基于贝叶斯理论的岩土体参数统计不确定性表征与可靠度分析

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岩土体存在复杂的空间变异性,这是岩土体参数模型具有不确定性的根本原因。由于岩土结构物的安全性在岩土工程中至关重要,所以岩土工程可靠度分析是非常必要的。研究表明很多岩土体参数间存在明显的相关关系,为了准确地表达岩土体参数的性质,为地勘试验数据建立岩土体参数的联合概率分布模型是十分有意义的。然而,由于经济和技术等多方面的限制,能够获得的岩土体参数试验数据很有限,基于有限的试验数据很难唯一确定岩土体参数的联合概率分布模型。因此,在有限的试验数据条件下如何量化模型选择的不确定性、提高模型选择的准确率并准确地构建岩土体参数二维分布模型是很值得研究的问题。同时,如何利用该模型对岩土工程可靠度进行准确分析也是一个值得探讨的问题。针对上述问题,本文将贝叶斯理论和Copula理论结合,应用于岩土工程可靠度领域。首先,提出了基于贝叶斯理论的二维分布模型识别方法来量化参数模型的选择不确定性;其次,在选择最优模型的基础上用贝叶斯理论量化了参数的不确定性,提出了基于贝叶斯理论的可靠度分析方法,与参数模型识别方法结合后分别应用于基桩模型和基坑开挖模型的可靠度分析问题。主要的工作和结论如下:(1)提出了基于贝叶斯理论的最优二维分布模型的识别方法,验证了贝叶斯理论在识别最优二维分布模型时的有效性。结果表明,贝叶斯理论能够有效地识别表征土体抗剪强度参数最优二维分布模型;贝叶斯非独立识别方法是表现最优的识别方法;参数的样本数目、参数间相关性、备选二维分布模型集合以及先验信息都显著影响贝叶斯理论的识别精度。(2)将贝叶斯理论应用于基桩的概率模型参数统计不确定性表征及可靠度分析,通过基桩的正常使用极限状态(SLS)可靠度分析验证了贝叶斯理论在量化基桩双曲线参数模型不确定性方面的作用。基于最优分布模型采用贝叶斯方法有效地表征了小样本概率模型的参数统计不确定性,并用一个指定置信水平的置信区间来表示基桩的失效概率。(3)将贝叶斯理论应用于基坑开挖工程,评估基坑在开挖过程中的失效概率,表征基坑开挖模型参数统计不确定性对基坑开挖失效概率的影响。结果表明,通过马尔科夫链蒙特卡洛模拟方法计算所得的基坑开挖失效概率的均值估计比传统可靠度分析方法求得的失效概率要大,传统方法求得的失效概率一定程度上低估了基坑开挖的失效风险。
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