蘭中孝

【摘 要】巖土工程設(shè)計(jì)包括使用年限內(nèi)預(yù)定的功能、場(chǎng)地條件、巖土性質(zhì)及其變異性、工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、施工環(huán)境，相鄰工程的影響、施工技術(shù)條件，設(shè)計(jì)實(shí)施的可行性、地方材料資源和投資及工期。

【關(guān)鍵詞】巖土工程設(shè)計(jì)；概念設(shè)計(jì)；巖土參數(shù)；應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】TU4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）03-0239-01

1、巖土工程設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

1.1對(duì)自然條件的依賴性

巖土工程與自然界的關(guān)系極為密切，設(shè)計(jì)時(shí)必須全面考慮氣象、水文、地質(zhì)、地下條件及其動(dòng)態(tài)變化，包括可能發(fā)生的自然災(zāi)害以及由于興建工程改變自然環(huán)境引起的災(zāi)害，必須特別重視調(diào)查研究，做好巖土工程勘察工作。

1.2巖土性質(zhì)的不確定性

巖土參數(shù)是隨機(jī)變量。而且，不同的測(cè)試方法會(huì)得到不同的測(cè)試值。差異往往相當(dāng)大，相互間無(wú)確定的關(guān)系。故在進(jìn)行巖土工程設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要掌握巖土參數(shù)及其概率分布，而且要了解測(cè)試的方法及測(cè)試條件與工程原型條件之間的差別。

1.3注重經(jīng)驗(yàn)特別是地方經(jīng)驗(yàn)

近代土力學(xué)與巖石力學(xué)的建立，為巖土工程的計(jì)算和分析提供了理論基礎(chǔ)。但由于巖土性質(zhì)的復(fù)雜多變，以及巖土與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，不得不作簡(jiǎn)化，以致預(yù)測(cè)和實(shí)際之間有時(shí)相差甚遠(yuǎn)。鑒于巖土工程計(jì)算的不完善，工程經(jīng)驗(yàn)特別是地方經(jīng)驗(yàn)，在巖土工程設(shè)計(jì)中應(yīng)予高度重視。

1.4原位測(cè)試、實(shí)體試驗(yàn)、原型觀測(cè)的特殊地位

取試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)仍是巖土測(cè)試的重要手段，但由于小塊試樣的代表性不足，取試樣、運(yùn)輸、保存、試驗(yàn)過(guò)程中的擾亂，某些巖土無(wú)法取試樣等問(wèn)題而顯出它的局限性，故原位測(cè)試在巖土工程勘察中被廣泛應(yīng)用。但是，原位測(cè)試一般因應(yīng)力、應(yīng)變條件復(fù)雜，影響因素多，和實(shí)體工程差異大等的原因，難以進(jìn)行理論分析。

由于設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法不精確性，原型觀測(cè)對(duì)于檢驗(yàn)巖土工程設(shè)計(jì)的合理性及監(jiān)測(cè)施工的質(zhì)量和安全，有特殊重要的意義。

2、概念設(shè)計(jì)

2.1概念設(shè)計(jì)的必要性

一項(xiàng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣成敗，設(shè)計(jì)思想最為重要。巖土工程設(shè)計(jì)受諸多不確定因素的影響，單純的計(jì)算一般是不可靠的。因此，雖然巖土力學(xué)理論取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，計(jì)算方法和設(shè)計(jì)軟件不斷創(chuàng)新，但概念設(shè)計(jì)仍不可忽視。概念是一種思維方式，將認(rèn)識(shí)過(guò)程中感受到事物的共同特征抽象出來(lái)，加以概括，就是概念。所以概念反映的不是事物的表面，不是事物的片面，而是事物的本質(zhì)。

2.2安全和功能要求

巖土工程設(shè)計(jì)必須保證工程在使用期間的安全和滿足預(yù)定功能要求，一般包括下列方面：

a.在正常施工和正常使用條件下，能承受可能出現(xiàn)的各種作用。包括傳至基礎(chǔ)底面的結(jié)構(gòu)荷載，邊坡、基坑、地下工程的巖土壓力，地下水的靜水壓力和動(dòng)力壓力，必要時(shí)還要考慮地震作用，風(fēng)荷載、波浪作用等等。必須保證在各種作用發(fā)生時(shí)，工程具有足夠的安全度。

b.在正常使用條件下具有良好的工作性能。例如：對(duì)于建筑物地基，變形（沉降、差異沉降、傾斜、局部?jī)A斜）不得超過(guò)限值；對(duì)于基坑，變形不得危及鄰近建筑物及市政設(shè)施的安全；對(duì)于基坑地下水的控制，應(yīng)保證坑內(nèi)適宜正常施工作業(yè)，確保相鄰工程和周邊環(huán)境不被破壞等等。

c.在正常維護(hù)條件下具有足夠的耐久性。例如：對(duì)于長(zhǎng)期緩慢沉降的地基，應(yīng)考慮工程在整個(gè)使用年限內(nèi)均能滿足變形限制的要求；對(duì)于地下室的防水抗浮設(shè)計(jì)，應(yīng)按使用期間可能出現(xiàn)的最高水位設(shè)計(jì)；對(duì)于垃圾填埋場(chǎng)，其防滲襯層的材料和結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證使用年限內(nèi)有效，不致老化、開(kāi)裂、滲漏；對(duì)于基坑，如需渡過(guò)雨季、冬季，應(yīng)保證雨季、冬季的安全；對(duì)于鄰近有重要工程的永久性邊坡，設(shè)計(jì)使用年限不應(yīng)低于受影響的相鄰工程的使用年限等等。

d.在正常施工、使用和維護(hù)條件下，對(duì)環(huán)境的影響不超過(guò)限值；例如：施工噪音，強(qiáng)夯振動(dòng)，擠土效應(yīng)等對(duì)環(huán)境和鄰近工程的影響；降低地下水位造成區(qū)域降落漏斗的影響；在已有建筑物側(cè)旁開(kāi)挖，使既有建筑物產(chǎn)生附加變形，甚至威脅其安全；垃圾填埋場(chǎng)污染物泄漏和運(yùn)移造成環(huán)境污染等等。

2.3設(shè)計(jì)條件的概化

概化是將復(fù)雜的具體事物，通過(guò)科學(xué)方法，取其本質(zhì)，形成模型。模型不是實(shí)物，是實(shí)物的典型化，是分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。如果荷載和地基性能指標(biāo)都是確定性的，巖土是均勻的，問(wèn)題就很簡(jiǎn)單。但實(shí)際工程往往很復(fù)雜，首先是荷載，有永久荷載、可變荷載和偶然荷載，各種不同的荷載組合—基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合、準(zhǔn)永久組合等，設(shè)計(jì)時(shí)選取其中最合理的組合，就是對(duì)荷載的概化。其次是地基，嚴(yán)格地說(shuō)，地基都是不均勻的，巖土性質(zhì)具有時(shí)空變異性，需用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法求出它們的代表值，將地基條件概化為地質(zhì)模型。再次是如何考慮安全度，有容許應(yīng)力法和極限狀態(tài)法，有定值法和概率法，有安全系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)。此外，必要時(shí)為了便于分析，又需要對(duì)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行概化處理。

3、注意事項(xiàng)

3.1技術(shù)方法的適用性和有效性

方案的適用還是不適用，有效還是無(wú)效，是首先應(yīng)當(dāng)考慮的。例如，由于軟黏性土的透水性弱，孔隙水壓力難以消散，因此不宜采用強(qiáng)夯法加固，也不宜采用密集的擠土樁。密集擠土樁的擠土效應(yīng)造成斷樁、歪樁、浮樁的事故屢有發(fā)生。擋土墻背后的填土一般采用無(wú)黏性土，不采用黏性土，不僅是黏性土的壓實(shí)性不易控制，而且孔隙水容易積聚而增加土水壓力。所謂有效性，是指該方法能達(dá)到預(yù)期的效果。對(duì)變形要求嚴(yán)格的深基坑，如采用懸臂樁圍護(hù)，可能因變形超限而達(dá)不到預(yù)期效果。某種方法的有效性如何，顯而易見(jiàn)的可以通過(guò)直觀經(jīng)驗(yàn)判斷，直觀經(jīng)驗(yàn)難以判斷時(shí)，需通過(guò)驗(yàn)算作出結(jié)論。

3.2施工的可操作性和質(zhì)量的可控制性

優(yōu)秀的設(shè)計(jì)要有優(yōu)質(zhì)的施工才能成為現(xiàn)實(shí)。當(dāng)有多種工法可選時(shí)，應(yīng)盡量選用施工簡(jiǎn)單，便于操作，施工單位熟悉的有經(jīng)驗(yàn)的工法。設(shè)計(jì)得過(guò)于復(fù)雜，會(huì)降低施工的可操作性。巖土工程多為隱蔽工程，質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)十分重要，挖孔樁的廣泛應(yīng)用，原因之一是質(zhì)量易于控制。有的工法雖有明顯的優(yōu)勢(shì)，但如質(zhì)量不易控制，也只得放棄。

3.3環(huán)境限制和負(fù)面影響

環(huán)境條件是巖土工程設(shè)計(jì)必須考慮的重要因素。環(huán)境條件越嚴(yán)，可選的方案越少。無(wú)論何種方案或工法，一般都是有優(yōu)點(diǎn)，有缺點(diǎn)，有其適用的一面，又可能有某些負(fù)面影響。例如：城市中不能采用噪音大的錘擊式預(yù)制樁和沉管式灌注樁；泥漿污染城市，某些注漿材料污染地下水；有些施工方法影響人體健康；地下開(kāi)挖和深基坑開(kāi)挖時(shí)，大量抽排地下水，嚴(yán)重浪費(fèi)寶貴的水資源，不符合可持續(xù)發(fā)展原則；降落漏斗使鄰近工程產(chǎn)生附加沉降等等。

3.4基本資料的完整性和可靠性

巖土工程設(shè)計(jì)應(yīng)有必備的基礎(chǔ)資料。但實(shí)際上，基礎(chǔ)資料不一定每個(gè)項(xiàng)目都十分完整和理想，概念設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分予以注意。例如巖溶發(fā)育地區(qū)地基條件十分復(fù)雜，除了威脅工程穩(wěn)定的洞隙、土洞、塌陷外，基巖面高低不平，變化無(wú)常，雖一柱一孔，也不能完全將基巖面查得清清楚楚。這就要求在此基礎(chǔ)上做的巖土工程設(shè)計(jì)留出必要的余地，以備施工勘察時(shí)根據(jù)具體情況補(bǔ)充必要的處理措施，對(duì)方案作必要的局部調(diào)整。確定天然地基、復(fù)合地基、樁基的承載力是個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，載荷試驗(yàn)被認(rèn)為是比較可靠的方法，但并非每個(gè)工程都能做到。有些工程仍需要根據(jù)土性和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和應(yīng)急措施

由于地質(zhì)條件和巖土參數(shù)不易弄清，巖土工程設(shè)計(jì)常常不能一步到位，事先的定量計(jì)算只是一種估計(jì)，只有原型實(shí)測(cè)才最可靠。因此，需與信息化施工配合，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)原則已在邊坡設(shè)計(jì)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，基坑設(shè)計(jì)，堤壩設(shè)計(jì)，地下工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基本方法是：根據(jù)已經(jīng)掌握的數(shù)據(jù)估計(jì)算一個(gè)預(yù)測(cè)目標(biāo)，例如位移（正演）。施工過(guò)程中利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)反演設(shè)計(jì)參數(shù)，再用反演所得的參數(shù)正演目標(biāo)，如此反復(fù)，一次比一次更趨正確，在這個(gè)過(guò)程中，還可以通過(guò)“施工勘察”核查地質(zhì)條件，調(diào)整設(shè)計(jì)方案和施工程序，保證工程安全和經(jīng)濟(jì)，并滿足所有預(yù)定功能，即包括預(yù)定功能要求、安全性和耐久性要求、投資和工期的經(jīng)濟(jì)性要求等三個(gè)方面。