深基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性定量研究

1、深基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的定量分析摘要 : 可靠性指標(biāo)的大小可以反映基坑的穩(wěn)定性。本文分析了工程結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)出了建立可 靠性指標(biāo)和工程結(jié)構(gòu)可靠性模型的方法。考慮到支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)條件下的極限狀態(tài)方程。因此，可以建立對結(jié)構(gòu)工程和可靠性進行分析的可 靠模型。關(guān)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是很復(fù)雜的，對不同的幾何結(jié)構(gòu)，分析結(jié) 構(gòu)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(gòu)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(shù)據(jù)對于結(jié)構(gòu)可靠度而言只是一個函數(shù)問題 1-3。事實上，在結(jié)構(gòu)可靠性理論的早期發(fā)展階段，人們已經(jīng)有了一個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性 的概念，但是，很長一段時間里，由于對數(shù)學(xué)和力學(xué)問題的分析非常緩慢，所以直到 現(xiàn)在所得到的有關(guān)結(jié)論仍未能達到實用水平。然而，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性在結(jié)構(gòu)設(shè)計決策 和評估工程實踐的重要性上，現(xiàn)在仍然可以加強系統(tǒng)的可靠性及其應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性 要求。比如 工程結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn) ”GB-50153-92）有明確規(guī)定：條件要求時，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性設(shè)計?！盋O.Ditlevsen 和 HO.Madsen 在國際聯(lián)合委員會vJCSS）的可靠性工作

3、報告中也作了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計和程序評估4-8?？傊?，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性設(shè)計的概念和思想已經(jīng)被接受并出版了專著和多篇論文。當(dāng)前突 出的問題是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性和工程實踐性的現(xiàn)狀不能滿足緊急需求，所以結(jié)構(gòu)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(jù)失穩(wěn)模式之間的邏輯關(guān)系，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性問題被分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和并聯(lián) 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)兩種基本類型。串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是單個構(gòu)件失穩(wěn)會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的結(jié) 構(gòu)體系，并聯(lián)結(jié)構(gòu)體系是所有構(gòu)件失穩(wěn)才會發(fā)生整個系統(tǒng)失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)。在實際工程設(shè) 計和分析中，遇到的一般是串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性問題，而并聯(lián)系統(tǒng)可靠性問題相對來說 是比較小的。結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)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(shù)據(jù)，所 以這兩個方面的研究是分不開的。、結(jié)構(gòu)可靠性理論的概念和可靠性評價在規(guī)定的時間內(nèi)指定的條件下，完成預(yù)定功能的能力稱為結(jié)構(gòu)的可靠性。一個結(jié) 構(gòu)系統(tǒng)中包含多個構(gòu)件，其中一個或多個失穩(wěn)，則系統(tǒng)失穩(wěn)，如果所有構(gòu)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(shù) ，每個性能函數(shù)表示為：1單個構(gòu)件失穩(wěn)情況：式中， _ 為基本變量， _若 _ = n，則此構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)，式中-I為構(gòu)件不發(fā)生失穩(wěn)的概率2.個構(gòu)件失穩(wěn)情況:若.-，則系統(tǒng)未失穩(wěn)，I ，式

5、中 為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)失穩(wěn)發(fā)生時： I_個構(gòu)件都失穩(wěn)。因此，結(jié)構(gòu)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(lián)合概率密 度函數(shù)是非常困難的，他需要用一個很復(fù)雜的多重積分來計算。因為該公式是建立在 一些假設(shè)和近似計算的基礎(chǔ)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(xí)慣用安全系數(shù)來評價巖土工程。然而，只用一個安全系數(shù)并不能考慮到設(shè)計變 量在客觀上存在的任何變化，一個特定安的全系數(shù)在不同的工程中可能會有不同的意 義。換句話說，安全系數(shù)的大小并不能完全準(zhǔn)確的描述工程的安全性；現(xiàn)有的設(shè)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(jié)構(gòu)的最大安全等級，這是一個關(guān) 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(xué)處理中。另一 個極端便是結(jié)構(gòu)變量的設(shè)計中，所有的信息和各種可能的因素都是已知的情況。 國內(nèi) 權(quán)威人士指出： “當(dāng)今計算機科學(xué)快速發(fā)展，計算的參數(shù)與實際情況相比其精度已經(jīng)遠(yuǎn) 遠(yuǎn)落后于精密工程結(jié)構(gòu)分析 ”，“如果你不考慮設(shè)計參數(shù)的不確定性，那么對于實際的 工程結(jié)構(gòu)分析而言這遠(yuǎn)遠(yuǎn)只是一個粗略的指標(biāo) ”。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(shù)學(xué)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(jīng)被認(rèn)識到

7、，但是由于以前的信息和數(shù)據(jù) 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(dāng)前工程越來越多的接 觸，研究隨機力學(xué)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(lǐng)域，以及隨機 過程組合。隨機變量是在獨立的時間和空間內(nèi)來描述一個變量的隨機性，隨機參數(shù)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(shù) 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(xiàn)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(shù)

8、可能有較大的改變，例如荷載較小 情況下下的變異系數(shù)可能較大而高層結(jié)構(gòu)變異系數(shù)的變化可能較小。土壤參數(shù)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(shù)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(shù)變異性普遍較高，特別是土的黏聚力 c,變異系數(shù)高達約0.5。此外, 在一定范圍內(nèi)的沉降，與一般的土壤參數(shù)相同的控制條件下，土壤性質(zhì)的平均特性表 現(xiàn)出明顯的空間變異，土壤參數(shù)的不同還與土壤所在位置有關(guān)。 因此，土壤通常使用 隨機場地模擬得出的材料參數(shù)。幾何尺寸的不確定性：一般來說，在這個領(lǐng)域的研究也比較少，其結(jié)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(zhǔn)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(gòu)模型和強度準(zhǔn)則，不同的模型反 映的重點各有不同，結(jié)果也可能會千差萬別。而 不確定性模型更為復(fù)雜，國際學(xué)者已 經(jīng)探索出了一些有用的，如 Ditlevsen和Kioregiant對工程結(jié)構(gòu)的不確定性模型進行了研究 ，相反，在巖土工程中的應(yīng)用，研究成果 則較少。四、深基坑支護的一個可靠指標(biāo)日本說，保持深基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是對深基坑支護結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述。假設(shè)一個正常分布的性能函數(shù)Z,則可靠性指標(biāo)和深基坑支護結(jié)構(gòu)的失效概率有以下關(guān)系：其中，因是深基坑支護

10、結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)概率；固是Z的概率函數(shù)下的性能函數(shù)；11是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。因此深基坑中P值的增長保證了支撐結(jié)構(gòu)的可靠性。由于深基坑支護結(jié)構(gòu)的抗力和 荷載效應(yīng)以及更多的非正態(tài)分布，因此，性能函數(shù)Z不一定符合正態(tài)分布。然而，結(jié)構(gòu) 分析表明，當(dāng)使用概率分布函 數(shù)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(shù)分析更為合理和方便。因此，性能函數(shù) 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(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)，有必要探索已用于建筑結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu) 中可靠性指標(biāo)的設(shè)計方法。它已進入實用工作 階段，許多國家和國際組織機構(gòu)都是以 可靠性理論作為依據(jù)的。 這種理論已經(jīng)發(fā)展出了新

11、的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計規(guī)范而使是用的建筑規(guī)范。中國的 建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)”VGB50068-2001）是基于對結(jié)構(gòu)設(shè)計安全的檢查結(jié)果的，同時也考慮到安全因素和經(jīng)濟因素。根 據(jù)安全結(jié)構(gòu)等級 表1）；根據(jù)可靠度設(shè)計要求 表2） 表1安全結(jié)構(gòu)等級安全等級破壞頻率建筑類型一級非常嚴(yán)重重要建筑二級嚴(yán)重普通工業(yè)和民用建筑三級不嚴(yán)重少數(shù)建筑表2.極限狀態(tài)下可靠度指標(biāo)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(shè)計。此外，靜載作用下的唯一的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在當(dāng)時 是適用的。在與動態(tài)載荷組合

12、作用下，目標(biāo)可靠度指標(biāo)一般介于1到2之間。國際安全聯(lián)合委員會vJOSS可以指定國際統(tǒng)一結(jié)構(gòu)體系標(biāo)準(zhǔn)”卷一在不同類型 的材料和結(jié)構(gòu)中都有統(tǒng)一的規(guī)則”，如表3。表3.國際標(biāo)準(zhǔn)中的風(fēng)險率五、深基坑支護結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計1.1.極限狀態(tài)和極限狀態(tài)方程極限狀態(tài)基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)可以分為以下幾類：1）與支撐結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)相對應(yīng)的最大承載能力或土壤的不穩(wěn)定，可以導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)的過度變形或基礎(chǔ)周圍環(huán)境的破壞；2）極限狀態(tài)的支撐結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的變形影響了地下結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、失穩(wěn)機制，它可以增大變 形特性和地表水壓力，增加結(jié)構(gòu)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(gòu)建功能模型來描述基礎(chǔ)的穩(wěn)定狀態(tài)：函數(shù)gvx）反映了基礎(chǔ)狀態(tài)或性能，這被稱為 狀態(tài)函數(shù)或性能函數(shù)。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(jié)構(gòu)恒載模型,模型可以編譯出深基坑支護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)函數(shù)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(zhuǎn)矩。2.2.深基坑支護結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計思想深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié) 構(gòu)的概率統(tǒng)計特征。依據(jù)可靠性指標(biāo) P可以選擇深基坑擋土支護結(jié)構(gòu)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(biāo)；確定平均阻力；確定 阻力標(biāo)準(zhǔn)值；確定結(jié)構(gòu)支護構(gòu)件截面。深層地基設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fēng)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(jié)構(gòu)的影響。深基坑支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)本身的影響 。深基坑圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)功 能的深基坑。 是深基坑圍護結(jié)構(gòu)函數(shù)。 JI是影響深基坑支護結(jié)構(gòu)可靠性的因素，通常是隨機變量。六、深基坑支護結(jié)構(gòu)的可靠性模型深基坑支護結(jié)構(gòu)-恒載-活載模型目前，深基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)損傷的情況下，只考慮恒載往往是不夠的，活載的作用更應(yīng)該考慮在內(nèi)?？紤]到這種情況，研究深基坑支護 結(jié)構(gòu)持續(xù)時間非常有必要考慮活載 樓面活荷載，風(fēng)荷載，雪荷載和雨荷載作用等）確 定深基坑支護結(jié)構(gòu)

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(yīng)模型，從而構(gòu)成一個模型。此時，為方便計算，仍然需假設(shè)一個線性性能函數(shù)深基坑支護結(jié)構(gòu)-直接作用模型 門模型）從前面的分析來看，深基坑支護結(jié)構(gòu)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(gòu)筑物爆破或周邊深基礎(chǔ)巖石爆破時 遇到。此時，深基坑支護結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計應(yīng)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(shù)表示如下：其中，對深基坑支護結(jié)構(gòu)的直接影響，是假設(shè)和線性組合。所以三模式下的函數(shù)形式也可寫作:七、結(jié)論可靠性指標(biāo)的大小可以反映基坑的穩(wěn)定性。本文詳細(xì)分析了工程結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo) 的推導(dǎo)，以及建

17、立了結(jié)構(gòu)可靠度方法的工程模型。并考慮支護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的主要失 穩(wěn)模式。從而得出基于可靠性分析模型的結(jié)構(gòu)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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19、 EXCAVATION”, InternationalConference on 3G Wireless and Beyon, San Francisco, CA, USA, May 2002.4Christos Faloutsos, Myron Flickner, Wayne Niblack, Dragutin Petkovic, “DETERMINATION FOR EFFECTIVE RATIO OF RESISTANCE TO OVERTURN BURIED CYLINDER”, August 3, 2000.5 Antonin Guttman, “ANALYSIS OF ARCHED RETAINING STRUCTUREIN DEEP FOUNDATION PITS BASED ON ARCHBEAM MET”HO. JDune 2000.6 Wayne Niblack, Ron Barber, “RESPONSEOF JOINTED DUCTHE PIPELINE TO DEEP EXCAVATION IN SOFT SOIL”, February 1, 2006.7 John