有限差分强度折减法中融合蒙特卡洛思想的边坡可靠性分析.pdf
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1、第28 卷第4 期2011 年4 月长江科学院院报J o u r n a lo fY a n g t z eR i v e rS d e n 曲cR e s e a r c hI n s t i t u t eV 0 1 2 8N o 4A p r 201l文章编号:1 0 0 1 5 4 8 5【2 0 1 1 1 0 4 0 0 3 6 0 5有限差分强度折减法中融合蒙特卡洛思想的边坡可靠性分析陈欣1。付建军2。赵海斌2。黄太平2,时凯3(1 武汉船舶职业技术学院船舶工程系,武汉4 3 0 0 5 0;2 中国水电顾问集团中南勘测设计研究院,长沙4 1 0 0 1 4;3 中国科学院武汉岩
2、土力学研究所,武汉4 3 0 0 7 1)摘要:可靠性分析是边坡工程研究的热点之一,但目前基于强度折减方法的边坡可靠度分析研究较少,文章主要是在有限差分强度折减法基础上融合蒙特卡洛思想进行边坡可靠性分析。其研究思路为:首先详细概述了边坡可靠性分析原理及边坡可靠度分析统计模型;其次,介绍了有限差分强度折减法及蒙特卡洛思想,并将蒙特卡洛思想引入边坡有限差分强度折减模型,利用F L A C 3 D 内置f i s h 语言编制了相应计算程序,使此模型数值计算得以实现;最后,对某岩体力学参数(粘聚力、内摩擦角)服从正态概率分布的简单边坡进行了安全系数计算,且对计算结果进行了统计分析、可靠性评价。其研究
3、方法将为工程岩体边坡可靠性分析提供一定参考价值。关键词:可靠性分析;强度折减法;蒙特卡洛思想;正态概率分布中图分类号:T U 4 4 3文献标识码:A1概述随着我国高铁、公路、水电站、矿山建设的迅速发展,大规模的岩体边坡工程开挖推动了我国边坡工程支护设计和施工的进步。边坡稳定性分析3J也逐渐成为众多学者研究的热点,边坡稳定分析主要包括确定性分析方法H 5o 和可靠度【6 书1 设计方法2 种。确定性分析法是在假定坡体材料参数粘聚力、内摩擦角等为一个定值的基础上,根据极限平衡法或强度折减法【9 l 叫基本步骤进行力学求解获得安全系数,接着通过分析安全系数大小来判定边坡安全状态。其缺点在于忽略了岩
4、体材料参数的随机性和变异性,采用定值的材料参数来评价边坡安全性。可靠度8 1 设计方法就是以随机事件和随机过程为对象来研究岩土工程问题,即认为岩体材料参数服从某一概率分布的前提下,以极限平衡法或强度折减法为理论基础,运用数学统计方法获得边坡安全系数的概率分布。该方法在很大程度上可以改善和弥补确定性方法的不足。在同样的设计计算模型条件下,用可靠度的设计方法代替确定性的安全系数法,必将使计算结果更符合实际。有关边坡的可靠性分析,国内外有一定探索研究,也取得了一定成果,但大部分边坡安全系数可靠性研究主要集中在极限平衡法川J,这是因为极限平衡法中安全系数可用一个线性的函数表述其与材料参数(粘聚力、内摩
5、擦角)的关系,故安全系数的概率分布也可由材料参数的概率分布线性求解。与之相反,尽管在某些方面强度折减法计算安全系数的优势大于极限平衡法,但是强度折减法可靠性分析研究仍相对较少,这是因为强度折减法计算的安全系数与边坡岩体材料参数可能不再是简单的线性关系,理论关系式推导过程也相对复杂。因此,本文主要研究基于有限差分强度折减法的边坡可靠性。2 边坡可靠性分析原理2 1 可靠性定义边坡可靠性,指在规定的条件和规定的时间内,完成预定功能的能力。为了把可靠性作为边坡工程量化指标,引入可靠度M n 3 概念,即在规定的条件下和规定的时间内,完成预定功能的概率。评价边坡可靠度是把安全系数作为随机变量,从定量化
6、的意义上讲,即在规定的条件下和规定的时间内,安全系数大于某一规定值的稳定概率,取值范围是在闭区收稿日期:2 0 1 0-0 4 3 0作者简介:陈欣(1 9 7 6 一),女,湖北武汉人,副教授,主要从事土木工程教学与研究(电话)1 3 4 0 7 1 6 2 2 2 9(电子信箱)2 6 7 1 9 4 0 2 q q C o r n。万方数据第4 期陈欣等有限差分强度折减法中融合蒙特卡洛思想的边坡可靠性分析3 7间 0,1 。2 2 边坡可靠度分析统计模型2 2 1 极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求,这一特定状态称为该功能的极限状态。如果用随机
7、向量x(五,恐,X。)表示边坡的基本随机向量,用g(X)描述边坡的状态性能,称为边坡功能函数,则边坡的工作状态可表示为Z=g(X)=g(X。,X 2,X。)。(1)式(1)把边坡工程系统分成3 种状态,即:Z=g(x)0,边坡工程处于可靠状态;Z=g(x)=0,边坡工程达到极限状态;Z=g(X)0,边坡工程处于失效状态。下面详细介绍Z=R S 的干涉理论及破坏概率。式中尺为结构构件抗力值或抗滑力,|s 为结构构件设计值或滑动力。2 2 2 干涉理论及破坏概率我们研究结构抗力值R 和结构设计值5 两个随机连续变量所构成的联合事件概率分布。依据联合分布的定义,有r r r sF(r s)=p(R
8、r,S s)=fJ 以)d r d s。o0 0 0(2)因尺和S 皆非负值,故积分下限均取作“0”。以r,s)为随机变量R 和S 的联合密度函数,若尺和S 相互独立,则八r,s)=八r)八s)。(3)概率元素八r,s)d r d s=p(r R r+d r,s S s+d s)而,一,+F(一,+)=lJ 八r,s)d r d s=l。自变量图1,(r)与f(s)干涉F i g 1,(r)a n df【s)i n t e r f e r e n c e图l 中可见,尽管结构抗力值R 的均值M,远大于结构设计值S 的均值,但因2 个随机变量的密度函数曲线有交叉,形成重叠部分即干涉区,在干涉区内
9、,既有结构抗力值大于结构设计值的可能,也有结构抗力值小于结构设计值的可能。而出现后一种情况,则边坡破坏,其破坏概率为P,=P(冠 S)。(6)由于(R S)是互逆事件,故P,_ 1 一P,一般来说,边坡工程中,破坏概率可以分别由3个等价事件的概率来表示:尸,=p (尺一s)o =p(詈 1)=p(1 n 等 1 3c 0与旦 1 3 N 时成立时,边坡处于安全状态;当旦=妒oc o1 3 与里=1 3 同时成立时,边坡处于极限状态;其它妒。情况,边坡处于失稳状态。3 有限差分强度折减法强度折减法认为在外荷载保持不变的情况下,边坡失稳破坏主要为岩体的剪切破坏。将边坡的安全系数定义为岩体自身固有抗
10、剪强度与抵御外荷载所发挥的最低抗剪强度之比,安全系数具有明显的强度储备的意义。强度折减系数法的基本步骤是将岩体参数粘聚力c 和内摩擦角9 必须同时除以一个折减系数F,得到一组新的c 和妒值,然后作为新的材料参数代人数值计算程序进行试算,当边坡处于临界状态时,也即F 再稍大一些,边坡将发生破坏,对应的F 被称为边坡的稳定性系数,此时土体即将发生剪切破坏,即计算结果是指达到临界状态时的折减系数F。强度折减法在F L A C 3 D 实现的流程见文献 1 2 。万方数据3 8长江科学院院报2 0 1 1 年4融合蒙特卡洛法思想的边坡稳定可靠性研究4 1蒙特卡洛法基本原理蒙特卡洛法又称随机模拟法或统计
11、试验法,是一种依据统计抽样理论,利用计算机研究随机变量的数值计算方法。蒙特卡洛法是从概率的角度出发求解失效概率的,它从同一母体中抽取简单子样来做抽样试验。根据简单子样的定义,若随机事件A 发生的概率p(A),在次独立试验中,事件A 发生的频率数为肘,令X。,置,x。是相互独立的随机的独立变量,1 旦由切贝雪夫大数定理可知,当足够大时,土乏鼍凡七=11_,收敛于互E(X k),而频率等收敛于p(A)。这就是蒙特卡洛法的理论基础,原理简单、概念明确。用蒙特卡洛法求解某一事件发生的概率时,需要进行大量的统计试验,通过抽样试验的方法得到该事件出现的频率。随着高速电子计算机的发展,为蒙特卡洛方法提供了强
12、有力的模拟计算工具,在工程界的应用越来越广。4 2 有限差分强度折减法中蒙特卡洛思想实现蒙特卡洛法应用到边坡工程的基本思想是先建立边坡的功能函数和极限状态方程(见式9),本文直接将强度折减安全系数只为功能函数,产生符合分布函数变量的一组随机数菇,茗:,菇。,把它带入状态函数只=g(筇。,茹:,聋。)计算状态函数的一个随机数值F,确定其在基本变量空间中属于破坏区还是安全区,即F 与1 3 的关系,当F 1 3 时,认为安全;F 1 3 时,发生破坏。如果在次模拟中M 次落在破坏区,当足够大时,此时的频率已近似于概率,得到边坡的破坏概率MP,=p(A)=等,N _+。(9)IT蒙特卡洛法不需要将岩
13、体参数的概率分布函数代入本构方程、几何方程、平衡方程进行力学推导,即无需微分、积分求解,它通过建立数学模型,进行大量简单、重复的抽样模拟试验,蒙特卡洛法最大优点在于不论极限状态方程如何复杂,只要有足够多的模拟次数,随机数序列足够大,就能得到一个相对精确的失效概率值。本文基于蒙托卡洛法基本思想,在结合有限差分强度安全系数的计算流程基础上,通过采用f l a c 3 d 内置语言f i s h 编制程序f n ,使边坡可靠度分析得以实现。详细流程见图2。图2蒙特卡洛边坡可靠性分析流程F i g 2P r o c e s so fs l o p er e l i a b i f i t ya n a
14、 l y s i su s i n gM o n t eC a r l om e t h o d5 算例分析5 1简单均质边坡模型为便于计算讨论,假定某边坡高度1 2 m,边坡坡顶至坡脚水平距离为1 0m,假定边坡岩体粘聚力c服从均值u。=3 8k P a 方差盯。=0 3 的正态分布,内摩擦角妒服从均值H=2 2 0 方差吼=0 3 的正态分布,变形模量E o=8 0 0M P a,泊松比为0 3。见图3。5 2 数值计算模型本次模拟主要任务是进行蒙特卡洛法边坡可靠性分析。因此,综合考虑计算机模拟速度及模拟计算结果精确性等各方因素,在数值模型建模过程中进行了以下细化(图3):第一,按平面应变
15、问题来考虑;第二,为了较准确获得安全系数大小,强度折减法精度控制在0 0 2;第三,边坡模型底部、左右边界、前后边界施加法向位移约束;第四,整个数值模型区域材料属性值相同;第五,为了较准确获得边坡稳定概率,模拟次数分别为2 0 0,5 0 0,10 0 0。图3 算例边坡模型F i g 3S l o p em o d e lo fc a l c u l a t i o nc a s e万方数据第4 期陈欣等有限差分强度折减法中融合蒙特卡洛思想的边坡可靠性分析3 95 3 计算结果可靠性分析数值计算的步骤为:根据粘聚力c 及内摩擦角妒概率分布特征随机产生组计算方案(c。,妒。),(C:,9:),
16、(c,妒),然后将、r 组强度参数代入有限差分强度折减法模型进行计算,各安全系数结果见图4 至图6 及表1。3 02 52 0蕙1 5l O5O1 0 01 2 51 5 01 7 52 0 02 2 5安全系数图4N=2 0 0 安全系数频率直方图F i g 4N=2 0 0f r e q u e n c yh i s t o g r a mo fs a f e t yf a c t o r s8 06 0篓4 02 00I 0 01 2 51 5 01 7 52 0 02 2 52 5 0安全系数图5N=5 0 0 安全系数频率直方图F i g 5N=5 0 0f r e q u e n
17、c yh i s t o g r a mo fs a f e t yf a c t o r s1 2 01 0 08 0慈6 04 02 0O1 0 01 2 51 5 01 7 52 0 02 2 52 5 0安全系数图6N=10 0 0 安全系数频率直方图F i g 6N=10 0 0f r e q u e n c yh i s t o g r a mo fs a f e t yf a c t o r s表1安全系数概率分析表T a b l e1P r o b a b i l i t ya n a l y s i so fs a f e t yf a c t o r s由图4 至图6 可知
18、,此算例边坡安全系数均值为1 6 9 61 1 7 0 25,破坏概率为3 8 5,不同试验次数下安全系数任近似服从正态分布。表1 显示,随着试验次数的增加,安全系数均值及破坏概率变化不大,当试验次数达到l0 0 0 时,安全系数均值及破坏概率基本不再变化。故可认为该算例边坡安全系数为1 7,破坏概率为5,该边坡稳定概率为9 5。、6结论传统上,一直以安全系数作为边坡工程稳定性的评价指标,然而,安全系数不是一个常数,而是一个由设计因素的变异性所决定的随机变量。本文在阐述边坡可靠性分析原理的基础上,提出了集强度折减、蒙特卡洛思想于一体的边坡可靠度分析方法,并利用F L A C 3 D 软件的内置
19、语言f i s h 使其在程序上得到了实现。经算例可靠性分析,验证了该方法的有效性。同时,该方法为边坡可靠性分析的理论与工程实践提供了一条新的途径,具有广泛的应用前景及一定的参考价值。参考文献:1 王云鹏,杨胜利露井联采边坡稳定性影响因素分析 J 煤炭工程,2 0 0 9,(1 2):7 5 7 8(W A N GY u n-p e n g,Y A N GS h e n g-l i A n a l y s i so nI n f l u e n c eF a c t o r so fS l o p eS t a b l i l i t yf o rS u r f a c eM i n i n
20、ga n dU n d e r g r o u n dM i n i n gC o m b i n a t i o n J C o a lE n g i n e e r i n g,2 0 0 9,(1 2):7 5 7 8(i nC h i n e s e)2 梅松华,赵海斌,刘路平拓溪水电站开关边坡变形分析 J 矿冶工程,2 0 0 7,2 7(2):5 1 0(M E IS o n g h u a,Z H A OH a l-b i n,L I UL u p i n g S l o p eD e f o r m a t i o nA n a l y-s i so fS w i t c hS
21、 t a t i o no fZ h e x iH y d r o p e w e rS t a t i o n J M i n i n ga n dM e t a l l u r g r i e a lE n g i n e e r i n g,2 0 0 7,2 7(2):5 1 0(i nC h i n e s e)3 贾厚华,贺怀建边坡稳定模糊随机可靠度分析 J 岩土力学,2 0 0 3,2 4(4):6 5 7 6 6 0(J I AH o u h u a,H EH u a i-j i a n A n a l y s i so fF u z z y-R a n d o mR e l
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