了得網建築_岩土工程非確定理論研究與應用

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《岩土工程非確定理論研究與應用》可作為普通高等學校土木及水利工程專業的研究生教材，也可供其他專業人員作為岩土工程非確定理論研究與應用的參考書使用，還可供其他相關專業技術人員參考。

內容簡介

《岩土工程非確定理論研究與應用》全面繫統地闡述了岩土及水利工程中的非確定問題，建立了堤防工程風險決策與安全特性綜合評判模型，定義了邊坡體的模糊*失效概率，研究開發了邊坡工程的模糊*可靠度算法，較為全面地實現了對岩土及水利工程中非確定性問題的仿真模擬，另外，《岩土工程非確定理論研究與應用》還探討了岩土工程大區域*滲流場及防滲反濾設施的模糊*可靠度，並提出了相應的理論模型。

前言
第1章緒論
1.1 問題的提出
1.1.1 岩土類介質的工程特性
1.1.2 岩土類介質的工程環境
1.1.3 岩土工程非確定性問題的提出及研究思路
1.2 堤防繫統安全評價方法及安全模式識別概述
1.3 當前國內外關於堤防大繫統安全綜合評價的研究現狀
1.4 模糊一致理論在岩土類介質構築物大繫統綜合評價中的應用
1.5 可靠度理論概述
1.6 模糊數學理論在結構可靠度分析中的應用
1.7 當前岩土類介質構築物可靠度研究領域的一些進展
1.8 岩土類介質非確定性數值分析方法概述
1.9 本書主要內容前言

第1章緒論

1.1 問題的提出

1.1.1 岩土類介質的工程特性

1.1.2 岩土類介質的工程環境

1.1.3 岩土工程非確定性問題的提出及研究思路

1.2 堤防繫統安全評價方法及安全模式識別概述

1.3 當前國內外關於堤防大繫統安全綜合評價的研究現狀

1.4 模糊一致理論在岩土類介質構築物大繫統綜合評價中的應用

1.5 可靠度理論概述

1.6 模糊數學理論在結構可靠度分析中的應用

1.7 當前岩土類介質構築物可靠度研究領域的一些進展

1.8 岩土類介質非確定性數值分析方法概述

1.9 本書主要內容

參考文獻

第2章堤防工程風險評價體繫的研究和應用

2.1 堤防工程風險評價繫統指標體繫的構建

2.2 風險性決策技術研究

2.2.1 模糊一致理論的提出

2.2.2 模糊一致理論與層次分析法的嵌套

2.2.3 荊南長江干堤典型護岸段的繫統風險評價

2.3 堤防工程安全模式綜合評判及模式識別

2.3.1 AHP模糊綜合評判繫統結構模型的構建

2.3.2 堤身斷面安全模式綜合評判

2.3.3 典型堤身斷面安全模式識別

2.4 本章小結

參考文獻

第3章岩土工程邊坡體的模糊隨機可靠度分析

3.1 邊坡穩定分析方法的研究現狀及發展趨勢

3.1.1 基於隨機理論的可靠性分析方法

3.1.2 模糊綜合評判法

3.1.3 模糊隨機可靠度理論

3.2 岩土邊坡可靠性分析的基本原理

3.2.1 非確定性的來源

3.2.2 可靠度分析的基本方法

3.3 可靠度計算方法

3.3.1 蒙特卡羅模擬算法

3.3.2 一次二階矩算法

3.3.3 岩土體構築物邊坡繫統可靠度分析方法

3.4 構築物的模糊隨機可靠度分析

3.4.1 模糊概率的定義

3.4.2 構築物可靠度分析中模糊性的來源

3.4.3 模糊隨機可靠度的提出

3.4.4 模糊隨機可靠度的算法

3.5 邊坡穩定的模糊隨機可靠度分析及參數的敏感性分析

3.5.1 滑動失效模式的模糊隨機算法的建立

3.5.2 邊坡體滲透破壞失效模式的模糊隨機算法的建立

3.5.3 荊南長江干堤堤身邊坡體滑動破壞失效模式下隨機參數敏感性分析

3.5.4 邊坡體滲透破壞失效模式下隨機參數敏感性分析

3.5.5 堤身邊坡滑動與滲透破壞聯合的模糊隨機可靠度

3.6 本章小結

參考文獻

第4章岩土工程滲流科學的非確定模擬方法

4.1 滲流數值模型的分類

4.2 基於差分數值方法的二維定常承壓流確定性滲流模型的建立

4.2.1 基本控制方程及邊界條件

4.2.2 數值模型的適定性

4.2.3 二維定常承壓流的廣義差分方程表達及差分格式

4.2.4 邊界條件的處理

4.3 基於差分數值方法的二維定常承壓流隨機滲流模型的建立

4.4 二維定常承壓流確定與隨機模型的幾個應用實例

4.5 防滲反濾設施的模糊可靠度

4.5.1 防滲反濾設施設計當中的隨機性及隨機模型

4.5.2 防滲反濾設施設計當中的模糊隨機性及模糊可靠度模型

4.6 本章小結

參考文獻

第5章研究結論

附錄A 數值計算程序源代碼

附錄B 附圖

在線試讀

第1章緒論
1.1 問題的提出
1.1.1 岩土類介質的工程特性
與其他類型的介質相比。岩土類介質具有很大的非確定性。這主要是由於岩土類材料多為天然沉積形成[1]。成岩年代久遠。難以詳細了解和掌握形成機理、特性參數分布及空間上的結構狀態。這一類材料與其他類型材料 (如各種人工合成材料 )相比具有較大的變異性[2]。其工程特性具有明顯的非確定性 ———隨機性。
此外。在對岩土類介質進行模擬與仿真分析過程中。需要對各種性態復雜的岩土類材料建立相應的本構。甚至是廣義本構計算模型。而這些模型本身對於參數的定義也具有很大的非確定性[3]。天然材料的固有離散性導致各類工程量值的主觀外延具有不同程度的非確定擾動特征[4 ～13]。這種非確定性有別於前述的隨機性。主要表現為對於參數外延的不明確性[14] ———模糊性。
岩土類介質多為三相繫介質。表現為多孔的固相介質與空隙中的氣、液相介質。本書主要涉及固、液兩相介質。
1.1.2 岩土類介質的工程環境
本書所涉及的研究對像是在自然環境下運行的構築物。其工程運行環境同樣
具有某些非確定性。針對不同的非確定性也有不同的分析手段。可扼要地歸結為如下幾個方面[15 ～19] :
(1)隨機性。造成這類非確定性的主要原因包括試驗分析帶來的非確定性以及統計分析帶來的非確定性。表現為事件發生條件不充分。條件與結果之間沒有必然的因果關繫。事件的生成與否表現出不確定性。處理此類非確定性要借助於概率、統計、隨機過程等手段。
(2)模糊性。造成這類非確定性的主要原因包括對像完整信息的不可預知性、確定外延所需的內涵具有互悖性。表現為研究對像外延不明確。即一個對像是否符合既定概念是難以確定的。一個集合或者一個域到底包含哪些對像也無法確定。表現為客觀對像差異中間過度中的不分明性。考慮此類非確定性要借助於模糊數學中的概念。
(3)非確知性[20]。此類非確定性主要是由知識的不完善性造成的。目前還沒有很成熟的數學方法。工程中常借助於專家經驗對這種非確定性進行評估、引入經驗繫數等手段。目前的做法是將此對像用顏色描述為三類問題 :白色繫統、黑色繫統和灰色繫統。
本書中主要涉及前兩種非確定性。第1章緒論

1.1 問題的提出

1.1.1 岩土類介質的工程特性

與其他類型的介質相比。岩土類介質具有很大的非確定性。這主要是由於岩土類材料多為天然沉積形成[1]。成岩年代久遠。難以詳細了解和掌握形成機理、特性參數分布及空間上的結構狀態。這一類材料與其他類型材料 (如各種人工合成材料 )相比具有較大的變異性[2]。其工程特性具有明顯的非確定性 ———隨機性。

此外。在對岩土類介質進行模擬與仿真分析過程中。需要對各種性態復雜的岩土類材料建立相應的本構。甚至是廣義本構計算模型。而這些模型本身對於參數的定義也具有很大的非確定性[3]。天然材料的固有離散性導致各類工程量值的主觀外延具有不同程度的非確定擾動特征[4 ～13]。這種非確定性有別於前述的隨機性。主要表現為對於參數外延的不明確性[14] ———模糊性。

岩土類介質多為三相繫介質。表現為多孔的固相介質與空隙中的氣、液相介質。本書主要涉及固、液兩相介質。

1.1.2 岩土類介質的工程環境

本書所涉及的研究對像是在自然環境下運行的構築物。其工程運行環境同樣

具有某些非確定性。針對不同的非確定性也有不同的分析手段。可扼要地歸結為如下幾個方面[15 ～19] :

(1)隨機性。造成這類非確定性的主要原因包括試驗分析帶來的非確定性以及統計分析帶來的非確定性。表現為事件發生條件不充分。條件與結果之間沒有必然的因果關繫。事件的生成與否表現出不確定性。處理此類非確定性要借助於概率、統計、隨機過程等手段。

(2)模糊性。造成這類非確定性的主要原因包括對像完整信息的不可預知性、確定外延所需的內涵具有互悖性。表現為研究對像外延不明確。即一個對像是否符合既定概念是難以確定的。一個集合或者一個域到底包含哪些對像也無法確定。表現為客觀對像差異中間過度中的不分明性。考慮此類非確定性要借助於模糊數學中的概念。

(3)非確知性[20]。此類非確定性主要是由知識的不完善性造成的。目前還沒有很成熟的數學方法。工程中常借助於專家經驗對這種非確定性進行評估、引入經驗繫數等手段。目前的做法是將此對像用顏色描述為三類問題 :白色繫統、黑色繫統和灰色繫統。

本書中主要涉及前兩種非確定性。

1.1.3 岩土工程非確定性問題的提出及研究思路

從上述內容可以看出。在岩土工程領域。諸多非確定性是客觀存在的。而且對分析結果有較大的影響。然而。長期以來由於受客觀條件和認識水平所限。這一領域一直是由各種確定性理論所支配。以致在觸及某些層次性和動態性較為明顯、涉及因素復雜的問題時。無法合理地統籌各類因素。使得結論越加含混不準確[21]。

在處理岩土類介質構築物的可靠度問題時。確定性理論的弊端尤為明顯。早被用來進行結構安全分析的是所謂的允許應力法 ———按照規範取得相應的安全繫數。若應力與允許應力的比值不大於規範給出的安全繫數即認為是安全的。可以看出。在這類確定性分析方法中。大量的信息被簡單的、經驗性規範所忽略。有失客觀。例如。在邊坡穩定方面。通過一些岸坡穩定的研究實例發現。盡管計算的安全繫數大於1。但斜坡仍然受到破壞。要將這些自然界的信息較為全面地反映出來就必須要借助於某些數學手段[22 ～24]。岩土工程構築物及結構物的許多物理力學量值外延定義並不明確。特征之本質不同於概率分布。其刻畫物理力學場量的發育、演化程度的模糊性。由於這一特征和傳統的工程力學概念區別較大。在工程中不甚普及。但又客觀上影響、控制著岩土工程構築物及結構物的安全狀態[25 ～28]。在堤防滲流分析方面。滲流場受到許多隨機因素的制約和影響。如模型中各種參數的不確定性、模型定解條件 (初始條件和邊界條件 )中包含的不確定性等。這些非確定性導致模型的解 (水頭 )是有一定概率分布的隨機函數。而傳統的分析手段忽略了這些客觀工程結構的物理特性[29 ～31]。堤防等填築工程在施工過程中的隨機性及隨機演變使構築物的工作性態具有顯著的非確定性。故此采用可靠指標、失效概率進行研究比之傳統的應力應變分析更為直接。且易於給出簡單明了的工程結果[32 ～35]。首先用來作為可靠度分析的理論以概率、統計理論為基礎。這類方法將結構失效定義為某些隨機變量的函數。而結構失效就是一個隨機事件[36。37]。將結構的可靠度問題看成一個隨機事件是比較大的進步。但還應當注意到。可靠度問題不僅具有前述的隨機性。在很大程度上還具有模糊性[38 ～40]。在這種岩土類兩相介質構築物的可靠性問題中。模糊性是一種更為深刻、更為普遍的不確定性[41]。近年來。建築工程質量幾度下滑。工程事故屢有發生。建築物坍塌、失效的情況呈上升趨勢。甚至造成了眾多的人身傷亡。業內人士對此高度關注。並反思我國建築結構設計規範的可靠度水平是否偏低[42 ～46]。

目前。我國缺乏堤防工程在復雜環境下運行的風險分析、安全評價理論體繫以及實用模型[47]。這種現狀極大地阻礙了對汛期堤防繫統的行為進行分析並做出相應的安全性評價。使我國的防汛搶險處於一種緊急被動、消極反應的局面。作為本書內容的一部分。如果不考慮堤防安全評價及模式識別的非確定性、不借助於相應的非確定性理論。要得出有價值的結論是比較困難的。

針對上述問題。首先。本書試圖通過模糊數學的方法將堤防這一復雜大繫統的模型較為客觀又不失靈活性地建立起來。以便取得一些具有指導意義的結論。其次。為了將岩土類介質問題中客觀存在的模糊、隨機這兩種非確定性更好地結合。並妥善地應用於實際工程的可靠度問題中。本書擬就某一具體問題運用模糊隨機理論對其進行非確定性分析。並給出相應的模糊隨機可靠度計算方法。再次。為了更好地反映兩相介質滲流場客觀存在的各種非確定性。本書將基於差分數值方法對隻考慮隨機性的滲流場做初步的分析研究。

1.2 堤防繫統安全評價方法及安全模式識別概述

繫統工程設計[48]將繫統(syste件(component)、過程(process)服務於需求目標。應用基礎科學、數學、工程科學實現資源向需求目標之間的轉換。是一種決策過程 (通常要反復進行)。

從繫統的設計過程來看。應當包括以下幾點 :目標及準則的確立、綜合、分析、實施及評價。其中的核心部分是決策及分析。

根據Nadle的繫統方法論。一個完整的設計過程應當包含以下幾點 :

(1)設計是分層次的。這是理解設計繫統的復雜程序、子繫統及其聯繫的關鍵。

(2)設計是功能性的。設計成果必須服務於有效的功能。

(3)設計意味著決策。需經過詳細評價後從多個方案中選擇一個有效的方案。

(4)設計需反復進行。要對已有的設計結論 (甚或目的、功能等 )進行協調、變化、改進。

(5)設計追求化價值。設計的目的是尋求繫統的局部。而不是繫統因子的局部行為。

具體到堤防繫統的問題。重點在於對堤防工程大繫統的安全性作出評價。由於影響因素復雜。相互間又有著千絲萬縷的聯繫。要真正實現此繫統的功能。作出穩妥的決策、評價。設計方法的合理選用顯得尤為重要。必須兼顧堤防繫統安全概念的層次性、動態性。將安全評價定量化、模型化[49]。

目前。國內外用來處理這類大繫統建模常見也有力的工具是層次分析法(analytichierarchyprocess。AHP)[50]。堤防為岩土類兩相介質構築物。在運用AHP理論建立繫統模型時所涉及的各項繫統指標中。定性、定量[51 ～55]相互混雜。對安全的定義也包含有較大的非確定性。此外。要將這些不同層次、不同地位的繫統指標聯繫起來形成一個有機的評價體繫。借助於其他的確定性手段要面臨很大的困難。在這裡引入一個目前繫統工程界較為年輕、頗具生命力的理論工具 ———模糊一致理論(fuzzyconsistencytheorem)[56]。這一理論工具對於處理模糊性較強、定性指標較多、層次性明顯的評價體繫十分有效。

繫統設計要具有功能性、目的性。上述這種安全綜合評價體繫終將以綜合優度值的形式給出評價方案。這是建立在整個大繫統之上的局部值。

在實際工程中。往往存在這樣的情況。已經有了一個可以用來作為對照的理想優模型 ———根據既往歷史得出的符合某一評價標準為的方案。需要對現有的一些待評價方案進行比照並從中選出一個相對方案。在比照過程中需要考慮的因素仍然具有前述大繫統的特征。這類問題對堤防繫統安全評價而言更具有現實意義。因為。其工程運行狀況具有不可再現性。這樣一來。歷史運行狀況便顯得珍貴。也說服力。以其作為比照對像得出的評價結論也將具有很高的置信度。這種分析手段稱為模式識別。

在模式識別過程當中。要借助於距離、貼近度[57]等數學工具的構造。本書將采用多維貼近度[18]來做識別。

1.3 當前國內外關於堤防大繫統安全綜合評價的研究現狀

目前國際上已逐漸意識到水利工程項目各組成部分之間有著緊密的關繫。水利樞紐整體安全性能與各構成建築物的運行狀況息息相關[58]。要對這樣一個巨大的繫統工程作出一個真正意義上的綜合安全性能評價。其難度是可想而知的。長期生活在碧海汪洋環抱之中的荷蘭較早地提出了擋水建築物(dike)的安全運行除了與自身工況有關外還和處於同一體繫(ring)中其他建築有關。但在文獻[59]中。更多的內容還是集中在就繫統的某一部分在考慮某一項或某幾項影響因素的條件下。建立計算、評價模型。近幾年國內也在這一領域開展了一些頗有意義的研究工作。童海鴻等[60]運用模糊綜合評判的方法對三峽庫區堤防護岸工程選址做了研究。汪華斌等[61]對清江魚洞河滑坡體繫作了一些有意義的分析研究。劉沐宇等[62]以原範例為基礎對邊坡穩定識別作了一些具有創新意義的工作。

1.4 模糊一致理論在岩土類介質構築物大繫統綜合評價中的應用

由於岩土類介質構築物大繫統涉及諸多定性指標 (它們同時還具有很大的模糊性[51]。這些指標在依附於同一大繫統的同時。在各個子繫統內又相互獨立)。在實現指標體繫的綜合時。在同一子繫統內這種綜合可以很容易地實現。但綜合以後的判斷矩陣[63]往往不再符合一致性。即AHP中的矩陣所應滿足的四個條件 :①aii=1。 ②aij=aik /ajk。 ③aij=1 /aji。 ④aij=ωi/ωj[64]。在這裡采用模糊一致理論中的三標度法首先給出模糊優先關繫矩陣B。再將其改造為模糊一致矩陣。此時其滿足一致性條件[41]

rij=ril-rj+0.5由文獻[57]可知。通過蒙特卡羅五萬次l模擬。在75%和95%的保證條件下。從實用的角度來講。改造後的判斷矩陣已經基本上滿足嚴格意義下模糊一致矩陣所應滿足的四個條件。從而可以作為一致矩陣在工程中應用。

1.5 可靠度理論概述

結構在規定的時間內與條件下完成預定功能的概率稱為結構的可靠度。這裡規定的時間指的是結構的設計基準期。如中小型擋水建築物一般規定使用期為100 ～150年。規定條件指的是設計預先確定的結構所可能要經受的各種施工和使用條件。預定功能一般指結構在使用過程中應具有的四項基本功能[65] :

(1)能承受正常施工和正常使用時可能出現的各種作用 (包括荷載、外加變形、約束變形)。

(2)在正常使用時具有良好的工作性能。

(3)在正常維護下具有足夠的耐久性能。

(4)在偶然事件 (如爆炸、車輛撞擊、超過設計烈度的地震、龍卷風等 )發生時及發生後。仍能保持必需的整體穩定性 (即結構僅產生局部的損壞而不至於發生連續倒塌)。

完成各項功能的標志則由極限狀態來衡量。結構整體或部分在超過某狀態時。結構就不能滿足設計規定的某一功能的要求。這種狀態稱為結構的極限狀態[66]。極限狀態是區分結構工作狀態為可靠或不可靠的標志。在結構設計當中。傳統的設計原則用抗力的均值R同荷載效應的均值S進行比較。當R大於S時。說明結構可靠。在考慮到了結構可靠度存在有隨機性時。即抗力、荷載效應、結構尺寸等都是一些隨機變量。所以。存在著抗力R小於荷載效應S的可能性。這種可能性的大小就用所謂的失效概率Pf來表示。設結構的隨機設計變量為X。功能函數表示為G(X)=R (X)-S (X)。當G(X) >0時。表示結構可靠。其對應的概率稱為可靠概率。用Pr表示。當G(X) <0時。

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