巖土工程的可靠性分析

聶祝送

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，作為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一的建筑業(yè)，也發(fā)生著日新月異的變化。伴隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，對于建筑物的安全性的要求也越來越高。而巖土工程作為建筑工程項(xiàng)目中的重要組成部分，它的可靠性與否，必然備受關(guān)注，并且正處在機(jī)遇與挑戰(zhàn)的市場環(huán)境之中。

關(guān)鍵詞：巖土工程；可靠性；分析

一個(gè)建筑物的安全可靠性的影響因素有很多，并且這些影響因素存在著各種不確定性。如何解決這種不確定性問題，這將是一個(gè)重要的問題。以前通常是靠一個(gè)總的安全系數(shù)來確定安全與否，現(xiàn)在則初步形成了一種相對科學(xué)的解決方法。通過采用分項(xiàng)系數(shù)，對影響因素進(jìn)行一一分析，探索出它們的具體特點(diǎn)，進(jìn)而運(yùn)用可靠度設(shè)計(jì)方法來評估不確定對巖土工程的安全性的影響。隨著科技的不斷進(jìn)步，這種設(shè)計(jì)方法能夠更加及時(shí)的修正相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，所以已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并且為巖土工程帶來了更大的效益。

1 地層資料的概率分析

在巖土工程評估可靠性的過程中，必須要對地層資料的概率進(jìn)行合理有效地處理，地層資料的概率處理是這一過程中的關(guān)鍵。這是因?yàn)檫@種概率處理方法對解決地質(zhì)分析中的不確定因素十分有效。并且地質(zhì)資料內(nèi)容非常豐富，這里將主要談?wù)勅绾螌龅貛r土材料進(jìn)行鑒別與如何推斷空間地質(zhì)特征以及如何判別異常地質(zhì)點(diǎn)。

1.1 場地巖土材料的鑒別與空間地質(zhì)特征的推斷。巖土工程中之所以存在著諸多的偶然性與不確定性，最主要的原因是鉆孔資料與相應(yīng)的地質(zhì)信息都十分有限，整個(gè)場地的地質(zhì)情況都要依靠工程師的判斷，這就必然帶來許多誤差。例如對土層的區(qū)分錯(cuò)誤，誤把粘土當(dāng)成砂土。但是如果采用對地層資料的概率進(jìn)行處理的方法來判別土層則會(huì)減少甚至杜絕這種誤判現(xiàn)象。圖1為某處根據(jù)鉆孔和靜力觸探試驗(yàn)所繪出的海底下一定深度處出現(xiàn)粘土層的概率圖，鉆孔共8 個(gè)，在擬建的建筑物附近，兩孔為粘土，一孔為砂土，等值線表示發(fā)現(xiàn)粘土的概率P。

概率方法除了可以鑒別場地的巖土材料外，還可以進(jìn)一步的對鉆孔之間的抵著特征進(jìn)行推斷以及對地層進(jìn)行科學(xué)的劃分。曾經(jīng)有人用常規(guī)方法和概率法分別對一個(gè)水壩的地基地層進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過研究層面所得出的通過地層的滲透量，結(jié)果證明，采用概率法則更適合，因?yàn)樗旧峡梢詾檎麄€(gè)過程解決所有可能會(huì)出現(xiàn)的問題。

1.2 異常地質(zhì)點(diǎn)（帶） 的判別。地層中包含著像粒狀土中的軟弱帶、粘土中的砂透晶體、土層、巖土中的空穴以及軟弱夾層等這樣的異常地質(zhì)點(diǎn)（帶），因此我們在施工過程中一定要先弄清楚這些異常地質(zhì)點(diǎn)（帶）存在的可能性、大概位置、尺寸以及位置，因?yàn)樗鼈兊某霈F(xiàn)將會(huì)給巖土工程產(chǎn)生諸多不利影響。

2 土性參數(shù)的概率分析

在巖土建筑物的設(shè)計(jì)中，影響巖土可靠性的還有一個(gè)不可忽視的因素就是土性資料，因?yàn)樵趯ν列再Y料進(jìn)行研究分析的過程中，也會(huì)出現(xiàn)不確定因素。據(jù)專家分析，土性資料的不確定性主要表現(xiàn)在土性參數(shù)的變異系數(shù)可達(dá)0.29，無法想象它比計(jì)算機(jī)模型的變異性影響還要大。這就要求我們對土性參數(shù)的變異性進(jìn)行仔細(xì)研究。

2.1 土的空間平均特性和土性的相關(guān)性問題。土的空間平均特性主要表現(xiàn)為巖土工程的可靠性與否是由一定空間范圍內(nèi)土的平均特性所控制。

土層具有不穩(wěn)定性特質(zhì)，空間分布的土層會(huì)隨著空間的變化而變化。這也就是說，決定巖土工程性狀的是土的空間特性，對土性參數(shù)的概率分析問題實(shí)質(zhì)上是一個(gè)隨機(jī)場問題。除此之外，不同的土層還具有區(qū)別性與相關(guān)性，土層會(huì)因空間分布而產(chǎn)生的沉積條件、沉積歷史和埋藏條件等聯(lián)系這種聯(lián)系會(huì)使土層之間產(chǎn)生一定的相關(guān)性，有了相關(guān)性，必然又相應(yīng)的產(chǎn)生了一種相關(guān)距離。巖土在相關(guān)距離之內(nèi)土性具有相關(guān)性，如果超過了這個(gè)距離范圍則土性不具備相關(guān)性。這里所說的相關(guān)性都是針對同一個(gè)參數(shù)而言的，也被稱為土的自相關(guān)性。與此相對的是，如果是兩個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性的話，則叫做互相關(guān)性。相關(guān)性與距離之間呈反比例關(guān)系。距離變大，相關(guān)性衰減；距離變小，相關(guān)性增強(qiáng)。如果用數(shù)學(xué)中的函數(shù)關(guān)系來模擬距離與相關(guān)性之間的關(guān)系的話，如圖2和圖3所示，它們?yōu)樽韵嚓P(guān)系數(shù)隨距離的變化曲線?？梢钥闯?，指數(shù)型與指數(shù)余弦型（取第一周期正值）都可以作為自相關(guān)函數(shù)用來描述土的自相關(guān)特性。

2.2 相關(guān)距離的研究。在巖土可靠度隨機(jī)理論中，可以說，巖土的相關(guān)距離是其中的一個(gè)重要參數(shù)，所以在巖土施工過程中要對相關(guān)距離進(jìn)行認(rèn)真求取與研究。除了應(yīng)用上文所提到的利用數(shù)學(xué)關(guān)系與相關(guān)函數(shù)進(jìn)行求取外，有關(guān)人與正在大力研究心得計(jì)算相關(guān)距離的方法。

土性的相關(guān)距離的影響因素有土的成分、沉積條件以及手和條件等等，從另外一個(gè)角度來看，土性的相關(guān)距離的因素由自然條件決定，就可以把土性的相關(guān)距離看作是土的一個(gè)屬性。所以，不同的土性參數(shù)應(yīng)該有同一個(gè)相關(guān)距離，當(dāng)然如果出現(xiàn)計(jì)算出錯(cuò)、誤差以及其他因素的話，不同土性的相關(guān)距離也可能不一樣。例如以下幾個(gè)例子：某港化肥碼頭，土層為亞粘土，用相關(guān)函數(shù)積分法和空間遞推平均法求得深度方向相關(guān)距離為26 cm；武漢某倉庫貨棚工程，粘性土，用空間遞推平均法求得相關(guān)距離為30 cm ；深圳機(jī)場跑道，淤泥質(zhì)亞粘土，用相關(guān)函數(shù)積分法得相關(guān)距離為26.25 cm。

2.3 土性的概率模型。土性的概率模型是判斷整個(gè)巖土工程可靠度中相當(dāng)比較復(fù)雜的問題，但同時(shí)也是比較關(guān)鍵的問題，所以需要我們認(rèn)真謹(jǐn)慎的對待。一般認(rèn)為巖土特性參數(shù)的概率模型大都服從正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布，也有一些服從β分布或極值I 型分布的。例如長江某碼頭的亞粘土及粘土層的密度γ、凝聚力C 和內(nèi)摩擦角φ均為對數(shù)正態(tài)分布，不排水強(qiáng)度q 為極值I 型分布。可以指出，當(dāng)失效概率不特別小時(shí)，概率模型不同引起可靠度分析結(jié)果的差異并不很大。

3 結(jié)語

隨著改革開放以來，我國知識文化水平與科技水平不斷取得進(jìn)步。伴隨著建筑業(yè)中巖土工程的快速發(fā)展，巖土工程的可靠性便成了整個(gè)工程的重點(diǎn)。通過對巖土工程的分析，了解到概率在巖土工程中的應(yīng)用不斷得到推廣與應(yīng)用，并且已經(jīng)初步形成了一條獨(dú)立的設(shè)計(jì)途徑，它對處理某些不確定性較大的巖土工程有著十分重大的影響，能為巖土工程帶來較大效益。另外，定值設(shè)計(jì)法也是業(yè)內(nèi)人員一直較推崇的方法，因?yàn)樗灿幸欢ǖ膬?yōu)越性?？偠灾?，巖土工程的可靠性對整個(gè)工程來講是重中之重，我們一定要共同努力，相信在不久的將來，可靠性分析法在巖土工程中的應(yīng)用會(huì)更加成熟，我國的巖土工程發(fā)展的會(huì)更加迅速。

參考文獻(xiàn)

[1] 陸舟. 復(fù)合樁基可靠度研究[D]. 南京： 南京工業(yè)大學(xué)，2004：1-4.

[2] 蔡陽.重力式擋土墻可靠度研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005：3-4.