岩土工程设计之己见

兰中孝

【摘 要】岩土工程设计包括使用年限内预定的功能、场地条件、岩土性质及其变异性、工程结构特点、施工环境，相邻工程的影响、施工技术条件，设计实施的可行性、地方材料资源和投资及工期。

【关键词】岩土工程设计；概念设计；岩土参数；应用

【中图分类号】TU4 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0239-01

1、岩土工程设计的特点

1.1对自然条件的依赖性

岩土工程与自然界的关系极为密切，设计时必须全面考虑气象、水文、地质、地下条件及其动态变化，包括可能发生的自然灾害以及由于兴建工程改变自然环境引起的灾害，必须特别重视调查研究，做好岩土工程勘察工作。

1.2岩土性质的不确定性

岩土参数是随机变量。而且，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程原型条件之间的差别。

1.3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验，在岩土工程设计中应予高度重视。

1.4原位测试、实体试验、原型观测的特殊地位

取试样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、试验过程中的扰乱，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的原因，难以进行理论分析。

由于设计参数和计算方法不精确性，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全，有特殊重要的意义。

2、概念设计

2.1概念设计的必要性

一项设计的优劣成败，设计思想最为重要。岩土工程设计受诸多不确定因素的影响，单纯的计算一般是不可靠的。因此，虽然岩土力学理论取得了长足进展，计算方法和设计软件不断创新，但概念设计仍不可忽视。概念是一种思维方式，将认识过程中感受到事物的共同特征抽象出来，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，而是事物的本质。

2.2安全和功能要求

岩土工程设计必须保证工程在使用期间的安全和满足预定功能要求，一般包括下列方面：

a.在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种作用。包括传至基础底面的结构荷载，边坡、基坑、地下工程的岩土压力，地下水的静水压力和动力压力，必要时还要考虑地震作用，风荷载、波浪作用等等。必须保证在各种作用发生时，工程具有足够的安全度。

b.在正常使用条件下具有良好的工作性能。例如：对于建筑物地基，变形（沉降、差异沉降、倾斜、局部倾斜）不得超过限值；对于基坑，变形不得危及邻近建筑物及市政设施的安全；对于基坑地下水的控制，应保证坑内适宜正常施工作业，确保相邻工程和周边环境不被破坏等等。

c.在正常维护条件下具有足够的耐久性。例如：对于长期缓慢沉降的地基，应考虑工程在整个使用年限内均能满足变形限制的要求；对于地下室的防水抗浮设计，应按使用期间可能出现的最高水位设计；对于垃圾填埋场，其防渗衬层的材料和结构，应保证使用年限内有效，不致老化、开裂、渗漏；对于基坑，如需渡过雨季、冬季，应保证雨季、冬季的安全；对于邻近有重要工程的永久性边坡，设计使用年限不应低于受影响的相邻工程的使用年限等等。

d.在正常施工、使用和维护条件下，对环境的影响不超过限值；例如：施工噪音，强夯振动，挤土效应等对环境和邻近工程的影响；降低地下水位造成区域降落漏斗的影响；在已有建筑物侧旁开挖，使既有建筑物产生附加变形，甚至威胁其安全；垃圾填埋场污染物泄漏和运移造成环境污染等等。

2.3设计条件的概化

概化是将复杂的具体事物，通过科学方法，取其本质，形成模型。模型不是实物，是实物的典型化，是分析和设计的基础。如果荷载和地基性能指标都是确定性的，岩土是均匀的，问题就很简单。但实际工程往往很复杂，首先是荷载，有永久荷载、可变荷载和偶然荷载，各种不同的荷载组合—基本组合、标准组合、准永久组合等，设计时选取其中最合理的组合，就是对荷载的概化。其次是地基，严格地说，地基都是不均匀的，岩土性质具有时空变异性，需用数理统计方法求出它们的代表值，将地基条件概化为地质模型。再次是如何考虑安全度，有容许应力法和极限状态法，有定值法和概率法，有安全系数和分项系数表达。此外，必要时为了便于分析，又需要对基础和上部结构的刚度进行概化处理。

3、注意事项

3.1技术方法的适用性和有效性

方案的适用还是不适用，有效还是无效，是首先应当考虑的。例如，由于软黏性土的透水性弱，孔隙水压力难以消散，因此不宜采用强夯法加固，也不宜采用密集的挤土桩。密集挤土桩的挤土效应造成断桩、歪桩、浮桩的事故屡有发生。挡土墙背后的填土一般采用无黏性土，不采用黏性土，不仅是黏性土的压实性不易控制，而且孔隙水容易积聚而增加土水压力。所谓有效性，是指该方法能达到预期的效果。对变形要求严格的深基坑，如采用悬臂桩围护，可能因变形超限而达不到预期效果。某种方法的有效性如何，显而易见的可以通过直观经验判断，直观经验难以判断时，需通过验算作出结论。

3.2施工的可操作性和质量的可控制性

优秀的设计要有优质的施工才能成为现实。当有多种工法可选时，应尽量选用施工简单，便于操作，施工单位熟悉的有经验的工法。设计得过于复杂，会降低施工的可操作性。岩土工程多为隐蔽工程，质量的控制和检验十分重要，挖孔桩的广泛应用，原因之一是质量易于控制。有的工法虽有明显的优势，但如质量不易控制，也只得放弃。

3.3环境限制和负面影响

环境条件是岩土工程设计必须考虑的重要因素。环境条件越严，可选的方案越少。无论何种方案或工法，一般都是有优点，有缺点，有其适用的一面，又可能有某些负面影响。例如：城市中不能采用噪音大的锤击式预制桩和沉管式灌注桩；泥浆污染城市，某些注浆材料污染地下水；有些施工方法影响人体健康；地下开挖和深基坑开挖时，大量抽排地下水，严重浪费宝贵的水资源，不符合可持续发展原则；降落漏斗使邻近工程产生附加沉降等等。

3.4基本资料的完整性和可靠性

岩土工程设计应有必备的基础资料。但实际上，基础资料不一定每个项目都十分完整和理想，概念设计时应充分予以注意。例如岩溶发育地区地基条件十分复杂，除了威胁工程稳定的洞隙、土洞、塌陷外，基岩面高低不平，变化无常，虽一柱一孔，也不能完全将基岩面查得清清楚楚。这就要求在此基础上做的岩土工程设计留出必要的余地，以备施工勘察时根据具体情况补充必要的处理措施，对方案作必要的局部调整。确定天然地基、复合地基、桩基的承载力是个很复杂的问题，载荷试验被认为是比较可靠的方法，但并非每个工程都能做到。有些工程仍需要根据土性和经验进行设计。

4、动态设计和应急措施

由于地质条件和岩土参数不易弄清，岩土工程设计常常不能一步到位，事先的定量计算只是一种估计，只有原型实测才最可靠。因此，需与信息化施工配合，进行动态设计。这种设计原则已在边坡设计，地基基础设计，基坑设计，堤坝设计，地下工程设计中广泛应用。

动态设计的基本方法是：根据已经掌握的数据估计算一个预测目标，例如位移（正演）。施工过程中利用现场观测数据反演设计参数，再用反演所得的参数正演目标，如此反复，一次比一次更趋正确，在这个过程中，还可以通过“施工勘察”核查地质条件，调整设计方案和施工程序，保证工程安全和经济，并满足所有预定功能，即包括预定功能要求、安全性和耐久性要求、投资和工期的经济性要求等三个方面。