岩土工程不同设计内容的安全度表达方法浅析

　　【摘要】我国现行的结构设计方面的规范基本上都已采用了概率极限状态法，与岩土工程有关的规范大多数仍是多种方法并存的情况，如《建筑地基基础设计规范GB50007-2002》中档土墙设计，结构部分采用概率极限状态法，地基承载力验算采用容许应力法，抗滑稳定性验算采用总安全系数法，本文从岩土工程特点出发，论述岩土工程可靠性分析的发展过程、发展趋势和存在的问题。
　　【关键词】岩土工程，安全度，概率极限状态法，容许应力法，总安全系数法
　　【正文】
　　一、岩土工程的特点
　　1，岩土体结构的不确定性
　　自然界的岩石，不仅强度和模量多种多样，差别悬殊，而且总是或稀或密、或宽或窄、或长或短地存在着各种裂隙，这是岩石区别于混凝土的主要特点，这些裂隙有的粗糙，有的光滑，有的平直，有的弯曲；有的充填，有的不充填，有的产状规则，有的规律性很差，裂隙的成因多种多样，有的岩浆凝固收缩形成的原生节理，有沉积间断形成的层理，有构造应力形成的构造节理，有表生作用形成的卸荷节理和风化裂隙，还有变质作用形成的片理、劈理等等，在岩石中构成极为多样非常复杂的裂隙系统。显然，结构面是岩体中最薄弱的环节，就力学性质而言，岩石材料的力学参数、结构面的力学参数和岩体的力学参数是不同的，有很大区别。
　　2，岩土参数的不确定性
　　混凝土和钢材的材质不仅可控，而且相对均匀，变异性较小，且其性能指标不因所在位置而变化，岩土则不同，不仅指标的变异性大，而且即使是同一种土，同一种岩石，其性能指标也随位置的不同而变化。
　　同一类型岩土体测试数据的离散性有两方面原因，一是由于取样、运输、样品制备、试验操作等环节的扰动，取值、计算等产生的误差，使测试数据随机分布，其变异性更大；二是岩土测试数据还和样品的位置有关。岩土工程的测试可以分为室内试验、原位测试和原型监测三大类，还有各种模型试验，极为多样，各有各的特点和用途，同一种参数，测试方法不同，得出的成果数据也不同，如土的模量有压缩、变形模量、旁压模量、反演模量等。
　　3，裂隙水和孔隙水压力的多变性
　　岩体中的地下水沿着岩体中的裂隙和洞穴流动，随着裂隙和洞穴的形态和分布的不同，有脉状裂隙水、网状裂隙水、层状裂隙水、岩溶水等不同的地下水类型，不同地段岩体的富水性、透水性和水压力差别非常大，摸清裂隙岩溶水的规律有时非常困难。孔隙水的水位和压力水头都是变化的，有季节变化，有多年变化，还有因工程建设、开采地下水、水资源调配等人为原因产生的变化，特别是人类扰动造成的变化更难以预测，地下水的压力既有静水压力，又有渗透力，可能造成严重的渗透破坏。
　　4，地质作用和地质演化的复杂性
　　有些地质作用在岩土工程中必须考虑的，如地震活动引起的液化、震陷、塌陷、边坡失稳、永久性地面变形和诱发各种地质灾害，河水、湖水、海水运动产生的冲刷、侵蚀、搬运和淤积，对水利工程和航道工程的影响，地下水的地质作用造成岩溶发育，形成潜蚀，土洞，塌陷，使工程失稳；风化作用一般是比较缓慢的，但有的岩石在一定条件下风化作用发展很快，危害工程的安全，还有其它的不良地质作用，都反映出岩土工程中的地质作用和地质演化的复杂性。
　　5，计算模式的不确切性
　　岩土工程在理论和计算方面已具有了长足发展，包括各种岩土本构模型，各种解析法和数值法计算，相应地研发了许多计算软件，但用到工程上则不一定都能得到满意的结果，因为除了参数的不确定性外，计算模式的不确定性也是重要的问题。学术界虽然提出了理论上比较完善的计算方法，但由于其计算参数难以准确测试和工程经验不足，反而不如用简易计算方法加经验修正更方便，更切合实际。因而采用回归分析建立经验方程的方法在岩土工程勘察设计中被广泛应用。如国标《地基基础设计规范GB50007-2002》中的沉降经验修正系数为0.2～1.3，就是为了弥补由于钻探、取样、试验、取值、计算等环节的误差积累，而在岩土工程设计常常采用经验系数修正的方法，同时也体现了岩土工程设计中计算模式的不确切性。
　　6，理论导向和经验判断
　　刘建航前辈提出“理论导向，经验判断，实测定量”十二字，切中要害，生动反映了岩土工程设计的特点，也是岩土工程设计经验简洁而准确的概括。理论使我们认清事物的本质，认清事物的概念，概念清楚的人能透过现象看到本质，举一反三，将经验与理论结合；概念不清楚的人，往往只见现象不见本质，凭直观和局部经验处理工程问题，极易犯概念性原则性的错误。
　　单纯的理论计算往往是不可靠的，其主要原因就在于岩土工程设计充满着不确定性和信息的不完全性，地质边界的不确定性，岩土性能指标的不确定性，原始应力和孔隙水压力的不确定性，外荷载及其分布的不确定性，岩土应力应变模型的不确定性，计算理论和计算方法的不确定性等，使岩土工程设计不得不依靠经验判断或综合判断。理论只能是一个导向，在理论导向和经验判断的基础上作出设计决策，这里说的经验判断包括岩土工程师本人也包括专家群体总结写入规范的经验。
　　实测定量和实测验证是岩土工程设计非常重要的一环，如一项基础工程或基坑工程，设计时计算了沉降、变形或位移，在施工和使用过程中进行变形监测，变形监测就是实测定量，也是最后的验证，只有这时才能称得上真正意义上的定量，预先的计算只是一种测算，与实测总有一定的差距。工程监测有两个作用：一是为本工程的安全设置最后一道保障，以便必要时启动紧急预案；二是以工程为科学实验，为今后类似的设计积累经验。
　　二、岩土工程可靠性分析发展过程
　　可靠性分析发展始于20世纪20年代，后经几十年努力，一次二阶矩法等结构可靠度分析方法相继问世，1967年美国Carmell提出与失效概率联系的可靠指标作为衡量结构安全度的定量指标，1971年加拿大Lind将可靠指标表达为分项系数方式，1986年《结构可靠度总原则ISO2394-1986》发布，98年又发布新版本，各国相继将概率极限设计原则纳入结构设计规范，同时也应用于岩土工程中。20世纪70年代我国建筑部门组织结构可靠度设计方法研究，84年及之后发布了《建筑结构设计统一标准》等一系列遵循概率极限状态设计原则的规范标准。
　　目前工程可靠度研究有：结构可靠度的基本理论；结构体系可靠度；结构模糊可靠度；结构可靠度分析的蒙特卡洛法；随机有限元；结构动力可靠度；结构抗震可靠度；施工期和老化期可靠度等。而结构构件的可靠度和结构体系的可靠度是不同的，目前还主要处在构件可靠度的水平上，真正的结构体系可靠度研究还有许多工作尚未达到实用阶段。工程结构生命全过程可分为三个阶段：一，施工阶段，混凝土从流动到硬结，有浇筑、养护、拆模等过程，施工不当造成先天不足；二，从永久荷载、可变荷载和偶然荷载作用，分析工程结构的风险率，目前的可靠度设计主要在这个阶段；三，老化阶段，随着使用时间的增加，材料劣化，抗力降低，与材料质量、荷载情况、使用环境、腐蚀介质等因素有关，属于结构耐久性问题。目前施工阶段和老化阶段的可靠度研究虽然取得了一定进展，但处于定性概念阶段。
　　我国岩土工程可靠度研究晚于西方国家，1981年吴天行教授首次将岩土概率方法介绍到中国，之后我国专家将随机场理论引入可靠度研究，从应用基础研究转向实用研究，用随机-模糊统计法估计岩石抗剪强度取值，区域性岩土性质统计特征等方面，在多层地基、软土地基、不均匀地基的概率分析，桩基承载力参数估计的随机场模型，地基基础极限状态的设计原则和地基基础可靠度设计，土坡和挡土墙的概率和可靠度设计等方面，发表了不少有价值的研究成果，近年来随机有限元和蒙特卡洛模拟在土力学中的应用日益受到重视。
　　由于岩土参数不确定性，在勘察测试取得的岩土特性数据离散性较大，用数理统计方法整理岩土特性数据已在我国勘察工作中普遍推行，《岩土工程勘察规范GB50021-2001》对岩土特性指标数据统计和取值作了规定，考虑了岩土的空间变异性和在一定距离内存在自相关。
　　三、可靠度在岩土工程设计规范中应用问题
　　国际上采用可靠度设计的岩土工程规范最有影响的是欧洲规范，《Eurocode7：岩土工程》规范列入了荷载分项系数和材料性能分项系数，分项系数通过概率统计分析确定，与失效概率（目标可靠度）联系，是迄今最系统的以概率论为基础，以分项系数表达的岩土工程设计规范，但实施情况并不理想，欧洲多数国家仍采用各国传统的设计方法，仍采用简单的单一安全系数法或综合安全系数法，有专家认为EC7分项系数不符合惯性思维，经几个国家若干设计实施比较结果相差很大，且难以解释，存在基本概念和逻辑上的错误。
　　我国上世纪80年代前，设计规范均采用容许应力或单一安全系数法，《建筑结构设计统一标准GBJ68-84》及随后《工程结构可靠度设计统一标准GB50153-92》的发布，对结构设计规范和地基基础设计规范的修订产生了很大影响。目前《港口工程地基规范JTJ250-98》和《地基基础设计规范DGJ08-1999》是地基基础设计采用概率极限状态设计原则最有代表性的规范。
　　《港口规范》修订时贯彻了《港口工程结构可靠度设计统一标准》的规定，进行了岩土性能参数统计分析，地基可靠度计算分析，编制计算机程序等项工作，既总结了国内经验，又吸收了部分国外先进技术，实现了向以可靠度理论为基础，以分项系数表达的概率极限状态设计方法的转轨，并与国际标准《结构可靠度总原则ISO2394》接轨。《上海规范》根据《工程结构可靠度设计统一标准GB50153-92》和《建筑结构设计统一标准GBJ68-84》的要求，修改了各种类型地基基础承载力计算，采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法，并以分项系数表达的极限状态表达式进行计算。安全度与原规范设计的水准基本相当，实现了与上部结构设计原则的匹配。
　　由于岩土工程固有的特点和积累不足，普遍推行概率极限状态设计还存在困难。《建筑地基基础设计规范GB50007-89》为了遵循《统一标准》曾采用地基承载力标准值、设计值等术语，但因本质上仍是容许值，并不符合《统一标准》规定的这些术语之本意，反而造成误解和混乱，故在2002版本时放弃了套用结构设计规范的原则，大体上回到了74规范位置。行标《建筑桩基技术规范JGJ94-94》曾采用了概率极限状态的设计原则，即用概率和数理统计分析荷载、承载力的变异性与规律，利用既有工程经验，在安全与经济之间寻求合理的平衡，用“校准法”确定目标可靠度，并用分项系数表达的极限状态设计表达式进行设计计算。但该规范尚属不完全的可靠度分析，而且由于载荷试验为主要设计依据，而载荷试验成果已经包含了桩型、土性等因素，又为了与国际《建筑地基基础设计规范》协调，在2007年修订时由分项系数调整为原来的单一安全系数。
　　对于岩土工程设计规范是否采用可靠度的问题，专家之间存在不同意见：部分认为《统一标准》实施后急需解决岩土工程设计中如何贯彻概率极限状态设计和采用分项系数表达式的问题，首先要解决地基极限承载力和对土的参数进行概率统计，再进一步解决可靠指标β等问题，部分认为在设计方法的发展水平上，岩土和结构差距较大，应从实际出发。勘察测试获得的指标，特别是是土的抗剪强度指标，可靠性差，不确定因素多，还需依靠经验。认为用地基容许承载力即可，精度很差或连精度的大致范围都不清楚的设计进行可靠性分析，是没有意义的。许多勘察设计人员认为，目前规范体系中地基与上部结构计算之间不同的配套方式，不同的术语，使勘察设计人员无所适从。
　　目前的问题是，土木工程往往是结构工程与岩土工程的组合，结构与岩土相互作用，前者已经应用可靠度设计，后者仍沿用传统的定值方法，处理好二者关系成了一个难题。目前各本规范对这个问题的处理又各不相同，术语、设计原则，作用和抗力的取值等重要问题都存在较大差别，造成设计工作很大不便，甚至出现错误。
　　参考文献：
　　［1］顾宝和毛尚之李镜培《岩土工程设计安全度》中国计划出版社2009
　　［2］中国建筑科学研究院《GB50153—2008工程结构可靠性设计统一标准》中国建筑工业出版社2009
　　［3］高大钊《土力学可靠性原理》中国建筑工业出版社1989
　　［4］赵国藩《结构可靠度理论》中国建筑工业出版社2000