duì)隧道功能函數(shù)高度非線性隱式特征導(dǎo)致常規(guī)可靠度方法無法運(yùn)用這一難點(diǎn)，基于半解析公式的Nata

4、f變換與八點(diǎn)估計(jì)法相結(jié)合，構(gòu)建了僅依靠基本變量統(tǒng)計(jì)特征并能考慮其相關(guān)性的非線性隱式功能函數(shù)統(tǒng)計(jì)矩點(diǎn)估計(jì)法。以統(tǒng)計(jì)矩為約束，基于最大熵原理，導(dǎo)出了功能函數(shù)的概率密度函數(shù)，從而建立了復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠度求解的一維直接積分方法，為類似隧道錨噴支護(hù)的穩(wěn)定可靠度求解提供了直觀、實(shí)用并滿足精度的計(jì)算途徑。
　　為進(jìn)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(jìn)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(duì)功能函數(shù)進(jìn)行偏導(dǎo)數(shù)求解這一難題。將此方法應(yīng)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(gòu)的高度非線性隱式功能函數(shù)的失效概率計(jì)算研制了一種直接求解方法。同時(shí)，構(gòu)建了襯砌安裝時(shí)機(jī)確定、揭示基本參數(shù)變異性及其相互作用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)圍巖失穩(wěn)概率影響的耦合效應(yīng)分析途徑。
　　再次，針對(duì)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(jìn)子區(qū)間法有效地解決了區(qū)間擴(kuò)張，將隱式

6、函數(shù)迭代程序與統(tǒng)計(jì)優(yōu)化模型結(jié)合起來，得到了功能函數(shù)響應(yīng)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(yīng)用于隧道工程實(shí)際的強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)向量空間內(nèi)，運(yùn)用區(qū)間拉丁超立方試驗(yàn)得到虛擬初始樣本點(diǎn)同時(shí)代入隧道模型獲得功能函數(shù)的響應(yīng)值，通過Kriging代理模型擬合隧道圍巖結(jié)構(gòu)功能函數(shù)。依據(jù)非概率可靠性指標(biāo)的幾何涵義，借鑒概