基于蒙特卡羅法的邊坡可靠度分析

張露

摘要： 傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析常以安全系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，然而，安全系數(shù)并未考慮各影響因素的變異性及不確定性，其大小無(wú)法體現(xiàn)邊坡的安全程度。可靠度分析方法將概率統(tǒng)計(jì)和可靠度理論引入邊坡工程穩(wěn)定性分析中，考慮了各影響因素不確定性，將設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨機(jī)變量，得到可靠度或失效概率作為邊坡安全程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，不是簡(jiǎn)單給出安全或失穩(wěn)的結(jié)論。以某一邊坡工程為例，基于蒙特卡羅法對(duì)其進(jìn)行可靠度分析，說(shuō)明該方法的合理性及實(shí)用性。

Abstract： In traditional slope stability analysis， the safety factor is often used as the evaluation index. However， the safety factor does not take into account the variability and uncertainty of each factor， and its size can not reflect the safety of the slope. The reliability analysis method introduces the theory of probability and reliability into the stability analysis of slope engineering， the uncertainty of each factor is considered， the design parameters are taken as random variables， and the reliability or failure probability is obtained as the evaluation index of slope safety degree， not simply given the conclusion of safety or instability. Taking a slope project as an example， the reliability analysis based on Monte Carlo method is carried out to show the rationality and practicability of the method.

關(guān)鍵詞： 可靠度；邊坡穩(wěn)定；蒙特卡羅法

Key words： reliability；slope stability；Monte Carlo method

中圖分類號(hào)：U231+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）10-0225-03

0 引言

安全系數(shù)法因其簡(jiǎn)單、物理意義明確而在實(shí)際工程中應(yīng)用普遍，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較為豐富，但該方法未考慮參數(shù)不確定性的影響，采用單一的安全系數(shù)作為邊坡工程穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，掩蓋了不同因素的不同影響，也掩蓋了同一計(jì)算參數(shù)的不同變異性對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，因此某一特定安全系數(shù)對(duì)于不同的邊坡意義是不相同的，其大小無(wú)法完全體現(xiàn)邊坡的安全程度。

影響邊坡穩(wěn)定性的因素復(fù)雜多變，不確定因素較多，如土體參數(shù)的變異性、滑動(dòng)面的確定等。對(duì)邊坡進(jìn)行可靠度分析可以在一定程度上考慮到邊坡系統(tǒng)各影響因素的不確定性，給出的是邊坡失穩(wěn)的概率，而不是簡(jiǎn)單得出穩(wěn)定或失穩(wěn)的結(jié)論，但目前邊坡可靠度分析缺乏工程實(shí)踐的積累，目前也沒(méi)有基于可靠度的邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范作為參考。

本文主要是結(jié)合現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性分析方法，利用蒙特卡羅法對(duì)邊坡進(jìn)行可靠度分析，為邊坡穩(wěn)定性分析提供更為合理的方法。

1 邊坡可靠度分析方法和原理

1.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

邊坡穩(wěn)定性分析方法有極限平衡法、有限元法、變分法、滑移線法等，在工程中廣泛運(yùn)用的是基于極限平衡理論的條分法。極限平衡建立在剛體極限平衡理論的基礎(chǔ)上，滿足靜力平衡和莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，將滑面以上土體劃分成若干豎向條塊，將每一條塊作為一個(gè)剛體，不考慮其變形，可考慮或不考慮條間力，根據(jù)沿滑面的力或力矩平衡建立平衡方程[3]。目前條分法有瑞典圓弧法、畢肖普簡(jiǎn)化法、不平衡推力法等，各種方法都有其假設(shè)和使用范圍。在極限平衡法中，狀態(tài)方程為：

用蒙特卡羅法進(jìn)行了10萬(wàn)次模擬，得到功能函數(shù)的直方圖如圖2。 從圖2中可以看出功能函數(shù)服從正態(tài)分布，用Matlab進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如圖3。

圖3是將正態(tài)分布繪制在正態(tài)概率紙上，即為圖中黑色的直線。由圖3可知絕大部分抽樣數(shù)據(jù)點(diǎn)落在正態(tài)分布直線上，可判定此功能函數(shù)服從正態(tài)分布，并利用matlab根據(jù)樣本值計(jì)算功能函數(shù)的正態(tài)均值和標(biāo)準(zhǔn)差，該功能函數(shù)服從N（0.033，0.0147），計(jì)算得到的失效概率為pf=1.15%，即可靠度為pr=98.85%。

2.3 隨機(jī)樣本容量對(duì)求解的影響

利用matlab分別對(duì)功能函數(shù)進(jìn)行不同樣本容量的抽樣，每一種樣本容量分別進(jìn)行10次求取失效概率，當(dāng)樣本容量分別為2000、2萬(wàn)、50萬(wàn)時(shí)求得的失效概率對(duì)比圖如圖4。

當(dāng)樣本容量較少時(shí)，利用蒙特卡羅法求得的失效概率波動(dòng)比較大，隨著樣本容量的增加，求得失效概率趨于穩(wěn)定，比如圖4中當(dāng)樣本容量為50萬(wàn)次時(shí)，求得的失效概率穩(wěn)定在1.25%，且當(dāng)樣本容量為50萬(wàn)次，利用matlab計(jì)算的時(shí)間不超過(guò)一分鐘，可見(jiàn)利用蒙特卡羅法簡(jiǎn)單實(shí)用，計(jì)算精度高，且不受功能函數(shù)高度非線性等復(fù)雜程度限制。

3 結(jié)論

在現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，考慮各影響因素的變異性，結(jié)合可靠度理論，利用蒙特卡羅法求解得到邊坡失效概率或可靠概率。分析了樣本容量對(duì)蒙特卡羅法求解結(jié)果的影響，表明，當(dāng)樣本容量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，求解結(jié)果趨于穩(wěn)定，且耗費(fèi)的計(jì)算機(jī)資源小，可見(jiàn)蒙特卡羅法對(duì)于求取邊坡可靠度問(wèn)題是一種簡(jiǎn)單實(shí)用且比較精確的方法，且得到的是結(jié)構(gòu)失效概率或可靠度作為邊坡工程穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，不是簡(jiǎn)單的給出安全與不安全的結(jié)論，在工程實(shí)踐運(yùn)用中有一定參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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