實現(xiàn)巖土工程可靠性設(shè)計的路徑

陳爭玉

摘要：通常來說，建筑工程施工前期需要巖土工程對施工現(xiàn)場的巖體以及土質(zhì)進行檢測分析，掌握施工現(xiàn)場中的不確定因素，以保證項目工程在整個施工階段的安全性。另外，為滿足社會金融經(jīng)濟發(fā)展的需要，巖土工程逐漸在項目施工中扮演著穩(wěn)固地基的角色。換句話說，巖土工程的施工質(zhì)量直接影響了整個建筑工程的項目施工質(zhì)量。因此，加強巖土工程的可靠性設(shè)計對于提高工程的施工質(zhì)量，保證施工階段的安全性具有重要的意義。本論文從巖土工程可靠性設(shè)計的實現(xiàn)方面出發(fā)，闡述了巖土工程可靠性發(fā)展的歷程，說明了當(dāng)前階段巖土工程可靠性設(shè)計中存在的問題。同時對我國巖土工程可靠性的現(xiàn)狀以及勘察需要遵守的原則進行了介紹，最后論述了巖土工程可靠性設(shè)計的具體運用。

關(guān)鍵詞：巖土工程；可靠性設(shè)計；發(fā)展歷程；存在問題；具體運用

通常來說，巖土工程的施工階段主要依靠于有限的且相互獨立的各種參數(shù)進行工程項目的實現(xiàn)，這種運作模式與當(dāng)前階段建筑工程中的結(jié)構(gòu)工程比較相似。由于巖土工程的施工特征，即在不確定性的施工環(huán)境進行項目地基的穩(wěn)固，因此，在巖土工程的設(shè)計階段，需要建立非確定性的數(shù)學(xué)模型以及數(shù)學(xué)概率統(tǒng)計學(xué)進行數(shù)據(jù)信息的處理。

與傳統(tǒng)巖土工程項目施工設(shè)計相比，當(dāng)前階段的巖土工程在設(shè)計階段改善了傳統(tǒng)設(shè)計中利用安全系數(shù)來表示施工安全度的問題，并在設(shè)計階段引入物理力學(xué)的相關(guān)理論，加強了巖土工程對于施工現(xiàn)場巖體以及土質(zhì)結(jié)構(gòu)承載能力的檢測效率，提高了巖體工程的項目設(shè)計質(zhì)量，減少了建筑項目施工中的安全隱患。

1.巖土工程可靠性的發(fā)展歷程

1.1 可靠性理論的發(fā)展

可靠性理論最早出現(xiàn)在第二次世界大戰(zhàn)期間，在當(dāng)時軍事專家在進行軍事器材檢測的過程中，為提高對軍事器材各個運作原理以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)零件進行深層此的了解以及研究，保證士兵在作戰(zhàn)過程中能夠高效的使用軍事武器打擊敵人，軍事專家參考當(dāng)時的數(shù)學(xué)統(tǒng)計學(xué)以及概率學(xué)中的相關(guān)理論知識，創(chuàng)造性提出了檢測士兵軍事元件可靠性的方法，大大加快了軍事專家研究軍事器材的效率。

當(dāng)?shù)诙问澜绱髴?zhàn)結(jié)束以后，人們在處理日常生活中的問題時，逐漸發(fā)現(xiàn)了可靠性分析對于提高其工作效率的重要作用，于是出現(xiàn)專業(yè)的人才加強了可靠性理論的研究工作。隨著人們對于可靠性理論的不斷發(fā)現(xiàn)以及完善，可靠性理論逐漸成為了一種新型的研究性理論學(xué)科，即可靠性工程學(xué)。在1950年左右，人們逐漸將可靠性理論運用到進行建筑施工的土木工程領(lǐng)域，至此可靠性理論與巖土工程之間建立了一定的聯(lián)系。

1.2 我國巖土工程可靠性的研究

與西方國家相比，我國巖土工程可靠性理論的引進以及相關(guān)研究晚了將近20年。自巖土工程可靠性理論研究至今，我國巖土工程可靠性理論形成了獨居特色的發(fā)展特征。

盡管我國巖土工程可靠性的研究起步階段較晚，但是我國可靠性理論是上世紀七十年代，而我國改革開放政策的提出也是在七十年代。因此，為促進我國金融經(jīng)濟的發(fā)展，我國城市化規(guī)模的建設(shè)在當(dāng)時處于高頻時期，對于巖土工程可靠性理論在實踐中的檢驗提供了良好的環(huán)境。巖土工程可靠性理論發(fā)展至今，巖土工程可靠性理論的內(nèi)容在一些方面已經(jīng)能與國際先進理論比齊。當(dāng)然，我國巖土工程可靠性理論的研究也存在諸多問題。例如，研究人員在巖石結(jié)構(gòu)、巖土動力學(xué)、巖石力學(xué)物理機制與可靠性之間的關(guān)系等方面的研究仍不全面，因此，現(xiàn)階段仍然存在眾多的研究領(lǐng)域需要研究人員進行深層次的分析了解。

在近四十年的研究過程中，我國巖土工程可靠性理論獲得了一定的成績。其中較為突出的相關(guān)理論是建筑工程中沉降概率分析和巖土參數(shù)統(tǒng)計規(guī)律和滲透問題等方面。同時，我國根據(jù)自身的國情，加強了對樁基質(zhì)量課題的研究，而在國際相關(guān)研究中，樁基理論的研究程度與我國存在一定的差距。

2.巖土工程可靠性設(shè)計面對的問題

在巖土工程可靠性設(shè)計階段，相關(guān)人員需要面對許多問題進行解決。例如，對巖土工程施工現(xiàn)場巖體結(jié)構(gòu)、巖土的相關(guān)屬性、施工現(xiàn)場周邊的自然環(huán)境以及巖體與巖土承載能力等進行數(shù)據(jù)的收集，并且根據(jù)收集的數(shù)據(jù)進行相關(guān)參數(shù)的統(tǒng)計并作出預(yù)測。在施工現(xiàn)場進行勘測和采樣，并且進行模擬實驗。值得注意的是，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)巖土工程的不確定性以及工程造價之間設(shè)計科學(xué)合理的決策方案。

3.巖土工程可靠性的現(xiàn)狀

3.1 我國巖土工程可靠性的現(xiàn)狀

當(dāng)前階段，我國的結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于概率法以及極限狀態(tài)的基礎(chǔ)上運用分項系數(shù)設(shè)計進行項目工程的實施設(shè)計。而與結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，我國的巖土工程設(shè)計仍處于落后的狀態(tài)。在我國以樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計理論作為巖土工程的可靠性理論的引領(lǐng)，對于帶動我國巖土工程其他方面的理論發(fā)展具有重要的意義。

3.2 巖土工程運作時的主要特征

通常來說，巖土工程在實際運作階段，主要擁有三個特征，即天然性、巖土性能不確定性以及巖土屬性數(shù)據(jù)獲取較難。

相比結(jié)構(gòu)工程的混凝土、鋼筋等認為設(shè)計的材料，巖土工程的材料主要是更多利用天然的巖石或者巖土，人們無法根據(jù)具體所需對巖石等天然性的材料進行元素結(jié)構(gòu)的改造。由于我國國土面積廣闊，因此我國擁有多樣化的地質(zhì)地貌。不同區(qū)域的巖石屬性通常存在較大的差異。同時在同一區(qū)域，隨著深度的不斷增加，巖土的性能也會存在變化。這種現(xiàn)象為施工團隊確定施工現(xiàn)場巖石土質(zhì)的功能性質(zhì)造成了一定的難度。一般來說，巖石或者巖土的各項屬性都是通過各種相關(guān)實驗獲取的各種屬性參數(shù)確定，并且參數(shù)獲取的過程要比結(jié)構(gòu)工程屬性參數(shù)的獲取過程要更難。因此，巖土工程在試驗中花費的時間與經(jīng)費要遠大于屬性分析與計算方面。

3.3 巖土工程勘察需要遵守原則

由于巖土工程在實施階段的三個特征，因此在根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》在極限狀態(tài)和數(shù)學(xué)概率統(tǒng)計問題方面進行一些處理原則的規(guī)定。例如，巖土工程施工階段如果需要進行定量分析時，通常需要施工定值法進行數(shù)據(jù)的定制。在巖土工程的勘察結(jié)果文檔當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工現(xiàn)場不同的地質(zhì)環(huán)境提供相應(yīng)巖土的屬性參數(shù)值。

4.巖土工程可靠性設(shè)計的具體運用

傳統(tǒng)巖土工程在施工設(shè)計階段通過計算得到的可靠性系數(shù)與施工現(xiàn)場實際的可靠性系數(shù)存在差異。造成這種現(xiàn)象的主要原因是由于傳統(tǒng)巖土工程在進行可靠性系數(shù)計算時，僅僅考慮了整個巖土工程的安全系數(shù)，對于巖體以及巖土的相關(guān)荷載能力和物理力學(xué)進行忽視。所以，為得到更為精確的巖土工程系數(shù)，需要將安全系數(shù)和荷載以及物理力學(xué)進行有機的結(jié)合。

公式中的P代表了單樁豎向的承載能力，S代表了樁基頂部受到的豎向集中荷載效應(yīng)，則與之對應(yīng)的功能函數(shù)就可以表現(xiàn)為：Z=P-S。當(dāng)且僅當(dāng)P和S為對數(shù)正太分布的隨機變量是，則的相關(guān)技術(shù)公式則可以表示為：

其中U代表了樁基的橫面的周長，n代表了施工現(xiàn)場土層的厚度，li代表了承臺局面或底面沖刷下各個土城的厚度，Ti代表了與li對應(yīng)的各個土層與樁基壁之間的極限摩擦力，A代表了樁底橫截面的面積，σR代表了樁尖處的極限承載力。

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