區(qū)域性軟土土性參數(shù)隨機場模型與隨機固結沉降的研究與應用.pdf

1、巖士工程面臨著大量的不確定性，如何在設計過程中考慮這些不確定性是工程師面臨的重要問題之一。傳統(tǒng)方法主要依賴于安全系數(shù)，這是沒有更好選擇下的無奈之舉?；诳煽啃岳砟畹脑O計方法理應成為考慮巖土工程中不確定性問題的首選方法，然而在研究過程中卻遇到了似乎難以逾越的困難。主要原因是統(tǒng)計所得土性參數(shù)變異性過大，從而導致計算所得可靠度指標過小，即便對已經(jīng)證明是安全穩(wěn)定的工程也是如此。造成這種理論與實際情況背離的根本原因有二：①現(xiàn)有統(tǒng)計方法無法體現(xiàn)巖土

2、參數(shù)的自相關性特點；②土性參數(shù)的測試值大多代表空間土體的點特性，而土的工程特性卻依賴于空間土體的平均特性，現(xiàn)有分析手段無法調(diào)和二者之間的矛盾。
　　 鑒于此，本文依托國家自然科學基金項目（No.50478072），將隨機場理論引入巖土工程的概率分析中。首先進行軟土地區(qū)區(qū)域性土性參數(shù)隨機場模型的研究，通過土性參數(shù)變異性、自相關性和概率分布形式的統(tǒng)計分析，實現(xiàn)建立區(qū)域性軟土土性參數(shù)隨機場模型的目標。然后在此基礎上，針對軟土地區(qū)工程實

3、踐中經(jīng)常會遇到的固結變形問題，通過隨機場的局部平均理論建立參數(shù)點特性和空間平均特性之間的橋梁，進而研究有關地基固結變形問題的概率反映特性和可靠性分析方法。取得的關鍵性成果如下：
　　 1.針對傳統(tǒng)隨機變量理論建模土性參數(shù)的不足，論證了隨機場理論建立土層剖面模型的優(yōu)越性，即：它可以通過空間位置坐標的函數(shù)，有效地區(qū)分反映結構性的趨勢分量和體現(xiàn)隨機性的波動分量，更加精確地抽象土性參數(shù)的空間變異性特征。
　　 2.研究發(fā)現(xiàn)：以土

4、性參數(shù)為基礎建立隨機場模型，反映結構性的趨勢分量一般在試驗室物理性質(zhì)指標參數(shù)中并不明顯存在，而在反映強度和變形的各指標中明顯存在，且形式不一，線性居多，但也不乏高次，實際分析中根據(jù)具體情況可以采用最小二乘法進行回歸分析。并且，不同的趨勢函數(shù)形式對土性參數(shù)變異性的統(tǒng)計結果影響比較顯著。
　　 3.對比了各種變異性統(tǒng)計方法的理論基礎和優(yōu)越性，發(fā)現(xiàn)基于隨機場理論的統(tǒng)計方法明顯優(yōu)于基于隨機變量的統(tǒng)計方法，因為前者能夠有效地去除趨勢分量的

5、影響，得到較為可靠的變異性統(tǒng)計結果。
　　 4.對江蘇地區(qū)兩種典型軟土（蘇中湖相軟土和連云港海相軟土）的土性參數(shù)變異性特征和大小進行了系統(tǒng)地統(tǒng)計分析，結果表明：由于試驗室物理性質(zhì)指標不存在明顯的趨勢分量，可以用傳統(tǒng)的方法進行統(tǒng)計，且統(tǒng)計變異系數(shù)較?。幌啾容^而言，試驗室測得的變形和強度參數(shù)由于一般都存在明顯的趨勢分量，建議用基于隨機場理論的變異性統(tǒng)計方法進行統(tǒng)計，且統(tǒng)計變異系數(shù)較大。
　　 5.對相關距離的各種計算方法進行

6、了對比分析和優(yōu)化研究，探討了土性參數(shù)相關距離的各種性狀。基于原位靜力觸探數(shù)據(jù)，對江蘇地區(qū)兩種典型軟土的豎直向和水平向相關距離進行了統(tǒng)計，分析了各自的特點和產(chǎn)生這些特點的原因，并對豎直向和水平向的相關距離進行了對比評價。
　　 6.論證了中心極限分布系列描述土性參數(shù)的合理性，對比了隸屬于中心極限分布系列的正態(tài)、對數(shù)正態(tài)分布的各種特性，提出了在二者之間如何選擇的標準。除此之外，還論證了泊松比更適合建模為Beta分布的事實。
　

7、　 7.利用隨機場的局部平均理論，結合目前基礎設計中主流的沉降計算方法（分層總和法），推導了能夠反映土性參數(shù)空間變化特性的基礎沉降表達式；在假定自相關函數(shù)的條件下，利用5點Gauss積分，實現(xiàn)了基礎沉降概率反映特性的一次二階矩分析，提出了基礎沉降的概率預報方法及給定沉降控制標準下的可靠性分析步驟。
　　 8.用對數(shù)正態(tài)分布的空間隨機場對土體固結系數(shù)cv進行模擬，通過5000次的Monte-Carlo模擬計算，對地基土的一維概率

8、固結特性進行了分析。提出了不同時刻平均固結度和超靜孔壓標準差的近似計算公式；同時，還通過不同相關距離對變異系數(shù)的影響分析，給出了不同情況下方差折減系數(shù)的有效計算方法。
　　 9.從精度、效率和實用方便性的角度對隨機場的各種計算機模擬方法進行了評價，指出了局部平均細分法適合于巖土工程領域應用的優(yōu)越性所在，分析了離散尺寸和相關距離對模擬結果的影響，開發(fā)了成層地基的隨機場分層模擬方法，并用一工程實例，展示了隨機場的計算機模擬在基礎概率