基于优选随机场的隧道结构随机响应分析与抗震可靠度研究

The seismic damage of tunnel is closely related to the around rock and soil. However, the rock and soil properties have randomity and spatial correlations. This proposal firstly do some statistical analysis of the site testing data, and the random field model is established. According to the consideration that only the second moment is considered in the random fields simulation, the simulated data is different from the actural known site data. The mean square minimum principle between the known site data and the simulated data is adopted to determine the optimal random field during the numerical simulation of the random fields. The finite element model of tunnel is established considering soil-structure interaction and randomness is studied to reveal the influence of random field. The probability density evolution method(PDEM) is adopted to analyze the random response of the tunnel. The equivalent extreme value event is constructed and the reliability under the earthquake is calculated. Based on the horizontal correlation of random field, the multi-sectional reliability of the tunnel is researched and compared with results of the three dimensional finite element analysis. The correlation section failure length model of the tunnel is established. And the section-based system reliability calculating method is constructed for the tunnel design and analysis.

隧道震害研究发现，隧道结构的破坏与周围岩土体性质密切相关，而岩土材料具有强烈的随机性与空间相关性。本课题首先对岩土体原位测试资料及室内试验数据进行统计分析，建立岩土材料参数空间相关随机场模型。针对随机场模拟仅考虑二阶矩一致，模拟场数值与实测点数值往往不一致，基于场地实测数据与模拟场数据均方差最小的原则，在随机场数值模拟过程中进行优化，生成优选随机场。考虑土结相互作用，建立隧道结构有限元精细化模型，揭示随机场对隧道结构响应的影响。利用概率密度演化方法，构造等价极值事件，研究隧道结构抗震可靠度。基于随机场水平相关性，研究隧道多截面可靠度，并与三维有限元模型进行对比，建立截面失效相关长度模型，构建隧道结构基于多截面体系可靠度计算方法。

本课题首先对土体原位测试数据资料进行统计分析，研究发现，土体自相关函数随着相关距离增加从1变到0，然后变到负值，最后再变到零，考虑相关函数的负值特性以及在零点处的可微性，提出了一种新型的可以考虑原点可微及负相关性的相关函数模型，并基于Karhunn-Loeve 方法建立了土体随机场，通过相关函数的收敛性研究，发现新提出的相关函数具有更快的收敛特性，同时将新提出的模型应用于地基的沉降计算，并应用于一个实际工程的不均匀沉降预估，同时与实测数据进行了对比。另外隧道震害研究发现，隧道结构的破坏与周围岩土体性质密切相关，而岩土材料具有强烈的随机性与空间相关性。考虑土体随机场的影响，建立了考虑土结相互作用的隧道结构有限元精细化分析模型，在模型中，考虑土体的空间随机性，同时考虑土体的非线性、土体与隧道的接触特性及人工边界条件，分别对二维和三维模型情况下的隧道结构进行了随机响应分析，揭示随机场对隧道结构响应的影响。研究发现，沿隧道长度方向，即使地震动输入垂直于隧道轴向方向，隧道的轴力、剪力及弯矩沿隧道轴向的分布是不均匀的，中间部位大于隧道两端部位。另外隧道截面上的内力分布也不是均匀的，在隧道拱脚的位置应力较其他位置更大一些，应是设计中应特别关注的。研究了隧道结构的失效准则，根据隧道结构受压区高度不同，分为大偏压破坏及小偏压破坏，建立隧道结构基于混凝土设计强度及极限破坏强度的失效准则，利用概率密度演化方法，构造隧道地震响应值的等价极值事件，分别研究了隧道结构在二维平面应变模型和三维有限元模型情况下的抗震可靠度，研究发现二维平面应变模型的可靠度计算结果远低于三维情况下的可靠度计算结果。