巖土工程設計基本原則

設計的任務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)是兩種性質不同的極限狀態(tài)控制方法。對應于結構或結構構件達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)。對應于結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規(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)可理解為結構或構件達到使用功能上允許的某個限值的狀態(tài)，例如，某些構件必須控制變形、裂縫才能滿足使用要求。因為過大的變形會造成如房屋內粉刷層剝落、填充墻和隔離墻開裂及防水結構滲水等現(xiàn)象。

正常使用極限狀態(tài)的設計理論為容許承載力理論。對應的表達式為：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《建筑地基基礎設計規(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，為相應于s/b<0.01時的荷載。

承載能力極限狀態(tài)可理解為結構或結構構件發(fā)揮允許的承載能力的狀態(tài)。結構構件由于塑性變形而使其幾何狀態(tài)發(fā)生顯著改變，雖未達到承載能力，但已經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作用而達到的承載能力極限狀態(tài)。在承載能力極限狀態(tài)中有2種設計理論，即單一系數(shù)法和分項系數(shù)法。對應的表達式為：

系數(shù)法：p<fu/K

分項系數(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的分項系數(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的極限值除以系數(shù)（K=2）

在分項系數(shù)法中，是將荷載的標準值乘以一個大于1 的分項系數(shù)，抗力的標準值除以一個大于 1 的分項系數(shù)。分項系數(shù)法實際上是基于可靠度理論的，對于隨機分布的變量荷載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事件，破壞的概率決定于兩個隨機變量的均值(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，然后通過經濟、社會、技術的風險分析，給出合理的設計值。我國頒布的標準規(guī)定，對于各種結構設計應遵循該理論方法。

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) ，所以應當說分項系數(shù)法設計是更合理、更“科學”的。

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

巖士工程不能與結構工程一樣普遍采用分項系數(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)場與實驗室?guī)r士指標的不一致性；

(3) 現(xiàn)場原位應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) 巖土材料性質的復雜性及參數(shù)的相關性;

(6) 計算理論和方法的不確定性。

這些特點使可靠度的應用產生了很大的困難，可靠度應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。