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桩基正常使用极限状态可靠度分析与设计研究

边晓亚  
【摘要】:较高的承载力和较小的沉降是保证桩基安全的基本要求。由于桩基工程中存在大量的不确定性,使得利用安全系数法进行桩基安全性分析与设计并不合理,因此,应代之以可靠度方法。桩基可靠度分析与设计的内在本质是以概率理论为基础的极限状态分析与设计。桩基极限状态主要包括承载能力极限状态(ULS)和正常使用极限状态(SLS)两种形式。当前,有关桩基正常使用极限状态可靠度分析与设计的研究还比较少。本文基于国内外桩基可靠度分析与设计的研究现状,对桩基正常使用极限状态可靠度分析与可靠度设计方法进行了较为系统的研究,主要研究内容及成果如下: (1)考虑承载力计算模型和荷载不确定性,利用可靠度分析方法和概率统计理论,分别推导了单桩承载能力极限状态和正常使用极限状态可靠度指标计算公式,得到了两种极限状态下可靠度指标之间的线性关系式。并利用单桩荷载试验数据,研究了土体条件和桩型对单桩承载能力极限状态和正常使用极限状态模型因子特征参数的影响,分析了承载力计算模型、荷载以及容许沉降不确定性对单桩正常使用极限状态可靠度分析结果的影响。 (2)为进行单桩正常使用极限状态可靠度设计,考虑单桩承载力、荷载以及荷载-沉降模型不确定性,推导出利用均值一次二阶矩(MVFOSM)法计算正常使用极限状态可靠度指标的公式,同时给出了利用Monte Carlo模拟(MCS)法进行正常使用极限状态可靠度分析的极限状态函数,并综合两种可靠度分析方法提出了一种确定单桩正常使用极限状态目标可靠度指标的方法。利用已有单桩荷载测试资料进行可靠度分析,根据MVFOSM法和MCS法计算的单桩正常使用极限状态可靠度指标,在给定的安全系数和容许沉降条件下,确定了单桩正常使用极限状态目标可靠度指标建议值。 (3)基于单桩承载能力极限状态可靠度分析与设计原理,考虑正常使用极限状态条件,提出了一种进行单桩可靠度分析与设计的新方法。可靠度分析和抗力系数计算的过程,分别采用MVFOSM法、改进的一次二阶矩(AFOSM)法和MCS法等3种方法进行。利用已有的单桩荷载试验资料,依据可靠度指标计算结果,考虑单桩正常使用极限状态条件,分析了由MVFOSM法、AFOSM法和MCS法等3种方法计算的可靠度指标和抗力系数结果的差异性,并研究了土体性质、桩型以及容许沉降条件等因素对该差异性的影响。利用AFOSM法和MCS法计算的抗力系数结果,给出用于单桩可靠度设计的抗力系数建议值。最后,讨论了不考虑容许沉降条件与考虑不同容许沉降条件时的单桩可靠度设计水平之间的相关性。 (4)研究了失效准则和沉降控制条件对单桩可靠度分析结果的影响。以s-1gt失效准则为基准,定义了搜集到的7种失效准则的偏差系数,并结合承载能力极限状态和正常使用极限状态模型因子给出了考虑失效准则、模型不确定性和沉降控制条件等因素的可靠度综合分析方法。研究了容许沉降随机性对单桩可靠度分析结果的影响。建议将失效准则和沉降控制条件结合起来综合评价单桩的安全性。 (5)考虑桩承载能力极限状态和正常使用极限状态模型和参数的不确定性,利用可靠度理论,给出两种极限状态下单桩可靠度指标间的线性关系式。并结合群桩承载能力极限状态可靠度分析方法,考虑群桩效应和系统效应之间的相关性,提出了群桩正常使用极限状态可靠度评估方法。利用试桩资料,研究了群桩效应与系统效应之间的相关性、桩长径比以及容许沉降对群桩正常使用极限状态可靠度分析结果的影响。


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