巖土工程設計之己見

蘭中孝

【摘 要】巖土工程設計包括使用年限內預定的功能、場地條件、巖土性質及其變異性、工程結構特點、施工環境，相鄰工程的影響、施工技術條件，設計實施的可行性、地方材料資源和投資及工期。

【關鍵詞】巖土工程設計；概念設計；巖土參數；應用

【中圖分類號】TU4 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0239-01

1、巖土工程設計的特點

1.1對自然條件的依賴性

巖土工程與自然界的關系極為密切，設計時必須全面考慮氣象、水文、地質、地下條件及其動態變化，包括可能發生的自然災害以及由于興建工程改變自然環境引起的災害，必須特別重視調查研究，做好巖土工程勘察工作。

1.2巖土性質的不確定性

巖土參數是隨機變量。而且，不同的測試方法會得到不同的測試值。差異往往相當大，相互間無確定的關系。故在進行巖土工程設計時，不僅要掌握巖土參數及其概率分布，而且要了解測試的方法及測試條件與工程原型條件之間的差別。

1.3注重經驗特別是地方經驗

近代土力學與巖石力學的建立，為巖土工程的計算和分析提供了理論基礎。但由于巖土性質的復雜多變，以及巖土與結構相互作用的復雜性，不得不作簡化，以致預測和實際之間有時相差甚遠。鑒于巖土工程計算的不完善，工程經驗特別是地方經驗，在巖土工程設計中應予高度重視。

1.4原位測試、實體試驗、原型觀測的特殊地位

取試樣進行室內試驗仍是巖土測試的重要手段，但由于小塊試樣的代表性不足，取試樣、運輸、保存、試驗過程中的擾亂，某些巖土無法取試樣等問題而顯出它的局限性，故原位測試在巖土工程勘察中被廣泛應用。但是，原位測試一般因應力、應變條件復雜，影響因素多，和實體工程差異大等的原因，難以進行理論分析。

由于設計參數和計算方法不精確性，原型觀測對于檢驗巖土工程設計的合理性及監測施工的質量和安全，有特殊重要的意義。

2、概念設計

2.1概念設計的必要性

一項設計的優劣成敗，設計思想最為重要。巖土工程設計受諸多不確定因素的影響，單純的計算一般是不可靠的。因此，雖然巖土力學理論取得了長足進展，計算方法和設計軟件不斷創新，但概念設計仍不可忽視。概念是一種思維方式，將認識過程中感受到事物的共同特征抽象出來，加以概括，就是概念。所以概念反映的不是事物的表面，不是事物的片面，而是事物的本質。

2.2安全和功能要求

巖土工程設計必須保證工程在使用期間的安全和滿足預定功能要求，一般包括下列方面：

a.在正常施工和正常使用條件下，能承受可能出現的各種作用。包括傳至基礎底面的結構荷載，邊坡、基坑、地下工程的巖土壓力，地下水的靜水壓力和動力壓力，必要時還要考慮地震作用，風荷載、波浪作用等等。必須保證在各種作用發生時，工程具有足夠的安全度。

b.在正常使用條件下具有良好的工作性能。例如：對于建筑物地基，變形（沉降、差異沉降、傾斜、局部傾斜）不得超過限值；對于基坑，變形不得危及鄰近建筑物及市政設施的安全；對于基坑地下水的控制，應保證坑內適宜正常施工作業，確保相鄰工程和周邊環境不被破壞等等。

c.在正常維護條件下具有足夠的耐久性。例如：對于長期緩慢沉降的地基，應考慮工程在整個使用年限內均能滿足變形限制的要求；對于地下室的防水抗浮設計，應按使用期間可能出現的最高水位設計；對于垃圾填埋場，其防滲襯層的材料和結構，應保證使用年限內有效，不致老化、開裂、滲漏；對于基坑，如需渡過雨季、冬季，應保證雨季、冬季的安全；對于鄰近有重要工程的永久性邊坡，設計使用年限不應低于受影響的相鄰工程的使用年限等等。

d.在正常施工、使用和維護條件下，對環境的影響不超過限值；例如：施工噪音，強夯振動，擠土效應等對環境和鄰近工程的影響；降低地下水位造成區域降落漏斗的影響；在已有建筑物側旁開挖，使既有建筑物產生附加變形，甚至威脅其安全；垃圾填埋場污染物泄漏和運移造成環境污染等等。

2.3設計條件的概化

概化是將復雜的具體事物，通過科學方法，取其本質，形成模型。模型不是實物，是實物的典型化，是分析和設計的基礎。如果荷載和地基性能指標都是確定性的，巖土是均勻的，問題就很簡單。但實際工程往往很復雜，首先是荷載，有永久荷載、可變荷載和偶然荷載，各種不同的荷載組合—基本組合、標準組合、準永久組合等，設計時選取其中最合理的組合，就是對荷載的概化。其次是地基，嚴格地說，地基都是不均勻的，巖土性質具有時空變異性，需用數理統計方法求出它們的代表值，將地基條件概化為地質模型。再次是如何考慮安全度，有容許應力法和極限狀態法，有定值法和概率法，有安全系數和分項系數表達。此外，必要時為了便于分析，又需要對基礎和上部結構的剛度進行概化處理。

3、注意事項

3.1技術方法的適用性和有效性

方案的適用還是不適用，有效還是無效，是首先應當考慮的。例如，由于軟黏性土的透水性弱，孔隙水壓力難以消散，因此不宜采用強夯法加固，也不宜采用密集的擠土樁。密集擠土樁的擠土效應造成斷樁、歪樁、浮樁的事故屢有發生。擋土墻背后的填土一般采用無黏性土，不采用黏性土，不僅是黏性土的壓實性不易控制，而且孔隙水容易積聚而增加土水壓力。所謂有效性，是指該方法能達到預期的效果。對變形要求嚴格的深基坑，如采用懸臂樁圍護，可能因變形超限而達不到預期效果。某種方法的有效性如何，顯而易見的可以通過直觀經驗判斷，直觀經驗難以判斷時，需通過驗算作出結論。

3.2施工的可操作性和質量的可控制性

優秀的設計要有優質的施工才能成為現實。當有多種工法可選時，應盡量選用施工簡單，便于操作，施工單位熟悉的有經驗的工法。設計得過于復雜，會降低施工的可操作性。巖土工程多為隱蔽工程，質量的控制和檢驗十分重要，挖孔樁的廣泛應用，原因之一是質量易于控制。有的工法雖有明顯的優勢，但如質量不易控制，也只得放棄。

3.3環境限制和負面影響

環境條件是巖土工程設計必須考慮的重要因素。環境條件越嚴，可選的方案越少。無論何種方案或工法，一般都是有優點，有缺點，有其適用的一面，又可能有某些負面影響。例如：城市中不能采用噪音大的錘擊式預制樁和沉管式灌注樁；泥漿污染城市，某些注漿材料污染地下水；有些施工方法影響人體健康；地下開挖和深基坑開挖時，大量抽排地下水，嚴重浪費寶貴的水資源，不符合可持續發展原則；降落漏斗使鄰近工程產生附加沉降等等。

3.4基本資料的完整性和可靠性

巖土工程設計應有必備的基礎資料。但實際上，基礎資料不一定每個項目都十分完整和理想，概念設計時應充分予以注意。例如巖溶發育地區地基條件十分復雜，除了威脅工程穩定的洞隙、土洞、塌陷外，基巖面高低不平，變化無常，雖一柱一孔，也不能完全將基巖面查得清清楚楚。這就要求在此基礎上做的巖土工程設計留出必要的余地，以備施工勘察時根據具體情況補充必要的處理措施，對方案作必要的局部調整。確定天然地基、復合地基、樁基的承載力是個很復雜的問題，載荷試驗被認為是比較可靠的方法，但并非每個工程都能做到。有些工程仍需要根據土性和經驗進行設計。

4、動態設計和應急措施

由于地質條件和巖土參數不易弄清，巖土工程設計常常不能一步到位，事先的定量計算只是一種估計，只有原型實測才最可靠。因此，需與信息化施工配合，進行動態設計。這種設計原則已在邊坡設計，地基基礎設計，基坑設計，堤壩設計，地下工程設計中廣泛應用。

動態設計的基本方法是：根據已經掌握的數據估計算一個預測目標，例如位移（正演）。施工過程中利用現場觀測數據反演設計參數，再用反演所得的參數正演目標，如此反復，一次比一次更趨正確，在這個過程中，還可以通過“施工勘察”核查地質條件，調整設計方案和施工程序，保證工程安全和經濟，并滿足所有預定功能，即包括預定功能要求、安全性和耐久性要求、投資和工期的經濟性要求等三個方面。