浅析岩土工程风险分析及应用

摘要：在不确定因素中，岩土体自身的不确定性是天然的，不可改变的，模糊的，测不准的，它对工程的影响也是最主要的。“不求计算精确，只求判断正确”，强调概念设计，这已是岩土工程界的共识。地基承载力固然是重要的岩土系数，但它是风险控制的末端，主要的风险控制管理点在前面的如何解决不确定的两个主要问题上。这里经验和判断是必不可少的，再加上认真执行有关规范，就可将岩土工程勘察的风险控制在人们可以接受的范围之内。

关键词：岩土 工程 风险 分析 应用

中图分类号：F470.1 文献标识码：A

正文：

1.概述

在我们对岩土工程风险的现状进行调查、评价，并研究治理对策时，首先碰到的问题就是什么叫岩土工程风险?笔者认为，由于自然的、人为的因素，或自然与人为因素的共同影响，导致建筑物及岩土介质发生局部的或整体的， 缓慢的或突发性的破坏， 使工程设施不能安全运转和发挥正常效益的或恶化生态环境的工程，称之为岩土工程风险。 例如，建筑物开裂、倾斜、坝基、坝肩不稳定、水库渗漏，隧洞及井巷大变形、开裂、塌方，边坡失稳等等。 岩土工程风险的进一步发展，成为病险工程，病险工程直接威胁着当地人民的生命财产安全，极可能失事成灾。岩土工程中的风险，其形成、发展、以至失事成灾，概括起来可以说是自然与人为因素共同影响的结果，但具体来看，影响因素是各种各样的， 要正确分析各因素对工程设施的影响和各因素的综合作用，则需涉及多学科的知识。 因此，要真正对一项或一类岩土工程风险进行鉴别，并提出治理对策，则必须由科研、勘察、设计、施工等多学科科技人员参加，同时要取得主管部门领导和当地群众的大力支持，协同作战，方能作出最科学的治理决策。

2岩土工程风险分析方法

长期以来处理岩土工程的风险问题主要采取定值论的方法，用安全系数来表示风险程度。 认为只要采用了适当的安全系数，就能保证工程的绝对安全。 这虽然也是一种处理工程问题的方法，并且已经积累了相当丰富的经验。 可是传统方法毕竟还是不完备的，它无法提供说明工程可靠性的评价指标。所谓可靠性是指一个系统在给定的条件下和预计的时间内完成规定功能运行的概率。 可靠性在系统工程中占有很重要的地位，它不仅直接反映系统的质量指标，而且关系到整个系统的成败。 一个复杂的系统往往有许多子系统或元件以一定的组合联系在一起的， 其中某一部分的失效都会影响整个系统。 风险分析的目的在于既对各个子系统的可靠性作出估计，也要评价它们在构成大系统的可靠性中起什么样的作用，从而控制薄弱环节以提高整个系统的可靠性。对岩土工程来说，我们可以把整个工程看成一个大系统，并把它分解为若干个子系统或单元， 运用风险分析的一些基本原理，分析设计所冒的风险以及在经济上承担的风险，并把所冒的风险限制在人们可以接受的限度以内， 这亦称为风险分析。 其目标是使可能达到极限状态的概率足够地小，因此又称为概率极限状态设计。

3岩土工程风险分析的内容

3.1岩土工程的安全系数与可靠性在岩土工程中，安全系数 FS 一般由下式定义：

与结构工程相比， 岩土工程设计中有更多的不定性和近似性，这是因为土的性状非常复杂，人们对于影响土质条件的认识还很不充分， 因此需要比较大的安全储备量来对付可能发生的偏差。 习惯采用的总安全系数见表 1，从表可见，岩土工程的安全系数比结构工程要大得多。

表 1 中的上限数值用于正常使用条件， 下限值则用于临时荷载或最大荷载条件， 下限值有时也用于原位足尺试验的结果。

3.2岩土设计参数的概率分布

利用标准正态分布的累计概率函数计算破坏概率固然比较简单， 但实际设计参数是否符合正态分布还需进行拟合度检验。所谓拟合度检验就是先假设随机变量服从某一概率分布，然后在一定的显著性水平上来检验统计假设是否可信，如果可信就认为随机变量符合这一理论分布。下面讨论常用的 x2拟合度检验方法：第一步是先用列表方法得出设计参数的经验分布频率Pt，第二步根据经验分布的均值 x、标准差σ计算每一组中值xi的标准化变量：

然后按所假设的理论分布求每一标准化变量 Z 的理论概率密度 f（Z）及每一组的理论频率 f（Z）ΔZ；第三步计算统计量：

将每一组的统计量 d 相加， 并乘以设计参数的总频数 n得统计量：

第四步按自由度 v=k-3 及显著性水平 α 查一般统计书上的 x2表得 x2值，k 为经验分布的区间数。如按上面公式计算的D

3.3荷载的概率估计

定期停留的活荷载时大时小， 为了简化实用可以假定在一个停留期间其荷载大小是不变的。 当然，每个停留期的长短和停留期之间的间隔可能都是不相等的，如图 1 所示。

这类荷载一般服从泊桑分布， 在整个使用年限 T 年内荷载变化的平均次数为 νT，参数 v 为平均的变化率。 对于稳定问题和砂土的沉降问题， 基础性状取决于基础使用期间的最大荷载。 最大荷载 Xrm 的概率分布函数：

假定每个停留期所共有的 Xr是相等的和独立分布的，如果在使用期间停留荷载出现的次数正好是 n， 那么 Xrm 的概率分布函数为：Fxrm（x）=Fnxr（x）

4决策论在岩土工程风险分析中的应用

决策者面临的各种可能发生的天然状态记作 θi， 而可供选择用以对付 θi的各种方案或策略记为 Ai。 例如在沉井施工中，流沙、倾侧、超沉等都是可能发生的天然状态，至于是否发生则取决于地质条件、施工方法和施工管理等许多因素，决策者可以采取一些对策来对付这几种可能发生的情况。 由 Ai与θi构成的决策模型 V=F（Ai，θi）可用支付矩阵来表示。 对应于每一种策略和状态的组合将有一个支付， 这支付可能是得利或损失。 如将每一种组合的造价记为 E1j，再取任一组合的造价作为额定造价 E0，则取 E0-E1j=V1j即为支付，正值表示相对于 E0而言是得利的，负位则表示损失。在采用期望值决策准则时， 决策者要根据自己的经验对各种状态发生的可能性作出概率估计， 这样的信息称为先验概率， 假如再作一些试验或观测来进一步验证先验概率并加以修正，就能得到后验概率应用于决策。 这就要应用贝斯法则计算后验概率。

贝斯决策是基于概率基础上的一个著名决策方法， 它有三个分析部分：

4.1事前分析为了决策，需要得到经验概率分布，这种概率分析工作是在开始决策以前进行的，故称事前分析。 它包括获得先验概串和试验概串两个内容。

4.2事后分析在得到先验概率和试验概率之后， 用贝斯公式求后验概率 P″[θi]，这个后验概率实际上就是 以 Z 为 条 件 的 出现 的 条 件概率，即 P″[θi]=P[θi|Z]。

4.3预事后分析预事后分析可利用决策树进行。 将前面两步计算的结果画到决策树上。 从原点开始有两种选择：①按先验概率立即进行设计，这称为反应；②取得试验输出后再分三个分叉，各按不同的输出 Zk为条件计算后验概率然后进行设计，各得不同的造价，造价按下式计算：E=（I+λCFS）+PkEk

5结 语

在中国的大型建筑中，因地基造成的问题很少。 但这并不意味着岩土工程工作就无需改进。 过分保守的设计，或在不同的基础方案间不加论证， 可能耗费的大量资金和时间却没有引起行政管理部门或公众的注意。 精明的设计固然会有所花费，但它得到的收益却远远超过了投资的咨询费用。 中国不应盲目地投资购买现代化的仪器和设备， 而应着重于如何花最少的钱来改善设计和加强施工。由于岩土工程现状调查及治理对策研究， 是一项量大面广的带有共性和关键性的研究课题，涉及到各个工程领域，不但需要科学工作者和工程技术人员参加， 而且还需要权威机构干预。 因此，必须在主管部门领导下，统一规划，分步实施。从战略上作出规划， 从战术上选择典型病害工程进行调查研究，进行治理试点，取得经验，逐步加以推广。

参考文献

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