考虑地层变异和参数空间变异的浅基础承载力可靠度分析

考虑地层变异和参数空间变异的浅基础承载力可靠度分析

刘珍平1  白孟起2  杨佳树1  成冬2

1.重庆市铁路(集团)有限公司 重庆 400000 2.中建铁路投资建设集团有限公司 重庆 400000

摘要：在土木工程中，地基基础的可靠度是评估工程安全性的重要指标。在实际工程中，地层的物理力学性质以及土木工程中使用的各种参数都存在空间变异性。这种变异性对地基基础的可靠度有着重要影响，因此需要考虑地层和参数变异进行可靠度分析。本文研究了地层变异和参数空间变异对浅基础承载力可靠度的影响。通过综合运用地质勘察、数理统计和数值模拟技术，建立了考虑这两种变异性的可靠度分析模型。该模型为工程设计提供了更准确、全面的评估方法，并有助于降低工程风险。

关键词：地层变异；参数空间变异；浅基础；承载力；可靠度分析

引言

浅基础作为土木工程中的常用基础类型，对于建筑物的整体稳定性和安全性起着至关重要的作用。然而，在实际施工过程中，地层的不均匀性是一个不可忽视的因素。这种不均匀性会导致地基承载力的变异，进而影响整个建筑物的稳定性和安全性。除此之外，参数的不确定性也是导致承载力变异的重要原因。为了确保工程能够在各种不确定性因素下保持稳定，并兼顾经济性，对浅基础承载力进行可靠度分析显得尤为重要，能够为工程师提供更准确的数据和设计建议，从而确保工程的安全性和经济效益。

1 地层变异与参数空间变异性

1.1 地层变异

地层变异是地质工程领域不可忽视的现象。在广袤的地球表面之下，地层是由长时间的地质作用所形成的，这些地层隐藏了地球的历史，同时也决定了工程建设的基础条件。地层的物理力学性质，如密度、孔隙率、渗透率、抗压强度等，是决定其上建筑物安全稳定的关键因素。然而，这些物理力学性质并不是均匀分布的。在空间上，它们会展现出明显的变化。这种变化，即地层变异，可能是由多种因素造成的。地层的成因是其中之一。例如，由火山喷发形成的火成岩与由沉积物紧实形成的沉积岩，其物理性质大相径庭。此外，沉积环境也是一个重要原因。在湖泊、河流、海洋等不同的沉积环境中，所形成的沉积岩性质各有特色。再者，地层的胶结程度也会影响其物理性质。胶结良好的地层，其强度和稳定性都较高，而胶结差的地层则相反。不同地层的成因、沉积环境、胶结程度等因素都会导致地层性质的变化，进而影响地基的可靠度。

1.2 参数空间变异性

在土木工程中，为了更准确地模拟和预测工程的性能，工程师们会使用大量的参数。这些参数包括但不限于弹性模量、泊松比、抗剪强度等。它们是用来描述材料性质、界定设计范围、验证工程安全性的关键指标。但在实际工程中，这些参数并不是恒定不变的。它们会在空间上展现出变异性，这就是所谓的参数空间变异性。这种变异性可能来源于多种原因：材料的非均质性、测量误差、样本数量不足等。这些参数的变异性会直接影响结构分析和设计的准确性，进而影响工程的可靠度。

为了更准确地描述这两种变异性，概率论和数理统计方法被引入土木工程领域。通过这些方法，可以定量地描述地层和参数的不确定性，进而评估其对浅基础承载力的影响。

2 考虑地层和参数变异的可靠度分析模型

为了综合考虑地层和参数变异对地基基础可靠度的影响，可以建立相应的可靠度分析模型。该模型应包括以下几个关键步骤：

2.1 地层变异性建模

通过地质勘察和地质统计等方法，我们能够获取研究区域的地层详细信息。这些信息包括了地层的岩性、厚度、密度以及各种物理力学性质等。基于这些数据，我们可以利用随机模型技术建立地层的随机模型。这个模型不仅能够描述地层的空间分布特征，还能够反映地层物理力学性质的空间变化情况。这样的模型可以为后续的地基基础可靠度分析提供更加准确的地层输入，从而提高分析结果的可靠性和精度。因此，建立地层的随机模型是地基基础可靠度分析中不可或缺的一步。

2.2 参数变异性建模

在土木工程中，各种参数的准确性对工程设计和施工至关重要。为了更好的描述这些参数的不确定性，我们可以根据其概率分布函数进行建模。这意味着，需要通过实验室试验、现场测试等手段，全面获取这些参数的变化特征，如均值、标准差等统计指标。这些信息将有助于我们精确确定参数的概率分布函数，进而在工程设计和施工中更准确地考虑参数变异性。这样的方法将提高土木工程的可靠性，减少由参数不确定性带来的风险。

2.3 可靠度分析方法

在建立地层和参数变异性模型之后，具备了进行可靠度分析的基础。这时，概率论和数理统计方法将发挥巨大作用，它们与数值模拟技术相结合，使得能够对地基基础的可靠度进行精确评估。一次二阶矩法、响应面法、蒙特卡罗模拟等方法，在这个过程中扮演着重要角色。这些方法通过对大量样本进行模拟和分析，能够高效且准确地评估地基基础的可靠度。它们的运用，不仅提升了工程设计的精准性，也为工程的安全性提供了有力保障。

3 实例分析与验证

为了进一步验证所建立的可靠度分析模型的准确性和实用性，我们选择了位于复杂地质区域的某一具有代表性的工程场地进行实例分析。该场地具有明显的地层变异和参数空间变异性，因此对于验证模型的有效性具有重要意义。

3.1 数据收集与处理

在开始实例分析之前，进行了详细的地质勘察，并收集了大量的地层数据和参数测试结果。这些数据包括地层类型、厚度、物理力学性质等，以及土性参数、材料参数等。为了确保数据的准确性和可靠性，我们采用了先进的测量设备和标准的测试方法。同时，对数据进行预处理和统计分析，以提取关键特征和变异性参数。

3.2 可靠度分析过程

在获得地质勘察数据和参数测试结果后，运用所建立的可靠度分析模型进行实例分析。首先，根据地层数据建立地层的随机模型，考虑地层物理力学性质的空间分布情况。然后，结合参数测试结果，建立参数的随机模型，反映参数的变异性特征。接下来，采用适当的数值模拟技术，如有限元方法或有限差分方法，对浅基础的承载力进行模拟计算。通过大量样本的模拟和分析，我们可以获取承载力的概率分布，进而评估浅基础的可靠度。

3.3 与传统方法的对比

为了验证所建立的可靠度分析模型的优越性，同时采用了传统的确定性分析方法进行对比分析。传统方法通常基于经验公式和平均值参数进行计算，忽略了地层变异和参数空间变异性的影响。通过对比分析，我们发现考虑地层变异和参数空间变异的可靠度分析模型更能准确反映实际情况。传统方法往往无法全面考虑不确定因素，导致评估结果偏于乐观或悲观。而所建立的模型能够更好地量化变异性对承载力的影响，提供更全面的安全评估。

3.4 结果讨论

通过实例分析，验证了所建立的可靠度分析模型的有效性和准确性。该模型能够综合考虑地层变异和参数空间变异性对浅基础承载力可靠度的影响，为工程设计提供更准确、全面的评估方法。这种方法的应用将有助于降低工程风险，提高设计的安全性和经济性。

4 结论

本文通过综合考虑地层变异和参数空间变异，建立了浅基础承载力可靠度分析模型。通过实例验证，证明了该模型的有效性和准确性。该模型能够更全面地评估浅基础的可靠性，为工程设计提供更准确的数据支持。展望未来，可以进一步研究不同地层类型和不同参数对浅基础承载力可靠度的影响，完善分析模型，并应用于实际工程中，以提高设计的安全性和经济性。同时，随着大数据和人工智能等技术的不断发展，有望更精确地模拟和预测地层和参数的变异性，进一步推动土木工程领域的发展和进步。

参考文献

[1]张东明, 代鉷锋, 王慧, 等. 考虑地层变异的浅基础承载力分析[J]. 地下空间与工程学报, 2020, 16(5): 1412-1419.

[2]张晋彰, 黄宏伟, 张东明, 等. 考虑参数空间变异性的隧道结构变形分析简化方法[J]. 岩土工程学报, 2022,44(1):134-143.

[3]张东明,代鉷锋,王慧等.考虑地层变异的浅基础承载力分析[J].地下空间与工程学报,2020,16(05):1412-1419.