超長(zhǎng)鉆孔灌注樁承載能力可靠度研究

徐洪濤，任勝建，張永秀

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088;2.北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100088)

橋梁鉆孔灌注樁樁基承載力是保證橋梁結(jié)構(gòu)安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵。近10年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技能力的提升，公路建設(shè)迅猛發(fā)展，施工機(jī)械設(shè)備性能日趨完善，大橋及特大橋型橋梁不斷修建，超長(zhǎng)鉆孔灌注樁使用量也逐步增加。然而，對(duì)于超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的承載力，無(wú)論是理論研究還是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究工作都還比較缺乏。因此，為了適應(yīng)超長(zhǎng)鉆孔灌注樁的發(fā)展，迫切需要對(duì)其承載力作出準(zhǔn)確的評(píng)估。本文對(duì)主要設(shè)計(jì)荷載組合恒載加汽車作用下超長(zhǎng)鉆孔灌注樁承載能力可靠度進(jìn)行了分析。

1 極限側(cè)摩阻力的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

主要設(shè)計(jì)荷載組合恒載加汽車荷載的主要統(tǒng)計(jì)參數(shù)及分布形式見(jiàn)表1。

表1 公路橋梁荷載參數(shù)

從概率統(tǒng)計(jì)的角度講，要對(duì)樁基進(jìn)行可靠性分析，需要數(shù)量較多、質(zhì)量較好的統(tǒng)計(jì)樣本，以使研究分析結(jié)果較真實(shí)可信。但是，由于目前超長(zhǎng)鉆孔灌注樁大噸位試樁資料不多，難以找尋，同時(shí)，由于時(shí)間、經(jīng)費(fèi)、及其它條件的限制，不可能過(guò)多進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樁的荷載試驗(yàn)。本文樁基可靠性研究所選用的試樁資料見(jiàn)表2。

表2 試樁工程一覽表 m

將各場(chǎng)地各試樁所測(cè)得的極限側(cè)摩阻力，按土類進(jìn)行分類。各類土分布頻率直方圖見(jiàn)圖1。

經(jīng)計(jì)算得到各類土按正態(tài)分布及按對(duì)數(shù)正態(tài)分布得到的實(shí)測(cè)極限側(cè)摩阻力的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表3和表4所示，并按照正態(tài)檢驗(yàn)控制系數(shù)α=0.05標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類土進(jìn)行正態(tài)分布假設(shè)檢驗(yàn)，除粉砂、細(xì)砂土類未通過(guò)這兩種假設(shè)檢驗(yàn)外，其余土類均接受正態(tài)分布假設(shè)。本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果受到樣本容量限制，假設(shè)檢驗(yàn)結(jié)果有待增加樣本容量后進(jìn)一步分析[1]。直接計(jì)算得到的各類土極限側(cè)摩阻力均值接近或超過(guò)規(guī)范高值，但各類土的變異系數(shù)較大，最大達(dá)到0.442。

2 目標(biāo)可靠度指標(biāo)確定

利用 JC法計(jì)算各類土的可靠度指標(biāo) β，并用VB6.0語(yǔ)言編制可靠度指標(biāo)計(jì)算程序。由前述可知，恒載和汽車荷載服從正態(tài)分布，各類土抗力服從正態(tài)和對(duì)數(shù)正態(tài)分布。圖2和圖3為一般運(yùn)行狀態(tài)和密集運(yùn)行狀態(tài)可靠度指標(biāo)β計(jì)算結(jié)果［2-3］。

圖1 各類土側(cè)摩阻力分布頻率直方圖

表3 按正態(tài)分布側(cè)摩阻力極限值統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表4 按對(duì)數(shù)正態(tài)分布側(cè)摩阻力極限值統(tǒng)計(jì)參數(shù)

圖2 一般運(yùn)行狀態(tài)主要組合可靠度指標(biāo)計(jì)算值

圖3 密集運(yùn)行狀態(tài)主要組合可靠度指標(biāo)計(jì)算值

由圖2和圖3可以看出，各類土的可靠度指標(biāo)計(jì)算值隨汽車荷載與恒載標(biāo)準(zhǔn)值比值ρ的增大而增大;在汽車荷載運(yùn)行狀態(tài)相同的條件下，當(dāng)土抗力按對(duì)數(shù)正態(tài)分布計(jì)算得到的各類土的可靠度指標(biāo)要比土抗力按正態(tài)分布的計(jì)算結(jié)果大50%～90%。通過(guò)對(duì)比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，在抗力按相同概率分布條件下，一般運(yùn)行狀態(tài)和密集運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算結(jié)果相差不大，說(shuō)明汽車荷載的運(yùn)行狀態(tài)不是樁基豎向承載力各類土的可靠度指標(biāo)的主要影響因素。

X由以上分析可知，樁基豎向承載力各類土的可靠度指標(biāo)受多種因素影響，影響最大的兩個(gè)因素是抗力的統(tǒng)計(jì)分布概型和汽車與恒載標(biāo)準(zhǔn)值的比值ρ。前一個(gè)因素受樣本容量制約，難以考核哪種抗力分布概型計(jì)算得到的可靠度指標(biāo)β更加合理，而選擇較大的汽車荷載和恒載標(biāo)準(zhǔn)值比值ρ，在抗力標(biāo)準(zhǔn)值一定時(shí)，汽車荷載均值與恒載均值之和就會(huì)較小。ρ取何值計(jì)算得到的可靠度指標(biāo)更加合理，本文采用最小二乘法確定超長(zhǎng)鉆孔灌注樁目標(biāo)可靠度指標(biāo)在2.3～2.5范圍內(nèi)[4]。

3 樁基承載能力分項(xiàng)系數(shù)

設(shè)計(jì)人員習(xí)慣上采用以基本變量標(biāo)準(zhǔn)值和分項(xiàng)系數(shù)形式表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式，利用分項(xiàng)系數(shù)來(lái)進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)?？煽慷戎笜?biāo)不能被大多數(shù)設(shè)計(jì)人員接受并直接引入設(shè)計(jì)，因此本文采用定值法計(jì)算承載能力分項(xiàng)系數(shù)。

將式(2)代入式(3)得

式中，Gk，Qk和Rk分別為恒載、汽車荷載及土抗力標(biāo)準(zhǔn)值;γG，γQ和γR分別為恒載、汽車荷載及抗力的分項(xiàng)系數(shù);k為折減系數(shù)，按照《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》取值[5];ρ為汽車荷載與恒載標(biāo)準(zhǔn)值的比值。

根據(jù)文獻(xiàn)[5] 得到:k=2.0，γG=1.2，γQ=1.4，代入式(4)得到不同荷載效應(yīng)比下的抗力分項(xiàng)系數(shù)，見(jiàn)表5。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)側(cè)摩阻力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以看出，按正態(tài)分布各類土的極限側(cè)摩阻力值離散性較大，變異系數(shù)在0.19～0.44之間。

2)除粉砂、細(xì)砂類土外其余各類土均接受置信度為0.05的正態(tài)分布假設(shè)及對(duì)數(shù)正態(tài)分布假設(shè)。

3)對(duì)超長(zhǎng)鉆孔灌注樁可靠度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，土抗力按對(duì)數(shù)正態(tài)分布計(jì)算時(shí)，可靠度指標(biāo)β值高于按正態(tài)分布計(jì)算的結(jié)果;一般運(yùn)行狀態(tài)和密集運(yùn)行狀態(tài)計(jì)算結(jié)果相差不大。

4)本文利用最小二乘法確定超長(zhǎng)鉆孔灌注樁目標(biāo)可靠度指標(biāo)在2.3～2.5之間。

5)按定值法計(jì)算，不同荷載效應(yīng)比下，總抗力分項(xiàng)系數(shù)平均值為1.64。

[1] 張書廷，馬嘩，王尊，等.公路橋梁鉆孔灌注樁單樁軸向承載力可靠度研究［J］.公路交通科技，1998，15(5):43-48.

[2] 李鏡培，舒翔.豎向承載樁的模糊隨機(jī)可靠度計(jì)算方法［J］. 巖土力學(xué)，2002，23(6):754-756.

[3] 吳長(zhǎng)富.杭州地區(qū)土性概率特征及單樁承載力可靠度研究［D］. 杭州:浙江大學(xué)，2005.

[4] 陳曉平，茜平一.樁基概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)中抗力分項(xiàng)系數(shù)的研究［J］. 巖土力學(xué)，1994，15(2):37-42.

[5] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T50283—1999 公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:人民交通出版社，1999.