巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)用綜述

柳楠

摘要：對(duì)于巖土工程風(fēng)險(xiǎn)的分析可以用經(jīng)濟(jì)損失來(lái)表述，也可以用失效概率來(lái)表示，國(guó)外有一些先進(jìn)的巖土工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定方法，認(rèn)為巖土風(fēng)險(xiǎn)與時(shí)間和空間都是有著密不可分的關(guān)系的，巖土工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)分析也有非常高的要求，并且要根據(jù)工程師的設(shè)計(jì)得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定結(jié)果，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析是巖土工程的基礎(chǔ)，文章就巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：巖土工程；工程風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)用

巖土工程中的風(fēng)險(xiǎn)，其形成、發(fā)展、以至失事成災(zāi)，概括起來(lái)可以說(shuō)是自然與人為因素共同影響的結(jié)果，但具體來(lái)看，影響因素是各種各樣的，要正確分析各因素對(duì)工程設(shè)施的影響和各因素的綜合作用，則需涉及多學(xué)科的知識(shí)。因此，要真正對(duì)一項(xiàng)或一類巖土工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行鑒別，并提出治理對(duì)策，則必須由科研、勘察、設(shè)計(jì)、施工等多學(xué)科科技人員參加，同時(shí)要取得主管部門領(lǐng)導(dǎo)和當(dāng)?shù)厝罕姷拇罅χС?，協(xié)同作戰(zhàn)，方能作出最科學(xué)的治理決策。

1巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析方法

長(zhǎng)期以來(lái)處理巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題主要采取定值論的方法，用安全系數(shù)來(lái)表示風(fēng)險(xiǎn)程度。認(rèn)為只要采用了適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，就能保證工程的絕對(duì)安全。這雖然也是一種處理工程問(wèn)題的方法，并且已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)?？墒莻鹘y(tǒng)方法畢竟還是不完備的，它無(wú)法提供說(shuō)明工程可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂可靠性是指一個(gè)系統(tǒng)在給定的條件下和預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能運(yùn)行的概率。可靠性在系統(tǒng)工程中占有很重要的地位，它不僅直接反映系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，而且關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)往往有許多子系統(tǒng)或元件以一定的組合聯(lián)系在一起的，其中某一部分的失效都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。風(fēng)險(xiǎn)分析的目的在于既對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性作出估計(jì)，也要評(píng)價(jià)它們?cè)跇?gòu)成大系統(tǒng)的可靠性中起什么樣的作用，從而控制薄弱環(huán)節(jié)以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)巖土工程來(lái)說(shuō)，我們可以把整個(gè)工程看成一個(gè)大系統(tǒng)，并把它分解為若干個(gè)子系統(tǒng)或單元，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析的一些基本原理，分析設(shè)計(jì)所冒的風(fēng)險(xiǎn)以及在經(jīng)濟(jì)上承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，并把所冒的風(fēng)險(xiǎn)限制在人們可以接受的限度以內(nèi)，這亦稱為風(fēng)險(xiǎn)分析。其目標(biāo)是使可能達(dá)到極限狀態(tài)的概率足夠地小，因此又稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

2巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的內(nèi)容

2.1巖土工程的安全系數(shù)與可靠性

在巖土工程中，安全系數(shù)FS 一般由下式定義：

式中：—系統(tǒng)有效運(yùn)行能力的估值下限；

—對(duì)系統(tǒng)需求的估值上限。

與結(jié)構(gòu)工程相比，巖土工程設(shè)計(jì)中有更多的不定性和近似性，這是因?yàn)橥恋男誀罘浅?fù)雜，人們對(duì)于影響土質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)還很不充分，因此需要比較大的安全儲(chǔ)備量來(lái)對(duì)付可能發(fā)生的偏差。

2.2巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的概率分布

利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累計(jì)概率函數(shù)計(jì)算破壞概率固然比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合正態(tài)分布還需進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)。

所謂擬合度檢驗(yàn)就是先假設(shè)隨機(jī)變量服從某一概率分布，然后在一定的顯著性水平上來(lái)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)假設(shè)是否可信，如果可信就認(rèn)為隨機(jī)變量符合這一理論分布。

2.3荷載的概率估計(jì)

定期停留的活荷載時(shí)大時(shí)小，為了簡(jiǎn)化實(shí)用可以假定在一個(gè)停留期間其荷載大小是不變的。當(dāng)然，每個(gè)停留期的長(zhǎng)短和停留期之間的間隔可能都是不相等的。

3巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的理論與實(shí)踐

巖體是不確定性系統(tǒng)，即實(shí)際巖土工程中存在固有的不確定性。一切不確定性因素成為巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)源，故而巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)源研究主要集中于其中的不確定性研究。

這種不確定性包括客觀和主觀不確定性，前者主要有荷載環(huán)境的初始應(yīng)力場(chǎng)、介質(zhì)地質(zhì)環(huán)境的巖性參數(shù)、不同施工環(huán)境與條件等；后者主要由于對(duì)巖體變形破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致對(duì)巖土力學(xué)分析和模擬不足，如計(jì)算模型、參數(shù)的選取、條件的假定、簡(jiǎn)化計(jì)算、信息描述、測(cè)量精度以及設(shè)計(jì)施工數(shù)據(jù)與信息等?？傮w上涉及：隨機(jī)性、模糊性、信息不完全性和信息處理的不確切性。這些不確定性正是受體的風(fēng)險(xiǎn)源。不確定性反映在時(shí)間和空間上，時(shí)間不確定性用隨機(jī)過(guò)程描述，空間不確定性可用隨機(jī)場(chǎng)描述。

如果一個(gè)基本變量的不確定性對(duì)極限狀態(tài)有較大影響，就應(yīng)視為不確定性變量來(lái)考慮。不確定性在巖土工程中是普遍存在的，在工程的所有階段，工程師們都會(huì)遇到不確定性：如選址差或地質(zhì)包含未顯露出的弱點(diǎn)；場(chǎng)地材料特性調(diào)查不充分；需確定的參數(shù)值（強(qiáng)度，滲透性）不清；分析得到的重要數(shù)值的準(zhǔn)確性（如安全系數(shù)）等因素，這此因素影響設(shè)計(jì)的安全性。在很多情況下，含有不確定性因素的設(shè)計(jì)是在實(shí)際施工時(shí)才完成的。因此，在進(jìn)行巖石力學(xué)與工程問(wèn)題的研究、設(shè)計(jì)、施工和工程處理活動(dòng)中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析非常必要，且意義重大。

4巖土工程基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)

巖土工程問(wèn)題設(shè)計(jì)方法可分為兩大類：

4.1依賴規(guī)范、規(guī)則、公認(rèn)的慣例設(shè)計(jì)的多數(shù)常規(guī)工程；

4.2研究長(zhǎng)期運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以不可能完全消除風(fēng)險(xiǎn)、以較高造價(jià)降低風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到可忽略的水平為特征。運(yùn)用可靠性分析原理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，其目標(biāo)是使可能達(dá)到極限狀態(tài)的概率足夠小，將工程風(fēng)險(xiǎn)限制在可接受的范圍內(nèi)。巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的應(yīng)用，就是對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

由于巖土工程自身的特點(diǎn)，不能將現(xiàn)有的較為成熟的上部結(jié)構(gòu)可靠性分析方法不加區(qū)別地、簡(jiǎn)單地移植過(guò)來(lái)，必須對(duì)巖土體的賦存環(huán)境及其所受動(dòng)、靜載作用效應(yīng)進(jìn)行研究，分析巖土體的物理力學(xué)特性，正確運(yùn)用概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、信息熵等理論方法，進(jìn)行不確定性描述，提出正確的概念與方法。失效概率通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量相聯(lián)系的不確定性進(jìn)行系統(tǒng)分析來(lái)求得，風(fēng)險(xiǎn)分析的相關(guān)的步驟有：（1）收集信息，確立不確定性因素；（2）模擬功能和結(jié)果，包括估計(jì)不確定性的風(fēng)險(xiǎn)；（3）收集附加信息，修正參數(shù)，在此基礎(chǔ)上做方案選擇決策。這使得設(shè)計(jì)方法更為復(fù)雜，但設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)然，在巖土工程中，概率方法不能替代傳統(tǒng)方法，它作為一種工具，只是有效地補(bǔ)充傳統(tǒng)方法。大量的設(shè)計(jì)會(huì)由工程師和業(yè)主討論直到業(yè)主（或認(rèn)知保險(xiǎn)公司）在造價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)之間尋求一個(gè)可接受的平衡，這才是真正意義上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如，邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面的綜合影響因素包括：巖土體強(qiáng)度指標(biāo)、工程的重要程度、建設(shè)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)等。地基條件對(duì)土木工程反映敏感，NMH Allalaby 研究了建筑工程中地基風(fēng)險(xiǎn)對(duì)工程費(fèi)用的影響，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)衡量的場(chǎng)地效益可用風(fēng)險(xiǎn)模擬加以描述。

5巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析待研究的問(wèn)題

巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的工程應(yīng)用，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)決策具有極大的實(shí)踐價(jià)值。但由于巖土工程本身的不確定性特點(diǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)分析面臨更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

5.1實(shí)際應(yīng)用方面最根本的問(wèn)題是對(duì)不確定性因子的合理描述。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)，直接影響進(jìn)入模型的風(fēng)險(xiǎn)因素選取、風(fēng)險(xiǎn)因子之間的相關(guān)性確定，巖土工程還只能根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)作一些定性的研究。如何結(jié)合工程背景、有限樣本、風(fēng)險(xiǎn)理論建立一套系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法，以及風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)的可視化研究，具有重要的研究意義。

5.2實(shí)際工程很難清楚確定工程的臨界情形，目前能做到的定量風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)是基于人為假定的系統(tǒng)失事。巖土工程多處于多場(chǎng)耦合作用的賦存環(huán)境，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，狀態(tài)變量眾多且特性各異，極限狀態(tài)方程往往是非線性的，為了建立合理的功能函數(shù)，需進(jìn)行失效模式的仿真研究以弄清失效機(jī)理，并研究適于材料非線性、動(dòng)力系統(tǒng)的隨機(jī)有限元算法。

5.3應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，在可靠性評(píng)估中應(yīng)用信息融合技術(shù)，以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。數(shù)據(jù)挖掘基于粗糙集理論，不需要預(yù)先給定某些特征或?qū)傩缘臄?shù)量描述，如統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概率分布、模糊理論中的隸屬度或隸屬函數(shù)等，而是直接從給定問(wèn)題的描述集合出發(fā)，通過(guò)不可分辨關(guān)系和不可分辨類確定給定問(wèn)題的近似域，從而找出該問(wèn)題中的內(nèi)在規(guī)律。粗糙集理論同模糊集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)理論一起，成為不確定性計(jì)算的一個(gè)重要分支。

6巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)用展望

盡管人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析的應(yīng)用存在多種的疑慮或偏見，但長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于巖土工程這樣的不確定性因素較多、量測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限、模型誤差大的介質(zhì)，工程師的認(rèn)識(shí)依然是從概率現(xiàn)象入手的，研究的結(jié)果和評(píng)價(jià)也須以概率的形式表達(dá)。實(shí)踐證明，利用各種不確定性研究方法，使用定量風(fēng)險(xiǎn)分析作為決策工具或傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的補(bǔ)充，在相當(dāng)程度上可給決策者提供更多的輔助評(píng)價(jià)信息。

在風(fēng)險(xiǎn)分析中，概率方法的優(yōu)點(diǎn)是能分析材料參數(shù)的變異性和其他方面的不確定性，其計(jì)算結(jié)果提高了置信程度。但并不是用一個(gè)“破壞概率”代替“安全系數(shù)”，問(wèn)題本身就完全解決了。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)邊坡穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性、大壩破壞、洪水演算、滲透等的確定性分析結(jié)果是綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的重要基礎(chǔ)。應(yīng)將風(fēng)險(xiǎn)分析與確定性分析結(jié)合考慮，共同作為決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉春原,閻澍旺.巖土參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)特性及線性預(yù)測(cè)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002(05).

[2] 郭宏.談巖土工程的可靠性設(shè)計(jì)[J].山西建筑, 2002(07).

[3] 陳正貴.對(duì)巖土工程勘察方案分析的探討[J]. Chinas Foreign Trade,2010(12).

[4] 栗心輝.可靠度分析方法計(jì)算強(qiáng)夯影響深度研究[J].現(xiàn)代物業(yè)(上旬刊),2011(07).

[5] 楊漫熙.淺談強(qiáng)化巖土工程勘察的措施與手段[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2010(05).

摘要：對(duì)于巖土工程風(fēng)險(xiǎn)的分析可以用經(jīng)濟(jì)損失來(lái)表述，也可以用失效概率來(lái)表示，國(guó)外有一些先進(jìn)的巖土工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定方法，認(rèn)為巖土風(fēng)險(xiǎn)與時(shí)間和空間都是有著密不可分的關(guān)系的，巖土工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)分析也有非常高的要求，并且要根據(jù)工程師的設(shè)計(jì)得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定結(jié)果，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析是巖土工程的基礎(chǔ)，文章就巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：巖土工程；工程風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)用

巖土工程中的風(fēng)險(xiǎn)，其形成、發(fā)展、以至失事成災(zāi)，概括起來(lái)可以說(shuō)是自然與人為因素共同影響的結(jié)果，但具體來(lái)看，影響因素是各種各樣的，要正確分析各因素對(duì)工程設(shè)施的影響和各因素的綜合作用，則需涉及多學(xué)科的知識(shí)。因此，要真正對(duì)一項(xiàng)或一類巖土工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行鑒別，并提出治理對(duì)策，則必須由科研、勘察、設(shè)計(jì)、施工等多學(xué)科科技人員參加，同時(shí)要取得主管部門領(lǐng)導(dǎo)和當(dāng)?shù)厝罕姷拇罅χС?，協(xié)同作戰(zhàn)，方能作出最科學(xué)的治理決策。

1巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析方法

長(zhǎng)期以來(lái)處理巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題主要采取定值論的方法，用安全系數(shù)來(lái)表示風(fēng)險(xiǎn)程度。認(rèn)為只要采用了適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，就能保證工程的絕對(duì)安全。這雖然也是一種處理工程問(wèn)題的方法，并且已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)?？墒莻鹘y(tǒng)方法畢竟還是不完備的，它無(wú)法提供說(shuō)明工程可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂可靠性是指一個(gè)系統(tǒng)在給定的條件下和預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能運(yùn)行的概率。可靠性在系統(tǒng)工程中占有很重要的地位，它不僅直接反映系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，而且關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)往往有許多子系統(tǒng)或元件以一定的組合聯(lián)系在一起的，其中某一部分的失效都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。風(fēng)險(xiǎn)分析的目的在于既對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性作出估計(jì)，也要評(píng)價(jià)它們?cè)跇?gòu)成大系統(tǒng)的可靠性中起什么樣的作用，從而控制薄弱環(huán)節(jié)以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)巖土工程來(lái)說(shuō)，我們可以把整個(gè)工程看成一個(gè)大系統(tǒng)，并把它分解為若干個(gè)子系統(tǒng)或單元，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析的一些基本原理，分析設(shè)計(jì)所冒的風(fēng)險(xiǎn)以及在經(jīng)濟(jì)上承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，并把所冒的風(fēng)險(xiǎn)限制在人們可以接受的限度以內(nèi)，這亦稱為風(fēng)險(xiǎn)分析。其目標(biāo)是使可能達(dá)到極限狀態(tài)的概率足夠地小，因此又稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

2巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的內(nèi)容

2.1巖土工程的安全系數(shù)與可靠性

在巖土工程中，安全系數(shù)FS 一般由下式定義：

式中：—系統(tǒng)有效運(yùn)行能力的估值下限；

—對(duì)系統(tǒng)需求的估值上限。

與結(jié)構(gòu)工程相比，巖土工程設(shè)計(jì)中有更多的不定性和近似性，這是因?yàn)橥恋男誀罘浅?fù)雜，人們對(duì)于影響土質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)還很不充分，因此需要比較大的安全儲(chǔ)備量來(lái)對(duì)付可能發(fā)生的偏差。

2.2巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的概率分布

利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累計(jì)概率函數(shù)計(jì)算破壞概率固然比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合正態(tài)分布還需進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)。

所謂擬合度檢驗(yàn)就是先假設(shè)隨機(jī)變量服從某一概率分布，然后在一定的顯著性水平上來(lái)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)假設(shè)是否可信，如果可信就認(rèn)為隨機(jī)變量符合這一理論分布。

2.3荷載的概率估計(jì)

定期停留的活荷載時(shí)大時(shí)小，為了簡(jiǎn)化實(shí)用可以假定在一個(gè)停留期間其荷載大小是不變的。當(dāng)然，每個(gè)停留期的長(zhǎng)短和停留期之間的間隔可能都是不相等的。

3巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的理論與實(shí)踐

巖體是不確定性系統(tǒng)，即實(shí)際巖土工程中存在固有的不確定性。一切不確定性因素成為巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)源，故而巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)源研究主要集中于其中的不確定性研究。

這種不確定性包括客觀和主觀不確定性，前者主要有荷載環(huán)境的初始應(yīng)力場(chǎng)、介質(zhì)地質(zhì)環(huán)境的巖性參數(shù)、不同施工環(huán)境與條件等；后者主要由于對(duì)巖體變形破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致對(duì)巖土力學(xué)分析和模擬不足，如計(jì)算模型、參數(shù)的選取、條件的假定、簡(jiǎn)化計(jì)算、信息描述、測(cè)量精度以及設(shè)計(jì)施工數(shù)據(jù)與信息等?？傮w上涉及：隨機(jī)性、模糊性、信息不完全性和信息處理的不確切性。這些不確定性正是受體的風(fēng)險(xiǎn)源。不確定性反映在時(shí)間和空間上，時(shí)間不確定性用隨機(jī)過(guò)程描述，空間不確定性可用隨機(jī)場(chǎng)描述。

如果一個(gè)基本變量的不確定性對(duì)極限狀態(tài)有較大影響，就應(yīng)視為不確定性變量來(lái)考慮。不確定性在巖土工程中是普遍存在的，在工程的所有階段，工程師們都會(huì)遇到不確定性：如選址差或地質(zhì)包含未顯露出的弱點(diǎn)；場(chǎng)地材料特性調(diào)查不充分；需確定的參數(shù)值（強(qiáng)度，滲透性）不清；分析得到的重要數(shù)值的準(zhǔn)確性（如安全系數(shù)）等因素，這此因素影響設(shè)計(jì)的安全性。在很多情況下，含有不確定性因素的設(shè)計(jì)是在實(shí)際施工時(shí)才完成的。因此，在進(jìn)行巖石力學(xué)與工程問(wèn)題的研究、設(shè)計(jì)、施工和工程處理活動(dòng)中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析非常必要，且意義重大。

4巖土工程基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)

巖土工程問(wèn)題設(shè)計(jì)方法可分為兩大類：

4.1依賴規(guī)范、規(guī)則、公認(rèn)的慣例設(shè)計(jì)的多數(shù)常規(guī)工程；

4.2研究長(zhǎng)期運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以不可能完全消除風(fēng)險(xiǎn)、以較高造價(jià)降低風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到可忽略的水平為特征。運(yùn)用可靠性分析原理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，其目標(biāo)是使可能達(dá)到極限狀態(tài)的概率足夠小，將工程風(fēng)險(xiǎn)限制在可接受的范圍內(nèi)。巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的應(yīng)用，就是對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

由于巖土工程自身的特點(diǎn)，不能將現(xiàn)有的較為成熟的上部結(jié)構(gòu)可靠性分析方法不加區(qū)別地、簡(jiǎn)單地移植過(guò)來(lái)，必須對(duì)巖土體的賦存環(huán)境及其所受動(dòng)、靜載作用效應(yīng)進(jìn)行研究，分析巖土體的物理力學(xué)特性，正確運(yùn)用概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、信息熵等理論方法，進(jìn)行不確定性描述，提出正確的概念與方法。失效概率通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量相聯(lián)系的不確定性進(jìn)行系統(tǒng)分析來(lái)求得，風(fēng)險(xiǎn)分析的相關(guān)的步驟有：（1）收集信息，確立不確定性因素；（2）模擬功能和結(jié)果，包括估計(jì)不確定性的風(fēng)險(xiǎn)；（3）收集附加信息，修正參數(shù)，在此基礎(chǔ)上做方案選擇決策。這使得設(shè)計(jì)方法更為復(fù)雜，但設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)然，在巖土工程中，概率方法不能替代傳統(tǒng)方法，它作為一種工具，只是有效地補(bǔ)充傳統(tǒng)方法。大量的設(shè)計(jì)會(huì)由工程師和業(yè)主討論直到業(yè)主（或認(rèn)知保險(xiǎn)公司）在造價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)之間尋求一個(gè)可接受的平衡，這才是真正意義上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如，邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面的綜合影響因素包括：巖土體強(qiáng)度指標(biāo)、工程的重要程度、建設(shè)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)等。地基條件對(duì)土木工程反映敏感，NMH Allalaby 研究了建筑工程中地基風(fēng)險(xiǎn)對(duì)工程費(fèi)用的影響，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)衡量的場(chǎng)地效益可用風(fēng)險(xiǎn)模擬加以描述。

5巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析待研究的問(wèn)題

巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的工程應(yīng)用，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)決策具有極大的實(shí)踐價(jià)值。但由于巖土工程本身的不確定性特點(diǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)分析面臨更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

5.1實(shí)際應(yīng)用方面最根本的問(wèn)題是對(duì)不確定性因子的合理描述。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)，直接影響進(jìn)入模型的風(fēng)險(xiǎn)因素選取、風(fēng)險(xiǎn)因子之間的相關(guān)性確定，巖土工程還只能根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)作一些定性的研究。如何結(jié)合工程背景、有限樣本、風(fēng)險(xiǎn)理論建立一套系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法，以及風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)的可視化研究，具有重要的研究意義。

5.2實(shí)際工程很難清楚確定工程的臨界情形，目前能做到的定量風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)是基于人為假定的系統(tǒng)失事。巖土工程多處于多場(chǎng)耦合作用的賦存環(huán)境，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，狀態(tài)變量眾多且特性各異，極限狀態(tài)方程往往是非線性的，為了建立合理的功能函數(shù)，需進(jìn)行失效模式的仿真研究以弄清失效機(jī)理，并研究適于材料非線性、動(dòng)力系統(tǒng)的隨機(jī)有限元算法。

5.3應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，在可靠性評(píng)估中應(yīng)用信息融合技術(shù)，以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。數(shù)據(jù)挖掘基于粗糙集理論，不需要預(yù)先給定某些特征或?qū)傩缘臄?shù)量描述，如統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概率分布、模糊理論中的隸屬度或隸屬函數(shù)等，而是直接從給定問(wèn)題的描述集合出發(fā)，通過(guò)不可分辨關(guān)系和不可分辨類確定給定問(wèn)題的近似域，從而找出該問(wèn)題中的內(nèi)在規(guī)律。粗糙集理論同模糊集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)理論一起，成為不確定性計(jì)算的一個(gè)重要分支。

6巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)用展望

盡管人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析的應(yīng)用存在多種的疑慮或偏見，但長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于巖土工程這樣的不確定性因素較多、量測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限、模型誤差大的介質(zhì)，工程師的認(rèn)識(shí)依然是從概率現(xiàn)象入手的，研究的結(jié)果和評(píng)價(jià)也須以概率的形式表達(dá)。實(shí)踐證明，利用各種不確定性研究方法，使用定量風(fēng)險(xiǎn)分析作為決策工具或傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的補(bǔ)充，在相當(dāng)程度上可給決策者提供更多的輔助評(píng)價(jià)信息。

在風(fēng)險(xiǎn)分析中，概率方法的優(yōu)點(diǎn)是能分析材料參數(shù)的變異性和其他方面的不確定性，其計(jì)算結(jié)果提高了置信程度。但并不是用一個(gè)“破壞概率”代替“安全系數(shù)”，問(wèn)題本身就完全解決了。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)邊坡穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性、大壩破壞、洪水演算、滲透等的確定性分析結(jié)果是綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的重要基礎(chǔ)。應(yīng)將風(fēng)險(xiǎn)分析與確定性分析結(jié)合考慮，共同作為決策依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉春原,閻澍旺.巖土參數(shù)隨機(jī)場(chǎng)特性及線性預(yù)測(cè)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002(05).

[2] 郭宏.談巖土工程的可靠性設(shè)計(jì)[J].山西建筑, 2002(07).

[3] 陳正貴.對(duì)巖土工程勘察方案分析的探討[J]. Chinas Foreign Trade,2010(12).

[4] 栗心輝.可靠度分析方法計(jì)算強(qiáng)夯影響深度研究[J].現(xiàn)代物業(yè)(上旬刊),2011(07).

[5] 楊漫熙.淺談強(qiáng)化巖土工程勘察的措施與手段[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2010(05).

摘要：對(duì)于巖土工程風(fēng)險(xiǎn)的分析可以用經(jīng)濟(jì)損失來(lái)表述，也可以用失效概率來(lái)表示，國(guó)外有一些先進(jìn)的巖土工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定方法，認(rèn)為巖土風(fēng)險(xiǎn)與時(shí)間和空間都是有著密不可分的關(guān)系的，巖土工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)分析也有非常高的要求，并且要根據(jù)工程師的設(shè)計(jì)得出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定結(jié)果，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析是巖土工程的基礎(chǔ)，文章就巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析及應(yīng)用進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：巖土工程；工程風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)用

巖土工程中的風(fēng)險(xiǎn)，其形成、發(fā)展、以至失事成災(zāi)，概括起來(lái)可以說(shuō)是自然與人為因素共同影響的結(jié)果，但具體來(lái)看，影響因素是各種各樣的，要正確分析各因素對(duì)工程設(shè)施的影響和各因素的綜合作用，則需涉及多學(xué)科的知識(shí)。因此，要真正對(duì)一項(xiàng)或一類巖土工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行鑒別，并提出治理對(duì)策，則必須由科研、勘察、設(shè)計(jì)、施工等多學(xué)科科技人員參加，同時(shí)要取得主管部門領(lǐng)導(dǎo)和當(dāng)?shù)厝罕姷拇罅χС?，協(xié)同作戰(zhàn)，方能作出最科學(xué)的治理決策。

1巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析方法

長(zhǎng)期以來(lái)處理巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題主要采取定值論的方法，用安全系數(shù)來(lái)表示風(fēng)險(xiǎn)程度。認(rèn)為只要采用了適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，就能保證工程的絕對(duì)安全。這雖然也是一種處理工程問(wèn)題的方法，并且已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)?？墒莻鹘y(tǒng)方法畢竟還是不完備的，它無(wú)法提供說(shuō)明工程可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。所謂可靠性是指一個(gè)系統(tǒng)在給定的條件下和預(yù)計(jì)的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能運(yùn)行的概率?？煽啃栽谙到y(tǒng)工程中占有很重要的地位，它不僅直接反映系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，而且關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的成敗。一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)往往有許多子系統(tǒng)或元件以一定的組合聯(lián)系在一起的，其中某一部分的失效都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。風(fēng)險(xiǎn)分析的目的在于既對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性作出估計(jì)，也要評(píng)價(jià)它們?cè)跇?gòu)成大系統(tǒng)的可靠性中起什么樣的作用，從而控制薄弱環(huán)節(jié)以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

對(duì)巖土工程來(lái)說(shuō)，我們可以把整個(gè)工程看成一個(gè)大系統(tǒng)，并把它分解為若干個(gè)子系統(tǒng)或單元，運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)分析的一些基本原理，分析設(shè)計(jì)所冒的風(fēng)險(xiǎn)以及在經(jīng)濟(jì)上承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)，并把所冒的風(fēng)險(xiǎn)限制在人們可以接受的限度以內(nèi)，這亦稱為風(fēng)險(xiǎn)分析。其目標(biāo)是使可能達(dá)到極限狀態(tài)的概率足夠地小，因此又稱為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

2巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的內(nèi)容

2.1巖土工程的安全系數(shù)與可靠性

在巖土工程中，安全系數(shù)FS 一般由下式定義：

式中：—系統(tǒng)有效運(yùn)行能力的估值下限；

—對(duì)系統(tǒng)需求的估值上限。

與結(jié)構(gòu)工程相比，巖土工程設(shè)計(jì)中有更多的不定性和近似性，這是因?yàn)橥恋男誀罘浅?fù)雜，人們對(duì)于影響土質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)還很不充分，因此需要比較大的安全儲(chǔ)備量來(lái)對(duì)付可能發(fā)生的偏差。

2.2巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的概率分布

利用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的累計(jì)概率函數(shù)計(jì)算破壞概率固然比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)是否符合正態(tài)分布還需進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)。

所謂擬合度檢驗(yàn)就是先假設(shè)隨機(jī)變量服從某一概率分布，然后在一定的顯著性水平上來(lái)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)假設(shè)是否可信，如果可信就認(rèn)為隨機(jī)變量符合這一理論分布。

2.3荷載的概率估計(jì)

定期停留的活荷載時(shí)大時(shí)小，為了簡(jiǎn)化實(shí)用可以假定在一個(gè)停留期間其荷載大小是不變的。當(dāng)然，每個(gè)停留期的長(zhǎng)短和停留期之間的間隔可能都是不相等的。

3巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的理論與實(shí)踐

巖體是不確定性系統(tǒng)，即實(shí)際巖土工程中存在固有的不確定性。一切不確定性因素成為巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)源，故而巖土工程的風(fēng)險(xiǎn)源研究主要集中于其中的不確定性研究。

這種不確定性包括客觀和主觀不確定性，前者主要有荷載環(huán)境的初始應(yīng)力場(chǎng)、介質(zhì)地質(zhì)環(huán)境的巖性參數(shù)、不同施工環(huán)境與條件等；后者主要由于對(duì)巖體變形破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致對(duì)巖土力學(xué)分析和模擬不足，如計(jì)算模型、參數(shù)的選取、條件的假定、簡(jiǎn)化計(jì)算、信息描述、測(cè)量精度以及設(shè)計(jì)施工數(shù)據(jù)與信息等?？傮w上涉及：隨機(jī)性、模糊性、信息不完全性和信息處理的不確切性。這些不確定性正是受體的風(fēng)險(xiǎn)源。不確定性反映在時(shí)間和空間上，時(shí)間不確定性用隨機(jī)過(guò)程描述，空間不確定性可用隨機(jī)場(chǎng)描述。

如果一個(gè)基本變量的不確定性對(duì)極限狀態(tài)有較大影響，就應(yīng)視為不確定性變量來(lái)考慮。不確定性在巖土工程中是普遍存在的，在工程的所有階段，工程師們都會(huì)遇到不確定性：如選址差或地質(zhì)包含未顯露出的弱點(diǎn)；場(chǎng)地材料特性調(diào)查不充分；需確定的參數(shù)值（強(qiáng)度，滲透性）不清；分析得到的重要數(shù)值的準(zhǔn)確性（如安全系數(shù)）等因素，這此因素影響設(shè)計(jì)的安全性。在很多情況下，含有不確定性因素的設(shè)計(jì)是在實(shí)際施工時(shí)才完成的。因此，在進(jìn)行巖石力學(xué)與工程問(wèn)題的研究、設(shè)計(jì)、施工和工程處理活動(dòng)中進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析非常必要，且意義重大。

4巖土工程基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)

巖土工程問(wèn)題設(shè)計(jì)方法可分為兩大類：

4.1依賴規(guī)范、規(guī)則、公認(rèn)的慣例設(shè)計(jì)的多數(shù)常規(guī)工程；

4.2研究長(zhǎng)期運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)，以不可能完全消除風(fēng)險(xiǎn)、以較高造價(jià)降低風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到可忽略的水平為特征。運(yùn)用可靠性分析原理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，其目標(biāo)是使可能達(dá)到極限狀態(tài)的概率足夠小，將工程風(fēng)險(xiǎn)限制在可接受的范圍內(nèi)。巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的應(yīng)用，就是對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

由于巖土工程自身的特點(diǎn)，不能將現(xiàn)有的較為成熟的上部結(jié)構(gòu)可靠性分析方法不加區(qū)別地、簡(jiǎn)單地移植過(guò)來(lái)，必須對(duì)巖土體的賦存環(huán)境及其所受動(dòng)、靜載作用效應(yīng)進(jìn)行研究，分析巖土體的物理力學(xué)特性，正確運(yùn)用概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、信息熵等理論方法，進(jìn)行不確定性描述，提出正確的概念與方法。失效概率通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量相聯(lián)系的不確定性進(jìn)行系統(tǒng)分析來(lái)求得，風(fēng)險(xiǎn)分析的相關(guān)的步驟有：（1）收集信息，確立不確定性因素；（2）模擬功能和結(jié)果，包括估計(jì)不確定性的風(fēng)險(xiǎn)；（3）收集附加信息，修正參數(shù)，在此基礎(chǔ)上做方案選擇決策。這使得設(shè)計(jì)方法更為復(fù)雜，但設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)然，在巖土工程中，概率方法不能替代傳統(tǒng)方法，它作為一種工具，只是有效地補(bǔ)充傳統(tǒng)方法。大量的設(shè)計(jì)會(huì)由工程師和業(yè)主討論直到業(yè)主（或認(rèn)知保險(xiǎn)公司）在造價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)之間尋求一個(gè)可接受的平衡，這才是真正意義上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如，邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)斷面的綜合影響因素包括：巖土體強(qiáng)度指標(biāo)、工程的重要程度、建設(shè)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)等。地基條件對(duì)土木工程反映敏感，NMH Allalaby 研究了建筑工程中地基風(fēng)險(xiǎn)對(duì)工程費(fèi)用的影響，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)衡量的場(chǎng)地效益可用風(fēng)險(xiǎn)模擬加以描述。

5巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析待研究的問(wèn)題

巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析的工程應(yīng)用，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)決策具有極大的實(shí)踐價(jià)值。但由于巖土工程本身的不確定性特點(diǎn)，其風(fēng)險(xiǎn)分析面臨更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。

5.1實(shí)際應(yīng)用方面最根本的問(wèn)題是對(duì)不確定性因子的合理描述。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的辨識(shí)，直接影響進(jìn)入模型的風(fēng)險(xiǎn)因素選取、風(fēng)險(xiǎn)因子之間的相關(guān)性確定，巖土工程還只能根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)作一些定性的研究。如何結(jié)合工程背景、有限樣本、風(fēng)險(xiǎn)理論建立一套系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法，以及風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)的可視化研究，具有重要的研究意義。

5.2實(shí)際工程很難清楚確定工程的臨界情形，目前能做到的定量風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)是基于人為假定的系統(tǒng)失事。巖土工程多處于多場(chǎng)耦合作用的賦存環(huán)境，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，狀態(tài)變量眾多且特性各異，極限狀態(tài)方程往往是非線性的，為了建立合理的功能函數(shù)，需進(jìn)行失效模式的仿真研究以弄清失效機(jī)理，并研究適于材料非線性、動(dòng)力系統(tǒng)的隨機(jī)有限元算法。

5.3應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，在可靠性評(píng)估中應(yīng)用信息融合技術(shù)，以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。數(shù)據(jù)挖掘基于粗糙集理論，不需要預(yù)先給定某些特征或?qū)傩缘臄?shù)量描述，如統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概率分布、模糊理論中的隸屬度或隸屬函數(shù)等，而是直接從給定問(wèn)題的描述集合出發(fā)，通過(guò)不可分辨關(guān)系和不可分辨類確定給定問(wèn)題的近似域，從而找出該問(wèn)題中的內(nèi)在規(guī)律。粗糙集理論同模糊集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、證據(jù)理論一起，成為不確定性計(jì)算的一個(gè)重要分支。

6巖土工程風(fēng)險(xiǎn)分析與應(yīng)用展望

盡管人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析的應(yīng)用存在多種的疑慮或偏見，但長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于巖土工程這樣的不確定性因素較多、量測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限、模型誤差大的介質(zhì)，工程師的認(rèn)識(shí)依然是從概率現(xiàn)象入手的，研究的結(jié)果和評(píng)價(jià)也須以概率的形式表達(dá)。實(shí)踐證明，利用各種不確定性研究方法，使用定量風(fēng)險(xiǎn)分析作為決策工具或傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的補(bǔ)充，在相當(dāng)程度上可給決策者提供更多的輔助評(píng)價(jià)信息。

在風(fēng)險(xiǎn)分析中，概率方法的優(yōu)點(diǎn)是能分析材料參數(shù)的變異性和其他方面的不確定性，其計(jì)算結(jié)果提高了置信程度。但并不是用一個(gè)“破壞概率”代替“安全系數(shù)”，問(wèn)題本身就完全解決了。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)邊坡穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性、大壩破壞、洪水演算、滲透等的確定性分析結(jié)果是綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的重要基礎(chǔ)。應(yīng)將風(fēng)險(xiǎn)分析與確定性分析結(jié)合考慮，共同作為決策依據(jù)。

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