岩土工程安全度问题(张钦喜)

提要1、岩土工程设计、施工安全的重要意义2、岩土工程设计中的安全问题3、岩土工程施工中的安全问题4、岩土工程运营期的安全问题5、结语•一、岩土工程设计、施工安全的意义1、岩土工程是一项涉及勘察、设计、施工、运营管理等多个环节的系统工程，每一个环节一旦出现设计或管理的纰漏，都有可能给工程安全埋下隐患，最终出现安全问题；因此要从设计、施工、运营管理等多方面入手，把好安全质量关；2、一旦出现安全、质量问题，轻则造成经济损失、工期延误，重则造成人员伤亡。不管怎样都会造成不良甚至严重的社会影响，给企业造成经济上的和声誉的影响和损失。3、设计和计算是确保安全的前提，一旦设计计算阶段出现纰漏或重大计算错误，往往难以补救，事故将难以避免，而且往往出现较重大的事故；因此应十分重视设计阶段的安全度控制问题；4、设计时对工程安全度的控制，仅仅是在设计计算的层面进行，设计的结果反映了工程师对安全控制的期望和措施，但能否实现，完全取决于施工和运营阶段能否严格按照设计要求的工况进行施工和运营期间的使用。如果不能按照设计要求施工和运营，那么设计对工程安全度的控制就会落空。5、一切规范、规程都强调了“安全第一”的原则，在此基础上力争做到技术先进，经济合理，保护环境。可见安全永远是一切工作首先要考虑的第一要务。一些经典案例：1、2003年东直门某工程在施工过程中发生基坑坍塌，使得临近的两栋楼变成危楼，经济损失达2亿多，项目经理被关押1年；2、2006年，政协礼堂附近的某工地发生边坡坍塌，造成一人死亡，供热管线断裂，附近居民供暖被迫停了2天，直接经济损失达数百万元，做了很多幕后工作，官方才没有抓人；3、2007年，北苑某工地正在施工CFG桩的钻机发生倾倒，当场砸死一人，经济损失几十万元，给死者家属造成难以弥补的精神损失；4、发身在今年初的德内大街93号院的基坑倒塌事故，使附近民房直接塌入坑内，造成交通中断，当事人直接损失几千万元，造成很坏的社会影响。•由此可见，安全问题重于泰山，关乎千家万户，是一切工作的前提，要天天讲讲，月月讲，真正做到：•时时想安全，日日要安全•人人讲安全，处处得安全设计是整个岩土工程安全的首要保证，如果设计有问题、有纰漏，那么安全就无从谈起，施工质量再好、再照图施工，也无法避免安全事故的发生。如前面讲的德内大街93号院的事故，设计就存在根本性的问题，或者说就没有设计，所以才出现了上述的重大事故。因此一定要做好岩土工程的设计计算工作。二、岩土工程设计中的安全度如何做好岩土工程设计是一个很复杂的问题，一方面要吃透勘察报告，另一方面要就是要有扎实的基础理论知识，还要有丰富的设计经验，设计要全面细致，哪个方面考虑不周都会留下安全隐患。比如97年百盛二期的倒桩事故，就是没有对锚杆钢垫板的大小、厚度等进行要求，造成锚杆受力后，钢垫板从钢腰梁中抽出，导致锚杆失效，支护形式从桩锚体系变成了悬壁桩体系，最终导致倒桩事故的发生。二、岩土工程设计中的安全度岩土工程所面临的对象是岩土体，它是自然界地质历史的产物，在空间分布上具有多变性和不均匀性，在物理力学性质上具有不确定性、随机性，并且随着外在条件的改变，性质具有易变形。因此岩土工程设计的第一步就是要仔细研读勘察报告，把握好土的空间分布和力学性质。二、岩土工程设计中的安全度在利用勘察报告时要注意3点：1、要对地层分布及其厚度进行综合考虑，不能仅以某个孔的地层变化为依据，要尽量考虑地层的厚度的综合变化趋势，确定平均厚度，得出概化的综合剖面，必要时对性质相近的土层进行合理的合并；2、C、φ的取值：要考虑土的其他物理力学指标，并结合经验综合考虑后取值，有时勘察报告给的值明显偏高或偏低，这时都应该根据经验进行合理调整。二、岩土工程设计中的安全度3、m的取值：用理正软件计算时，m的取值对于弯矩、位移、锚杆拉力的计算结果影响很大，虽然理正软件中给出了按C、φ值确定m的经验公式，但这个公式得出的计算结果并不一定合理，怎么办，这里要正确理解m的力学意义。二、岩土工程设计中的安全度m值怎么取？20(1)pbSE02002(1)(1)EpSKSbEKEbm=k/zp=ks其中的k基床系数kPa/m(kN/m3)k=mzm是k随深度z变化的比例系数(kN/m4)K和m与土的模量E有关联的系数m值的推荐值（陈仲颐基础工程学）项目土的名称m（MN/m4）1流塑的粘土、FN、NF、淤泥3-52软塑的粘土、FN、F土、松散砂5-103硬塑的粘土、FN、NF、中砂、细砂10-204坚硬的粘土、FN、NF、夹姜石、密实粗砂20-305砂砾、大块碎石类土30-856密实卵石夹粗砂、密实漂卵石85-180在很好的把握了土的空间分布和力学性质后，下一步就是根据具体的工程问题，进行相应的设计和计算。在进行计算时，要充分考虑各种不利因素，比如：1、地面荷载的大小、位置；2、临近建筑物的情况，包括基础形式、埋深，建筑物荷载大小、结构形式、建成年代及使用情况等；3、基坑附近各种管线的情况，包括管线性质、埋深、使用情况等；4、设计要考虑施工工况和施工工艺等，设计不能脱离开施工因素，比如锚杆的设计，就要综合考虑锚杆可能的施工工艺，锚杆位置的设定要考虑地层情况、地下水条件、群锚效应以及周边环境条件等.锚杆孔径一般为150mm，如设计成200孔径则需要专门定制钻具；5、设计计算不能只会操作各种软件，设计如果变成简单的输入参数，输出计算结果，然后根据计算结果出图，那么设计的水平就是不高的。要尽量做到明白计算原理，知道哪些参数起哪些作用，必要时应适当调整计算参数，使得计算结果更符合实际。6、设计者还要有丰富的设计经验，对计算出的结果的合理性做出正确判断，对明显不合理的结果通过调整参数进行合理化处理。7、设计计算要采用综合分析法，这里是指可采用不同的软件、不同的计算方法，进行综合比较，并通过综合分析给出合理的设计结果。比如桩锚支护，仅理正软件就有弹性法和经典法，两个算法的原理不同，计算结果往往差别很大，这里就需要综合分析和比较，对弯矩和锚杆拉力做出综合分析。对于较重大的工程，也可以采用其他软件进行计算比较，从而能得出较为合理和符合实际的设计结果。再比如土钉墙，就有设计和验算两个选项，两种方法的设计结果截然不同。采用设计选项时，结果往往是上短下长，而采用验算模式时，往往是根据经验采用上长下短的分布，究竟取用哪个结果合理，这就要求设计者根据经验和理论知识进行调整。支护设计要想安全、合理，要避免走两个极端1、过分依赖计算2、过分依赖经验一、为什么不能过分依赖计算因为至少有5个方面的不确定，最后导致计算结果不可能非常的准，以至于完全不能根据经验做调整。1、土压力分布及大小的不确定2tan(45/2)ak22cossin()sincos1cos[]ak分布大小郎金主动土压力系数库伦主动土压力系数经验的系数aaPHk中的300.3330.50.301aakk，郎金取时，，降低约10%，打9折还有水土压力的合算与分算的争论。关于kp、ka的调整Ф152025353040kp的增大ka的减小1.251.501.752.002.002.000.750.640.550.470.410.35自“地基基础的设计与计算”，黄熙岭、秦宝玖，19812、计算参数的不确定（ｃ、Φ、γ、厚度Ｈ、m）C和的不确定、土层厚度的变化Ф地面荷载的不确定原状土有很强的结构性（可能会使原状土的强度参数明显大于试验室给出的值，使得实际土压力比理论计算土压力小很多，这就是为什么实际测到的锚杆拉力都很小的缘故）荷载引起的土压力计算方法的不确定地面超载的考虑临近建筑物荷载的考虑00ppd3、支撑/锚杆刚度的不确定EAKLLF(kN/mm)FLfLmFS轴力K1=32000K2=37500K3=21818K=30400kN/m=30.4MN/m4、嵌固条件的不确定k值怎么取？p=ks其中的k基床系数kPa/m(kN/m3)k=mzm-----(kN/m4)K值怎么取？20(1)pbSE02002(1)(1)EpSKSbEKEbm=k/zm值的推荐值（陈仲颐基础工程学）项目土的名称m（MN/m4）1流塑的粘土、FN、NF、淤泥3-52软塑的粘土、FN、F土、松散砂5-103硬塑的粘土、FN、NF、中砂、细砂10-204坚硬的粘土、FN、NF、夹姜石、密实粗砂20-305砂砾、大块碎石类土30-856密实卵石夹粗砂、密实漂卵石85-1805、计算模型的不确定连续梁简支梁弹性地基梁K二、过分强调经验，对计算结果大幅度调整结果往往是十分冒进，一旦出问题就是突发性的、十分严重的。如1、望京某工程如2、银川大世界工程上述的种种不确定性告诉我们，岩土工程设计绝不是简单的输入参数、得出结果，而是要综合理论、实践和经验等多方面的知识，综合分析、综合判断的综合课题T1T2T3tM桩锚基本形式及破坏特点桩锚支护的破坏形式（以一道锚杆为例）（一）:支护体系破坏(1)支点破坏(2)剔脚破坏(3)桩身断裂破坏(4)、剪切破坏1、支点破坏1、锚杆杆体拉断----杆体配筋不足2、锚杆拔出或大位移----锚固段不够长或摩阻力不足3、锚杆与桩间的节点破坏导致锚杆无法发挥作用1）、垫板抽出2）、钢腰梁拉开3）、腰梁承载力不够或稳定性不足98年黄寺某工地H•1、设计的嵌固深度不足2、剔脚破坏—嵌固段不能提供足够的被动土压力2、嵌固段土质松软，大位移3、局部加深导致的嵌固深度不足悬臂和单支点:t=0.3H多支点:t=0.2Ht土如果像水一样会怎样土不会是水，但如果是流塑的，会怎样天津开发区某工地1、桩配筋不足3、桩身断裂破坏2、桩施工质量导致桩身出现质量缺陷（断桩、缩径、夹泥等）3、桩吃结构，剔桩、断筋关于配筋计算1、计算出M，求As2、已知As，求M（如由于吃了结构，断了几根主筋）一、计算出M，求As中性轴在哪？拉压sin22(1)()0cmtysfAfA323sinsinsintcmyssMfArfArsin22(1)cmystysfAfAfA1.2521.01.01.5ttt并规定（以前规定）παπαtsin22(1)cmystysfAfAfA323sinsinsintcmyssytsstMfArfArfAr8002500119300099.17cm16281628ssAA如中性轴在中心，对桩，由得，相当于根，即在受拉面配根wcystysfAfAfA从上式知，中性轴在受压侧C25:fc=11.9,ft=1.27,s=0.7ftII级：fy=3001.1cmcff关于配筋计算fyAsfcAcyiAsi一种简单的估算方法436412dbh00.9syMAfhh08002500119300099.17cm162816281740kNmssAAM如中性轴在中心，对桩，由得，相当于根，即在受拉面配根按等效矩形配筋方法s)1/31789km2.7%ssMNysrs按基坑规范D.0.2-7sinM=fA(0.78r+r取与等效矩形法差fyAsfcAcyiAsi2、已知As，求M（如由于吃了结构，断了几根主筋）桩锚支护破坏形式（二）：桩间土的流失或涌出打锚杆引起的水土流失(奥运变电站、翠宫饭店)其他破坏形式整体滑动失稳坑底隆起承压水的突涌无法准确求出内力等3、概念设计+经验判断+工程类比2、多种方法的比较（综合分析法）4、进一步的研究理论的、试验的、监测的、数值模拟的，尤其要加强监测和对监测数据的反演分析1、破坏形式的判断在土力学中，任何公式或计算程序的计算结果的准确性，从来不会超过粗略或大致的估计。——北方交大赵成刚（土力学原理第329页）清华、北交大出版社2004经验之果要结在理论这棵大树之上！——张在明不能单靠理论不能单靠经验•三、岩土