重力式挡土墙可靠度分析梁家华

重力式挡土墙可靠度分析梁家华

梁家华

梁家华

重庆交通大学河海学院重庆400047

摘要：本文简要的介绍了重力式挡土墙可靠度分析的研究现状，论述分析中的随机变量和挡土墙的设计理论以及在设计过程中可靠度的计算方法。提出了在地震或其他偶然作用下的可靠度分析，加强重力式挡土墙的安全性。

关键词：重力式挡土墙；可靠度；分析

0引言

重力式挡土墙[1]是以其自身重力来保持挡土墙在力的作用下的平衡和稳定的结构，是我国目前常用的一种挡土墙形式，其结构简单、施工方便，可以就地取材，因而在实际工程中应用的比较广泛。结构的可靠度是指结构在规定的时间内和在规定的条件下，完成结构事先设计时预定功能的性能，它包括了结构的适用性、安全性和耐久性三个内容，常用的计算都以概率来度量。可靠度设计是重力式挡土墙设计过程中比较复杂的问题，挡土墙的可靠性设计首先应考虑以下几个方面[2]：①具有足够抗滑移性能以保证挡土墙不会部分滑动；②具有足够抗倾覆性能以保证挡土墙不会整体倾倒；③基底具有足够承载力以保证挡土墙不会失稳而影响挡土墙的安全；④墙身具有足够的强度以保证挡土墙具有抗压、抗剪能力；⑤墙身不允许有过大的沉陷以保证结构的正常使用。本文通过对重力式挡土墙的可靠度分析的综述，希望能提供一些借鉴意义。

1.挡土墙可靠度研究现状

将可靠度理论应用于挡土墙分析与设计，最早的是挪威学者们系统地描述了之前的挡土墙定值设计方法的不足之处，然后建立了挡土墙可靠度分析的基本概念和基本方法，并对挡土墙的优化设计进行了研究。之后，外国学者又提出了新的工程设计的方法，这让以往利用安全系数的方法和现代基于概率的方法相适应，并且进行了敏感性分析，得到了更可靠的安全系数和对于相应的失效模式的失效概率，并将这种方法用于挡土墙设计。

在2008年，杜永峰[3]报道了自己的研究，同时建立了重力式挡土墙结构抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性的功能函数，并引入结构可靠度理论分析中的验算点法（JC法），分别计算了重力式挡土墙抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性的结构体系失效概率，然后得出两个可靠度指标。之后郑希涌、赖焕枫等[4]基于极限分析，针对库仑土压力理论的不足，建立相应的可靠度计算的中心点法公式，并进行参数敏感性分析，揭示了不同的参数对挡土墙稳定性可靠度指标的影响。刘燕竹、蔡海兵[5]基于模糊数学和概率统计理论，将模糊随机可靠性理论应用于挡土墙稳定性分析中，给出了模糊随机可靠性的计算方法。结合实例得出了在不同界限参数条件下的模糊可靠性指标，分析了模糊区界限参数的变化对模糊可靠性指标的影响，以及功能函数均方差对可靠性指标的影响，使挡土墙稳定性分析更为合理。

2.重力式挡土墙可靠度的分析方法

2.1重力式挡土墙可靠度分析中的随机变量

目前，国内实际工程中挡土墙的设计，利用可靠度分析时应考虑的随机变量可分为以下几类：①有关土的性能参数的随机变量，它是挡土墙设计中最重要的随机变量。；②有关外界作用荷载的变异性；③有关挡土墙结构自身的变异性

2.2重力式挡土墙可靠度计算方法

目前，可靠度计算的方法已经比较完善，对重力式挡土墙的可靠度计算已经有成型的计算公式，常用的方法有：一次二阶矩法、JC法、蒙特卡罗法（MonteCarlo）。

1）一次二阶矩法是在随机变量的概率分布不清楚的情况下，通过均值和标准差的数学基本模型去求解结构可靠度的方法。一次二阶矩法分为中心点法和验算点法。

中心点法的基本理论思想是先将非线性功能函数在随机变量的平均值（中心点）作泰勒级数展开，并保留至一次项，从而使功能函数线性化，然后近似计算功能函数的平均值和标准差。该计算比较简便，略显粗糙，与实际值差距略大。

验算点法是在中心点法的基础上发展来的。中心点法存在着三个明显的缺点：首先，以平均值作为参数展开功能函数显然不合理；其次，同样的力学概念用不同的数学表达式计算出来的结果不一定相同；最后，基本上忽略了概率分布。

2）JC法又称当量正态分布法。若基本随机变量为正态分布次则适合应用一次二阶矩验算点法。当随机变量为非正态分布时，拉克维茨和菲斯莱等人将非正态分布的基本随机变量在验算点处进行当量正态化，这样就跟验算点法的求解出来的可靠度指标差不多。该法具有两个优点：①计算概率时考虑了非正态变量的实际分布；②虽然计算量增大了，但对结构可靠指标进行近似计算的精度较为提高。

3）蒙特卡罗法（简称M-C法）是一种运用随机技巧的统计模拟法，运用大数定律这一理论是该法进行概率计算的基础。目前，在结构可靠度的多种计算方法中，它被证明是一种相对精确的计算方法。该法的优点是不仅计算方法简单，容易运用计算机编程，而且收敛速率和收敛的概率性无关问题的维数，适应性强等，从而得到广泛应用。

以上是重力式挡土墙可靠度计算所采用的最常见的计算方法。当然，有些学者也在总结和分析各种实例以及做数值分析的基础上得出了更加行之有效的方法。对重力式挡土墙进行可靠度分析是保证结构稳定性最必要的手段。通过可靠度计算方法，提高了结构设计的合理性以及使用的安全性。

3.结论

重力式挡土墙结构造价较低、施工简便、经济可靠、便于设计施工等优点，在实际工程中得到了广泛的应用。但是由于目前的理论与设计方法中没有充分考虑挡土墙和土体体系在地震或者其他偶然作用下，挡土墙和土体相互作用的复杂性，由此给结构的安全带来巨大的隐患，所以对挡土墙和土体体系进行抗震或者有其他偶然作用下的可靠度分析是非常有必要的。针对以上问题，本文提出以下建议。

1）建好的挡土墙因地震作用或者其他偶然作用使挡土墙结构承受过大的力而造成挡土墙的破坏，因此应进行地震和其他偶然作用下挡土墙动力可靠度的研究，增强结构的安全性能。

2）对随机变量进行分析的时候，一般都假定其他的参数不变，单一的分析其中一个随机变量，这样就忽略了各个变量间的相关性。所以需要找到更加合理的抗滑动、抗倾覆以及基底承载力稳定性的极限状态方程，综合分析各种随机变量之间的关系。

3）可靠度分析中一般采用随机变量表征随机不确定性，缺少了模糊不确定性的分析与计算。所以通过模糊数学理论建立功能函数来分析挡土墙稳定性，并将挡土墙的随机性和模糊性都考虑到不确定性因素中，这样就可以让可靠度计算更加趋于实际情况。

4）根据国内外研究人员对重力式挡土墙进行可靠度计算的方法总结，发展完善的计算机有限元类软件进行分析建立模型，可以大大节约数据处理以及计算的时间，以与实际工程相互验证。

参考文献：

[1].张世明，张荣坤.重力式挡土墙结构可靠度计算方法[J].东北水利水电，2012（3）：20-21.

[2].张忠桥.浅析重力式挡土墙的应用[J]．城市道桥与防洪，2012，29（4）：33-35．

[3].杜永峰.重力式挡土墙稳定性的结构体系可靠度分析[J].岩土工程学报，2008，30（3）：124-126.

[4].郑希涌，赖焕枫，张继明.基于极限分析挡土墙稳定的可靠度计算方法[J].道路工程，2011（4）：142-145.

[5].刘燕竹，蔡海兵.挡土墙稳定性模糊随机可靠性分析[J].低温建筑技术，2015，（11）：117-121.