樁基概論極限狀態(tài)法研究和工程應(yīng)用

劉金旭

摘要：隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可靠性問題在各種工程學(xué)科中占有日益重要的地位。樁基作為建筑物常見的基礎(chǔ)形式，在建筑物設(shè)計(jì)的安全、經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮著重要作用。而樁基工程屬于隱蔽性工程，影響因素較多，稍有不慎取決于樁基工程的質(zhì)量和水平，建筑工程事故中，很多都與樁基工程有關(guān)。因此，樁基工程的施工質(zhì)量好壞直接影響著建筑物的安危，而我國(guó)目前的有關(guān)技術(shù)政策規(guī)定：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)逐步采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)。本文就針對(duì)樁基概論極限狀態(tài)法進(jìn)行研究，同時(shí)也探討了樁基概論極限狀態(tài)法在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：樁基;極限狀態(tài);工程應(yīng)用

中圖分類號(hào)： U443.15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、樁基發(fā)展簡(jiǎn)概述

樁基又叫樁基礎(chǔ)，是一種古老的基礎(chǔ)型式。也是工程建筑基礎(chǔ)中的一種，由基樁和聯(lián)接于樁頂?shù)某信_(tái)共同組成，樁基主要的作用是負(fù)責(zé)把荷載轉(zhuǎn)給持力層。樁工技術(shù)經(jīng)歷了幾千年的發(fā)展過程，在我國(guó)，最早的樁基是浙江省河姆渡的原始社會(huì)居住的遺址中發(fā)現(xiàn)的。到宋代，樁基技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但在水泥問世前，能用的樁型只有木樁和石樁。19世紀(jì)中葉以后，由于水泥工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展，出現(xiàn)混凝土樁和鋼筋混凝土樁。到了20世紀(jì)20年代特別是二戰(zhàn)后，隨著樁基理論和技術(shù)的迅猛發(fā)展，樁的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，樁的類型和施工工藝都有了很大的發(fā)展和變化。

目前，隨著高層建筑和市政建設(shè)的發(fā)展，樁基礎(chǔ)在基礎(chǔ)工程中的位置愈顯重要。就混凝土灌注樁、混凝土預(yù)制樁和鋼樁三大系列而言，發(fā)展最快、適用范圍最廣的是灌注樁。這是因?yàn)楣嘧毒哂惺┕r(shí)無振動(dòng)、無擠土、噪音小、宜于在城市建筑物密集地區(qū)使用等優(yōu)點(diǎn)，因此，在施工中得到較為廣泛的應(yīng)用。但是由于樁基種類繁多，施工工藝差異大，加之地層變化復(fù)雜，施工過程中可能會(huì)使樁身出現(xiàn)縮徑,擴(kuò)徑，夾泥，離析，斷樁等缺陷，當(dāng)然施工后由機(jī)械開挖，碰撞也會(huì)引起淺部樁身缺陷。樁身缺陷的存在會(huì)改變基樁的正常工作性狀，從而對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生潛在危險(xiǎn)。通過驗(yàn)收檢測(cè)評(píng)價(jià)樁身完整性是保證基礎(chǔ)安全的必然。為了使地基基礎(chǔ)工程與上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)配套，以便能對(duì)整個(gè)建筑物有統(tǒng)一科學(xué)的安全評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

樁基概率極限狀態(tài)法的原理及方法

（一）樁基概率極限狀態(tài)法的原理

承載能力的極限狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)或桿件發(fā)揮了允許的最大承載能力的狀態(tài)?；螂m然沒有達(dá)到最大承載能力，但由于過大的變形已不具備使用條件，也屬于極限狀態(tài)。所謂“極限狀態(tài)”，就是當(dāng)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的某一部分超過某一特定狀態(tài)，就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能的要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)，它反映的是結(jié)構(gòu)某項(xiàng)功能的界限和標(biāo)志。極限狀態(tài)又分為：承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)。而這里講“概率計(jì)算”，就是以結(jié)構(gòu)的失效概率來確定結(jié)構(gòu)的可靠度。過去容許應(yīng)力法采用了一個(gè)安全系數(shù)K（簡(jiǎn)稱單一系數(shù)法），就是只用一個(gè)安全系數(shù)來確定結(jié)構(gòu)的可靠程度。而現(xiàn)在采用了多個(gè)分項(xiàng)系數(shù)（簡(jiǎn)稱多系數(shù)法），把結(jié)構(gòu)計(jì)算劃分得更細(xì)更合理，分別不同情況，給出了不同的分項(xiàng)系數(shù)。這些分項(xiàng)系數(shù)是由統(tǒng)計(jì)概率方法進(jìn)行確定的，所以具有實(shí)際意義。來自于工程實(shí)踐，諸多的分項(xiàng)系數(shù)從不同方面對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行修訂后，使其材料得以充分發(fā)揮和結(jié)構(gòu)更加安全可靠。這些系數(shù)都是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率（也即可靠度）。所以這個(gè)計(jì)算方法的全稱應(yīng)該為“以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法”。

地基基礎(chǔ)的可靠性分析要研究地基基礎(chǔ)工程在規(guī)定的時(shí)間和條件下完成預(yù)定功能的能力、失效的可能性并提出相應(yīng)的對(duì)策。針對(duì)地基基礎(chǔ)而言，它的極限狀態(tài)是指地基基礎(chǔ)整個(gè)或部分超過某一特定狀態(tài)，這一狀態(tài)已不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求。而采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)樁基的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以更全面地考慮影響樁基可靠性諸因素的客觀變異性，使樁基設(shè)計(jì)更加符合客觀實(shí)際。同時(shí)由于有了具體度量樁的可靠性的數(shù)量指標(biāo)(即可靠度)，就可以依據(jù)上部建筑物的不同特點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)貏澐趾瓦x擇安全等級(jí)，并具體地規(guī)定各級(jí)建筑物結(jié)構(gòu)的可靠度水平，從而做到安全、耐久、適用及經(jīng)濟(jì)等方面的最佳平衡，使所設(shè)計(jì)的樁基在不同的受荷情況下具有很好的可靠度一致性。

（二）樁基概率極限狀態(tài)法的方法

工程可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。產(chǎn)品的可靠性與外界環(huán)境的應(yīng)力狀態(tài)和對(duì)產(chǎn)品功能的需求密切相關(guān)。理解產(chǎn)品的可靠性需要從兩個(gè)角度出發(fā)，其一是按照產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)理解可靠性，其二是按照產(chǎn)品的全壽命周期理解可靠性。而工程可靠度指標(biāo)的定義是以功能函數(shù)服從正態(tài)分布為基礎(chǔ)的，但在實(shí)際工程中，所遇到的巖土工程問題非常復(fù)雜，無法直接計(jì)算可靠度指標(biāo)，因此目前發(fā)展出多種近似計(jì)算方法，較常見的有有FOSM法、蒙特卡羅法和隨機(jī)有限元法。在實(shí)際樁基概率極限狀態(tài)法的方法中，最為常用的方法是FOSM法，本文就以FOSM法為例，對(duì)樁基概率極限狀態(tài)法進(jìn)行分析。

一次二階矩法是一種近似的實(shí)用方法，它是將極限狀態(tài)方程進(jìn)行線性化處理，然后用可靠指標(biāo)來度量可靠度。本法在計(jì)算可靠度時(shí)，只使用隨機(jī)變量的前兩個(gè)矩的信息。建立計(jì)算失效概率的公式，且將非線性狀態(tài)函數(shù)線性化，因而稱之為一次二階矩法因而稱之為一次二階矩法(FosM法)(First一orderSeeond一momentMethod)。一次二階矩法包括中心點(diǎn)法、設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)法和JC法等。而Jc法是國(guó)際結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(huì)(Jcss)推薦的方法。這種方法是在一次二階矩法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。下面就以JC法對(duì)一次二階矩法進(jìn)一步說明。JC法使用于隨機(jī)變量為任意分布情況下的可靠指標(biāo)的計(jì)算，其基本原理是將任意分布的隨機(jī)變量轉(zhuǎn)化為當(dāng)量正態(tài)分布的隨機(jī)變量，使替代分布與原分布在驗(yàn)算點(diǎn)處的概率分布函數(shù)和密度函數(shù)分別相等，從而求出當(dāng)量均值和標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)隨機(jī)變量互相關(guān)時(shí)，先通過協(xié)方差矩陣的正交變換將相關(guān)變量X變?yōu)椴幌嚓P(guān)的變量Y，然后求可靠指標(biāo)。JC法是在一次二階矩方法的基礎(chǔ)上加人處理任意分布的隨機(jī)變量的功能而來的，理論通俗易懂，計(jì)算速度快，計(jì)算精度能滿足工程實(shí)際需要，因此工程中常用JC法進(jìn)行計(jì)算。

三、樁基概論極限狀態(tài)法在實(shí)際工程中的應(yīng)用

（一）樁的可靠性分析

樁基的可靠性分析以單樁承載力的分析為基礎(chǔ)。影響樁基受力和變形性狀的不確定性主要有材料性能、土層剖面與邊界條件、荷載大小和分布、樁的幾何尺寸參數(shù)以及計(jì)算模式的不確定性等。樁的豎向承載力可靠性分析，應(yīng)分別考慮上述幾種變異性，也就是要根據(jù)土質(zhì)的實(shí)際物理力學(xué)性能、樁身材料強(qiáng)度和實(shí)際成樁幾何尺寸變化因素考慮，以排除其造成的變異性對(duì)樁的計(jì)算模式變異性的影響。而單樁承載力的可靠度分析主要與隨機(jī)變量的變異性有關(guān)。式中Pu、Pk分別為單樁豎向承載力的試驗(yàn)值和按規(guī)范推薦的公式與參數(shù)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)。

（二）負(fù)摩阻力的計(jì)算

樁側(cè)土層對(duì)于樁身發(fā)生相對(duì)下沉，則該下沉土層將對(duì)樁身產(chǎn)生向下的負(fù)摩阻力，這部分摩阻力不但不是樁承載力的一部分，反而變成施加在樁上的外加荷載，從而影響樁的承載力。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)黃土的具體特點(diǎn)，采用樁基，一定要充分考慮到負(fù)摩擦力對(duì)樁基的影響。而負(fù)摩阻力的計(jì)算主要是確定產(chǎn)生負(fù)摩阻力的深度范圍及負(fù)摩阻力強(qiáng)度大小。

（三）樁底壓力灌漿鉆孔樁承載力的可靠度分析

單樁軸向承載力的極限狀態(tài)方程為:

而由于P同樁徑、樁長(zhǎng)以及地質(zhì)條件、樁材、施工方法等多種不定性因素有關(guān)，直接用該式分析單樁可靠度存在一定的困難。可以用無量綱的計(jì)算模式。單樁承載力P的標(biāo)準(zhǔn)為: (其中=)

該式可以化為無量綱的計(jì)算模式，即：

K為安全系數(shù)，現(xiàn)行的樁基設(shè)計(jì)規(guī)范中取K=2.0。

結(jié)束語

極限狀態(tài)法是繼許用應(yīng)力法和破壞階段法之后，提出的一種新的結(jié)構(gòu)可靠性的設(shè)計(jì)方法，其原理是將結(jié)構(gòu)置于各種可能的極限狀態(tài)下進(jìn)行分析，并引入了概率論數(shù)理統(tǒng)計(jì)和可靠性理論。而樁基礎(chǔ)是結(jié)構(gòu)體和巖土體共同作用的系統(tǒng)，影響其性態(tài)的因素很多，破壞模式復(fù)雜，進(jìn)行樁基概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的研究是一項(xiàng)較艱巨的任務(wù)和工作。

參考文獻(xiàn)：

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