基坑工程可靠度研究的意义及其必要性探究
关键词：基坑工程，事故分析，可靠性分析，可靠度
基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的不断涌现，对基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人员须从新的角度去审视基坑工程这一古老课题。基坑工程设计与施工是一项系统工程，由于土体介质的复杂性及工程中其它不确定性因素的影响，全部采用确定性分析很难保证较好的反映实际情况，以概率统计为基础来分析结构破坏概率的可靠度理论的引进是一种必然趋势。
1.基坑工程事故分析
基坑工程涉及领域广，技术难度大，工程事故多，造成损失严重。分析几种常见的基坑工程事故的原因，有助于可靠度理论在基坑工程中有应用，有助于提高基坑开挖与支护技术的提高。
1.1工程勘察不充分
勘察资料提供的土层构成、厚度、土的结构和构造以及土体物理力学性能指标（土的天然密度、土的含水量、土粒相对密度等）与实际情况出入较大，导致土压力计算严重失真，支护结构安全度不足；勘察资料不详细，忽视专门水文地质勘察工作，如渗水量和排水量的计算，造成基坑开挖后，由于坑内外产生较大的水头差，出现侧壁渗水、涌水、流砂，使粉土、粉砂大量流失，基坑边坡破坏；对于一些特殊土（湿陷性黄土、膨胀土、冻土、盐渍土等）没有进行针对性的勘察，如基坑勘察没有查明土层膨胀性，导致在设计参数取值、施工处理等方面都没有考虑土体的膨胀性，基坑开挖过程中，下部土体浸水后膨胀崩塌，边坡开裂滑塌；勘察布点过少，没有查明场地中某一地段的软弱土层，使得设计选用同一支护结构（如喷锚支护）没有特别处理，从而在施工时造成险情；勘察单位对地质勘察数据处理失误，勘察报告提供的粘聚力、内摩擦角均比实际数值大，使支护结构设计不安全，埋下事故隐患。
1.2结构选型不科学
基坑支护结构形式的选择，取决于基坑实际开挖的深度、边坡土体的物理力学性质、地下水位、周围环境、设计变形要求以及施工条件等因素。在进行结构选型时，缺乏设计方案论证支护结构设计不合理。基坑支护方案不结合实际情况进行分析，而是盲目套用其他工程的支护形式；荷载取值不当，如对某些活载或施工荷载考虑不足或漏算，支撑结构不合理，如头道支撑位置、支撑间距、支撑型式等不能满足要求，使支护结构产生过大变形；土体强度指标选择失真。结果问题百出，事故隐患极大。
1.3安全储备过小
有时在设计时为了节约，过大地折减主动土压力，减少支护结构的配筋，安全储备过小，在基坑周围土质发生不利变化时，导致支护结构较大的变形。尤其是在计算中未考虑实际的土压力在从基坑开挖到地下结构完工的过程中是变化的，使得实际的主动土压力值大于折减后的设计主动土压力值。如雨季降水、基坑周边堆载、违规作业等都会造成荷载大幅增加，增加主动土压力，从而加强基坑失稳的危险性。
1.4施工质量差
还有不少基坑工程事故的原因源自施工方面。由于施工单位素质不高，施工管理混乱，安全意识淡薄，基坑挖土施工不当引发的基坑工程事故比例很高。有些基坑挖土施工单位不根据设计要求制定挖土施工组织实施方案，随意改变设计意图产，不严格按照设计要求进行挖土施工。由于施工单位监测技术落后，或根本未进行施工监测，无法根据基坑监测调整施工进度和采取必要的措施。还有灌注桩强度达不到设计要求，止水桩起不到止水作用，基坑开挖后，到处流泥漏水等现象的发生，事故隐患极大。
2.可靠性分析方法
通过上述分析可知，造成基坑工程事故的因素很多，基坑工程性质本身具有众多的不确定因素，如何将这些不确定因素科学合理地计入到工程的设计与施工中，对基坑工程的研究者们提出了更高的要求。以概率统计为基础来分析结构破坏的可靠理论的引进是一种必然。
2.1基本概念
结构的可靠性是指在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。规定时间是批结构的设计使用年限，所有的统计分析均以该时间区间为准。所谓的规定条件，是指正常设计，正常施工，正常使用和维护的条件，不包括非非常的。
结构的可靠度是结构可靠性的概率度量，即结构在设计使用年限内，在正常条件下，完成预定功能概率。可靠度有三种尺度：稳定概率，即可靠度或称可靠概率；破坏概率，即不可靠度或称不可靠概率；可靠指标或称安全指标（）。
引起结构可靠度变化的因素称为随机变量，几乎所有的参数均可作为随机变量，这些变量都具有不确定性。在基坑中这些变量以如荷载土体参数的不确定性；几何尺寸的不确定性；初始条件和边界条件的不确定性；计算模型的不确定性；施工质量的不确定性；气候、地质灾害的不确定性等形式存在。
但为了计算方便，通常可以当作常量的量最好将其视作常量。能够得到和使用的是随机参数的统计规律，这些统计规律，就构成了结构可靠性分析和设计的基本条件和内容。
2.2基本原理
结构是以可靠和失效两种状态存在的。在结构可靠度的分析中，为了描述结构的工作状态，必须明确确定结构安全和失效的界限，即结构的极限状态。我国《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）对结构极限状态的定义为：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态就为该功能的极限状态。
一般情况下，结构的极限状态方程写成：
式中，Z代表结构的功能；g(…)称为结构的功能函数，由所研究的结构功能而定；(i=1,2,,n)为影响该结构功能的随机变量。
结构的可靠度可以用结构能够完成预定功能的概率来表达：
如果结构不能完成预定的功能，则称相应的概率为结构的失效概率，用表示。结构的可靠概率和失效概率是互补的，满足
可以用下面模型来描述结构的稳定状态：
安全状态
极限状态
破坏状态
3.基坑可靠性分析
3.1计参数的获取
土参数，土的天然密度、土的含水量、土粒相对密度等，特别是土的抗剪强度值，对基坑支护设计影响甚大。值决定了土的抗剪强度，取值是否合理，直接决定着基坑设计的成败。然而，土体参数又是不确定的，其不确定性主要来于三个方面：一是岩土性质固有的变异性；二是勘查取样与试验方法的误差；三是实验数据和勘察数量的不足。
3.2数据的采集
目前，数据采集是通过工程勘察得到的，如何使勘察工作满足可靠性设计的要求，是一个很值得研究的问题。现在，规范对这方面规定较少，为满足可靠性设计对参数统计的要求，宜结合可靠性理论对勘察和取样进行详细的规定。基于以上原因，基坑勘查的布点取样、测试要严格按照有关规范和岩土工程的建议采用。
3.3数据的处理
对采集到的工程勘察资料，要进行数据的处理分析，主要包括以下两点：
(1)异常数据的剔除。在工程勘察过程中，土模型，仪器，操作者影响会造成异常测试结果的出现，有可能是错误的数据，也有可能是误差较大的数据。常见的剔除异常数据的统计判别法有三倍标准差判别法，Chauvenet判别法，Crubbs方法等。
(2)参数的不确定性分析。通过有限的室内和现场试验所获得的参数，并不能完全代表基坑的实际土参数，而且随着施工过程的不断进行，土参数也是在不断变化的，它的离散性很大，具有很强的不确定性。
3.4基坑可靠度分析方法
描述随机变量的分布特征以其概率分布函数为最全面。如果各基本变量的概率密度函数和分布函数为已知情况下，据此可精确求得破坏概率。但在实际深基坑工程中，确定精确概率分布是很难的，就算确定了，也很难采用解析法解出。常用的基坑可靠度分析方法有：
(1)中心点法。中心点法是可靠度研究初期提出的一种方法，其基本思想是首先将非线性功能函数在随机变量的平均值（中心点）处做Taylor级数展开并保留至一次项，然后近似计算功能函数的平均值和标准差。
(2)MonteCarlo方法。MonteCarlo法可用于解确定性问题和随机问题。其基本原理是对所要求解的问题，先建立一个概率模型或随机过程，使它的参数等于问题的解，再通过模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出解的近似值。MonteCarlo模拟的方法很多，常用的有MonteCarlo法、条件抽样法、对偶抽样法等。
(3)随机有限无法。由于有限元法能适应各种边界条件和几何形态变化，能考虑岩土体的非均质和不连续性，土体与支护结构的相互作用，以及基坑工程与环境因素的共同作用，还能引入非线性应力应变关系，为基坑工程中的稳定性分析、应力分析以及变形分析提供了很好的分析方法。但影响基坑工程的随机变更具有不确定性和变化性，最好用随机场模型描述，因此，必须研究将随机模型与有限元这种数值计算方法耦合起来，才能满足基坑工程的实际情况，以寻求数值方法的概率解答，即所谓的随机有限元方法。
3.5可靠度指标的取值
设计可靠度是设计规范规定的或设计取用的作为设计依据的可靠度，它表示设计所预期达到的工程可靠度，或者从风险角度说，它表示设计所允许的或可以接受的风险水平。风险是相对的，即要考虑安全，又要考虑经济合理性。基坑工程可接受的风险水平是由破坏概率和破坏果决定的，反映决策风险态度，既结合主观判断，又要考虑工程性质和重要程度，实际破坏的经验数据，以及所承担的风险与可能得到的经济效益之间的权衡。所以并不是可靠性越高越好。
基坑设计的可靠度指标一直没有确定的数值，从不同的角度出发可能得到不同的结论，由于这些因素的存在，关于基坑支护结构的取值问题至今尚无定论，一般采用类比法或校准法来确定设计可靠度。
类比法是参照人们日常生活中所经历的各种风险，确定一个人们能为之接受的破坏概率或可靠指标，以此作为基坑结构的可靠度。但因为对风险水平的接受程度因为而异，所以用类比法确定设计可靠度难以为人们所公认，所以这种方法有待于进一步研究和改进。
校准法是通过对现行规范安全度的校核（反演计算），找出隐含于现有工程中相应的可靠指标，经综合分析和调查，据此制定今后设计采用的目标可靠指标。这实质上是一种经验性指标，充分注意到了工程建设长年积累的实践经验，它从总体上来讲是合理的、可以接受的。在现阶段基坑工程中，从实用的角度来说，这是一种切实可行的，比较安全的确定设计可靠度的方法。
4.小结
基坑工程是岩土工程中技术复杂、综合性很强的难点，同时又是提高工程质量减少事故的重点。基坑工程是与众多因素相关的综合技术，是一个系统工程的问题，基坑设计与施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、地下水动态、施工程序和方法等许多相关的复杂性问题，是理论上尚待完善、成熟和发展的综合技术学科。基坑工程的可靠性，对于保证工程建设的顺利进行是非常重要的。在基坑工程中引入可靠度分析方法有其必要性，是值得深入研究的问题。
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