巖土工程設計安全度指標及其應用研究

張括

(陜西省交通規(guī)劃設計研究院,西安710000)

巖土工程設計安全度指標及其應用研究

張括

(陜西省交通規(guī)劃設計研究院,西安710000)

在巖土工程設計中，安全度指標是非常重要的，它直接關系到巖土工程的整體安全和質量。所以，在實際工程中，需要對安全度指標進行計算，并且加強其實際應用?；诖?，論文針對巖土工程安全度指標計算存在的難點作了分析，探討了巖土工程的設計要點，論述了巖土工程安全度指標在設計中的具體應用，以期對相關工作提供參考。

巖土工程；安全度指標；數(shù)值模擬法

1 引言

巖土工程安全度指標實際上是對巖土工程的安全性和可靠性進行的精確衡量，通過安全度指標可以判斷巖土工程出現(xiàn)風險的概率，以此可對相關工作進行調整優(yōu)化。安全度指標的計算在以往是通過總安全系數(shù)描述或是分項系數(shù)描述的形式進行。但是，隨著相關標準規(guī)范逐步革新升級，這一系列方法逐漸表現(xiàn)出了一定的不足。所以，就需要對巖土工程安全度指標計算進行研究，探究出全新的方法，以便推動安全度指標的計算進步。因此，必須明確巖土工程安全度指標計算存在的重難點，針對性地引入相關理論，切實解決安全度計算存在的問題。

2 巖土工程安全度指標計算存在的難點

在巖土工程安全度指標計算中，概率極限法是一種常用方法，其一般又可以被稱為荷載-抗力系數(shù)設計方法。在這種方法中，將各項基本變量和對應的分項系數(shù)相乘，得到的結果就被定義為設計值。根據(jù)基線方程而言，該設計值實質上就是失效概率最大點的對應坐標。概率極限設計法在實際運用中比較方便，和遺傳算法等設計方式存在一定區(qū)別。

一次二階矩法是分析可靠性的常用手段，在面對一些較為復雜的情況時，也可以通過其他方法進行分析，比如，隨機有限元法、高階矩法以及MOnte-Carlo模擬法等。在巖土工程中，可以直接將工程結構可靠性分析法進行移植，也就是直接套用一次二階矩法。相較而言，巖土工程比上部結構設計表現(xiàn)出了更加明顯的特點[1]。

巖土工程的研究材料主要是自然產(chǎn)物，其材料性質和分布位置存在直接關系，能夠對地質成因和形成年代反映，表現(xiàn)出了極強的地域性。而上部結構材料主要是人工制造的各種材料，比如鋼筋、鋼管、水泥等。由于材料存在的區(qū)別，在巖土工程中需要通過工程勘察，憑借鉆探、取土、實驗等手段計算出設計參數(shù)標準值。雖然在部分技術規(guī)范中提供了部分設計經(jīng)驗值，但它只能用于工程初期或是不重要的環(huán)節(jié)，不能夠像上部結構設計那樣依照技術規(guī)范直接取用標準設計參數(shù)。不僅如此，不同地區(qū)的巖土性質也存在很大差別，也給安全度計算形成了阻礙。比如，陜西地區(qū)的地質條件就比較多樣，其陜北地區(qū)可以分為沙漠高原和黃土高原等，具體細分又有沙丘沙地、草灘盆地、風沙河谷以及各種黃土地貌。不同地質地貌情況下的巖土工程安全度指標計算受到的影響因素是不一樣的，在實際的工程中，應該區(qū)別對待。

3 巖土工程安全度指標計算方法分析

在計算巖土工程安全度指標中，可使用的方法較多，需要更具實際情況進行選擇。一般說來，一次二階矩法、高次高階矩法、數(shù)值模擬法以及模糊可靠度分析等方法，在實際的巖土工程中都比較常用。不僅如此，隨著信息技術和科學技術的進步，一些先進的安全度分析軟件也被運用到相關工作中，為巖土工程的安全度指標分析提供了堅實基礎。

數(shù)值模擬法可分為響應面法和隨機有限元法，響應面法的基本思想就是利用多項式函數(shù)對隱式功能函數(shù)進行替代，盡量減少實驗次數(shù)對響應面的隱式表達進行擬合，然后對安全度進行分析。隨機有限元法就是對確定性有限元計算和隨機分析理論進行結合，對處理隨機場問題優(yōu)勢明顯。模糊可靠度分析在計算巖土工程安全度指標上也經(jīng)常使用，這是因為巖土工程的安全度不僅具有隨機性，還表現(xiàn)出了模糊性，無法精確定量。比如在建筑工程的基坑安全度分析中，就可以利用模糊可靠度分析建立安全模型，并結合工程進展對安全模型進行演化，以此對基坑的安全度進行動態(tài)監(jiān)測。此外，人工智能在在巖土工程的安全度指標計算中也較為常用，其可以分為BP神經(jīng)網(wǎng)絡可靠度分析、遺傳算法、免疫算法等，這些方法都可以對安全度指標進行計算。

4 巖土工程安全度設計要點

4.1 工程施工設計的安全度控制因素

4.1.1 噴射混凝土設計

在巖土工程中，噴射混凝土的應用是比較常見的，其和安全度卻存在比較緊密的聯(lián)系，一定要確保其設計合理。噴射混凝土不合理，會導致周邊環(huán)境與其產(chǎn)生不協(xié)調。如果混凝土存在縫隙等，就可能成為地下水的滲透通道，在水壓作用下從混凝土層下滲，造成混凝土下部細小顆粒流失形成空隙。隨著空隙逐漸增多，會導致滲水量不斷增大，又將導致顆粒流失更加嚴重，從而形成惡性循環(huán)，導致混凝土面層的防護作用喪失[2]。

4.1.2 大承載預應力錨桿使用

在對高邊坡進行支護施工時，如果施工地區(qū)空氣濕度比較大，就很容易導致錨頭和自由段在高應力作用下發(fā)生銹蝕變形，從而失去支護效果。所以，必須要對預應力加以控制。根據(jù)實際經(jīng)驗看，在某些工程中，由于錨桿沒有設置合理的防腐措施，導致在工程建成后的10a時間內就出現(xiàn)了錨筋銹斷、支護失效的情況，最終引起邊坡發(fā)生坍塌。因此，在設計巖土工程時，就應該對支護錨桿做好防腐措施。

4.1.3 爆破巖質邊坡

在爆破開挖巖質邊坡時，會對許多結構造成影響，尤其是格構梁、散體狀結構、碎裂巖體以及毛石等，在進行爆破時都會發(fā)生很大的擾動，容易影響巖土工程的整體質量。所以，在巖土工程設計時，必須對爆破工藝進行控制，對爆破點位選擇、爆破藥量計算等進行控制，確保爆破施工對周邊結構的影響降至最低。不僅如此，還需加強支護設計，減少落石或崩落對邊坡開挖造成的不安全威脅。

4.2 工程實例

在陜西一住宅建筑工程中，建筑總面積是8000m2，房屋總共10層。地下有1層，基坑面積是800m2，基坑深度為3m，基坑周長大致120m。在基坑施工中，支護采用排樁，樁徑分別為φ400mm、φ500mm、φ600mm。鉆孔的深度為30～45m，鉆孔后排的直徑為700mm，排樁之間的間距為220mm，基坑支護主要是φ600mm。將排樁進行鉆孔灌注后，將其運用到基坑施工過程中可以作為擋土墻面。由于其地層復雜，黏土、砂礫層等錯雜，且周邊鄰近其他居民區(qū)，需要對巖土工程的安全度指標進行計算。

結合該工程實際，可以用m值法（m為地基土比例系數(shù)）確定基坑支護施工的安全度。m值的確定可以利用理正軟件進行計算，但會受到位移、彎矩和錨桿拉力等影響。雖然可以根據(jù)C和φ確定m值的經(jīng)驗計算公式，但還是需要進一步理解m值的力學意義。一般情況下，k=mz，p=ks，可以根據(jù)這兩個式子計算m值。式中，k為基床系數(shù)，m為k隨深度z變化的比例系數(shù)，則得出m=k/z。m值的確定可以根據(jù)地層條件確定，比如，密實卵石夾粗砂，m值可在85～180MN/m4范圍內，硬塑黏土m值可取10～20MN/m4。

在計算安全度指標時，應該對地面載荷位置和大小予以考量，對鄰近建筑物的形式、埋深、結構等綜合分析，還需對附近管線排布和使用情況進行摸排。在計算安全度時，可以考慮采取綜合分析法，即通過不同的軟件、計算方法計算安全度，然后進行綜合對比。就以樁錨支護而言，就可以利用經(jīng)典法和彈性法分別計算，然后進行對比，得出更加合理的結果。再比如，土釘墻就可以通過驗算和設計這兩種方法進行安全度計算，其得出的結果截然不同。設計結果一般上短下長，驗算結果一般上長下短，這就需要根據(jù)實際情況決定取用哪個結果。對于該工程而言，基于其巖土地層的不穩(wěn)定性，驗算法能夠發(fā)揮出更好的作用。

5 結語

在巖土工程中，安全度指標的重要性不言而喻。但是，基于巖土工程自身存在的復雜性特點，導致安全度計算受到諸多因素的影響。所以，在對巖土工程進行安全度指標的分析中，可以結合工程實際選擇對應的計算方法，并以此指導實際的巖土工程，從噴射混凝土、預應力錨桿以及邊坡支護等環(huán)節(jié)加強對安全度指標的控制。

【1】高大釗.巖土工程設計安全度指標及其應用[J].工程勘察,1996(1): 1-6.

【2】朱紅霞.隨機場理論在地基可靠度分析中的應用研究[D].天津：天津大學,2007.

Study on Safety Index and Its Application in GeotechnicalEngineeringDesign

ZHANG Kuo
(ShanxiProvincial Transport Planning Design and Research Institute,Xi'an710000,China)

Ingeotechnicalengineeringdesign,thesafety index isvery important,which isdirectly related to theoverallsafetyandqualityof geotechnicalengineering.Therefore,in theactualproject,theneed to calculate thedegreeofsafety,and tostrengthen itspracticalapplication. Basedon this,thispaper forgeotechnicalengineeringsafety index calculationdifficultiesofanalysis,toexplore thegeotechnicalengineering designpoints,finallydiscussestheapplicationofgeotechnicalengineeringsafety index in thedesign,inorderto relatedwork.

geotechnicalengineering;safety index;numericalsimulationmethod

TU456

A

1007-9467（2016）08-0055-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.010

2016-01-11

張括（1982～），男，陜西安康人，工程師，從事巖土設計和地質工程研究，（電子信箱）543800337@qq.com。