【摘要】：土性參數(shù)變異性是天然土體的固有屬性,參數(shù)變異性對巖土結(jié)構(gòu)物響應(yīng)、可靠度分析和風(fēng)險決策具有明顯的影響。土性參數(shù)概率模型是定量描述土性參數(shù)變異性的基本方法,基于土性參數(shù)概率模型,利用具體場地勘察數(shù)據(jù)可以表征土性參數(shù)變異性和地質(zhì)剖面。場地勘察中可以獲取多源(如原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和地球物探試驗(yàn))勘察數(shù)據(jù),僅僅依靠單源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析會造成數(shù)據(jù)的浪費(fèi),甚至得到不可靠的結(jié)果�，F(xiàn)有土性參數(shù)變異性表征方法通常局限于參數(shù)統(tǒng)計特征的點(diǎn)估計或者一維方向概率模型參數(shù)的量化。然而實(shí)際工程中通常需要二/三維設(shè)計參數(shù)地質(zhì)剖面,理想地,該剖面能夠被勘察數(shù)據(jù)約束并反映數(shù)據(jù)在整體和局部的變化特征。因此,如何利用多源勘察信息確定土性參數(shù)的二維條件隨機(jī)場概率模型是土體地質(zhì)剖面表征的一個關(guān)鍵難題�；谕列詤�(shù)概率模型和勘察數(shù)據(jù)可以直接預(yù)測巖土結(jié)構(gòu)物(如路堤)的響應(yīng)(如沉降和孔隙水壓力),但是預(yù)測值通常會偏離真實(shí)值,準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)對于巖土結(jié)構(gòu)物預(yù)測預(yù)警的理論和應(yīng)用研究具有重要意義。充分利用結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測數(shù)據(jù),有利于準(zhǔn)確預(yù)測巖土結(jié)構(gòu)物的響應(yīng)。貝葉斯原理是一種常用的融合多源信息的基礎(chǔ)理論,傳統(tǒng)的基于貝葉斯理論的結(jié)構(gòu)物(如路堤)響應(yīng)預(yù)測方法存在以下局限性:(a)物理模型(數(shù)值方法和本構(gòu)關(guān)系)過于簡化;(b)沒有有效融合勘察和監(jiān)測數(shù)據(jù);(c)高維非線性問題求解能力有待提高。如何融合勘察和監(jiān)測信息進(jìn)行土性參數(shù)高維隨機(jī)變量模型的表征成為準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)鍵所在,該方法在實(shí)際工程問題(如Ballina路堤預(yù)測)中的適用性有待深入研究。土性參數(shù)概率模型對巖土結(jié)構(gòu)物關(guān)鍵失效模式和可靠度影響顯著,代理模型是一種有效提高可靠度計算效率的方法,然而不同代理模型的優(yōu)缺點(diǎn)還缺乏系統(tǒng)的對比,不同代理模型在不同土坡可靠度問題中的準(zhǔn)確性和效率不明朗,如何選擇合理的代理模型沒有建議方法。代理模型雖然在邊坡可靠度分析中應(yīng)用廣泛,但對于高維問題仍然存在效率低下和準(zhǔn)確性不夠的缺點(diǎn),尤其在考慮土性參數(shù)空間變異性時,高維度問題更為突出,亟需發(fā)展降低輸入變量維度的方法,以充分提高代理模型準(zhǔn)確性和可靠度計算效率。此外,考慮土性參數(shù)變異性使得土坡失效模式更加復(fù)雜,識別關(guān)鍵失效模式對于制定合理的邊坡加固設(shè)計方案具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義,關(guān)鍵失效模式和失效概率是邊坡風(fēng)險評估的重要組成環(huán)節(jié)。因此,考慮參數(shù)空間變異性的邊坡關(guān)鍵失效模式識別及高效可靠度分析是一個兼具重要性和挑戰(zhàn)性的問題。為此,本論文圍繞如下三個關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究:(1)融合多源勘察信息的土性參數(shù)二維隨機(jī)場模型表征(2)融合勘察和監(jiān)測信息的路堤響應(yīng)預(yù)測(3)考慮土性參數(shù)變異性的土坡關(guān)鍵失效模式識別及高效可靠度分析方法圍繞上述科學(xué)問題,本論文主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)提出了融合多源勘察信息的土性參數(shù)二維隨機(jī)場模型表征方法采用貝葉斯理論融合多源勘察信息建立了隨機(jī)場模型參數(shù)的后驗(yàn)分布表達(dá)式。整體上,基于靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)的部分信息建立參數(shù)先驗(yàn)隨機(jī)場,在此基礎(chǔ)上將表面波間接數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換模型融入貝葉斯公式,以更新土性參數(shù)隨機(jī)場模型。采用Karhunen-Loeve(KL)級數(shù)展開方法模擬土性參數(shù)隨機(jī)場,通過參數(shù)化過程確定模型參數(shù)。采用馬爾可夫鏈蒙特卡洛(MCMC)模擬法更新模型參數(shù),進(jìn)而得到更新后的土體參數(shù)二維隨機(jī)場模型。利用澳大利亞Ballina試驗(yàn)場勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行土體參數(shù)剖面不確定性表征研究,結(jié)果表明參數(shù)剖面的不確定性隨勘察數(shù)據(jù)量的增加而降低,融合多源信息后的土性參數(shù)二維剖面被勘察數(shù)據(jù)約束,能有效地捕捉數(shù)據(jù)空間變化特征且識別出“軟弱”區(qū)域。(2)提出了融合勘察和監(jiān)測信息的路堤響應(yīng)預(yù)測方法建立了融合勘察和監(jiān)測信息的以更新土性參數(shù)隨機(jī)變量模型的貝葉斯公式。綜合Ballina場地勘察數(shù)據(jù)、現(xiàn)有文獻(xiàn)資料以及工程經(jīng)驗(yàn)得到模型參數(shù)的先驗(yàn)信息�；趶V泛使用的劍橋模型,采用有限元法模擬多土層路堤沉降固結(jié)過程。采用多鏈并行計算的DREAM(zs)算法進(jìn)行高效MCMC模擬,從而獲得收斂且可靠的高維后驗(yàn)分布,進(jìn)而得到更新的土性參數(shù)隨機(jī)變量模型和土體剖面�；诟碌耐馏w參數(shù)和剖面可以較準(zhǔn)確地預(yù)測Ballina路堤響應(yīng)。對于Ballina路堤,確定了準(zhǔn)確預(yù)測路堤沉降和孔隙水壓力各自需要的監(jiān)測數(shù)據(jù)量。隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)量的增加,預(yù)測值總體上逐漸收斂于監(jiān)測值。先驗(yàn)分布統(tǒng)計特征和監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差對路堤響應(yīng)預(yù)測有不同的影響。(3)建議了考慮土性參數(shù)變異性時土坡可靠度代理模型方法的選擇標(biāo)準(zhǔn)土性參數(shù)概率模型是巖土可靠度分析的基礎(chǔ),定性剖析了參數(shù)概率模型和土體分層特征對邊坡失效的影響機(jī)制,挖掘分析文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫信息總結(jié)出了四類典型土坡可靠度問題。Ⅰ類:單層坡考慮參數(shù)隨機(jī)變量模型;Ⅱ類:單層坡考慮參數(shù)隨機(jī)場模型;Ⅲ類:多層坡考慮參數(shù)隨機(jī)變量模型;Ⅳ類:多層坡考慮參數(shù)隨機(jī)場模型。定量研究了基于多項(xiàng)式的四種代理模型(詳見第5章)在解決問題Ⅰ—Ⅳ中的有效性,系統(tǒng)比較了四種代理模型在黏性和c-φ土坡可靠度問題中的計算準(zhǔn)確性和效率。對于考慮隨機(jī)變量模型的單層坡(Ⅰ類),推薦SQRSM;當(dāng)單層坡考慮隨機(jī)場模型時(Ⅱ類),推薦MSRSM;對于考慮隨機(jī)變量模型的多層坡(Ⅲ類),推薦MQRSM;對于考慮隨機(jī)場模型的多層坡(問題Ⅳ),推薦采用MSRSM。(4)提出了考慮隨機(jī)場模型的土坡可靠度分析的降維法基于土性參數(shù)隨機(jī)場模型,利用傳統(tǒng)方法(如中點(diǎn)法)離散隨機(jī)場會產(chǎn)生大量的隨機(jī)變量,導(dǎo)致高維可靠度問題,嚴(yán)重制約了定量訓(xùn)練樣本下代理模型的計算準(zhǔn)確性和效率。為此提出一種兩步降維法,使代理模型建立在低維空間中,提高可靠度計算準(zhǔn)確性的同時減少計算量。先采用第一階段技術(shù)(如KL展開)將原始的高維隨機(jī)輸入模型表示為一個低維模型。再通過第二階段方法(如分段逆回歸)將該向量映射到更低維空間中,使得代理模型的構(gòu)建只需少量的訓(xùn)練樣本。結(jié)果表明所提方法可以顯著降低離散隨機(jī)場產(chǎn)生的變量維度,在低維空間中利用較低的計算成本構(gòu)建代理模型,在保證計算準(zhǔn)確性的同時實(shí)現(xiàn)了高效邊坡可靠度分析。(5)提出了考慮空間變異性時邊坡失效模式間相關(guān)性計算方法考慮土性參數(shù)隨機(jī)場模型會引起土坡復(fù)雜的多失效模式問題,空間變異性對土坡關(guān)鍵失效模式識別及系統(tǒng)可靠度影響顯著。提出了一種評估邊坡失效模式間相關(guān)系數(shù)的新方法(NCC),為考慮參數(shù)空間變異性時多失效模式間相關(guān)性的量化提供了一個有效的分析工具。基于NCC與Pearson相關(guān)系數(shù),采用概率網(wǎng)絡(luò)評估技術(shù)和風(fēng)險聚類法,研究了土體參數(shù)空間變性對代表性失效模式和系統(tǒng)失效概率及其上下界的影響。結(jié)果表明:相比于傳統(tǒng)近似相關(guān)系數(shù),NCC和Pearson相關(guān)系數(shù)能夠有效考慮參數(shù)空間變異性對失效模式間相關(guān)性的影響。土體參數(shù)空間變異性增強(qiáng)時,識別的代表性失效模式數(shù)目逐漸增大,邊坡失效機(jī)制更加復(fù)雜,系統(tǒng)失效概率逐漸減小。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU43
【圖文】：

接著從結(jié)構(gòu)和思路上介紹本文的技術(shù)路線。逡逑１．３．１研究目標(biāo)逡逑如圖１－１所示，本文的研究目標(biāo)重點(diǎn)在于要解決以下科學(xué)問題或技術(shù)難點(diǎn)：逡逑科學(xué)問題一：融合多源勘察信息的土性參數(shù)二維隨機(jī)場模型表征逡逑（１）

圖１－２全文總體技術(shù)路線及框架逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2725768