巖土工程設(shè)計(jì)分析與探討

彭奇武

【摘要】巖土工程是以求解巖體與土體工程問題，包括地基與基礎(chǔ)，邊坡與土地工程等問題，作為自己的研究對(duì)象。巖土工程設(shè)計(jì)在巖土工程勘察活動(dòng)結(jié)束后，根據(jù)甲方的施工要求，以及場地的地質(zhì)，環(huán)境特征與巖土工程條件，所進(jìn)行的樁基工程，地基工程，邊坡工程，基坑工程等巖土工程施工范疇的方案設(shè)計(jì)與施工圖設(shè)計(jì)。本文通過對(duì)巖土工程設(shè)計(jì)中涉及的有關(guān)項(xiàng)目和內(nèi)容，進(jìn)行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】可靠性;巖土工程設(shè)計(jì);巖土參數(shù);功能與安全;可操作性

Geotechnical Engineering Analysis and Discussion

Peng Qi-wu

（Jiangxi Provincial Bureau of Geology and Geological Team 901PingxiangJiangxi337000）

【Abstract】Geotechnical engineering is solving engineering problems of rock and soil， including foundation and foundation， slope and land engineering and other issues， as their object of study. At the end of geotechnical design geotechnical investigation activities， according to the construction requirements of the Party， and the site geology， geotechnical engineering and environmental characteristics of the condition， pile works carried out， foundation engineering， engineering， excavation and other areas of geotechnical engineering design and construction design. Based on the content of the project and involved in geotechnical design， analyzed and discussed.

【Key words】Reliability;Geotechnical design;Geotechnical parameters;The function and safety;Operability

1. 引言

巖土工程設(shè)計(jì)應(yīng)以最少的投資，最短的工期，達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)安全運(yùn)行，并滿足所有預(yù)定功能，即包括預(yù)定功能要求、安全性和耐久性要求、投資和工期的經(jīng)濟(jì)性要求等三個(gè)方面。

1.1設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素包括設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)預(yù)定的功能、場地條件、巖土性質(zhì)及其變異性、工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工環(huán)境，相鄰工程的影響、施工技術(shù)條件，設(shè)計(jì)實(shí)施的可行性、地方材料資源和投資及工期。

1.2注意場地條件，防治災(zāi)害。

1.3合理選用巖土參數(shù)。

1.4定性分析與定量分析相結(jié)合。

2. 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料

巖土工程的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料，隨具體工程的需要而異。

（1）地形、水文、氣象資料。

（2）巖土工程勘察資料。

（3）建筑結(jié)構(gòu)資料。

（4）其他資料。

3. 巖土工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

3.1對(duì)自然條件的依賴性。巖土工程與自然界的關(guān)系極為密切，設(shè)計(jì)時(shí)必須全面考慮氣象、水文、地質(zhì)、地下條件及其動(dòng)態(tài)變化，包括可能發(fā)生的自然災(zāi)害以及由于興建工程改變自然環(huán)境引起的災(zāi)害，必須特別重視調(diào)查研究，做好巖土工程勘察工作。

3.2巖土性質(zhì)的不確定性。巖土參數(shù)是隨機(jī)變量，變異性寺。而且，不同的測試方法會(huì)得到不同的測試值。差異往往相當(dāng)大，相互間無確定的關(guān)系。故在進(jìn)行巖土工程設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要掌握巖土參數(shù)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。

3.3注重經(jīng)驗(yàn)特別是地方經(jīng)驗(yàn)。近代土力學(xué)與巖石力學(xué)的建立，為巖土工程的計(jì)算和分析提供了理論基礎(chǔ)。但由于巖土性質(zhì)的復(fù)雜多變，以及巖土與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，不得不作簡化，以致預(yù)測和實(shí)際之間有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。鑒于巖土工程計(jì)算的不完善，工程經(jīng)驗(yàn)特別是地方經(jīng)驗(yàn)，在巖土工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予高度重視。

3.4原位測試，實(shí)體試驗(yàn)、原型觀測的特殊地位。取試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)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(yùn)輸、保存、試驗(yàn)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(yīng)用。但是，原位測試一般因應(yīng)力、應(yīng)變條件復(fù)雜，影響因素多，和實(shí)體工程差異大等的原因，難以進(jìn)行理論分析。有些原位測試項(xiàng)目不直接得出設(shè)計(jì)參數(shù).甚至和設(shè)計(jì)參數(shù)沒有物理概念上的聯(lián)系，成果的應(yīng)用帶有很強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性和地區(qū)性。為了避免尺寸效應(yīng)的影響。有時(shí)某些工程要做實(shí)體試驗(yàn)，如足尺的平板載荷試驗(yàn)，樁載荷試驗(yàn)，錨桿抗拔試驗(yàn)等。只要這些試驗(yàn)有足夠的代表性，可以作為巖土工程可靠的最終設(shè)計(jì)依據(jù)。由于設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法不精確性，原型觀測對(duì)于檢驗(yàn)巖土工程設(shè)計(jì)的合理性及監(jiān)測施工的質(zhì)量和安全，有特殊重要的意義。

4. 概念設(shè)計(jì)

4.1概念設(shè)計(jì)的必要性。對(duì)巖土工程的概念設(shè)計(jì)，目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。狹義的概念設(shè)計(jì)可理解為框架設(shè)計(jì);廣義的概念設(shè)計(jì)，是指設(shè)計(jì)思想.設(shè)計(jì)主導(dǎo)理念。一項(xiàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣成敗，設(shè)計(jì)思想最為重要。巖土工程設(shè)計(jì)受諸多不確定因素的影響，單純的計(jì)算一般是不可靠的。因此，雖然巖土力學(xué)理論取得了長足進(jìn)展，計(jì)算方法和設(shè)計(jì)軟件不斷創(chuàng)新，但概念設(shè)計(jì)仍不可忽視。概念是一種思維方式，將認(rèn)識(shí)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(zhì)。概念設(shè)計(jì)要從總體上，從本質(zhì)上把握，對(duì)癥下藥，而不是單純某一經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用，不是單純的截面設(shè)計(jì)，承載力計(jì)算，變形計(jì)算之類，更不是簡單的直觀判斷。概念設(shè)計(jì)時(shí);必須對(duì)原理有深刻的理解，有豐富經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，有靈活動(dòng)作的能力，從主導(dǎo)理念上總攬全局，牢牢掌握影響工程成敗的關(guān)鍵，關(guān)于實(shí)施效果有基本準(zhǔn)確的估計(jì)，不犯概念性錯(cuò)誤。概念創(chuàng)新設(shè)計(jì)則一定有總體上、本質(zhì)上的創(chuàng)新。

4.2安全和功能要求。巖土工程設(shè)計(jì)必須保證工程在使用期間的安全和滿足預(yù)定功能要求，一般包括下列方面：

（1）在正常施工和正常使用條件下.能承受可能出現(xiàn)的各種作用。包括傳至基礎(chǔ)底面的結(jié)構(gòu)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(dòng)力壓力，必要時(shí)還要考慮地震作用，風(fēng)荷載、波浪作用等等。必須保證在各種作用發(fā)生時(shí)，工程具有足夠的安全度。

（2）在正常使用條件下具有良好的工作性能。例如：對(duì)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(duì)于基坑，變形不得危及鄰近建筑物及市政設(shè)施的安全;對(duì)于基坑地下水的控制，應(yīng)保證坑內(nèi)適宜正常施工作業(yè)，確保相鄰工程和周邊環(huán)境不被破壞等等。

（3）在正常維護(hù)條件下具有足夠的耐久性。例如：對(duì)于長期緩慢沉降的地基，應(yīng)考慮工程在整個(gè)使用年限內(nèi)均能滿足變形限制的要求：對(duì)于地下室的防水抗浮設(shè)計(jì)，應(yīng)按使用期間可能出現(xiàn)的最高水位設(shè)計(jì);對(duì)于垃圾填埋場，其防滲襯層的材料和結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證使用年限內(nèi)有效，不致老化、開裂、滲漏;對(duì)于基坑，如需渡過雨季、冬季，應(yīng)保證雨季、冬季的安全;對(duì)于鄰近有重要工程的永久性邊坡，設(shè)計(jì)使用年限不應(yīng)低于受影響的相鄰工程的使用年限等等。

（4）在偶然事件發(fā)生時(shí)或發(fā)生后，仍能保證必需的整體穩(wěn)定性。例如：某些高邊坡、圍堰、垃圾填埋場等，在發(fā)生罕遇地震時(shí)，可能發(fā)生破壞，但不致因整體失穩(wěn)而造成十分嚴(yán)重的后果。

（5）在正常施工、使用和維護(hù)條件下.對(duì)環(huán)境的影響不超過限值;例如：施工噪音，強(qiáng)夯振動(dòng)，擠土效應(yīng)等對(duì)環(huán)境和鄰近工程的影響;降低地下水位造成區(qū)域降落漏斗的影響在已有建筑物側(cè)旁開挖，使既有建筑物產(chǎn)生附加變形，甚至威肋其安全：垃圾填埋場污染物泄漏和運(yùn)移造成環(huán)境污染等等。

5. 注意事項(xiàng)

5.1技術(shù)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(yīng)當(dāng)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(qiáng)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(yīng)造成斷樁、歪樁、浮樁的事故屢有發(fā)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(shí)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(dá)到預(yù)期的效果。某種方法的有效性如何，顯而易見的可以通過直觀經(jīng)驗(yàn)判斷.直觀經(jīng)驗(yàn)難以判斷時(shí)，需通過驗(yàn)算作出結(jié)論。

5.2施工的可操作性和質(zhì)量的可控制性。優(yōu)秀的設(shè)計(jì)要有優(yōu)質(zhì)的施工才能成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)有多種工法可選時(shí)，應(yīng)盡量選用施工簡單，便于操作，施工單位熟悉的有經(jīng)驗(yàn)的工法。設(shè)計(jì)得過于復(fù)雜，會(huì)降低施工的可操作性。巖土工程多為隱蔽工程，質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)十分重要，挖孔樁的廣泛應(yīng)用，原因之一是質(zhì)量易于控制。有的工法雖有明顯的優(yōu)勢，但如質(zhì)量不易控制，也只得放棄。例如粉噴樁曾被一些地方封殺，不許使用，就是在于質(zhì)量不易控制。2002年版的建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，必須配有計(jì)量部門確認(rèn)的粉體計(jì)量裝置及攪拌深度自動(dòng)記錄儀，就是為了解決粉噴樁質(zhì)量的可控制性問題。

5.3環(huán)境限制和負(fù)面影響。環(huán)境條件是巖土工程設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素。環(huán)境條件越嚴(yán)，可選的方案越少。無論何種方案或工法，一般都是有優(yōu)點(diǎn)，有缺點(diǎn)，有其適用的一面，又可能有某些負(fù)面影響。例如：城市中不能采用噪音大的錘擊式預(yù)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(shí)，大量抽排地下水，嚴(yán)重浪費(fèi)寶貴的水資源，不符合可持續(xù)發(fā)展原則;降落漏斗使鄰近工程產(chǎn)生附加沉降等等。

5.4基本資料的完整性和可靠性。巖土工程設(shè)計(jì)應(yīng)有必備的基礎(chǔ)資料。但實(shí)際上，基礎(chǔ)資料不一定每個(gè)項(xiàng)目都十分完整和理想，概念設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分予以注意。例如巖溶發(fā)育地區(qū)地基條件十分復(fù)雜，除了威肋工程穩(wěn)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，也不能完全把各基巖面查得清清楚楚。這就要求在此基礎(chǔ)上做的巖土工程設(shè)計(jì)留出必要的余地，以備施工勘察時(shí)根據(jù)具體情況補(bǔ)充必要的處理措施，對(duì)方案作必要的局部調(diào)整。確定天然地基、復(fù)合地基、樁基的承載力是個(gè)很復(fù)雜的問題，載荷試驗(yàn)被認(rèn)為是比較可靠的方法，但并非每個(gè)工程都能做到。有些工程仍需要根據(jù)土性和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)t。

6. 結(jié)論與建議

由于地質(zhì)條件和巖土參數(shù)不易弄清，巖土工程設(shè)計(jì)常常不能一步到位，事先的定量計(jì)算只是一種估只有原型實(shí)測才最可靠。因此，需與信息化施工配合，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)原則已在邊坡設(shè)計(jì)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，基坑設(shè)計(jì)，堤壩設(shè)計(jì)，地下工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基本方法是：根據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)估計(jì)算一個(gè)預(yù)測目標(biāo)，例如位移（正演）。施工過程中利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)反演設(shè)計(jì)參數(shù)，再用反演所得的參數(shù)正演目標(biāo)，如此反復(fù)，一次比一次更趨正確，在這個(gè)過程中，還可以通過“施工勘察”核查地質(zhì)條件，調(diào)整設(shè)計(jì)方案和施工程序，保證工程安全和經(jīng)濟(jì)，并滿足所有預(yù)定功能，即包括預(yù)定功能要求、安全性和耐久性要求、投資和工期的經(jīng)濟(jì)性要求等三個(gè)方面。

參考文獻(xiàn)

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