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1、大直径人工挖孔桩桩基承载力的灰色预测 张琳1 杨光2 刘晓华1李忠强1焦英立1 ( 1 总装备部工程设计研究总院，北京1 0 0 0 2 8 ；2 清华大学水利水电工程系，北京1 0 0 0 8 4 ) 摘要：以某航天发射工位大直径人工挖孔桩桩基的深层平板载荷试验为例，介绍了利用未加载至破坏阶段的载 荷试验数据，通过建立e M ( 1 ，1 ) 灰色横型，预测桩基后续承载力及极限承载力的方法，并探讨了灰色系统理论在结构 工程中的应用啦德和发展蘸繁。 关建递：麓龟预测；桩基承鼗力i 结掏工程 1 前言 某航天发射工位采用了丈直径人工挖孔桩 作为基础，并进行了深层平板裁荷试验以检测地 基的极限承载
2、力是否符合设计要求。试验采用 藤位测试法，试楗菇未加载至破坏阶段，仅到满 足地基承载力的设计值时便箨止了细载，并不完 全符合建筑地基基础设计规范G B5 0 0 0 7 2 0 0 2 ( 以下简称“规范”) 中对于深层平板载荷 试验的要求。因此，如何利用现有的试验资料确 定地基极限承载力，可以为工程的可靠度评价提 供科学的、可信的参考数据，对于提高试验工作 和设计工作的科学性有很强的现实意义。 2 灰色理论简介及灰色模型建立 灰色系统理论是邓聚龙于1 9 8 2 年创立的一 门新兴交叉学科，短短2 0 余年的时问，灰色系统 理沦已经从最初在经济管理系统、控制系统、农 业系统等锈域戆应用拓展劐
3、彘括工韭工程在肉 的众多领域。 在灰色系统理论中，“黑色”表示信息未知， “白色”表示信息完全明确，用“灰色”表示部分 信息观确、邦分信息不明确。对应地就有信息完 全明确的系统称为白色系统，信息未知的系统称 为黑色系统，部分信息明确、部分信息不明确的 系统称为灰色系统”1 4 。 灰色预测模型G M ( 1 ，1 ) 是灰色系统理论的 主要内窬，它是一个基于生成系列的只禽有一个 变量的一阶灰色微方程，这一模型被广泛应用于 各种科学研究。下面将利用灰色理论对不完全 熬簸萄试验卜s 醢线遂霉亏预测，并遘耨确定极 限承载力。 地基承载力与沉降的关系非常复杂，难以全 面准确地确定，属于灰也系统的范畴。
4、荷载试验 中各级菠载及沉降值的试验焦为P ，S ，i = l ， 2 ，n ，由此可建立原始数据痔列o j ： * 4 = z ，x 墨；，z ：； 口一D * 霉= 导，i = l ，2 ，n ( 1 ) 将原始数据直接累加，得原始累加值 x 1 = x ：；，x ：g ，z 2 ) x ：；? = 熹z 黔洲，2 ，n 运用x 1 建立白化方程 _ , ：I x m + “( ”= 6 m ( 2 ) ( 3 ) 设参数列为：，藤；= f ：1 ，并按最小二黎法求解 n J 基础工程闭 蓄筮锣一i 三：( 矿B ) 一- y ( 4 ) 测承载力程序。该程序能方便地预测沉降值对应 一( 菇
5、 ：；+ 茗 ：；) ，一矍孺煮兰凳誓囊苎：塞蚕竺兰薯曼2 以通过 一 2 1 耿础UH Y ，一Jl i f t 玩术明j 疋地基傲p 民厚戟7 Jo ( 菇 ：；+ 石 ， 。从试验的原始记录看，试桩A I 9 在试验过程 B 。 一 2 1 中重调了一次百分表，造成了数据的不一致性，且 此试桩的加载与其他试桩的加载不同，只有8 级， 一 2 髫1 。I ；) 验荷载与预测荷载的比较如表I 所示。 。其他两个试桩的 K = E x l 。；，省，算 ：) 7 表1 试验荷载与预测荷载比较 由( 3 ) 得： 试桩编号：A 6 1 ) _ P = ( P 。一告) e x p - a ( s
6、 _ ) + 告 试验荷载沉降值预测荷载误差 k P am mk P a ( 5 ) 7 2 01 6 58 0 4 71 1 7 7 式中P 。，S 。分别为初始荷载及沉降，S 。= 0 ， 9 4 02 6 99 4 2 2O 2 3 P l = 0 ，式( 5 ) 变为l1 6 03 2 310 8 5 4 6 4 3 P = 旦 1 一e x p ( 一a S ) ( 6 ) l3 8 04 0 913 1 2 34 9 l l6 0 04 9 3l5 3 1 14 3 l 由方程( 6 ) 可求出荷载压力的预测值， 扣= 嘲；，珊，础 l8 2 05 5 7l6 9 7 96 7 1
7、 20 4 06 6 319 7 3 73 2 5 G M ( 1 ，1 ) 模型建立后，可采用关联度法或后验差 法对其进行评价性检验。 2Z 4 07 5 321 8 3 82 5 l 24 6 08 4 6 24 4 1 20 7 6 3 实例分析 试桩编号：G l - 8 试验荷载沉降值预测荷载 误差 该工位的桩基础如图1 所示，本工程选取其 k P am mk P a 中的3 根桩( A 1 - 9 ，A 6 1 ，G 1 8 ) 进行了深层平板 7 2 0 1 7 88 6 4 22 0 0 3 9 4 0 2 5 59 6 2 12 3 5 载荷试验。 oOooOO 11 6 03
8、 3 712 2 9 55 9 9 13 8 03 9 614 3 1 43 7 2 oOOOo 16 0 04 5 l l6 2 71 6 9 ooOoo l8 2 05 0 8l8 3 7 70 9 7 A l 一9 A I - - 6A 1 3 G I 一8G I 6 G l 一3 20 4 05 5 520 1 7 61 1 U鋈载荷试验点oU 22 4 06 1 222 2 3 80 7 2 6 2 |G 6 2 ，一、厂、厂、厂、厂、 24 6 06 6 224 4 9 60 4 2 A V 6 - 5 涵而若釜C , 。6 - 1 厂、厂、 A,64C 田伏I 表x 珀_ M 侣
9、u J 陋7 日I 叫衲阻H 了印I 日 加，预测荷载与试验荷载误差逐渐变小，说明应 图1 试桩平面布置图 用灰色理论可以预测桩基的极限承载力。绘制 利用已取得的原始数据，根据灰色系统理论， 试桩A 6 1 和G 1 8 试验荷载和预测荷载与沉降 作者采用M a t l a b 编写了基于G M ( 1 ，1 ) 模型的预 值的P 一s 曲线比较图，如图2 、图3 所示，可以 - 图2A 6 。1 试桩实测与预测尸一s 曲线图 图3G 1 8 试桩实溅与预测P s 曲线匿 更直观遣反浃出试验荷载与预测荷载不断逼遥 的过程，且预测荷载小于试验荷载，说明利用灰 色理论预测桩基的投限承载力是偏蜜全的
10、。但 由于试验条件等因素的制约，个别数值点误差较 大。比如，两个试桩第一级荷载的实测值和预测 值的误差均超避1 0 ，这可能是因为地基土受 到了扰动，其初始加载并不能很好地反映荷载和 变形的关系，此误差的存在也是合理的。 以上匿表成功地证明可以利用本程序对后 续未加载的沉降和荷载进行预测。仅将试桩 A 6 1 预测的结果列为表2 ，如下所示： 表2 试蛀A 6 一l 承载力预裁缝鬃 沉降值 91 0l l1 21 3 覆测蓊载 25 8 02s 3 230 8 233 3 l35 7 8 k P a 圈4A 6 1 试桩预测I g 卜s 蓝线圈 由表2 及图4 可以看出，l gP _ 一s 曲
11、线逐渐 收敛于P 的菜一值，符台工程实际的发展趋势， 但由于试验所取数据仍然是弹性变形阶段的数 据。所以预测的曲线没有出现突变，若可以采集 到塑性变形阶段的数据，从理论上讲是可以预测 到械基的极限承载力的。对于本工程，可以歌预 测曲线尾部直线段的起点所对应的荷载作为地 基极限承载力，本蜊试桩A 6 - l 的极限承载力先 28 0 0k P a ，其械端扩大头直径D 为2m ，经汁 算”】，单桩I 眵向极限承载力标准值为56 0 0k N ， 与载稼试验l 盍计的55 0 0k N 提近。 此外，本程序模块可以实现在试验现场进行 试验的同时即做到数据的同步处理和预测，有很 强麴实餍洼。 综上分
12、析，对于荷载试验中未加载至破坏情 况的桩端承载力，可以采用灰色理论的C M ( 1 ，1 ) 摸型遘梅预弱，虽预测精度能够满足工程 需要。该方法可以充分利用试验数据，减小工程 代价，对提商工程的可靠度有很好的实用价值。 4 灰色系统理论在结构工程中的 推广 随着社会的发展，高层建筑结构逐渐成为结 构工程的主角，但与高屡缭孝每相关的很多理论分 析、设计理念却是建立在半经验的基础上的，仍 基础工程 然存在很多灰色领域。 以高层建筑结构体系研究为例，结构体系是 指结孝每抵抗竖离蔫载和承乎荷载时的传力途径 及构件组成方式，在高层建筑中，抗侧力体系和 骚向荷载传力体系是统一的，随着建筑高度及功 能的发展
13、需要，抗侧力体系由最初的框架、剪力 墙结构等基本体系，发展为框架一剪力墙体系、 拉架一篱体体系、框架一篇体一 串臂体象。糕篱 体系、筒中筒体系、巨型框架体系、脊骨结构体系 等，磊虽还有一些菠的、赢效麴、会理豹抗硝力瘁 系正在发展创新中。目前对这些新体系的检测 试验都是有限的，薪的结褥体系虽然综合了多种 体系的优点，但其设计不应只是多种体系设计的 简单叠加，我们完全可以利用灰色系统理论，以 “部分信息已知，部分信息未知”的“小样本”、 “贫信息”不确定系统为研究对象，对“部分”已 知信息进行生戒、舞发，提取有价菹的翁息，对系 统的发展变化进行全面的观察分析。并作出长期 预测”1 ，为多种抗铡力体
14、系建立灰色模型，研究 = ；i f = 同体系荷载的传递效应和关联度。 高层建筑结构的抗震、抗风设计也是相等重 要妁，丽且其机理十分复杂。目前抗震设计方法 正由基于承载力的设计方法发展为基于延性的 设计方法，薨正在研究和发展蓦于性貔的设计方 法。但高层建筑的抗风设计仍然停留在基于承 载力的没计，躲设计时把风蔼载仅当俸静荷载处 理，必要时进行加大，这些做法都是不太科学和 经济的。而鼠，对于体型复杂的结构，其计算风 耨载必用的侮型系数又很难确定，目前还没蠢有 效预测体型复杂、高柔建筑物风作用的计算方 法，仅毙对少量重要的建筑物徽有限的风濑试 验，代价很高。因此，研究如何剥用灰色系统理 论研究和解决
15、这些问题是很有现实意义的。此 外，瑗在还有一撰设计要求锻高的特弹工程，可 以借鉴和参考的工程经验、试验成果就更少了， 正是灰色系统理论可以尝试豹新挑战。 5 结论 作者通过一个工程实例，采用灰色系统理论 的G M ( 1 ，1 ) 模型预测_ 萄载试验中表女“藏至破 坏情况的桩端承载力，且预测精度能够满足工程 需要，说孵了灰色系统理论在结构工程方i l i 应弼 的可行性和科学性，并着重提出灰色系统理论在 高层建筑结构阻及特种工程设计方面的应用静 景，进一步探讨了其在结构工程研究方面的 潜力。 参考文献 1 】G B5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ，建筑地基基础设计麓范【S 北 京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 2 】L I US i f e n g ，L 1 NY i A nI n t r o d u c t i o nt oG r e yS y s t e m s ： F o u n d a t i o n s ，M e t h o d o l o g ya n dA p p l i c a t i o n s M U S A ：I I G S SA e a d e m i cP u b l i s h e r ，1 9 9 8 3 邛聚龙灰色系统理埝简介 A 灰色系统学论文 集 c 3 海南：河南大学出版托，1 9 9 3 4
