桩基结构材料设计施工参数的随机性研究

2020-01-20李琦杜阳宏

中国建材科技 2020年5期

李琦杜阳宏

（河北建设勘察研究院有限公司，河北石家庄 050000）

我国建筑工程领域的上部结构设计原则通常采用随机性原则，而建筑地基基础设计原则通常采用确定性原则，对一个建筑工程的总体设计来说，地基基础设计与主体结构设计之间存在着明显的设计冲突，而这一冲突直接影响着地基基础的施工环节。这主要是因为桩基础与周围土体之间的随机性作用和桩基础的随机性作用的相关研究理论依据不足，桩基动力性质研究通常是将桩基和土体作为一个确定性模型来进行分析，几乎没有涉及桩基动力学和非线性随机参数的研究。基于此，本文以桩基工程为研究主体，分析桩基工程施工和设计过程中的不确定性因素，继而探讨了几种常用桩基随机性参数分析方法。

1 桩基参数的随机性问题研究现状

关于桩基系统随机参数的研究成果主要来自欧美各国地质专家。例如美国O Boni通过分析多层小位移土层中的钻孔灌注桩，将随机变量作为桩基参数的主要参考依据；德国地质研究人员Phoon采用有限元分析方法确定了桩基确定性参数和桩基不确定性参数对单桩沉降量均具有影响，也就是确定性参数和随机性参数共同作用后决定了单桩沉降的数值。美国地质学者Ricardo将研究重点放在了群桩内部某些参数的变化对群桩轴向动态响应影响方面，利用统计模拟法确定群桩轴向动态响应数值的上限和下限，得出群桩响应受到随机变量的显著影响。英国地质研究人员Singh将研究重点放在了单桩轴向承载能力方面，通过研究确定了单桩轴向承载能力与砂土密度、桩土基础面摩擦角度、土压力系数以及桩直径的随机性有密切关联。

2 桩基参数的随机性和桩基参数的不确定性

建筑基础最常见的基础形式是桩基础，桩基础的承载能力主要通过桩和土共同作用来实现，虽然表面上桩土结构组成成分并不复杂，只有桩基础和桩周围土体组成，但是其具有十分复杂的应力传递机理。桩侧与桩端阻力的发挥与桩体结构、桩体沉降以及桩土之间的相对位移等有着密切关系，所以确定桩端阻力和桩侧阻力随机变量的规律是非常困难的，也就是说，即便桩基础具有简单的结构组成，但因桩基础和桩基础周围土体复杂性的存在，桩基础承载能力的确定过程也存在诸多不确定性因素。此外，通过大量的桩基础静载试验可以确定桩基的承载性能存在离散型。桩基施工场地内土层变化、桩基的实际入土深度以及桩基入土过程中是否遇到大块石等障碍物是造成桩承载性能离散的主要原因。对于打入桩基础而言，如管桩等桩型，某一根管桩的打入顺序和该管桩在群桩中的位置对该管桩的承载能力都有影响。桩基施工工法、桩基施工机械以及桩基现场施工管理方法对桩基承载能力离散程度也具有一定程度的影响。而以上介绍的影响桩基承载力因素都是随机的，可能某些因素对某一根或者某区域内的桩基承载力有影响，而对另外区域内的桩基承载力不产生影响，所以这些影响桩基承载力的因素是随机分布的，通过人为因素不可能消除。所以，在计算单桩承载能力时，要考虑影响因素的随机性和不确定性。岩土工程属隐蔽工程，其随机性通常情况下能进行准确预判，少部分情况下可以在某种程度上进行定性分析。入土较深的桩基础与浅基础或建筑上部结构相比，其工作性状和承载性能都复杂得多，出现此类现象最重要的原因是桩基与变异性较大的地基土发生复杂的力学变化，与此同时，桩基在隐蔽的地下环境受到了水文地质等因素的影响而出现了质量变异性。

将地基基础所受的荷载以及建筑地基承载力设计等级等各类参数看作定值，以及将桩基周围土体看作没有变异性的平均材料，是桩基础设计的常规做法，该设计做法下，与计算有关的参数是确定的，地基荷载和计算公式是确定的，为了消除不确定性因素而引入的安全系数也是确定的，其计算结果自然是确定的。该常规设计做法虽然容易被人们接受，但是其承载性能大多数情况下是设计单位根据勘察单位提供的勘察报告进行的大略估算，而从勘察到设计再到施工整个过程中存在着诸多的不确定性因素，常规设计方法即便引入了安全系数也不可能彻底解决所有不确定性因素造成的影响。

2.1 地基土与桩身材料性能存在不确定性

由于岩石和土体是在漫长的地质年代形成的，所以其物质结构的组成成分、组成结构的特点、土质干湿情况以及土质疏松程度等都是自然形成的产物，其形成过程是随机无规律的。岩土地质性质有很大的随机性，注定其表现出来的性状具有较大的变异性。此外，岩土行业的工作条件也充满了随机性，例如岩土地质自然环境的变迁和岩土地质所受荷载的变化等都是随机的，而人们的研究仅限于对某些特定时刻或特定部分进行抽样试验，这使得岩土工作条件认识有很大程度的局限性，该局限性注定了桩基承载力预估计算结果的不确定性。通常情况下，岩土性质的变异系数取值范围在0.3-0.5之间，桩体的材料组成、浇筑混凝土质量等制约因素是桩基自身材料性能不确定性的主要制约因素，在非端承桩和桩身质量无显著缺陷的情况下，桩身材料性能对单桩竖向承载力的影响较小。

2.2 单桩几何参数及荷载存在不确定性

单桩几何参数的不确定性对灌注桩的影响远远大于对预制桩的影响。单桩几何参数的不确定性主要包括桩的截面积偏差和桩的入土深度与实际设计值之间的偏差。单桩荷载不确定性主要指荷载自身存在的变异性，之所以荷载会存在变异性，是因为上部结构传递给基础的荷载随着时间的推移会产生变化，继而使得基础受到的荷载发生变化。此外，选择的桩基桩型不同以及采用的施工工艺不同也会使得桩基周围土体的物理性质产生变化，土层性质的变化是使桩基承载性能有所差异的主要原因。通过获取现场大量试验数据可知，同一个项目相同地质条件下，采用相同桩型的桩基础实际承受的承载力也会出现较大偏差，有时候偏差会在100%以上。这说明统一场地内不同桩型所承受的实际荷载遵循离散型变化，受到多重因素的影响。

2.3 桩基的实际计算模式存在不确定性

通过几种不同分析模型和施工现场实际测得数据进行分析比对，最终发现桩基实际承受的压力与桩基承载力的理论计算值之间有较大差异。出现差异的主要原因有以下几点：

1）桩基承载力计算模型通常情况下是简化模型，简化模型存在不确定性因素；

2）桩基础从桩端到桩顶的不同位置存在着差异性，为了计算方便，在进行桩基承载力计算时通常采用桩身土体的平均数值，而这些平均特性值的准确性依赖于试验数据及其充分的代表性；

3）试样可能存在扰动，试验室和现场的实际情况也存在差别。

3 桩基参数随机性的分析方法

针对不确定性随机参数对桩基结构影响的研究有助于分析简化模型下计算的桩基承载力的误差范围及其可靠程度。结构刚度、结构质量以及结构阻尼等遵循线性结构变化的各类参数的影响分析研究已较成熟，而对于桩土结构的非线性研究近几年才涉及。桩基随机参数结构的响应分析方法主要有桩基统计模拟分析法和随机有限元模型分析法。

3.1 桩基统计模拟分析法

桩基统计模拟法的理论基础是极限定律，该模拟法在随机参数结构分析方面较为有效。统计模拟法在解决与随机变量相关的实际工程方面有广泛的应用空间，也是可靠度分析的主要措施之一。统计模拟法在分析桩土随机动力影响问题上的基本步骤如下：

1）根据桩土刚度、桩土阻尼平均值和方差，依据统计模拟法产生随机参数的正态样本；

2）将第一步的样本正态样本值代入动力学方程；

3）求解桩基动力学方程，计算桩基自身固有频率、桩基位移响应、桩基敏感度以及桩基内力响应；

4）将上述1-3步进行重复，最终得出所求物理量的所有响应样本。统计模拟法回避了结构可靠度分析中的数学困难，不需考虑功能函数的非线性和极限状态曲面的复杂性，直观和通用性强，缺点是计算量大，效率低。但随着抽样技术的改进和计算机硬件水平的提高，该方法的应用将越来越广泛。

3.2 随机有限元模型分析法

有限元模型计算法是一种数值计算方法，该方法主要依靠一些模型软件进行分析计算，是一种较为新颖的分析方法，且应用领域较为广泛，已经在桩基可靠性、桩土动力、桩基复合材料以及非线性问题方面得到了充分运用，可以较为精准提供分析数据和计算结果。经过不断的发展应用，有限元模型对桩土动力结构的相应研究也取得了长足的进步。关于桩土动力结构的分析主要形成了随机模拟、正交展开以及随机有限元三种分析方法。而这三种分析方法中的随机有限元应用较为广泛，其应用分为摄动随机有限元法、Taylor展开随机有限元法和Neumann动力随机有限元法。现阶段的研究重点在可靠度计算与随机有限元二者之间的关联程度方面，也衍生了很多相关课题，同时也取得了一些突破性进展，该分析模型对解决复杂桩土结构的可靠性设计问题有较大帮助，具有较大的应用前景。