路基工程設(shè)計(jì)安全系數(shù)法的基本概念

第一章路基工程設(shè)計(jì)平安系數(shù)法的基本概念一、平安系數(shù)法的基本概念土體的固有特征之一是它的不勻稱性。自然土壤沉積層都是由不規(guī)章的各種土壤層次所組成，其密度、含水量以及其他可影響沉積層強(qiáng)度和可壓縮性的特征的變化都是很大的，同時(shí)，巖石地層也經(jīng)常表現(xiàn)為不規(guī)章的地址斷裂帶和裂隙帶，這些將顯著影響巖層的承載力量。另一方面，路基工程所承受的荷載也是不確定的，目前將軌道和列車動(dòng)、靜荷載均換算成土柱作用在路基上的設(shè)計(jì)方法，只是對(duì)非確定性的載荷一種人為的簡(jiǎn)化，在自然環(huán)境中，諸多自然因素對(duì)路基工程的影響特殊是地震、洪水、滑坡、泥石流等突發(fā)性自然災(zāi)難所形成的災(zāi)難荷載則具有更大的隨機(jī)性。由于我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)自然地基的承載力量?jī)H能依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探有限土樣的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)來作出打算，這種估量當(dāng)然包含著相當(dāng)大的不確定性；又由于目前有關(guān)學(xué)科進(jìn)展水平的限制，我們對(duì)有關(guān)人為的或自然因素對(duì)路基工程的作用既無(wú)法精確描述又無(wú)法精確預(yù)知各種現(xiàn)象所可能造成的后果，這樣所謂路基工程設(shè)計(jì)只能是在不確定性的條件下，盡力作出正確打算的工作。目前路基設(shè)計(jì)主要采納平安系數(shù)法，這是處理不確定性的主要設(shè)計(jì)方法，而以后將爭(zhēng)論的牢靠性設(shè)計(jì)方法，則是研討路基工程中處理不確定模型的重要優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)之一。平安系數(shù)法的定義為“在通過理論、深度分析或長(zhǎng)期的閱歷與實(shí)踐，對(duì)誤差的大小在肯定程度上比較明確的狀況下，把內(nèi)存在系統(tǒng)中的各種不確定性，概括成某一系數(shù)作為系統(tǒng)的輸出”的一種方法。簡(jiǎn)言之，即將設(shè)計(jì)中對(duì)全部不確定性問題的處理，都由一種平安系數(shù)來加以解決，平安系數(shù)必需是設(shè)計(jì)上用起來便利而且能彌合設(shè)計(jì)與實(shí)際現(xiàn)象之間差別的一個(gè)系數(shù)。平安系數(shù)Fs一般可用下式表示：Fs=X/Y式中X和Y表示為任何形式都可以。如可以用強(qiáng)度和剪應(yīng)力之比來表示、可用抗滑力矩和滑動(dòng)力矩之比來表示等等，在橋涵過流斷面設(shè)計(jì)中，以橋涵凈空除以某一基準(zhǔn)值（相對(duì)于某一設(shè)計(jì)頻率流量的斷面）直接作為平安系數(shù)也是可以的。平安系數(shù)Fs的值并不能作為定量地表示工程平安度的尺度，而只是依據(jù)現(xiàn)有學(xué)問認(rèn)為能大體上滿足工程上（包括技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、牢靠性）要求的某一給定值。比如說用力矩之比來分析滑坡時(shí)，假如知道采納Fs=L2可以大體上滿足工程上的要求，就取Fs=1.2；對(duì)于基礎(chǔ)承載力問題，認(rèn)為Fs取3才能得到滿足的結(jié)果時(shí)就可令Fs=3。這里Fs=L2并不意味著120%的平安。Fs=3也絕不是3倍的平安。由于在目前工程中很多問題是無(wú)法定量的，難以具體地確定其平安度的大小，有時(shí)這種定量的分析即便可能，但在力學(xué)上并沒有什么意義。這樣將工程的牢靠性用平安系數(shù)來處理，以確定一個(gè)“最差的”工程系統(tǒng)力量使能留有余地地適應(yīng)一個(gè)“最大的”荷載作用需求的概念構(gòu)成了路基設(shè)計(jì)理論的常規(guī)模式。其次章路基工程牢靠性設(shè)計(jì)的原理一、破壞概率的定義我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)介紹，平安系數(shù)雖是欲以數(shù)值表示平安度的指標(biāo)，但并不能作為定量表示平安度的尺度，這樣，不能夠定量地表示平安度是平安系數(shù)法最大的缺點(diǎn)，這樣就導(dǎo)致了將牢靠度的概念引入到路基工程設(shè)計(jì)中來的需要，使之成為路基工程進(jìn)展的熱點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)的主要目的之一就是在經(jīng)濟(jì)允許條件下確保建筑物的功能。但是絕大多數(shù)路基工程的規(guī)劃與設(shè)計(jì)是缺乏完整資料的背景下完成的，其決策是在不確定的條件下作出的，同時(shí)又受到經(jīng)濟(jì)條件的制約，要確保工程的肯定平安和完好是不行能的，這樣只有當(dāng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則近似在牢靠性的概率量度上，才有可能獲得恰當(dāng)?shù)钠桨捕群屠慰慷取?在牢靠性工程中，牢靠性定義為在一組給定條件下，工程在規(guī)定時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能的力量，這種力量即用概率表征。牢靠性設(shè)計(jì)即為一種以為牢靠性理論為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。（概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，就是在牢靠性理論的基礎(chǔ)上，將影響結(jié)構(gòu)牢靠性的幾乎全部參數(shù)都作為隨機(jī)變量，運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析全部參數(shù)或部分參數(shù)，計(jì)算結(jié)構(gòu)的牢靠指標(biāo)或失效概率，以此設(shè)計(jì)或校核結(jié)構(gòu)。決策爭(zhēng)論,爭(zhēng)論從很多設(shè)計(jì)比較方案中研討最佳設(shè)計(jì)方案的方法。從工程的觀點(diǎn)看，每個(gè)設(shè)計(jì)比較方案均有自身的破壞概率，而執(zhí)行各個(gè)比較方案需要的費(fèi)用也不相同，一般而言，是不行以無(wú)限制地提高費(fèi)用來提高平安性，事實(shí)上只能是在擔(dān)當(dāng)肯定風(fēng)險(xiǎn)的前提下選擇合理的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。所以，作為牢靠性設(shè)計(jì)的其次步工作，就是從具有不同牢靠度的設(shè)計(jì)比較方案中確定最佳方案，即所謂決策的作業(yè)。國(guó)際上按進(jìn)展階段和精確程度不同將概率設(shè)計(jì)法分為三個(gè)水準(zhǔn)：水準(zhǔn)I——半概率法；水準(zhǔn)II——近似概率法；水準(zhǔn)in——全概率法。近似概率法對(duì)結(jié)構(gòu)牢靠性給予概率定義，以結(jié)構(gòu)的失效概率或牢靠指標(biāo)來度量結(jié)構(gòu)牢靠性，并建立了結(jié)構(gòu)牢靠度與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，在計(jì)算牢靠指標(biāo)時(shí)考慮了基本變量的概率分布類型并采納了線性化的近似手段，在截面設(shè)計(jì)時(shí)一般采納分項(xiàng)系數(shù)的有用設(shè)計(jì)表達(dá)式。我們國(guó)家建筑《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》和大路《統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》都采納了這種近似概率法，規(guī)定了在設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)處，把以牢靠指標(biāo)表示的極限狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為以基本變量和相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)有用表達(dá)式。對(duì)于表達(dá)式的各分項(xiàng)系數(shù)，則依據(jù)基本變量的概率分布類型和統(tǒng)計(jì)參數(shù)，以及規(guī)定的目標(biāo)牢靠指標(biāo)，按優(yōu)化原則，通過計(jì)算分析并結(jié)合工程閱歷加以確定。)所謂極限狀態(tài)可定義為路基工程的破壞狀態(tài)，破壞概率的計(jì)算，一般以該領(lǐng)域中所采納設(shè)計(jì)公式和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)公式可寫為：6二@(L,S)(1-1)式中荷載；S--阻力L和S可再用一些基本變量表示L=L(X1,X2,—,Xn)S=S(X1,X2,---,Xn)因此，一般設(shè)計(jì)公式是多變量的非線性函數(shù)止匕外，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是指函數(shù)的特定值6(D2(bo(或6〈60)(1-2)要求任何范圍都有設(shè)計(jì)結(jié)果。破壞概率(牢靠度)的定義為，將基本變量的xi,x2,-「xn；yi,y2,---,yn；的一部分或全部當(dāng)作隨機(jī)變量。再依據(jù)設(shè)計(jì)公式(1-1)和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)公式(1-2),求下列概率Prob[02"o](1-3)一種做法為，若設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的概率叫牢靠度，不滿足設(shè)計(jì)基準(zhǔn)的概率稱為破壞概率(破壞概率=1-牢靠度)，也叫失效率。需要指出的是，就像公式(1—1)、(1-2)所解釋的，不必將破壞概率Pf看作“真正的破壞概率”，而是在爭(zhēng)論問題中定義某一基準(zhǔn)被超過的概率為破壞概率。例如，若考慮地基沉降10cm以上對(duì)上面構(gòu)造物產(chǎn)生的不利影響作為設(shè)計(jì)問題，而且沉降量超過10cm的概率可用式(1-3)進(jìn)行計(jì)算，就可將其定為破壞概率；又如在爭(zhēng)論軟粘層土壤土的穩(wěn)定問題，可將沿滑動(dòng)面的抗滑力矩小于滑動(dòng)力矩的概率看作破壞概率，但這并不等于真正地基物理破壞的概率；我們?cè)鴮蚝ㄖ镄问降哪嗍鞴c(diǎn)，發(fā)生等于或超過設(shè)計(jì)泥石流流量的大事稱為準(zhǔn)失事大事，而將線路系統(tǒng)發(fā)生準(zhǔn)失事大事的概率作為系統(tǒng)失效概率計(jì)算的基礎(chǔ)，也是這種處理觀點(diǎn)的體現(xiàn)?？傊?，依據(jù)工程上的目的，只要破壞概率的定義明確，則在概念上是不會(huì)有任何問題的。二、牢靠性設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行牢靠性的設(shè)計(jì)，一般有兩項(xiàng)主要工作。.破壞概率的計(jì)算，這是一個(gè)純工程問題，但往往是具體工作的最困難點(diǎn)。如地基工程問題中，由于地基的強(qiáng)度或載荷必需要以概率數(shù)學(xué)模型表示，所以要調(diào)查土的物理和力學(xué)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，必需在有承載力、土壓力、應(yīng)力分布各種問題和有關(guān)土的性能統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的爭(zhēng)論和資料的搜集各項(xiàng)工作取得相當(dāng)進(jìn)展的基礎(chǔ)上，才能對(duì)破壞概率的計(jì)算問題獲得突破。.決策爭(zhēng)論，爭(zhēng)論從很多設(shè)計(jì)比較方案中研討最佳設(shè)計(jì)方案的方法。從工程的觀點(diǎn)看，每個(gè)設(shè)計(jì)比較方案均有自身的破壞概率，而執(zhí)行各個(gè)比較方案需要的費(fèi)用也不相同，一般而言，是不行以無(wú)限制地提高費(fèi)用來提高平安性，事實(shí)上只能是在擔(dān)當(dāng)肯定風(fēng)險(xiǎn)的前提下選擇