機(jī)場(chǎng)跑道軟土地基處理方案的可靠度分析

麥銳新 李 劍

（武警水電第八支隊(duì)，福建 廈門 361009）

一、可靠度分析的概念

工程的可靠度是指在特定的條件及時(shí)間內(nèi)，工程可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的能力[1][2]。在實(shí)際工程研究中，為了保證結(jié)構(gòu)物的可靠性，通常要針對(duì)其組成材料、使用環(huán)境、施工方法等各方面著手，針對(duì)其可能存在的不確定因素做出研究，再結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方法將這些不確定因素和結(jié)構(gòu)物的可靠性聯(lián)系起來，即可靠度的分析理論。由此可見，在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，與設(shè)計(jì)相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)或者變量要先做考慮；此外，在施工及使用過程中，要對(duì)結(jié)構(gòu)物的極限狀態(tài)做進(jìn)一步的明確，以該極限狀態(tài)來判斷結(jié)構(gòu)物是否處理一個(gè)安全、耐久、適用的狀態(tài)，即其是否可靠。一般而言經(jīng)常采用功能函數(shù)Z=g(X1,X2,……Xn)描述結(jié)構(gòu)物的工作狀態(tài)，其中X1,X2,……Xn為結(jié)構(gòu)物的隨機(jī)變量；假如Z<0，表示結(jié)構(gòu)物處理失效狀態(tài)，反之則處于安全狀態(tài)。極限狀態(tài)方程表達(dá)式為：Z=g(X1,X2,……Xn)=0。

二、機(jī)場(chǎng)跑道軟土基可靠性分析方法

（一）堆載預(yù)壓法

通過堆載預(yù)壓法進(jìn)行地基的沉降處理，對(duì)其可靠性進(jìn)行計(jì)算時(shí)，首要考慮一點(diǎn)即為地基沉降極限狀態(tài)方程的建立方法[3]。在機(jī)場(chǎng)工程大面積堆載時(shí)，地基在設(shè)計(jì)荷載下最終的豎向變形量可以通過分層總和法計(jì)算。因?yàn)榈鼗幚淼淖罱K目的是為了使軟土地基產(chǎn)生預(yù)期的固結(jié)沉降量，假如處理地基的方案使其所產(chǎn)生的最終固結(jié)沉降量與預(yù)期的值相符，則證明該方案為可靠、安全的；反之軟土地基支法達(dá)到設(shè)計(jì)值，即工后的殘余沉降要超出所要求的指標(biāo)，那么該處理方法則不是適用的，其可靠度就相對(duì)較低。所以利用堆載預(yù)壓法使得地基沉降達(dá)到極限的狀態(tài)，就是在工期內(nèi)地基所產(chǎn)生的固結(jié)沉降量與預(yù)期值相符。

1、最終豎向變形量的計(jì)算公式

軟土地基處于預(yù)壓荷載時(shí)，其最終的豎向變形量可以采用以下公式表達(dá)：

上式中：St：對(duì)地基處理后其應(yīng)達(dá)到的豎向變形量

S：地基的最終豎向變形量

Ut：在不考慮井阻及涂抹影響因素下的砂井地基排水平均固結(jié)度

N：修正系數(shù)，通常取值范圍在1.1-1.4之間

aw：土層壓縮系數(shù)

e0i：土層孔隙比

Cv：豎向排水固結(jié)系數(shù)

Ch：水平排水固結(jié)系數(shù)

Esi：土層壓縮模量

△P：設(shè)計(jì)荷載，通常為常量

hi：第i層壓縮土層的厚度

H：砂井的最長(zhǎng)排水路徑長(zhǎng)度

de：砂井的有效排水圓柱體直徑

n：井徑比

F(n)：與井徑比相關(guān)的函數(shù)

2、不確定因素敏感性分析

土性參數(shù)不同，軟土地基沉降量受其影響也是各不相同的[4]。分析土性參數(shù)敏感性，可以對(duì)地基沉降量由一個(gè)或多個(gè)不確定因素所導(dǎo)致的變化幅度進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析其受不確定因素影響的程度。分析不確定因素的敏感性主要作用是分析出主要因素及次要因素，從而將最后的分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。分析敏感生的具體步驟如下：第一，不確定因素的選擇，還要將這些因素的變化范圍做出進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)。由上述設(shè)計(jì)荷載下地基豎向變形量的公式可以看出，土層的壓縮系數(shù)、土層孔隙比、固結(jié)系數(shù)以及土層的厚度是主要的不確定因素。第二步，確定分析目標(biāo)，為地基處于設(shè)計(jì)荷載時(shí)在工期內(nèi)所產(chǎn)生的固結(jié)沉降量；第三，針對(duì)各項(xiàng)不確定因素，在可能的變化范圍內(nèi)，其變化幅度對(duì)分析指標(biāo)結(jié)果的變動(dòng)所產(chǎn)生的影響，并建立起對(duì)應(yīng)的數(shù)量關(guān)系；第四，確定敏感因素，按照計(jì)算結(jié)果，如果不確定因素的數(shù)值變動(dòng)對(duì)分析指標(biāo)的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，那么就可以確定其為敏感因素。

3、計(jì)算沉降計(jì)算值的可靠度

地基沉降極限方程表達(dá)式如下式：

上式中：S：設(shè)計(jì)要求的地基沉降量，取S=St在確定壓縮層時(shí)，對(duì)于軟粘土，壓縮層的厚度可以以地基的某個(gè)深度附加應(yīng)力等于0.1倍的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)來確定。因?yàn)槌两盗渴芄探Y(jié)系數(shù)的影響較小，所以要以設(shè)各土層固結(jié)系統(tǒng)相等，且豎向與橫向的固結(jié)系數(shù)相等。如果式中Esi、hi以及Cv，則可以求解出可靠度β以及失效概率Pf。

（二）水泥攪拌樁法

地基處理采用水泥攪拌樁法，計(jì)算其沉降值可靠性的過程中首要考慮的問題是建立地基沉降極限狀態(tài)方程的方法。對(duì)于機(jī)場(chǎng)工程而言，是在滿足工程設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下以沉降加以控制的。水泥攪拌樁復(fù)合地基的變形包括兩部分，一是攪拌樁復(fù)合土層的平均壓縮變形，另外一部分是樁端下未加固土層的壓縮變形的[5]。與堆載預(yù)壓法相同，對(duì)地基處理的主要目的是使地基可以產(chǎn)生與設(shè)計(jì)要求相符的固結(jié)沉降量，如果采用該方法達(dá)到這一目的，證明其安全可靠，反之則不適用。所以水泥攪伴樁法的地基沉降的極限狀態(tài)就是在工期內(nèi)地基所產(chǎn)生的最終固結(jié)沉降量和預(yù)期值相等[6][7]。

1、沉降計(jì)算模型

針對(duì)水泥攪拌樁法計(jì)算其可靠性，要充分考慮到設(shè)計(jì)過程中的樁長(zhǎng)、間距、土層的變異性等因素。在計(jì)算過程中，要按照設(shè)計(jì)方法不同，根據(jù)土性能數(shù)的概率特性做出分析。豎向承載攪拌樁復(fù)合地基的變形計(jì)算公式為：

上式中：S1：攪拌樁復(fù)合土層的平均壓縮變形

S2：樁端下未加固土層的壓縮變形

其中

上式中：Pz：攪拌樁復(fù)合土層頂面附加壓力值

Pzl：攪拌復(fù)合土層底面附加壓力值

Esp：壓縮模量

Ep：攪拌樁壓縮模量

Es：樁間土壓縮模量

L：樁長(zhǎng)

然后可以通過壓力擴(kuò)散法求解出攪拌樁復(fù)合土層底面的附加壓力值并做進(jìn)一步的計(jì)算，從而得出豎向承載攪拌樁復(fù)合地基的變形計(jì)算公式為：

2、不確定因素敏感性分析

由上述計(jì)算公式可以看出，水泥攪拌樁法會(huì)受到樁間土壓縮模量、下臥層土壓縮模量及土層的厚度和樁的壓縮模量等不確定因素的影響，而其中最大的敏感因素則為下臥層土壓縮模量。

3、可靠度計(jì)算

豎向承載攪拌樁復(fù)合地基變形極限狀態(tài)方程表達(dá)如下式：

如果已知樁下第i層土層的壓縮模量及土層厚度，則可以按照樁長(zhǎng)的取值不同運(yùn)用驗(yàn)算點(diǎn)法計(jì)算可靠度及失效概率。

[1]王利群,趙文,王勇,等.沈陽(yáng)城區(qū)挖孔樁單樁豎向承載力可靠度研究 [J].建筑技術(shù),2011,42(3):242-245.

[2]高淵,葉繼紅.最大熵法可靠度理論在工程應(yīng)用中的改進(jìn)[J].特種結(jié)構(gòu),2011,(1):1-5.

[3]何光武,周虎鑫.機(jī)場(chǎng)工程特殊土地基處理技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4]吳世偉.結(jié)構(gòu)可靠度分析[M].北京:人民交通出版社,2003.

[5]趙國(guó)藩,金偉良,貢金鑫.結(jié)構(gòu)可靠度理論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

[6]吳南群.工程勘察測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性檢驗(yàn)[J].巖土工程學(xué)報(bào),1991,13(3):93-98.

[7]包承綱,高大釗,張慶華.地基工程可靠度分析方法研究[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,2004.