浅析岩土工程设计安全度计算方法与实用

【摘要】本文讨论了地基基拙设计规范米用概率机限状态设计原则的技术关键;探讨了随机场理论在地基基础设计中应用的可行性;比较了计算相关距离的几种方法; 关于相关距离的研究仅仅是开始,对它的测定、分析方法尚有待完善;希望有更多的同行参加这一工作,积累各地区、各类土的经验数据,为岩土工程概率极限状态设计方法的实用化与标准化创造条件。

【关键词】岩土工程设计；安全指标；地基基砂设计

中图分类号：TB21文献标识码： A

1 前言

八十年代,我国建筑结构工程设计发生了重大的变化,国家标准《建筑结构设计统一标准》采用了概率极限状态设计方法,以分项系数描述的设计表达式代替原来的用总安全系数描述的设计表达式。根据统一标准的规定,建筑系列的结构规范、抗震规范和地基基础规范都应采用这一设计原则。我国研究岩土工程的可靠性问题是从八十年代初才开始的,又未能及时得到有关部门的支持与资助,再加上研究岩土设计参数的概率特性比建筑材料要困难得多,需要做大量的测试与分析工作,积累足够的数据与经验,这些都需时间和条件,,在八十年代中期尚难以成熟到可以纳入规范。因此国标《建筑地基基础设计规范一》(GBJ7一89) 在当时也不可能采用概率极限状态设计方法,但主管部门在审批这本规范时要求必须与统一标准术语一致,因而在规范中也出现了地基承载力标堆值与设计值的名词术语,将用地基承载力表查得到并经修正的值称为标准值,经深宽修正后的值称为设计值。

国际发展趋势来看,土木工程设计方法正经历着深刻变化与发展,其特点是引入概率极限状态设计原则,采用以荷载分项系数、抗力分项系数描述的设计表达式。岩土工程设计也同样面临着设计技术进步的间题,岩土工程勘察必须与设计衔接协调,设计参数的测试与分析,代表性参数的选用,岩土工程评价分析都应适应这一技术进步的形势,与土木工程设计方法协同发展。由于岩土工程领域的可靠性研究滞后于上部结构,又由于岩土工程问题的特殊性,技术贮备不足以适应标准化的要求,使矛盾更加突出。如何尽快地改变上部结构与岩土工程设计原则上不协调的现状,是一个急迫的具有实际意义的问题,但尚未引起同行们的普遍关注与足够重视。本文从工程勘察角度探讨岩土工程设计安全度向题的现状、发展的技术关键、以及近年来的进展,重点讨论岩土参数的自相关特征指标的一些问题。

2 计算方法与难点

与传统的总安全系数设计方法相对应,概率极限状态设计又称为荷载一抗力系数设计方法(LRFD)。在设计表达式中各基本变量的标准值与相应分项系数的乘积定义为设计值,它是极限状态方程线上失效概率最大点的相应坐标值称为验算点坐标。这种设计表达式与习惯采用的设计式十分相似,这是为了便于工程师应用方便。分项系数是在编制规范时对各种典型情况作可靠性分析并加以优化而提出的。

可靠性分析通常用一次二阶矩法,对于一些复杂的情况也可以用其他的方法,如MOnte一Carlo模拟,高阶矩法或随机有限元方法等。岩土工程可靠性分析可以移植在工程结构可靠性分析中用得比较成熟的一次二阶矩法。与上部结构设计相比,岩土工程设计具有明显的特点,首先是研究的材料不同,上部结构所采用的建筑材料是人工制造的(如钢筋),或者是按一定要求配制的(如混凝土),在编制结构规范时可以对各种材料性能进行研究、测试统计,求得它们的平均值和变异系数,然后按一定的统计法则计算标准值,这些标准值,或乘以分项系数以后的设计值可以列在规范中,设计时按选材要求与验算的强度类别从规范查得相应的设计参数,这个过程是比较方便的。但岩土工程却完全不同,岩土材料是自然历史的产物,它的性质与位置有关,反映了地质成因与年代的影响,具有地城性的特点。因此.每个工程都要进行工程勘察,通过钻探、取土、试验或用原位测试方法提供设计参数的标准值,有些规范虽也提供一些设计参数的经验值,但只供初步设计或不重要的工程使用,不像上部结构建筑材料那样可从规范查到设计参数来设计重要工程。

3 随机场理论的应用

物理量与空间位置有关,并可用数值空间函数来描述其内在规律的集合称为场,场可分为确定性场和随机场两类。在区域D内,物理量是空间位置坐标的函数,并可用一阶偏导、二阶偏导来描述其特征,则这种场是确定性的,例如,岩土体内的应力场,位移场都是确定性场;某些岩土参数随深度有规律地增大或减小的变化规律也可看作是一维的场。如果在区域刀内,物理量是空间位置坐标的随机函数,物理量在空间每一点都具有随机的、不规则变动的特征,每一个坐标点都有一个相应的随机变量,则这个随机函数是在区域D内每一点随机变量的集合。我们虽不能用一个确切的函数关系来表达随机函数,但可以研究随机场的一些特征函数,在岩土工程分析中可以实际应用的只是一种最简单的随机场一齐次平稳的随机场,这种随机场的数学特征恰恰与岩土参数、岩土分析的物理机制是吻合的。

在可靠性计算中,设计参数的变异性指标应当采用空间均值方差而不应采用子样方差,这是用随机场模型与随机变量模型的最主要的差别。这一差别体现了两种不同的失效控制原则,在地基强度与稳定分析中,现有的设计计算方法都是建立在地基整体失稳的物理机制基础上,只验算已形成滑动面那个时刻的整体平衡。

因此无论是地基承载力问题或者是土坡稳定和土压力问题,都以整体失稳作为失效控制的原则,可靠性分析所求得的失效概率是指整体失稳事件出现的概率,而不是指地基中最薄弱点出现极限平衡状态的概率,显然用空间均值方差进行可靠性分析符合上述整体失效控制原则。

4 相关距离方面的进展

随着对随机场理论在岩土工程设计中应用的研究逐步深入,如何求解土性参数相关距离的问题引起了大家的重视,旨在寻求一种方便、实用的求解方法。求解土性参数相关距离的方法主要有5种,即递推空间法、相关函数法、半变异函数法、平均零跨距法和统计模拟法。

为了解决这个难题,人们很自然地想到了静力触探连续贯入的曲线,在连续贯入曲线上可以以不同的间距采集数据来适应不同土类相关距离具有不同范围的要求。在国外已有用静力触探研究相关距离的报导,在国内也有研究成果的报导。闰澎旺等用相关函数法、递推空间法、平均零跨距法和统计模拟法等4种方法对30个静力触探孔的连续贯入曲线进行比较研究。其结论认为统计模拟法的计算结果偏大,其余三种方法计算结果相差不多,而且都比较稳定,所以其结果的可信程度比较高。笔者认为平均零跨距法仅适用于曲线往复比较明显尹比较对称的情况,普遍性受到限制。相关函数法的计算结果与所选用的函数类型有关,例如余弦型相关函数求出的相关距离比用余弦指数型求出的大。递推空间法只要遵照按采样间距与相关距离相接近的原则进行迭代计算,其结果就比较稳定。

参考文献

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