論如何實現巖土工程的可靠性設計

【摘要】本文闡述了巖土工程可靠性分析的特點，并分析了巖土工程的可靠性設計中需要解決的問題，概括了當前巖土工程可靠性設計的現狀，結合樁基可靠性指標的計算，表明在巖土工程的設計中既要考慮到安全系數，也要根據不同地區具體的工程地質情況，以試驗與計算為前提，來實現巖土工程的可靠性設計，希望對巖土工程設計者有所幫助。

【關鍵詞】巖土工程；可靠性設計；現狀；樁基可靠性

引言

巖土工程是由有限個相互獨立的參數來確定的，這些參數多為隨機變量，具有非確定性。因此，在這個問題的解決中，需要運用到非確定性模型的數學概率論與數理統計方法。但是，在巖土工程的安全度問題處理上，一直是以適當安全系數來表現安全度，這種方法雖然已有相當豐富的經驗基礎，但卻忽視了巖土工程中存在的物理力學性質，極易影響到巖土工程的整體設計質量，甚至形成了安全隱患。因而在實際設計中，需要通過改進和提高這種方法，來實現巖土工程的可靠性設計。

一、可靠性理論的發展歷史

可靠性理論較早應用于土木工程的結構方面。在國內，關于巖土工程可靠性的研究開始于20世紀后期，雖然起步較晚，但發展很迅速，研究涉及的課題較廣，有些課題研究的深度甚至已經領先于國際。但是，仍缺乏巖石方面的深入研究，在土動力方面的研究也剛剛起步，對巖土工程特點方面的研究還沒有被重視，而在可靠性研究與巖土力學物理機制研究這一方面，缺乏對兩者之間的緊密結構研究。研究至今，在可靠性理論方面，已出版了許多專著和具有重要價值的論文，其中涉及到建筑工程沉降的概率分析；巖土參數概率模型；巖土參數的統計規律以及相關的滲透問題。這些都表明我國在巖土工程可靠性研究領域已經取得了很大進展。其中，在樁基礎的可靠性研究方面取得的成果尤為突出。

二、實現巖土工程可靠性設計需要解決的問題

要實現巖土工程的可靠性設計，需要解決的問題還有很多。主要集中在以下幾個方面：第一，分析和處理通過收集、觀察或試驗所獲得的數據，而數據中包含了巖土的屬性、荷載與環境因素。而數據處理過程也較為復雜，包括預測與計算統計參數，驗證設計參數的概率分布擬合度等。第二，通過對現場勘察并取樣，組織試驗設計。第三，運用科學的壓實技術，進行合理的質量控制。第四，通過計算，對安全系數與破壞概率之間的關系進行分析。第五，分析工程造價與巖土工程安全度的關系。第六，總體沉降和差異沉降二者之間的關系。第七，進行工程實例的經濟與風險分析。

三、巖土工程可靠性設計現狀分析

1.我國巖土工程可靠性設計現狀

隨著我國設計工作的不斷深入，在結構設計方面，已經能熟練地將分項系數設計運用于概率法和極限狀態的基礎之上。但是在具體的巖土工程方面的設計工作，進展仍舊相對較緩慢。相比于國外的巖土工程設計水平，只有樁基的研究設計較為領先。

2.巖土工程的特性

巖土工程設及中存在的不足，主要來源于兩方面因素，外在因素與內在因素。外在因素包含：巖土工程設計研究起步較晚；缺乏有力的資金投入等。而內在因素主要是由巖土工程自身的特性決定的。巖土工程相比于結構工程，有著非常明顯的特點，主要表現在以下幾個方面：

（1）巖土工程存在天然特性。結構工程所采用的為人造材料，其性能可被人為控制。而巖土工程所要分析的是對象為天然的，具備自然屬性的物質。如，鋼筋混泥土與磚等人造材料，其參數可通過全國范圍內的調查統計，來獲取人為設定的參數值。但是土或者巖石這些天然的材料，只能通過對具體的每個工種進行勘察測試來取得數據。

（2）巖土工程存在地域性特征。巖土的性能會因為位置的不同而發生變化。在不同場地的巖土性能存在不同差異，甚至在相同場地的同一土層內，巖土的性能也會有所變化。實際上，在進行巖體的變異性統計時，就已經包含了隨位置變化而形成的巖土固有變異性，而在結構工程中則不存在這一特點。

3.巖土工程勘察規范

結合以上分析，在極限狀態與概率法問題上，相關的《巖土工程勘察規范》所作出的規定，只涉及到原則方面，，只作了一些原則的規定。如，在第12.14 條中有規定：巖土工程的定量分析可采用定值法，對特殊工程需要時可輔以概率法進行綜合評價。另外，也有規定表明，在勘察成果報告中，所提供的巖土參數值需要結合不同情況來獲取。

四、可靠性分析在巖土工程設計中的運用

長期以來，在巖土工程系數的計算上，許多人都忽視了考察物理指標與作用在巖土上的荷載，單純考慮到巖土工程的安全系數而忽略了其中存在的差異性。因此，要實現巖土工程的可靠性設計，必須結合物理指標與作用在巖土上的荷載，進行綜合計算。

P 代表著單樁豎向承載力，S 代表著樁頂傳來的豎向集中荷載效應，而作為功能函數的 Z 則可表示為：Z=P-S。將 P與S 都設定為對數正態分布的隨機變量，而β的計算公式便可表示為：

在工程式中，代表隨機變量P和S的平均值、標準差以及變異系數分別為 ， ， ， 。

在《公路橋涵地基與基礎設計規范》中，規定的鉆孔灌注樁豎向極限承載力計算公式表示為：

在計算公式中，U代表著樁的橫截面周長；n代表著土層的厚度； i代表著承臺局部或底面沖刷線以下各個土層的厚度； i代表著與 i對應的各個土層與樁基壁之間的極限摩擦力；而A代表著樁底橫截面面積； R代表著樁尖處的極限承載力。

其計算公式可以表示為：

在計算公式中，σ0代表著樁尖處土的容許承載力；h代表著樁尖埋置的深度；λ代表著綜合修正系數；k2代表著地面土容許承載力隨深度變化的修正系數；γ2代表著樁尖以上土的容重。

在誤差傳遞的基本原理上，通過鉆孔灌注樁的豎向極限承載力計算公式，計算出鉆孔灌注樁的豎向極限承載能力的平均值、標準差以及變異系數，并在此基礎上進行深入分析、推算，進而確定樁基的可靠性指標。

具體步驟如下：

在計算公式中， 代表著平均值； 代表著標準差； 代表著變異系數，以此類推可得出 代表著鉆孔灌注樁樁尖的總支承力極限值與樁身總摩阻力極限值之比。同理可求出荷載效應S中 與 的值，酒醉后將所獲得的P與S的值帶入到相關的β公式內即可。

結束語

經過以上分析可得，巖土工程的可靠性設計有別于結構工程，存在其自身固有特點。因此，在其可靠性分析中，不應簡單照搬已有較為成熟的結構可靠性分析中的方法與要領，要針對具體的巖土工程設計特點，進行綜合的研究，且研究中需要結合土力學中的物理概念，合理采用統計學與概率論中的原則及方法，對土體在靜或者動兩者荷載作用下的反應作出分析，總結歸納出較為恰當的概念與分析方法，以此來實現巖土工程的可靠性設計。

參考文獻：

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[3] 楊漫熙. 淺談強化巖土工程勘察的措施與手段[J]. 中小企業管理與科技（上旬刊）. 2010（05）

作者簡介：遲金鑫（1984.10-），男，籍貫：湖北省襄陽市，現職稱：助理工程師，學歷：本科，研究方向：巖土工程勘察。