王西寧 吳志剛

1 概述

可靠度是對可靠性的定量描述,其定義為“在規(guī)定的時(shí)間內(nèi),在規(guī)定的條件下,完成預(yù)定功能的概率”。巖土工程是可靠性理論應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域,在1956年,卡薩格蘭特提出了土工和基礎(chǔ)工程中的計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)的問題,20世紀(jì)60年代,G.G.Meyerhof,E.H.Vanmarcke,吳天行,鄧漢忠等發(fā)表了一系列論著,奠定了土工可靠度方法的基礎(chǔ)。

我國巖土工程可靠度研究晚于西方發(fā)達(dá)國家,1981年美國俄亥俄州州立大學(xué)教授吳天行來華講學(xué),首次將巖土概率方法介紹到中國。1989年建設(shè)部下達(dá)了以長江科學(xué)院和同濟(jì)大學(xué)為主,進(jìn)行“巖土工程可靠度可行性研究”聯(lián)合公關(guān),將隨機(jī)場理論引進(jìn)巖土可靠度研究,并從應(yīng)用基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)嵱醚芯?。此?我國不同學(xué)者應(yīng)用可靠性理論在巖土工程各個(gè)領(lǐng)域分別發(fā)表了不少有價(jià)值的文章。近年來,隨機(jī)有限元和蒙特卡洛模擬在土力學(xué)的應(yīng)用得到重視。

2 巖土工程的不確定性

巖土工程的不確定性主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:1)巖土體結(jié)構(gòu)的不確定性。2)巖土參數(shù)的不確定性。3)裂隙水和孔隙水壓力的多變性。4)外加荷載大小和分布的不確定性。5)計(jì)算模式的不確定性。

3 巖土工程中可靠性分析的特點(diǎn)

3.1 極限狀態(tài)含義

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極限狀態(tài)包括承載能力和正常使用極限狀態(tài)兩類,而地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的承載力極限狀態(tài),既包含了地基整體失穩(wěn)所引起的狹義上的承載能力極限狀態(tài),也包含由于巖土的位移、局部破壞或者變形過大而導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞,即變形的極限狀態(tài)也會引起承載力的極限狀態(tài),二者不是完全獨(dú)立的。

3.2 極限狀態(tài)方程的非線形

巖土的本構(gòu)模型多種多樣,具有高度的非線形,在不同的應(yīng)力水平下,巖土?xí)憩F(xiàn)出不同的變形特性。相應(yīng)的極限狀態(tài)方程也可能是非線形的。

3.3 土性指標(biāo)的相關(guān)性

描述巖土性質(zhì)的指標(biāo)具有相關(guān)性,既有不同指標(biāo)間的互相關(guān)性,也有兩個(gè)隨機(jī)場的隨機(jī)變量之間的相關(guān)性,既有同一指標(biāo)的自相關(guān)特性,也有同一隨機(jī)場不同位置處的兩個(gè)隨機(jī)變量之間的相關(guān)性?？紤]土性的互相性時(shí),作為隨機(jī)變量的某一土性概率特征參數(shù),不僅有均值和方差,還有自相關(guān)函數(shù)。

3.4 失效演算原則

在結(jié)構(gòu)分析中的失效演算是對構(gòu)件進(jìn)行的,對于一個(gè)構(gòu)件的截面,計(jì)算模型比較簡單,計(jì)算條件也比較明確。但對于巖土工程來說,卻是對整個(gè)工程范圍進(jìn)行整體演算,不論是穩(wěn)定問題或是變形問題,求解的是整個(gè)地基或整個(gè)工程的影響范圍的綜合反映,它可能是一個(gè)大范圍的連續(xù)體甚至半無限體,而不是演算孤立的幾個(gè)截面。在結(jié)構(gòu)中常提及的構(gòu)件可靠度與體系可靠度的概念,在巖土或地基中比較含糊,它可能是指從一處破壞擴(kuò)展至另一處的逐漸破壞問題,也可能是指滑動體各條塊間的應(yīng)力傳遞而引起的整體穩(wěn)定問題。不難看出,這樣的演算不論從計(jì)算模型還是涉及的參數(shù)方面都比截面演算復(fù)雜的多。

3.5 工程規(guī)模

在結(jié)構(gòu)計(jì)算中,演算的截面尺寸與材料試樣大小相比,差別不是很大,但在巖土或地基基礎(chǔ)工程中其尺寸或研究范圍一般均較大。這就引起了兩方面的問題:1)室內(nèi)小尺寸的試件如何代表實(shí)際工程的性狀,因?yàn)檠芯糠秶捏w積與試樣比非常大;2)由于研究的范圍大,決定巖土工程性狀的因素不僅是巖土特性,也是決定于一定空間范圍的平均巖土特性,即空間平均特性,這是結(jié)構(gòu)與巖土工程在可靠度分析中最基本的區(qū)別。

4 可靠度在巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范中的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代之前,各個(gè)行業(yè)各種設(shè)計(jì)規(guī)范均采用容許應(yīng)力法或單一安全系數(shù)法。隨后GB 50153-92工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布,對結(jié)構(gòu)規(guī)范和巖土規(guī)范的制定和修訂影響很大。結(jié)構(gòu)規(guī)范已經(jīng)普遍采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,巖土由于固有的復(fù)雜性和研究積累的不足,至今尚未普遍采用。

巖土工程方面的規(guī)范大體可以分為兩類:一類基本遵循《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)原則,采用概率極限狀態(tài)方法,以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá),其中現(xiàn)行的《港口工程地基規(guī)范》和上海、天津兩地的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》是地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用概率極限狀態(tài)原則最有代表性的規(guī)范。另一類仍以容許應(yīng)力法或單一安全系數(shù)法。以現(xiàn)行的《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》為代表,決大部分規(guī)范本質(zhì)仍是容許應(yīng)力法。

現(xiàn)行的決大部分巖土設(shè)計(jì)規(guī)范仍未采用概率極限狀態(tài)主要是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)方法的發(fā)展水平上,巖土與結(jié)構(gòu)差距較大,應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)?？辈鞙y試獲得的土的指標(biāo)可靠性差,不確定因素多,還需依靠經(jīng)驗(yàn)。

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