机场跑道软土地基处理方案的可靠度分析

机场跑道软土地基处理方案的可靠度分析

作者：麦锐新李剑

来源：《中国新技术新产品》2011年第16期

摘要：在分析机场跑道软土地基处理方案的可靠度时，最关键的内容就是对地基的沉降进行分析。所以在研究地基处理所产生的沉降状态。在地基的设计过程中，其基本要求就是对工后的残余沉降进行严格的控制，即通过某种方法可以使软土地基产生最终的固结沉降量，且该沉降量与预期的要求相符。

关键词：机场路道；软土地基；可靠度分析

中图分类号：TU471.8文献标识码:A

一、可靠度分析的概念

工程的可靠度是指在特定的条件及时间内，工程可以实现预定功能的能力[1][2]。在实际工程研究中，为了保证结构物的可靠性，通常要针对其组成材料、使用环境、施工方法等各方面着手，针对其可能存在的不确定因素做出研究，再结合适当的数学方法将这些不确定因素和结构物的可靠性联系起来，即可靠度的分析理论。由此可见，在进行工程设计时，与设计相关的各项参数或者变量要先做考虑；此外，在施工及使用过程中，要对结构物的极限状态做进一步的明确，以该极限状态来判断结构物是否处理一个安全、耐久、适用的状态，即其是否可靠。一般而言经常采用功能函数Z=g(X1,X2,……Xn)描述结构物的工作状态，其中

X1,X2,……Xn为结构物的随机变量；假如Z1,X2,……Xn)=0。

二、机场跑道软土基可靠性分析方法

（一）堆载预压法

通过堆载预压法进行地基的沉降处理，对其可靠性进行计算时，首要考虑一点即为地基沉降极限状态方程的建立方法[3]。在机场工程大面积堆载时，地基在设计荷载下最终的竖向变形量可以通过分层总和法计算。因为地基处理的最终目的是为了使软土地基产生预期的固结沉降量，假如处理地基的方案使其所产生的最终固结沉降量与预期的值相符，则证明该方案为可靠、安全的；反之软土地基支法达到设计值，即工后的残余沉降要超出所要求的指标，那么该处理方法则不是适用的，其可靠度就相对较低。所以利用堆载预压法使得地基沉降达到极限的状态，就是在工期内地基所产生的固结沉降量与预期值相符。

1、最终竖向变形量的计算公式

软土地基处于预压荷载时，其最终的竖向变形量可以采用以下公式表达：

上式中：St：对地基处理后其应达到的竖向变形量

S：地基的最终竖向变形量

Ut：在不考虑井阻及涂抹影响因素下的砂井地基排水平均固结度

N：修正系数，通常取值范围在1.1-1.4之间

aw：土层压缩系数

e0i：土层孔隙比

Cv：竖向排水固结系数

Ch：水平排水固结系数

Esi：土层压缩模量

△P：设计荷载，通常为常量

hi：第i层压缩土层的厚度

H：砂井的最长排水路径长度

de：砂井的有效排水圆柱体直径

n：井径比

F(n)：与井径比相关的函数

2、不确定因素敏感性分析

土性参数不同，软土地基沉降量受其影响也是各不相同的[4]。分析土性参数敏感性，可以对地基沉降量由一个或多个不确定因素所导致的变化幅度进行评价，分析其受不确定因素影响的程度。分析不确定因素的敏感性主要作用是分析出主要因素及次要因素，从而将最后的分析模型进行简化。分析敏感生的具体步骤如下：第一，不确定因素的选择，还要将这些因素的变化范围做出进一步的统计。由上述设计荷载下地基竖向变形量的公式可以看出，土层的压缩系数、土层孔隙比、固结系数以及土层的厚度是主要的不确定因素。第二步，确定分析目标，为地基处于设计荷载时在工期内所产生的固结沉降量；第三，针对各项不确定因素，在可能的变化范围内，其变化幅度对分析指标结果的变动所产生的影响，并建立起对应的数量关系；第四，确定敏感因素，按照计算结果，如果不确定因素的数值变动对分析指标的结果会产生明显的影响，那么就可以确定其为敏感因素。

3、计算沉降计算值的可靠度

地基沉降极限方程表达式如下式：

上式中：S：设计要求的地基沉降量，取S=St

在确定压缩层时，对于软粘土，压缩层的厚度可以以地基的某个深度附加应力等于0.1倍的自重应力标准来确定。因为沉降量受固结系数的影响较小，所以要以设各土层固结系统相等，且竖向与横向的固结系数相等。如果式中Esi、hi以及Cv，则可以求解出可靠度β以及失效概率Pf。

（二）水泥搅拌桩法

地基处理采用水泥搅拌桩法，计算其沉降值可靠性的过程中首要考虑的问题是建立地基沉降极限状态方程的方法。对于机场工程而言，是在满足工程设计强度要求的前提下以沉降加以控制的。水泥搅拌桩复合地基的变形包括两部分，一是搅拌桩复合土层的平均压缩变形，另外一部分是桩端下未加固土层的压缩变形的[5]。与堆载预压法相同，对地基处理的主要目的是使地基可以产生与设计要求相符的固结沉降量，如果采用该方法达到这一目的，证明其安全可靠，反之则不适用。所以水泥搅伴桩法的地基沉降的极限状态就是在工期内地基所产生的最终固结沉降量和预期值相等[6][7]。

1、沉降计算模型

针对水泥搅拌桩法计算其可靠性，要充分考虑到设计过程中的桩长、间距、土层的变异性等因素。在计算过程中，要按照设计方法不同，根据土性能数的概率特性做出分析。竖向承载搅拌桩复合地基的变形计算公式为：

S=S1+S2

上式中：S1：搅拌桩复合土层的平均压缩变形

S2：桩端下未加固土层的压缩变形

S1=[（Ps+Pzl）L]/2Esp

其中

Esp=mEp+（1-m）Es

上式中：Pz：搅拌桩复合土层顶面附加压力值

Pzl：搅拌复合土层底面附加压力值

Esp：压缩模量

Ep：搅拌桩压缩模量

Es：桩间土压缩模量

L：桩长

然后可以通过压力扩散法求解出搅拌桩复合土层底面的附加压力值并做进一步的计算，从而得出竖向承载搅拌桩复合地基的变形计算公式为：

2、不确定因素敏感性分析

由上述计算公式可以看出，水泥搅拌桩法会受到桩间土压缩模量、下卧层土压缩模量及土层的厚度和桩的压缩模量等不确定因素的影响，而其中最大的敏感因素则为下卧层土压缩模量。

3、可靠度计算

竖向承载搅拌桩复合地基变形极限状态方程表达如下式：

g(x)=S'-S=0

如果已知桩下第i层土层的压缩模量及土层厚度，则可以按照桩长的取值不同运用验算点法计算可靠度及失效概率。

参考文献

[1] 王利群, 赵文, 王勇, 等. 沈阳城区挖孔桩单桩竖向承载力可靠度研究[J]. 建筑技术, 2011, 42(3): 242-245.

[2] 高渊, 叶继红. 最大熵法可靠度理论在工程应用中的改进[J]. 特种结构, 2011, (1): 1-5.

[3] 何光武, 周虎鑫. 机场工程特殊土地基处理技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

[4] 吴世伟. 结构可靠度分析[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

[5] 赵国藩, 金伟良, 贡金鑫. 结构可靠度理论[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000.

[6] 吴南群. 工程勘察测试数据的可靠性检验[J]. 岩土工程学报, 1991, 13(3): 93-98.