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1、2.1 岩土工程设计的特点岩土工程设计的特点 二、岩土性质的不确定性二、岩土性质的不确定性 岩土参数是随机变量，变异性大。而且，岩土参数是随机变量，变异性大。而且，不同的测试方法会得到不同的测试值，差异往不同的测试方法会得到不同的测试值，差异往往相当大，相互间无确定的关系。故在进行岩往相当大，相互间无确定的关系。故在进行岩土工程设计时，不仅要掌握岩土参数及其概率土工程设计时，不仅要掌握岩土参数及其概率分布，而且要了解测试的方法及测试条件与工分布，而且要了解测试的方法及测试条件与工程原型条件之间的差别。程原型条件之间的差别。第1页/共28页2.1 岩土工程设计的特点岩土工程设计的特点 三、注重经
2、验特别是地方经验三、注重经验特别是地方经验 近代土力学与岩石力学的建立，为岩土工程的近代土力学与岩石力学的建立，为岩土工程的计算和分析提供了理论基础。但由于岩土性质的复计算和分析提供了理论基础。但由于岩土性质的复杂多变，以及岩土与结构相互作用的复杂性，不得杂多变，以及岩土与结构相互作用的复杂性，不得不作简化，以致预测和实际之间有时相差甚远。鉴不作简化，以致预测和实际之间有时相差甚远。鉴于岩土工程计算的不完善，工程经验特别是地方经于岩土工程计算的不完善，工程经验特别是地方经验，在岩土工程设计中应予高度重视。验，在岩土工程设计中应予高度重视。第2页/共28页2.1 岩土工程设计的特点岩土工程设计的
3、特点四、四、原位测试、实体试验、原型观测的特殊地位原位测试、实体试验、原型观测的特殊地位(1)取样试验进行室内试验仍是岩土测试的重要手段，取样试验进行室内试验仍是岩土测试的重要手段，但由于小块试样的代表性不足，取试样、运输、保存、但由于小块试样的代表性不足，取试样、运输、保存、试验过程中的扰动，某些岩土无法取试样等问题而显试验过程中的扰动，某些岩土无法取试样等问题而显出它的局限性，故原位测试在岩土工程勘察中被广泛出它的局限性，故原位测试在岩土工程勘察中被广泛应用。但是，原位测试一般因应力、应变条件复杂，应用。但是，原位测试一般因应力、应变条件复杂，影响因素多，和实体工程差异大等原因，难以进行理
4、影响因素多，和实体工程差异大等原因，难以进行理论分析。有些原位测试项目不直接得出设计参数，甚论分析。有些原位测试项目不直接得出设计参数，甚至和设计参数没有物理概念上的联系，成果的应用带至和设计参数没有物理概念上的联系，成果的应用带有很强的经验性和地区性。有很强的经验性和地区性。第3页/共28页2.1 岩土工程设计的特点岩土工程设计的特点四、四、原位测试、实体试验、原型观测的特殊地位原位测试、实体试验、原型观测的特殊地位(2)为了避免尺寸效应的影响，有时某些工程要做实体为了避免尺寸效应的影响，有时某些工程要做实体试验，如足尺的平板载荷试验，桩载荷试验，锚杆抗试验，如足尺的平板载荷试验，桩载荷试验
5、，锚杆抗拔试验等。只要这些试验有足够的代表性，可以作为拔试验等。只要这些试验有足够的代表性，可以作为岩土工程可靠的最终设计依据。岩土工程可靠的最终设计依据。由于设计参数和计算方法的不精确性，原型观测对由于设计参数和计算方法的不精确性，原型观测对于检验岩土工程设计的合理性及监测施工的质量和安于检验岩土工程设计的合理性及监测施工的质量和安全，有特殊重要的意义。全，有特殊重要的意义。第4页/共28页2.2 基本技术要求和设计原则基本技术要求和设计原则一、一、基本技术要求基本技术要求 岩土工程设计应以最少的投资，最短的工期，达到岩土工程设计应以最少的投资，最短的工期，达到设计基准期内安全运行，并满足所
6、有的预定功能要求，设计基准期内安全运行，并满足所有的预定功能要求，包括三个方面：包括三个方面：1.1.预定功能要求；预定功能要求；2.2.安全性和耐久性要求；安全性和耐久性要求；3.3.投资和工期的经济性要求。投资和工期的经济性要求。第5页/共28页2.2 基本技术要求和设计原则基本技术要求和设计原则二、二、设计时应考虑的因素设计时应考虑的因素 1.1.设计基准期内预定的功能；设计基准期内预定的功能；2.2.场地条件、岩土性质及其变化；场地条件、岩土性质及其变化；3.3.工程结构特点；工程结构特点；4.4.施工环境，相邻工程的影响；施工环境，相邻工程的影响；5.5.施工技术条件，设计实施的可行
7、性；施工技术条件，设计实施的可行性；6.6.地方材料资源；地方材料资源；7.7.投资和工期。投资和工期。第6页/共28页2.2 基本技术要求和设计原则基本技术要求和设计原则三、三、注意场地条件，防治灾害注意场地条件，防治灾害 应充分搜集场地的地形、地质、水文、水文地质等应充分搜集场地的地形、地质、水文、水文地质等资料，作为设计的依据。场地可能的自然灾害，如暴资料，作为设计的依据。场地可能的自然灾害，如暴雨、洪水、地震、滑坡、泥石流等，由于工程建设引雨、洪水、地震、滑坡、泥石流等，由于工程建设引起的灾害，如采空塌陷、抽水塌陷、边坡失稳、管涌、起的灾害，如采空塌陷、抽水塌陷、边坡失稳、管涌、突水等
8、，应在勘察、预测和评价的基础上，采取有效突水等，应在勘察、预测和评价的基础上，采取有效防治措施。防治措施。第7页/共28页2.2 基本技术要求和设计原则基本技术要求和设计原则四、四、合理使用岩土参数合理使用岩土参数 选用岩土参数时，应注意岩土体的非均质性、各向异性、参选用岩土参数时，应注意岩土体的非均质性、各向异性、参数测定方法、测定条件与工程原型之间的差异、参数随时间和数测定方法、测定条件与工程原型之间的差异、参数随时间和环境的改变，以及由于工程建设而可能的变化等。环境的改变，以及由于工程建设而可能的变化等。由于岩土参数是随机变量，故在划分工程地质单元的基础由于岩土参数是随机变量，故在划分工
9、程地质单元的基础上，应进行统计分析，算出各项参数的平均值、标准差、变异上，应进行统计分析，算出各项参数的平均值、标准差、变异系数。确定其标准值和设计值。在选定测试方法时，应注意其系数。确定其标准值和设计值。在选定测试方法时，应注意其适用性。适用性。第8页/共28页2.2 基本技术要求和设计原则基本技术要求和设计原则五、五、定性分析和定量分析结合定性分析和定量分析结合 定性分析是岩土工程分析的首要步骤和定量分析的基础。对于下定性分析是岩土工程分析的首要步骤和定量分析的基础。对于下列问题一般只作定性分析：列问题一般只作定性分析：1.1.工程选址和场地适宜性评价；工程选址和场地适宜性评价；2.2.场
10、地地质背景和地质稳定性评价；场地地质背景和地质稳定性评价；3.3.岩土性质的直观鉴定。岩土性质的直观鉴定。定量分析可采用解析法、图解法或数值法，都应有足够的安全定量分析可采用解析法、图解法或数值法，都应有足够的安全储备以保证工程的可靠性。考虑安全储备时，可用定值法或概率法。储备以保证工程的可靠性。考虑安全储备时，可用定值法或概率法。定性分析和定量分析，都应在详细占有资料的基础上，运用成定性分析和定量分析，都应在详细占有资料的基础上，运用成熟的理论和类似工程经验，进行论证，并宜提出多个方案进行比较。熟的理论和类似工程经验，进行论证，并宜提出多个方案进行比较。第9页/共28页2.2 基本技术要求和
11、设计原则基本技术要求和设计原则六、六、注意与结构设计的配合注意与结构设计的配合 在岩土工程设计中，岩土工程师与结构工程师在岩土工程设计中，岩土工程师与结构工程师应密切配合，使岩土工程设计与结构工程设计协应密切配合，使岩土工程设计与结构工程设计协调一致。调一致。第10页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法 工程设计必须保证工程的适用性、安全性、耐久工程设计必须保证工程的适用性、安全性、耐久性、经济性和可持续发展的要求，其中安全性更是首性、经济性和可持续发展的要求，其中安全性更是首当其冲。现在，结构设计已经普遍采用概率极限状态当其冲。现在，结构设计已经普遍采用概率极限状态设计法，用分
12、项系数表达。岩土工程设计由于固有的设计法，用分项系数表达。岩土工程设计由于固有的复杂性和研究积累不足，加上岩土工程涉及到建筑、复杂性和研究积累不足，加上岩土工程涉及到建筑、铁路、公路、港口、水利水电工程等诸多领域，各个铁路、公路、港口、水利水电工程等诸多领域，各个行业部门工程特点不同，使得岩土工程设计至今仍处行业部门工程特点不同，使得岩土工程设计至今仍处于工程类比法、容许应力法、单一安全系数法和概率于工程类比法、容许应力法、单一安全系数法和概率极限状态设计法（可靠度设计）并存阶段。极限状态设计法（可靠度设计）并存阶段。第11页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法一、一、工程类比法
13、工程类比法 第12页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法二、二、容许应力法容许应力法容许应力法是在正常使用条件下，比较荷载作用和岩土抗容许应力法是在正常使用条件下，比较荷载作用和岩土抗力，要求强度有一定储备，变形满足正常使用要求。荷载和抗力，要求强度有一定储备，变形满足正常使用要求。荷载和抗力的取值都是定值，建立在经验的基础上。力的取值都是定值，建立在经验的基础上。地基容许承载力就是容许应力法。例如根据经验给定地基地基容许承载力就是容许应力法。例如根据经验给定地基容许承载力为容许承载力为200kPa200kPa，就意味着地基能够承受，就意味着地基能够承受200kPa200kPa的
14、荷载，的荷载，强度有一定储备，变形满足正常使用要求强度有一定储备，变形满足正常使用要求(除非规定要进行变形除非规定要进行变形验算验算)，安全度已经隐含在其中。但是，到底地基的极限承载力，安全度已经隐含在其中。但是，到底地基的极限承载力多少，隐含的安全度有多大是不清楚的。容许应力法虽然比较多少，隐含的安全度有多大是不清楚的。容许应力法虽然比较粗糙，但在信息不充分，粗糙，但在信息不充分，更多依赖经验的情况下，也是有效而更多依赖经验的情况下，也是有效而实用的方法。实用的方法。第13页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法三、单一三、单一安全系数法安全系数法(1)单一安全系数法就是人们在设
15、计中对诸多不确单一安全系数法就是人们在设计中对诸多不确定性因素不能完全把握，因此从安全的角度出发，定性因素不能完全把握，因此从安全的角度出发，在考虑结构实际允许的承载能力时，常采用将设计在考虑结构实际允许的承载能力时，常采用将设计结构的理论计算承载能力除以一个大于结构的理论计算承载能力除以一个大于1 1的系数的系数K K（安全系数），作为实际结构允许承担的荷载。（安全系数），作为实际结构允许承担的荷载。例如地基承载力验算：例如地基承载力验算：第14页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法三、单一三、单一安全系数法安全系数法(2)安全系数安全系数K K的确定：的确定：长期的经验的积累
16、长期的经验的积累合理的综合判断合理的综合判断工程的类比工程的类比合理的反算合理的反算但是，安全系数并不是定量表示安全性的尺度。但是，安全系数并不是定量表示安全性的尺度。第15页/共28页2.3岩土工程设计方法岩土工程设计方法岩土工程存在着不确定性岩土工程存在着不确定性岩土体结构和岩土材料性能的不确定性；岩土体结构和岩土材料性能的不确定性；裂隙水和孔隙水压力的多变性；裂隙水和孔隙水压力的多变性；岩土信息的随机性、模糊性和不完善性；岩土信息的随机性、模糊性和不完善性；现场与实验室岩土指标的不确定性；现场与实验室岩土指标的不确定性；计算理论和方法的不确定性和不精确性计算理论和方法的不确定性和不精确性
17、；应力变形的机理不清楚。应力变形的机理不清楚。第16页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法四、概率极限状态设计四、概率极限状态设计法法(1)概率极限状态设计法是将工程结构的极限状态概率极限状态设计法是将工程结构的极限状态分为分为承载能力极限状态承载能力极限状态和和正常使用极限状态正常使用极限状态两大类。两大类。按照各种结构的特点和使用要求，给出极限状态方按照各种结构的特点和使用要求，给出极限状态方程和具体的限值，作为结构设计的依据。用结构的程和具体的限值，作为结构设计的依据。用结构的失效概率失效概率或可靠指标度量结构可靠度，在结构极限或可靠指标度量结构可靠度，在结构极限状态方程和
18、结构可靠度之间以概率理论建立关系。状态方程和结构可靠度之间以概率理论建立关系。这种设计方法即为基于概率的极限状态设计法。这种设计方法即为基于概率的极限状态设计法。第17页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法四、概率极限状态设计四、概率极限状态设计法法(2)1 1、承载能力极限状态、承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。承载的变形状态，称为承载能力极限状态。超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功超过该极限状态，结构就不能满足预定的安全性功能要求能要求。第18页/共28页2.
19、3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法四、概率极限状态设计四、概率极限状态设计法法(3)当结构或构件出现下列状态之一时，应认为超过了当结构或构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载承载能力极限状态能力极限状态：（1）结构、构件或其连接因材料强度被超过而破坏（包括）结构、构件或其连接因材料强度被超过而破坏（包括疲劳破坏），或因过度塑性变形而不适于继续承载（如支疲劳破坏），或因过度塑性变形而不适于继续承载（如支挡结构强度破坏、边坡失稳等）；挡结构强度破坏、边坡失稳等）；（2）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如挡土墙）结构整体或其中一部分作为刚体失去平衡（如挡土墙倾覆、滑移等）；倾覆、滑移等）；
20、（3）结构转变为机动体系（如格构锚索中的格构破坏或外）结构转变为机动体系（如格构锚索中的格构破坏或外锚头破坏等）；锚头破坏等）；（4）结构或构件失稳（如压屈、内锚固端系统失效等）。）结构或构件失稳（如压屈、内锚固端系统失效等）。第19页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法四、概率极限状态设计四、概率极限状态设计法法(4)2、正常使用极限状态、正常使用极限状态结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限值的状态称为正常使用极限状态。规定限值的状态称为正常使用极限状态。它是它是判别结构是否满足正常使用和耐久性要判别结构是否满足正常使用和耐久性要求
21、的标准，求的标准，超过该极限状态，结构就不能满足预定超过该极限状态，结构就不能满足预定的适用性和耐久性的功能要求的适用性和耐久性的功能要求。第20页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法四、概率极限状态设计四、概率极限状态设计法法(5)当结构或构件出现下列状态之一时，应认为超当结构或构件出现下列状态之一时，应认为超过了过了正常使用极限状态正常使用极限状态：（1）影响正常使用或外观的过大变形；）影响正常使用或外观的过大变形；（2）影响正常使用或耐久性能的局部损坏）影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括（包括裂缝）裂缝）；（3）影响正常使用的振动；）影响正常使用的振动；（4）影响正常使
22、用的其它特定状态。）影响正常使用的其它特定状态。第21页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法四、概率极限状态设计四、概率极限状态设计法法(6)3 3、可靠度与失效概率、可靠度与失效概率可靠度是评价工程结构可靠性的指标，其定义为在可靠度是评价工程结构可靠性的指标，其定义为在规定的时间内和在规定的条件下，工程结构完成预规定的时间内和在规定的条件下，工程结构完成预定功能的概率，用定功能的概率，用P Pr r表示。若在规定的时间内和在表示。若在规定的时间内和在规定的条件下，结构不能完成预定的功能，则称相规定的条件下，结构不能完成预定的功能，则称相应的概率为工程结构的失效概率，用应的概率为
23、工程结构的失效概率，用P Pf f表示。表示。第22页/共28页2.3 岩土工程设计方法岩土工程设计方法四、概率极限状态设计四、概率极限状态设计法法(7)3 3、可靠度与失效概率、可靠度与失效概率假设抗力（或强度）假设抗力（或强度）R R 和荷载效应和荷载效应 S S（或应力）为两个独立（或应力）为两个独立的随机变量，且服从某种分布形式，并设荷载的随机变量，且服从某种分布形式，并设荷载 S S 和抗力和抗力 R R 为连续型随机变量，其概率密度函数分别为为连续型随机变量，其概率密度函数分别为f fs(S)s(S)和和f fR R(R)(R)，那么，当抗力那么，当抗力R R小于作用在其上的荷载效
24、应小于作用在其上的荷载效应S S时则认为发生失时则认为发生失效。失效概率可按下列的任何一种方式阐述：效。失效概率可按下列的任何一种方式阐述：由概率理论可知由概率理论可知或或第23页/共28页2.4 荷载及其作用效应组合荷载及其作用效应组合 荷载荷载S 和抗力和抗力R 是工程设计中的两个基本变量。是工程设计中的两个基本变量。各类工程结构如建筑、桥梁、输电塔等，其最重要各类工程结构如建筑、桥梁、输电塔等，其最重要的功能，就是承受其生命全过程中可能出现的各种的功能，就是承受其生命全过程中可能出现的各种荷载。结构设计时，应考虑哪些荷载及荷载取值的荷载。结构设计时，应考虑哪些荷载及荷载取值的大小，将直接
25、影响结构工作时的安全性。因此，工大小，将直接影响结构工作时的安全性。因此，工程结构的设计荷载有哪些，这些荷载产生的背景，程结构的设计荷载有哪些，这些荷载产生的背景，各种荷载的取值和计算方法以及荷载组合等，是每各种荷载的取值和计算方法以及荷载组合等，是每一位土木工程师所应具备的基本专业知识。一位土木工程师所应具备的基本专业知识。第24页/共28页2.4 荷载及其作用效应组合荷载及其作用效应组合 各类工程的设计对象不同，其承受的荷载作用各类工程的设计对象不同，其承受的荷载作用也各有特点，各种荷载变化的程度不同，对结构的也各有特点，各种荷载变化的程度不同，对结构的影响也不尽相同，因而荷载取值难以有完
26、全统一的影响也不尽相同，因而荷载取值难以有完全统一的规定。目前，国内针对各类工程结构的设计规范中，规定。目前，国内针对各类工程结构的设计规范中，对荷载的分类、取值均有专门规定；这些规定既有对荷载的分类、取值均有专门规定；这些规定既有共性，也有特性。同时，荷载取值必然与工程对象共性，也有特性。同时，荷载取值必然与工程对象的使用期限、对安全性的要求等密切相关，也要与的使用期限、对安全性的要求等密切相关，也要与具体的设计计算方法互相匹配。具体的设计计算方法互相匹配。第25页/共28页2.4 荷载及其作用效应组合荷载及其作用效应组合一、岩土工程中常见的荷载种类一、岩土工程中常见的荷载种类（1 1）上部
27、结构传下来的荷载；）上部结构传下来的荷载；（2 2）岩土体的自重；）岩土体的自重；（3 3）土压力；）土压力；（4 4）水压力；）水压力；（5 5）地震作用力；）地震作用力；（6 6）其它作用力。）其它作用力。第26页/共28页2.4 荷载及其作用效应组合荷载及其作用效应组合二、荷载效应组合二、荷载效应组合二、荷载效应组合二、荷载效应组合荷载效应组合：荷载效应组合：按照概率统计和可靠度理论把各种荷载按照概率统计和可靠度理论把各种荷载效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。效应按一定规律加以组合，就是荷载效应组合。不同的工程领域，对荷载效应组合有不同的规定，应遵不同的工程领域，对荷载效应组合有不同的规定，应遵循各自工程领域的相应规范。见书循各自工程领域的相应规范。见书P2425.P2425.第27页/共28页感谢您的观看。第28页/共28页