基于模糊理论的地基液化评价研究

摘要

地震作用造成的砂土液化会给建筑物造成难以修复的破坏，为了估计地震发生时建设场地发生液化的可能性如何，需要对场地进行液化可能性评价。传统的砂土液化评价方法大多数是在宏观震害现象和室内试验基础上总结、分析得到的确定性评价方法，而地基土液化的发生、发展是一个复杂的过程，其影响因素众多，机理复杂，包含着极强的不确定性，其中除了随机不确定性之外，还存在着由于对地基液化现象认识的深度不够而产生模糊不确定性，如液化的判别标准、液化的机理、地震作用对液化的影响等，目前还远没有达到被认识清楚的程度。本文针地基液化评价过程中地基液化评价方程的建立和地基液化可能性判别两个关键环节存在的模糊不确定性，尝试将模糊理论引入地基液化的可靠性评价。 首先研究了基于现场原位静力触探指标建立液化判别方程时具有的模糊不确定性。静力触探指标能够更为准确地反映原位地基土状态，相对于标贯击数、剪切波速等指标，具有获得数据信息量大、指标可靠性高、操作方便等优点。文中搜集了世界范围内19次大地震106个场地的众多基于静力触探指标的地基液化实测数据，通过对地基液化评价方程的建立过程中所包含的模糊因素的分析，表明实测数据点本身在确定极限状态曲线中所起的作用是不同的。本文抓住了这一关键点，将模糊模式识别理论引入，建立各数据点隶属度，从而考虑了各实测数据点的相对重要性在构建判别方程中的作用，并通过LOGISTIC回归方法，将实测数据点的模糊性映射到液化判别方程中，得到基于静力触探指标的地基液化概率评价方程和极限状态方程，并构建了地基液化概率和抗液化安全系数的函数关系。结果表明，考虑实测数据点的模糊性后，使得各参数与液化可能性之间的关系更为明显，得到的判别方程更为合理。 以建立的液化判别方程为基础，本文还研究了地基液化判别结果的模糊不确定性。传统地基液化评价的确定性判别方法是建立在二值逻辑基础之上，即抗液化强度大于地震作用效应时为非液化状态，反之，则发生液化。实际上，由于地基液化过程中存在着大量的不确定性，如可能液化场地的地质条件、地基土物理力学参数、环境应力条件、液化破坏机理及发展过程等因素，在对这些因素缺乏全面地、深入地认识之前，以某一确定的安全裕量，使得评价结果往往与地震液化现场实测资料不符。因此，需要针对地基液化评价过程中存在的模糊不确定性，进行液化可能性评价。通过模糊示性函数，建立基于蒙特卡罗法方法的地基抗液化安全的随机模糊可靠性分析方法，这种方法同时考虑了影响地基液化评价参数的随机性与抗液化安全状态的模糊性，并以大量的地震现场液化实测资料为基础，构造了具有较为明确物理意义的抗液化安全状态隶属函数。在MATLAB环境下编制了地基抗液化安全的可靠性分析程序，对一典型液化场地进行分析，对随机参数的变异性、分布类型、隶属函数形式等对地基液化的影响进行初步的分析研究，结果表明，不考虑地基液化的模糊不确定性，会使液化评价结果偏于危险，抗液化安全状态的隶属函数对地基液化概率的影响最为明显，合理确定隶属函数的形式对于地基液化评价具有重要意义。不同的液化评价参数对地基液化概率的影响也是不同的，液化概率对锥尖阻力、摩阻比最不敏感，最大水平加速度和震级的变异性对于地基液化概率的影响最大。另外，在地基抗液化的模糊安全准则下，评价参数的分布形式对液化概率有一定影响，特别是对液化概率较为敏感的评价参数的分布类型对液化概率的影响较大。相对于传统的液化评价方法，地基液化模糊可靠性评价能够考虑客观存在于地基液化评价过程中的模糊不确定性对地基液化评价结果的影响，特别是地震液化现场实测资料对评价结果的影响，判别结果更为可行和合理。同时，能够同时考虑地基土液化的随机性与模糊性，根据具体工程的特征对地基液化风险作出分析评价，使液化评价的结果更加符合工程决策需要。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1问题提出

1.2研究现状

1.2.1地基液化评价及其研究概况

1.2.2模糊数学方法在岩土工程中的应用概述

1.3本文主要研究内容及工作

第二章地基液化可靠性分析及模糊数学基本理论

2.1地基液化评价可靠性分析基本原理

2.1.1地基土液化机理及影响因素

2.1.2地基液化判别基本原理

2.1.3地基液化评价的传统方法

2.1.4地基液化评价的可靠性分析

2.2模糊数学基础

2.2.1模糊集合

2.2.2隶属函数的确定

2.2.3模糊概率

2.2.4模糊模式识别

第三章基于数据点模糊性的地基液化判别研究

3.1引言

3.2地震液化实测资料分析

3.2.1可液化地基土的分类

3.2.2可液化地基土分类标准对比研究

3.3基于模糊模式识别的数据点隶属研究

3.3.1模糊点数据及其隶属度

3.3.2地震液化现场实测数据的模糊性

3.3.3模糊模式识别确定数据点隶属度研究

3.4基于数据点模糊性的地基液化判别方程

3.4.1地基液化极限状态方程

3.4.2地基液化概率评价函数

3.5工程实例资料对比分析

3.5.1工程实例资料搜集

3.5.2评价结果对比分析

3.6本章小结

第四章地基抗液化安全模糊可靠性分析研究

4.1引言

4.2地基抗液化安全状态的模糊性

4.2.1土性参数的模糊性

4.2.2地基土液化机理的模糊性

4.2.3地震作用的模糊性

4.3地基抗液化安全模糊可靠性分析基本原理

4.3.1地基抗液化安全模糊可靠度的积分表达

4.3.2基于Monte Carlo的地基抗液化安全的模糊可靠性分析

4.4地基抗液化安全极限状态隶属函数研究

4.4.1抗液化安全状态隶属函数

4.4.2基于地震液化现场实测资料的地基抗液化安全隶属函数研究

4.5地基抗液化安全模糊随机可靠性分析研究

4.5.1工程概况

4.5.2地基抗液化安全的模糊可靠分析

4.6本章小结

第五章结论与展望

5.1全文总结

5.2展望

参考文献

致谢