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原文传递隧道围岩与支护结构稳定可靠性分析方法研究

论文题名：	隧道围岩与支护结构稳定可靠性分析方法研究
关键词：	隧道工程;围岩结构;支护结构;稳定可靠性
摘要：	隧道工程是岩土工程的重要研究领域之一，由于隧道所处地下环境及岩土体材料成因历史等原因，决定隧道结构稳定的各类因素存在无法忽视的不确定性。而可靠度或相应的非确定性方法可以有效地考虑地层环境及岩土体物理力学参数的变异性，其概率表征指标有助于更清楚地表达地下工程的失效风险。隧道结构稳定可靠性评价一直是隧道工程领域所面临的重大理论问题之一。可靠性评价为实施地下工程可靠性优化设计提供依据，同时也是风险预测的必要环节。合理可行的可靠度计算方法是实施地下工程可靠性评价的必然途径，其计算结果的准确性与适应性不仅直接关系到地下工程的安全可靠程度，而且也将为制定合理的工程处置方案提供依据，对工程决策产生重大影响。为此，本文在考虑隧道工程不确定参数随机特征描述方法及处理的基础上，分别从概率、非概率以及两者相结合的角度对隧道工程进行不确定性分析研究。　　首先，通过两条途径构建隧道围岩与支护结构功能函数。其一，基于组合拱原理、位移变形协调原理、弹性厚壁筒理论及围岩破裂模型，建立了隧道锚喷支护结构功能函数。其二，根据现代地下结构力学的核心观点——围岩不仅是支护体系的一部分，而且是承载的主体，以Duncan-Fama地层特征描述函数为基础，结合整体式衬砌力学机制，通过收敛-约束原理，导出支护体系中围岩变形表达方程，根据工程类比方法确定承载围岩容许变形，按照变形失稳控制原则，建立围岩结构功能函数。　　其次，基于概率论模型，针对隧道功能函数高度非线性隐式特征导致常规可靠度方法无法运用这一难点，基于半解析公式的Nataf变换与八点估计法相结合，构建了仅依靠基本变量统计特征并能考虑其相关性的非线性隐式功能函数统计矩点估计法。以统计矩为约束，基于最大熵原理，导出了功能函数的概率密度函数，从而建立了复杂结构可靠度求解的一维直接积分方法，为类似隧道锚喷支护的稳定可靠度求解提供了直观、实用并满足精度的计算途径。　　为进一步拓展高度非线性泛函隐式功能函数可靠度求解方法，利用数值差分理论将具有很高精度的二次二阶矩算法进行改造，有效地解决了一次二阶矩法、二次二阶矩法等可靠度方法需要对功能函数进行偏导数求解这一难题。将此方法应用于上述第一条途径建立的功能函数模型中，为类似隧道围岩结构的高度非线性隐式功能函数的失效概率计算研制了一种直接求解方法。同时，构建了衬砌安装时机确定、揭示基本参数变异性及其相互作用对隧道结构围岩失稳概率影响的耦合效应分析途径。　　再次，针对不确定性参数信息缺乏，在非概率模型的框架内，采用区间方法来解决隧道不确定性问题。依据改进子区间法有效地解决了区间扩张，将隐式函数迭代程序与统计优化模型结合起来，得到了功能函数响应值的合理区间，研究一种隧道工程隐式功能函数非概率方法，并应用于隧道工程实际的强度设计中。　　最后，在不确定性参数信息缺乏表现出小样本特征的前提下，基于集合理论建立隧道超椭球凸集模型;在单位超球体标准向量空间内，运用区间拉丁超立方试验得到虚拟初始样本点同时代入隧道模型获得功能函数的响应值，通过Kriging代理模型拟合隧道围岩结构功能函数。依据非概率可靠性指标的几何涵义，借鉴概率可靠度指标迭代方法，基于代理功能函数求解非概率可靠性指标。根据概率可靠性模型与非概率可靠性模型的相容性，考虑非概率指标小于1时存在的问题，建立隧道工程可靠性分析的综合评价指标。
作者：	梁斌
专业：	岩土工程
导师：	苏永华
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文