岩土可靠性读书报告

1、可靠性理论在城市地铁隧道设计中的应用岩土工程可靠性读书报告岩土工程与其他工程学科相比有一个显著的特点：研究对象不是 人工材料而是天然材料，是大自然在漫长的地质年代中历史形成的， 它们经常随地区、种类、深度、尺寸效应、历史、地下水位变化、排 水条件甚至试验研究方法而呈现出不同的性质，因之在工程规律与研 究方法上也必然呈现出自身的特点。由于这些特点，对很多类型的岩 土工程问题，往往不能得到解析解，有时甚至列不出显式方程，所以 数值分析方法和诸如人工智能计算方法等新型自学习算法在岩土工 程设计研究中具有非常重要的地位，而数值分析的可靠离不开土的工 程性质指标的合理选用，边界条件的合理模拟，土层分布以

2、及岩体不 均匀性和合理评价。作为一类特殊的岩土工程问题，城市地铁隧道在可靠性理论的应 用上还有很长的路要走，除问题本身的复杂性外，主要跟人们的认识 和习惯有关，习惯上要克服常年做法的依赖性，认识上破除对新理论 新方法安全忧虑，事实上传统的安全系数法尽管常规定较大的安全系 数来保证安全，但基于定值法的安全系数经可靠性理论检视却会出现 可靠性指标偏低的问题，也就是不够安全的情况，这时就需要对设计 参数甚至设计理论进行检讨，循环改进直至可靠度指标满足要求。下 面以矿山法地铁隧道支护结构设计为例，探讨城市地铁隧道设计中可 靠度理论的应用情况。根据铁路隧道设计规范(TB10003 2001)，钢筋混凝土

3、矩形截面的偏心受压构件的计算公式：大偏心受压构件（x0.55颇：KNe R bx （h0 - x /2） + Rf Af （h0 - a）大偏心受压构件（x0.55h0）时：KNe 0.05 R bh 2 + R A （h0 - a）根据以上公式，对标准断面不同埋深各部位的截面安全系数列表:表不同埋深标准断面截面安全系数位置计算安全系数6.2m7.2m20m拱顶11.2010.114.67拱腰13.2412.545.54拱脚10.439.384.91墙中10.519.875.31墙脚7.596.754.32仰拱11.339.336.05大断面不同位置的截面安全系数：表支护截面安全系数位置计算安

4、全系数12.2m跨度9.1m埋深16.5m跨度7m埋深拱顶13.974.32拱腰54.794.68拱脚113.604.35墙中195.035.38墙脚243.033.38仰拱355.996.70可以看出墙脚处安全系数相对较小，而且随埋深的增加进一步减 小（实际上由于采用荷载-结构计算模型，墙脚处在支护施设前位移 没有考虑，理论上应该稍大）。但根据规范安全系数的规定：表隧道支护钢筋混凝土结构强度安全系数一一一一一一一-一_ 荷载组合破坏原因_永久荷载+可变荷载钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度1.7混凝土达到抗拉极限强度（主拉应力）2.0以上截面设计的安全系数均满足要求。对二衬的设计

5、可分为二衬独立作用和与支护复合作用两种模型 考虑，前者假设支护仅在施工阶段起作用，后者认为支护实际上要作 用一段很长的时间可以与二衬共同作用。表5-1不同模型的截面安全系数位置八一熊区间工一呼区间复合模型一衬独立作用模型复合模型一衬独立作用模型k =3k0k = 10k0k = 3k0k = 10k0拱顶12.1410.6511.748.937.928.74墙脚6.777.1411.576.245.107.49仰拱5.116.5517.277.585.5117.87可以看出，在二衬独立作用模型中，若认为地层弹性抗力系数较 大，则得到安全系数也较大，这与地层-结构模型的理论假设相一致。 若不计地

6、层弹性抗力系数则安全系数急剧下降到2以下，不满足规范 规定。这时，我们对衬砌结构设计进行可靠度分析：地层物理力学指标的统计特征地层弹性模量近似取2倍压缩模量，弹性抗力系数近似采用基床 系数。计算荷载的统计特征地层荷载地层竖直压力和水平压力按前述推荐公式计算，和计算式中按考 虑参数的变异性的随机计算方法计算，即可给出其均值和变异系数。覆土埋深覆土埋深的测量误差相对较小，取为定值。地下水压力根据地下水位统计，取其统计均值和变异系数。地面荷载在道路下方的地下结构，地面车辆及施工荷载可按20kPa的均布 荷载取值，并不计冲击压力的影响。地震荷载在衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系 数

7、法（惯性力法），即静力法。f.人防荷载地下结构在规定需要考虑战时防护的部位，作用在结构上的等效 荷载按人防规范的有关规定计算。衬砌结构材料的统计特征分析衬砌结构自重地衬砌结构自重G的概率特性与衬砌几何尺寸及材料容重Y0的 概率特性有关。衬砌几何尺寸的概率特性在地铁施工中，由于支护厚度较大，支护内轮廓规则，二次衬砌 厚度变异相对较小，计算中衬砌轴线和厚度取定值。衬砌材料的容重y0根据地面结构的统计结果，混凝土容重的分布为正态分布，其均 值为规范的标准值，变异系数为0.02。d,混凝土物理力学指标参考混凝土设计规范。e.钢筋材料统计特征参考设计规范。极限状态方程大偏心承载力的极限状态方程：1 (N

8、 - f A + f A )2=(N f A + f A )h _y s y s1y s y s 0 2bfcmh+f / (h a ) N(e + e +_ a )= 0 y s 0 s0 a 2 s大小偏心界限状态方程为：从而大偏压破坏的概率为匕3 = P(Z、 0 Z3 0)相应的可靠度指标为p= 0-1(P )小偏压破坏的概率为：P = P (Z 4.9雍和 区间拱部 仰拱 墙部4.073.58 4.9八熊 区间拱部 仰拱 墙部3.072.40 4.9陶菜 区间拱部 仰拱 墙部3.111.24 4.9崇东 区间拱部 仰拱 墙部1.95 3.68 4.9工呼 区间拱部 仰拱 墙部1.02

9、1.77 4.9菜宣 区间拱部 仰拱 墙部3.111.24 4.9刘蒲 区间拱部 仰拱 墙部2.15 3.86 4.9呼光 区间拱部 仰拱 墙部1.02 1.77 4.9宣西 区间拱部 仰拱 墙部3.61 2.09 4.9天磁 区间拱部 仰拱 墙部1.722.51 4.9花八 区间拱部 仰拱 墙部3.07 2.40 4.9西灵 区间拱部 仰拱 墙部3.742.43 4.9磁崇 区间拱部 仰拱 墙部3.28 307 2.95黄科 区间拱部 仰拱 墙部3.19 3.76 4.9新西 区间拱部 仰拱 墙部4.02 3.47 4.9科知 区间拱部 仰拱 墙部2.81 2.88 4.9西动 区间拱部 仰

10、拱 墙部3.953.17 4.9太麦 区间拱部 仰拱 墙部3.632.35 4.9动白 区间拱部 仰拱 墙部4.9 4.6 4.9知学 区间拱部 仰拱 墙部2.812.88 4.9黄中 区间拱部 仰拱 墙部3.463.35 4.9中成 区间1拱部 仰拱 墙部3.573.66 4.9中成 区间2拱部 仰拱 墙部3.231.64 4.9再进行考虑支护作用的靠靠度分析，为安全计，假设等效地层弹性抗力系数为不计支付作用地层弹性抗力系数的2倍。可以看出除个别断面的拱顶部位偏小外，可靠度指标均可令人满 意。表地铁标准断面二衬结构可靠指标（考虑支护作用）四号线五号线十号线区间 名称位置可靠指标区间 名称位置

11、可靠指标区间 名称位置可靠指标马石 区间拱部 仰拱 墙部3.603.64 4.9雍和 区间拱部 仰拱 墙部4.94.94.9八熊 区间拱部 仰拱 墙部3.722.71 4.9陶菜 区间拱部 仰拱 墙部4.9 3.90 4.9崇东 区间拱部 仰拱 墙部2.134.94.9工呼 区间拱部 仰拱 墙部2.533.303.28菜宣 区间拱部 仰拱 墙部4.9 3.90 4.9刘蒲 区间拱部 仰拱 墙部2.08 4.9 4.9呼光 区间拱部 仰拱 墙部2.533.303.28宣西 区间拱部 仰拱 墙部2.523.41 4.9天磁 区间拱部 仰拱 墙部2.21 3.95 4.9花八 区间拱部 仰拱 墙部3

12、.722.71 4.9西灵 区间拱部 仰拱 墙部4.94.113.28磁崇 区间拱部 仰拱 墙部4.263.90 4.9黄科 区间拱部 仰拱 墙部3.024.94.9新西 区间拱部 仰拱 墙部4.9 4.11 4.9科知 区间拱部 仰拱 墙部3.873.684.16西动 区间拱部 仰拱 墙部4.94.94.9太麦 区间拱部 仰拱 墙部3.724.94.9动白 区间拱部 仰拱 墙部4.94.94.9知学 区间拱部 仰拱 墙部3.064.16 4.9黄中 区间拱部 仰拱 墙部4.94.94.9中成 区间1拱部 仰拱 墙部4.94.94.9中成 区间2拱部 仰拱 墙部4.93.642.53安全系数与可靠指标的关系这时自然引出关于安全系数与可靠度指标对比的问题:陶菜菜宣宣西新西西动黄中动白中成1西灵中成2马石图5-10四号线仰拱安全系数与可靠指标的关系(6)区间隧道衬砌结构目标可靠指标地铁区间隧道衬砌结构按其破坏后果，安全等级当为一级，其设 计基准期宜为100年。钢筋混凝土构件又属脆性破坏，目前我国建筑 结构、水利水电工程结构对于一级安全结构，脆性破坏承载能力目标 可靠指标都定为4.2,北欧五国颁布的承载结构的荷载及安全规定 NKB REPPORT