魏永幸 王占盛 羅一農(nóng) 劉會娟

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

支擋結(jié)構(gòu)是用來支撐、加固巖土體，以保持其穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，常見的支擋結(jié)構(gòu)形式有擋土墻、抗滑樁、加筋土擋墻、預(yù)應(yīng)力錨索等。支擋結(jié)構(gòu)在我國鐵路工程中應(yīng)用較多，西部山區(qū)鐵路尤其如此，常設(shè)置于路堤和路塹邊坡、滑坡、巖堆等地段。由于支擋結(jié)構(gòu)對整個鐵路工程的安全性至關(guān)重要，因此識別其安全風(fēng)險、研究其設(shè)計參數(shù)是一項極有價值的工作。

在風(fēng)險識別研究方面，國外一些國家開展此工作較早，已制定了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如2002年國際隧道協(xié)會編制的《隧道工程風(fēng)險管理指南》。在國內(nèi)，鐵道部于2007年頒布了《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》[1]，交通部于2010年和2011年先后頒布了《公路橋梁和隧道工程設(shè)計安全風(fēng)險評估指南(試行)》[2]和《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南》[3]，建設(shè)部于2007年頒布了《地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南》[4]，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2011年頒布《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險管理規(guī)范》[5]。具體到鐵路路基工程領(lǐng)域，文獻(xiàn)[6]認(rèn)為路基工程具有3個特點：①工程由巖土材料構(gòu)成；②處于露天環(huán)境；③由人工在現(xiàn)場建造，這3個特點決定了路基工程必然存在許多潛在的影響其安全質(zhì)量的不確定因素，也是路基工程風(fēng)險的三大來源。文獻(xiàn)[6]還將風(fēng)險識別方法分為了三大類：①經(jīng)驗類比法，該類方法基于經(jīng)驗對風(fēng)險因素或風(fēng)險事件進(jìn)行核對、排查，這是風(fēng)險識別的常用方法，需識別人員掌握系統(tǒng)的工程知識并具備相當(dāng)?shù)墓こ探?jīng)驗；②理論分析法，該類方法借助理論分析方法或工具對風(fēng)險事件發(fā)生部位、發(fā)生概率以及風(fēng)險因素的敏感性等進(jìn)行計算分析，為風(fēng)險識別提供依據(jù)；③試驗求證法，該類方法是在面對復(fù)雜或影響重大的風(fēng)險問題時采取的必要手段。三大類方法中經(jīng)驗類比法應(yīng)用最多。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)列出了目前風(fēng)險識別常用的具體方法，包括專家調(diào)查法、分解分析法、核對表法、頭腦風(fēng)暴法、故障樹分析法、圖解法、敏感性分析法、蒙特卡洛模擬分析法、影響圖分析法、層次分析法、專家打分法、仿真分析法、模型試驗法等，并結(jié)合路基工程的特點，給出了以上各方法的技術(shù)特點和適用條件，并從填方路基、挖方路基、特殊土路基、路基支擋結(jié)構(gòu)、滑坡與巖堆地段路基、斜坡異物侵入災(zāi)害等具體工程的特點入手，分析了其風(fēng)險特點，提出了相應(yīng)的工程風(fēng)險管理對策。

在設(shè)計參數(shù)研究方面，鐵路行業(yè)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計自2011年開始了新階段的系統(tǒng)性修編工作，目前已發(fā)布了鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及路基、橋梁、隧道、隧道專業(yè)的極限狀態(tài)設(shè)計規(guī)范[8-11]。支擋結(jié)構(gòu)屬于重要的路基工程結(jié)構(gòu)，《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[12]也進(jìn)行了相應(yīng)的修編工作。在此過程中，中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司作為該規(guī)范修編的主持單位，先后對支擋結(jié)構(gòu)分項系數(shù)進(jìn)行了驗算提取、設(shè)計驗證、合理性分析、工程試設(shè)計等工作，部分成果已納入了此規(guī)范。

整體來說，支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險識別與設(shè)計參數(shù)都有較豐富的研究成果，但同時將二者聯(lián)合起來的研究成果卻較少。將二者聯(lián)合起來研究不僅可提供更系統(tǒng)的視角以理解問題本身，還可更有力地支撐設(shè)計、施工人員的工作。

2 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險識別

從我國支擋結(jié)構(gòu)的使用情況來看，各類支擋結(jié)構(gòu)面臨的安全風(fēng)險事件及風(fēng)險因素都比較多，為做好安全風(fēng)險防控，需對風(fēng)險事件及相應(yīng)因素進(jìn)行梳理、分析、歸納和總結(jié)，下面以樁板墻為例作進(jìn)一步分析。

2.1 安全風(fēng)險事件

樁板墻在形式上是一種在樁間設(shè)置擋土板以穩(wěn)定巖土體的支擋結(jié)構(gòu)，在使用過程中面臨的安全風(fēng)險事件可以分為以下三大類〗：第一類是樁體部分承載能力極限狀態(tài)失穩(wěn)，包括樁身出現(xiàn)橫向或斜向裂紋、樁身發(fā)生明顯斷裂的斷樁以及樁身向前傾斜超過一定位移或承載力允許值的倒伏等；第二類是樁體部分正常使用極限狀態(tài)失穩(wěn)，主要是樁頂水平位移超過規(guī)范限定值的樁頂位移超限；第三類是擋土板部分正常使用極限狀態(tài)失穩(wěn)，主要是擋土板的開裂問題。樁板墻安全風(fēng)險類型示意如圖1所示。

圖1 樁板墻安全風(fēng)險類型示意圖

2.2 風(fēng)險因素

支擋結(jié)構(gòu)面臨的風(fēng)險因素，從極限狀態(tài)設(shè)計的角度，可分為作用(S)不確定性、計算不確定性、抗力(R)不確定性三大類，如圖2所示。其中作用不確定性包括列車荷載、土壓力等，抗力不確定性包括材料參數(shù)、幾何尺寸等，計算不確定性包括力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等力學(xué)量的計算方法。

圖2 支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險因素圖

采用層級分析與專家打分綜合評估的方法對樁板墻三類安全風(fēng)險的風(fēng)險因素進(jìn)行分析，得到各因素的風(fēng)險值(此處為風(fēng)險概率)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，每一種風(fēng)險因素對三類安全風(fēng)險的影響程度不同，每一種風(fēng)險的主控因素也不同。因此，需依據(jù)結(jié)構(gòu)的具體風(fēng)險及因素進(jìn)行針對性設(shè)計。

表1 樁板墻各風(fēng)險因素及風(fēng)險值表

2.3 可在設(shè)計中考慮的風(fēng)險因素

根據(jù)風(fēng)險因素的性質(zhì)，在設(shè)計階段可從以下幾個方面予以規(guī)避。

(1)完善不同設(shè)計狀況下的設(shè)計規(guī)定。大(暴)雨沖刷及洪水、填料不透水導(dǎo)致的水壓力過大、地震、施工臨時荷載大等風(fēng)險因素可分別通過完善偶然(洪水位)、地震、短暫(臨時荷載)等設(shè)計狀況下的穩(wěn)定性檢算規(guī)避風(fēng)險。

(2)合理選擇材料參數(shù)取值。填料參數(shù)、基底巖土參數(shù)、基底摩擦系數(shù)、地層類型參數(shù)、基底承載力標(biāo)準(zhǔn)值等風(fēng)險因素均可通過可靠性方法合理選擇。

(3)制定優(yōu)化的設(shè)計參數(shù)。若安全系數(shù)、分項系數(shù)較小，設(shè)計將不安全；若二者較大，設(shè)計將不經(jīng)濟(jì)。因此，工程設(shè)計應(yīng)優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，確保安全的同時達(dá)成工程經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)，這對提高工程設(shè)計質(zhì)量極為重要。

(4)明確抗力與作用的計算方法。明確長大邊坡、高邊坡地段支擋結(jié)構(gòu)土壓力的計算方法將有利于極限狀態(tài)設(shè)計中作用部分的準(zhǔn)確計算。

3 支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)自洽

為防控各風(fēng)險因素可能導(dǎo)致的不良影響，工程上一般采用可靠性設(shè)計方法，具體來說就是對每個風(fēng)險因素采用一定的設(shè)計參數(shù)(如安全系數(shù)、分項系數(shù))以保證設(shè)計結(jié)果的可靠性。TB 10025-2019《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，抗滑、抗傾、基底承載力等結(jié)構(gòu)外部穩(wěn)定性檢算采用的設(shè)計參數(shù)為安全系數(shù)，抗壓、抗拉、抗彎、抗剪、抗扭等結(jié)構(gòu)內(nèi)部穩(wěn)定性檢算采用的設(shè)計參數(shù)為分項系數(shù)。本文將對二者的自洽性展開論述。

3.1 設(shè)計參數(shù)的內(nèi)涵及類別

從發(fā)展歷程來看，安全系數(shù)是可靠性設(shè)計方法最早采用的設(shè)計參數(shù)。該參數(shù)為單一參數(shù)，各種風(fēng)險因素籠統(tǒng)考慮，給出的是結(jié)構(gòu)安全程度的整體輪廓。由于安全系數(shù)并不能與概率確切掛鉤，安全系數(shù)難以清楚地表現(xiàn)真實的安全程度，但由于該參數(shù)使用時間較長，工程工作者們累積了大量的經(jīng)驗，因此仍有很多規(guī)范采用此參數(shù)作為設(shè)計指標(biāo)。

分項系數(shù)是概率方法引入可靠性設(shè)計后出現(xiàn)的設(shè)計參數(shù)，該參數(shù)為多個參數(shù)，因此能較為仔細(xì)地考慮與材料、荷載以及與工作條件有關(guān)的風(fēng)險因素。如荷載分項系數(shù)主要反映荷載和內(nèi)力中的風(fēng)險因素，材料分項系數(shù)主要反映材料和構(gòu)件抗力中的風(fēng)險因素。從我國分項系數(shù)的使用情況來看，其實際內(nèi)涵有以下兩種。

(1)將分項系數(shù)視為多系數(shù)的安全系數(shù)。安全系數(shù)取值的思想是“放大荷載，折小抗力”，因此分項系數(shù)也將基于這一思想，在多個抗力與多個荷載的多重平衡中擇優(yōu)取值。當(dāng)然，此分項系數(shù)也難以清楚地表現(xiàn)真實的安全程度。

(2)將分項系數(shù)與概率掛鉤。分項系數(shù)取值取決于參數(shù)的統(tǒng)計特征和結(jié)構(gòu)的可靠指標(biāo)，因此此分項系數(shù)比多系數(shù)安全系數(shù)在概率意義上更進(jìn)一步。

分項系數(shù)兩種內(nèi)涵的差異導(dǎo)致了分項系數(shù)取值方法的不同，因此，分析規(guī)范分項系數(shù)的合理性時，需把握好這種內(nèi)涵上的差異。

根據(jù)支擋結(jié)構(gòu)風(fēng)險因素類型、設(shè)計參數(shù)內(nèi)涵、以及可靠性設(shè)計規(guī)定的需求，設(shè)計參數(shù)可分為3個類別，具體如表2所示。

表2 設(shè)計參數(shù)類別表

3.2 設(shè)計參數(shù)的自洽規(guī)律

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的目的在于保證設(shè)計的可靠性，因此應(yīng)首先考慮多種可能存在的設(shè)計工況。根據(jù)荷載出現(xiàn)的頻率和持續(xù)時間，設(shè)計工況應(yīng)包含持久、短暫、偶然、地震四類。各設(shè)計工況的設(shè)計參數(shù)應(yīng)符合以下宏觀規(guī)律：

(1)

式中：K、β——安全系數(shù)、可靠指標(biāo)；

L、S、A、E——持久、短暫、偶然、地震設(shè)計狀況。

需要說明的是，在支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，安全系數(shù)是明確給出的，而可靠指標(biāo)一般要基于分項系數(shù)反算才能得到。

自洽是規(guī)范設(shè)計參數(shù)必須遵循的基本規(guī)律。鐵路行業(yè)分項系數(shù)是基于安全系數(shù)校準(zhǔn)得到的滿足自洽規(guī)律的安全系數(shù)，在考慮不同變量統(tǒng)計特征的影響后，其分項系數(shù)對應(yīng)的可靠指標(biāo)未必仍能滿足該規(guī)律，因此在工程設(shè)計實踐中應(yīng)予以高度重視。

3.3 設(shè)計參數(shù)的自洽算法

為使設(shè)計參數(shù)滿足自洽規(guī)律，合理可靠的設(shè)計參數(shù)計算方法是必不可少的。目前，無論是我國工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計通標(biāo)，還是各行業(yè)的可靠性設(shè)計規(guī)范，給出的可靠指標(biāo)與分項系數(shù)的計算式均為：

(2)

式中：β、γ——可靠指標(biāo)與分項系數(shù)；

R、S——抗力與作用；

μ、σ——均值與標(biāo)準(zhǔn)差；

δ——變異系數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)差與均值的比值)；

從適用性角度來講，式(2)適用于抗力與作用互不相關(guān)情況下設(shè)計參數(shù)來計算，但許多工程結(jié)構(gòu)的抗力和作用之間是高度耦合的，鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)的抗力與作用也屬于這種情況。以持久設(shè)計狀況下的重力式擋墻為例，其抗滑、抗傾計算示意如圖3所示?？够?、抗傾極限狀態(tài)方程分別如式(3)所示。

圖3 重力式擋墻抗滑、抗傾計算示意圖

(3)

由圖3和式(4)可知，主動土壓力Ea的豎直分量Ey與水平分量Ex，在抗傾檢算中分別屬于抗力項與作用項；而主動土壓力Ea的垂直底面分量En與平行底面分量Et在抗滑檢算中也分別屬于抗力項與作用項。這就表明抗滑與抗傾檢算中均有部分抗力與作用有相同來源，二者存在一定程度的相關(guān)性也就不言而喻了。支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的是抵抗巖土壓力，因此所有支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計必然都會遇到抗力與作用相關(guān)的情況。

文獻(xiàn)[14-15]對相關(guān)性這一普遍性問題進(jìn)行了分析，給出考慮變量相關(guān)性后的可靠指標(biāo)與分項系數(shù)表達(dá)式。

(4)

式中：ρ——抗力R與作用S之間的相關(guān)系數(shù)；

對于抗力、作用有多項的情況，其可靠指標(biāo)與分項系數(shù)表達(dá)式可根據(jù)式(4)類推得到，此處不再贅述?？梢钥吹剑?dāng)相關(guān)系數(shù)ρ=0時，式(4)與式(2)是一致的，這表明現(xiàn)行規(guī)范給出的計算式只適用于抗力與作用不相關(guān)的情況，因此并不具有廣泛適用性。相比之下，式(4)具有更強(qiáng)的適用性。

3.4 支擋結(jié)構(gòu)的自洽設(shè)計

基于設(shè)計參數(shù)的自洽算法，支擋結(jié)構(gòu)可進(jìn)行極限狀態(tài)自洽設(shè)計，其流程如圖4所示。與一般極限狀態(tài)設(shè)計流程相比，自洽設(shè)計方法主要增加了設(shè)計參數(shù)自洽的流程，該流程的目的在于考慮設(shè)計參數(shù)之間相關(guān)性影響。采用極限狀態(tài)自洽設(shè)計可顯著提升結(jié)構(gòu)安全可靠性與風(fēng)險因素之間的針對性，在確保安全的同時達(dá)成良好的經(jīng)濟(jì)性。此外，由于自恰設(shè)計有堅實的理論基礎(chǔ)，給出的設(shè)計參數(shù)對應(yīng)有明確的安全度，因此有助于支撐支擋結(jié)構(gòu)安全可靠性設(shè)計由半經(jīng)驗設(shè)計向理論設(shè)計的提升。

圖4 支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)參數(shù)自洽設(shè)計方法流程圖

4 支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計建議

基于對支擋結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險識別及設(shè)計參數(shù)自洽的分析，提出支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計建議如下：

(1)完善各支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計的適用性?，F(xiàn)行規(guī)范支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計整體偏重于承載能力設(shè)計(即強(qiáng)度控制設(shè)計)，隨著鐵路運行速度和安全性的不斷提升，正常使用設(shè)計(即變形控制設(shè)計)將扮演越來越重要的角色，支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)對承載能力設(shè)計與正常使用設(shè)計并重，梳理不同設(shè)計狀況下的正常使用極限狀態(tài)功能需求。

(2)完善各支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計的功能項。各支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計均有約定俗成的功能項，而最終的設(shè)計結(jié)果應(yīng)由結(jié)構(gòu)的某一項或某幾項功能控制。若結(jié)構(gòu)設(shè)計由功能之外的一些規(guī)定所控制，則應(yīng)考慮將這些規(guī)定根據(jù)極限狀態(tài)的分類設(shè)置為具體的功能項。如若“高速鐵路路肩樁板墻樁頂位移不宜大于60 mm”的規(guī)定，在某些情況下控制設(shè)計，則可考慮設(shè)置成相應(yīng)的功能項。

(3)基于極限狀態(tài)梳理材料參數(shù)的取值。可靠度設(shè)計方法的核心在于能較科學(xué)地衡量并分析考慮各個部分的不確定性，若不能明確材料參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值，難免會影響可靠性設(shè)計方法的應(yīng)用價值。目前，現(xiàn)有規(guī)范的參數(shù)取值多繼承了安全系數(shù)，有些參數(shù)取值本身就蘊含了一定的可靠性，因此有必要基于材料應(yīng)力應(yīng)變試驗的極限狀態(tài)對材料參數(shù)取值進(jìn)行梳理。

(4)給出滿足自洽規(guī)律的支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。安全系數(shù)、可靠指標(biāo)、分項系數(shù)均應(yīng)滿足本文給出的自洽宏觀規(guī)律。特別需要注意的是，經(jīng)安全系數(shù)校準(zhǔn)后的分項系數(shù)，即使安全系數(shù)滿足自洽規(guī)律，分項系數(shù)也未必滿足，在支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計中應(yīng)尤其注意這一點。

5 結(jié)束語

支擋結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計應(yīng)在風(fēng)險識別的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，以實現(xiàn)從設(shè)計源頭上對風(fēng)險因素進(jìn)行針對性的規(guī)避，同時應(yīng)注意設(shè)計參數(shù)的自洽性，進(jìn)行參數(shù)自洽設(shè)計，以確保工程設(shè)計的合理、可靠，從工程源頭上提升工程的可靠性。