巖土工程設(shè)計基本原則

設(shè)計的任務(wù)是將建筑物的工作狀態(tài)與極限狀態(tài)之間保持一個足夠充分的儲備，以保證建筑物的承載力或正常使用的要求都得到滿足。承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)是兩種性質(zhì)不同的極限狀態(tài)控制方法。對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到承載力或不適于繼續(xù)承載的變形的狀態(tài)稱為承載力極限狀態(tài)。對應(yīng)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。

一、正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)可理解為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到使用功能上允許的某個限值的狀態(tài)，例如，某些構(gòu)件必須控制變形、裂縫才能滿足使用要求。因?yàn)檫^大的變形會造成如房屋內(nèi)粉刷層剝落、填充墻和隔離墻開裂及防水結(jié)構(gòu)滲水等現(xiàn)象。

正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計理論為容許承載力理論。對應(yīng)的表達(dá)式為：p<fa。式子中，fa為容許承載力，p為基底壓力。

容許承載力是確保地基不發(fā)生剪切破壞而失穩(wěn)，同時又保證建筑物的沉降不超過允許值的荷載。在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中，這一承載力是采用控制地基中塑性區(qū)發(fā)展的修正p1/4計算的，也可以通過靜力載荷試驗(yàn)，為相應(yīng)于s/b<0.01時的荷載。

承載能力極限狀態(tài)可理解為結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)揮允許的承載能力的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于塑性變形而使其幾何狀態(tài)發(fā)生顯著改變，雖未達(dá)到承載能力，但已經(jīng)徹底不能使用也屬于這種狀態(tài)。疲勞破壞是在使用中由于荷載多次重復(fù)作用而達(dá)到的承載能力極限狀態(tài)。在承載能力極限狀態(tài)中有2種設(shè)計理論，即單一系數(shù)法和分項(xiàng)系數(shù)法。對應(yīng)的表達(dá)式為：

系數(shù)法：p<fu/K

分項(xiàng)系數(shù)法：S<R, S=?S*Sk , R=RK/ ?R

其中，p為基底壓力，fu為極限承載力，K為系數(shù)；?R和?S為荷載抗力和荷載效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)。

在單一系數(shù)法中，承載力特征值fa是通過極限承載力公式或者靜力載荷試驗(yàn)的極限值除以系數(shù)（K=2）

在分項(xiàng)系數(shù)法中，是將荷載的標(biāo)準(zhǔn)值乘以一個大于1 的分項(xiàng)系數(shù)，抗力的標(biāo)準(zhǔn)值除以一個大于 1 的分項(xiàng)系數(shù)。分項(xiàng)系數(shù)法實(shí)際上是基于可靠度理論的，對于隨機(jī)分布的變量荷載Sk 和抗力RK，有多少可能性荷載大于抗力而失事也是一個隨機(jī)事件，破壞的概率決定于兩個隨機(jī)變量的均值(眾值，中值及某個分位值)及其分布。其失事概率可用可靠度指標(biāo)表示，例如可靠度系數(shù)為?=3.0 ，則表示失效概率為9.4/10000 ，它明確地給出失效的概率，然后通過經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)的風(fēng)險分析，給出合理的設(shè)計值。我國頒布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于各種結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遵循該理論方法。

在圖 2 的兩種情況下，正態(tài)分布的荷載與抗力的中值都是相同的，用單一系數(shù)法設(shè)計，其系數(shù)也相同，但是失事的概率不同(見圖 2 中的陰影部分) ，所以應(yīng)當(dāng)說分項(xiàng)系數(shù)法設(shè)計是更合理、更“科學(xué)”的。

我國現(xiàn)行規(guī)范的主體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主要采用分項(xiàng)系數(shù)法，而現(xiàn)行規(guī)范的巖土工程設(shè)計原則大多是多種設(shè)計方法并用。

巖士工程不能與結(jié)構(gòu)工程一樣普遍采用分項(xiàng)系數(shù)法，是由其特殊性決定的。巖土工程的特殊性包括：

(1) 地層土與地下水分布的不確定性；

(2) 現(xiàn)場與實(shí)驗(yàn)室?guī)r士指標(biāo)的不一致性；

(3) 現(xiàn)場原位應(yīng)力與孔隙水壓力的不確定性；

(4) 外加荷載及其分布的不確定性;

(5) 巖土材料性質(zhì)的復(fù)雜性及參數(shù)的相關(guān)性;

(6) 計算理論和方法的不確定性。

這些特點(diǎn)使可靠度的應(yīng)用產(chǎn)生了很大的困難，可靠度應(yīng)用于巖土工程還需要資料的積累和科技發(fā)展，需要巖土工程師的不懈努力。