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原文传递隧道工程稳定可靠度计算分析方法研究

论文题名：	隧道工程稳定可靠度计算分析方法研究
关键词：	隧道工程;可靠度评价;计算方法;功能函数;不确定因素;描述方式
摘要：	隧道稳定可靠度评价一直是隧道工程领域所面临的重大问题之一。在此评价过程中，作为可靠度理论不可或缺的组成部分，以及实施可靠性优化设计与风险预测的必要环节，隧道稳定可靠度计算分析方法研究具有至关重要的地位，其计算结果合理性与准确性不仅直接关系到隧道工程安全可靠程度，而且也将对其相应工程决策产生重大影响。为此，本文将在考虑隧道自身具备的有关工程特性基础上，针对其可靠度计算过程中功能函数的构建与不确定因素的描述方式这两个关键性问题，分别从概率与非概率角度对隧道稳定可靠度计算分析方法与理论开展研究，进而在隧道工程中进行应用。　　首先，基于概率可靠度方法，在构建功能函数过程中，针对目前隧道隐式功能函数可靠度计算存在的问题，以常见的锚喷支护为例，依据围岩与支护结构之间相互作用机理，通过采用围岩剪切滑移理论、薄壁圆筒公式以及锚杆与围岩共同变形理论建立了相应的结构功能函数，并在一次二阶矩理论框架内，引入了差分方法替代功能函数偏导运算。在此基础上，通过Taylor级数展开将上述功能函数转化为以可靠指标为未知变量的形式，同时结合复合函数求导法则推导出可靠指标迭代逼近求解公式，进而建立了一种适用于隧道工程隐式功能函数可靠度求解的简便实用方法。　　其次，鉴于隧道工程领域隐式功能函数的复杂性特征，在上章分析方法基础上，对其仍存在的问题通过引入响应面函数建模思路开展相应研究。基于围岩变形判别准则的功能函数，分析了经典二次响应面法试验点选取方式，由统计矩与随机参数分布概型之间关系，并根据随机参数不同分布形式的隧道实际工程特性，指出经典二次响应面法取样方式存在无法反映各参数分布曲线实际特征，而仅适用于其为对称形态的缺陷。由此引入Rosenblueth方法来考虑偏度系数对随机参数分布特征影响，进而采用偏度纠正系数对之实施偏度矫正，据此形成的响应面法能适用于隧道实际工程中随机参数分布形式的多样性特征。工程算例结果表明该方法能使计算结果精度得到较大改善和提高。　　再次，针对以序列响应面技术为主要代表的经典二次响应面法继续进行深入探讨。通过进一步结合隧道工程中参数耦合作用关系（即因素间相互作用），以及各参数对隧道稳定性能不同重要影响程度的实际工程特性，从序列响应面法自身前提条件存在问题入手，提出采用包含交叉项的完全二次函数形式以考虑参数耦合作用，同时，引入回归正交组合试验设计手段，并结合显著性检验原理，探讨了各参数对隧道稳定性能影响程度的判别方法，形成了具有识别参数重要程度的响应面模型优化技术。然后，根据各参数之实际变化范围由可靠指标几何意义求解可靠指标，建立了更具工程合理性的隧道隐式功能函数二次响应面可靠度计算方法。工程实例分析验证了该方法的有效性与合理性。　　为进一步在隧道工程领域探讨利用响应面函数建模手段处理隐式功能函数可靠度问题时的适用性，依据其自身稳定性力学状态高度复杂的基本工程特性，综合考虑了函数表达关系与取样方式。在响应面函数具体表达关系上，针对二次多项式及现有其它函数形式局限性，引入了理论上更趋严谨、对复杂非线性问题处理更有效的支持向量机回归方法;对于试验样本点选取方式，采用对复杂非线性模型估计适应能力更强、计算效率更高的均匀设计试验方法。上述两者结合形成了一种更趋完善的隧道可靠度响应面技术，拓宽了其解决隧道复杂隐式功能函数可靠度问题的工程适用范围。通过举例分析与验证展示了该方法的正确性与工程参考价值。　　最后，在以上概率方法基础上，为更进一步丰富和完善隧道稳定可靠度计算分析方法，针对该领域不确定性数据匮乏、不易获得不确定性因素足够信息而导致概率方法求解之先决条件无法满足的实际状况，基于不确定因素集合描述方式，从非概率评判角度对隧道可靠度分析方法开展研究。通过引进鲁棒可靠性思想，采用Information-Gap(Info-Gap)鲁棒性理论将隧道响应输出模型中不确定参量以Info-Gap集合模型来描述，并基于稳定性力学模式，由输出模型响应值与临界值之间关系构建鲁棒函数，据此将隧道发生失效前可容许不确定参量之最大波动幅度值定义为鲁棒可靠指标，进而建立了新的基于Info-Gap鲁棒性分析模型的隧道非概率可靠度评价体系。通过实例分析与讨论，表明了该模型具有较强的可行性及一定的工程应用前景。
作者：	李翔
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：	2012
正文语种：	中文