岩土工程中地基承载力的可靠度分析

【摘要】地基承载力分析中的各参数本身均包含随机性, 因此引入可靠度分析方法非常必要,本文分析了地基承载力分析中的不确定因素，介绍了常用岩石地基承载力取值方法，探讨了土性参数概率特性对可靠度的影响和岩石强度与岩体强度的关系。

【关键词】岩土 地基 承载力

中图分类号：TU4文献标识码： A

一、前言

地基承载力分析中的不确定因素

1、土性的不确定性

地基土是经过漫长的地质年代形成的, 经历了各种各样的变化过程, 其土质特性表现出很大的变异性。同时, 由于地质勘探和现场、室内试验受到经费和设备条件的限制, 人们只能通过个别测试点的现场试验和若干试样的室内试验对土性参数作出近似的估计。大量的试验和统计结果表明, 土性参数的变异系数比一般的人工材料的变异系数要大。

2、荷载的不确定性

荷载主要包括土体的自重和上部结构作用荷载, 土体自重的变异性较小, 上部结构作用荷载根据不同的情况, 变异系数可能会起较大的变化( 特别是动荷载的变化) 。

3、测试的不确定性

岩土工程土性测试中需要控制的边界条件、初始条件和加荷条件都比较复杂, 实施起来比较困难,与实际情况的差别可能比较大, 因此, 测试结果常常不能确切地反映真实情况。

4、计算方法的不确定性

岩土工程中的各种力学计算方法不及其他工程结构的完善和成熟, 由计算方法不精确可能引起的误差较难精确估计。

二、常用岩石地基承载力取值方法现状综述

目前, 对岩石地基承载力研究仍很肤浅, 确定岩石地基承载力的方法虽然很多, 但除了现场荷载试验为工程技术人员肯定外, 其它方法的使用都不尽人意。

1、 静荷载法

该法是用于确定岩石天然地基承载力的原位测试方法.比较接近岩石真实情况, 但由于岩石地基承载力偏高, 如以直径3 0 m m 的圆形刚性压板对重庆地区常见的钙质长石石英砂岩加压也不易做到破坏毛, 且试验费用高, 工期长, 难于推广.

2、利用岩石室内试验结果进行折减确定

根据有关地基基础设计规范, 微风化和风化岩石可根据室内饱和单轴抗压强度(标准值)由下式确定: f = k ·fr :

式中f一岩石地基承载力设计值;

fr一一岩石饱和单轴抗压强度;

k - 一折减系数, 微风化岩取0.20—0.33,中风化岩取0.17 一0.25. 取其值时, 对于硬质岩石着重考虑结构面间距、产状的组合, 软质岩石着重考虑其稳水性经验系数折减法在我国广泛应用, 不足之处是: 不加区另1地一律采用饱和抗压强度为基本值进行折减往往与实际情况有较大出人, 作为折减系数, 其影响因素甚多, 未清楚说明其折减原因, 且差异较大.

3、查表法

如《铁路桥涵设计规范》岩石地基承载力部分, 它是根据岩石软硬程度及节理发育情况来确定其承载力, 不足之处在于:

(l) 岩石软硬程度划分没有很明确的概念;

(2) 节理发育程度对岩石承载力有影响, 但另一个重要因素即节理裂隙的产状未作考虑.综上所述, 确定岩石地基承载力, 虽然原位测试比较可靠, 但由于其难度、费用及施工时间的影响, 应用范围有限; 系数折减法虽然应用较广, 但由于其不确定因素太多, 范围正在缩小;而查表法尽管不全面, 但占据了很大比重, 今后也将会如此因此为了使查表法尽可能准确反映岩石地基的实际情况, 有必要对岩石地基的实际受力情况作比较准确的了解。

三、土性参数概率特性对可靠度的影响

1、随机变量的变异性对可靠度B值的影响

仅改变其中一项参数的变异系数, 如内聚力c、土的重度γ以及内摩擦角Φ的变异系数, 其值从0. 1～0. 5之间变化时, 则可靠度β的计算结果如图1 所示。

( 1) 土性参数的变异性对可靠度指标β影响很大, 且β对内摩擦角Φ的变异性的敏感性明显大于对内聚力c 的变异性和土的重度C的变异性的敏感性。

( 2) 由于计算时未改变土的内聚力c、内摩擦角Φ土的重度C以及基底压力p 的均值, 则安全系数Fs 值是不变的, 而可靠度指标β却由于变异系数的不同发生了很大的改变, 也就是说, 按定值法计算的安全系数Fs为某一定值, 由于变异系数的不同, 用可靠度理论计算的可靠度指标β值却有可能相差很大。

2、随机变量间的相关性对β值的影响

本文仅以土的内聚力c 和内摩擦角Φ的相关性对可靠度指标β的影响进行计算, 计算中假定, 在基本变量的其它统计特征值均不变的情况下, 改变c 和Φ的相关系数, 计算结果如图2 所示。

结果表明: 相关系数ρc, φ对可靠度指标β的确有一定的影响, 如相关系数ρc, φ从- 0. 5 增加到0. 5时, β从4. 00 减少到3. 09; 当c 和Φ显现正相关时, 可靠度指标β随相关系数ρc, φ的增大而减小, 当c, Φ显现负相关时, 可靠度指标β随相关系数ρc, φ的绝对值增大而增大。

由于土性抗剪强度指标c 和Φ通常存在负相关性, 因而实际应用时忽略变量间相关性的影响是偏安全的, 但若在实际工程中能取得准确的相关系数ρc, φ, 则应在计算中考虑其影响。

3、安全系数Fs 和可靠度指标β值的关系

为了讨论Fs 和β的关系, 改变基底压力p , 其它变量的统计数据不变, 则可得到相应的度Fs 和β, 结果如图3 所示。在统计参数一定时,β随Fs 的增大而增大, 呈近似抛物线增加。

四、岩石强度与岩体强度的关系

1、岩体与岩块力学性质关系

大量试验资料表明, 岩体力学性质与岩石(小试块岩体力学性质) 既有联系又有区别.岩体力学质量随着试件尺寸增大而减小, 影啊因素甚多一般说来, 与结构面密度、贯通性、延展性、组数及产状等有关. 如图5所示当试件尺寸小于。时, 试件内没有显著裂隙; 当试件为尺寸方时, 试件或多或少包含明显结构面, 如果将试件尺寸放大, 大到尺寸c 或d 时, 试件内明显含有不同产状的结构面. 试件尺寸和节理裂隙密度不同对岩体力学性质影响见表1 和图4 、图5 、图6

综上所述, 随着试件尺寸增大, 岩体单轴抗压强度将有所降低, 这是由于试件中含有的细小裂隙增多所致.岩体试件尺寸远大于岩石试件尺寸, 因此对岩体的单轴抗压强度影响甚为明显.

2、岩体强度确定

近年来通过试验研究证明闭, 小尺寸试件的强度与岩体强度之间有一定联系, 因此可用测定室内的岩石强度间接确定岩体强度, 用“ 准岩体强度” 的概念来表示,因此可以以此作为岩石地基的承载力。

图4岩体单轴抗压强度与岩体内部结构面密度关系

图5砖红色粘土岩抗剪强度与试件尺寸关系

图6岩体剪切刚度与剪切尺寸关系

节理、裂缝是影响岩体强度的主要因素，如果通过某种物理方法查明岩体中裂隙的分布情况, 便可根据岩石强度,间接确定岩体强度.试验得知, 弹性波穿过岩体时, 遇到裂隙会发生绕射或被吸收, 传播速度将有所下降或为零.裂隙存在越多, 弹性波传播速度降低越大. 小尺寸试件含裂隙少, 甚至不含裂隙, 传播速度大. 因此, 根据弹性波在试件和岩体中的速度比, 可判断岩体中裂隙发育程度, 称此值的平方为龟裂系数, 以k表示.

K=(V÷v)2

式中V — 岩体中弹性波传播速度;,

v— 岩石中弹性波传播速度.

根据各种岩体的测试结果川, 并参考表表2

表2 岩体龟裂系数k

注: 对于极坚硬岩石, 即单轴抗压强度大于60 MPa, 当节理不发育时, 其龟裂系数达0.7 以上, 此次规改主要是根据已有规范进行修改, 同时考虑到对于极坚硬岩体, 作为地基, 其承载力是绰绰有余, 故在此未作考虑. 对于单轴抗压强度低于1IMPa 的岩石可视为土, 在此也未作考.

结论

影响一个结构的安全性的因素都不同程度地存在不确定性。传统的定值设汁法采用一个总的安全系数概化这种不确定性, 而可靠度设计方法是设法定量地研究这种不确定性, 并估计它对建筑物的安全性的影响。因此, 在概率论基础上进行结构可靠性分析, 考虑各种影响因素的不确定性用概率度量结构的安全度, 将成为岩土工程研究的发展趋势。

【参考文献】

[1] 张高峰,杜海金.地基承载力的可靠度分析[J]. 岩土工程技术. 2003(06)

[2] 张高宁.岩土工程的可靠度研究浅述[J]. 水文地质工程地质. 2000(01)