基桩承载力的可靠度分析及可靠度优化设计分析.docx

A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Engineering
Reliability Analysis of Bearing Capacity and Reliability-Design Optimaization of Piles
Candidate : XU Zhi-Jun
Major : Geotechnical Engineering Supervisor : Prof. ZHENG Jun-Jie
Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. China
October, 2012
独创性声明
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摘 要
桩基是土木工程中的重要结构形式之一。考虑不确定因素的影响,是基桩可靠度分析和可靠度优化设计的重要课题。尽管目前诸多学者对基桩承载力和沉降的可靠度开展了大量的研究,但这些工作对不确定因素的研究有待完善,且这些工作对基桩可靠度优化设计和群桩可靠度研究很少。本文着眼于克服这些研究的缺陷,对基桩承载力的可靠度分析方法和可靠度优化设计进行了系统的研究。
基于最大熵原理提出了一种改进的可靠度指标计算方法。采用最大熵原理将可靠度指标的迭代计算转化为熵密度函数的计算。在计算熵密度函数时采用 Newton 迭代法,同时证明了 Newton 迭代法的局部收敛性,避免了计算中可能产生的计算迭代不收敛的情况。为了提高计算效率和计算精度,在进行 Newton 迭代时,采用 Newton 下山法进行迭代计算。为了验证该方法的计算精度,采用蒙特卡洛模拟法对各种方法的计算结果进行比较。最后通过两个实例验证了该方法的有效性。
针对桩基工程中由于数据较少导致无法精确研究模型不确定性这一问题,基于数理统计理论和贝叶斯统计,提出了桩基工程数据处理和优化方法。利用该方法对打入桩和灌注桩承载力的现场试验数据进行分类和优化。同时利用中心点法、验算点法和蒙特卡洛模拟法计算出承载力的可靠度,根据计算结果和美国桥梁荷载抗力设计规范给出了抗力系数的建议值。最后,研究了参数和模型的不确定性对基桩承载力的影响, 引入修正因子,修正了承载力的试计比和变异系数,给出了修正后可靠度指标的计算方法。
利用概率理论,详细地分析了基桩完整性抽样检测的概率分布,建议将总体不合格率作为整批桩质量的评价标准。基于贝叶斯统计,推导出总体不合格率的先验分布和后验分布都服从 Beta 分布。利用先验分布的期望和方差与后验分布的期望和方差的关系建立了总体不合格率的动态评估模型。同时,利用可靠度理论,给出了基桩完整性检测的可靠度控制模型,使桩基质量控制和结构可靠度设计达到了统一。
提出了考虑基桩完整性的群桩可靠度分析方法。利用贝叶斯统计,推导出缺陷桩的概率分布。同时利用单桩承载力的折减系数和群桩效应推导出缺陷桩群桩的可靠度计算公式和完整桩群桩的可靠度计算公式。基于全概率理论,推导出含有缺陷桩的群桩承载力的失效概率,并通过算例证明了该方法的有效性。另外,整理了国内外确定
单桩极限承载力的失效准则,以国内习惯采用的 s-lgt 失效准则为基准,定义其他失效
准则的偏差系数。同时利用群桩效应和偏差系数给出了不同失效准则下群桩可靠度的计算方法,为统一评价桩基安全提供了理论依据。最后利用偏差系数给出了不同失效准则条件下目标可靠度和安全系数的计算方法。
针对目前桩基设计规范规定的定值优化设计法不能解决设计参数不确定性的这一不足,基于可靠度理论,利用现有的优化设计研究成果,提出了基桩的可靠度优化设计方法,并详细地给出了竖向荷载下可靠度