近十几年来,我国东南沿海软弱土分布地区的经济建设高速发展,工程建设日新月异,然而在工程建设中经常面临设计参数不可靠和桩基设计随意性大等问题,造成巨大经济损失或工程安全事故。产生这些问题的主要原因是软弱土空间变异性大和工程性质参数的不确定性显著。长期以来,我国土体性质参数的获取以钻孔取样和室内试验为主,存在取样扰动大、不连续,试验数据可靠性低等问题。多功能孔压静力触探测试(CPTU)是在天然位置对土体工程性质进行原位评价的一种技术,具有高精度、高可重复性、简便快捷和连续测试等优点,在国际上得到了大量应用。因此,研究基于高精度CPTU测试技术的软弱土空间变异性特征评价,建立基于原位测试的软弱土工程性质参数评估与桩基设计方法,对提高我国土体工程性质评价和地基基础设计水平具有重要理论意义和工程应用前景。本文在国家“十二五”科技支撑计划和国家重点研发计划课题资助下,采用CPTU原位测试技术与理论分析和工程验证结合的技术路线,以江苏地区软弱土为例,系统研究了软弱土的空间变异性特征和基于CPTU的桩基可靠度设计分析方法。主要研究内容与成果如下:(1)在总结大量现场CPTU测试资料的基础上,采用随机场理论对江苏不同地质成因、不同CPTU测试参数的空间变异性特征进行了系统分析。研究表明,不同地质成因软弱土的CPTU测试参数的随机场模型参数取值范围之间存在重叠,然而也存在差异,表现出一定的地域性特点。长江冲积相软弱土CPTU参数的均值、变异系数和波动范围等三项随机场模型参数最为离散,q_t的均值为0.33–3.83 MPa,变异系数为0.01–1.17,竖直向波动范围为0.07–1.23 m,因此其空间变异性最为显著;海相软弱土空间变异性较强,q_t均值为0.28–1.25 MPa,变异系数为0.02–0.78,竖直向波动范围为0.05–1.69 m;里下河泻湖相与太湖冲湖积相软弱土相对较为均匀,整体上q_t的均值为0.31–1.92 MPa,变异系数为0.02–0.48,竖直向波动范围大部分介于0.06–1.08 m。此外,波动范围的评估很大程度上取决于所研究工程问题的规模,这一尺寸效应在岩土参数的空间变异性分析中不应当被忽略不计。(2)采用地质统计学方法对软弱土设计参数不确定性评估与空间预测进行了系统研究。理论分析表明,简单Kriging插值等同于条件随机场,而该方法与普通Kriging插值的主要区别在于,两者对测试资料的代表性存在不同的假定,从而影响对应的预测值与预测方差。以三项简单案例揭示并验证了这两种Kriging插值预测的一般规律,表明,Kriging方差是由于认知程度的缺乏所引起,其随着预测点与采样点之间距离的增大而增大的。对地质统计学预测值的概率密度分布类型进行了探讨,指出为确保其具有可追溯性,有必要将不服从正态分布的岩土参数变换为正态分布随机变量,然后再进行地质统计学分析。推导了数据正态分布变换中Box-Cox方法的数据逆变换近似计算公式,并在此基础上提出了可考虑预测变量概率密度分布类型的地质统计学分析流程。以崇启大桥为工程案例,结合概率分析和数值模拟方法,将所提出的分析流程应用于软弱土分布范围与关键设计参数空间分布的评估中,对其可行性进行了验证。(3)利用多元分布模型理论对江苏省典型软弱土的土性指标进行了系统研究。研究内容包括试验场地的抗剪强度、应力历史、固结系数、渗透系数与CPTU测试数据之间的多元相关性,引入Box-Cox数据变换方法以简化多元分布模型的构建,并根据多元分布模型推导了设计参数与CPTU测试参数之间的多变量关系式。研究表明,可根据多元分布模型推导出给定多项测试参数时设计参数的准确预测结果;并且,随着引入的CPTU测试参数的增多,设计参数的预测值越接近其实测值,预测的准确性越高。岩土参数的模型关系式存在显著的场地专有性,当局部场地存在丰富的实践资料时,宜根据该局部地区资料构建专有性多元分布模型,从而提高设计参数预测的准确性。Box-Cox方法为多元分布模型的构建提供了一种简便的数据变换方法,然而,受到变量定义域的限制,Box-Cox方法仅仅能够实现数据的近似正态化。其潜在后果为可能给出缺乏实际意义的设计参数预测结果,在应用中需要额外注意。(4)以CPTU测试技术为基础,以岩土工程中广泛应用的安全系数为核心参数,采用可靠度理论详细研究了软弱土工程中桩基承载力的评估方法,并提出将地质统计学方法预测的未采样位置处土体CPTU测试参数用于可靠度设计体系中。研究表明,地质统计学方法结合可靠度设计理论能有效降低设计所宜采用的安全系数,应用该方法,崇启大桥单桩所宜采用的最小安全系数从2.51~3.16降低至2.38~2.96。此外,中心点法的误差随着安全系数增大而增大,当安全系数增大至3.5以上时,该方法所给出的失效概率的误差可达到一个数量级,而验算点法与Monte Carlo模拟法更加准确且一致。同时,在四种基于CPTU的桩基极限承载力预测方法中,对单桩和群桩设计而言,Takesue等(1998)方法所宜采用的最小综合安全系数应分别不低于1.90和2.31,最为可靠;LCPC(1982)方法所宜采用的综合安全系数应分别不低于2.30和2.89,可靠性最低;Eslami和Fellenius(1997)和De Ruiter和Beringen(1979)方法所宜采用的综合安全系数应分别不低于2.06和2.56左右,可靠性居中。