摘要：可靠度性分析方法采用可靠性指標或失效概率作為衡量安全度的指標，這一指標可用概率統計的方法綜合考慮不確定因素。本文通過分析基坑工程事故的各種原因，說明基坑工程可靠度研究的重大意義及必要性，并對基坑工程的可靠性分析進行簡要介紹。
　　關鍵詞：基坑工程，事故分析，可靠性分析，可靠度
　　
　　基坑工程是一個古老而又具有時代特點的巖土工程課題，隨著大量高層、超高層建筑以及地下工程的不斷涌現，對基坑工程的要求越來越高，隨之出現的問題也越來越多，迫使工程技術人員須從新的角度去審視基坑工程這一古老課題。基坑工程設計與施工是一項系統工程，由于土體介質的復雜性及工程中其它不確定性因素的影響，全部采用確定性分析很難保證較好的反映實際情況，以概率統計為基礎來分析結構破壞概率的可靠度理論的引進是一種必然趨勢。
　　
　　1.基坑工程事故分析
　　基坑工程涉及領域廣，技術難度大，工程事故多，造成損失嚴重。分析幾種常見的基坑工程事故的原因，有助于可靠度理論在基坑工程中有應用，有助于提高基坑開挖與支護技術的提高。
　　
　　1.1工程勘察不充分
　　勘察資料提供的土層構成、厚度、土的結構和構造以及土體物理力學性能指標（土的天然密度、土的含水量、土粒相對密度等）與實際情況出入較大，導致土壓力計算嚴重失真，支護結構安全度不足；勘察資料不詳細，忽視專門水文地質勘察工作，如滲水量和排水量的計算，造成基坑開挖后，由于坑內外產生較大的水頭差，出現側壁滲水、涌水、流砂，使粉土、粉砂大量流失，基坑邊坡破壞；對于一些特殊土（濕陷性黃土、膨脹土、凍土、鹽漬土等）沒有進行針對性的勘察，如基坑勘察沒有查明土層膨脹性，導致在設計參數取值、施工處理等方面都沒有考慮土體的膨脹性，基坑開挖過程中，下部土體浸水后膨脹崩塌，邊坡開裂滑塌；勘察布點過少，沒有查明場地中某一地段的軟弱土層，使得設計選用同一支護結構（如噴錨支護）沒有特別處理，從而在施工時造成險情；勘察單位對地質勘察數據處理失誤，勘察報告提供的粘聚力、內摩擦角均比實際數值大，使支護結構設計不安全，埋下事故隱患。
　　1.2結構選型不科學
　　基坑支護結構形式的選擇，取決于基坑實際開挖的深度、邊坡土體的物理力學性質、地下水位、周圍環境、設計變形要求以及施工條件等因素。在進行結構選型時，缺乏設計方案論證支護結構設計不合理。基坑支護方案不結合實際情況進行分析，而是盲目套用其他工程的支護形式；荷載取值不當，如對某些活載或施工荷載考慮不足或漏算，支撐結構不合理，如頭道支撐位置、支撐間距、支撐型式等不能滿足要求，使支護結構產生過大變形；土體強度指標選擇失真。結果問題百出，事故隱患極大。
　　1.3安全儲備過小
　　有時在設計時為了節約，過大地折減主動土壓力，減少支護結構的配筋，安全儲備過小，在基坑周圍土質發生不利變化時，導致支護結構較大的變形。尤其是在計算中未考慮實際的土壓力在從基坑開挖到地下結構完工的過程中是變化的，使得實際的主動土壓力值大于折減后的設計主動土壓力值。如雨季降水、基坑周邊堆載、違規作業等都會造成荷載大幅增加，增加主動土壓力，從而加強基坑失穩的危險性。
　　1.4施工質量差
　　還有不少基坑工程事故的原因源自施工方面。由于施工單位素質不高，施工管理混亂，安全意識淡薄，基坑挖土施工不當引發的基坑工程事故比例很高。有些基坑挖土施工單位不根據設計要求制定挖土施工組織實施方案，隨意改變設計意圖產，不嚴格按照設計要求進行挖土施工。由于施工單位監測技術落后，或根本未進行施工監測，無法根據基坑監測調整施工進度和采取必要的措施。還有灌注樁強度達不到設計要求，止水樁起不到止水作用，基坑開挖后，到處流泥漏水等現象的發生，事故隱患極大。
　　
　　2.可靠性分析方法
　　通過上述分析可知，造成基坑工程事故的因素很多，基坑工程性質本身具有眾多的不確定因素，如何將這些不確定因素科學合理地計入到工程的設計與施工中，對基坑工程的研究者們提出了更高的要求。以概率統計為基礎來分析結構破壞的可靠理論的引進是一種必然。
　　2.1基本概念
　　結構的可靠性是指在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的能力。規定時間是批結構的設計使用年限，所有的統計分析均以該時間區間為準。所謂的規定條件，是指正常設計，正常施工，正常使用和維護的條件，不包括非非常的。
　　結構的可靠度是結構可靠性的概率度量，即結構在設計使用年限內，在正常條件下，完成預定功能概率。可靠度有三種尺度：穩定概率，即可靠度或稱可靠概率；破壞概率，即不可靠度或稱不可靠概率；可靠指標或稱安全指標（）。
　　引起結構可靠度變化的因素稱為隨機變量，幾乎所有的參數均可作為隨機變量，這些變量都具有不確定性。在基坑中這些變量以如荷載土體參數的不確定性；幾何尺寸的不確定性；初始條件和邊界條件的不確定性；計算模型的不確定性；施工質量的不確定性；氣候、地質災害的不確定性等形式存在。
　　但為了計算方便，通常可以當作常量的量最好將其視作常量。能夠得到和使用的是隨機參數的統計規律，這些統計規律，就構成了結構可靠性分析和設計的基本條件和內容。
　　2.2基本原理
　　結構是以可靠和失效兩種狀態存在的。在結構可靠度的分析中，為了描述結構的工作狀態，必須明確確定結構安全和失效的界限，即結構的極限狀態。我國《工程結構可靠度設計統一標準》（GB50153-92）對結構極限狀態的定義為：整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某一功能要求，此特定狀態就為該功能的極限狀態。
　　一般情況下，結構的極限狀態方程寫成：
　　
　　式中，Z代表結構的功能；g(…)稱為結構的功能函數，由所研究的結構功能而定；(i=1,2,,n)為影響該結構功能的隨機變量。
　　結構的可靠度可以用結構能夠完成預定功能的概率來表達：
　　
　　如果結構不能完成預定的功能，則稱相應的概率為結構的失效概率，用表示。結構的可靠概率和失效概率是互補的，滿足
　　
　　可以用下面模型來描述結構的穩定狀態：
　　安全狀態
　　極限狀態
　　破壞狀態
　　3.基坑可靠性分析
　　3.1計參數的獲取
　　土參數，土的天然密度、土的含水量、土粒相對密度等，特別是土的抗剪強度值，對基坑支護設計影響甚大。值決定了土的抗剪強度，取值是否合理，直接決定著基坑設計的成敗。然而，土體參數又是不確定的，其不確定性主要來于三個方面：一是巖土性質固有的變異性；二是勘查取樣與試驗方法的誤差；三是實驗數據和勘察數量的不足。
　　3.2數據的采集
　　目前，數據采集是通過工程勘察得到的，如何使勘察工作滿足可靠性設計的要求，是一個很值得研究的問題。現在，規范對這方面規定較少，為滿足可靠性設計對參數統計的要求，宜結合可靠性理論對勘察和取樣進行詳細的規定。基于以上原因，基坑勘查的布點取樣、測試要嚴格按照有關規范和巖土工程的建議采用。
　　3.3數據的處理
　　對采集到的工程勘察資料，要進行數據的處理分析，主要包括以下兩點：
　　(1)異常數據的剔除。在工程勘察過程中，土模型，儀器，操作者影響會造成異常測試結果的出現，有可能是錯誤的數據，也有可能是誤差較大的數據。常見的剔除異常數據的統計判別法有三倍標準差判別法，Chauvenet判別法，Crubbs方法等。
　　(2)參數的不確定性分析。通過有限的室內和現場試驗所獲得的參數，并不能完全代表基坑的實際土參數，而且隨著施工過程的不斷進行，土參數也是在不斷變化的，它的離散性很大，具有很強的不確定性。
　　3.4基坑可靠度分析方法
　　描述隨機變量的分布特征以其概率分布函數為最全面。如果各基本變量的概率密度函數和分布函數為已知情況下，據此可精確求得破壞概率。但在實際深基坑工程中，確定精確概率分布是很難的，就算確定了，也很難采用解析法解出。常用的基坑可靠度分析方法有：
　　(1)中心點法。中心點法是可靠度研究初期提出的一種方法，其基本思想是首先將非線性功能函數在隨機變量的平均值（中心點）處做Taylor級數展開并保留至一次項，然后近似計算功能函數的平均值和標準差。
　　(2)MonteCarlo方法。MonteCarlo法可用于解確定性問題和隨機問題。其基本原理是對所要求解的問題，先建立一個概率模型或隨機過程，使它的參數等于問題的解，再通過模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算所求參數的統計特征，最后給出解的近似值。MonteCarlo模擬的方法很多，常用的有MonteCarlo法、條件抽樣法、對偶抽樣法等。
　　(3)隨機有限無法。由于有限元法能適應各種邊界條件和幾何形態變化，能考慮巖土體的非均質和不連續性，土體與支護結構的相互作用，以及基坑工程與環境因素的共同作用，還能引入非線性應力應變關系，為基坑工程中的穩定性分析、應力分析以及變形分析提供了很好的分析方法。但影響基坑工程的隨機變更具有不確定性和變化性，最好用隨機場模型描述，因此，必須研究將隨機模型與有限元這種數值計算方法耦合起來，才能滿足基坑工程的實際情況，以尋求數值方法的概率解答，即所謂的隨機有限元方法。
　　3.5可靠度指標的取值
　　設計可靠度是設計規范規定的或設計取用的作為設計依據的可靠度，它表示設計所預期達到的工程可靠度，或者從風險角度說，它表示設計所允許的或可以接受的風險水平。風險是相對的，即要考慮安全，又要考慮經濟合理性。基坑工程可接受的風險水平是由破壞概率和破壞果決定的，反映決策風險態度，既結合主觀判斷，又要考慮工程性質和重要程度，實際破壞的經驗數據，以及所承擔的風險與可能得到的經濟效益之間的權衡。所以并不是可靠性越高越好。
　　基坑設計的可靠度指標一直沒有確定的數值，從不同的角度出發可能得到不同的結論，由于這些因素的存在，關于基坑支護結構的取值問題至今尚無定論，一般采用類比法或校準法來確定設計可靠度。
　　類比法是參照人們日常生活中所經歷的各種風險，確定一個人們能為之接受的破壞概率或可靠指標，以此作為基坑結構的可靠度。但因為對風險水平的接受程度因為而異，所以用類比法確定設計可靠度難以為人們所公認，所以這種方法有待于進一步研究和改進。
　　校準法是通過對現行規范安全度的校核（反演計算），找出隱含于現有工程中相應的可靠指標，經綜合分析和調查，據此制定今后設計采用的目標可靠指標。這實質上是一種經驗性指標，充分注意到了工程建設長年積累的實踐經驗，它從總體上來講是合理的、可以接受的。在現階段基坑工程中，從實用的角度來說，這是一種切實可行的，比較安全的確定設計可靠度的方法。
　　
　　4.小結
　　基坑工程是巖土工程中技術復雜、綜合性很強的難點，同時又是提高工程質量減少事故的重點。基坑工程是與眾多因素相關的綜合技術，是一個系統工程的問題，基坑設計與施工涉及地質條件、巖土性質、場地環境、工程要求、氣候變化、地下水動態、施工程序和方法等許多相關的復雜性問題，是理論上尚待完善、成熟和發展的綜合技術學科。基坑工程的可靠性，對于保證工程建設的順利進行是非常重要的。在基坑工程中引入可靠度分析方法有其必要性，是值得深入研究的問題。
　　
　　參考文獻：
　　[1]劉義建,劉勇健.深基坑支護方案最優決策方法研究[J]基建優化,2002,(06).
　　[2]楊振放.深基坑工程支護方案的可靠性分析及優選研究[D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫(碩士),2006,(05).
　　[3]王瑞科.深基坑支護結構變形的研究[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫,2007,(03).
　　[4]許德慧.深基坑支護結構優化設計方法研究[D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫(碩士),2002,(02).
　　[5]趙占廠.深基坑支護系統的數值分析與動態監測[D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫(碩士),2002,(01).
　　[6]郝小蘇.深基坑支護施工技術[D].中國優秀博碩士學位論文全文數據庫(碩士),2004,(04).
　　[7]朱愛國,陳曉平.深基坑樁撐支護結構可靠度分析[J]建筑結構,1999,(05).