喷锚支护水工隧洞围岩稳定模糊可靠度研究

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水工隧洞围岩的稳定性是水电工程地下结构领域关注的重点问题之一,工程中通常采用确定性方法进行分析与评价,如工程地质类比法、解析法、数值分析法等。由于影响隧洞围岩稳定的因素众多且存在不确定性,传统的确定性计算方法具有一定的局限性,对围岩稳定安全可靠性的考虑不够全面。有鉴于此,本文基于结构可靠论理论,以喷锚支护水工隧洞为研究对象,采用弹塑性力学解析方法构造功能函数,考虑物理力学变量的随机性和模糊性以及失效准则的模糊性,对隧洞的可靠度进行定量化分析。主要研究内容和研究结论如下:(1)基于围岩与支护结构的相互作用原理,采用弹塑性力学解析法建立了喷锚支护水工隧洞围岩稳定可靠度计算功能函数;基于差分原理解决了传统可靠度算法不便于求解隐式功能函数的问题,为喷锚支护水工隧洞的可靠度计算与分析提供了研究基础。(2)提出了基于差分原理的一次二阶矩和二次二阶矩可靠度算法,以工程中通常采用的校准算法(即蒙特卡洛法)为参照标准,通过喷锚支护水工隧洞工程实例分析,验证了本文算法的精确性与效率;对影响喷锚支护水工隧洞围岩稳定可靠度的随机变量黏聚力c、内摩擦角φ进行了敏感性分析与讨论。结果表明:本文提出的方法计算结果精确且高效,能够满足实际工程的计算要求;c、φ的负相关性对隧洞围岩稳定可靠度影响显著,且随机变量φ的敏感性比随机变量c强。(3)基于模糊理论,分别和综合考虑随机变量与失效准则的模糊性,研究了喷锚支护水工隧洞围岩稳定模糊可靠度,其中,随机变量的模糊性采用α水平截集法进行处理,失效准则的模糊性分别采用α水平截集法和降半梯型隶属函数予以考虑;同时,研究了随机变量黏聚力c和内摩擦角φ之间的负相关性对可靠度计算结果的影响。结果表明:喷锚支护水工隧洞围岩稳定模糊可靠度研究反映出的围岩失稳是一个过渡过程更符合工程实际;采用降半梯型隶属函数处理时可靠指标β的区间时结果更精确合理;随着c、φ的负相关性的增大模糊可靠指标β不断增大。本文将理论分析与工程应用相结合,针对喷锚支护水工隧洞的围岩稳定性进行定量化可靠度分析,充分考虑了工程中的随机和模糊不确定性,提出了一套新的隧洞围岩稳定可靠度计算和分析方法,研究成果能为深入研究水工隧洞围岩稳定可靠性提供理论参考和技术支撑。
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