岩土工程评价与设计讲座之一(上)

岩土工程评价与设计方法讲座 第一部分岩土工程评价方法,同济大学 高大钊 2011年3月,引 言,2010年6月，《岩土工程勘察与设计》岩土工程疑难问题答疑笔记整理之二脱稿交付人民交通出版社出版。这本书与《土力学与岩土工程师》岩土工程疑难问题答疑笔记整理之一是姐妹篇，共同记叙了六年来，我国岩土工程界网友在中国工程勘察信息网上，切磋、讨论技术问题的主要历程和内容，共约100余万字篇幅。,概括起来，这两本书里，网友提出了四个类型的问题：现行体制与岩土工程体制、岩土工程师需要的土力学素养、岩土工程勘察、岩土工程设计。 其中，岩土工程勘察包括钻探、原位测试、土工试验等勘探的实务工作和资料分析、综合评价工作两个部分。,在前几年，一些兄弟单位、地方协会和培训机构组织的讲座中，我比较多地讲了前面的三个问题，即体制问题、岩土工程师的土力学素养和岩土工程勘察的实务工作。 第二本书出版以后，一些朋友希望我讲一讲这本书中关于勘察工作中的岩土工程评价和岩土工程设计的问题。由于内容比较多，将分为两个部分，第一部分为岩土工程评价方法，第二部分为岩土工程设计方法。,第一部分 岩土工程评价方法,一. 岩土工程评价与岩土工程设计的基本要求 二. 岩土工程设计参数的统计分析与评价方法 三. 地下水位评价与地下室抗浮验算方法,四. 抗剪强度指标的评价与大面积堆载的稳定性验算 五. 勘察报告中的岩土工程评价 六. 岩土工程设计荷载取值与安全度控制方法 七. 基础方案建议与地基基础设计的基础选型,第二部分 岩土工程设计方法,一. 浅基础设计的地基承载力问题 二. 地基基础设计的变形控制方法 三. 单桩、群桩的承载力与桩基础设计 四. 地基处理的方案选择与设计控制,五. 边坡稳定性分析与土压力计算 六. 基坑工程方案设计与事故分析 七. 地基基础抗震评价与抗震设计,一. 岩土工程评价与岩土工程设计的基本要求,《岩土工程勘察规范》对勘察报告的内容提出了如下的规定： 1. 勘察目的、任务要求和依据的技术标准； 2. 拟建工程概况； 3. 勘察方法和勘察工作布置； 4. 场地地形、地貌、地质构造、岩土性质及其均匀性；,5. 各项岩土性质指标，岩土强度参数、变形参数、地基承载力的建议值； 6. 地下水埋藏情况、类型、水位及其变化； 7. 土和水对建筑材料的腐蚀性； 8. 可能影响工程稳定性的不良地质作用的描述和对工程危害程度的评价； 9. 场地稳定性和适宜性的评价。,上述9项要求中，第4～第9项的要求都是分析、评价。评价构成了岩土工程勘察报告的基本内容和结论。 但什么是分析、评价？ 分析、评价的目的是什么？ 怎样做分析、评价？ 评价与设计有什么区别？ 这些都是我们需要弄清楚的问题。,在现实的勘察工作中，至少在我的论坛上所反映出来的问题中，显示了部分业内人士在不同程度上存在着一些值得重视的问题： 1. 对参数统计评价的基本前提不是很清楚，例如：力学层与地质体之间是什么样的关系？对力学层为什么要作均质体的假定？什么是异常数据？异常数据如何剔除？如何使用经验关系？,2. 对岩土工程评价与岩土工程设计的区别不是很清楚，例如：评价与设计的前提条件有什么区别？评价的前提是对地质条件的探明，而设计的前提是明确工程条件；评价为设计提供对地质条件的理性认识；评价时进行一些计算的目的是什么？什么是适度量化和有条件的量化? 评价的结论与设计的结果有什么不同？评价是对现有地质条件的分析和预测；设计是对拟建工程的谋划与安排。,3. 岩土工程勘察的审图应该把握什么问题，是否存在过度的定量计算的要求？评价的深度如何掌握？如何正确地理解《岩土工程勘察规范》对岩土工程评价的要求？在勘察阶段能否以设计规范作为审图的依据？评价的依据是勘察规范，而设计的依据是设计规范，两者不能混淆。,二. 岩土工程设计参数的 统计分析与评价方法,岩土工程参数统计分析与取值是岩土工程勘察内业工作的重要组成部分，是对原位测试和室内试验的数据进行处理、加工，从中提出代表性的设计、施工参数，作为岩土工程勘察分析评价的重要依据。,基本观点,由于岩土体是自然形成的，其成分、结构和构造都是随机的和不确定的，勘察时的钻孔或原位测试所取得的土样或数据都有相当大的偶然性，采样必然带有随机性。因此，岩土工程参数的分析方法必须建立在随机数学的基础上，采用统计的方法获得具有代表性的参数，对于所得到的岩土工程参数也只能从统计的概念上去理解，才能正确地使用。,参数分析的内容,岩土工程参数分析的内容包括对原始数据的误差分析和有效数字的取舍，数据统计特征的分析，平均值和标准值的计算，参数间经验公式的建立及其图表表示方法。,6.1如何理解参数的统计修正系数,6.1.A统计修正系数计算时，公式括号中的正负号如何选择？不利组合具体情况下怎么考虑？除了抗剪强度取负值外，还有那些指标通常取负值？或那些指标可以取负值。另外，统计修正系数一般情况下在0.75～1之间，如果计算出来是负数或大于1，是不是计算结果就不能用了呢？ 6.1.B对于岩土参数的统计规范有规定，对于原位测试该怎么统计呢，是按照规范的公式，还是按平均值－1.645 ？,统计修正系数是对土性指标的平均值因变异性而进行的修正，平均值乘以修正系数以后称为标准值，标准值是具有概率意义的代表性数值或者称为取用值。,岩土参数的标准值是岩土工程设计的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。对岩土设计参数的估计，实质上是对总体平均值作置信区间估计。在勘察工作中取土试样或者作原位测试测定岩土的性状和行为，其目的是希望了解岩土体的总体的性状和行为，取土试验或作测试工作是一种抽样的手段，而非目的。抽样所得的子样，包括试验的结果和原位测试的结果都是抽样得到的子样，这些子样并非我们的终极目标。,例如，我们取土作三轴试验，求得的强度指标仅是所取的土样的性状，这些指标在多大程度上反映了整个土层的实际性状呢？我们感兴趣的不是几筒土样，而是整个土层，需要了解的是整个土层强度的平均趋势，亦就是需要了解强度指标的总体。,如何从子样的数据中得出关于总体的结论呢？这种方法在统计学中称为统计推断，就是从有限的样品的结果出发来估计总体的特征，从特殊的抽样数据来推断一般的总体特征的方法。 在采用统计学区间估计理论基础上，可以得到的关于参数总体平均值置信区间的单侧置信界限值：[2],,,子样的变异系数由子样的标准差求得： 空间均值的变异系数为空间均值的标准差与空间均值之比：,标准差折减系数可用随机场理论方法求得，其表达式为： e－相关距离 h－计算空间的范围,考虑到随机场理论方法尚未完全实现实用化，在实际工程应用时，可以采用下面的近似公式计算标准差的折减系数： 得到近似的实用公式：,式中t为统计学中的学生氏函数的界限值, 一般取置信概率为5%。学生氏函数t与样本容量n的关系见表,为了便于应用，也为了避免工程上误用统计学上的过小样本容量（如n=2、3、4等），在规范中不宜出现学生氏函数的界限值。因此，在1980年代编制《建筑地基基础设计规范》和《岩土工程勘察规范》时，通过数据拟合方法求得了下面的近似公式：,需要结合岩土工程实际问题讨论统计学的区间估计理论和置信界限的物理意义。 岩土工程设计参数的代表性取值为什么要取区间估计理论的置信界限呢？岩土工程师是在有限信息的条件下，或者说在信息很不完备的情况下要对岩土体的性状作出估计，包括对地质条件的估计、对设计参数的估计、对工程问题的估计。 这里用的是“估计”的词汇，而不是“确定”或“计算”之类的词。为什么？,