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苗永阳等 结合工程实例浅谈岩土工程可靠度 9 5 结合 工程 实例浅谈 岩土 工程可靠度 苗永阳 李慧 方楹 王庆龙 张春波 1 黑龙江 省建筑 设计研 究院 哈尔滨1 5 0 0 0 8 2 沈 阳建筑大学 沈阳1 1 0 1 6 8 摘要 目 前 综合国内外情况看 采用概率极限状态设计法为原则研究岩土工程的可靠度分析方法是发 展的大趋势 但是由于岩土的变异性大 区域性强 故对其研究迟迟没有全面展开 本文结合具体的工程来对基 坑抗倾覆的可靠度进行研究 根据基坑的破坏模式 结合具体的工程实例对支护抗倾覆稳定性的可靠指标进行了 计算和分析 并根据现行规范设计方法进行校准提出了抗倾覆稳定性 目标可靠指标的建议值 关键词 岩土工程 可靠度分析方法 基坑可靠度 抗倾覆稳定性 中图分类号 T U 4 7 3 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 2 1 1 0 0 9 5 0 3 1 岩土工程可 靠度理 论的研 究现状 由于岩土工程中大量的不确定和不确知因素 研 究对象为千变万化 的 自然 错综复杂的人为影 响因 素 所以岩土工程的可靠度问题是工程可靠度问题中 一 个比较复杂的问题 故其发展落后于结构可靠度的 发展 国内国外都是这样 在国内 对于参数的统计分析也有诸多研究 高 大钊研究 了岩土参数的变异特征及其分布规律 考 虑到正态分布模型的固有弱点和局限性 建议用 分 布来拟合岩土参数分布规律 并给出了上海软土几个 主要参数的分布概率模型 建议了土的抗剪强度指标 的统计方法 在统计分析的基础上给出了地基土若干 主要指标的变异特征 提出了用经验公式估计参数时 分析可靠性的方法 导出了地基承载力及沉降可靠性 的计算方法 讨论了影响可靠性估值的各种因素 2 基坑 目标可靠指标的计算 在现阶段 通 过理 论 的方 法 来确定 基 坑 的 目标 可 靠指标难度很大 在建筑结构中通常采用 校准法 即通过对现行 规范 的大量反 复计 算 得 出现有 工程 结 构中相应的可靠指标值 此方法实际上是继承了现行 规范规定的结构设计的可靠度水准 比较可信 故 对现行的规范 设计 的沈 阳某桩 锚 支护 形 式 的基坑 截 面 进行可靠度计算 采用 校准法 分析 从而得出抗 倾覆稳定性 目标可靠指标的建议值 3 可靠指标 的计 算 现行的规范设计采用的是安全系数法 其设计原 则 的是总 抗力 不 小于 总 荷载 效应 例单 一平 均 安全 系数 定义 为 1 一荷载效应平均值 一 s 则设计 表达式 为 2 假定抗力 R和荷载效应 S均服 从正态分 布 相应 的变异系数分别为 艿 和 6 Z则功能函数为 Z R S 3 可推导出 中心安全系数 K可靠度指标 卢的关 系为 8 丝 Or Z R一 s K一1 4 式中 为功能函数平均值 or 为功能函数方差 抗力平均值 为荷载效应平均值 o r 为抗力方差 为荷载效应方差 6 为抗力的变异系数 占 为荷载 效应的变异系数 4工程 实例 根据基坑可靠度研究的现状以及考虑到各地同 一 类土的物理力学性质存在较大的差别 土的物理指 标和抗剪强度指标随着区域的不同而变化 土性参数 具有变异性大 区域性强等特点 其数据统计不能过 大 具体的岩土工程设计必须根据所处的场地土性进 行 又限于锚桩支护形式的基坑的复杂性 本文结合 辽宁省地区的某个具体的工程来进行可靠度的研究 4 1 工程地质条件 根据辽宁省抗震防灾基础资料 勘察场地在区域 地质构 造 上讲 位 于华 北地 块 内 根据 地质 构造 活动 的特 点 位 于辽北 凹陷地块 内 大地构 造上 处 于辽东 块隆与下辽河 一辽东湾块陷相交接的部位 场地地 表大部分为人工弃土 地形坑洼不平 存在未清理旧 基础 以及人为采砂形成的大坑 但总体地势平缓 局 部高低起伏较大 地面标高介于4 1 8 5 4 8 2 6 m 地 貌类型属浑河高漫滩及古河道 根据钻探揭示 场地 勘察深度范围内的地层结构 由第四系全新统人工填 筑层 Q 4 第 四系全新统浑河高漫滩及古河道 冲洪 积层 Q 组成 4 2 基坑支护工程设计 本基坑周长为 1 5 4 8 m 垂直支护长度为 3 3 9 m 其 余为自然放坡 基坑开挖深度为 1 1 8 1 6 7 m 基坑 低温建筑技术 2 0 1 2 年第 1 1 期 总第 1 7 3期 北侧 1 0 m处存在已建成的钢筋混凝土防洪堤 基坑的设计计算分为五个剖面去进行 1 1 剖面 支护方式采用旋 挖混凝土做护坡桩 附四层锚索锚 拉 桩顶设一道冠梁 桩间喷射混凝土的联合支护体 系 2 2剖面支护方式采用旋挖混凝土做护坡桩 附二 层锚索锚拉 桩顶设一道冠梁 桩间喷射混凝土的联 合支护体系 3 3 剖面采用二级 自然放坡加土钉 挂网 喷射混凝土支护方式 4 4和 5 5剖面支护方式采用悬 臂 桩顶设置一道冠梁 桩间喷射混凝土的联合支护 体系 本文只讨论基坑 1 1 剖面支护的可靠度 其具 体支护体系设计见图 1 图1 I 1 剖面圈 桩后各土层有 细砂 黏土 中砂 砾砂 圆砾可看 出 各土层 的分布厚度并不是连续一致的 为使计算 简便 现根据实际情况假设各土层的厚度是个定值 其值如表 1 所示 表 l 桩 后各土层厚 度 4 3 计算相关参数及其选取 基坑支护可靠度设计所涉及的随机变量 大致可 分为 与土性参数有关 的随机变量 主要为内摩擦角 黏聚力 c 重度 基坑外侧附加荷载 支护结构本身 的变异性 其 中基坑外侧附加荷载和支护结构本身 的变异性与摩擦角 黏聚力 c 重度 7等随机变量的 变异系数相 比非常小 对基坑 的可靠 度计算影响很 小 故可当做常量处理 根据土性参数的统计分析可知各土层土性参数 重度 y 黏聚力 c 和摩擦角 的均值 其标准差和变异 系数 根据各土层的自相关距离 进而求出方差折减 系数 r 2 日 最后根据表 1 最后可把桩后各土层厚度 点 方差转化为 均值 方差 结果如表 2 所示 表2 场地土主要物理力学性质指标统计 重度 k N m 1 8 1 黏性土 黏聚力 k P a 4 3 6 内摩擦角 1 8 8 O 8 6 9 2 3 0 0 4 O 1 5 O 2 0 4 4 桩锚支护形式的基坑可靠度计算数学模型 根据现行的设计规范 J G J 1 2 0 9 9 建筑基坑支护 技术规程 要求 本论文所研究的桩锚支护形式 的 基坑的可靠度 主要考虑 整体稳定性的验算 抗倾覆 稳定性验算以及支护结构的强度的计算 根据土性参数的统计分析和图 1 可知本基坑支护 结构底部不存在软弱下 卧层 所 以不会发生整体失 稳 从而没有必要进行整体稳定性验算 支护结构的 强度方面主要是验算排桩的强度是要保证排桩截面 具有足够的抗压 抗弯强度和抵抗剪切的能力来抵抗 土压力的作用 根据大量 的工 程实际 经验可 知很少 由 于排桩的承载力不够而引发基坑破坏 本文在此不作 考虑 所以本文只考虑抗倾覆稳定性验算 抗倾覆稳定性功极限状态方程 根据桩锚 支护形 式 的基 坑抗 倾 覆稳 定性 安 全 系 数的定义 可以推导出桩锚支护形式的基坑抗倾覆稳 定性的极限状 态方程如下 Z R S M 一M 0 5 式中 尺为抗力 s为荷载效应 M 为被动土压力 及 支点力对桩底的弯矩 对 于 内支 撑支点 力 由内支撑 抗压力决定 对于锚杆或锚索 支点力为锚杆或锚索 的锚固力和抗拉力的较小值 为主动土压力对桩底 的弯矩 p E p 1 日 F h f co s 6 苗水阳等 结合工程实例浅谈岩土工程可靠度 M E i H 7 Z M 一M E C O S O t 一 E z y c 咖 8 式中 为每层主动朗肯土压力 为每层被动 朗肯土压力 为每层朗肯土压力至桩底的垂直距 离 为锚索的锚固力 z 为锚索桩底的竖直距离 4 5 基坑目标可靠指标的计算结果的确定 通过以上所述可知安全系数与可靠指标 存在一 定的关系式 故可通过此公式可求得 目标可靠度指 标 本基坑的安全系数界限值为 K 1 2 其 目标可 靠指标的计算结果见表 3 采用 J C方法和蒙特卡洛 法 M o n t e C a r l o 法 分别计算当前基坑的可靠性指标 其计算结果见表 4 表 3 基坑目标可靠度指标计算结果 项目 可靠 度指标卢 D 破坏概率 表4 基坑可靠度指标计算结果 通过表 3可知 此基坑的目标失效概率非常小 是 为人们所能接受的 其 目标可靠度指标是合理 的 从 表4可看出当前基坑的可靠性指标口大于基坑的目标 可靠性指标 这与传统方法求得基坑 的安全 系数 1 6 6 8大于规范规定的 1 2 其结果是一致的 说明此 基坑的安全度符合规范的要求可 以看出用破坏概率 的形式给出基坑 的可靠度 比较简单 直观易于人们 接受 从表 3可看出 在同一个工程 安全系数一样的情 况下 利用 点 均值和 点 标准差计算的结果和利用 空间 均值和 空间 标准差计算的结果也有一定的 差值 后者的可靠度指标 值要要大于前者可靠度指 标 值 这说明利用 空间 均值和 空间 标准差计算 的基坑可靠度要大于利用 点 均值和 点 标准差算 的基坑可靠度 这是因为安全系数只与相关的土性 参数如内摩擦角 黏聚力 c 重度 y的均值有关 而可 靠度指标和破坏概率除与相关土性参数 的均值有关 外 也与土性参数的变异系数有关 这也说明可靠度 指标比安全系数更全面 真实反映了基坑的可靠度 5结语 本文介绍 了现阶段建筑结构 中常用来计算 目标 可靠指标的方法 即 校准法 此方法通过对现行规 范的大量反复计算 得出现有工程结构中相应的可靠 指标值 继承了现行规范规定 的结构设计的可靠度水 准 比较可信 故引用此方法计算得到本文基坑的抗 倾覆稳定性目标可靠度指标 本文基坑的抗倾覆 目标 可靠度指标为 2 5 5 相对应 的破坏概率为 0 5 4 利 用 J C法求得的基坑的抗倾覆可靠度指标为 3 1 5 相 对应的破坏概率为 0 0 8 2 说 明此基坑是安全 的 从计算结果中可以看出此基坑可靠度较高 用可靠度 指标来衡量基坑的可靠度比安全系数更全面 真实 并且用破坏概率的形式给出基坑的可靠度比较简单 直观易于人们接受 参考文献 1 陆舟 复合桩基可靠度研究 D 南京 南京工业大学 2 0 0 4 1 4 2 蔡阳 重力式挡土墙可靠度研究 D 成都 西南交通大学 2 0 0 5 3 4 3 J G J 9 4 4 9 建筑桩基技术规范 s 4 陈耀光 马骥 张东刚 等 地基承载力土性参数的概率统计 分析 J 建筑科学 2 0 0 0 1 6 2 1