張括

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,西安710000)

巖土工程設(shè)計(jì)安全度指標(biāo)及其應(yīng)用研究

張括

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,西安710000)

在巖土工程設(shè)計(jì)中，安全度指標(biāo)是非常重要的，它直接關(guān)系到巖土工程的整體安全和質(zhì)量。所以，在實(shí)際工程中，需要對(duì)安全度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并且加強(qiáng)其實(shí)際應(yīng)用?；诖耍撐尼槍?duì)巖土工程安全度指標(biāo)計(jì)算存在的難點(diǎn)作了分析，探討了巖土工程的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，論述了巖土工程安全度指標(biāo)在設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，以期對(duì)相關(guān)工作提供參考。

巖土工程；安全度指標(biāo)；數(shù)值模擬法

1 引言

巖土工程安全度指標(biāo)實(shí)際上是對(duì)巖土工程的安全性和可靠性進(jìn)行的精確衡量，通過(guò)安全度指標(biāo)可以判斷巖土工程出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率，以此可對(duì)相關(guān)工作進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。安全度指標(biāo)的計(jì)算在以往是通過(guò)總安全系數(shù)描述或是分項(xiàng)系數(shù)描述的形式進(jìn)行。但是，隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范逐步革新升級(jí)，這一系列方法逐漸表現(xiàn)出了一定的不足。所以，就需要對(duì)巖土工程安全度指標(biāo)計(jì)算進(jìn)行研究，探究出全新的方法，以便推動(dòng)安全度指標(biāo)的計(jì)算進(jìn)步。因此，必須明確巖土工程安全度指標(biāo)計(jì)算存在的重難點(diǎn)，針對(duì)性地引入相關(guān)理論，切實(shí)解決安全度計(jì)算存在的問(wèn)題。

2 巖土工程安全度指標(biāo)計(jì)算存在的難點(diǎn)

在巖土工程安全度指標(biāo)計(jì)算中，概率極限法是一種常用方法，其一般又可以被稱為荷載-抗力系數(shù)設(shè)計(jì)方法。在這種方法中，將各項(xiàng)基本變量和對(duì)應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)相乘，得到的結(jié)果就被定義為設(shè)計(jì)值。根據(jù)基線方程而言，該設(shè)計(jì)值實(shí)質(zhì)上就是失效概率最大點(diǎn)的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。概率極限設(shè)計(jì)法在實(shí)際運(yùn)用中比較方便，和遺傳算法等設(shè)計(jì)方式存在一定區(qū)別。

一次二階矩法是分析可靠性的常用手段，在面對(duì)一些較為復(fù)雜的情況時(shí)，也可以通過(guò)其他方法進(jìn)行分析，比如，隨機(jī)有限元法、高階矩法以及MOnte-Carlo模擬法等。在巖土工程中，可以直接將工程結(jié)構(gòu)可靠性分析法進(jìn)行移植，也就是直接套用一次二階矩法。相較而言，巖土工程比上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出了更加明顯的特點(diǎn)[1]。

巖土工程的研究材料主要是自然產(chǎn)物，其材料性質(zhì)和分布位置存在直接關(guān)系，能夠?qū)Φ刭|(zhì)成因和形成年代反映，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的地域性。而上部結(jié)構(gòu)材料主要是人工制造的各種材料，比如鋼筋、鋼管、水泥等。由于材料存在的區(qū)別，在巖土工程中需要通過(guò)工程勘察，憑借鉆探、取土、實(shí)驗(yàn)等手段計(jì)算出設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值。雖然在部分技術(shù)規(guī)范中提供了部分設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，但它只能用于工程初期或是不重要的環(huán)節(jié)，不能夠像上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)那樣依照技術(shù)規(guī)范直接取用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)。不僅如此，不同地區(qū)的巖土性質(zhì)也存在很大差別，也給安全度計(jì)算形成了阻礙。比如，陜西地區(qū)的地質(zhì)條件就比較多樣，其陜北地區(qū)可以分為沙漠高原和黃土高原等，具體細(xì)分又有沙丘沙地、草灘盆地、風(fēng)沙河谷以及各種黃土地貌。不同地質(zhì)地貌情況下的巖土工程安全度指標(biāo)計(jì)算受到的影響因素是不一樣的，在實(shí)際的工程中，應(yīng)該區(qū)別對(duì)待。

3 巖土工程安全度指標(biāo)計(jì)算方法分析

在計(jì)算巖土工程安全度指標(biāo)中，可使用的方法較多，需要更具實(shí)際情況進(jìn)行選擇。一般說(shuō)來(lái)，一次二階矩法、高次高階矩法、數(shù)值模擬法以及模糊可靠度分析等方法，在實(shí)際的巖土工程中都比較常用。不僅如此，隨著信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，一些先進(jìn)的安全度分析軟件也被運(yùn)用到相關(guān)工作中，為巖土工程的安全度指標(biāo)分析提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

數(shù)值模擬法可分為響應(yīng)面法和隨機(jī)有限元法，響應(yīng)面法的基本思想就是利用多項(xiàng)式函數(shù)對(duì)隱式功能函數(shù)進(jìn)行替代，盡量減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)對(duì)響應(yīng)面的隱式表達(dá)進(jìn)行擬合，然后對(duì)安全度進(jìn)行分析。隨機(jī)有限元法就是對(duì)確定性有限元計(jì)算和隨機(jī)分析理論進(jìn)行結(jié)合，對(duì)處理隨機(jī)場(chǎng)問(wèn)題優(yōu)勢(shì)明顯。模糊可靠度分析在計(jì)算巖土工程安全度指標(biāo)上也經(jīng)常使用，這是因?yàn)閹r土工程的安全度不僅具有隨機(jī)性，還表現(xiàn)出了模糊性，無(wú)法精確定量。比如在建筑工程的基坑安全度分析中，就可以利用模糊可靠度分析建立安全模型，并結(jié)合工程進(jìn)展對(duì)安全模型進(jìn)行演化，以此對(duì)基坑的安全度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。此外，人工智能在在巖土工程的安全度指標(biāo)計(jì)算中也較為常用，其可以分為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可靠度分析、遺傳算法、免疫算法等，這些方法都可以對(duì)安全度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

4 巖土工程安全度設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 工程施工設(shè)計(jì)的安全度控制因素

4.1.1 噴射混凝土設(shè)計(jì)

在巖土工程中，噴射混凝土的應(yīng)用是比較常見的，其和安全度卻存在比較緊密的聯(lián)系，一定要確保其設(shè)計(jì)合理。噴射混凝土不合理，會(huì)導(dǎo)致周邊環(huán)境與其產(chǎn)生不協(xié)調(diào)。如果混凝土存在縫隙等，就可能成為地下水的滲透通道，在水壓作用下從混凝土層下滲，造成混凝土下部細(xì)小顆粒流失形成空隙。隨著空隙逐漸增多，會(huì)導(dǎo)致滲水量不斷增大，又將導(dǎo)致顆粒流失更加嚴(yán)重，從而形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致混凝土面層的防護(hù)作用喪失[2]。

4.1.2 大承載預(yù)應(yīng)力錨桿使用

在對(duì)高邊坡進(jìn)行支護(hù)施工時(shí)，如果施工地區(qū)空氣濕度比較大，就很容易導(dǎo)致錨頭和自由段在高應(yīng)力作用下發(fā)生銹蝕變形，從而失去支護(hù)效果。所以，必須要對(duì)預(yù)應(yīng)力加以控制。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看，在某些工程中，由于錨桿沒有設(shè)置合理的防腐措施，導(dǎo)致在工程建成后的10a時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了錨筋銹斷、支護(hù)失效的情況，最終引起邊坡發(fā)生坍塌。因此，在設(shè)計(jì)巖土工程時(shí)，就應(yīng)該對(duì)支護(hù)錨桿做好防腐措施。

4.1.3 爆破巖質(zhì)邊坡

在爆破開挖巖質(zhì)邊坡時(shí)，會(huì)對(duì)許多結(jié)構(gòu)造成影響，尤其是格構(gòu)梁、散體狀結(jié)構(gòu)、碎裂巖體以及毛石等，在進(jìn)行爆破時(shí)都會(huì)發(fā)生很大的擾動(dòng)，容易影響巖土工程的整體質(zhì)量。所以，在巖土工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)爆破工藝進(jìn)行控制，對(duì)爆破點(diǎn)位選擇、爆破藥量計(jì)算等進(jìn)行控制，確保爆破施工對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響降至最低。不僅如此，還需加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)，減少落石或崩落對(duì)邊坡開挖造成的不安全威脅。

4.2 工程實(shí)例

在陜西一住宅建筑工程中，建筑總面積是8000m2，房屋總共10層。地下有1層，基坑面積是800m2，基坑深度為3m，基坑周長(zhǎng)大致120m。在基坑施工中，支護(hù)采用排樁，樁徑分別為φ400mm、φ500mm、φ600mm。鉆孔的深度為30～45m，鉆孔后排的直徑為700mm，排樁之間的間距為220mm，基坑支護(hù)主要是φ600mm。將排樁進(jìn)行鉆孔灌注后，將其運(yùn)用到基坑施工過(guò)程中可以作為擋土墻面。由于其地層復(fù)雜，黏土、砂礫層等錯(cuò)雜，且周邊鄰近其他居民區(qū)，需要對(duì)巖土工程的安全度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合該工程實(shí)際，可以用m值法（m為地基土比例系數(shù)）確定基坑支護(hù)施工的安全度。m值的確定可以利用理正軟件進(jìn)行計(jì)算，但會(huì)受到位移、彎矩和錨桿拉力等影響。雖然可以根據(jù)C和φ確定m值的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，但還是需要進(jìn)一步理解m值的力學(xué)意義。一般情況下，k=mz，p=ks，可以根據(jù)這兩個(gè)式子計(jì)算m值。式中，k為基床系數(shù)，m為k隨深度z變化的比例系數(shù)，則得出m=k/z。m值的確定可以根據(jù)地層條件確定，比如，密實(shí)卵石夾粗砂，m值可在85～180MN/m4范圍內(nèi)，硬塑黏土m值可取10～20MN/m4。

在計(jì)算安全度指標(biāo)時(shí)，應(yīng)該對(duì)地面載荷位置和大小予以考量，對(duì)鄰近建筑物的形式、埋深、結(jié)構(gòu)等綜合分析，還需對(duì)附近管線排布和使用情況進(jìn)行摸排。在計(jì)算安全度時(shí)，可以考慮采取綜合分析法，即通過(guò)不同的軟件、計(jì)算方法計(jì)算安全度，然后進(jìn)行綜合對(duì)比。就以樁錨支護(hù)而言，就可以利用經(jīng)典法和彈性法分別計(jì)算，然后進(jìn)行對(duì)比，得出更加合理的結(jié)果。再比如，土釘墻就可以通過(guò)驗(yàn)算和設(shè)計(jì)這兩種方法進(jìn)行安全度計(jì)算，其得出的結(jié)果截然不同。設(shè)計(jì)結(jié)果一般上短下長(zhǎng)，驗(yàn)算結(jié)果一般上長(zhǎng)下短，這就需要根據(jù)實(shí)際情況決定取用哪個(gè)結(jié)果。對(duì)于該工程而言，基于其巖土地層的不穩(wěn)定性，驗(yàn)算法能夠發(fā)揮出更好的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

在巖土工程中，安全度指標(biāo)的重要性不言而喻。但是，基于巖土工程自身存在的復(fù)雜性特點(diǎn)，導(dǎo)致安全度計(jì)算受到諸多因素的影響。所以，在對(duì)巖土工程進(jìn)行安全度指標(biāo)的分析中，可以結(jié)合工程實(shí)際選擇對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法，并以此指導(dǎo)實(shí)際的巖土工程，從噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿以及邊坡支護(hù)等環(huán)節(jié)加強(qiáng)對(duì)安全度指標(biāo)的控制。

【1】高大釗.巖土工程設(shè)計(jì)安全度指標(biāo)及其應(yīng)用[J].工程勘察,1996(1): 1-6.

【2】朱紅霞.隨機(jī)場(chǎng)理論在地基可靠度分析中的應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué),2007.

Study on Safety Index and Its Application in GeotechnicalEngineeringDesign

ZHANG Kuo
(ShanxiProvincial Transport Planning Design and Research Institute,Xi'an710000,China)

Ingeotechnicalengineeringdesign,thesafety index isvery important,which isdirectly related to theoverallsafetyandqualityof geotechnicalengineering.Therefore,in theactualproject,theneed to calculate thedegreeofsafety,and tostrengthen itspracticalapplication. Basedon this,thispaper forgeotechnicalengineeringsafety index calculationdifficultiesofanalysis,toexplore thegeotechnicalengineering designpoints,finallydiscussestheapplicationofgeotechnicalengineeringsafety index in thedesign,inorderto relatedwork.

geotechnicalengineering;safety index;numericalsimulationmethod

TU456

A

1007-9467（2016）08-0055-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.010

2016-01-11

張括（1982～），男，陜西安康人，工程師，從事巖土設(shè)計(jì)和地質(zhì)工程研究，（電子信箱）543800337@qq.com。