岩土工程的安全度-(上)

工程实践中的岩土工程安全度问题（岩土工程师继续教育讲座）(上)同济大学高大钊•学习了工程安全度的理论和技术标准中有关安全度的各种规定之后，下面将进一步讨论工程实践中的岩土工程安全度问题。•讨论工程安全度的控制与风险、影响岩土工程安全度的因素，包括体制的因素和技术的因素。•岩土工程是全过程的技术服务，包括勘察设计阶段的安全度控制、施工与运营阶段安全度的实现及可能存在的风险分析。讲座内容•一.岩土工程安全度与主体工程结构安全度•二.在岩土工程勘察、设计工作中，对安全度的控制•三.在工程施工和运行过程中，安全度的实现•四.岩土工程的风险评估与控制一.岩土工程安全度与主体工程结构安全度•1.岩土工程是主体工程的一部分，岩土工程的安全度需与主体工程安全度协调、安全等级的协调、安全储备的协调、设计原则的协调。•2.上部结构的恒载和可变荷载最终由基础传给地基，地基基础设计必须与上部结构设计相协调。•3.岩土与主体结构的协同作用，设计时如何考虑岩土作用于结构的荷载和土的变形对结构物的作用。岩土工程安全度与主体工程安全度的协调一致性•定义极限状态－承载力极限状态与正常使用极限状态，地基与建筑物作为整体考虑极限状态•R－抗力函数；S－作用函数•极限状态方程R＝S•安全度控制方法•两者之比称为安全系数K＝R/S•两者之差称为安全储备Z＝R－S•设计原则•定值法－单一安全系数法、容许应力法、多系数法•概率法－分项系数法、全概率法•现行规范的主体工程结构设计原则主要采用分项系数法•现行规范的岩土工程设计原则是多种设计原则并用•因此，岩土工程设计时必须特别注意设计原则的一致性。岩土工程与上部结构设计的关系•地基基础与上部结构无论在使用功能、荷载传递或者建筑施工方面都是不可分割的整体。•设计时从上部结构到地基基础，逐步传递荷载，始终保持各部分构件的静力平衡和满足强度变形的要求。•从技术上和体制上讨论岩土工程与上部结构设计的关系。•技术上如何协调不同的设计原则？•由于技术发展的侧重面不同，上部结构和地基基础的设计方法处于不同的发展阶段。上部结构比较早地开始实行了向概率极限状态设计的过渡，而地基基础则仍处于总安全系数设计阶段，甚至有些部分尚停留在容许应力设计阶段。国际上是如此，我国亦是如此。•实际设计工作需要上部结构和地基基础实行统一的设计方法，统一的荷载规定，统一的安全度衡量标准。•目前由于上部结构与地基基础设计原则的不统一，各种规范执行不同的荷载规定，设计值与标准值混用；不同规范按不同的安全度标准建立评价体系，给设计人员带来太多的麻烦，造成很多误解。其结果是要么可能造成浪费，要么可能造成潜在的危险。•上部结构设计验算承载力时，荷载统一地采用设计值，抗力采用材料的强度设计值，没有任何的悬念。•地基基础设计中，验算地基承载力问题时，由于地基承载力采用的是容许值，要求荷载取值，即基底压力必须采用标准值。但验算基础结构的承载力时，由于材料强度用的是设计值，荷载取值必须也采用设计值与之匹配。•单桩承载力验算时，对于验算由地基土对桩的支承所构成的承载力，与之相应的轴力是标准值，但由桩身强度构成的承载力验算时必须用轴力的设计值。因此用下面的公式计算时标准值与设计值的不同取值和不同的适用条件。nGFNkkk22jiykjikxkkkixxMyyMnGFN•有人问，根据对单桩极限承载力的估计，计算桩的静载荷试验的最大试验荷载时，如何验算试验荷载是否会破坏桩身？•单桩极限承载力5000kN，用最大试验荷载5000kN验算桩身强度，桩身材料强度用设计值还是标准值？•？？？psccAfN•在基坑工程设计时，问题与地基基础设计正好相反，由土的强度指标计算得到的土压力是标准值，围护结构的内力也是标准值，但围护结构的材料强度却是设计值。•在地基基础设计时，设计表达式两端不匹配会造成浪费；而基坑工程设计时，设计表达式两端不匹配则会造成安全度下降。荷载与抗力没有匹配的案例基本数据•基底面积4471平方米•高层建筑地上29层，地下3层•基坑面积2600平方米•基坑周边长260m•开挖深度12.35m•地下连续墙厚600mm，深24m•四道支撑，第一道钢筋混凝土支撑，其余三道609mm12mm的钢支撑基坑围护结构剖面•支撑的位置•插入深度•地面施工荷载•坑底注浆加固垮塌的一角围护结构失效的后果•约40m长的围护结构后倾，墙底向内翻，基坑底土体隆起•支撑结构体系失稳破坏•邻近道路塌陷，塌陷面积约500平方米，最深处6～7m，滑动体后座切口竖直平整•煤气管破裂，煤气大量外溢•切断两根光缆干线•破坏电力电缆、电车电缆、自来水管与下水管道•大面积停气、停水、停电，交通中断连续墙后倾，支撑挠曲相邻路面下沉回填黄砂抢险事故有预兆•监测数据显示，事故发生前二周，邻近道路沉降速率最大已达15cm/d•事故前一天的半夜，发现基坑底部出现土的局部上涌，钢支撑发出吱吱声音•上午7时，事故突然发生对事故原因的分析•支撑与连续墙之间直接连接，没有设置围檩，由于支撑与围护结构不正交，无足够承受剪力的构造节点•支撑连系杆节点设置不当，连系杆形同虚设•插入深度不足和围护结构强度不足•施工超挖，未做注浆加固•监测未及时报警•管理混乱，对事故预兆不重视，没有及时处理•事故发生后，对设计计算书进行复核的结果表明，设计安全度不足。•用土压力计算得到的围护结构内力－弯矩、剪力是什么性质的作用取决于计算土压力所用抗剪强度指标的性质。•如果采用抗剪强度指标标准值计算的土压力，其设计属性是标准值。•该工程计算土压力所依据的现行规范所给出的抗剪强度指标是标准值。•因此，设计表达式中的作用是标准值，但根据钢筋混凝土规范，设计表达式中的抗力项是用混凝土的抗拉强度设计值和钢筋的抗拉强度设计值。•这样的设计表达式存在什么问题？•作用是标准值，抗力是设计值，是荷载未乘大于1的分项系数。•围护结构设计安全度不足的原因是设计表达式两边的作用与抗力不匹配；•地基基础设计时，确定浅基础的平面尺寸、桩数等地基设计项目采用定值法，包括容许应力法和总安全系数法。例如地基承载力特征值（容许值）、单桩极限承载力处于安全系数得单桩承载力特征值（容许值）。•抗力的性质是容许值，标称标准值或特征值；因此，荷载应采用标准值。•如果荷载误用设计值，设计的安全度过高。•确定浅基础的高度、基础配筋、筏基结构设计、桩身强度验算、承台结构设计等项目采用分项系数描述的设计表达式。•因此，抗力采用设计值；荷载也采用设计值。•如果荷载误用标准值，设计的安全度将会过低，偏于危险。•由于我国现行的体制是勘察与设计分离的体制，地基基础的设计工作和地质资料的调查工作是分别在两个不同的专业、不同的单位来完成的，并以勘察报告作为勘察与设计工作交接的法律文件。•这种体制造成勘察人员不了解设计的要求，勘察工作带有某种程度的盲目性；设计人员对勘察报告结论的过分依赖，地基基础设计的过分简单化，都对工程安全度控制产生非常不利的影响。上部结构荷载最终由基础传给地基，地基基础设计必须与上部结构设计相协调•地基基础设计，包括地基持力层承载力计算、软弱下卧层验算、沉降计算、基础结构验算所用的荷载，必须是上部结构设计的结果，包括柱或墙根部的竖向力、水平力和弯矩。•按每层的荷载估计值计算的结果，只能供编制勘察方案之用，不能用以做地基基础设计。岩土作用于结构的荷载与岩土的变形对结构物是一种作用•有些结构物（如地下室、隧道、支挡结构、堤坝结构）设计时，岩土（包括岩土层中的水）作用于结构物的荷载成为控制设计安全度的主要荷载，包括土压力、水压力、浮力、扬压力。•注意这些根据土力学原理计算得到的荷载，按其性质是标准值，不能直接与结构抗力（其性质是设计值）进行比较。•岩土的变形是建筑物的正常使用极限状态验算的“作用”，也是造成建筑物承载力极限状态的“作用”之一。•建筑物承受变形的能力，即允许变形值，是极限状态验算时建筑物的“抗力”。•规范中的允许变形值，有些是正常使用极限状态验算的抗力，有些则是承载力极限状态的抗力。•建筑物变形控制与承载力控制的主要差别是什么？•变形控制的作用是地基施加于建筑物的变形；•而建筑物对变形的抵抗能力与结构体系的类型、结构的刚度、建筑物的体型、平面与立面的布置形式等建筑、结构因素密切相关，确定允许变形值是最困难的，现行规范总结的大多是四十年前的经验数据。关于变形控制的典型案例•上海展览馆留下的话题•发生在上一世纪五十年代的故事•沉降了1600mm的大厦是怎么了？？上海展览馆•总高九十六米•一九五四年五月开工•当年年底平均沉降六十厘米•一九五七年六月实测•最大沉降一百四十六厘米•最小沉降一百二十二厘米沉降~时间曲箱形基础的基本数据•箱形基础高度：•7m•基础平面尺寸：•46.5m46.5mm•埋置深度：•0.5m•基础底面总压力：•130kPa持力层的载荷试验曲线从载荷试验曲线上取用的地基容许承载力为：150kPa1953年10m浅孔剖面•第一层填土，0.24~0.5m•第二层黄褐色粉质粘土，坚硬至可塑，0.96~1.16m•第三层棕黄色粘土，可塑，1.60~2.60m•第四层灰色粉质粘土，可塑，2.2~6.3m•第五层灰色粘土，可塑，未钻穿展览馆邻近的地质剖面事后诸葛亮•如果当时计算了沉降就不敢这么做了•只由持力层承载力控制，下卧层的地基承载力没有满足要求•过大沉降是由超大面积的基底荷载引起的•沉降验算的重要性•只满足持力层承载力还不够，需要考虑下卧层的承载力•超大面积荷载必然引起超量的沉降展览馆沉降的发展•施工期间沉降速率：•5.4mm/d~3.4mm/d•施工完成后一年：•0.7mm/d•施工完成后二年：•0.3mm/d•施工完成后三年：•0.1mm/d•46年后，•2000年8月，•对展览中心进行抗震鉴定时，•实测建筑物的倾斜为3.7‰。•由于水准点已不复存在，无法知道最终沉了多少，遗憾！为什么沉降那么大？•基础底面压力大，土中应力水平高•基础面积大，压缩土层相对较薄，应力沿深度衰减比较慢•软弱下卧层应力水平过高，可能发生局部的水平挤出•基础底面附加压力124kPa•至主要压缩层底处，附加应力还有70kPa•在软弱下卧层顶面处，附加应力仍有120kPa，远大于该层的承载力沉降的估算•根据上海的经验，当基础底面附加压力大于100kPa时，沉降经验修正系数取1.3，则得最终计算沉降量为1892mmmm1455302270124s几栋大楼的比较020406080100120140160展览馆胸科大楼华盛大楼四平大楼基础宽度附加压力实测沉降反算模量几栋大楼数据的比较工程名称平面尺寸埋置深度附加压力实测最终沉降反算模量展览中心46.546.50.5012418002.24胸科医院45.918.45.50573502.01华盛大楼57.614.35.65592402.16四平大楼50.09.805.20941405.06康乐大楼65.014.15.50851605.44关于沉降计算的一些问题•勘察报告中如何提供沉降计算所需要的压缩性指标？•需要不需要对压缩层中每个土层提出综合的压缩曲线？•怎样计算差异沉降？•角点的附加应力如何计算？•勘察报告中需要提出沉降计算结果吗？二.在岩土工程勘察、设计工作中，对安全度的控制与风险•勘察设计阶段是控制工程安全度的主要阶段，如果在设计阶段的安全度控制就有缺陷，设计安全度不足，或者对岩土体的工程性状的认识有偏差，设计参数的取值存在问题，或者设计计算模式没有反映工程的主要机理，安全系数的取值过低，或者甚至发生漏项和缺项。•勘察和设计从设计参数的取值和设计计算两个方面来控制岩土工程的安全度，核心问题是安全系数。•1.安全系数的取值与破坏计算模式有关，不同的工程问题、不同的计算模式，安全系数的取值是不同的。例如，地基承载力的安全系数为2～3，而挡土墙的抗滑稳定安全系数仅为1.3。并不表示地基承载力问题的安全度高于挡土墙的抗滑稳定性。因此不同破坏计算模式的安全系数之间，不能相互比较安全系数的大小。•我国对安全系数的取值考虑工