巖土工程不確定性及對(duì)策

1、巖土工程不確定性及對(duì)策我們知道， 巖土工程涉及到建筑結(jié)構(gòu)、 土體及周?chē)h(huán)境。 無(wú)論是在建筑過(guò)程 當(dāng)中還是在完工后，這三者相互作用，相互影響。假如考慮工程勘查、設(shè)計(jì)、施 工及運(yùn)營(yíng)全過(guò)程的話，那么更加復(fù)雜。巖土工程中的很多因素往往難以預(yù)先知道， 或僅在某種程度上加以預(yù)估而無(wú) 確切的把握。 例如，我們可以通過(guò)地質(zhì)堪察了解巖土的結(jié)構(gòu)及其它地質(zhì)條件， 但 這只是估計(jì)， 不可能徹底搞清楚。 我們可以對(duì)某土層取樣進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定巖土的參 數(shù)，但不可能獲得參數(shù)的真值；我們可以通過(guò)采用某種方法預(yù)測(cè)建筑物的沉降， 但實(shí)際的觀察結(jié)果可能與此有很大的出入。 在巖土工程問(wèn)題的分析中， 由于問(wèn)題 的復(fù)雜性以及資料不足， 我們

2、不得不做出某些必要的簡(jiǎn)化與假定， 以至于在很多 情況下分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果不苻。科學(xué)的目標(biāo)是提供解釋?zhuān)?工程僅是提供性能。 沒(méi)有人類(lèi)行為及社會(huì)組織的作 用，巖土工程的性能就很難被保證。不確定性是未來(lái)的現(xiàn)象或作用的結(jié)果不能用因果法則加以預(yù)測(cè)， 具體到巖土 工程來(lái)說(shuō)， 與工程有關(guān)或?qū)こ逃杏绊懙娜魏我蛩兀?當(dāng)需要我們考慮而又不能確 切的加以確定時(shí)，都應(yīng)該視為不確定性因素。面對(duì)具有不確定性的巖土工程，巖土工程師最好記住Southwood的警言：“我們看起來(lái)知道的事情也許并不知道！ ”一不確定性的分類(lèi)關(guān)于不確定性和模擬它的模型有很多。為了工程應(yīng)用， Morgenstern 確定了 不確定性的根源：（ 1

3、） 參數(shù)不確定性（ 2） 模型不確定性（3） 人為的不確定性1. 參數(shù)不確定性參數(shù)不確定性很容易理解， 它說(shuō)的是輸入?yún)?shù)， 比如強(qiáng)度或者可壓縮性的參 數(shù)空間變異性和離散性， 還有關(guān)鍵參數(shù)缺少數(shù)據(jù)。 這些參數(shù)依時(shí)空而有顯著變化， 即具有空間變異性和時(shí)間變異性。 當(dāng)我們不考慮時(shí)間變化的因素時(shí)， 巖土條件和 參數(shù)都是確定性的量， 但我們無(wú)法確切的得到這些參數(shù)的真值。 文獻(xiàn)中有很多例 子，需要用統(tǒng)計(jì)的方法處理這種空間變異性和離散性。 空間變異性是巖土工程所 特有的，我們只能盡可能的描述它，而不能實(shí)質(zhì)性的減少它。2. 模型不確定性模型是原型的理想化替代物， 它反映原型的主要特征， 略去次要特征。 對(duì)于

4、各種問(wèn)題其分析模型并不是唯一的， 模型的不確定性由此而來(lái)， 并在巖土工程實(shí) 踐中發(fā)展起來(lái)。 由于人們所采用的分析模型， 就其實(shí)用性和復(fù)雜程度來(lái)說(shuō)， 是以 人們的認(rèn)識(shí)水平和分析能力直接相關(guān)的。 巖土工程設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)是越來(lái)越多的考 慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和性能， 這就必然要求巖土工程使用越來(lái)越復(fù)雜的模型。 而對(duì) 于實(shí)際問(wèn)題， 模型本身就是不確定性的主要根源， 所以假如沒(méi)有找到不確定性的 主要根源，再精確的計(jì)算都毫無(wú)意義。3. 人為的不確定性在若干個(gè)比較方案中， 必須以某種方法選出實(shí)際要實(shí)施的方案。 最佳方案的 確定是一個(gè)人為決策的問(wèn)題。 從力學(xué)觀點(diǎn)看， 每個(gè)設(shè)計(jì)方案均有自身的破壞可能 性和可靠指標(biāo)；而從

5、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看， 每個(gè)方案又需要不同的經(jīng)費(fèi)。 我們?cè)谧鰶Q策時(shí)， 主要考慮建筑物的破壞可能性。但是，由于決策者思維方式和價(jià)值觀念的不同， 可能會(huì)選用截然不同的方案。 他們可能根據(jù)比較充分的科學(xué)事實(shí)作出決策， 而有 時(shí)所作出的選擇只憑自己的經(jīng)驗(yàn)和主觀感覺(jué)。二巖土工程不確定性的對(duì)策巖土工程的勘測(cè)、 設(shè)計(jì)和施工都具有研究的性質(zhì)， 因?yàn)樵诠こ痰母鱾€(gè)階段都 存在著不確定性因素。我們可以通過(guò)各種方法來(lái)處理不確定性。巖土工程以前經(jīng)歷過(guò)完全依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的階段， 而且直到現(xiàn)在， 經(jīng)驗(yàn)仍然占 有重要地位。 在巖土工程問(wèn)題中， 又很多因素是不確定的， 因此很難進(jìn)行準(zhǔn)確的 分析，有時(shí)只能憑經(jīng)驗(yàn)作出決策。 但是，這并不能貶低

6、巖土工程科學(xué)經(jīng)驗(yàn)的實(shí)用 價(jià)值。我們可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)再加上工程的具體獨(dú)有的特點(diǎn)， 從而設(shè)計(jì)出一套解決方 案。但是在事實(shí)上，絕對(duì)精確的知識(shí)是沒(méi)有的，我們只能得到近似的、大約的知 識(shí)。而這個(gè)知識(shí)對(duì)巖土工程師用處很大。在巖土工程設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)是一個(gè)非常重要的概念，而且采用多大的安全 系數(shù)往往成為問(wèn)題的關(guān)鍵。但是，就兩種不同的設(shè)計(jì)方法而言，安全系數(shù)相同， 其安全程度并不相同；甚至安全系數(shù)較大者，安全程度反而較低。在決策問(wèn)題中，經(jīng)驗(yàn)性的、保守的、感性直觀的因素是目前工程設(shè)計(jì)中普遍 存在的一種現(xiàn)象，它可以表現(xiàn)為過(guò)分保守地確定巖土參數(shù)、較多地估算工程所需 地費(fèi)用、較少地估算工程帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益、較短地估計(jì)工程壽命

7、、較多地考慮危 險(xiǎn)因素。當(dāng)我們對(duì)有關(guān)的不確定性了解很少時(shí)，這樣考慮問(wèn)題是合理的。但是， 這種方法目前已不適應(yīng)大型工程建設(shè)的需要， 巖土工程需要進(jìn)行科學(xué)的決策。但 是巖土工程師應(yīng)該小心謹(jǐn)慎的進(jìn)行決策，因?yàn)楝F(xiàn)代大型工程決策失誤會(huì)造成非常 嚴(yán)重的后果。另外，我們還可以考慮動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工。 因?yàn)閯?dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工方法使巖土工 程具有彈性，即使整個(gè)巖土工程具有可改變的余地。由于在施工之前的初步設(shè)計(jì) 階段存在各種不確定性，可能在施工過(guò)程中發(fā)生當(dāng)初沒(méi)有預(yù)料到的事情， 遇到這 種情況必須修改原來(lái)的設(shè)計(jì)與施工方案。 實(shí)際上，我們可以在施工過(guò)程中進(jìn)行現(xiàn) 場(chǎng)監(jiān)測(cè)以便估計(jì)施工現(xiàn)場(chǎng)的的安全性并用判斷是否要修改先期設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與施工本身就是根據(jù)不斷獲得的信息來(lái)消除設(shè)計(jì)與施工方面的不確定性。實(shí)際上，無(wú)論采取哪種設(shè)計(jì)方法，都要求我們分析各種不確定性對(duì)整個(gè)巖