深基坑支護結構穩(wěn)定性定量研究

1、深基坑支護結構穩(wěn)定性的定量分析摘要 : 可靠性指標的大小可以反映基坑的穩(wěn)定性。本文分析了工程結構，推導出了建立可 靠性指標和工程結構可靠性模型的方法。考慮到支護結構的不同類型，以及附加荷載 ，土壓力等多種不同的荷載作用，對不穩(wěn)定的主要失效模式進行了分析并建立了不同 支護結構條件下的極限狀態(tài)方程。因此，可以建立對結構工程和可靠性進行分析的可 靠模型。關鍵詞： 深基坑；穩(wěn)定性；分析一、引言在一個真正的深基坑中，結構的穩(wěn)定性是很復雜的，對不同的幾何結構，分析結 構受力狀態(tài)的方法也是不相同的。如果集中荷載作用在懸臂樁上，那么就可能會發(fā)生 滑動和傾覆。通過計算系統(tǒng)構件的可靠性，從而可以用來計算這種方法的

2、可靠性。一 般而言，這個系統(tǒng)可靠性數據對于結構可靠度而言只是一個函數問題 1-3。事實上，在結構可靠性理論的早期發(fā)展階段，人們已經有了一個結構系統(tǒng)穩(wěn)定性 的概念，但是，很長一段時間里，由于對數學和力學問題的分析非常緩慢，所以直到 現在所得到的有關結論仍未能達到實用水平。然而，結構系統(tǒng)可靠性在結構設計決策 和評估工程實踐的重要性上，現在仍然可以加強系統(tǒng)的可靠性及其應用系統(tǒng)的可靠性 要求。比如 工程結構的可靠性設計統(tǒng)一標準 ”GB-50153-92）有明確規(guī)定：條件要求時，工程結構應根據結構系統(tǒng)可靠性設計?！盋O.Ditlevsen 和 HO.Madsen 在國際聯合委員會vJCSS）的可靠性工作

3、報告中也作了結構系統(tǒng)的可靠性設計和程序評估4-8?？傊Y構系統(tǒng)可靠性設計的概念和思想已經被接受并出版了專著和多篇論文。當前突 出的問題是結構系統(tǒng)可靠性和工程實踐性的現狀不能滿足緊急需求，所以結構系統(tǒng)可 靠性將繼續(xù)存在一段時間，它仍是一個重要的研究方向 9-10 。根據失穩(wěn)模式之間的邏輯關系，結構系統(tǒng)可靠性問題被分為串聯結構系統(tǒng)和并聯 結構系統(tǒng)兩種基本類型。串聯結構系統(tǒng)是單個構件失穩(wěn)會導致整個結構發(fā)生失穩(wěn)的結 構體系，并聯結構體系是所有構件失穩(wěn)才會發(fā)生整個系統(tǒng)失穩(wěn)的結構。在實際工程設 計和分析中，遇到的一般是串聯系統(tǒng)的可靠性問題，而并聯系統(tǒng)可靠性問題相對來說 是比較小的。結構系統(tǒng)可靠性分析主要

4、包括兩個方面：一是確定主要的失穩(wěn)模式，二是計算結 構系統(tǒng)的失穩(wěn)概率。通常主要失穩(wěn)模式的搜索過程中伴隨著大量的失穩(wěn)概率數據，所 以這兩個方面的研究是分不開的。、結構可靠性理論的概念和可靠性評價在規(guī)定的時間內指定的條件下，完成預定功能的能力稱為結構的可靠性。一個結 構系統(tǒng)中包含多個構件，其中一個或多個失穩(wěn)，則系統(tǒng)失穩(wěn)，如果所有構件都沒有失 穩(wěn)，則系統(tǒng)不會失穩(wěn)。K模式是一個系統(tǒng)失穩(wěn)模式，不同的失穩(wěn)模式有不同的性能函數 ，每個性能函數表示為：1單個構件失穩(wěn)情況：式中， _ 為基本變量， _若 _ = n，則此構件發(fā)生失穩(wěn)，式中-I為構件不發(fā)生失穩(wěn)的概率2.個構件失穩(wěn)情況:若.-，則系統(tǒng)未失穩(wěn)，I ，式

5、中 為結構系統(tǒng)不發(fā)生失穩(wěn)的概率，即K失穩(wěn)沒有發(fā)生 相反結構系統(tǒng)失穩(wěn)發(fā)生時： I_個構件都失穩(wěn)。因此，結構體系失穩(wěn)的理論概率為：各種可靠的計算系統(tǒng)就是由上述的這些基本變量組合得來的，而找到聯合概率密 度函數是非常困難的，他需要用一個很復雜的多重積分來計算。因為該公式是建立在 一些假設和近似計算的基礎上的，所以它只具有理論性。、深基坑開挖的不確定性通常人們習慣用安全系數來評價巖土工程。然而，只用一個安全系數并不能考慮到設計變 量在客觀上存在的任何變化，一個特定安的全系數在不同的工程中可能會有不同的意 義。換句話說，安全系數的大小并不能完全準確的描述工程的安全性；現有的設計理 論通常被用于兩種極端情

6、況。第一種是用它來確定結構的最大安全等級，這是一個關 鍵的工程決策，但由于其存在不確定性，他們不能用于要求過高的科學處理中。另一 個極端便是結構變量的設計中，所有的信息和各種可能的因素都是已知的情況。 國內 權威人士指出： “當今計算機科學快速發(fā)展，計算的參數與實際情況相比其精度已經遠 遠落后于精密工程結構分析 ”，“如果你不考慮設計參數的不確定性，那么對于實際的 工程結構分析而言這遠遠只是一個粗略的指標 ”。所以，他們在實際工程分析和隨機可 靠性評估中考慮不確定性， 這顯然具有十分重要的意義。從數學的角度來看，工程不確定性可以分為三種類型 :隨機，模糊和不確定。 前兩種類型在早期已經被認識到

7、，但是由于以前的信息和數據 是不全面的，以至于仍沒能夠解決其不確定性的問題。隨著對當前工程越來越多的接 觸，研究隨機力學是一個相對更成熟的工作。隨機因素進一步劃分為隨機變量、隨機性大小、隨機過程和隨機領域，以及隨機 過程組合。隨機變量是在獨立的時間和空間內來描述一個變量的隨機性，隨機參數的 空間分布需要用隨機性大小描述，如巖石材料的強度參數 f、 c。Atnar, Bru, Zeitoun和Baker比較系統(tǒng)地闡述了工程存在不確定性?？傮w而言，工 程的不確定性體現在以下幾個方面：荷載的不確定性：荷載包括土壤和上層建筑的重力作用。土壤重量的可變性比較 小，而上層建筑在不同荷載作用的情況下變異系數

8、可能有較大的改變，例如荷載較小 情況下下的變異系數可能較大而高層結構變異系數的變化可能較小。土壤參數的不確定性：除了體積密度、土壤的彈性模量和含水率外，強度參數也 存在變異性。 對成層土的研究表明，土的泊松比是不變的，但彈性模量的變化非常明 顯。土壤強度參數變異性普遍較高，特別是土的黏聚力 c,變異系數高達約0.5。此外, 在一定范圍內的沉降，與一般的土壤參數相同的控制條件下，土壤性質的平均特性表 現出明顯的空間變異，土壤參數的不同還與土壤所在位置有關。 因此，土壤通常使用 隨機場地模擬得出的材料參數。幾何尺寸的不確定性：一般來說，在這個領域的研究也比較少，其結果主要反映 了土壤厚度、土體位置

9、和大小以及土體屬性的不確定對沉降的影響。模型的不確定性：無論哪種計算機模型都不能絕對準確地反映出實際情況。到目 前為止，對于不同類型的土壤，人們有了很多的本構模型和強度準則，不同的模型反 映的重點各有不同，結果也可能會千差萬別。而 不確定性模型更為復雜，國際學者已 經探索出了一些有用的，如 Ditlevsen和Kioregiant對工程結構的不確定性模型進行了研究 ，相反，在巖土工程中的應用，研究成果 則較少。四、深基坑支護的一個可靠指標日本說，保持深基礎結構是對深基坑支護結構可靠性的定量描述。假設一個正常分布的性能函數Z,則可靠性指標和深基坑支護結構的失效概率有以下關系：其中，因是深基坑支護

10、結構的失穩(wěn)概率；固是Z的概率函數下的性能函數；11是標準正態(tài)分布函數。因此深基坑中P值的增長保證了支撐結構的可靠性。由于深基坑支護結構的抗力和 荷載效應以及更多的非正態(tài)分布，因此，性能函數Z不一定符合正態(tài)分布。然而，結構 分析表明，當使用概率分布函 數作用很明顯時，也就是說不考慮實際概率分布類型的 問題時使用Z型概率分布函數分析更為合理和方便。因此，性能函數 Z在深基坑開挖中 的價值是隨時間而增長的。為了確定深基坑支護結構的可靠性指標，有必要探索已用于建筑結構和工程結構 中可靠性指標的設計方法。它已進入實用工作 階段，許多國家和國際組織機構都是以 可靠性理論作為依據的。 這種理論已經發(fā)展出了新

11、的設計標準和規(guī)范。因為開挖工程 和建筑工程有許多相似之處，所以它不需要有單獨的設計規(guī)范而使是用的建筑規(guī)范。中國的 建筑結構可靠度設計標準”VGB50068-2001）是基于對結構設計安全的檢查結果的，同時也考慮到安全因素和經濟因素。根 據安全結構等級 表1）；根據可靠度設計要求 表2） 表1安全結構等級安全等級破壞頻率建筑類型一級非常嚴重重要建筑二級嚴重普通工業(yè)和民用建筑三級不嚴重少數建筑表2.極限狀態(tài)下可靠度指標安全等級破壞形式一級二級三級延性破壞3.73.22.7脆性破壞4.23.73.2以上的值是對T=50年規(guī)定的設計。此外，靜載作用下的唯一的設計結構，在當時 是適用的。在與動態(tài)載荷組合

12、作用下，目標可靠度指標一般介于1到2之間。國際安全聯合委員會vJOSS可以指定國際統(tǒng)一結構體系標準”卷一在不同類型 的材料和結構中都有統(tǒng)一的規(guī)則”，如表3。表3.國際標準中的風險率五、深基坑支護結構構件的設計1.1.極限狀態(tài)和極限狀態(tài)方程極限狀態(tài)基礎支撐結構可以分為以下幾類：1）與支撐結構極限狀態(tài)相對應的最大承載能力或土壤的不穩(wěn)定，可以導致支撐結構的過度變形或基礎周圍環(huán)境的破壞；2）極限狀態(tài)的支撐結構所對應的變形影響了地下結構施工或周圍環(huán)境正常功能的使用 。地基穩(wěn)定性受許多因素和控制變量的影響，如土壤結構、失穩(wěn)機制，它可以增大變 形特性和地表水壓力，增加結構的強度和變形特性。這些變量都是不確定

13、的。我們使 用這些隨機變量構建功能模型來描述基礎的穩(wěn)定狀態(tài)：函數gvx）反映了基礎狀態(tài)或性能，這被稱為 狀態(tài)函數或性能函數。X稱為基本狀 態(tài)變量。極限狀態(tài)方程如下深基坑支護結構恒載模型,模型可以編譯出深基坑支護結構的結構函數該系統(tǒng)分為三個狀態(tài)，.亠，安全狀態(tài)；.亠，極限狀態(tài)；-，破壞狀態(tài)。最簡單的例子就是，由獨立的基本變量二維組合的 R和S狀態(tài)，這就是極限狀態(tài)的RS模型其中R是抗滑力或抗滑力矩，S是滑動力或轉矩。2.2.深基坑支護結構的可靠性設計思想深基坑支護結構設計的可靠性是基于已知保留了外部阻力和作用的深基坑支護結 構的概率統(tǒng)計特征。依據可靠性指標 P可以選擇深基坑擋土支護結構元素 鋼板樁

14、，墻 段，等）。具體步驟如下：確定可靠性模型；確定可靠性指標；確定平均阻力；確定 阻力標準值；確定結構支護構件截面。深層地基設計中的可靠性問題中一系列的基本變量是隨機不確定的。提供系統(tǒng)可 靠性理論的思想是用于評價工程不確定性影響的可靠性分析方法和評價工程可靠性的 有效手段，深基坑圍護結構所承受的外部作用 包括直接影響和間接影響兩種類型。 直 接影響是指三種支護結構的荷載類型：1.恒載：包括土壓力、水壓力和地面恒荷載。2.活載：包括表面活荷載、風荷載、雪荷載和雨荷載。3.偶然荷載：沖擊力。間接影響是指地面變形，溫度的變化與地震對深基坑支護結構的影響。深基坑支護結構的可靠性 不是固定的，它不僅受直

15、接和間接因素的影響，也受深基坑擋土支護結構本身的影響 。深基坑圍護結構有一定抵抗直接和間接作用的能力，它可以形成具有支持圍護結構功 能的深基坑。 是深基坑圍護結構函數。 JI是影響深基坑支護結構可靠性的因素，通常是隨機變量。六、深基坑支護結構的可靠性模型深基坑支護結構-恒載-活載模型目前，深基坑支護結構的設計通常只考慮恒荷載作用，土壓力，水壓力和地面恒 荷載的作用，這種考慮是合理的。然而，一些深基坑支護結構損傷的情況下，只考慮恒載往往是不夠的，活載的作用更應該考慮在內?？紤]到這種情況，研究深基坑支護 結構持續(xù)時間非常有必要考慮活載 樓面活荷載，風荷載，雪荷載和雨荷載作用等）確 定深基坑支護結構

16、可靠性作用下的恒荷載和活荷載，需要增加II-r活荷載效應模型，從而構成一個模型。此時，為方便計算，仍然需假設一個線性性能函數深基坑支護結構-直接作用模型 門模型）從前面的分析來看，深基坑支護結構通常是受恒荷載和活荷載的影響，但它是發(fā) 生在深基坑施工過程中。他們可能會在建筑物或構筑物爆破或周邊深基礎巖石爆破時 遇到。此時，深基坑支護結構的可靠性設計應考慮直接作用 恒荷載、活荷載和偶然荷載）的影響。用亠.模式函數表示如下：其中，對深基坑支護結構的直接影響，是假設和線性組合。所以三模式下的函數形式也可寫作:七、結論可靠性指標的大小可以反映基坑的穩(wěn)定性。本文詳細分析了工程結構可靠度指標 的推導，以及建

17、立了結構可靠度方法的工程模型。并考慮支護結構的不同類型，在附 加荷載、土壓力等各種不穩(wěn)定荷載作用下的極限狀態(tài)方程中，分析支撐結構的主要失 穩(wěn)模式。從而得出基于可靠性分析模型的結構可靠度。參考文獻：1M. Buddhikot, G. Chandranmenon, S. Han, Y. W. Lee, S. Miller, and L. Salarelli, ”An alyses on In flue nee of Overbreak on the Safety of Foun dati on Pit Support with Soil NailWall, ” Piroeeedings of IE

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