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阅读 245 次 岩土工程安全度控制方法及设计代表值辨析

摘要:本文分析了目前岩土工程设计所采用的主要几种安全度控制方法以及不同方法之间的差异性,探讨了岩土工程安全度控制方法及设计代表值容易混淆的问题,提出不同设计方法之间相互衔接应该注意的问题。...

 岩土工程安全度控制方法及设计代表值辨析

刘嘉辉

陕西省建筑科学研究院

引言

土木工程领域的传统安全度控制方法是建立在工程经验基础上的定值法。随着设计理论的和设计方法的进步,定值法逐渐的转变为以概率论及数理统计为基础的概率法。但是由于岩土体本身的复杂性以及相关研究的滞后,目前岩土工程相关规范对两种设计方法均有采用,不同安全度控制方法所用的工程设计代表值(荷载作用力与抗力值)并不相同,使用时往往容易混淆,本文追本溯源辨析岩土工程领域所采用的几种安全度控制方法及设计代表值的来源和用法。

一、岩土工程安全度控制方法

目前岩土工程安全度控制方法一般分为定值法和概率法两类,其中定值法又包括了容许应力法、安全系数法、多系数法。概率法包括分项系数法和全概率法。(岩土工程主要规范采用的安全度控制方法汇总见表1)

1、容许应力法的设计表达式中作用力采用标准值,抗力以特征值或容许值(包括试验曲线的某种特征点或理论公式的计算结果)表示,其安全度是隐含的。

2、安全系数法的表达式是极限状态与抗力的平衡关系,其中抗力是极限值,抗力(极限值)除以安全系数然后与作用力(标准值)相平衡。

3、多系数法为50年代使用的一种设计方法,属于定值法的一种,现在已经弃用。

4、分项系数法的表达式描述是极限状态下设计验算点的抗力(设计值)与作用力(设计值)的平衡关系,该法采用把荷载、材料、构件截面尺寸、计算方法等视为随机变量应用数理统计的概率方法进行分析,采用了以作用力标准值、材料强度标准值分别与作用分项系数、材料分项系数相关的作用设计值、材料强度设计值来表达的方式。需要说明的是分项系数设计法虽然用了数理统计的方法,但是在概率极限状态分析中未用到实际的概率分布,且运算中采用了一些近似的处理方法,故只能成为近似概率设计方法,属于半概率设计法。

5、全概率法对各种基本量如荷载、结构材料参数、几何尺寸等,分别视为随机变量或用随机过程描述,用失效概率直接度量安全性。

表1 岩土工程领域安全度控制方法汇总表

 类别

计算内容

计算方法

浅基础

地基承载力验算

容许应力法

地基稳定性验算

安全系数法

挡土墙稳定性验算

安全系数法

基础结构承载力验算

分项系数法

深基础

单桩承载力验算

安全系数法

桩身混凝土强度验算

分项系数法

承台内力配筋验算

分项系数法

基坑及边坡

边坡稳定性验算

安全系数法

土钉锚杆设计

安全系数法

抗震设计

地基承载力抗震验算

容许应力法

单桩竖向承载力抗震验算

容许应力法

单桩水平承载力抗震验算

容许应力法

我国在改革开放前,土木工程领域全部采用的是定值法,当时土木工程方面的各主要国际组织,以及美国、加拿大、德国等,都以可靠度理论为基础,编制了或正在编制或修订结构设计规范。为了与国际标准接轨,《建筑结构设计统一标准》(GBJ68-84)以及《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-92)引入可靠度的概念明确了建筑结构设计向概率法方向的转变,以结构的失效概率为依据的概率法安全度控制标志着结构设计在认识上、方法上的重大进步和发展,它使结构设计从定值的概念转变为随机的概念,使安全度从直观经验法转变为系统地应用统计学原理,使安全度从以往定性处理发展到定量分析。但是在岩土工程领域由于岩土体本身的复杂性,全面采用概率法设计尚有不小困难。

目前在岩土工程中定值法与概率法并存的局面,主要有两大原因,第一是岩土工程概率法固有研究和积累不足。第二是岩土工程本身的问题,主要是和岩土工程处理对象岩土体有很大关系,主要原因是:

1、作为一种自然产物,岩土体结构千差万别,其非均质,各项异性的特点,以及其所处位置不同、边界条件不同、包含的裂隙及孔隙多少,使得岩土体物理力学性质区别很大。如地基土承载力与土的边界条件、成因、成分、应力历史、基础埋深、基础宽度、地下水等情况相关,承载力值的离散型较大,所以地基土的承载力值不能够像混凝土、钢材这些均质材料一样通过概率分布取其某一分位值从而确定一个强度标准值、设计值。

2、岩土体试验参数的离散型,由于岩土体取样、测试方法、运输等等一系列原因导致,岩土体物理指标的离散型较大。

3、孔隙水压力多变性,孔隙水压力的变化会导致岩土体力学性能极大的改变。

4、计算模型的的不成熟,由于极限承载力计算问题的复杂性,目前没有严格的一般解析解,只是采用不同假设条件得到的极限承载力计算公式,其计算结果差异性较大。

岩土工程相关规范也尝试向概率法的转变,如早期桩基规范承载力设计采用的是容许应力法,《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)承载力验算采用了分项系数法安全度控制方法,即运用概率论和数理统计分析荷载、承载力的变异特征与规律,利用既有工程经验,在安全与经济之间寻求合理的平衡,确定一般工程桩基承载力的目标可靠指标(对应于一定失效概率),从而求得不同土层中不同桩型的抗力分项系数,以分项系数表达的极限状态设计表达式进行桩基承载力计算。用带有分项系数的极限状态设计表达式计算,表达式作用力与抗力均采用设计值,属于一种不完全的概率法,但是其中最重要的因素桩的承载力却是由载荷试验提供的,载荷试验提供的承载力参数包括了桩长、桩距、桩身材质、地基土性质等一系列因素,因此《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)又从分项系数法变为安全系数法。

《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2002)锚杆钢筋截面面积验算中使用的是分项系数法,钢筋强度用的是设计值,锚杆拉力用的也是设计值。锚固体与地层之间的锚固长度计算中使用的是容许应力法,锚固体与地层间的摩阻力粘结强度采用的是容许强度,故锚杆拉力使用的是标准值。锚杆钢筋与锚固砂浆之间的锚固长度验算中使用的是分项系数法,钢筋和砂浆都是建筑材料,粘结强度使用了设计值,所以锚固拉力也是用设计值。同一锚杆体系设计中同时用了两种安全度控制方法显得很混乱,所以《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)中统一成安全系数法。

由于岩土工程研究对象岩土体的多样性和复杂性,所以经验就显得无比重要,三分计算,七分经验,岩土工程现有的理论计算结果直接应用在工程实践上往往是不可靠的,就是因为以上所述岩土体边界条件、结构差异、孔隙水压力、外荷条件、测试手段、计算模型等一系列不确定的因素,使得岩土工程不得不通过经验综合判断,理论是导向,但是只有结合实际经验的理论才能做出正确的抉择,所以全面实施概率法仍然十分困难。

二、岩土工程设计代表值

目前建筑工程中主体结构设计已经全部采用概率法,而岩土工程中则是两种方法并存,这就导致两者衔接上产生一系列问题。岩土工程规范所涉及的设计代表值包括极限值、容许值、标准值、设计值、特征值,基本值等,在应用上往往容易混淆,不同方法相应的设计代表值不同。

容许应力法和安全系数法作用力都是标准值,而分项系数法用的是设计值。安全系数法和分项系数法的抗力都是极限值,容许应力法抗力用的是特征值或容许值,其安全度包含在荷载取值之内,安全系数法和分项系数法则用安全系数或是分项系数取值来控制,因此理清这些代表值的意义对岩土工程设计至关重要。岩土工程主要的设计代表值有:

1、极限值:濒临破坏或失稳时所能承受的最大荷载,如地基承载力极限值、单桩竖向极限承载力。

2、容许值:考虑一定安全储备后的值,如地基承载力容许值[]、单桩轴向受压承载力[],为容许应力法安全度控制旧有术语,现行《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)、《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10002.5-2005)仍在使用。

3、特征值:《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)规定地基承载力特征值是指由载荷试验地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形对应的压力值。为强度条件下的地基容许承载力。而在《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)中单桩承载力特征值由单桩承载力极限值除以安全系数2得到。

4、基本值:从地基承载力表中查得但是尚未经过统计修正的地基承载力数值,该术语曾经用于《建筑地基基础设计规范》(TJ7-74)现已取消。现行《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63-2007)、《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB 10002.5-2005)仍在使用。

5、设计值:严格意义上来讲为按概率极限状态原则设计所采用的代表值,岩土工程相关规范中由于定值法和概率法的并存使用较混乱,规范未统一,其概念和使用差别很大,《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)曾采用地基承载力设计值术语,(GB50007-2002)版更改为地基承载力特征值。

6、平均值及标准值:为统计值,源于数学中概率论与数理统计的概念,只涉及数据的离散型和变异性,不涉及指标的物理意义。标准值为统计分布的特征值(均值、众值、或是某个分位值),一般为字母下角标带个k。

基础设计规范(2011)2.1.3条文说明指出,根据国外有关文献,相应于我国规范中“标准值”的含义可以有特征值、公称值、名义值、标定值四种,在国际标准《结构可靠性总原则》ISO2394中相应的术语直译为“特征值”(Characteristic Value),该值的确定可以是统计得出,也可以是传统经验值或某一物理量限定的值。本次采用“特征值”一词,用以表示正常使用极限状态计算时采用地基承载力和单桩承载力的设计使用值,其含义即为在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。

基础设计规范(2011)规范4.2.2条文说明指出标准值取其概率分布的0.05分位,地基承载力特征值是指由载荷试验地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形对应的压力值,实际即为地基承载力允许值。

《建筑地基基础设计规范》(GBJ7-89)为了向概率法转变曾采用地基承载力标准值、设计值等术语,但其只是术语的改变,其本质仍然是容许值,造成了许多误解,所以在(GB50007-2002)中放弃了形式上套用概率法的原则,将标准值变为特征值(本质上仍然是容许值)。

三、设计值与标准值需要特别注意的问题

基础工程是建筑工程的一部分,地基基础的荷载是由上部结构传递下来的,所以地基基础设计荷载必须与上部设计荷载相一致,由于目前上部结构已采用概率法设计,但是地基基础部分仍采用定值法,上部结构与地基基础设计原则不统一,各个规范执行不同的规定,设计值与标准值混用,造成很多误解以及潜在危险。

结构部分设计,由于已经全部采用概率法,所以对于结构强度验算,作用力用设计值,抗力也采用设计值,没有任何问题。但在地基基础设计中,如验算地基承载力时,由于承载力使用的是特征值(容许值),作用力(基地压力)必须采用标准值。基础结构承载力的验算中,材料强度设计采用的是设计值,所以作用力也必须使用设计值与之匹配。《地基基础设计规范》中给出了一个简化规则,设计值=1.35标准值。地基土抗力的性质是特征值(容许值),如果荷载是标准值被误当成设计值,设计安全度就会提高,造成经济上的浪费,如果荷载是设计值被误当成标准值,则安全度降低会产生结构失效的安全危险。

桩基工程中,单桩承载力验算时,由于桩是由岩土提供端阻力及侧阻力,与之相应的轴力是标准值,但是桩身强度验算时,使用的轴力必须是设计值。

基坑工程中,由土的强度指标计算得到的是标准值,支挡结构内力同样是标准值,但是支挡结构材料强度却是设计值。基坑设计规范对临时性支护结构给出简化规则是设计值=1.25标准值。

边坡和基坑工程中根据土力学原理计算得到的作用力,其性质是标准值,不能直接与支挡结构抗力(本质是设计值)相平衡,应注意。

结语

岩土工程安全度控制方法研究的滞后以及岩土工程的复杂性是岩土工程设计全面采用概率法困难的根源,对于目前情况应从实际出发,影响岩土体承载力的不确定因素较多,仍需依靠经验。如若贸然全面转向概率法,对精度很差或是连精度的大致范围都不清楚的承载力值进行概率统计的可靠性分析,是没有意义的,也可能危害建筑安全,所以需进一步加强岩土工程的理论研究工作。对于目前两种安全度控制方法并存的局面,需要我们理清两者之间关系,在设计代表值的取用上应注意,防止危害工程安全质量的情况发生。

(本文来源:陕西省土木建筑学会    文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)

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