（岩土工程专业论文）上海地区桩基承载力计算可靠性分析及设计分项系数的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国经济飞速发展，城市里摩天大楼快速涌现。桩基础作为高层建筑的 主要基础形式，承担着将地上结构荷载传递到地基的重要任务。因此，在地基 基础设计中，桩基承载力的估算显得尤为关键，对桩基承载力估算方法的可靠 性分析也是岩土工程的重要研究课题之一。 本文研究课题的背景是新一版正在修编中的2 0 0 9 版上海地基基础设计规 范中关于桩基极限承载力可靠性分析和设计分项系数的研究。通过收集了更 多的工程资料进行统计分析，本文展示了用不同方法确定桩基承载力的可靠性 差异，从而进一步分析可靠度指标与安全系数的关系，并参照欧洲相关规范， 对可靠度较高的试桩方法进行安全系数的适当调整，使得不同可靠度的承载力 估算方法对应其相应安全系数，并能保证不同估算方法均维持在相当的安全水 准之内。 确定了用可靠度指标定义安全水准后，本文根据原上海地基基础设计规 范( d g j 0 8 1 1 - 9 9 ) 中确定设计分项系数的方法，并按照新版规范的修编思路， 重新确定了参数表格和静力触探两种估算桩基承载力方法的设计分项系数。在 用推导公式计算设计分项系数的过程中，本文还通过对上海地区2 6 个场地的静 力触探资料进行统计，根据统计学相关理论，得出了桩侧和桩端承载力变异系 数的比值，弥补了原上海地基基础设计规范( d g j 0 8 1 1 - 9 9 ) 中由于缺乏工程 资料统计而对这个比值直接取1 o 进行计算的缺陷。 此外，本文还列举上海地区一个典型工程实例，通过对其场地试验资料的 统计分析和可靠度指标的计算，验证了上面得出的重要结论。 最后，本文对所做的工作进行了总结，并对下一步工作的方向进行了简要 的展望。 关键词：桩基极限承载力，可靠度指标，设计分项系数，总安全系数，安全水 准 a b s t r a e t a b s t r a c t 、i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m yo fo u rc o u n t r y , t h e r ea r e m a n yn e ws k y s c r a p e r sb e i n gb u i l tq u i c k l y a sad o m i n a n tf o u n d a t i o nt y p e ，p i l e sh a s g r e a tr o l ei nt r a n s f e r i n gf o r c ef r o ma b o v et of o u n d a t i o n t h e r e f o r e ，e s t i m a t i n g u l t i m a t el o a dc a p a c i t yo fp i l e si sv i t a l i nf o u n d a t i o np i l e sd e s i g h i n g , a n dr e l i a b i l i t y a n a l y s i so fu l t i m a t el o a dc a p a c i t yo fp i l e sb e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u ei ng e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n g t h eb a c k g r o u n do ft h ep a p e ri sr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fu l t i m a t e1 0 a dc a p a c i t yo f p i l e sa n dr e s e a r c ho fp a r t i a lf a c t o ri nt h ee d i t i n g2 0 0 9 t h r o u g hc o l l e c t i n gn e we n g i n n e e f i n gf i l e sa n dm a k i n gs t a t i s t i c a la n a l y s i s ，t h ep a p e r s h o w sd i f f e r e n c ei nr e l i a b i l i t yo fd i f f e r e n te s t i m a t i n gw a y s t h e n ，t a k i n gr e f e r e n c eo f e u r of o u n d a i o nc o d e ，t h ep a p e rf u r t h e l ye x p l a i n sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l i a b i l i t ya n d s a f e t yf a c t o r ，a n dm a k e sa p p r o p r i a t ed e c r e a s eo fs a f e t yf a c t o rf o rh i g h e rr e l i a b i l i t y e s t i m a t i n gw a y ，w h i c hm a k i n gr e l i a b i l i t ym a t c h e ss a f e t yf a c t o ra n de n s u r i n gd i f f e r e n t w a y sa c c o r dw i t ht h es a m es a f e t yl e v e l a f t e rd e f i n i n gs a f e t yl e v e la c c o r d i n gt or e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，t h ep a p e rr e d e f i n e s p a r t i a lf a c t o r so fe m p i r i c a lt a b l em e t h o da n dc p tm e t h o da c c o r d i n gt ot h em o d e ii n 1 9 9 9e d i t i o n ( 1 ) g j 0 8 - l1 - 9 9 ) a n dn e wc o n c e p ti nt h e n e we d i t i o n w h i l ec a l c u l a t i n gp a r t i a lf a c t o r sb yf o r m u l a ，t h ep a p e ri n n o v a t i v e l y m a k e ss t a t i s t i e a la n a l y s i so f2 6c p tf i l e so fs h a n g h a ia r e a , w h i c hh e l p st ok n o w m o r ea b o u to n ei m p o r t a n tv a l u e ：t h ec vr a t i ob e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e s i d e a n dp i l e t i p i n1 9 9 9e d i t i o n ( d g j 0 8 - 1 1 9 9 ) ，t h ec v r a t i ot a k e s1 0f o rg r a n t e ds i n c el a c ko fe n g i n e e r i n ge x a m p l e sa tt h a tt i m e t h ep a p e r r e m e d y st h ed e f e c ta n dm a k e si m p r o v e m e n t i nt h en e we d i t i o n i na d d i t i o n ，t h ep a p e rt a k e sat y p i c a le n g i n e e r i n ge x a m p l ei ns h a n g h a ia r e a t h r o u g hs t a t i s t i c a la n a l y s i so ft h es t a t i cl o a d i n gt e s t sa n dc a l c u l a t i n gr e l i a b i l i t yi n d e x ， t h ep a p e ra g a i np r o v e st h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o na b o v e i nt h ef i n a l i t y , t h e p a p e rs u m m a r i z e s c o n t e n ta b o v ea n dr a i s e s p r o b l e m s r e q u i r i n gf u r t h e rd i s c u s s e d k e yw o r d s ：u l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t yo fp i l e ，r e l i a b i l i t yi n d e x ，p a r t i a lf a c t o r , g e n e r a l s a f e t yf a c t o r , s a f e t yl e v e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： ：，旃 i p q 1 年月钐砂日 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 - q - 咬 乙月i e t ， ： 年 名e 签 。 者作文沦位学 第l 章绪论 1 1 研究选题 第1 章绪论 随着我国经济的飞速发展、城市化进程的不断推进，大量人员涌入城市， 城市的规模迅速增大，众多的高层、超高层建筑不断涌现。随着建筑物高度的 增加，地基所承受的荷载也相应的越来越大，这样使得工程技术人员要设法把 建筑物的荷载向纵深方向发散，以满足地基承载力的要求。桩基础就是在这种 情况下发展起来的一种具有高承载力、小差异沉降、高施工效率等诸多优点的 基础形式。桩基在各种土建工程中的使用也越来越广泛。 在上海市标准地基基础设计规范( d g j 0 8 一1 1 - 8 9 ) 即8 9 地基规范中，在 进行桩基设计时，总是使用带有经验的总安全系数法，用安全系数来表示安全 程度。以定值的观点来看，只要采用了适当的安全系数，工程的安全就得到了 保证，但事实上情况并不一定如此，总安全系数大于l 而发生破坏的工程实例 并不少见，用传统的定值方法无法进行解释，这是由于岩土工程问题往往带有 很大的不确定性【i 】： ( 1 ) 地层( 土层) 剖面与边界条件的不确定性； ( 2 ) 现场与实验室测定的岩土性质指标的不确定性； ( 3 ) 现场的应力分布与孔压分布的不确定性； ( 4 ) 外加荷载大小和分布的不确定； ( 5 ) 计算模式的不确定性等； ( 6 ) 土性的不确定性。 而在上海市标准地基基础设计规范( d g j 0 8 11 - 9 9 ) 中，开始应用概率论 和数理统计的方法来研究桩基可靠性这一随机现象规律性，利用可靠度来评价 工程的安全性，使得安全度的意义更加明确和客观。在9 9 规范应用至今将近十 年，无论从理论上还是实用上，利用可靠度来研究桩基都具有重要的意义。 尽管如此，9 9 规范桩基部分在应用概率论和数理统计的研究方法时仍然有 不足之处，例如：在研究用试桩方法确定桩基极限承载力的可靠度时，由于当 时试桩资料的限制，只采用了上海地区1 0 个场地的试桩资料，不满足统计学的 原则，因为作为随机变量的抽样必须是大量的，l o 个场地的试桩资料显然是不 第1 章绪论 足的；9 9 规范对三种估算桩基极限力的方法( 分别是试桩方法、查规范表格方 法和静力触探方法) 的可靠度进行了计算，并得出了三种方法的可靠性差异， 可是在设计表达式中，三种方法的分项系数却都是以总安全系数k = 2 来确定， 也就是说三种可靠度有差异的计算方法均以一样的安全系数来进行设计，这样 一来在实际设计中可靠度指标较高的设计方法会表现出更加高的安全水准，而 可靠度指标较低则不具有相同的安全水准，这样设计显然不合理在新的一 版地基基础设计规范即2 0 0 9 规范的修编工作中，通过上海众多设计单位的 努力，搜集了更多工程的试桩资料和静力触探资料，使得用概率论和数理统计 研究桩基承载力可靠性这一研究方法的应用显得更加体面和合理，修编小组更 加致力于9 9 规范中的不足及缺陷，在新的一版规范中进一步的完善，继承了9 9 规范原来的目的：把现行规范的定值设计方法向概率极限状态设计方法的过渡。 本文选题正是来源于上海市2 0 0 9 年新一版的地基基础设计规范的修订 中，对桩基承载力可靠性及其设计表达式的分项系数做了新的研究。 1 2 可靠度理论研究的历史、现状及方法 1 2 1 结构可靠性理论研究与发展 2 0 世纪7 0 年代，结构可靠性理论有了快速的发展，许多国家开始研究在结 构设计规范中的应用，特别是国际标准i s 0 2 3 9 4 的颁布和欧洲规范由试行规范 逐步转变为正式规范，使结构可靠性理论的应用进入一个新的时期。结构安全 性控制方法先是由定值设计法发展为半概率法，目前正由半概率法逐步向概率 极限状态设计法( 可靠度设计方法) 过渡。 以下是涉及结构可靠性的国际机构、标准和大型会议： 1 国际标准化组织i s o 与国际标准i s 0 2 3 9 4 i s o 是由世界上1 4 8 个国家组成的国际标准机构，遵循一个国家为一个代表 的原则。1 9 4 7 年2 月2 3 日成立，总部设在瑞士日内瓦。i s o 厂r c 9 8 为结构设计 基础委员会，是协调、组织建筑和土木工程领域国际标准的一个机构。该委员 会的职责是从总体上分析和协调制订有关结构( 包括钢、砖石、混凝土、木等) 可靠性的基本要求。 i s 0 2 3 9 4 ：1 9 9 8 ( ( 结构可靠性总原则为i s o t c 9 8 编制的国际标准，i s 0 2 3 9 4 ： 2 第1 章绪论 1 9 9 8 结构可靠性总原则是一本关于结构可靠性设计方法的国际标准。1 9 8 6 年 的版本只有十几页，而1 9 9 8 年的版本有六十多页，内容增加很多，有些方面的 内容也更加详尽。i s 0 2 3 9 4 在国际上有很大影响，许多国家有关规范编制、修订 都参考了该标准1 2 l 。 2 欧洲标准化委员会c e n 与欧洲规范e n1 9 9 0 ：2 0 0 2 2 0 世纪8 0 年代末和9 0 年代，在欧洲标准技术委员会c e n f r c 2 5 0 的组织 和协调下，首先编制了一套欧洲试行规范e n v l 9 9 1 一e n v l 9 9 9 。经过一段时间的 使用后，通过修订和补充，将欧洲试行规范转变为欧洲正式规范，即欧洲规范。 欧洲结构规范是一配套使用的土木工程设计规范，有英语、法语和德语三种语 言的官方版本。这套规范的第一本为e n l 9 9 0 ：2 0 0 2 结构设计基础。e n l 9 9 0 是 一本以结构可靠性原理作为指导原则的规范，其理论背景含有i s 0 2 3 9 4 。 按照欧洲标准化委员会的规定，欧洲规范作为标注为e n 的欧洲标准，它负 有必须被各成员国一级采用的责任，一旦采用后就具有国家标准的合法地位， 而其他的原有国家标准必须撤消。所以，执行欧洲规范国家的标准应包括欧洲 规范的全文1 2 j 。 欧洲标准化委员会c e n 与国际标准化组织i s o 有着极其密切的关系。根据 1 9 9 1 年i s o 和c e n 之间缔结的维也纳协定，对于c e n 先行制定的标准，i s o 将不再另行制定，用c e n 制定的标准作为i s o 相应部分标准的草案。勿容质疑， 像欧洲规范这样的地域性标准改为国际规范的做法将会受到世界各国的关注。 3 国际结构安全度联合会j c s s 与概率模式规范 1 9 7 1 年，协调六个国际土木工程协会活动的联络委员会创建了国际结构安 全度联合会j e s s 。j c s s 先后起草并出版了多个有关结构安全性的文件，这些文 件成为编制不同类型结构设计和建造指导文件的背景材料。 j c s s 一直致力于编制一本概率模式规范，其目的是探讨直接用概率原理 对结构进行设计的方法。除概率模式规范外，j c s s 还在编制已有结构评 估规范。尽管j e s s 编制的规范不是正式的规范，但这些文件及其中的方法对 有关国际标准和规范( 如i s o2 3 9 4 、e n1 9 9 0 等) 编制和修订起了重要参考作用。 4 国际结构安全度与可靠度协会i a s s a r 和国际会议i c o s s a r 国际结构安全度与可靠度协会( 认s s a r ) 是一个专门从事结构随机性、安 全度和可靠度研究、教育和将可靠性理论转化为工程应用的国际机构。该协会 自1 9 6 9 年由结构可靠度研究先驱f r e u d e n t h a la m 教授创始以来，共组织了8 次 第l 章绪论 国际结构安全度和可靠度的大型会议( i c o s s a r ) 。每次会议都出版一套关于结 构随机性、可靠性的论文集。为了表彰一直从事可靠性研究并做出杰出贡献的 学者，每次会议期间还针对上述6 个研究领域评选出一个i a s s a r 杰出研究奖和 一个i a s s a r 青年研究奖。除研究奖外，每次会议还评选出一个在可靠性教育、 将可靠性理论转化为工程应用方面做出突出贡献的i a s s a r 特别贡献奖【2 】。 5 土木工程风险与可靠度协会c e r r a 和统计与概率应用国际会议i c a s p 统计与概率应用国际会议( i c a s p ) 是一个由土木工程风险与可靠度协会 ( c e 乙) 资助的国际大型会议，每4 年举行一次，其宗旨是为工程师、科学 家、教育家、研究人员和从事工程实践的人员提供一个信息交流的舞台，会议 主题包括所有土木工程方面的风险和不确定性管理。 1 2 2 岩土工程可靠性理论的发展和应用 由于岩土工程中大量的不确定性问题及不确知因素的存在，岩土工程的可 靠性问题是工程可靠性分析研究中一个比较困难的问题，它的发展远落后于结 构可靠度的发展。现将国内外岩土工程基础工程领域可靠性理论研究介绍如下： 岩土工程是可靠性理论应用的一个重要领域。早在1 9 5 6 年，卡萨格兰特 ( a c a s a g r a n d e ) 提出了土工和基础工程中计算风险的问题。从2 0 世纪6 0 年代 起，h o o p e r 、p d l u m b 、m e y e r h o f 、松尾稔等人开始了关于土的性能统计性质 的研究和资料收集。 7 0 年代对土性参数概率统计分析进入一个新的发展时期，从1 9 7 2 年开始， 有许多有关统计学和概率论在土工和结构工程方面的应用的相关论文不断发 表。由国际标准化组织岩土工程技术委员会( i s o 厂r c l 8 2 ) 主持编制的国际标准 ( 草案) 中规定采用极限状态设计原则和分项系数方法，并对各级岩土工程提 出了可靠性指标的建议值，这是岩土工程中可靠性研究进入实用阶段的标志。 1 9 7 5 年l u m b p 首次提到土的空间变异性概念，1 9 7 7 年e h v a n m a r c k e 提出了 土层剖面的概率模型，1 9 8 1 年m e y e r h o f g g 在他的一篇论文中总结了岩土工程 中极限状态设计方法，讨论了变异性、总安全系数和分项安全系数等问题。 8 0 年代内，可靠性理论在土工中的研究领域进一步扩大，除了土性参数和 边坡外，内容涉及近海洋平台基础、锚桩、挡土墙以及基础的破坏模式和计算 模拟的不确定性等。关于沉降，据松尾稔介绍，以e h v a n m a r c k e 和c a c o m e l l 4 第l 章绪论 为主的麻省理工学院研究小组取得较大成果；对于软土地基上的填土、天然及 人工边坡、开挖地基等破坏问题或沉降观测问题，作为整个系统考虑的可靠性 设计已经导出固定的公式。 7 0 年代开始，国际上都不定期地召开有关统计学和概率论在土工和结构中 应用以及岩土工程中概率分析方法的各种会议。1 9 9 3 年5 月在丹麦哥本哈根召 开了岩土工程极限状态设计国际学术会议，收集的论文中都涉及到极限状态设 计分析的各个方面。在1 7 7 3 年c o u l o m b 基于极限状态的考虑，推导了粘性土上 路堤的垂直界限高度；1 8 5 7 年r a n k i n e 提出了主动和被动土压力极限状态；1 9 4 3 年t e r z a g h i 指出了岩土工程极限状态问题中的两大类，即稳定问题和弹性问题。 世界上第一部极限状态标准是1 9 5 6 年的丹麦基础工程标型3 1 。 在规范编制方面，波兰p n 8 3 1 3 0 2 4 8 2 和前苏联c i - d i l l 2 1 0 2 8 5 桩基规程， 均规定桩基要按照承载能力和正常使用两种极限状态进行计算，并给出了有关 分项系数数值，加拿大的“岩土工程手册”采用了兼容并蓄的方法，同时列出 总安全系数和建立在概率理论上的分项系数法。欧洲地基基础规范蓝本系统 全面地论述了基础工程问题，并规定采用极限状态法的分项系数表达式进行设 计。 国内岩土工程可靠性理论的发展主要有以下方面： 国际上对岩土工程可靠度的研究始于5 0 年代末，t h w u ，g i n g l e s 等曾先 后应邀来我国讲学，介绍了国际上岩土工程可靠度的研究动态，引起了国内同 行的注意，我国于七十年代末开始了岩土工程可靠度的研究。 虽然起步较晚，但是发展较快，也很活跃。不过在某些领域里其发展较慢， 如在岩石方面开展研究较少，土动力学方面尚正在起步。经过二十多年的发展， 在这方面出了不少专著和发表了不少论文，其中有系统性论述的，有关沉降概 率分析，有关于岩土参数概率模型的，有关于渗透问题的和有关岩土参数的统 计规律的，它们集中反映了我国岩土工程可靠性研究领域的进展情况。 岩土工程可靠度基本理论方面：高大钊( 1 9 8 3 ，1 9 8 4 ) 连续在岩土工程 学报系统地介绍了岩土工程可靠度的基本原理和分析方法；并于1 9 8 9 年出版 专著土力学可靠性原理。包承纲( 1 9 8 4 ，1 9 8 9 ，1 9 9 2 ，1 9 9 7 ) 对岩土工程可 靠性的基本原理、分析方法作了极为细致、深入地研究，1 9 8 9 年，由长江科学 院包承纲教授牵头成立的“岩土工程可靠度可行性研究攻关组，进行了历时三 年的研究，标志我国岩土工程可靠度研究从应用研究转为实用化研究。 第l 章绪论 在岩土性状及参数统计方面：高大钊对土性参数的统计分析、概型拟合、 不确定性分析的方法、土性随机场模型的应用等方面进行了深入地研究；张庆 华、包承纲( 1 9 9 7 ) ，对岩土工程可靠度分析中的土性随机场模型、土工试验数 据整理与分析方法、土性相关距离的分析等方面进行了研究；包承纲( 1 9 8 5 ) 、 张广文、刘令瑶( 1 9 9 5 ) 对b a y e s 原理在岩土工程中以及确定随机变量概率分布 参数方面，进行了探讨。 在地基承载力方面：熊启东、高大钊( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 运用汉森公式，对上海 地区地基承载力的可靠度及分项系数进行研究；闺澎旺、陈环( 1 9 8 8 ) 分析了 倾斜荷载下地基承载力的可靠度问题；张维秀、盛重文( 1 9 8 9 ) 对重力式码头 的地基承载力可靠度问题进行分析。 在地基固结与沉降方面：李国周、欧阳葆元( 1 9 9 2 ) 研究了软土地基固结 与沉降特性；包承纲、吴天行( 1 9 8 5 ) ，基于e 1 9 p 法，用概率方法分析了多层 地基的沉降；李镜培( 1 9 9 6 ) 研究了地基沉降的随机特征；陈晓平、俞季民( 1 9 9 2 ) 运用概率分析方法，研究了地基非均匀沉降的问题；刘宁等( 2 0 0 0 ) 较全面地 介绍了地基沉降的概率可靠度计算方法，并介绍了随机有限元法在地基沉降和 可靠度计算中的应用，对随机有限元沉降分析中的随机场问题进行了评述【4 j 。 上海岩土工程可靠度研究是国内开始较早的地区：7 0 年代末，俞调梅教授 主持邀请美国吴天行教授到同济大学讲学，重要内容之一就是可靠度研究在岩 土工程中的应用；1 9 8 3 年，郑大同教授受中国力学学会岩土力学专业委员会的 委托在同济大学召开了概率论与统计学在岩土工程中的应用专题学术座谈 会，1 9 8 6 年夏，钱寿易教授在长春主持“岩土力学参数的分析与解释”学术讨论 会以及1 9 8 9 年在上海举行的“岩土力学新分析方法 讨论会都推动了岩土工程 可靠度理论研究的进展。 近十几年来，同济大学岩土工程研究所先后承担了“桩基础的可靠性研究一、 “上海土性指标概率特性与地基基础可靠度的研究等多个科研课题，推动了 岩土工程地基基础工程领域可靠度理论研究的发展。 二十多年来，我国的岩土工程可靠性研究发展较快，在许多领域都取得了 丰硕的研究成果。特别是，已有上海、天津两地将概率极限状态设计方法用于 地基基础设计规范，并已经实施；1 9 9 9 年初，两地规范编写专家组会同各地专 家，在上海举行了“可靠性理论在地基基础规范中的应用专题讨论会，共同 交流了地基基础可靠性研究进入实用阶段的经验。 6 第1 章绪论 按照概率论与数理统计方法在岩土工程中的应用情况，可将岩土工程可靠 度分析划分为四个水准： 一是“半经验半概率法，运用数理统计方法考虑不确定性的影响，通过引 入一些经验修正系数对设计表达式进行修正。 二是“近似概率设计法。可近似给出破坏机制的失效概率。次二阶矩法 中的中心点法、验算点法以及实用设计法中的中心安全系数法和分项系数法等 都属于该水准。 在岩土领域，第一个建议对荷载和土参数使用分项系数的是h a n s e n ，经过 修改，这种分项系数方法被1 9 7 8 年和1 9 8 5 年丹麦的基础工程实用规范采用。 如我国目前使用的建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 、岩土工程勘察 规范( g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 ) 等都处于这一水准，国外最近的一些应用包括加拿大基 础工程手册的第3 版、土工指南的第2 版和欧洲规范7 。 三是“全概率法。特点为运用概率统计理论，得出极限状态方程中所有不 确定性参数的联合概率分布模型，可以此求解真实失效概率。可靠性分析中的 采用的m o n t e - - c a r l o 模拟法、多重降维解法，可以视为该水准基础上的近似算 法。只有在分析比较理想条件下的简单问题时，真正属于该水准的可靠性分析 计算才能实现。 四是“广义可靠性分析 。即不仅分析设计阶段的安全性与失效概率，还应 同时考虑经济效益和社会效益，吸收建筑经济学中有关费用与效益分析的理论 和成果，分析竣工后工程体系破坏引起经济损失的期望。 岩土工程本身是一门综合学科，是一项系统工程，包括岩土工程勘察、设 计、施工、监测和运营各个环节，将系统可靠度理论、全概率理论和广义可靠 度理论引入和应用到岩土工程，是一项长期而艰巨的任务。 总的说来，岩土工程可靠性的研究正在向着深度和广度方向发展，尽管实 际工程应用的不多，相信随着研究的深入，工程中的应用会越来越多。有关这 个问题，目前在岩土工程可靠性研究方面应以提供工程师们习惯使用的图、表 等形式，提供简化的、易于使用的可靠性分析方法为主【1 8 l 【1 9 【2 0 】【2 l 】1 2 2 】。 1 2 3 桩基工程可靠性理论研究与现状 在建筑结构领域中，尽管建筑地基基础设计规范也采用了设计值、标 7 第1 章绪论 准值等术语，但在本质上并没有引入可靠性设计；在上部结构采用可靠性设计 已形成不可逆转的情况下，如何在地基基础方面加强可靠性研究，改变上下脱 节的现状是一个急待解决的问题。 在桩基础的设计计算中，主要有两种设计方法：一是基于容许承载力的定 值设计方法，二是以概率理论为基础的极限状态设计法。定值设计法是传统的 桩基设计方法，该法将荷载和抗力看成不变的定值，根据经验确定的安全系数 来度量桩基的安全度，上述安全系数可以用来作为描述工程安全的准则，但它 的大小并不能对工程的安全性给出定量的意义。以概率理论为基础的可靠性设 计法采用可靠性指标或失效概率作为衡量安全度的指标，考虑了桩的不确定性 因素，使得安全度有了明确的定义和定量的描述。2 0 世纪六十年代末期到2 0 世 纪七十年代，可靠度理论在其它领域的应用尤其是结构工程中的应用，促进了 可靠度理论在岩土工程领域的发展。 国外关于桩基可靠度分析的研究始于2 0 世纪7 0 年代末，主要对桩的承载 力、桩基荷载、桩周土性参数、抗拔桩以及水平受荷桩等进行破坏概率及可靠 性分析。w h t a n g 等( 1 9 8 8 ，1 9 8 9 ，1 9 9 2 ) 对近海工程中桩基的承载特性、影响桩 基承载力的不确定性因素、系统可靠度进行了较为细致地研究；k s l i & s - c i l l o ( 1 9 9 1 ) 提出了按照概率极限状态方法对桩基工程进行设计的初步思路； r y l i a n g ( 1 9 9 7 ) 将概率分析方法应用于沉桩的动力分析与控制中。 在美国，a a s h t ol r f d 2 0 0 2 桥梁设计规范基础设计，最大特点是废除了 容许应力设计法和消除了与上部基础荷载系数的不协调性。抗力系数是根据经 验判断、对容许应力法进行校准和可靠度分析综合确定的。在美国规范a p ir p 2 a l r f d ( 1 9 9 3 ) 中，将基础看作基于可靠度设计( i m d ) 校准的一个构件， 假定桩承载力的变异系数为2 0 ，综合抗力参数偏离一个标准差【2 3 】【2 4 1 2 5 1 。 国内桩基可靠性的研究开始于八十年代后期，研究工作一直比较活跃。 从国内情况来看，对桩周土性参数、桩的承载力、抗拔桩以及水平受荷桩 等分析方法和进行概率及可靠性分析。陈忠汉、高大钊( 1 9 8 8 ) 提出将桩侧分 层土极限摩阻力假定为静力触探比贯入阻力与土层埋藏深度的函数，用多参数 最优解法，求桩侧分层土的极限摩阻力；李启信等( 1 9 8 9 ) 对桩侧土参数的概 率模型进行分析，应用随机场的理论，考虑土的变异性以及由抽样所带来的误 差，提出一种分析粘性土中桩基承载力的概率分析方法；高大钊、曾朱家( 1 9 9 1 ) 基于试桩资料的统计方法，分别估计桩端阻力和分层土桩侧摩阻力的分项系数， 8 第l 章绪论 为规范的编制提供了基础资料；洪毓康等( 1 9 9 3 ) 对大量的试桩资料进行统计 分析，着重考虑了桩的入土深度及较软持力层对承载力的影响，编制了新的打 入桩竖向承载力参数表。 同济大学岩土工程研究所土力学教研室，作了较多有关地基基础和桩基础 相关的可靠性研究【2 6 j 1 2 7 1 ，于九十年代初，承担了上海市建设委员会下达的科研 项目“桩基础的可靠性研究，该项目研究工作历时四年，共提出了十四篇论文 和研究报告。该项目结合上海市的工程地质条件，研究桩基础的可靠性设计方 法，收集了大量实测资料，对上海地区预制桩的设计参数进行了统计分析，为 可靠性分析提供了大量数据，在研究分析方法的基础上，针对实用设计方法的 要求，提出了确定分项系数的各种方法。 在规范编制方面，1 9 9 0 年1 月颁布的建筑地基基础设计规范( g b j7 - 8 9 ) 按统一标准的要求对原规则作了较大的修改和补充，对各种指标基本上给 出了标准值与变异系数的计算公式。1 9 9 4 年，颁布的建筑桩基设计规范( j g j 9 4 9 4 ) 规定按概率极限状态进行设计，考虑承载能力和正常使用两种极限状 态，采用分项系数和重要性系数表达的极限状态设计表达式进行计算。 在建筑桩基设计规范中，可靠度通过分项系数和桩基重要性系数来体 现：在极限状态设计表达式中，以定值的基本变量标准值和定值的分项系数来 代替随机的基本变量进行桩基设计，当分项系数取用某值时，使采用表达式设 计与采用概率设计法设计所得到的可靠指标的误差最小；根据建筑结构设计 统一标准对建筑物安全等级的划分原则，即一级建筑物比二级建筑物的可靠 指标值增加o 5 ；二级建筑物比三级建筑物的可靠指标值增加o 5 ( 值增加0 5 相当于运算失效概率减少一个数量级) ，结合桩基损坏造成建筑破坏后果的严重 程度，建筑桩基的安全等级也划分为三级。不同等级建筑桩基的可靠度通过设 计表达式中的重要性系数的不同取值来体现( 2 8 l 。 我国桩基可靠性的研究成果大致可以归纳为以下几个方面【2 8 】【冽【3 3 】【3 4 1 ： ( 1 ) 桩周土性参数方面：用统计方法和概率模型对桩侧抗力进行研究。包 括李同田、陈忠汉、李启信等人的研究，主要文献有：用统计学方法确定桩侧 抗力的统计量、粘性土地基固结的空间概率特性、土层的概率模型及其桩 基分析中的应用等。 ( 2 ) 桩基承载力方面：对单桩极限承载力和桩身强度进行可靠性研究，并 在分析中考虑参数的相关性。另外针对各地区的具体情况和现行设计方法，对 9 第l 章绪论 桩基承载力的分项系数进行研究。包括高大钊、李同田、李镜培、曾朱家、赵 春风、王新波、郑建国等人的研究，主要文献有：上海土性指标概率特性与地 基基础可靠度的研究、竖向承载桩的可靠性研究、上海地区桩基可靠性研 究、群桩体系可靠性的分析方法研究等。 ( 3 ) 沉桩方面：对现行预应力钢筋混凝土桩的沉桩工艺进行可靠性分析， 并给出了沉桩时各种规格桩的可靠指标值和失效概率值。研究人员有吴佳多、 方兆麟等。 ( 4 ) 受上拔荷载的桩基方面：建立抗拔单桩承载力可靠度分析中土的抗力 模型，并对随机变量的分布类型与统计参数进行研究。 ( 5 ) 承受水平荷载的桩基方面：对水平恒载作用下的长桩进行可靠度分析， 并对桩头简支和固支两种情况进行比较【5 】。 在规范编制方面，1 9 9 5 年我国颁布了建筑桩基技术规范( j g j 9 4 9 4 ) ， 1 9 9 9 年颁布了上海市工程建设规范地基基础设计规范( d g j 0 8 一l1 - 9 9 ) ，1 9 9 9 年1 9 9 9 年颁布了港口工程桩基规范( 盯j 2 5 4 9 8 ) 。在这些规范中，对桩基和 地基基础设计均采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法，并以分项系数 表达的极限状态设计表达式进行计算，标志着我国的桩基可靠性研究己开始进 入实用阶段【4 2 1 1 4 3 1 ( 4 4 1 。 1 3 本文研究的主要内容 本文选题在1 1 章节中已提到，来源于上海市新一版2 0 0 9 版上海地基基 础设计规范修编中桩基极限承载力部分。 在9 9 版上海地基基础设计规范的桩基设计计算中已采用了带分项系数 表达的极限状态设计公式，本次规范修编桩基设计表达式原则上保持不变。原 规范在二十余年积累的预制桩资料的基础上，进行了预制桩不同计算方法( 即 试桩方法、查表方法、静力触探方法) 可靠度水准的校核工作，计算得到了预 制桩不同计算方法可靠性指标；并初步给出了查表方法和静力触探方法预估单 桩极限承载力的桩侧阻力和桩端阻力的分项系数。本次规范桩基竖向承载力计 算方法修订的原则总体上与原规范保持一致，主要基于以下两方面进行局部调 整： 1 结合本次规范修编收集的新工程试桩资料，对原规范可靠度分析作进一 l o 第1 章绪论 步分析研究。由于位于同一场地、同一种规格且载荷试验最大达到地基土的极 限支承力的试桩数量一般不多，统计场地的变异系数相当困难。原规范从众多 的试桩资料选出同种条件试桩数量3 组以上试桩资料，共计l o 个场地3 5 组预 制桩资料。在众多参加单位的共同努力下，本次规范修编共收集到2 2 个场地l ll 组预制桩资料、1 0 个场地3 7 组灌注桩试桩资料和2 6 个场地静力触探资料。本 次规范修订以这些资料作为桩基础竖向承载力计算方法可靠度分析的基础。 2 本次规范修编对灌注桩极限桩侧阻力和桩端阻力的参数表也进行了适当 调整，因而需要结合本次修改后的灌注桩承载力表格作相应的可靠性分析。 3 在地基承载力极限状态计算中，本次规范修编对恒载和活载分项系数的 规定与原规范不同，对其作了修改( 即恒载和活载的分项系数均取1 o ) ，不同 于原规范恒载和活载分项系数分别为1 2 和1 4 ，因而在桩基可靠度分析中需要 作相应修改。 基于以上几方面原因，本次桩基竖向承载力计算方法可靠度分析工作主要 有：一是对不同桩基承载力的计算方法( 即试桩方法、查表方法、静力触探方 法) 进行可靠度水准的校核工作，原规范这方面的工作仅做了预制桩部分，本 次除了需要对预制桩方面进行调整外，还对灌注桩的试桩方法和查表方法进行 研究；二是根据三种承载力确定方法可靠度的计算结果，再综合目前桩基设计 情况，分析调整三种承载力确定方法的设计安全水准( 总安全系数) ；三是在确 定的设计安全水准基础上，对桩侧阻力和桩端阻力的分项系数作进一步的研究 工作。本次规范修编还拟在原规范工作基础上对计算分项系数时所需的桩侧阻 力和桩端阻力的变异性系作深入的研究工作，主要是结合本次规范修编收集的 静力触探资料研究二者的变异性，并进一步寻求桩基承载力更为合理的分项系 数。 本文主要基于新规范修编的以上三个不同点，对新收集工程资料展开新的 分析研究。 第2 章可靠性分析方法的基本理论 第2 章可靠性分析方法的基本理论 2 1 极限状态方程 2 1 1 总安全系数设计法的缺陷 定值设计法的代表是总安全系数法，这种方法在工程实际中应用了很多年， 目前在很多涉及方法中仍然引用着。总安全系数法的实质是把需求和能力都看 作为定值，如需求为d ，能力为c ，那么总安全系数k = c d 。从这个式子可 以看出，只要k l ，工程就“绝对安全，不会出问题。然而，实际工程上有不 少工程，涉及中k 值都大于1 ，有的还相当大，达到3 左右，却出了问题。究其 原因，很大程度上都是在具体计算中把不定的因素当成定值进行了计算。另外， 但从k 值来看，如有两个工程，足值大的会比k 值小的“安全。实际上，我们 知道并非如此。其三，既然k 值表达“安全一程度，在同一类工程中的k 的数 值就应一样，实际情况亦非如此。工程师们在进行设计时，一方那个面要用定 值方法，另一方面又要考虑工程的种种不确定性，不同工程师会根据个子不同 的经验取用不同的k 值。 实际上，不论是需求d ，还是能力c ，都在一个区间波动，都是随机变量， 它们都遵循一个区间波动的( 如图2 1 ) 。总安全系数法，实际是把本有波动的 量用其均值来代替，然而由图2 2 可知，当实际情况要是落在阴影部分时，已不 芦 “安全( 尽管中心安全系数k = 善 1 ) 。 第2 章可靠性分析方法的基本理论 概 室 密 度 函 数 0 d c 图2 1 需求与能力的分布模型 j l f ( s m) s m ， l 一 | j 刃刃 0 s ms m = c d 图2 2s m 的分布 2 1 2 极限状态方程和失效概率 为了研究上面的情况，我们设另一个量s m ( 称为安全储备) ，其值为： s m = c - - d 0 ( 2 1 ) 即为能力和需求之差，不过现在的c 、d 都非定值，而是按各自的规律按某 种方式在一定范围内分布着，这样s m 亦不是定值，它也是一个随机变量，我们 把对应于s m 为0 的情况下方程( 1 ) 称为极限状态方程，当s 0 时，则为不安 全情况或称为失效情况。 由于d 、c 均为随机变量，因而s m 也为随机变量，这样就可以用概率论和 数理统计的方法来进行分析，我们把对应于s m 0 的情况占所有情况的百分比 称为失效概率，换句话说，失效概率即为安全储备( 泓) 小于零等于零的概率， 用只表示： 异= p t s m 0 】= 尸【c d 】 ( 2 2 ) 在图2 一l 、图2 2 中，失效概率即为阴影部分面积。如已知能力和需求的 概率密度函数，则可算出失效概率： 卑= 何c d 】= e 【仁z ( c ) 犯忱( d ) 扣= j ：f c ( d ) f d ( d ) d d ( 2 3 ) 式中层( d ) 是能力c 的累积概率分布函数，厶( d ) 是需求d 的概率分布函 数。算出了尸，求出可靠度： p = 1 一弓 ( 2 4 ) 如能力和需求都符合正态分布，则安全储备必是正态分布，这是失效概率 第2 章可靠性分析方法的基本理论 为： 纠叫麓】1 【赫】 ( 2 5 ) 心o ：+ a 备心k v ；+ v ； 式中、仃d 分别为能力c 和需求d 的标准差，而为标准正态分布的累 积分布函数，k 为中心安全系数(