巖土工程勘察的風(fēng)險控制

姜英德李 凱樊甜芳張 琦衛(wèi) 星牛 犇

1.遼寧省第七地質(zhì)大隊，遼寧丹東，118003；

2.遼寧省化工地質(zhì)勘查院，遼寧錦州，121000

巖土工程勘察的風(fēng)險控制

姜英德*1李 凱1樊甜芳1張 琦2衛(wèi) 星2牛 犇2

1.遼寧省第七地質(zhì)大隊，遼寧丹東，118003；

2.遼寧省化工地質(zhì)勘查院，遼寧錦州，121000

巖土工程勘察存在著巖土自身和人的認(rèn)知程度兩方面的不確定性，主要的風(fēng)險控制管理點在于解決這兩個不確定性的問題上。再加上認(rèn)真執(zhí)行有關(guān)規(guī)范就可將巖土工程勘查控制在可以接受的范圍之內(nèi)。

巖土工程勘察 不確定性 失效概率 風(fēng)險控制

1 概述

巖土工程是一項系統(tǒng)工作，包括勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測等。從事巖土工程的工程師，關(guān)心的是如何根據(jù)工程目的和地質(zhì)條件，建造滿足使用要求和安全要求的工程或工程之一部分，解決工程建設(shè)中的巖土技術(shù)問題【1】。

作為勘察的對象——巖土體，有著很多不確定性，其主要表現(xiàn)為其自身的和人的認(rèn)知度的不確定性二種。巖土體自身的不確定性表現(xiàn)為層面界限的模糊性和垂向上的變異性是自然的，不可控的；人的認(rèn)知度是通過巖土勘察即鉆探試驗、樣本抽樣、運(yùn)輸、試驗操作、取值等隨機(jī)分布導(dǎo)致的巖土參數(shù)的不確定性，它是個變數(shù)。

通過功能函數(shù)Z=g（X1,X2,…，Xn）是基本變量Xi（i=12…，n）的線性函數(shù)（基本變量Xi既為諸多不確定因素）可實行工程勘察風(fēng)險管理的有效控制，使小樣本估值總體誤差達(dá)到最小，使工程勘察成果達(dá)到最佳。

地基承載力的求法主要是容許應(yīng)力法和單一安全系數(shù)法，在實際工作中應(yīng)采用多種方法，綜合確定，使其誤差控制在10%以內(nèi)，方法的本身已經(jīng)化解了風(fēng)險。

地基承載力主要的風(fēng)險控制管理點在前面的如何解決不確定的兩個主要問題上。這里經(jīng)驗和判斷是必不可少的，再加上認(rèn)真執(zhí)行有關(guān)規(guī)范，就可將巖土工程勘察的風(fēng)險控制在可以接受的范圍之內(nèi)。

2 巖土工程勘察的不確定性

巖土工程勘察的工作對象是眼看不見，手摸不著的半無限空間的地質(zhì)體，地質(zhì)體是在漫長的地質(zhì)歷史中形成的，具有不同成因的巖土體，因此巖土體具有太多的不確定性。其不確定性主要表現(xiàn)在兩個方面，一是巖土體自身的不確定性，二是人的認(rèn)知程度的不確定性。

巖土體自身的不確定性表現(xiàn)為層面界限的模糊性；同一層位于水平或豎直方向上的變異性；從廣義上講，上述的不確定將直接導(dǎo)致諸多巖土參數(shù)的不確定性。人的認(rèn)知程度的不確定性，是因為巖土工程勘察過程中以鉆探試驗為手段，以小樣本抽樣來估計總體的相關(guān)屬性，這就必然帶來概率統(tǒng)計方面的不確定性。另外還有在取樣、運(yùn)輸、樣品制備、試驗操作、取值、計算、測試數(shù)據(jù)隨機(jī)分布，同樣導(dǎo)致巖土參數(shù)的不確定性。

作為地質(zhì)工作者，面對如此多的不確定性，如何抓住主要風(fēng)險管理點，并實行有效控制，使小樣本估計總體誤差達(dá)到最小，應(yīng)是地質(zhì)工作者所追求的目標(biāo)。

3 巖土的工程地質(zhì)問題及風(fēng)險控制管理點

從大巖土概念出發(fā)，地基也是建筑的組成部分，上部結(jié)構(gòu)的全部荷載都通過基礎(chǔ)傳遞到地基，由地基提供的抗力使建筑達(dá)到穩(wěn)定。無論工程性質(zhì)如何，工程對地基和場地都有共同的要求，即地基穩(wěn)定、場地穩(wěn)定。

假定勘察成果為功能函數(shù)Z=g（X1,X2,…，Xn）是基本變量Xi（i=12…，n）的線性函數(shù)，基本變量Xi即為前述諸多不確定因素。這些諸多的不確定性對勘察成果的影響程度是不同的，亦即它們有不同的權(quán)重。那么如何識別對勘察成果有主要影響的因素，并加以有效的風(fēng)險控制，以使勘察的成果達(dá)到最佳，則是屬巖土工程勘察的“概念設(shè)計”的范疇。

在前述兩大類不確定因素中，巖土體自身的不確定性是天然的，不可改變的，模糊的，測不準(zhǔn)的，它對工程的影響也是最主要的。在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)中，土地是最寶貴的資源，建筑往往對場地沒有選擇權(quán)，只有場地適應(yīng)建筑。每一個建筑場地都存在不同的工程地質(zhì)問題，之所以成為問題，是需要人們?nèi)ソ鉀Q它。因此問題本身就成為重要的風(fēng)險管理點。

巖土的工程地質(zhì)問題主要有：巖溶的工程地質(zhì)問題，黃土濕陷性工程地質(zhì)問題，河床漫灘相的流砂、潛蝕和砂土液化問題，厚層沉積盆地的軟弱下臥層問題，地震頻發(fā)區(qū)的場地和地基的穩(wěn)定性問題，基巖山區(qū)的滑坡、崩塌、泥石流問題，巖石地基的軟弱結(jié)構(gòu)面問題，凍土地區(qū)的凍融問題，以及軟土地基的人工治理問題等等。不同的場地可能有不同的工程地質(zhì)問題。但它是客觀存在的，它們往往對地基和場地的穩(wěn)定性的影響起主導(dǎo)作用。概念設(shè)計的理念，就是從宏觀、全局的角度看問題，并加以解決，就能有效的控制巖土工程勘察風(fēng)險。

對任一場地，如何識別判斷存在何種工程地質(zhì)問題，作為地質(zhì)工作者，全憑他知識的積累和經(jīng)驗的判斷。首先提出問題，然后去驗證它，回答是有還是沒有，結(jié)合工程實際，解決具體巖土工程問題，提出地基與基礎(chǔ)設(shè)計方案，并應(yīng)滿足工程適用性、安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)發(fā)展性。

在第二類不確定性因素中，即人的認(rèn)知程度的不確定性，它的風(fēng)險控制管理點存在于對有關(guān)規(guī)范的理解程度和執(zhí)行水平，不同的人是存在差異的。比如在取樣、運(yùn)輸、樣品制備、試驗操作、取值、計算等。不同的人會得出不同的結(jié)果，甚至同一個人，同一個樣品也會得出不同的結(jié)果。巖土參數(shù)大多服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，用概率統(tǒng)計方法，根據(jù)工程需要設(shè)置不同參數(shù)置信水平，得出不同置信水平的參數(shù)統(tǒng)計值。

作為巖土工程師，必須做到的，就是認(rèn)真執(zhí)行有關(guān)規(guī)范，盡量縮小人為因素帶來的誤差，就等于最大限度的控制了風(fēng)險。

4 巖土工程安全度表達(dá)方法

工程建設(shè)應(yīng)滿足工程的適用性，安全性，耐久性，經(jīng)濟(jì)性的可持續(xù)發(fā)展的要求，其中安全性尤為重要。

如今，復(fù)盤犯過的錯和走過的彎路，我卻不得不承認(rèn)——對于創(chuàng)業(yè)者來說，華為的狼性文化在某種程度上非常值得借鑒和學(xué)習(xí)。

有關(guān)安全度的表達(dá)荷載（作用）和抗力是任何工程普遍存在的一對矛盾，為了保證工程安全，抗力對于荷載必須有一定的裕度，這就是安全度。巖土工程安全度有以下幾種表達(dá)方法：

4.1 容許應(yīng)力法【2】

容許應(yīng)力法是在正常使用條件下，比較荷載作用和巖土抗力，要求強(qiáng)度有一定儲備，變形滿足正常使用要求。荷載和抗力取值都是定值，建立在經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上。

地基容許承載力就是容許應(yīng)力法。例如根據(jù)經(jīng)驗給定地基容許承載力200kPa的荷載，就意味著地基所承受200kPa的荷載。且強(qiáng)度有一定儲備，變形滿足正常使用要求，安全度已經(jīng)隱含在其中。該方法更多依賴經(jīng)驗，是有效而實用的方法。

4.2 單一安全系數(shù)法

是將設(shè)計變量視為非隨機(jī)變量，用總安全系數(shù)表達(dá)，即在強(qiáng)度上打一折扣，作為安全儲備。

K=R/S≥[K]（引自參考文獻(xiàn)[2]）

式中，R、S，K和[K]分別為抗力作用，安全系數(shù)和目標(biāo)安全系數(shù)，因抗力作用是定值，所以安全系數(shù)也是定值，也是經(jīng)驗方法。如在土坡穩(wěn)定計算中就用此種方法。

4.3 概率極限狀態(tài)法

整體工程或工程之一部分，超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計規(guī)定的功能要求，這一特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)，各種極限狀態(tài)都有明確規(guī)定的限值。該方法是將巖土及有關(guān)結(jié)構(gòu)置于極限狀態(tài)下，找到某種極限狀態(tài)（承載能力，變形等）時巖土的能力。

地基承載力是工程勘察要給出的重要巖土參數(shù)，也是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計的主要依據(jù)。地基承載力的求法主要是容許應(yīng)力法和單一安全系數(shù)法，上述第三種方法尚不成熟，還未見于規(guī)范中。

關(guān)于地基承載力的名詞與定義見諸于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GBJ7-74，GBJ7-89，GB50007-2002等國際規(guī)范，還有地方規(guī)范，如上海規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》DBJ08-1999，北京規(guī)范，以及行業(yè)規(guī)范，如《港口工程地基規(guī)范》JTJ250-98等。對工民建行業(yè)普遍采用國標(biāo)。

在GBJ7-89及GBJ50007-2002規(guī)范中，傳至基礎(chǔ)底面的壓力采用正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，其對應(yīng)的地基承載力是地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，特征值，實為地基載力容許值。確定的方法有載荷試驗方法，公式計算方法，原位測試方法和查表法等。這些方法均不具有概率上的意義，實則都是經(jīng)驗的。在實際工作中應(yīng)采用多種方法，綜合確定，使其誤差控制在10%以內(nèi)，方法的本身已經(jīng)化解了風(fēng)險，安全度已經(jīng)隱含在其中。

5 巖土工程勘察風(fēng)險控制的主要方法

針對巖土工程本身所存在的不確定性，應(yīng)采用下列方法進(jìn)行風(fēng)險控制：

（1）結(jié)合工程背景、勘察資料、風(fēng)險理論建立一套風(fēng)險預(yù)測系統(tǒng)，巖土工程大多處于復(fù)雜的應(yīng)力場、滲流場等多場耦合的作用之下，可采用理論分析結(jié)合有限元數(shù)值模擬的方法分析巖土體在復(fù)雜地質(zhì)水文條件下所可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險，為風(fēng)險控制打下基礎(chǔ)。

（2）進(jìn)行風(fēng)險反分析研究，根據(jù)允許風(fēng)險的設(shè)計值反演分析某些變量的存在范圍，從而在風(fēng)險控制上找到確實可靠的依據(jù)。

（3）進(jìn)行風(fēng)險轉(zhuǎn)化的量化研究，利用合同進(jìn)行風(fēng)險轉(zhuǎn)嫁，通過勘察設(shè)計單位與業(yè)主或保險公司的合同磋商在造價和風(fēng)險之間找到一個合適的平衡，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

6 結(jié)論

地基承載力固然是重要的巖土系數(shù)，但它是風(fēng)險控制的末端，主要的風(fēng)險控制管理點在前面的如何解決不確定的兩個主要問題上。這里經(jīng)驗和判斷是必不可少的，再加上認(rèn)真執(zhí)行有關(guān)規(guī)范，就可將巖土工程勘察的風(fēng)險控制在人們可以接受的范圍之內(nèi)。“不求計算精確，只求判斷正確”，強(qiáng)調(diào)概念設(shè)計，已是巖土工程界的共識。

1 周德泉，彭柏興，陳永貴，等. 巖土工程勘察技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京：人民交通出版社，2008

2 周福田. 土工試驗及地基承載力監(jiān)測[M]. 北京：人民交通出版社，2000

RISKY CONTROL ON GEOTECHNICAL ENGINEERING EXPLORATION

Jiang Yingde1Li kai1Fan Tianfang1Zhang Qi2Wei Xing2Niu Ben2
1.Liaoning No.7 Geological Team,Dandong, Liaoning,118003,China
2.Chemical and Industrial Geological Exploration Institute of Liaoning Province, Jinzhou , Liaoning ,121000,China

We could control the risky management of geotechnical engineering exploration by solving geotechnical and people cognition uncertainties, as well as executing references carefully.

geotechnical engineering exploration, uncertainty, probability of failure, risky control

TU44

：A

：1006-5296（2010）04-0252-03

* 第一作者簡介：姜英德（1960～），男，水文地質(zhì)、工程地質(zhì)專業(yè)，高級工程師

2010-08-09；改回日期：2010-09-15