铁路工程路基设计法探索

极限状态设计方法以概率论为基础、以可靠度指标衡量可靠性、以分项系数的设计表达式进行设计，因而使地基设计更加合理。岩土工程的极限状态是指岩土工程能够满足设计规定的某一功能要求的临界状态，超过这一状态，岩土工程便不再满足设计要求。它是区分岩土工程的工作状态为可靠或不可靠的标志，一般可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类。在进行地基处理设计时，将变异性较大的设计参数视为随机变量，变异性不大的参数可视为定值，由这些设计参数组成描述地基的函数Zg(X)称为地基的功能函数。功能函数有3种情况：当Z0时，表明地基处于可靠状态；当Z0表明地基处于极限状态，此方程称为极限状态方程；当Z0时表明地基处于失效或者破坏状态[4-7]。岩土工程可靠度是指岩土工程在规定的时间、条件下，完成预定功能的能力，可靠度由可靠指标衡量。对地基处理来说，完成各项预定功能的标志则是满足铁路稳定性（包括承载力）、工后沉降及差异沉降3方面的要求[3]。比如地基沉降的可靠度就是地基沉降小于某一允许值的概率，按照可靠度理论，其功能函数可以表示为（式略）式中，S为允许沉降，w为沉降计算值，12(,,)cnXXXX为随机变量。当g(X)0时，表示沉降没有超过允许沉降，对应的概率用rP表示，即为路基沉降可靠度；当g(X)0表示路基沉降超过了允许沉降，用超越概率fP表示。显然可靠度与超越概率间存在互补关系1rfPP。设Z为正态分布变量~(,)zzZNm，引入符号/zzm，为一无因次系数，称为可靠度指标[8]。如果直接采用目标可靠性指标进行设计，计算过于繁琐，从设计人员的工作习惯及国际标准接轨考虑，设计时采用隐含目标可靠度的分项系数以及标准值和结构重要系数组成的设计表达式计算。虽然设计表达式与定值设计法相似，但两者的内涵是不同的，分项系数能够全面考虑目标可靠度指标，同时反映各变量的敏感度与变异性质。地基处理在设计原理和方法上与结构工程有相似之处，可以充分借鉴结构工程部分研究成果。但地基3处理设计与结构设计有本质上的区别，不能完全照搬结构工程可靠性分析的原理，主要体现在以下方面：(1)岩土参数复杂。由于地基土是由漫长的地质年代形成，受不同的环境因素、化学物理过程的影响，所以土体参数的空间变异性很大；土性参数又有自相关性，应该用随机场进行描述，且不同土性参数之间存在互相关性。(2)岩土应力应变关系复杂。岩土体是一种高度非线性体，不同的应力水平，变形差异很大。路基地基稳定性、沉降计算分析方法、计算模型往往需要进行一些简化处理，导致计算结果与实际情况往往有一定的差异。(3)岩土边界条件复杂。岩土工程实际研究的范围较大，工程计算分析中考虑的边界是近似和模糊的，计算时需要对边界条件进行简化处理。(4)外界环境对地基处理措施的可靠性影响大。地基在不同天气、地下水等外界环境影响下表现出不同的物理力学特性。(5)施工质量不确定性大。由于岩土工程是隐蔽性工程，施工工法、施工水平及施工质量对地基处理的影响巨大。因此，软土地基处理设计中存在大量不确定因素必须加以研究。由于岩土工程性质复杂，导致岩土工程可靠度研究发展缓慢，远远落后于结构工程可靠度研究。基于概率论的地基处理极限状态设计方法涉及到地层条件、边界条件、荷载条件、计算模型、设计条件以及施工条件等各方面因素，应贯穿于勘察、试验、设计、施工等全过程，要完整的解决上述各因素的概率统计方法，使之定量化，最终提出适用的地基处理极限状态设计表达式以及分项系数和有关参数。由于铁路地基处理是采用稳定性（包括承载力）和沉降双重控制设计的。所以要进行可靠度的完全分析，必然是以稳定性（包括承载力）极限状态、沉降控制极限状态和差异沉降极限状态三种极限状态综合控制的结果。欲实现完全的可靠度分析，就需要引入系统可靠度分析方法，才能反映软土地基处理可靠度的全貌。

极限状态法设计的意义及转轨思路

软土地基处理极限状态法设计的意义极限状态法与传统的设计方法相比是一个很大的进步，标志着解决可靠度问题从以经验为基础的定性分析阶段进入以概率论和数理统计为基础的定量分析阶段。极限状态法作为路基设计的发展方向，美国、欧盟、日本、俄罗斯等国家和地区的相关设计规范均采用极限状态设计方法，继续采用安全系数法设计给国际技术交流带来了困难，不利于我国铁路技术在国际上的推广应用。我国于1992年颁布了《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153），2008年又进行了全面修正，目前建筑、港口、水利及公路部门的结构设计已采用极限状态设计法；2010年交通运输部颁布的《港口工程地基规范》（JTS147-1-2010）将极限状态设计方法引入地基规范[9-10]。我国20世纪80年代开始铁道部门一直在进行相关的基础研究工作，近年来对高速铁路开展了系统的基础研究，积累了大量勘察、设计、施工、运营经验，已基本形成高速铁路工程建设技术标准体系，为地基处理极限状态设计创造了条件。开展铁路工程地基处理极限状态设计方法研究不仅意义重大，而且是必要的、可行的。虽然已经有一些成果，但距离实用阶段还有一段距离，有必要结合铁路路基工程的特点系统开展地基处理极限状态设计研究。软土地基处理极限状态法设计转轨的思路由于影响软土地基处理可靠性的因素复杂，且软土地基处理方法、种类多，各种方法有不同的特点，软土地基处理设计从传统的定值设计法转轨为极限状态法是一项十分复杂的系统工程，推进极限状态法在地基处理设计中的应用，必须以平稳过渡为准则。首先应遵循可靠度校准法，通过极限状态设计法设计重现定值设计法设计的可靠度等级。完成形式转轨，在此基础上开展工程试设计，研究优化设计模型、确定设计各分项系数，建立极限状态法设计标准体系，确保转轨的平稳过渡。总体采用三结合、两步走的极限状态方法导入路径，科研与设计相结合，专业研究与工程实践相结合，国内研究与国外调研相结合，分“形式转轨”和“建立体系”两大步骤推进转轨工作。(1)形式转轨阶段。确定转轨实施方案的主要原则，拟定转轨工作实施方案。对国内外相关领域进行详细的调研，掌握国内其他行业及国外地基处理有关极限状态设计体系和技术发展状况，根据需要开展相关支撑科研工作。对地基处理极限状态法和定值设计法的理论体系进行系统分析，制订目标可靠指标，建立分项系数与可靠性指标之间的关系，研究制定分项系数，编制转轨暂行规定，在设计中同时采用暂行规定和现行标准同时进行设计检算，及时将遇到的问题汇总。(2)建立体系阶段。选取既有铁路工程地基处理的代表性工点，结合工程现状进行反演分析，对比现有规范设计结果，调整目标可靠指标、分项系数，建立极限状态设计表达式。在新建铁路工程中，同时开展地基处理的安全系数法和极限状态法设计，对比分析安全系数法和极限状态法的设计结果，校核和完善极限状态法设计方法，结合现场实测参数，优化分项系数。建立工程数据收集、处理、统计分析平台，为及时掌握工程动态，完善设计标准及可靠度指标提供支撑。实现软土路基地基处理的极限状态设计体系，完成编制并颁布极限状态法设计规范。

极限状态设计的关键问题

极限状态设计方法是软基地基处理设计方法的变革。要实现这种转变，须重点研究以下问题：（1）岩土参数统计分析方法、分布型式及数字特征。岩土参数本身的变异性比人工材料的大得多，这就需要大量实验样本数量做支撑，而实际工程中的某些参数的样本数量有限，如何根据有限的样本数量对参数进行概率统计，是工程师面对的一大问题。从另一个方面说，采用何种勘察方法才能与极限状态设计配套，也是值得深入探讨的问题。（2）极限状态方程的建立。软土地基处理各种方法有不同的特点，其质量保证水平差异很大，且其不确定性远远大于结构工程或建筑基础工程，这是地基处理采用极限状态设计的难点，必须针对排水固结、水泥土桩、CFG桩等不同的地基处理方法，分析各参数变异性对地基处理措施可靠性的影响程度，确定随机变量，建立极限状态设计方程。（3）目标可靠度指标的确定。由于岩土工程的复杂性，目前确定目标可靠度还需要依赖传统的安全系数。在这种情况下，应该结合多年来设计所积累的工程经验进行广泛的统计分析，对现行的铁路地基处理规范进行校准计算，以初步确定目标可靠度指标。（4）分项系数及设计表达式的建立。在理论研究、实验分析、计算统计以及校准计算的基础上，广泛调研国内既有铁路复合地基资料，并进行反演计算，最后提出铁路软土地基概率极限状态设计方法的分项系数及设计表达式。

结论

（1）目前铁路地基处理采用的定值设计法以总安全系数k衡量地基的可靠性，不考虑设计参数的变异性，技术经济合理性相对较差，影响设计质量。极限状态设计方法以概率论为基础、以可靠度指标衡量可靠性、以分项系数的设计表达式进行设计，能够全面反映影响安全的各项因素，应用可靠度理论全面修订设计规范是国际发展趋势。（2）由于岩土工程性质复杂，不确定因素多，导致岩土工程可靠度研究发展缓慢，远远落后于结构工程可靠度研究。铁路路基地基处理设计方法转轨也不能一蹴而就，总体采用三结合、两步走的极限状态方法导入路径，分“形式转轨”和“建立体系”两大步骤稳步推进转轨工作。（3）以可靠度理论为指导，结合铁路建设中长期积累的软土地基处理经验和教训，通过对铁路软基处理的系统分析、研究，建立软土路基地基处理的极限状态设计方法，并在实践中不断积累完善，形成高水准的极限状态设计体系。