深基坑支护结构稳定性定量研究

1、深基坑支护结构稳定性的定量分析摘要 : 可靠性指标的大小可以反映基坑的稳定性。本文分析了工程结构，推导出了建立可 靠性指标和工程结构可靠性模型的方法。考虑到支护结构的不同类型，以及附加荷载 ，土压力等多种不同的荷载作用，对不稳定的主要失效模式进行了分析并建立了不同 支护结构条件下的极限状态方程。因此，可以建立对结构工程和可靠性进行分析的可 靠模型。关键词： 深基坑；稳定性；分析一、引言在一个真正的深基坑中，结构的稳定性是很复杂的，对不同的几何结构，分析结 构受力状态的方法也是不相同的。如果集中荷载作用在悬臂桩上，那么就可能会发生 滑动和倾覆。通过计算系统构件的可靠性，从而可以用来计算这种方法的

2、可靠性。一 般而言，这个系统可靠性数据对于结构可靠度而言只是一个函数问题 1-3。事实上，在结构可靠性理论的早期发展阶段，人们已经有了一个结构系统稳定性 的概念，但是，很长一段时间里，由于对数学和力学问题的分析非常缓慢，所以直到 现在所得到的有关结论仍未能达到实用水平。然而，结构系统可靠性在结构设计决策 和评估工程实践的重要性上，现在仍然可以加强系统的可靠性及其应用系统的可靠性 要求。比如 工程结构的可靠性设计统一标准 ”GB-50153-92）有明确规定：条件要求时，工程结构应根据结构系统可靠性设计。”CO.Ditlevsen 和 HO.Madsen 在国际联合委员会vJCSS）的可靠性工作

3、报告中也作了结构系统的可靠性设计和程序评估4-8。总之，结构系统可靠性设计的概念和思想已经被接受并出版了专著和多篇论文。当前突 出的问题是结构系统可靠性和工程实践性的现状不能满足紧急需求，所以结构系统可 靠性将继续存在一段时间，它仍是一个重要的研究方向 9-10 。根据失稳模式之间的逻辑关系，结构系统可靠性问题被分为串联结构系统和并联 结构系统两种基本类型。串联结构系统是单个构件失稳会导致整个结构发生失稳的结 构体系，并联结构体系是所有构件失稳才会发生整个系统失稳的结构。在实际工程设 计和分析中，遇到的一般是串联系统的可靠性问题，而并联系统可靠性问题相对来说 是比较小的。结构系统可靠性分析主要

4、包括两个方面：一是确定主要的失稳模式，二是计算结 构系统的失稳概率。通常主要失稳模式的搜索过程中伴随着大量的失稳概率数据，所 以这两个方面的研究是分不开的。、结构可靠性理论的概念和可靠性评价在规定的时间内指定的条件下，完成预定功能的能力称为结构的可靠性。一个结 构系统中包含多个构件，其中一个或多个失稳，则系统失稳，如果所有构件都没有失 稳，则系统不会失稳。K模式是一个系统失稳模式，不同的失稳模式有不同的性能函数 ，每个性能函数表示为：1单个构件失稳情况：式中， _ 为基本变量， _若 _ = n，则此构件发生失稳，式中-I为构件不发生失稳的概率2.个构件失稳情况:若.-，则系统未失稳，I ，式

5、中 为结构系统不发生失稳的概率，即K失稳没有发生 相反结构系统失稳发生时： I_个构件都失稳。因此，结构体系失稳的理论概率为：各种可靠的计算系统就是由上述的这些基本变量组合得来的，而找到联合概率密 度函数是非常困难的，他需要用一个很复杂的多重积分来计算。因为该公式是建立在 一些假设和近似计算的基础上的，所以它只具有理论性。、深基坑开挖的不确定性通常人们习惯用安全系数来评价岩土工程。然而，只用一个安全系数并不能考虑到设计变 量在客观上存在的任何变化，一个特定安的全系数在不同的工程中可能会有不同的意 义。换句话说，安全系数的大小并不能完全准确的描述工程的安全性；现有的设计理 论通常被用于两种极端情

6、况。第一种是用它来确定结构的最大安全等级，这是一个关 键的工程决策，但由于其存在不确定性，他们不能用于要求过高的科学处理中。另一 个极端便是结构变量的设计中，所有的信息和各种可能的因素都是已知的情况。 国内 权威人士指出： “当今计算机科学快速发展，计算的参数与实际情况相比其精度已经远 远落后于精密工程结构分析 ”，“如果你不考虑设计参数的不确定性，那么对于实际的 工程结构分析而言这远远只是一个粗略的指标 ”。所以，他们在实际工程分析和随机可 靠性评估中考虑不确定性， 这显然具有十分重要的意义。从数学的角度来看，工程不确定性可以分为三种类型 :随机，模糊和不确定。 前两种类型在早期已经被认识到

7、，但是由于以前的信息和数据 是不全面的，以至于仍没能够解决其不确定性的问题。随着对当前工程越来越多的接 触，研究随机力学是一个相对更成熟的工作。随机因素进一步划分为随机变量、随机性大小、随机过程和随机领域，以及随机 过程组合。随机变量是在独立的时间和空间内来描述一个变量的随机性，随机参数的 空间分布需要用随机性大小描述，如岩石材料的强度参数 f、 c。Atnar, Bru, Zeitoun和Baker比较系统地阐述了工程存在不确定性。总体而言，工 程的不确定性体现在以下几个方面：荷载的不确定性：荷载包括土壤和上层建筑的重力作用。土壤重量的可变性比较 小，而上层建筑在不同荷载作用的情况下变异系数

8、可能有较大的改变，例如荷载较小 情况下下的变异系数可能较大而高层结构变异系数的变化可能较小。土壤参数的不确定性：除了体积密度、土壤的弹性模量和含水率外，强度参数也 存在变异性。 对成层土的研究表明，土的泊松比是不变的，但弹性模量的变化非常明 显。土壤强度参数变异性普遍较高，特别是土的黏聚力 c,变异系数高达约0.5。此外, 在一定范围内的沉降，与一般的土壤参数相同的控制条件下，土壤性质的平均特性表 现出明显的空间变异，土壤参数的不同还与土壤所在位置有关。 因此，土壤通常使用 随机场地模拟得出的材料参数。几何尺寸的不确定性：一般来说，在这个领域的研究也比较少，其结果主要反映 了土壤厚度、土体位置

9、和大小以及土体属性的不确定对沉降的影响。模型的不确定性：无论哪种计算机模型都不能绝对准确地反映出实际情况。到目 前为止，对于不同类型的土壤，人们有了很多的本构模型和强度准则，不同的模型反 映的重点各有不同，结果也可能会千差万别。而 不确定性模型更为复杂，国际学者已 经探索出了一些有用的，如 Ditlevsen和Kioregiant对工程结构的不确定性模型进行了研究 ，相反，在岩土工程中的应用，研究成果 则较少。四、深基坑支护的一个可靠指标日本说，保持深基础结构是对深基坑支护结构可靠性的定量描述。假设一个正常分布的性能函数Z,则可靠性指标和深基坑支护结构的失效概率有以下关系：其中，因是深基坑支护

10、结构的失稳概率；固是Z的概率函数下的性能函数；11是标准正态分布函数。因此深基坑中P值的增长保证了支撑结构的可靠性。由于深基坑支护结构的抗力和 荷载效应以及更多的非正态分布，因此，性能函数Z不一定符合正态分布。然而，结构 分析表明，当使用概率分布函 数作用很明显时，也就是说不考虑实际概率分布类型的 问题时使用Z型概率分布函数分析更为合理和方便。因此，性能函数 Z在深基坑开挖中 的价值是随时间而增长的。为了确定深基坑支护结构的可靠性指标，有必要探索已用于建筑结构和工程结构 中可靠性指标的设计方法。它已进入实用工作 阶段，许多国家和国际组织机构都是以 可靠性理论作为依据的。 这种理论已经发展出了新

11、的设计标准和规范。因为开挖工程 和建筑工程有许多相似之处，所以它不需要有单独的设计规范而使是用的建筑规范。中国的 建筑结构可靠度设计标准”VGB50068-2001）是基于对结构设计安全的检查结果的，同时也考虑到安全因素和经济因素。根 据安全结构等级 表1）；根据可靠度设计要求 表2） 表1安全结构等级安全等级破坏频率建筑类型一级非常严重重要建筑二级严重普通工业和民用建筑三级不严重少数建筑表2.极限状态下可靠度指标安全等级破坏形式一级二级三级延性破坏3.73.22.7脆性破坏4.23.73.2以上的值是对T=50年规定的设计。此外，静载作用下的唯一的设计结构，在当时 是适用的。在与动态载荷组合

12、作用下，目标可靠度指标一般介于1到2之间。国际安全联合委员会vJOSS可以指定国际统一结构体系标准”卷一在不同类型 的材料和结构中都有统一的规则”，如表3。表3.国际标准中的风险率五、深基坑支护结构构件的设计1.1.极限状态和极限状态方程极限状态基础支撑结构可以分为以下几类：1）与支撑结构极限状态相对应的最大承载能力或土壤的不稳定，可以导致支撑结构的过度变形或基础周围环境的破坏；2）极限状态的支撑结构所对应的变形影响了地下结构施工或周围环境正常功能的使用 。地基稳定性受许多因素和控制变量的影响，如土壤结构、失稳机制，它可以增大变 形特性和地表水压力，增加结构的强度和变形特性。这些变量都是不确定

13、的。我们使 用这些随机变量构建功能模型来描述基础的稳定状态：函数gvx）反映了基础状态或性能，这被称为 状态函数或性能函数。X称为基本状 态变量。极限状态方程如下深基坑支护结构恒载模型,模型可以编译出深基坑支护结构的结构函数该系统分为三个状态，.亠，安全状态；.亠，极限状态；-，破坏状态。最简单的例子就是，由独立的基本变量二维组合的 R和S状态，这就是极限状态的RS模型其中R是抗滑力或抗滑力矩，S是滑动力或转矩。2.2.深基坑支护结构的可靠性设计思想深基坑支护结构设计的可靠性是基于已知保留了外部阻力和作用的深基坑支护结 构的概率统计特征。依据可靠性指标 P可以选择深基坑挡土支护结构元素 钢板桩

14、，墙 段，等）。具体步骤如下：确定可靠性模型；确定可靠性指标；确定平均阻力；确定 阻力标准值；确定结构支护构件截面。深层地基设计中的可靠性问题中一系列的基本变量是随机不确定的。提供系统可 靠性理论的思想是用于评价工程不确定性影响的可靠性分析方法和评价工程可靠性的 有效手段，深基坑围护结构所承受的外部作用 包括直接影响和间接影响两种类型。 直 接影响是指三种支护结构的荷载类型：1.恒载：包括土压力、水压力和地面恒荷载。2.活载：包括表面活荷载、风荷载、雪荷载和雨荷载。3.偶然荷载：冲击力。间接影响是指地面变形，温度的变化与地震对深基坑支护结构的影响。深基坑支护结构的可靠性 不是固定的，它不仅受直

15、接和间接因素的影响，也受深基坑挡土支护结构本身的影响 。深基坑围护结构有一定抵抗直接和间接作用的能力，它可以形成具有支持围护结构功 能的深基坑。 是深基坑围护结构函数。 JI是影响深基坑支护结构可靠性的因素，通常是随机变量。六、深基坑支护结构的可靠性模型深基坑支护结构-恒载-活载模型目前，深基坑支护结构的设计通常只考虑恒荷载作用，土压力，水压力和地面恒 荷载的作用，这种考虑是合理的。然而，一些深基坑支护结构损伤的情况下，只考虑恒载往往是不够的，活载的作用更应该考虑在内。考虑到这种情况，研究深基坑支护 结构持续时间非常有必要考虑活载 楼面活荷载，风荷载，雪荷载和雨荷载作用等）确 定深基坑支护结构

16、可靠性作用下的恒荷载和活荷载，需要增加II-r活荷载效应模型，从而构成一个模型。此时，为方便计算，仍然需假设一个线性性能函数深基坑支护结构-直接作用模型 門模型）从前面的分析来看，深基坑支护结构通常是受恒荷载和活荷载的影响，但它是发 生在深基坑施工过程中。他们可能会在建筑物或构筑物爆破或周边深基础岩石爆破时 遇到。此时，深基坑支护结构的可靠性设计应考虑直接作用 恒荷载、活荷载和偶然荷载）的影响。用亠.模式函数表示如下：其中，对深基坑支护结构的直接影响，是假设和线性组合。所以三模式下的函数形式也可写作:七、结论可靠性指标的大小可以反映基坑的稳定性。本文详细分析了工程结构可靠度指标 的推导，以及建

17、立了结构可靠度方法的工程模型。并考虑支护结构的不同类型，在附 加荷载、土压力等各种不稳定荷载作用下的极限状态方程中，分析支撑结构的主要失 稳模式。从而得出基于可靠性分析模型的结构可靠度。参考文献：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

18、EE INFOCOM 2003, April 2003.2H. F uessler, M. Mauve, H. Hartenstein, M. Ksem ann,and D. Vollmer, ” Foundation Pit Support Tech. Used in High Floor Commerce and Residence Area, ”In Proceedings of MOBICOM 2002, Student Poster, 2002.3 H.-Y. Hsieh and R. Sivakumar, ”STUDY ON SUBSOIL STABILITY UNDER DEEP

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