岩土工程设计方法讲座（上）

岩 土 工 程 勘 察与设 计讲座 之二 同济大 学 高大钊 2011 年11 月 岩 土 工程设计 上 引 言  在 中 国工程勘 察信息 网的专栏 中， 提出 了 许 多疑难问 题，在 答疑和讨 论的 过程 中 ， 积累了不 少的资 料，出版 了 土力 学 与 岩土工程 师和 岩土工 程勘 察与 设 计 两本书 ，主办 单位提出 围绕 这两 本 书 的主题开 展讲座 ，也是一 个很 好的 思 路 ，值得尝 试。  在2009 年～2010 年，主要 环绕岩土工 程 勘 察规范局部修 订的宣讲，讲 了岩 土 工 程实务工作的一 些问题，即勘 察方 案 的 编制、勘探孔的 深度和平面布 置、 取 样 数量、土 工试验 和原位测 试、 地下 水 勘 察、土和 水对建 筑材料腐 蚀性 评价 等 问 题。2010 年底至今 年上半 年，主要 讲 解 岩土工程评价方 法。从现在开 始， 将 讲 解岩土工程设计 方法。 第 二 部分 岩土工程设计  一. 岩 土 工 程 设计的力学 基础  二. 浅 基 础 设 计的地基承 载力问题  三. 地 基 基 础 设计的变形 控制方法  四. 单 桩 、 群 桩的承载力 与桩基础设 计  五. 地 基 处 理 的方案选择 与设计控制  六. 边 坡 稳 定 性分析与土 压力计算  七. 基 坑 工 程 方案设计与 事故分析  八. 地 基 基 础 抗震评价与 抗震设计 一. 岩 土 工 程设计 的力学基础  1. 岩土工程设计是工程 结构设计的一 部分  2. 岩 土工程师 必需的力 学知识复 习 岩土工程设计是 工 程 结 构 设 计 的一 部分  岩 土 工程是主 体工程 的一部分 没 有 主体工程 就没 有岩土工 程问 题；不 存 在 没有岩土工程的 主体工程  岩 土 工程与结 构工程 的相互依 赖与 统一 结 构 工程的安 全与 耐久性依 赖于 岩土工 程 的 质量；岩 土工程 的规模与 难度 取决 于 结 构工程的 规模与 技术要求  岩 土 工程设计 与结构 工程设计 的异 同  它们同属于工程学 的 范畴，都要满 足工 程 力 学的基本 规律， 都要满足 工程 建设 的 控 制要求， 都采用 工程设计 的方 法。  岩 土 工程设计 对象有 两类，第 一类 是对 岩 土 体的设计 计算 ， 第二类是 对与 岩土 体 相 互作用的 结构物 的设计计 算 ， 如基 础 、 地下室、 围护结 构、支锚 结构 等。  在 设 计原则上 存在差 异，结构 设计 的概率 极 限 状态设计 实用方 法已经标 准化 ，但岩 土 工 程中的第 一类设 计的概率 极限 状态设 计 方 法还不太成熟， 较多的规范采 用安全 系 数 法甚至是容许应 力法设计。  在 安 全度控制方法上 存在差异，结 构设计 的 作 用与抗力 ，都可 以由技术 标准 规定数 值 来 加以严格 控制， 而岩土工 程设 计中涉 及 岩 土体所产 生的作 用与抗力 ，其 数值无 法 由 技术标准的规定 所控制。  由 于岩土体是自然地 质体，与自然 条件密 切 相关，岩土工程设 计的作用与抗 力是按 岩 土体的物理力学参 数进行计算的 结果， 具 有 极强的 地区性 。  在 太沙基岩土工程体 制下，岩土工 程设计 是 由岩土工程事务所 承担的，是岩 土工程 咨 询顾问工作的一部 分 ，从前期的 地质调 查 、工程设计到施工 监测与检测， 都是岩 土 工程事务所的一揽 子全过程服务 范围。  在 我国勘察、设计体 制下，岩土工 程勘察 与 设计是 分离的 ，由 专门的勘察队 伍从事 岩 土工程勘察工作， 而岩土工程设 计则是 分 散在不同 的单位， 结构性比 较强 的地基 基 础设计工 作一般由 上部结构 设计 单位完 成 ，而且呈 现比较明 显的 行业性 ； 独立性 比 较强的边 坡整治工 作一般由 勘察 单位完 成 ；基坑工 程设计则 分散在各 种不 同的单 位 ，岩土工 程勘察单 位也有承 担设 计任务 的。 岩 土 工程设计的特 点  岩 土 工程设计的任务 是处理工程结 构与地 质 条 件的协调，力学 平衡、变形协 调。  一 类 是由于建筑物的 存在（如地下 工程） 及 其 荷载施加于岩土 体所产生的工 程问题 ； 另 一类是治 理岩土 体的不稳 定性 所产生 的 工 程问题， 包括采 用结构的 方法 所产生 的 岩 土体与结构的相 互作用。 地 基 基 础 设计的基本 假 定 设 计 与力学计算的 关 系  设 计 不等同于 计算。  设 计 包括概念 设计、 方案设计 、构 造设 计 和 在力学计 算基础 上的构件 尺寸 的确 定 或 在预定尺 寸以后 的验算。  力 学 计算仅是设计过 程中的一部分 ，或 者 是 设计的一 种定量 验算的方 法。  对 计 算软件的 正确使 用。 2. 岩土工程师必需力 学知 识复 习  如 何 将一个工程问题 ，正确地抽象 简化为 力 学 的计算模式，是 工程师的基本 素养；  也 是 正确处理工程问 题和进行工程 计算的 基 本 条件，例如等值 梁法；  对 技 术标准的 一些规 定和计算 公式 的正确 理 解 和运用也需要具 有一定的力学 基础知 识 ， 例如大、小偏心 的基底反力计 算。  2.1 解 平衡方程 求未知数－平 面力系  2.2 结 构的约束 条件（支座反 力）  2.3 根 据平衡条 件求解支 座反 力  2.4 内 力分析的 截面法  2.5 受 弯构件的 正截面应 力分 布  2.6 静 定与超静 定问题 平 面 力系的平衡条 件  X ＝0 ， Z ＝0 ， M ＝0 X Z 2.1 解 平 衡方程求未 知数  如 果 一物体在 三个互 不平行的 共面 力作 用 下 而处于平 衡状态 ，则三个 力的 作用 线 必 交于一点 ；  这 就 是三力平 衡定理 ；  是 工 程师最基本的一 个力学概念。 库 仑 土压力的力三 角 形解法 W E R R W E      根 据 楔体平衡 条件求 解  已 知 楔体重力W 的 大小与方向  已知土压力的反力E 的方向（ 与墙面法 线夹 角 ， 即墙面与土的摩 擦角，已知） ，但大 小未知  已 知 滑动面上 的阻力R 的方向（ 与 滑动面 法 线 夹角，即 土的摩 擦角，已 知） ，但大 小未知  由 楔 体平衡条 件知三 个力必交 于楔 体重 心 ， 即力三角 形闭合 ；  运 用 三角函数 的关系 ，即可求 解未 知数 ， 求 得土体和 挡土结 构物之间 接触 压力 的 合 力； 2.2结构的约束条件（支座 反力 ） 竖 向 与水平向同时约 束 竖 向 约束 竖 向 与转动两个约 束 2.3根据平衡条件求解支座 反力  对 平 面力系， 具有三 个约束条 件的 满足 静 定 结构的条 件；  如 果 少于三个 约