海洋平台桩基础竖向承载力的可靠度分析

天津大学硕士学位论文海洋平台桩基础竖向承载力的可靠度分析姓名：周宏杰申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：闫澍旺20030601中文摘要目前海上平台的结构设计方法和地基设计方法很不协调，平台的结构设计已经采用了以可靠度理论为基础的方法，而在地基基础设计方面，关于可靠度的研究工作进展较小，严重阻碍了海洋石油事业的发展。

为此，有必要应用可靠度分析方法对我国海域的平台基础进行研究，为实现在海洋平台桩基设计中采用可靠度方法提供理论依据，确定出适于我国海域的荷载和抗力系数。

要进行可靠度分析，首先必须收集我国海域足够数量的土性参数从而对地基土进行统计分析。

鉴于数据库对数据操作，存储的诸多优点，本文完善了原有的【海洋工程地基可靠度分析系统】，并且应用这个数据库，建立了土性剖面的空间随机场模型，实现了由土性参数的“点特性”到“空间平均特性”的过渡。

然后采用改进的一次二阶矩方法，建立了平台桩基础竖向承载能力的可靠度分析计算模式，进而对渤海中有代表性的海洋平台的桩基工程进行了可靠度分析，检验了ＡＰＩ规范推荐的荷载抗力系数对渤海油田桩基设计的适用性。

可靠度分析结果表明，对桩基础竖向承载力的可靠性影响较大的因素有：桩顶所受的竖向荷载，位置较深且较厚的土层以及桩端所在土层。

当竖向荷载增大或其变异性增加时，桩基的可靠度指标和安全系数都逐渐减小，桩基础抗力逐渐得到发挥。

当桩基竖向承载力的变异性增加时，桩基整体的可靠度也减小。

通过在各个海区的计算验证，也证明了ＡＰＩ推荐的分项系数是适用于渤海海域的。

关键词：可靠度，荷载抗力系数设计法，随机场，改进的一次二阶矩法，桩基础ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｏｆｆｓｈｏｒｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓａｒｅｉｎｃｏｍｐａｔｉｂｌｅｗｉｔｈｔｈｏｓｅｏｆｕｐｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｕｐｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｐｌａｔｆｏｒｍｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｔｈｅｏｒｙｂｕｔｔｈｅｓａｍｅｐｒｏｃｅｄｕｒｅｍａｙｎｏｔｂｅｅａｓｙｔｏｂｅａｄｏｐｔｅｄｉｎｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｄｅｓｉｇｎ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙｉｔｂｅｃｏｍｅｓａｎａｐｐａｒｅｎｔｏｂｓｔａｃｌｅｔｏｂｏｏｍｏｆｏｆｆｓｈｏｒｅｐｅｔｒｏｌｅｕｍｉｎｄｕｓｔｒｙ．ＴｈｅｒｅｆｏｒｅｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｒａｔｉｏｎａｌｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｎｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｏｆｐｌａｔｆｏｒｍｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｔｈｅＬｏａｄａｎｄＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＦａｃｔｏｒＤｅｓｉｇｎ（ＬＲＦＤ）ｔｈａｔｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒＢｏｈａｉｏｉｌｆｉｅｌｄｓ．Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｗｏｒｋｈａｓｂｅｅｎｉｎｖｏｌｖｅｄ：＿＿——Ａｄａｔａｂａｓｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｐｅｒａｔｅａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄａｔａｏｆｔｈｅｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｕｂｓｏｉｌ．Ｉｔｉｎｃｌｕｄｅｓａｌｍｏｓｔａ１１ｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｕｂｇｒａｄｅｉｎＢｏｈａｉｏｉｌｆｉｅｌｄｓ．ｌｏｇｓ一Ｖｉａｔｈｅｄａｔａｂａｓｅ．ａｒａｎｄｏｍｆｉｅｌｄｍｏｄｅｌｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｒｅｄｕｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｓｉｍｕｌａｔｅｄ．・－——ＡｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｍｏｄｅｆｏｒｓｉｎｇｌｅａｘｉａｌｌｙｌｏａｄｅｄｐｉｌｅｓｏｆｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｉｓｂｕｉｌｔＯｉｌｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｄａｔａｂａｓｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ．ＴｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｉＳｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒｓｅｃｏｎｄ－ｍｏｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ．ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｌｏａｄｓａｎｄｓｏｉｌａｎｄｐａｒｔｉａｌｆａｃｔｏｒｓｉｓａｓｓｅｓｓｅｄ．ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘ・－——Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｐａｒｔｉａｌｆａｃｔｏｒｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｏｓｅａｄｖｉｓｅｄｂｙＡｍｅｒｉｃａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＩｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＡＰＩ）Ｔｈｒｏｕｇｈａｂｏｖｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｓｏｍｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｍａｙｂｅａｃｈｉｅｖｅｄａｎｄｍａｉｎｌｙｔｈｒｅｅｏｆｔｈｅｍａｒｅｌｉｓｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗ．Ｆｉｒｓｔｌｙｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓａｒｅｄｕｅｔｏｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｉｎｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｏａｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｓｏｉｌｓｔｒｅｎｇｔｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｅｒａｎｄｄｅｅｐｅｒｓｏｉｌｌａｙｅｒｓａｎｄｓｏｉｌｌａｙｅｒｔｈａｔｓｕｒｒｏｕｎｄｓｔｈｅｐｉｌｅｐｉｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ａｓｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｌｏａｄｏｒｉｔｓｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘａｎｄｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒｂｏｔｈｄｅｃｒｅａｓｅａｎｄｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓｕｂｓｏｉｌｉｓｍｏｂｉｌｉｚｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙ．Ｗｈｅｎｔｈｅｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｏｉｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｇｏｅｓｕｐ，ｔｈｅｇｌｏｂａｌｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｇｏｅｓｄｏｗｎａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐａｒｔｉａｌｆａｃｔｏｒｂｅｃｏｍｅｓｓｍａｌｌ．ｆｏｒｔｈｅｐｉｌｅＦｉｎａｌｌｙｔｈｅｐａｒｔｉａｌｆａｃｔｏｒｓｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂｙＡＰＩａｒｅｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｉｎＢｏｈａｉｏｉｌｆｉｅｌｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘ，ＬＲＦＤ，ｒａｎｄｏｍｆｉｅｌｄｓ，ａｄｖａｎｃｅｄｆｉｒｓｔ—ｏｒｄｅｒｓｅｃｏｎｄ－ｍｏｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ，ｐｉｌｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

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学位论文作者签名：ｆ司乏杰签字日期：ｗ７年护６月／Ｏ－ｍ学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。

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（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：ｆ司毒朵学位论文作者签名：ｆ菩ｊ书？瑟导师签名，’守啦签字日期：≥∞ｊ年∥孑月，细签字日期：讪嘭年口钼，ｊ佰第一章绪论１．１引言现有平台的桩基础设计采用ＡＰＩ（美国石油协会）提出的工作应力设计法（孵Ｄ）和荷载抗力系数设计法（ＬＲＦＤ）。

工作应力设计法是一种传统的设计方法，它通过比较由外荷载（不带系数）产生的应力与允许应力或工作应力水平，得到结构的安全系数，据此进行平台基础设计。

但是，由于海上结构物经受随机的海况作用，地基土和钢制平台的强度也存在着不确定性，而用这种方法又难以考虑荷载的随机性和平台材料强度的不确定性，因此结构物不同部分的安全程度含有可观的离散性。

荷载抗力系数设计方法把工作应力设计法中的一个安全系数改为多安全系数（称为分项系数），即将荷载和抗力分别乘以相应的荷载和抗力分项系数以保证结构部件具有一致的可靠性，从而可以合乎逻辑地解释和考虑这些不确定性，保证结构物的不同部分具有比较均匀的安全程度。

也就是说，荷载抗力系数设计方法与现行的工作应力设计法可以有同样的平均可靠指标芦，但前者更均匀，各构件的强度发挥程度相似而且目标可靠度指标卢值的波动小，因此据此进行设计就显得更为安全而且经济。

１．２工程可靠度分析方法１．２．１传统的定值设计法工程的设计是在大量的不确定和存在某些未知因素的情况下进行的。

长期以来，工程技术人员将各种设计条件、指标和参数都定值化，选用一定的计算模式来进行计算，而把那些未知的、不定的因素归结到一个单一的安全系数上，这就是常用的所谓定值设计法。

然而安全系数的确切意义是什么，它与建筑物的安全性到底有什么联系，它如何取值，等一系列问题都不是很清楚。

在我们现实的工程问题中，常常会出现这样的情况，两种建筑物的安全系数相同，但其安全程度并不一样，甚至安全系数大者，安全程度反而低，可见常规的定值设计法在安全度方面没有统一的度量标准。

而可靠度分析方法的提出，正是考虑到定值设计法的弊端，为提高工程建筑物的安全性，降低建造风险，节约建造成本提供了合理的途径。

１．２．２可靠度分析可靠度分析是估计许可能力超过要求能力的概率，而这两者之一或两者都是不确定的。

这个概率就叫可靠度，表示为：失效概率＝１一可靠度如果两者的概率分布函数都能确定，理论上能求得准确的可靠度的值。

另一种方法是采用模拟手段，获得随机数从而选择合适的要求值和容许值。

通常，仅利用平均值和标准方差就能估计可靠度的值。

可靠度分析本质的一点是力图定量地考虑工程中的各种不确定性。

这种不确定性是在工程的勘测、试验、设计计算以及施工的每一个环节都存在的，因此可靠度分析的概念要贯穿于工程的各个环节。

从理论上说，一项工程不可能不冒一定的风险，问题是如何把所冒的风险限制在人们可以接受的限度以内，这就是可靠度设计的目的。

１．２．３可靠度的发展１２．３．１可靠度在土木工程结构方面的发展可靠度理论在土木工程的结构方面应用比较早。

１９４７年，弗罗伊簦撒尔（Ａ．Ｍ．Ｆｒｅｕｄｅｎｔｈａｌ）发表了“结构安全度”一文，奠定了结构可靠度的理论基础。

１９５４年，拉尼岑提出了应力～强度结构可靠度设计的正态模型，并推导了用正态分布二阶矩表达的可靠度中心安全系数的一般形式。

随后首先由美国人Ｃ．ＡｌｌｉｎＣｏｍｅｌｌ教授系统地提出一次二阶矩简化实用概率设计。