超長鉆孔灌注樁承載能力可靠度研究

徐洪濤，任勝建，張永秀

(1.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088;2.北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100088)

橋梁鉆孔灌注樁樁基承載力是保證橋梁結構安全性、可靠性和經濟性的關鍵。近10年來，隨著我國經濟的快速發展和科技能力的提升，公路建設迅猛發展，施工機械設備性能日趨完善，大橋及特大橋型橋梁不斷修建，超長鉆孔灌注樁使用量也逐步增加。然而，對于超長鉆孔灌注樁的承載力，無論是理論研究還是現場試驗研究工作都還比較缺乏。因此，為了適應超長鉆孔灌注樁的發展，迫切需要對其承載力作出準確的評估。本文對主要設計荷載組合恒載加汽車作用下超長鉆孔灌注樁承載能力可靠度進行了分析。

1 極限側摩阻力的統計參數

主要設計荷載組合恒載加汽車荷載的主要統計參數及分布形式見表1。

表1 公路橋梁荷載參數

從概率統計的角度講，要對樁基進行可靠性分析，需要數量較多、質量較好的統計樣本，以使研究分析結果較真實可信。但是，由于目前超長鉆孔灌注樁大噸位試樁資料不多，難以找尋，同時，由于時間、經費、及其它條件的限制，不可能過多進行現場樁的荷載試驗。本文樁基可靠性研究所選用的試樁資料見表2。

表2 試樁工程一覽表 m

將各場地各試樁所測得的極限側摩阻力，按土類進行分類。各類土分布頻率直方圖見圖1。

經計算得到各類土按正態分布及按對數正態分布得到的實測極限側摩阻力的統計參數如表3和表4所示，并按照正態檢驗控制系數α=0.05標準對各類土進行正態分布假設檢驗，除粉砂、細砂土類未通過這兩種假設檢驗外，其余土類均接受正態分布假設。本文統計結果受到樣本容量限制，假設檢驗結果有待增加樣本容量后進一步分析[1]。直接計算得到的各類土極限側摩阻力均值接近或超過規范高值，但各類土的變異系數較大，最大達到0.442。

2 目標可靠度指標確定

利用 JC法計算各類土的可靠度指標 β，并用VB6.0語言編制可靠度指標計算程序。由前述可知，恒載和汽車荷載服從正態分布，各類土抗力服從正態和對數正態分布。圖2和圖3為一般運行狀態和密集運行狀態可靠度指標β計算結果［2-3］。

圖1 各類土側摩阻力分布頻率直方圖

表3 按正態分布側摩阻力極限值統計參數

表4 按對數正態分布側摩阻力極限值統計參數

圖2 一般運行狀態主要組合可靠度指標計算值

圖3 密集運行狀態主要組合可靠度指標計算值

由圖2和圖3可以看出，各類土的可靠度指標計算值隨汽車荷載與恒載標準值比值ρ的增大而增大;在汽車荷載運行狀態相同的條件下，當土抗力按對數正態分布計算得到的各類土的可靠度指標要比土抗力按正態分布的計算結果大50%～90%。通過對比圖2和圖3發現，在抗力按相同概率分布條件下，一般運行狀態和密集運行狀態計算結果相差不大，說明汽車荷載的運行狀態不是樁基豎向承載力各類土的可靠度指標的主要影響因素。

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

3 樁基承載能力分項系數

設計人員習慣上采用以基本變量標準值和分項系數形式表達的極限狀態設計表達式，利用分項系數來進行樁基設計?？煽慷戎笜瞬荒鼙淮蠖鄶翟O計人員接受并直接引入設計，因此本文采用定值法計算承載能力分項系數。

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準值;γG，γQ和γR分別為恒載、汽車荷載及抗力的分項系數;k為折減系數，按照《公路工程結構可靠度設計統一標準》取值[5];ρ為汽車荷載與恒載標準值的比值。

根據文獻[5] 得到:k=2.0，γG=1.2，γQ=1.4，代入式(4)得到不同荷載效應比下的抗力分項系數，見表5。

4 結論

1)通過對實測側摩阻力值進行統計分析可以看出，按正態分布各類土的極限側摩阻力值離散性較大，變異系數在0.19～0.44之間。

2)除粉砂、細砂類土外其余各類土均接受置信度為0.05的正態分布假設及對數正態分布假設。

3)對超長鉆孔灌注樁可靠度指標進行計算，土抗力按對數正態分布計算時，可靠度指標β值高于按正態分布計算的結果;一般運行狀態和密集運行狀態計算結果相差不大。

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

5)按定值法計算，不同荷載效應比下，總抗力分項系數平均值為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可靠度計算方法［J］. 巖土力學，2002，23(6):754-756.

[3] 吳長富.杭州地區土性概率特征及單樁承載力可靠度研究［D］. 杭州:浙江大學，2005.

[4] 陳曉平，茜平一.樁基概率極限狀態設計中抗力分項系數的研究［J］. 巖土力學，1994，15(2):37-42.

[5] 中華人民共和國建設部.GB/T50283—1999 公路工程結構可靠度設計統一標準［S］.北京:人民交通出版社，1999.