錨桿容許抗拔力的可靠度確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種錨桿容許抗拔力的可靠度確定方法。根據(jù)錨桿抗拔試驗(yàn)的極限抗拔力決定錨桿容許抗拔力的傳統(tǒng)方法是要除以安全系數(shù)K，K的取值沒有考慮錨桿抗拔性能參數(shù)的變異性，結(jié)構(gòu)安全的可靠度不能準(zhǔn)確反映。本發(fā)明建立正態(tài)分布的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，用錨桿抗拔性能參數(shù)的平均值來(lái)確定其數(shù)量等級(jí)，而其標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)則可用來(lái)表示這個(gè)參數(shù)的波動(dòng)程度；利用置信限估計(jì)法，計(jì)算錨桿抗拔性能參數(shù)的可靠度；確定安全系數(shù)，計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錨桿數(shù)量。本發(fā)明改變了沿用已久但含有人為因素的“安全系數(shù)”，能對(duì)錨桿容許抗拔力的可靠度進(jìn)行更客觀、更精確的估計(jì)。
【專利說明】
錨桿容許抗拔力的可靠度確定方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于土木建筑工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種錨桿容許抗拔力的可靠度確定 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在礦山開采、隧洞開挖等土木建筑工程中，比較多地應(yīng)用錨桿作為工程加固措施， 錨桿還經(jīng)常與噴射混凝土結(jié)合用來(lái)支護(hù)坡面，在煤礦、冶金、水利、鐵路、公路等建筑工程中 也得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003] 土層錨桿錨孔周邊抗剪強(qiáng)度的影響因素較巖層更為復(fù)雜，特別是以軟弱土層、黃 土、膨脹軟巖類特殊土作為錨固地層時(shí)，錨桿極限抗拔力計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值之間有相當(dāng) 大的離散性。由于錨桿抗拔力受地層性質(zhì)、施工工藝、灌漿方法等的影響，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)所 估算的錨固長(zhǎng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，施工前必須要在工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行錨桿抗拔試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn) 場(chǎng)抗拔試驗(yàn)，如何科學(xué)合理地確定錨桿容許抗拔力，目前尚無(wú)成熟和科學(xué)的判別方法，使這 種技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了限制。
[0004] 土層錨桿錨孔壁單位長(zhǎng)度的摩阻力一般小于砂漿對(duì)錨桿鋼筋的握固力，錨桿的抗 拔力主要取決于錨孔壁的抗剪強(qiáng)度。錨桿砂漿與錨孔壁周邊的抗剪強(qiáng)度受地層性質(zhì)、錨桿 所處的埋藏深度、錨桿尺寸和施工灌漿方法等許多復(fù)雜因素的影響，不僅不同種類地層中 和不同孔深處的錨孔壁抗剪強(qiáng)度有很大差異，即使在相同地層和相同孔深處，錨孔壁抗剪 強(qiáng)度也可能由于錨桿尺寸和施工灌漿方法的差別而有大幅度的變化。許多現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)結(jié) 果表明，在同一種地層條件下，錨孔壁抗剪強(qiáng)度和有效錨固長(zhǎng)度的實(shí)測(cè)值之間，也有相當(dāng)大 的離散性。因此，灌漿錨桿抗拔力在一定范圍內(nèi)具有波動(dòng)性是客觀存在的。
[0005] 根據(jù)錨桿抗拔試驗(yàn)的極限抗拔力決定錨桿容許抗拔力的傳統(tǒng)方法是要除以安全 系數(shù)K，對(duì)臨時(shí)性錨桿K=1.5-2.0，永久性錨桿K=2.5-3.0，如受地震荷載作用，或工程性質(zhì)重 要，受長(zhǎng)期重復(fù)荷載作用時(shí)，安全系數(shù)還應(yīng)增大至3.5-4.0;這里Κ的取值沒有考慮錨桿抗拔 性能參數(shù)的變異性，結(jié)構(gòu)安全的可靠度不能準(zhǔn)確反映，安全系數(shù)取值過小則不利于工程的 使用安全，過大勢(shì)必就要增大工程投資，造成浪費(fèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種錨桿容許抗拔力的可靠度確定方法，改變沿用已久但含 有人為因素的"安全系數(shù)"，對(duì)錨桿容許抗拔力可靠度進(jìn)行更客觀、更精確的估計(jì)。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是： 錨桿容許抗拔力的可靠度確定方法，其特征子在于： 由以下步驟實(shí)現(xiàn)： 步驟一:建立數(shù)學(xué)模型： 將錨桿抗拔力、錨孔壁的抗剪強(qiáng)度和有效錨固長(zhǎng)度定義為錨桿抗拔性能參數(shù)，施工現(xiàn) 場(chǎng)的錨桿抗拔性能參數(shù)均遵循正態(tài)分布； 步驟二:計(jì)算錨桿抗拔性能參數(shù)的波動(dòng)程度： 通過以下計(jì)算求得錨桿抗拔性能參數(shù)的平均值，用來(lái)確定參數(shù)的數(shù)量等級(jí)，求得錨桿 抗拔性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)，用來(lái)表示參數(shù)的波動(dòng)程度：
Xl為第i根試驗(yàn)錨桿的測(cè)定值;i依次為1、2、3……n;n為試驗(yàn)錨桿根數(shù)； 步驟三:采用置信限估計(jì)法對(duì)錨桿抗拔性能參數(shù)進(jìn)行可靠度估計(jì)： 對(duì)于錨桿抗拔力、錨孔壁的抗剪強(qiáng)度，將置信上限取為+0，即單側(cè)置信限估計(jì)法： 置信下限計(jì)算公式如下：
ta(n-i)為概率為α、自由度為(η-I)的t統(tǒng)計(jì)量，t分布表如下：
l-α為可靠度； 對(duì)于有效錨固長(zhǎng)度，采用雙側(cè)置信限，計(jì)算如下：
步驟四：確定安全系數(shù)： 對(duì)錨桿抗拔性能參數(shù)的平均值進(jìn)行可靠度估計(jì)，然后根據(jù)錨桿抗拔強(qiáng)度的變異性及其 保證率來(lái)確定安全系數(shù);如錨桿抗拔強(qiáng)度保證率系數(shù)為W，則錨桿容許抗拔力[Ρ]計(jì)算公式 如下：
Κ即為安全系數(shù);W為保證率系數(shù)，與保證率的關(guān)系見下表：
步驟五:現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錨桿數(shù)量的確定： 利用公￥
估計(jì)需要的試驗(yàn)錨桿根數(shù)，以得到預(yù)先規(guī)定的精度;對(duì) 于變異系數(shù)為Cv的子樣，如果平均值需要一個(gè)l-α可靠的區(qū)間，則所需的試驗(yàn) 錨桿根數(shù)示于下表：
[0008] 步驟五中，若在現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)開始前沒有得到關(guān)于Cv的信息，則先選取一個(gè)小樣 本容量，即試驗(yàn)錨桿數(shù)量η。以估計(jì)Cv，并按上表找到η值;若需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，可再 增加 η-η〇個(gè)試驗(yàn)錨桿； 估計(jì)方差時(shí)，用下式進(jìn)行估算：
σ為方差;為概率為（l-α)、自由度為(η-1)的X2統(tǒng)計(jì)量； 若要求精度與估計(jì)平均值的精度相同，則需要更多的試驗(yàn)錨桿;用可靠度(l-α)來(lái)估計(jì) 方差σ S (1 + 0')時(shí)所需的最少試驗(yàn)錨桿數(shù)量如下表：
[0009] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明提供的方法，對(duì)錨桿抗拔力的平均值進(jìn)行可靠度估計(jì)，并依據(jù)錨桿抗拔強(qiáng)度的 離散程度以及工程設(shè)計(jì)對(duì)錨桿抗拔強(qiáng)度保證率的要求來(lái)估算安全系數(shù)，然后采用抗拔力平 均值的置信下限除以安全系數(shù)來(lái)計(jì)算確定。這種確定錨桿容許抗拔力的方法，是對(duì)錨桿抗 拔強(qiáng)度變異系數(shù)的實(shí)際性狀與強(qiáng)度保證率的指標(biāo)進(jìn)行的識(shí)別，，用一定量的風(fēng)險(xiǎn)尺度計(jì)算 安全系數(shù)，改變沿用已久但含有人為因素的"安全系數(shù)"。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0011] 本發(fā)明涉及的錨桿容許抗拔力的可靠度確定方法，其特征子在于： 由以下步驟實(shí)現(xiàn)： 步驟一:建立數(shù)學(xué)模型： 灌漿錨桿的抗拔力具有一定的波動(dòng)性，為了使錨桿抗拔力的均值具有一定的可靠度， 避免選取計(jì)算采用值的主觀隨意性，這就需要建立數(shù)學(xué)模型，以確定指定概率的特定值。中 心極限定理指出，由多種隨機(jī)變量疊加而成的復(fù)合隨機(jī)變量，隨著包含有不確定性的變量 數(shù)目增多，其總和的分布將接近于正態(tài)分布。在實(shí)際應(yīng)用中，只要各變量中沒有特別突出 的，則可認(rèn)為近似地服從正態(tài)分布。灌漿錨桿抗拔力、錨孔壁的抗剪強(qiáng)度、有效錨固長(zhǎng)度，受 諸多復(fù)雜因素的影響，可認(rèn)為它們遵循正態(tài)分布。這樣就可借助于數(shù)學(xué)模型的頻率曲線計(jì) 算工具，作出比較合理的估計(jì)和判斷。
[0012] 錨桿抗拔性能參數(shù)的最佳估計(jì)： 將錨桿抗拔力、錨孔壁的抗剪強(qiáng)度和有效錨固長(zhǎng)度定義為錨桿抗拔性能參數(shù)，施工現(xiàn) 場(chǎng)的錨桿抗拔性能參數(shù)均遵循正態(tài)分布； 步驟二:計(jì)算錨桿抗拔性能參數(shù)的波動(dòng)程度： 通過以下計(jì)算求得錨桿抗拔性能參數(shù)的平均值，用來(lái)確定參數(shù)的數(shù)量等級(jí)，求得錨桿 抗拔性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)，用來(lái)表示參數(shù)的波動(dòng)程度：
Xl為第i根試驗(yàn)錨桿的測(cè)定值;i依次為1、2、3……n;n為試驗(yàn)錨桿根數(shù)； 步驟三:采用置信限估計(jì)法對(duì)錨桿抗拔性能參數(shù)進(jìn)行可靠度估計(jì)： 在實(shí)際應(yīng)用中，除了求出平均值外，還要求出一個(gè)范圍，并估計(jì)出這個(gè)范圍包含真值的 可靠度，即平均值位于范圍界限以外的風(fēng)險(xiǎn)，可采用置信限估計(jì)法。對(duì)于錨桿抗拔力、錨孔 壁的抗剪強(qiáng)度高則有利于工程使用性能的安全，過低則有危險(xiǎn)，對(duì)于錨桿抗拔力、錨孔壁的 抗剪強(qiáng)度，將置信上限取為+0，即單側(cè)置信限估計(jì)法： 置信下限計(jì)算公式如下：
ta(n-i)為概率為α、自由度為(η-I)的t統(tǒng)計(jì)量，t分布表如下：
l-α為可靠度； 對(duì)于有效錨固長(zhǎng)度，采用雙側(cè)置信限，計(jì)算如下：
步驟四：確定安全系數(shù)： 決定安全系數(shù)的取值時(shí)，應(yīng)對(duì)錨桿抗拔性能參數(shù)的平均值進(jìn)行可靠度估計(jì)，然后根據(jù) 錨桿抗拔強(qiáng)度的變異性及其保證率來(lái)確定安全系數(shù);如錨桿抗拔強(qiáng)度保證率系數(shù)為W，則錨 桿容許抗拔力[Ρ]計(jì)算公式如下：
Κ即為安全系數(shù);W為保證率系數(shù)，與保證率的關(guān)系見下表：
步驟五:現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錨桿數(shù)量的確定： 利用公￥
估計(jì)需要的試驗(yàn)錨桿根數(shù)，以得到預(yù)先規(guī)定的精度;對(duì) 于變異系數(shù)為Cv的子樣，如果平均值需要一個(gè)l-α可靠的區(qū)間ltl::遍編，則所需的試驗(yàn)錨 桿根數(shù)示于下表：
〇
[0013] 步驟五中，若在現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)開始前沒有得到關(guān)于Cv的信息，則先選取一個(gè)小樣 本容量，即試驗(yàn)錨桿數(shù)量η。以估計(jì)Cv，并按上表找到η值;若需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，可再 增加 η-η〇個(gè)試驗(yàn)錨桿； 估計(jì)方差時(shí)，用下式進(jìn)行估筧：
〇為方差;丨為概率為（l-α)、自由度為(η-1)的X2統(tǒng)計(jì)量； 若要求精度與估計(jì)平均值的精度相同，則需要更多的試驗(yàn)錨桿;用可靠度(l-α)來(lái)估計(jì) 方差_:齡_:麵_時(shí)所需的最少試驗(yàn)錨桿數(shù)量如下表：
[0014] 對(duì)于比較重大的工程應(yīng)適當(dāng)增加試驗(yàn)錨桿根數(shù)，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本容量，以進(jìn)行統(tǒng) 計(jì)推斷，獲得比較精確而具有較高可靠度的估計(jì)。為了減少總費(fèi)用，或者為了安全角度計(jì)， 這樣作經(jīng)濟(jì)上是有利的。
[0015] 本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書 而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.錯(cuò)桿容許抗拔力的可靠度確定方法，其特征子在于： 由W下步驟實(shí)現(xiàn)： 步驟一:建立數(shù)學(xué)模型： 將錯(cuò)桿抗拔力、錯(cuò)孔壁的抗剪強(qiáng)度和有效錯(cuò)固長(zhǎng)度定義為錯(cuò)桿抗拔性能參數(shù)，施工現(xiàn) 場(chǎng)的錯(cuò)桿抗拔性能參數(shù)均遵循正態(tài)分布； 步驟二:計(jì)算錯(cuò)桿抗拔性能參數(shù)的波動(dòng)程度： 通過W下計(jì)算求得錯(cuò)桿抗拔性能參數(shù)的平均值，用來(lái)確定參數(shù)的數(shù)量等級(jí)，求得錯(cuò)桿 抗拔性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差或變異系數(shù)，用來(lái)表示參數(shù)的波動(dòng)程度： :此XI為第i根試驗(yàn)錯(cuò)桿的測(cè)定值;i依次為1、2、3……n;n為試驗(yàn)錯(cuò)桿根數(shù)； 步驟Ξ:采用置信限估計(jì)法對(duì)錯(cuò)桿抗拔性能參數(shù)進(jìn)行可靠度估計(jì)： 對(duì)于錯(cuò)桿抗拔力、錯(cuò)孔壁的抗剪強(qiáng)度，將置信上限取為+-，即單側(cè)置信限估計(jì)法： 置信下限計(jì)算公式如下：tatn-υ為概率為α、自由度為(n-1)的t統(tǒng)計(jì)量，t分布表如下：1-α為可靠度； 對(duì)于有效錯(cuò)固長(zhǎng)度，采用雙側(cè)置信限，計(jì)算如下：步驟四：確定安全系數(shù)： 對(duì)錯(cuò)桿抗拔性能參數(shù)的平均值進(jìn)行可靠度估計(jì)，然后根據(jù)錯(cuò)桿抗拔強(qiáng)度的變異性及其 保證率來(lái)確定安全系數(shù);如錯(cuò)桿抗拔強(qiáng)度保證率系數(shù)為W，則錯(cuò)桿容許抗拔力[門計(jì)算公式 如下：Κ即為安全系數(shù);W為保證率系數(shù)，與保證率的關(guān)系見下表：步驟五:現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)錯(cuò)桿數(shù)量的確定： 利用公式估計(jì)需要的試驗(yàn)錯(cuò)桿根數(shù)，W得到預(yù)先規(guī)定的精度;對(duì) 于變異系數(shù)為Cv的子樣，如果平均值需要一個(gè)1-α可靠的區(qū)間iijl;董:潑，則所需的試驗(yàn)錯(cuò) 桿根數(shù)示于下表：2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錯(cuò)桿容許抗拔力的可靠度確定方法，其特征子在于： 步驟五中，若在現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)開始前沒有得到關(guān)于Cv的信息，則先選取一個(gè)小樣本容 量，即試驗(yàn)錯(cuò)桿數(shù)量η。W估計(jì)Cv，并按上表找到η值;若需要更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，可再增加 η-η日個(gè)試驗(yàn)錯(cuò)桿； 估計(jì)方差時(shí)，用下式進(jìn)行估算：0為方差;為概率為（1-曰）、自由度為(η-1)的X2統(tǒng)計(jì)量； 若要求精度與估計(jì)平均值的精度相同，則需要更多的試驗(yàn)錯(cuò)桿；用可靠度（1-α)來(lái)估計(jì) 方差徐逛縷:垂?jié)姇r(shí)所需的最少試驗(yàn)錯(cuò)桿數(shù)量如下表：
【文檔編號(hào)】G06F19/00GK105975781SQ201610307753
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】李成
【申請(qǐng)人】中鐵第勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司