桩基承载力的可靠度分析.ppt

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桩的周长，定值,桩侧单位面积上的摩阻力，按规范计算;,桩身在i层土的厚度，定值；,桩尖土单位面积上的端阻力，按规范计算；,Bu 抗拔桩计算模式不定性的随机变量，为现场试桩与按规范计算值之比,即,A桩身截面积，定值,G 桩的自重,式中，,u、li、A、G均近似地作为非随机变量处理，即忽略几何尺寸的不定性影响。当确定场地承载力的不定性 困难时，也可略去不计，因为抗力R直接受Bc或Bu所控制。,1桩承载力极限状态方程,R、S分别为桩的总抗力和总荷载效应：,其中，,恒载产生的荷载效应,第i种可变荷载产生的荷载效应。,抗拔桩的极限状态方程,抗压桩的极限状态方程为,建立了桩的承载力极限状态方程后，下一步就是确定各随机变量的统计参数。,通过对国内,41跟原型桩和20根模型的抗拔试桩资料统计分析，得出桩场地承载力的随机变量统计参数为:,均值为,1.0，变异系数为0.14，概率分布类型为对数正态分布。,抗拔桩计算模型的随机变量,不同地区的影响无显著差异性，其概率分布可以认为服从对数正态分布，其均值为,1.22，变异系数为0.28。,从抗压桩来推求抗拔桩的侧摩阻力折减系数,黏性土与砂性土差别较大，其概率分布可服从对数正态分布。,例子：,上海,627码头工程的地质质料及桩的尺寸如图所示，用JC法求该抗拔转承载力的可靠指标,在砂性土中，其均值为,0.437，变异系数为0.21,.,根据上述参数对上海一个实际使用中的码头工程进行核算，,在黏性土中，其均值为,0.735，变异系数为0.17；,解：,基本资料如下：,桩身自重,G=0.62*36.5*2.45=321.9KN,拔桩的抗力模式若考虑场地及计算模式的不确定性的影响，则由,可求得,根据上文对随机变量统计参数的分析,均值,1.0，变异系数0.14，概率分布形式为对数正态,均值,1.22，变异系数0.28，标准方差0.34，概率分布形式为对数正态,均值,0.735，变异系数0.17，标准方差0.125，概率分布形式为对数正态.,将,R在均值处展开成泰勒级数，取线性项，得近似均值及方差如下,式中,当不考虑,Au变异性时，则 ，变异系数为0，,R的均值不变,由此可以得到综合抗力,R的两种情况的统计参数：,（,1）考虑Au、Bu和 为随机变量的情况：,（,2）考虑Bu和 为随机变量的情况：,荷载效应,S的取值如下：荷载效应S因缺乏实际资料，算例中是在设计负桩力，取最大者作为荷载效应均值。假定变异系数为0.30.2和0.1。,计,算中，,荷载组合,1为：自重+挤靠力+水流力，荷载效应的均值,荷载组合,2为：自重+撞击力+水流力+波浪力，荷 载效应的均值,工程计算结果如下表,上海627码头工程中桥墩抗拔桩承载力可靠指标的计算结果,抗力模型,抗力系数,荷载参数,可靠指标,组合1,组合2,荷载服从极值,s(kN),s(kN),Vs,s(kN),s(kN),Vs,组合1,组合2,随机变量Au、Bu、,R=2284.8knR=781.9knVR=0.34,273.9,82.17,0.3,482.2,144.6,0.3,4.55,3.4,273.9,54.78,0.2,482.2,96.44,0.2,5.17,3.81,273.9,27.39,0.1,482.2,48.22,0.1,5.85,4.29,随机变量Bu、,R=2284.8knR=781.9knVR=0.34,273.9,82.17,0.3,482.2,144.6,0.3,4.88,3.57,273.9,54.78,0.2,482.2,96.44,0.2,5.46,4,273.9,27.39,0.1,482.2,48.22,0.1,6.29,4.64,成层土中灌注桩承载力的可靠度分析,(1)桩土体系基本变量的无量纲化,Bx=X/Xk,式中，,Xk一般取基本变量X的代表值（如取Xk等于X的标准值或者设 计规范给定的设计值（如设计桩径），则Xk可视为非随机变量）,X=Xk Bx,由于在不情况下桩土作用系统的各种基本变量的差别很大，很难采用它们的“绝对值”来进行可靠度分析，把各基本变量的绝对值化成无量纲比值则可解决这一问题。一般，无量纲比值,Bx可表示为,由于,X是随机的，所以Bx也是随机变量。,X的均值 ,标准差 ,变异系数Vx可表示为,式中，,，,，,分别为无量纲比值,B,x,的均值、标准差和变异系数,以上诸式表明基本变量,X的概率统计计算与它的无量纲比值 Bx的概率统计计算可以互换。,（,2）,侧阻和端阻的无量纲比值及可靠度分析计算表达式,桩总侧阻力为,F,总端阻力为Rp。先考虑桩侧只有一种土的情况，然后分析成层土中的情况1）桩侧只有一种土时的情况,1.总侧阻力F：其表达式为,桩径,单位极限侧阻,桩的有效埋深,故，总侧阻的标准值为,桩设计直径,规范给定的侧阻值,F的无量纲 比值,表达式为,的均值和变异系数为,取,则上式变为,由,则,总端阻力,表达式为,故,的标准值,于是，,的均值和变异系数的表达式为,故,（,2）层成土中的情况,对于层成中的桩，如侧撞有,n层土，总侧阻力是各层侧阻力的函数。由各层侧阻严格推导总侧阻的统计指标，计算比较复杂。但可以根据土层的厚度部同对总侧阻的贡献和对变异性的影响不同，采用土层厚度的加权系数来反映。考虑了上述因素后再简化，采用罗森布鲁斯（,Rosenblueth,）提出的计算函数误差的公式和土层加权系数来近似计算侧阻的总变异系数和总无量纲比值。,设,i层的侧阻为 ，土层厚度加权系数为,，则有,，,分别为桩侧第i层土的单位侧阻和厚度。,的变异系数 的计算式为,根据,Rosenblueth误差传递公式，考虑土层厚度加权系数,可得侧阻的总变异系数 的简化表达式,对于侧阻总的无量纲比值 的计算，首先也应计算第,i层土,侧阻的无量纲比值 ，其中 的计算公式为,将式子,代入上式得，,于是，侧阻的总无量纲比值 的土层加权计算式可表达为,（,3）桩的总抗力（极限承载力）的统计特征,计桩的总抗力即桩的极限承载力为P,对于上式，若忽略侧阻与端阻的相互影响，即可假定,与 独立，则有,P的无量纲比值 计算式如下,将 代入上式，可得,令,即n为端阻均值与总侧阻均值比,则上式,可变为,14.3复合桩基承载力的可靠度分析,14.3.3沉降控制复合桩基础的可靠度分析,14.3.2复合桩基稳定的极限状态方程,14.3.1复合桩基极限承载力表达式,复合桩基指的是按大桩距（,56倍桩径,）布置的低承台摩擦型群桩与承台底土体共同承载的新型基础形式。当复合桩地基中单桩达到极限状态后，承台还能继续承担一部分荷载。,考虑承台，桩，土相互作用的群桩极限承载力表达式可写为如下表达式,14.3.1,复合桩基极限承载力表式,式中 单桩极限承载力 承台底土体的极限承载力 群桩效率系数，为桩数,由于承台底土体破坏时,绕桩滑动,将受到极限滑动阻力，所以承台底土体的极限承载力较无桩有所,提高,如下式：,式中 承台底天然地基极限承载力 的提高值 承台底面积,将式（2）代入（1）得复合桩基极限承载力的,计算公式如下,下面分别说明 的计算方法,（2）,（1）单桩极限承载力 按建筑地基基础设计规范的规定：当没有进行单桩静载荷试验时，单桩极限承载力可按下式计算：式中 桩身截面周长 桩身第 层土的极限摩阻力 第 层土厚度 桩端处土的极限端阻力 桩端截面面积,(2)承台底天然地基极限承载力根据修正的汉森公式式中修正系数，其值随内摩擦角 值的增大而减小承台宽度承台埋深承台地面以下土的重度承台以上土的,加权平均重度,地基土的粘聚力 承台形状系数，根据承台实际情况取值 承载力系数，它们都是地基土的内摩擦角 的函 数,（3）承台底天然地基极限承载力的提高值桩径桩纵向间距滑动土楔半角,为承台粗 糙程度系数承载力增量系数，当承台绝对光滑时，他们都 是承台底土的内摩擦角的函数，其计算式见 其中 为主动土压力系数，,综上以上，可得复合桩基极限承载力的表达式为：,公式各符号意义参照之前所述,14.3.2,复合桩基稳定的极限状态方程,结构可靠度分析的前提是建立极限状态方程并 确定基本变量。以综合变量表示的复合桩基稳定极限状态方程可写成如下表达式,式中,复合桩基极限承载力,承台及其上覆土自重,作用于承台底的荷载效应，包括恒载效应 和活载效应 两部分,将上面式子综合可得到多参数表示的复合桩基稳定极限状态方程如下,式中所有参数可以分为一下四类：第一类为几何尺寸，包括桩 和承台 的几何尺寸,与形状系数 ，由于这些参数一般都能事先确定，且施工后变异性很小，故通常视为常量;,第二类为群桩效率系数，对复合桩而言，群桩效率系数 ，综合取为1是合理的，此处暂不考虑 的变异性；,第三类为土性指标，包括 考虑到土重度 变异性很小，仅将 视为随机变量，并假定 服从正态分布，服从对数正态分布；,第四类为荷载效应，包括 和 。按照建筑结构可靠度设计统一标准（,GB50068-2001,）服从正态分布，其变异系数,服从极值 型分布，其变异系数为,。,通过以上参数分析，可知式中所含随机变量的个数为 ，分别为 以这些基本随机变量表示的极限状态方程简写为可,14.3.2沉降控制复合桩基础的可靠度分析,这类设计方法用于天然地基的强度能满足设计荷载要求但沉降却过大的情况，相对于前面所说的复合桩基在处理这类问题时能够较合理地确定桩长和装数。但是目前应用教书，主要是由于理论不完善，因此加强沉降控制复合桩基的研究是很有、现实意义的。,这类设计方法的可靠度分析理论主要用于整体承载力验算，方法与前面所说的复合桩基承载力可靠度分析相同，也具有相同的极限状态方程和随机变量。,静力触探,是通过一定的机械装备，将一定规格的金属探头用静力压入土层中，同时用传感器或直接量测仪表测试土层对触探头的贯入阻力，并实现数据的自动采集和自动绘制静力触探曲线，以此来判断，分析，确定地基土的物理力学性质以及反应土层剖面的连续变化,。,比贯入阻力,值 是总贯入阻力 与探头锥尖底面积 的比值，即,14.4静力触探试验估算单桩承载力,及可靠度分析,3.静力触探实验的目的和实用条件,静力触探实验可以用于下列目的,根据贯入阻力曲线的形态特征或数值变换幅度划分土层。,估算地基土层的物理力学参数。,评定地基的承载力。,选择桩基持力层、估算单桩极限承载力，判定沉桩可能性。,判定场地地震液化势。,静力触探实验适用于粘性土、粉土和砂土，设备的贯入能力必须满足测试土性、深度等需求，反力必须大于贯入总阻力。,静力触探试验预估单桩承载力,用静力触力探试验成果估算单桩承载力比较普遍，上海、天津、西安、海口等城市的应用均取得良好效果。计算结果与桩的载荷试验结果或较接近或相差不大。下面分别介绍上海市地基基础设计规范（DBJ081189）、高层建筑岩土工程勘察规程（JGJ7280）以及铁道静力触探技术规则用静力触探资料计算单桩承载力的方法。,1.上海市地基基础设计规范（DBJ081189）的方法：该规范的方法适用于计算我国沿海软土地区预制打入桩的单桩承载力标准值，其公式如下,：,式中：预制桩单桩承载力标准值；桩端横截面面积；桩身截面周长；安全系数，一般取2；桩端阻力修正系数，按表8-12.04取用；桩端附近的静力触探比贯入阻力平均值（kPa）；用静力触探比贯入阻力估算的桩周各层土极限摩阻力标准值 第i层土的厚度（m）。,当 时，（817）,当 时，（818）,式中：,桩端全断面以上8倍桩经范围内的比贯入阻力平均值 （kPa）；,桩端全断面以下4倍桩经范围内的比贯入阻力平均值（kPa）；,折减系数，按 的比值查表8-15,15,1,5/6,2/3,1/2,折减系数 值,用静力触探比贯入阻力估算桩周各土层的极限摩阻力时，应结合土工试验资料，土层的埋深及性质按下列情况考虑,：,a.地表以下6.0m范围内的浅层土，可取 。,b.粘性土,当,当,c.粉土及砂土,上述为桩身所穿越土层的比贯入阻力平均值,用静力触探资料估算的桩端极限阻力值不宜超过8000kPa；桩侧极限摩阻力值不宜超过100kPa。对于比贯入阻力值为25006500kPa的浅部粉性土及稍密的沙土，估计桩端阻力和桩测摩阻力时应慎重。,取桩尖平面以上4d（d为桩径）范围内的按,厚度加权平均值，然后再和桩尖平面以下1d范,围的 值进行,2.高层建筑岩土工程勘查规程（JDJ72-80）的方法,该方法适用于一般粘性土和沙土，其公式如下：,式中：,桩端阻力修正系数，对于粘性土,对于饱和沙土,桩端上、下静力触探锥尖阻力平均值（kPa），,第 层土的静力触探侧壁摩阻力（kPa）,；,第 层桩身侧壁摩阻力修正系数，按下式计算粘性土,砂土,其余符号同前。,3）铁道部静力触探规则的方法,单桩极限承载力（kN）；,混凝土打入桩承载力按下式计算：,分别为桩端阻力、桩侧摩擦力的综合修正系数，按,表8-16选用,桩底以上、以下4D（D为桩径或桩边长）的平均值。,如桩底以上4D的平均值大于桩底以下的平均值，则,取桩底以下的qc平均值。,其余符号同上。,混凝土钻孔灌注桩的 和 值,灌注桩直（cm）,65,65,混凝土灌注桩的单桩极限承载力,Qu,的计算公式与式（823）相同，但是桩端阻力综合修正系数和桩侧摩阻力综合修正系数,f,的取值不同，按下表选取,条件,同时满足,不同是满足,备注,混凝土打入桩端、桩侧摩擦力的综合修正系数 和,根据试桩资料单桩极限承载力模型,1.双曲线模型,假设,曲线符合双曲线方程,则极限承载力为,经变换,可改写为,根据最小二乘法原理，可求得上式中的,和,，,从而得到桩的极限承载力。,（2）指数曲线模型,1953年，荷兰Vander Veen提出用指数形式的方程描述桩的,曲线关系式,分别为桩顶荷载（kN）和相应桩顶沉降(mm),桩能承受的最大荷载即破坏荷载（kN）,沉降衰减因子(mm-1),试桩分n级加载，,分别为第 级桩顶荷载及相应沉,降，将该式展开为幂级数，则,设静载试验分,级加载，,第 级荷载（kN）及相应沉降,(mm)分别记为,它能够较好地描述荷载下桩的变形情况，根据已知的试验数据组进行优化，求出待定系数得出,曲线方程，根据极限荷载定义则可预测极限荷载。,3灰色GM（1，1）模型,灰色系统,：既含有已知信息又含有未知信息的系统。,单桩极限承载力是一个非常复杂的问题，影响引述众多，而人们所能获得的数据又十分有限，因此，可以运用灰色系统利率，建立灰色模型来预测单桩极限承载力。,根据灰色系统的建模方法，可建立GM（1，1）模型,式中 ，待定系数，可由下式确定,式中,求出系数 ,后，解 得，,上式即为灰色模型得出的描述,曲线方程。当已知桩顶沉降值时，代入上式即可推出对应的桩顶荷载预测值。通常 是一个很小的正数，则单桩承载力可简化为,各种模型的预测结果的准确性与数学模型本身的拟合精度有关,14.4.3单桩可靠度分析中的不确定因素,桩的承载力是桩土共同作用的结果，因此，单桩承载力与桩的类型、材料、截面尺寸、入土深度、桩端进入持力层的深度、成桩后休止时间及施工方法等因素有关。其主要的承载力偏离因素如下：,1、土质与材料性能的不确定性,2、几何参数的不确定性,3、单桩承载力计算模式的不确定性,14.4.4随机变量的选取,在进行可靠度分析时，原则上应分别考虑上述三种不确定性。,但从目前搜集到的大部分资料看，土层厚度的不确定性。成桩 过程对土层的影响等都无法作出定量分析。对于桩的几何尺寸，也基本上没有实测资料。,在上述分析模型的选取时，我们忽略了静载试验本身所引起的误差，将材料性能成桩工艺和几何尺寸的影响通过计算模式的变异性予以综合考虑；计算模式的部确定性用计算承载力与实测承载力的比值 来确定。图纸参数的变异性从大量CPT曲线中分析统计。故单桩承载力的可靠度分析主要与随机变量 的 变异性有关。,在计算单桩竖向承载力可靠指标过程中，除了要用到抗力分布外，还要用到桩顶的综合荷载效应分布。这一分布与作用在上部结构的各种荷载性质及其组合、结构及地基的变形情况等因素有关。,桩侧土质与桩底,土质的变异性、,孔底可能出现的,沉渣、虚土,桩、,身材质、混凝土,浇筑质量,指桩承载力计算,所采用的基本假,设和计算公式或,计算方法部精确,所引起的计算值,和真实值之间的,差异,主要指桩截面直径、长度尺寸偏,差、桩身倾斜等,引起的几何参数,的变异性,在计算可靠指标是，要考虑不同的荷载组合情况。工程设计中，常遇到的是恒载与一种可变荷载的简单组合情况，即：,恒载G+办公楼面活荷载Q办；,恒载G+住宅楼面活荷载Q住；,恒载G+风荷载Q风,目标可靠指标主要是在分析这三种荷载组合情况的基础上确定的。在只有一种可变荷载参与组合的情况下，楼面活荷载和风荷载均取设计基准期最大荷载随机变量。可以假定荷载Q与荷载效应S之间存在简单的线性关系，则可以用荷载的统计规律来代替荷载效应的统计规律，即荷载的统计特性可以用于荷载效应，并且传到基础底面各项荷载的统计参数不变。,14.4.5,极限状态方程的推导,荷载效应S通常有恒载效应和活载效应组成，故单桩承载力的极限状态方程可写为,设各基本变量均为正态分布（对于非正态分布的参量当量化,为正态分布），则由可靠指标的,定义可得,总安全系数下承载力的实用设计表示式写为:,考虑荷载效应比：,代入上式得：,则 与 的关系式为：,14.6单桩沉降的可靠度分析,三阶段模式及,状态矢量法,引入统计量,来分析桩沉降,计算模式的不,确定性,得出桩的状态,矢量表示方法,通过由桩周土层阻抗不确定,性，试桩几何变异性以及砼,的弹性模量的变异性引起的,桩顶沉降的不确定性来进行,可靠度分析。,单桩沉降计算的方法,荷载传递分析法,1.荷载传递解析法,2.位移协调法,3.洛时声简单积分法,弹性理论法,分层总和法,剪切变形传递法,弹性理论一传递函数联合求解法,位移变分法,神经网络法,规范简化法,参考文献：单桩沉降计算方法综述刘杰 株洲工学院学报,单桩沉降计算的三阶段法,通过阻抗函数的三阶段模式，根据旁压试验及试桩实测资料的对比，得出斜率 和与旁压模量 和桩径 的关系,黏性土：,砂性土：,弹塑性阶段 及 段为双曲线，对于 其方程为,也有与类似的方程,在三阶段法模式中采用,求解以上三阶段模式（采用迭代法）,深度状态矢量 与 深度状态矢量 有如下关系,式中 分别为 深度处桩截面的沉降，轴力,分别为 深度处桩截面的沉降，轴力,转换矩阵，当 ，即桩侧摩阻 的弹性阶段时，或 ，即的弹塑性阶段时，有不同的表达式,对于具有n层土层的单桩，桩底状态矢量 可以由桩顶状态矢量表达如下,式中 桩顶沉降 桩顶荷载 桩端位移 桩端阻,计算模式的不确定性,在分析沉降计算模式的不确定性时，可引入统计量,式中 钻孔灌注桩桩顶的实测沉降,根据三阶段模式及状态矢量法计算的,桩顶沉降,旁压模量 ，极限侧摩阻 ，极限桩端阻 及桩,几何尺寸均采用实测值，以排除土性指标的固有变,异及几何不确定性的影响,的不确定性是由于桩周土层阻抗的不确定性、试桩几何变异性及混凝土的弹性模量的变异性等引起的。在三阶段阻抗模式中,等引起斜率 及斜率 是重要参数,可由旁压模,量 确定,的不定性代表了土的固有变异性。因此,可选旁压模量 、桩径及混凝土的弹性模量 为基本随机变量。,可靠度指标的计算,的可靠度分析可采用二阶居的方法,分别为,可靠指标 的计算,桩的实际沉降量 为,桩的实际沉降也为随机变量，其分析一般为正态分布或对数正态分布，其均值、变异系数分别为,单桩沉降的极限状态方程为,式中 钻孔灌注桩的容许沉降,当随机变量 服从正态分布时，可靠指标由下式确定,本章小结,单桩承载力可靠性指标的计算,抗,力,模,型,抗拔桩,抗压桩,荷载效应（荷,载组合）,桩承载力极限状态方程,根据定义求出,可靠性指标,如何确定桩基,的极限承载力？,可靠性指标的求解方法？,荷载效应组合的具体体现？,桩土体系基本变量的无量纲化,侧阻和端阻的无量纲比值及可靠度分析计,算表达式,1、桩侧只有一种土的情况,2、成层土中的情况,3、桩的总抗力（极限承载力）的统计特征,桩顶荷载效应统计量的取用,单桩承载力现行设计水准的可靠度估计,成层土中灌注桩承载力的可靠度分析,承台底天然地,基极限承载力,的提高值,复合桩基极限承载力的表达式,复合桩基稳,定的极限状,态方程,什么是复,合桩基？,考虑极限滑动时的表达式,单桩极限承载力,承台底天然地基极限承载力,综合变量,表达式,多参数表示,的稳定极限,状态方程,？,静力触探试验估算单桩承载力及可靠度分析,静力触探试验估算单桩承载力方法,1、上海市地基基础设计规范,2、高层建筑岩土工程勘察规程,3、铁道部静力触探规则的方法,根据试桩资料建立单桩极限承载力模型,1、双曲线模型,2、指数曲线模型,3、灰色模型,单桩可靠度分析中的不确定性因素,1、土质与材料性能的不确定性,2、几何参数的不确定性,3、单桩承载力计算模式的不确定性,随机变量的选取,极限状态方程的推导,单桩沉降的可靠度分析,单桩沉降的计算方法,除课本介绍的三阶段法外，前面还介绍了其他的几种方法,计算模式的不确定性,在分析沉降计算模式的不确定性时，引入统计量,可靠指标的计算,其中涉及到状态矢量的表达方法以及偏导矩阵的计算,放映完毕,THANKYOU,