桩基概论极限状态法研究和工程应用

刘金旭

摘要：随着现代化科学技术的不断发展，可靠性问题在各种工程学科中占有日益重要的地位。桩基作为建筑物常见的基础形式，在建筑物设计的安全、经济方面发挥着重要作用。而桩基工程属于隐蔽性工程，影响因素较多，稍有不慎取决于桩基工程的质量和水平，建筑工程事故中，很多都与桩基工程有关。因此，桩基工程的施工质量好坏直接影响着建筑物的安危，而我国目前的有关技术政策规定：结构设计应逐步采用概率极限状态法设计。本文就针对桩基概论极限状态法进行研究，同时也探讨了桩基概论极限状态法在实际工程中的应用。

关键词：桩基;极限状态;工程应用

中图分类号： U443.15 文献标识码： A

一、桩基发展简概述

桩基又叫桩基础，是一种古老的基础型式。也是工程建筑基础中的一种，由基桩和联接于桩顶的承台共同组成，桩基主要的作用是负责把荷载转给持力层。桩工技术经历了几千年的发展过程，在我国，最早的桩基是浙江省河姆渡的原始社会居住的遗址中发现的。到宋代，桩基技术已经比较成熟。但在水泥问世前，能用的桩型只有木桩和石桩。19世纪中叶以后，由于水泥工业的出现和发展，出现混凝土桩和钢筋混凝土桩。到了20世纪20年代特别是二战后，随着桩基理论和技术的迅猛发展，桩的应用范围不断扩大，桩的类型和施工工艺都有了很大的发展和变化。

目前，随着高层建筑和市政建设的发展，桩基础在基础工程中的位置愈显重要。就混凝土灌注桩、混凝土预制桩和钢桩三大系列而言，发展最快、适用范围最广的是灌注桩。这是因为灌注桩具有施工时无振动、无挤土、噪音小、宜于在城市建筑物密集地区使用等优点，因此，在施工中得到较为广泛的应用。但是由于桩基种类繁多，施工工艺差异大，加之地层变化复杂，施工过程中可能会使桩身出现缩径,扩径，夹泥，离析，断桩等缺陷，当然施工后由机械开挖，碰撞也会引起浅部桩身缺陷。桩身缺陷的存在会改变基桩的正常工作性状，从而对基础产生潜在危险。通过验收检测评价桩身完整性是保证基础安全的必然。为了使地基基础工程与上部结构的设计相协调配套，以便能对整个建筑物有统一科学的安全评判标准，在地基基础设计中应采用概率极限状态设计。

桩基概率极限状态法的原理及方法

（一）桩基概率极限状态法的原理

承载能力的极限状态，即结构或杆件发挥了允许的最大承载能力的状态。或虽然没有达到最大承载能力，但由于过大的变形已不具备使用条件，也属于极限状态。所谓“极限状态”，就是当整个结构或结构的某一部分超过某一特定状态，就不能满足设计规定的某一功能的要求，此特定状态称为该功能的极限状态，它反映的是结构某项功能的界限和标志。极限状态又分为：承载能力极限状态与正常使用极限状态。而这里讲“概率计算”，就是以结构的失效概率来确定结构的可靠度。过去容许应力法采用了一个安全系数K（简称单一系数法），就是只用一个安全系数来确定结构的可靠程度。而现在采用了多个分项系数（简称多系数法），把结构计算划分得更细更合理，分别不同情况，给出了不同的分项系数。这些分项系数是由统计概率方法进行确定的，所以具有实际意义。来自于工程实践，诸多的分项系数从不同方面对結构计算进行修订后，使其材料得以充分发挥和结构更加安全可靠。这些系数都是结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率（也即可靠度）。所以这个计算方法的全称应该为“以概率理论为基础的极限状态设计法”。

地基基础的可靠性分析要研究地基基础工程在规定的时间和条件下完成预定功能的能力、失效的可能性并提出相应的对策。针对地基基础而言，它的极限状态是指地基基础整个或部分超过某一特定状态，这一状态已不能满足设计规定的某一功能要求。而采用概率极限状态法设计桩基的主要优点是，可以更全面地考虑影响桩基可靠性诸因素的客观变异性，使桩基设计更加符合客观实际。同时由于有了具体度量桩的可靠性的数量指标(即可靠度)，就可以依据上部建筑物的不同特点，恰当地划分和选择安全等级，并具体地规定各级建筑物结构的可靠度水平，从而做到安全、耐久、适用及经济等方面的最佳平衡，使所设计的桩基在不同的受荷情况下具有很好的可靠度一致性。

（二）桩基概率极限状态法的方法

工程可靠度是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。产品的可靠性与外界环境的应力状态和对产品功能的需求密切相关。理解产品的可靠性需要从两个角度出发，其一是按照产品的层次结构理解可靠性，其二是按照产品的全寿命周期理解可靠性。而工程可靠度指标的定义是以功能函数服从正态分布为基础的，但在实际工程中，所遇到的岩土工程问题非常复杂，无法直接计算可靠度指标，因此目前发展出多种近似计算方法，较常见的有有FOSM法、蒙特卡罗法和随机有限元法。在实际桩基概率极限状态法的方法中，最为常用的方法是FOSM法，本文就以FOSM法为例，对桩基概率极限状态法进行分析。

一次二阶矩法是一种近似的实用方法，它是将极限状态方程进行线性化处理，然后用可靠指标来度量可靠度。本法在计算可靠度时，只使用随机变量的前两个矩的信息。建立计算失效概率的公式，且将非线性状态函数线性化，因而称之为一次二阶矩法因而称之为一次二阶矩法(FosM法)(First一orderSeeond一momentMethod)。一次二阶矩法包括中心点法、设计验算点法和JC法等。而Jc法是国际结构安全度联合委员会(Jcss)推荐的方法。这种方法是在一次二阶矩法基础上发展起来的。下面就以JC法对一次二阶矩法进一步说明。JC法使用于随机变量为任意分布情况下的可靠指标的计算，其基本原理是将任意分布的随机变量转化为当量正态分布的随机变量，使替代分布与原分布在验算点处的概率分布函数和密度函数分别相等，从而求出当量均值和标准差。当随机变量互相关时，先通过协方差矩阵的正交变换将相关变量X变为不相关的变量Y，然后求可靠指标。JC法是在一次二阶矩方法的基础上加人处理任意分布的随机变量的功能而来的，理论通俗易懂，计算速度快，计算精度能满足工程实际需要，因此工程中常用JC法进行计算。

三、桩基概论极限状态法在实际工程中的应用

（一）桩的可靠性分析

桩基的可靠性分析以单桩承载力的分析为基础。影响桩基受力和变形性状的不确定性主要有材料性能、土层剖面与边界条件、荷载大小和分布、桩的几何尺寸参数以及计算模式的不确定性等。桩的竖向承载力可靠性分析，应分别考虑上述几种变异性，也就是要根据土质的实际物理力学性能、桩身材料强度和实际成桩几何尺寸变化因素考虑，以排除其造成的变异性对桩的计算模式变异性的影响。而单桩承载力的可靠度分析主要与随机变量的变异性有关。式中Pu、Pk分别为单桩竖向承载力的试验值和按规范推荐的公式与参数计算的标准。

（二）负摩阻力的计算

桩侧土层对于桩身发生相对下沉，则该下沉土层将对桩身产生向下的负摩阻力，这部分摩阻力不但不是桩承载力的一部分，反而变成施加在桩上的外加荷载，从而影响桩的承载力。因此在设计时，针对黄土的具体特点，采用桩基，一定要充分考虑到负摩擦力对桩基的影响。而负摩阻力的计算主要是确定产生负摩阻力的深度范围及负摩阻力强度大小。

（三）桩底压力灌浆钻孔桩承载力的可靠度分析

单桩轴向承载力的极限状态方程为:

而由于P同桩径、桩长以及地质条件、桩材、施工方法等多种不定性因素有关，直接用该式分析单桩可靠度存在一定的困难。可以用无量纲的计算模式。单桩承载力P的标准为: (其中=)

该式可以化为无量纲的计算模式，即：

K为安全系数，现行的桩基设计规范中取K=2.0。

结束语

极限状态法是继许用应力法和破坏阶段法之后，提出的一种新的结构可靠性的设计方法，其原理是将结构置于各种可能的极限状态下进行分析，并引入了概率论数理统计和可靠性理论。而桩基础是结构体和岩土体共同作用的系统，影响其性态的因素很多，破坏模式复杂，进行桩基概率极限状态设计方法的研究是一项较艰巨的任务和工作。

参考文献：

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[2]石名磊,战高峰,邓学钧.岩土工程极限状态设计的探讨[J].公路交通科技,2000,S1:32-36.