（岩土工程专业论文）cfg桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析.pdf

湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：诌乏珐日期：加，年二月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：韬芬孑与日期： 加fj 年占月7 日 新签名：锨复日期：姗年多月夕日 c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析 摘要 近年来，c f g 桩复合地基技术在工程中得到广泛应用，但其承载力计算以及 沉降分析的理论研究却相对落后，尤其是基于c f g 桩复合地基承载能力和沉降的 可靠性分析就更为不足。由于采用一般测量仪器较难得到c f g 桩复合地基所有相 关因素以及物理力学参数的精确值，因此有必要利用非概率可靠性理论对c f g 桩 复合地基进行评价。为此，本文将着重研究影响c f g 桩复合地基承载力和沉降的 主要因素及相关岩土物理力学参数，考虑其因素的不确定性影响，采用非概率可 靠性理论对c f g 桩复合地基承载力和沉降进行可靠性评价。本文将进行如下研究 工作： 首先，通过对国内外有关c f g 桩复合地基承载力和沉降计算方法的研究成果 进行综合分析，探讨影响c f g 桩复合地基承载力和沉降的主要因素，便于合理选 择c f g 桩复合地基承载力和沉降计算方法：其次，通过研究c f g 桩复合地基的 受力力学特性和变形特性，根据岩体力学参数取值的不确定性特征，采用非对称 三角模糊数表示各参数取值，结合大量的岩土力学试验资料，运用模糊数学理论 建立c f g 桩复合地基承载力和沉降参数三角模糊数取值方法；再次，分析c f g 桩复合地基的变形特性和破坏模式，构建其合理功能函数，并根据截集理论和非 概率可靠性理论求解得到相应截集水平下的可靠性指标及模糊可靠性指标可能性 分布曲线，从而对c f g 桩复合地基进行评价；最后，结合工程实际，选取有代表 性的采用c f g 桩复合地基进行地基处理的工程，利用本文提出的方法对c f g 桩 复合地基承载力和沉降进行分析评价，验证本文方法的适用性与合理性。 本文所建立的c f g 桩复合地基模糊可靠性分析方法，不仅能够反映出c f g 桩复合地基承载能力和变形特点，而且能够体现其参数取值的不确定性影响。在 勘察数据和设计资料有限，不能直接采用概率可靠性分析方法的情况下，该方法 为c f g 桩复合地基可靠性分析和评价提供了一种精度较高的方法。 关键词：c f g 桩复合地基；承载力；沉降；区间理论；三角模糊数；模糊能度可 靠性 硕上学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c f g p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o nt e c h n i q u ea r e w i d e l yu s e di nt h e e n g i n e e f i n g ，b u ti t sb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o nt h e o r i e sa r er e l a t i v e l y b a c k w a r d ，e s p e c i a l l yf o rr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n to f c f g p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n i t sd i f f i c u l tt or e a s o n a b l yo b t a i na l lr e l a t e df a c t o r s a n dp r e c i s ev a l u e0 fp h y s i c a l0 rm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s0 fc f g - p i l e sc o n l p o s i t e f o u n d a t i o n t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rf o c u so nt h em a i nf a c t o r sa n dg e o t e c h n i c a lp h y s i c a l m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n to fc f g - p i l e sc o m p o s i t e f b u n d a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h e s eu n c e r t a i n tf a c t o r s ，w ea d o p tt h ep r o b a b i l i t yt h e o r y0 f r e l i a b i l i t yt oe v a l u a t ef e l i a b i l i t yo fb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n t0 fc f g - p i l e s c o m p o s i t ef o u n d a t i o n t h i sa r t i c l ew i l lm a k et h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ： f i r s t ，c a l c u l a t i v em e t h o d0 fb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n t 0 fc f g - p i l e s c o m p o s i t ef o u n d a t i o nw e r ea n a l y z e d ，a n dt h em a i nf a c t o r so fb e a r i n gc a p a c i t ya n d s e t t l e m e n to fc f g p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o nw e r ed i s c u s s e dt h o r o u g h l y ，i n0 r d e rt o r a t i o n a l l ys e l e c t c a l c u l a t i v em e t h o db a s e d0 nt h ef h z z ym a t h e m a t i c a lt h e o r ya n d p o s s i b i l i t yt h e o r y o f b e a r i n gc a p a c i t y a n ds e t t l e m e n to fc f g - p 订e sc o m p o s i t e f b u n d a t i o n ；s e c o n d ，b yr e s e a r c h i n g b e a r i n g m e c h a n i c a la n dd e f 6 r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s0 fc f g - p i l e sc o m p o s i t ef b u n d a t i o n ，a c c o r d i n gt 0t h ef e a t u r e so ft h e u n c e r t a i n t p a r a m e t e r s e l e c t i o no fr o c k m e c h a n i c s ，a s y m m e t r i ct r i a n g u l a ff u z z y n u m b e rw e r eu s e dt 0e x p r e s sp a f a m e t e r s ，c o m b i n e dw i t hal a r g en u m b e ro fv a l u e s0 f g e o m e c h a n i c st e s tm a t e r i a l ，t h ef u z z ym a t h e m a t i c st h e o r yw a sp r o p o s e dt 0e s t a b l i s h t r i a n g u l a ff h z z yp a r a m e t e r sg e n e r a t i o n 0 fb e a f i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n to f c f g - p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；t h e n ，d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n df a i l u r em o d e 0 fc f g p i l e s c o n l p o s i t ef o u n d a t i o nw e r ea n a l y z e d ，a n dr a t i o n a lf u n c t i o n sw a s c o n s t r u c t e d ，a c c o r d i n gt oc u ts e tt h e o r ya n dt h ep r o b a b i l i t yo fr e l i a b i l i t yt h e o r y ， r e l i a b i l i t yi n d e x e sw e r eg o t ，s 0t h a tt h ec o r r e s p o n d i n gf u z z yr e l i a b i l i t yi n d e xu n d e ra c e r t a i nc u ls e t sl e v e la n dp o s s i b i l yr e l i a b i l i t yd i s t r i b u t i o nc u r v ew e r eg a i n e di no r d e r t 0i n e v i t a b l ye v a l u a t ec f g p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；f i n a l l y ，c o m b i n e dw i t ht h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ， t h i s p r o p o s e dm e t h o d t h a te v a l u a t e db e a r i n g c a p a c i t ya n d s e t t l e m e n to f c f g p i l e sc o m p o s i t ef b u n d a t i o n i su s e di nat y p i c a l c f g - p i l e s c o m p o s i t ef b u n d a t i o ne n g i n e e r i n g ，w h i c hv a l i d e ns u i t a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t y0 ft h i s m e t h o d i i i c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析 t h i sf u z z yr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o dn o t0 n l ys h o w sb e a r i n gc a p a c i t ya n d d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc f g - p i l e sc o n l p o s i t ef o u n d a t i o n ，b u ta l s or e f l e c t si t s u n c e r t a i n t ye f f e c t sf o rc f g - p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n e v e no nt h ec o n d i t i o nt h a t d e s i g na n ds u r v e yd a t a sa r es 01 i m i t e dt h a tw ec a nn o td i r e c t l ya d o p tp r o b a b i l i t y0 f r e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d ，t h i sm e t h o ds t i l lc a np r 0 v i d eah i g h e rp r e c i s i v ea n a l y s i s a n de v a l u a t i o nf o r b e a r i n gc a p a c i t y a n ds e t t l e m e n t0 f c f g p i l e sc o n l p o s i t e f o u n d a t i o n k e yw o r d s ： c f g p i l e sc o m p o s i t ef o u n d a t i o n ；b e a r i n gc a p a c i t y ；s e t t l e m e n t ； i n t e r v a l t h e o r y ；t r i a n g u l a rf u z z yn u m b e r ； f u z z y p o s s i b i l i s t i c r e l i a b i l i t y 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究现状及意义。1 1 1 1c f g 桩复合地基研究现状及文献综述。1 1 1 2c f g 桩复合地基承载力和沉降不确定性分析意义3 1 1 3 可靠性分析方法研究现状4 1 1 4 岩土工程非概率可靠性分析方法研究现状5 1 2 本文研究的主要思路6 第2 章c f g 桩复合地基承载力和沉降计算方法7 2 1 复合地基理论7 2 1 1 复合地基分类7 2 1 2c f g 桩复合地基加固机理9 2 2c f g 桩复合地基受力变形特性1 1 2 2 1c f g 桩复合地基受力特性1 1 2 2 2c f g 桩复合地基变形特性。1 3 2 3c f g 桩复合地基承载力计算理论。1 4 2 3 1c f g 桩复合地基单桩承载力计算1 5 2 3 2c f g 桩复合地基极限承载力计算1 6 2 3 3 本文采用的复合地基承载力计算公式1 8 2 4c f g 桩复合地基沉降计算理论1 9 2 4 1 复合地基沉降计算理论1 9 2 4 2 本文采用的c f g 桩复合地基沉降计算方法2 4 2 5 本章小结2 5 第3 章c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊可靠性分析2 6 3 1 模糊数理论2 6 3 1 1 隶属度和模糊子集2 6 3 1 2 隶属函数2 7 3 1 3 模糊概率3 0 3 1 4 三角模糊数的构造及转换3 0 v c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析 3 2 区间数理论3 2 3 2 1 区间运算法则3 2 3 2 2 区间扩张。3 2 3 2 3 区间扩张解决方法。3 3 3 3 非概率可靠性理论3 5 3 3 1 非概率可靠性模型的定义3 5 3 3 2 非概率可靠性分析的求解3 5 3 4 模糊可靠性分析方法3 8 3 5c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊可靠性分析方法4 0 3 5 1c f g 桩复合地基承载力模糊可靠性分析方法4 1 3 5 2c f g 桩复合地基沉降模糊可靠性分析方法4 4 3 6 本章小结4 9 第4 章工程实例5 0 4 1c f g 桩复合地基承载力模糊可靠性分析模型的工程实例5 0 4 1 1 工程概况5 0 4 1 2 分析计算过程5 1 4 1 3 计算结果分析5 3 4 2c f g 桩复合地基沉降模糊可靠性分析工程实例。5 4 4 2 1 工程概况5 4 4 2 2 分析及其计算过程5 5 4 2 3 计算结果分析5 7 4 3 本章小结。5 8 结 论5 9 参考文献6 1 驾【 谢6 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录。6 7 硕上学位论文 1 1 研究现状及意义 第1 章绪论 1 1 1c f g 桩复合地基研究现状及文献综述 c f g 桩作为一种相对经济实用的高粘结强度桩在地基处理中发展迅速，它广 泛地应用于工业建筑、民用建筑工程中。近年来，随着工程规模的日益扩大，生 活住宅小区以及办公楼等逐渐由多层、高层建筑方向发展，c f g 桩复合地基作为 一种新兴的地基处理技术，有良好的经济效益和社会效益。c f g 桩复合地基的计 算主要包括承载力和沉降以及稳定性等，而其中承载力和沉降计算的合理性是 c f g 桩复合地基研究和应用的关键部分，因此众多的学者和工程人员对此进行了 广泛而深入的研究： 吴春林，阎明礼，杨军等【1 j 通过现场试验，结合c f g 桩复合地基在软弱地基 工程中的应用，探讨了其在荷载作用下的桩、土受力特性，并提出了c f g 桩复合 地基承载力简易计算方法。 张晶，李斌等【2 】通过对c f g 桩复合地基中的单桩、桩土复合地基、桩间土等 进行试验，对c f g 桩复合地基承载性状方面进行研究分析，得出c f g 桩的后期 强度增长较多，有利于整体桩的结论。 邢仲星，陈晓平【3 j 等通过有限元等数值分析方法对c f g 桩复合地基力学特性 进行了研究，分析结果认为c f g 桩复合地基的桩体刚度较大，其主要变形是由桩 间土及桩端土的压缩组成，且c f g 桩桩端应力相互影响，有明显的应力叠加现象。 此外，娄国充【4 j ，郑东明【5j 也从不同角度对c f g 桩复合地基进行了有限元模拟分 析。 阎明礼，李春灵【6 j 着重研究分析了边载对于复合地基承载力变形特性的影响， 分析表明边载对复合地基承载力有明显提高作用，而且在有边载条件下复合地基 中桩的荷载分担比较低，此后，陈昌仁【7 1 ，舒海明【8 】等人推导的c f g 桩复合地基 承载力计算公式都考虑了边载效应，计算方法更为合理。 董必昌，郑俊杰【9 j 从c f g 桩复合地基沉降变形模式出发，将众多学者忽略的 桩土垫层相互作用加以考虑，得到新的沉降计算方法。他首次综合考虑桩体几 何参数和材料参数等，推导出桩土应力比公式和特殊情况下的沉降计算公式，开 阔了c f g 桩复合地基的研究思路。 何结兵，洪宝宁，丘国锋【1 0 j 对c f g 桩复合地基的褥垫层进行了研究，通过 研究其作用机理，提出了桩间距，褥垫层厚度，置换率等参数的合理解析式，对 c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析 c f g 桩复合地基在工程中的优化设计意义重大。 韩云山，白晓红，梁仁旺【1 1 】通过两组不同厚度和材料的褥垫层条件下的c f g 桩复合地基进行的垂直静载荷试验，从而对c f g 桩复合地基承载力进行评价，并 测试了桩土反力，结合复合地基桩土共同作用的特性，对不同厚度褥垫层条件下 c f g 桩复合地基桩土应力比、荷载分担比以及在外荷载增加时沉降变化规律进行 了研究，并得到了c f g 桩复合地基桩间土的承载力发挥系数的取值范围，这为此 后的工程设计中承载力发挥系数的取值提供了参考。 唐彤芝，詹云刚，裴冬芒【1 2 】分别从复合地基承载力、工后沉降量以及施工过 程中的打桩效应等方面进行考虑，提出三种不同的复合地基桩间距设计计算的方 法，为了避免设计值偏低，提出要考虑打桩效应的设计思想，这为c f g 桩复合地 基设计做了有益的补充。 潘星【”】阐述了c f g 桩复合地基加固机理及沉降模式，详细讨论了其沉降计 算中的参数取值，并建设性地提出了工程设计中按沉降变形进行控制的新思路。 赵明华，刘琴，邹新军【1 4 j 在分析c f g 桩桩体材质与施工工艺的基础上，研 究探讨了c f g 桩复合地基的固结与沉降机理，针对其特有的固结性质，提出了相 应的固结度计算公式。此外，研究得到固结过程与沉降基本同步，且c f g 桩复合 地基沉降主要是由于桩周土的竖向固结引起的结论，这些结论为此后c f g 桩复合 地基承载力和沉降的研究提供了新的思路。 丁铭绩【1 5 】以c f g 桩桩板复合地基为研究对象，基于典型段体积元，通过研 究路基荷载作用下的复合地基沉降变形特性，然后应用数值模拟方法建立三维有 限元模型，得到高速铁路c f g 桩桩板复合地基工后沉降的基本特征及其影响参 数。 任鹏，邓荣贵，于志强【16 j 通过试验研究，得到了c f g 桩的桩土应力分担的 变化规律，还得出通过褥垫层的调节可以使得不同间距的桩间土受力趋于平均， 从而更好地发挥桩间土承载力。此外，通过现场试验得到结论：随着施工荷载的 增加，桩体分担荷载较快增加，桩间土体分担荷载缓慢降低。 黄生根【1 7 】通过多项试验和测试，得到了c f g 桩复合地基在厚褥垫条件下的 破坏特性，并根据数值分析计算结果得到桩土应力比随褥垫厚度增加而减小的结 论。 但汉成，李亮，赵炼恒等【1 8 】通过采用单元变形模式，同时加以考虑桩体的负 摩擦阻力以及桩顶和桩端分别刺入垫层和持力层的情况，反应了不均质地基的沉 降变形特征，并通过一定的简化收敛，推出了有褥垫层的c f g 桩复合地基桩土应 力比的计算公式。 张泰安，王军琪【”l 通过大量的现场试验，并参考相关规范，对c f g 单桩及 单桩复合地基承载力检测以及数据分析方法进行了总结。 2 硕士学位论文 这些为我国c f g 桩复合地基设计和施工做到技术先进、经济合理、安全适用、 质量保证提供了充分的理论和实践依据。沿着前人的道路，站上前人的肩膀，我 们继续开展相关的研究，为c f g 桩复合地基的理论发展贡献自己的力量。 1 1 2c f g 桩复合地基承载力和沉降不确定性分析意义 目前关于c f g 桩复合地基强度和变形的研究理论已经取得了大量进展，已有 上述众多学者和研究人员对此进行了大量的研究，但大都是基于确定性的理论。 这就在一定程度上对c f g 桩复合地基的各项计算参数提出了较高的要求，而实际 上，在c f g 桩复合地基工程实践过程中还存在着诸多不确定因素，在工程地质条 件、施工过程的水平差异、材料参数、几何尺寸以及荷载和边界条件1 2 1 ，2 2 ，2 3 】等方 面都不同程度地存在随机性、模糊性或区间性1 2 4 ，2 5 】等特点，这些不确定因素结合 在一起可能产生较大的偏差或不可预料的结果，而可靠性理论的应用可以较为有 效地解决上述问题。可靠性理论作为一门新的工程学科，近些年来发展迅速，经 历了随机可靠性理论、模糊可靠性理论以及非概率可靠性理论【2 6 j 等阶段。如今可 靠性理论丰富多样，被广泛应用到机械、土木工程等领域而且取得了相当丰硕的 成果。但是理论的进一步完善离不开工程实践和应用，在土木工程领域的岩土分 支，可靠性理论在地基承载力和沉降、岩溶【2 7 】和边坡稳定、桩基础和挡土墙【2 8 j 等方面的理论和应用研究进展很快。尤其是近些年来年，研究学者及工程人员逐 渐认识到不确定性是岩土工程的本质，已经逐渐从传统的确定论观点走向随机性 与模糊性相结合的思维模式，所以与可靠性理论相关的研究方法已成为岩土工程 研究分析的显著特点之一，也将是未来研究和工程应用的方向之一。 针对前文所述的工程实际系统中众多不可避免的不确定性的存在，并且这些 不确定性对实际工程的计算、研究和分析影响较大，因此简单传统的确定性方法 已经受到了一定的限制，难以准确地反映工程实际，在这样的背景下，不确定性 结构分析设计方法显得尤为重要和有意义。而可靠性分析与优化设计就是进行不 确定分析设计的一个有效途径，传统的概率可靠性分析方法起步较早，理论研究 相对较为成熟，但存在一些难以避免的错误而导致结果失真，因此作为概率可靠 性补充的非概率可靠性分析方法应运而生，它能够较好的完善可靠性分析理论。 非概率可靠性分析方法对数据样本容量要求较少，避免了人为地建立随机分布概 率密度函数，同时其计算工作量也相对较小，在工程实际中能够迅速广泛地得到 应用，尤其是难以得到大量样本数据的c f g 桩复合地基工程中。 与此同时，由于高层建筑对地基要求更为严格，不仅仅局限在传统的复合地 基承载力和沉降的定值分析基础上，还要对其不确定性相关影响因素进行分析考 虑。因此，基于区间理论和模糊理论为c f g 桩复合地基的进步深入研究提供了 理论依据和指导。 3 c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析 1 1 3 可靠性分析方法研究现状 在2 0 世纪，首先在产品安全分析和设计中引入了可靠性的概念，之后，可靠 性的相关理论和概念被广泛地应用到机械、土木工程、航空航天，通信等众多领 域，效益收获显著。随着经济的飞速发展和日新月异的科技进步，可靠性理论和 方法作为一门新的工程学科被系统提出，最近几十年来众多学者对可靠性理论作 了深入地研究。众所周知，可靠性是指结构或者产品在规定条件下和规定时间内， 完成规定功能的能力，现阶段主要分为概率可靠性和非概率可靠性。 概率可靠性方法是指基于概率论和数理统计为基础的用概率模型来描述结构 不确定性的方法。在可靠性理论发展的初始阶段，这种可靠性方法应用广泛，且 取得了大量的成就。但是随着科技的发展和研究领域的不断扩大，有的概率密度 函数的得到需要大量的样本数据，而在实际工程中却难以得到。即使有些情况下 某些随机变量的分布概率模型及统计参数可以得到，在实际运用时由于多种因素 的影响，还可能与拟合的分布概率模型不相符，也就是说，经过统计估计获得的 随机变量统计参数也许并不可靠，而且许多研究都表明概率模型的小偏差可能导 致计算结果明显失真，所以概率可靠性方法就表现出了一定的局限性。此时，非 概率可靠性理论作为概率分析理论的一种有益的补充应运而生，在不断探索和研 究中得到了丰富。 以色列学者b e n h a i m 【2 9 】率先提出了凸集模型基础上的非概率可靠性概念以 及度量方法，并基于此得到稳健可靠性的概念和理论体系，认为系统若能容许较 大的不确定性也不失效或系统失效前能够允许变量出现较大的不确定性，则系统 可靠；否则系统不可靠。 e l i s h a k o 【3 0 】在区间理论的基础上，提出了非概率可靠性的另一种度量方法， 认为非概率可靠性属于某一区间范围，提出用区间运算的方法来求解可靠性指标。 区间边界可通过区间运算采用安全因子法求得。 g a n z e r l is 【3 1 】在不确定结构数值分析和优化设计中成功运用了非概率的凸集 模型和区间模型可靠性方法，显示了非概率可靠性方法的良好前景。 黄洪钟，田志刚【3 2 】针对影响模糊数大小的两个最主要的特征因素进行分析， 同时考虑广义应力和广义强度随机模糊性，采用广义模糊随机强度来表示模糊失 效准则，得到模糊安全状态隶属函数的计算理论和结构可靠度计算的新方法。这 充分利用模糊数中所包含的信息，避免了模糊安全状态隶属函数不连续的缺点。 冉志红，李乔【3 3 】利用蒙特卡罗法的基本思想，基于区间分析提出了采用失效 可能度对模糊可靠性进行度量和分析的新思路。 吕震宙【3 4 l 等在模糊隶属函数及概率可靠性思想的基础上建立了非概率可靠 性模型。该模型将不确定参数看作其区间范围内的均匀分布函数，通过均匀分布 4 硕仁学位论文 函数与隶属函数的乘积在不确定域上的积分求得结构系统可靠性指标。 郭书祥，吕震宙【3 5 】在对结构不确定参数的区间分析的基础上，利用模糊变量 描述结构的不确定性，依据非概率可靠性方法建立模糊能度可靠性模型，并得到 模糊可靠性指标的可能性分布以及结构失效的可能性度量。此后，郭书祥又提出 一种新的非概率可靠性度量体系和分析方法【3 6 3 7 1 ，可以用于多个可能失效模式的 复杂系统中的可靠性分析，进一步完善了非概率可靠性理论。 “实践是检验真理的唯一标准”，非概率可靠性理论的迅速发展，也需要在实 际工程运用中得到验证和提高，近年来，非概率可靠性理论在岩土工程领域中逐 步进入实用阶段，并且与概率模型相比，对已知样本数据的信息量要求低，当缺 乏足够准确的数据进行计算时，非概率可靠性计算方法也能较符合工程实际，实 用性更强。 1 1 4 岩土工程非概率可靠性分析方法研究现状 对于岩土工程中的可靠性分析，主要是研究岩土体在各种因素作用下的承载 力和沉降以及稳定性等相关的安全问题，主要是通过岩土体的极限状态方程来确 定过失效模式，然后根据方程中所含的随机模糊变量的分布特征来计算其失效概 率，通过失效概率来表示可靠程度。随着人们对岩土工程不确定性研究的逐步深 入，人们普遍意识到工程中地质条件的随机性、勘察取样点的离散性以及复合地 基施工条件与水平的差异性等等都会带来计算参数的不确定，因而越来越多的不 确定分析理论应用到岩土工程的研究中，比如随机理论、模糊集理论和截集理论 等，取得了较大的进展。 张小敏、郑俊杰1 3 8 】收集了国内众多的c f g 桩复合地基承载力试验数据，利用 可靠度的相关理论对其进行了概率统计处理，并借助无量纲计算模式，计算了在 不同荷载组合情况下的c f g 桩复合地基承载力的可靠度指标，同时，分析了各个 随机参数对可靠度指标的影响程度，虽然还只是停留在概率可靠性阶段，但为非 概率可靠性在复合地基领域的分析研究提供了思路。 孙杰，牟在根【3 9 】针对如何优化选取隶属函数的问题，选取三种不同隶属函数 应用于地下连续墙和挡土墙等岩土工程结构中，通过计算模糊可靠度后判断如何 选取优化隶属函数。这对以后工程设计中隶属函数的选取具有实际的指导意义。 苏永华，常伟涛【4 0 】基于区间数学理论建立了深部围岩物理力学参数取值方法 以及对其开挖响应的区间分析模型，提出了区间模型的逐步逼近求解程序，构建 了深部坑道围岩稳定性分析方法，求得相应的非概率可靠性指标，为深层围岩稳 定性评价提供了新的方法。 曹文贵，张永杰1 4 1 j 采用非对称三角糊数表示计算参数可能性分布，基于运用 简化b i s h o p 法与区间组合法建立了边坡稳定性非概率模糊可靠性分析方法，得到 5 c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析 其可能性分布曲线和边坡失效可能度，为边坡工程稳定性评价提供了新的途径。 此后，张永杰【4 2 1 、曹文贵【4 3 】还用此非概率可靠性方法对岩溶顶板和条形基础的稳 定性进行了评价。 赵明华，蒋冲【4 4 】将挡土墙岩土力学参数为区间变量，综合运用区间组合法和 改进的区间截断法求解挡土墙稳定性非概率可靠性分析模型，较为有效地避免了 区间计算的扩张问题。 本章首先阐述了本文研究背景与意义，然后讨论了c f g 桩复合地基在承载力 和沉降方面的研究进展以及可靠性理论和非概率可靠性的研究现状，最后介绍了 本文主要的工作。 1 2 本文研究的主要思路 采用c f g 桩复合地基来进行地基处理的应用十分广泛，本文将从工程地质情 况的调查分析入手，研究影响c f g 桩复合地基承载力和沉降的主要因素及相关岩 土物理力学参数，借助非概率可靠性理论、模糊数学以及可能性理论等，对c f g 桩复合地基承载力和沉降进行可靠性分析。本文将进行如下研究工作： 1 ) 通过对国内外有关c f g 桩复合地基承载力和沉降计算方法研究现状的综 合分析，认识现有方法存在的缺陷与不足，并较深入地探讨了影响c f g 桩复合地 基承载力和沉降的主要因素，便于合理选择c f g 桩复合地基承载力和沉降计算方 法： 2 ) 通过研究c f g 桩复合地基的受力力学特性和变形特性，根据岩体力学参数 取值的不确定性特征，采用非对称三角模糊数表示各参数取值，结合大量的岩土 力学试验资料，运用模糊数学理论建立c f g 桩复合地基承载力和沉降参数三角模 糊数取值方法； 3 ) 分析c f g 桩复合地基的变形特性和破坏模式，构建其合理功能函数，并根 据截集理论和非概率可靠性理论求解可靠性指标，进而得到得到相应截集水平下 的可靠性指标及模糊可靠性指标可能性分布曲线，并由此得到c f g 桩复合地基承 载力和沉降的失效可能度和不失效必然度，从而对c f g 桩复合地基承载力进行评 价。 4 1 结合工程实际，分别选取代表性的采用c f g 桩复合地基进行地基处理的工 程，利用c f g 桩复合地基承载力和沉降的模糊能度可靠性方法对c f g 桩复合地 基进行分析评价，验证本文方法的可行性与合理性。 6 硕士学位论文 第2 章c f g 桩复合地基承载力和沉降计算方法 现代复合地基处理技术最初起源于欧洲等国。1 8 3 5 年，法国一位工程师利用 砂石桩复合地基处理海湾沉积软土，极大地提高了地基土的强度和其变形性能， 然后在此地基上成功地建立了兵工厂。1 9 3 4 年，苏联教授创造性地提出了桩土挤 密法，并采用该方法处理湿陷性的黄土，取得了极大的成功。1 9 3 7 年，德国j o h a n n k e l l e r 公司研制了世界上第一台具有振动功能的初级振动机，主要用于松散砂性 土质的处理，实践表明，经过振冲后的砂性地基的承载力大大地得到提高。上个 世纪5 0 年代，日本采用振冲法加固油罐松砂地基，并在7 0 年代作出了改进，将 高压旋喷技术用于地基处理和防水帷幕，为现代高压旋喷桩复合地基的出现奠定 了基础。二战后，美国学者提出了深层搅拌技术，并在地基处理方面得到了广泛 的运用。与此同时，我国现代的复合地基技术也在不断发展。早在2 0 世纪5 0 年 代，我国就引入苏联的桩土挤密技术，针对黄土失陷的具体问题，改进形成了灰 土挤密法，而今桩土挤密法和灰土挤密法在我国黄土地区得到了极为广泛的应用。 改革开放后，紧随着世界复合地基处理技术不断发展的步伐，我国将振冲法迅速 推广，在房建、水利和交通等工程的地基处理中大量运用。近些年来，随着复合 地基在工程实践的成功运用，推动着复合地基相关理论的不断发展，极大地丰富 了复合地基关于承载力及沉降等方面的研究理论。 2 1 复合地基理论 2 1 1 复合地基分类 近年来，随着经济的发展，多层、高层甚至超高层建筑的大量涌现，对地基 的要求日益提高。而在实际工程中，并不是所有的天然地基都可以直接使用，甚 至说大部分的地基都需要进行一定的处理才能满足上部建筑及荷载的要求，因此， 地基处理技术的研究也越来越深入，划分也更为细致。依据地基处理加固技术以 及加固后的承载力分析，对地基处理技术方法进行如下分类【4 引，如图2 1 。 作为地基处理中重要的手段之一，复合地基技术在工程中得到了广泛应用， 其处理方法也日益成熟。复合地基是指在天然地基中设置一定比例的增强体，使 天然地基和增强体两者共同承担基础和上部建筑物传来的荷载从而达到加固目的 地基。其主要设计思想是在充分发挥土体承载力的基础上，采用特定的工法使天 然地基部分土体置换或者增强为增强体。一般情况下，增强体的变形模量和材料 强度高于天然地基土，通过这种置换作用，使得地基承载力和加固区土层的变形 7 c f g 桩复合地基承载力和沉降模糊能度可靠性分析 模量达到共同承担建筑物的荷载的要求以及减少地基的变形的目的。 地基处理方法 f 排水固结法 密实法j 碾压法 i 动力夯实法 置换法c 换填垫层，| 暑釜圭萋霍 f 散体桩复合地基 复合地基法j _ 一般粘结强度桩复合地基 i 高粘结强度桩复合地基 加筋法f 嘉磊墅物 图2 1 地基处理手段分类 但是，为了更好的分析复合地基承载能力以及其变形机理和特征，笼统地对 复合地基进行探究还是有一定的局限性，而且不同形式不同方法的复合地基往往 也有各自的特征和适用范围。因此，对复合地基进行进一步的分类也是十分必要 的。目前，对复合地基进行的分类通常是根据增强体的设置方向，桩体材料以及 桩体刚度等三个方面进行的。根据地基中增强体的设置方向，复合地基可分类f 4 6 j 如图2 2 。 按增强体方向分类 侗0 性桩复合地基 竖向增强体复合地基 半刚性桩复合地基 i 柔性桩复合地基 横向增强体复合地基 纵横向桩复合地基 斜向增强体复合地基 图2 2 按增强体方向的复合地基分类 由于目前应用的较为广泛的是竖向增强体复合地基，也就是桩体复合地基， 因此，接下来本文主要介绍桩体复合地基。复合地基桩体材料的不同对于复合地 基承受荷载之后的应力分布和强度以及变形机理影响很大，而且桩体复合地基的 承载能力主要取决于状体材料的各项物理性能，比如粘聚力、内摩擦角以及孔隙 率等。因此，对桩体复合地基进行材料上的分类也是十分必要的，一般将桩体复 合地基分类如图2 3 。 前两种方法都是从定性的方面上对复合地基进行分类，此外，也可以从定量 的角度进行分类。文献【4 7 】对桩体的荷载传递规律进行分析，利用解析法得到桩体 刚度计算值，并以此来区别刚性桩和柔性桩，其计算表达式如下： 8 硕十学位论文 式中 k = 乓一桩体的弹性模量，m p a ； i 一桩体长度，m ； ，一桩体半径，m ： 巨一桩间土弹性模量，m p a ； 以一桩间土泊松比。 按桩体材料分类 r _ - 一 工 散体材料桩复合地基 水泥土类桩复合地基 混凝土类桩复合地基 钢管桩类复合地基 砂桩复合地基 碎石桩复合地基 水泥土搅拌桩复合地基 旋喷桩复合地基 水泥粉煤灰碎石桩 素混凝土桩复合地基 ( 2 1 ) 图2 3 桩体复合地基按材料分类 根据相对刚度的大小，可以大致把桩分为两类，如图2 4 ；当k 1 时，此类 复合地基称为柔性桩复合地基；当k 1 时，则称为刚性桩复合地基。 按桩体刚度分类 柔性桩复合地基 票磊至萎喜羞萋 呲一地剐淼嚣萎基 图2 4 桩体复合地基按刚度分类 作为刚性桩复合地基中重要的一种处理方法，水泥粉煤灰碎石桩( c e m e n t f l y a s hg r a v e l 简称c f g 桩) 复合地基的地基承载力高，沉降稳定快等特点能满足 现今多、高层建筑对地基的强度和变形的要求，因而在工程中应用广泛【4 引。c f g 桩是由水泥、碎石、粉煤灰、石屑或砂加水拌和形成的高粘结强