钻孔桩和入户桩的承载力及可靠指标的比较

钻孔桩和入户桩的承载力及可靠指标的比较

负荷和抗压能力是分析桩基可靠性的重要统计参数。不同部门对载荷进行了大规模的统计评估，具有相对统一的统计特征，因此模型的抗压能力的统计分析尤为重要。一般情况下,桩的承载力受诸多因素影响,如不同桩径、不同桩长、不同地区、不同土层、不同施工方法等,因此很难得到数量足够多的条件相同的样本来进行统计。本文中利用《铁路桥涵设计规范》(以下简称《桥规》)经验公式计算得到的极限承载力Puj作为标准值Pk,将试桩极限承载力归一化,得无量纲变量试计比λp=试桩极限承载力的实测值试桩按《桥规》经验公式计算的极限承载力=PuPk(1)λp=试桩极限承载力的实测值试桩按《桥规》经验公式计算的极限承载力=ΡuΡk(1)对桩的实测极限侧阻QS和端阻QP,也可利用《桥规》经验公式计算相应的侧阻QSj和端阻QPj,归一化后其试计比分别表示为λQS=QSQSj(2)λQP=QPQPj(3)λQS=QSQSj(2)λQΡ=QΡQΡj(3)1统计分析方法本研究收集有静载试桩Pu值和《桥规》计算Puj值的钻孔桩试桩78根和打入桩试桩128根,算出试计比λP,λQS和λQP,进行统计分析。在分布假设检验方法中常用的有χ2法,K-S法和A2法,其中A2法对小样本变量的效果最好,χ2法要求样本容量较大,而K-S法比χ2法更精确。因此本文中采用了显著水平α为0.05的K-S法检验。1.1测量入桩拒绝极值和对数正态分布模型由前面方法计算的桩承载力试计比λP,对打入桩和钻孔桩分别绘制其频率直方图,如图1和图2。按常见的正态、对数正态和极值I型进行分布检验,结果打入桩拒绝极值I型分布,对正态和对数正态分布打入桩和钻孔桩试计比均接受,而打入桩稍偏向对数正态,钻孔桩则稍偏向正态。另外,根据试计比大于零的特点和其他研究的统计结论,桩承载力的试计比宜采用对数正态分布。由承载力试计比统计得到打入桩λP均值和均方差分别为1.16和0.20,变异系数为0.17,钻孔桩λP均值和均方差分别为1.10,0.20,变异系数为0.18,见表1。1.2桩端阻-侧阻特性的k-s法划分由试计比λQS,λQP公式可知,其值由桩端阻和侧阻的实测值与计算值求得。通过试桩资料能获得桩的极限承载力,而除桩身和桩底埋设了量测元件的情况外,一般较难直接获得端阻和侧阻的实测值,通常需由p-s曲线推求,本文中部分桩的端阻与侧阻即是由此划分的。按前面的方法得到桩端阻和侧阻的试计比,作频率直方图,见图3～图6。由K-S法分别对打入桩和钻孔桩进行分布检验,结果表明,二者均拒绝正态分布,而均接受对数正态和极值I型分布。钻孔桩侧阻试计比对正态分布的接受程度稍高于对数正态,整体上看来,两种桩的端侧阻试计比对于对数正态的接受程度最高。经统计得打入桩侧阻试计比λQS均值和均方差分别为1.21,0.27,变异系数为0.22,端阻试计比λQP均值和均方差分别为1.19,0.40,变异系数为0.34。钻孔桩侧阻试计比λQS均值和均方差分别为1.08,0.23,变异系数为0.21,端阻试计比λQP均值和均方差分别为1.30,0.53,变异系数为0.41,见表2。由上面统计可见,端阻的变异性较侧阻大得多,二者试计比的分布均可采用对数正态分布。2采用桩可靠性指数计算2.1可靠度计算方法研究中采用由土阻力决定的承载力极限状态。对于轴向受力桩该状态可用极限状态方程表示Pu−G−Q=0(4)Ρu-G-Q=0(4)式中:Pu为桩的极限承载力,kN;G为桩上作用的永久荷载,kN;Q为桩上作用的可变荷载,kN。对桩上所受荷载G,Q及抗力Pu分别统计后,由上面的极限状态方程可求得其可靠度。因桩的极限承载力采用如式(1)所示的无量纲形式,故将式(4)左侧各项同时除以Pk,得PuPk−GPk−QPk=0(5)ΡuΡk-GΡk-QΡk=0(5)又因定值法设计各变量取均值,可得Pk=K(Gk+Qk)(6)Ρk=Κ(Gk+Qk)(6)则将式(4)和式(6)代入式(5)可得变换后的极限状态方程λP−λGK(1+ρ)−ρλQK(1+ρ)=0(7)λΡ-λGΚ(1+ρ)-ρλQΚ(1+ρ)=0(7)式中:λG=G/Gk为永久荷载效应系数;λQ=Q/Qk为可变荷载效应系数;ρ=Q/G为可变荷载与永久荷载的比值,简称荷载效应比;K为现行规范的安全系数,一般可考虑取2.0。式(7)计算得到的可靠指标β,其安全水平与现行规范基本相当。2.2工程结构可靠性试验与荷载效应比的关系根据铁路桥梁荷载的统计结果,λG服从正态分布,均值为1.08,均方差为0.08,λQ服从正态分布,均值为0.96,均方差为0.04。由前面统计分析得,打入桩承载力试计比均值为1.16,均方差0.20,钻孔桩承载力试计比均值为1.10,均方差为0.20。代入极限状态方程式(7)由JC法计算得到可靠指标β随荷载效应比ρ的变化如图7。可见打入桩的可靠水准略高于钻孔桩。为了使用的方便,经最小二乘法消去荷载效应比ρ的影响得打入桩和钻孔桩的可靠指标分别为4.56和4.11,均大于“工程结构可靠度设计统一标准”(GBJ68-84)(简称“统一标准”)中延性破坏3.2和脆性破坏3.7的规定。在桩基的概率极限状态法设计中,习惯上使用分项系数,与本文中相应的总阻、侧阻及端阻的分项系数的研究可参见文献。3可靠性比分析由统计得,桩承载力的试计比宜采用对数正态分布。打入桩λP均值和均方差分别为1.16,0.20,钻孔桩λP均值和均