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使用基于分位数的一级二次矩法进行边坡可靠性和敏感性分析
Efficient slope reliability and sensitivity analysis using quantile-based first-order second-moment method
1. 主要摘要
本文提出了一种基于分位数的一级二次矩法（QFOSM），用于边坡可靠性和参数敏感性分析。通过几何方式解释了QFOSM的基本原理，并扩展了该方法用于评估边坡系统中各种不确定参数的敏感性指数和重要性。QFOSM具有计算简单的优点，精度接近一级可靠性法（FORM），但不需要复杂的优化或迭代过程。通过数值示例和三个边坡示例展示了该方法的性能，结果表明该方法在可靠性估计和参数敏感性分析方面具有显著的计算效率优势。
2. 引言
边坡系统中存在多种不确定性，例如土壤性质的测量误差和不确定性。传统的基于单一安全系数（FS）的边坡稳定性评估方法不足以应对这些不确定性，可能导致边坡设计存在风险。为此，可靠性分析方法被引入以评估不确定因素对边坡稳定性的影响。虽然采样法等方法可以处理这些问题，但它们的计算成本高昂。本文提出的QFOSM方法通过简单的分位数搜索算法来计算边坡可靠性指数，并用于敏感性分析，提供了一种计算效率高的替代方法。
3. 主要内容
1.QFOSM的几何解释：本文从几何角度解释了QFOSM，通过扩展椭圆的方式分析了其与FORM在z空间和y空间中的差异。QFOSM通过在物理空间中对随机变量进行分位数搜索，确定临界点，并近似计算失效概率。其实现步骤简单，不需要使用复杂的优化算法。
2.敏感性分析：QFOSM不仅可以估算可靠性指数，还可以基于计算的中间结果获得各个不确定参数的敏感性指数。与FORM相比，QFOSM在处理相关随机变量时具有更高的计算效率，并且无需转换到标准正态空间。
3.数值示例与边坡应用：
（1）数值示例：采用线性极限状态函数，通过蒙特卡罗模拟、FORM和QFOSM对比，展示了QFOSM在可靠性分析中的计算效率和准确性。
（2）边坡实例：包括均质黏土边坡和含有弱带的边坡实例。通过有限元和有限差分法建立的边坡模型验证了QFOSM在复杂边坡中的应用，结果表明QFOSM能够有效识别非贡献性变量，并显著减少计算成本。
4.方法讨论：QFOSM在多模式失效的边坡问题中可能会高估可靠性，因为它只能识别单一的失效模式。对于复杂的三维边坡问题，QFOSM仍显示出比FORM更高的计算效率和接近的可靠性估计。
4. 主要结论
本文通过QFOSM提供了一种高效的边坡可靠性估计方法，计算简单且精度接近FORM。QFOSM不仅能够进行可靠性分析，还能够通过敏感性分析识别边坡系统中的关键不确定参数，尤其适用于大规模三维边坡工程。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
