路基工程設(shè)計安全系數(shù)法的基本概念

第一章路基工程設(shè)計平安系數(shù)法的基本概念一、平安系數(shù)法的基本概念土體的固有特征之一是它的不勻稱性。自然土壤沉積層都是由不規(guī)章的各種土壤層次所組成，其密度、含水量以及其他可影響沉積層強度和可壓縮性的特征的變化都是很大的，同時，巖石地層也經(jīng)常表現(xiàn)為不規(guī)章的地址斷裂帶和裂隙帶，這些將顯著影響巖層的承載力量。另一方面，路基工程所承受的荷載也是不確定的，目前將軌道和列車動、靜荷載均換算成土柱作用在路基上的設(shè)計方法，只是對非確定性的載荷一種人為的簡化，在自然環(huán)境中，諸多自然因素對路基工程的影響特殊是地震、洪水、滑坡、泥石流等突發(fā)性自然災(zāi)難所形成的災(zāi)難荷載則具有更大的隨機性。由于我們在設(shè)計時，對自然地基的承載力量僅能依據(jù)現(xiàn)場勘探有限土樣的地質(zhì)資料和數(shù)據(jù)來作出打算，這種估量當然包含著相當大的不確定性；又由于目前有關(guān)學(xué)科進展水平的限制，我們對有關(guān)人為的或自然因素對路基工程的作用既無法精確描述又無法精確預(yù)知各種現(xiàn)象所可能造成的后果，這樣所謂路基工程設(shè)計只能是在不確定性的條件下，盡力作出正確打算的工作。目前路基設(shè)計主要采納平安系數(shù)法，這是處理不確定性的主要設(shè)計方法，而以后將爭論的牢靠性設(shè)計方法，則是研討路基工程中處理不確定模型的重要優(yōu)化設(shè)計技術(shù)之一。平安系數(shù)法的定義為“在通過理論、深度分析或長期的閱歷與實踐，對誤差的大小在肯定程度上比較明確的狀況下，把內(nèi)存在系統(tǒng)中的各種不確定性，概括成某一系數(shù)作為系統(tǒng)的輸出”的一種方法。簡言之，即將設(shè)計中對全部不確定性問題的處理，都由一種平安系數(shù)來加以解決，平安系數(shù)必需是設(shè)計上用起來便利而且能彌合設(shè)計與實際現(xiàn)象之間差別的一個系數(shù)。平安系數(shù)Fs一般可用下式表示：Fs=X/Y式中X和Y表示為任何形式都可以。如可以用強度和剪應(yīng)力之比來表示、可用抗滑力矩和滑動力矩之比來表示等等，在橋涵過流斷面設(shè)計中，以橋涵凈空除以某一基準值（相對于某一設(shè)計頻率流量的斷面）直接作為平安系數(shù)也是可以的。平安系數(shù)Fs的值并不能作為定量地表示工程平安度的尺度，而只是依據(jù)現(xiàn)有學(xué)問認為能大體上滿足工程上（包括技術(shù)、經(jīng)濟、牢靠性）要求的某一給定值。比如說用力矩之比來分析滑坡時，假如知道采納Fs=L2可以大體上滿足工程上的要求，就取Fs=1.2；對于基礎(chǔ)承載力問題，認為Fs取3才能得到滿足的結(jié)果時就可令Fs=3。這里Fs=L2并不意味著120%的平安。Fs=3也絕不是3倍的平安。由于在目前工程中很多問題是無法定量的，難以具體地確定其平安度的大小，有時這種定量的分析即便可能，但在力學(xué)上并沒有什么意義。這樣將工程的牢靠性用平安系數(shù)來處理，以確定一個“最差的”工程系統(tǒng)力量使能留有余地地適應(yīng)一個“最大的”荷載作用需求的概念構(gòu)成了路基設(shè)計理論的常規(guī)模式。其次章路基工程牢靠性設(shè)計的原理一、破壞概率的定義我們在前面已經(jīng)介紹，平安系數(shù)雖是欲以數(shù)值表示平安度的指標，但并不能作為定量表示平安度的尺度，這樣，不能夠定量地表示平安度是平安系數(shù)法最大的缺點，這樣就導(dǎo)致了將牢靠度的概念引入到路基工程設(shè)計中來的需要，使之成為路基工程進展的熱點。工程設(shè)計的主要目的之一就是在經(jīng)濟允許條件下確保建筑物的功能。但是絕大多數(shù)路基工程的規(guī)劃與設(shè)計是缺乏完整資料的背景下完成的，其決策是在不確定的條件下作出的，同時又受到經(jīng)濟條件的制約，要確保工程的肯定平安和完好是不行能的，這樣只有當設(shè)計準則近似在牢靠性的概率量度上，才有可能獲得恰當?shù)钠桨捕群屠慰慷取?在牢靠性工程中，牢靠性定義為在一組給定條件下，工程在規(guī)定時期內(nèi)實現(xiàn)其預(yù)期功能的力量，這種力量即用概率表征。牢靠性設(shè)計即為一種以為牢靠性理論為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)設(shè)計法。（概率極限狀態(tài)設(shè)計法，就是在牢靠性理論的基礎(chǔ)上，將影響結(jié)構(gòu)牢靠性的幾乎全部參數(shù)都作為隨機變量，運用概率論和數(shù)理統(tǒng)計分析全部參數(shù)或部分參數(shù)，計算結(jié)構(gòu)的牢靠指標或失效概率，以此設(shè)計或校核結(jié)構(gòu)。決策爭論,爭論從很多設(shè)計比較方案中研討最佳設(shè)計方案的方法。從工程的觀點看，每個設(shè)計比較方案均有自身的破壞概率，而執(zhí)行各個比較方案需要的費用也不相同，一般而言，是不行以無限制地提高費用來提高平安性，事實上只能是在擔當肯定風險的前提下選擇合理的設(shè)計標準。所以，作為牢靠性設(shè)計的其次步工作，就是從具有不同牢靠度的設(shè)計比較方案中確定最佳方案，即所謂決策的作業(yè)。國際上按進展階段和精確程度不同將概率設(shè)計法分為三個水準：水準I——半概率法；水準II——近似概率法；水準in——全概率法。近似概率法對結(jié)構(gòu)牢靠性給予概率定義，以結(jié)構(gòu)的失效概率或牢靠指標來度量結(jié)構(gòu)牢靠性，并建立了結(jié)構(gòu)牢靠度與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，在計算牢靠指標時考慮了基本變量的概率分布類型并采納了線性化的近似手段，在截面設(shè)計時一般采納分項系數(shù)的有用設(shè)計表達式。我們國家建筑《統(tǒng)一標準》和大路《統(tǒng)一標準》都采納了這種近似概率法，規(guī)定了在設(shè)計驗算點處，把以牢靠指標表示的極限狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為以基本變量和相應(yīng)的分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設(shè)計有用表達式。對于表達式的各分項系數(shù)，則依據(jù)基本變量的概率分布類型和統(tǒng)計參數(shù)，以及規(guī)定的目標牢靠指標，按優(yōu)化原則，通過計算分析并結(jié)合工程閱歷加以確定。)所謂極限狀態(tài)可定義為路基工程的破壞狀態(tài)，破壞概率的計算，一般以該領(lǐng)域中所采納設(shè)計公式和設(shè)計基準為基礎(chǔ)，設(shè)計公式可寫為：6二@(L,S)(1-1)式中荷載；S--阻力L和S可再用一些基本變量表示L=L(X1,X2,—,Xn)S=S(X1,X2,---,Xn)因此，一般設(shè)計公式是多變量的非線性函數(shù)止匕外，設(shè)計基準是指函數(shù)的特定值6(D2(bo(或6〈60)(1-2)要求任何范圍都有設(shè)計結(jié)果。破壞概率(牢靠度)的定義為，將基本變量的xi,x2,-「xn；yi,y2,---,yn；的一部分或全部當作隨機變量。再依據(jù)設(shè)計公式(1-1)和設(shè)計基準公式(1-2),求下列概率Prob[02"o](1-3)一種做法為，若設(shè)計結(jié)果滿足設(shè)計基準的概率叫牢靠度，不滿足設(shè)計基準的概率稱為破壞概率(破壞概率=1-牢靠度)，也叫失效率。需要指出的是，就像公式(1—1)、(1-2)所解釋的，不必將破壞概率Pf看作“真正的破壞概率”，而是在爭論問題中定義某一基準被超過的概率為破壞概率。例如，若考慮地基沉降10cm以上對上面構(gòu)造物產(chǎn)生的不利影響作為設(shè)計問題，而且沉降量超過10cm的概率可用式(1-3)進行計算，就可將其定為破壞概率；又如在爭論軟粘層土壤土的穩(wěn)定問題，可將沿滑動面的抗滑力矩小于滑動力矩的概率看作破壞概率，但這并不等于真正地基物理破壞的概率；我們曾將橋涵建筑物形式的泥石流工點，發(fā)生等于或超過設(shè)計泥石流流量的大事稱為準失事大事，而將線路系統(tǒng)發(fā)生準失事大事的概率作為系統(tǒng)失效概率計算的基礎(chǔ)，也是這種處理觀點的體現(xiàn)?？傊?，依據(jù)工程上的目的，只要破壞概率的定義明確，則在概念上是不會有任何問題的。二、牢靠性設(shè)計的原理進行牢靠性的設(shè)計，一般有兩項主要工作。.破壞概率的計算，這是一個純工程問題，但往往是具體工作的最困難點。如地基工程問題中，由于地基的強度或載荷必需要以概率數(shù)學(xué)模型表示，所以要調(diào)查土的物理和力學(xué)的統(tǒng)計性質(zhì)，必需在有承載力、土壓力、應(yīng)力分布各種問題和有關(guān)土的性能統(tǒng)計性質(zhì)的爭論和資料的搜集各項工作取得相當進展的基礎(chǔ)上，才能對破壞概率的計算問題獲得突破。.決策爭論，爭論從很多設(shè)計比較方案中研討最佳設(shè)計方案的方法。從工程的觀點看，每個設(shè)計比較方案均有自身的破壞概率，而執(zhí)行各個比較方案需要的費用也不相同，一般而言，是不行以無限制地提高費用來提高平安性，事實上只能是在擔當肯定風險的前提下選擇