巖土工程安全度控制方法及設(shè)計(jì)代表值辨析

劉嘉輝

陜西省建筑科學(xué)研究院

引言

土木工程領(lǐng)域的傳統(tǒng)安全度控制方法是建立在工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的定值法。隨著設(shè)計(jì)理論的和設(shè)計(jì)方法的進(jìn)步，定值法逐漸的轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿怕收摷皵?shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的概率法。但是由于巖土體本身的復(fù)雜性以及相關(guān)研究的滯后，目前巖土工程相關(guān)規(guī)范對(duì)兩種設(shè)計(jì)方法均有采用，不同安全度控制方法所用的工程設(shè)計(jì)代表值（荷載作用力與抗力值）并不相同，使用時(shí)往往容易混淆，本文追本溯源辨析巖土工程領(lǐng)域所采用的幾種安全度控制方法及設(shè)計(jì)代表值的來源和用法。

一、巖土工程安全度控制方法

目前巖土工程安全度控制方法一般分為定值法和概率法兩類，其中定值法又包括了容許應(yīng)力法、安全系數(shù)法、多系數(shù)法。概率法包括分項(xiàng)系數(shù)法和全概率法。（巖土工程主要規(guī)范采用的安全度控制方法匯總見表1）

1、容許應(yīng)力法的設(shè)計(jì)表達(dá)式中作用力采用標(biāo)準(zhǔn)值，抗力以特征值或容許值（包括試驗(yàn)曲線的某種特征點(diǎn)或理論公式的計(jì)算結(jié)果）表示，其安全度是隱含的。

2、安全系數(shù)法的表達(dá)式是極限狀態(tài)與抗力的平衡關(guān)系，其中抗力是極限值，抗力（極限值）除以安全系數(shù)然后與作用力（標(biāo)準(zhǔn)值）相平衡。

3、多系數(shù)法為50年代使用的一種設(shè)計(jì)方法，屬于定值法的一種，現(xiàn)在已經(jīng)棄用。

4、分項(xiàng)系數(shù)法的表達(dá)式描述是極限狀態(tài)下設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn)的抗力（設(shè)計(jì)值）與作用力（設(shè)計(jì)值）的平衡關(guān)系，該法采用把荷載、材料、構(gòu)件截面尺寸、計(jì)算方法等視為隨機(jī)變量應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的概率方法進(jìn)行分析，采用了以作用力標(biāo)準(zhǔn)值、材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別與作用分項(xiàng)系數(shù)、材料分項(xiàng)系數(shù)相關(guān)的作用設(shè)計(jì)值、材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值來表達(dá)的方式。需要說明的是分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法雖然用了數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，但是在概率極限狀態(tài)分析中未用到實(shí)際的概率分布，且運(yùn)算中采用了一些近似的處理方法，故只能成為近似概率設(shè)計(jì)方法，屬于半概率設(shè)計(jì)法。

5、全概率法對(duì)各種基本量如荷載、結(jié)構(gòu)材料參數(shù)、幾何尺寸等，分別視為隨機(jī)變量或用隨機(jī)過程描述，用失效概率直接度量安全性。

表1 巖土工程領(lǐng)域安全度控制方法匯總表

我國在改革開放前，土木工程領(lǐng)域全部采用的是定值法，當(dāng)時(shí)土木工程方面的各主要國際組織，以及美國、加拿大、德國等，都以可靠度理論為基礎(chǔ)，編制了或正在編制或修訂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。為了與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ68-84）以及《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50153-92）引入可靠度的概念明確了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向概率法方向的轉(zhuǎn)變，以結(jié)構(gòu)的失效概率為依據(jù)的概率法安全度控制標(biāo)志著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在認(rèn)識(shí)上、方法上的重大進(jìn)步和發(fā)展,它使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從定值的概念轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)的概念,使安全度從直觀經(jīng)驗(yàn)法轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)地應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,使安全度從以往定性處理發(fā)展到定量分析。但是在巖土工程領(lǐng)域由于巖土體本身的復(fù)雜性，全面采用概率法設(shè)計(jì)尚有不小困難。

目前在巖土工程中定值法與概率法并存的局面，主要有兩大原因,第一是巖土工程概率法固有研究和積累不足。第二是巖土工程本身的問題，主要是和巖土工程處理對(duì)象巖土體有很大關(guān)系，主要原因是：

1、作為一種自然產(chǎn)物，巖土體結(jié)構(gòu)千差萬別，其非均質(zhì)，各項(xiàng)異性的特點(diǎn)，以及其所處位置不同、邊界條件不同、包含的裂隙及孔隙多少，使得巖土體物理力學(xué)性質(zhì)區(qū)別很大。如地基土承載力與土的邊界條件、成因、成分、應(yīng)力歷史、基礎(chǔ)埋深、基礎(chǔ)寬度、地下水等情況相關(guān)，承載力值的離散型較大，所以地基土的承載力值不能夠像混凝土、鋼材這些均質(zhì)材料一樣通過概率分布取其某一分位值從而確定一個(gè)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值。

2、巖土體試驗(yàn)參數(shù)的離散型，由于巖土體取樣、測(cè)試方法、運(yùn)輸?shù)鹊纫幌盗性�因�(qū)е拢瑤r土體物理指標(biāo)的離散型較大。

3、孔隙水壓力多變性，孔隙水壓力的變化會(huì)導(dǎo)致巖土體力學(xué)性能極大的改變。

4、計(jì)算模型的的不成熟，由于極限承載力計(jì)算問題的復(fù)雜性，目前沒有嚴(yán)格的一般解析解，只是采用不同假設(shè)條件得到的極限承載力計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果差異性較大。

巖土工程相關(guān)規(guī)范也嘗試向概率法的轉(zhuǎn)變，如早期樁基規(guī)范承載力設(shè)計(jì)采用的是容許應(yīng)力法，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-94）承載力驗(yàn)算采用了分項(xiàng)系數(shù)法安全度控制方法，即運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析荷載、承載力的變異特征與規(guī)律，利用既有工程經(jīng)驗(yàn)，在安全與經(jīng)濟(jì)之間尋求合理的平衡，確定一般工程樁基承載力的目標(biāo)可靠指標(biāo)（對(duì)應(yīng)于一定失效概率），從而求得不同土層中不同樁型的抗力分項(xiàng)系數(shù)，以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行樁基承載力計(jì)算。用帶有分項(xiàng)系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式計(jì)算，表達(dá)式作用力與抗力均采用設(shè)計(jì)值，屬于一種不完全的概率法，但是其中最重要的因素樁的承載力卻是由載荷試驗(yàn)提供的，載荷試驗(yàn)提供的承載力參數(shù)包括了樁長、樁距、樁身材質(zhì)、地基土性質(zhì)等一系列因素，因此《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008）又從分項(xiàng)系數(shù)法變?yōu)榘踩�系�?shù)法。

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2002）錨桿鋼筋截面面積驗(yàn)算中使用的是分項(xiàng)系數(shù)法，鋼筋強(qiáng)度用的是設(shè)計(jì)值，錨桿拉力用的也是設(shè)計(jì)值。錨固體與地層之間的錨固長度計(jì)算中使用的是容許應(yīng)力法，錨固體與地層間的摩阻力粘結(jié)強(qiáng)度采用的是容許強(qiáng)度，故錨桿拉力使用的是標(biāo)準(zhǔn)值。錨桿鋼筋與錨固砂漿之間的錨固長度驗(yàn)算中使用的是分項(xiàng)系數(shù)法，鋼筋和砂漿都是建筑材料，粘結(jié)強(qiáng)度使用了設(shè)計(jì)值，所以錨固拉力也是用設(shè)計(jì)值。同一錨桿體系設(shè)計(jì)中同時(shí)用了兩種安全度控制方法顯得很混亂，所以《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）中統(tǒng)一成安全系數(shù)法。

由于巖土工程研究對(duì)象巖土體的多樣性和復(fù)雜性，所以經(jīng)驗(yàn)就顯得無比重要，三分計(jì)算，七分經(jīng)驗(yàn)，巖土工程現(xiàn)有的理論計(jì)算結(jié)果直接應(yīng)用在工程實(shí)踐上往往是不可靠的，就是因?yàn)橐陨纤�述巖土體邊界條件、結(jié)構(gòu)差異、孔隙水壓力、外荷條件、測(cè)試手段、計(jì)算模型等一系列不確定的因素，使得巖土工程不得不通過經(jīng)驗(yàn)綜合判斷，理論是導(dǎo)向，但是只有結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的理論才能做出正確的抉擇，所以全面實(shí)施概率法仍然十分困難。

二、巖土工程設(shè)計(jì)代表值

目前建筑工程中主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)全部采用概率法，而巖土工程中則是兩種方法并存，這就導(dǎo)致兩者銜接上產(chǎn)生一系列問題。巖土工程規(guī)范所涉及的設(shè)計(jì)代表值包括極限值、容許值、標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值、特征值，基本值等，在應(yīng)用上往往容易混淆，不同方法相應(yīng)的設(shè)計(jì)代表值不同。

容許應(yīng)力法和安全系數(shù)法作用力都是標(biāo)準(zhǔn)值，而分項(xiàng)系數(shù)法用的是設(shè)計(jì)值。安全系數(shù)法和分項(xiàng)系數(shù)法的抗力都是極限值，容許應(yīng)力法抗力用的是特征值或容許值，其安全度包含在荷載取值之內(nèi)，安全系數(shù)法和分項(xiàng)系數(shù)法則用安全系數(shù)或是分項(xiàng)系數(shù)取值來控制，因此理清這些代表值的意義對(duì)巖土工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。巖土工程主要的設(shè)計(jì)代表值有：

1、極限值：瀕臨破壞或失穩(wěn)時(shí)所能承受的最大荷載，如地基承載力極限值、單樁豎向極限承載力。

2、容許值：考慮一定安全儲(chǔ)備后的值，如地基承載力容許值[]、單樁軸向受壓承載力[]，為容許應(yīng)力法安全度控制舊有術(shù)語，現(xiàn)行《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）、《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.5-2005）仍在使用。

3、特征值：《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）規(guī)定地基承載力特征值是指由載荷試驗(yàn)地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形對(duì)應(yīng)的壓力值。為強(qiáng)度條件下的地基容許承載力。而在《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)中單樁承載力特征值由單樁承載力極限值除以安全系數(shù)2得到。

4、基本值：從地基承載力表中查得但是尚未經(jīng)過統(tǒng)計(jì)修正的地基承載力數(shù)值，該術(shù)語曾經(jīng)用于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TJ7-74）現(xiàn)已取消。現(xiàn)行《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D63-2007）、《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.5-2005）仍在使用。

5、設(shè)計(jì)值：嚴(yán)格意義上來講為按概率極限狀態(tài)原則設(shè)計(jì)所采用的代表值，巖土工程相關(guān)規(guī)范中由于定值法和概率法的并存使用較混亂，規(guī)范未統(tǒng)一，其概念和使用差別很大，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7-89）曾采用地基承載力設(shè)計(jì)值術(shù)語，（GB50007-2002）版更改為地基承載力特征值。

6、平均值及標(biāo)準(zhǔn)值：為統(tǒng)計(jì)值，源于數(shù)學(xué)中概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的概念，只涉及數(shù)據(jù)的離散型和變異性，不涉及指標(biāo)的物理意義。標(biāo)準(zhǔn)值為統(tǒng)計(jì)分布的特征值（均值、眾值、或是某個(gè)分位值），一般為字母下角標(biāo)帶個(gè)k。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（2011）2.1.3條文說明指出，根據(jù)國外有關(guān)文獻(xiàn)，相應(yīng)于我國規(guī)范中“標(biāo)準(zhǔn)值”的含義可以有特征值、公稱值、名義值、標(biāo)定值四種，在國際標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》ISO2394中相應(yīng)的術(shù)語直譯為“特征值”（Characteristic Value）,該值的確定可以是統(tǒng)計(jì)得出，也可以是傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值或某一物理量限定的值。本次采用“特征值”一詞，用以表示正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)采用地基承載力和單樁承載力的設(shè)計(jì)使用值，其含義即為在發(fā)揮正常使用功能時(shí)所允許采用的抗力設(shè)計(jì)值。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（2011）規(guī)范4.2.2條文說明指出標(biāo)準(zhǔn)值取其概率分布的0.05分位，地基承載力特征值是指由載荷試驗(yàn)地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形對(duì)應(yīng)的壓力值，實(shí)際即為地基承載力允許值。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7-89）為了向概率法轉(zhuǎn)變?cè)�采用地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值等術(shù)語，但其只是術(shù)語的改變，其本質(zhì)仍然是容許值，造成了許多誤解，所以在（GB50007-2002）中放棄了形式上套用概率法的原則，將標(biāo)準(zhǔn)值變?yōu)樘卣髦担ū举|(zhì)上仍然是容許值）。

三、設(shè)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)值需要特別注意的問題

基礎(chǔ)工程是建筑工程的一部分，地基基礎(chǔ)的荷載是由上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的，所以地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載必須與上部設(shè)計(jì)荷載相一致，由于目前上部結(jié)構(gòu)已采用概率法設(shè)計(jì)，但是地基基礎(chǔ)部分仍采用定值法，上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則不統(tǒng)一，各個(gè)規(guī)范執(zhí)行不同的規(guī)定，設(shè)計(jì)值與標(biāo)準(zhǔn)值混用，造成很多誤解以及潛在危險(xiǎn)。

結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)，由于已經(jīng)全部采用概率法，所以對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，作用力用設(shè)計(jì)值，抗力也采用設(shè)計(jì)值，沒有任何問題。但在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，如驗(yàn)算地基承載力時(shí)，由于承載力使用的是特征值（容許值），作用力（基地壓力）必須采用標(biāo)準(zhǔn)值。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載力的驗(yàn)算中，材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用的是設(shè)計(jì)值，所以作用力也必須使用設(shè)計(jì)值與之匹配。《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了一個(gè)簡化規(guī)則，設(shè)計(jì)值=1.35標(biāo)準(zhǔn)值。地基土抗力的性質(zhì)是特征值（容許值），如果荷載是標(biāo)準(zhǔn)值被誤當(dāng)成設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)安全度就會(huì)提高，造成經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)，如果荷載是設(shè)計(jì)值被誤當(dāng)成標(biāo)準(zhǔn)值，則安全度降低會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失效的安全危險(xiǎn)。

樁基工程中，單樁承載力驗(yàn)算時(shí)，由于樁是由巖土提供端阻力及側(cè)阻力，與之相應(yīng)的軸力是標(biāo)準(zhǔn)值，但是樁身強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，使用的軸力必須是設(shè)計(jì)值。

基坑工程中，由土的強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算得到的是標(biāo)準(zhǔn)值，支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力同樣是標(biāo)準(zhǔn)值，但是支擋結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度卻是設(shè)計(jì)值。基坑設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)臨時(shí)性支護(hù)結(jié)構(gòu)給出簡化規(guī)則是設(shè)計(jì)值=1.25標(biāo)準(zhǔn)值。

邊坡和基坑工程中根據(jù)土力學(xué)原理計(jì)算得到的作用力，其性質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)值，不能直接與支擋結(jié)構(gòu)抗力（本質(zhì)是設(shè)計(jì)值）相平衡，應(yīng)注意。

結(jié)語

巖土工程安全度控制方法研究的滯后以及巖土工程的復(fù)雜性是巖土工程設(shè)計(jì)全面采用概率法困難的根源，對(duì)于目前情況應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，影響巖土體承載力的不確定因素較多，仍需依靠經(jīng)驗(yàn)。如若貿(mào)然全面轉(zhuǎn)向概率法，對(duì)精度很差或是連精度的大致范圍都不清楚的承載力值進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)的可靠性分析，是沒有意義的，也可能危害建筑安全，所以需進(jìn)一步加強(qiáng)巖土工程的理論研究工作。對(duì)于目前兩種安全度控制方法并存的局面，需要我們理清兩者之間關(guān)系，在設(shè)計(jì)代表值的取用上應(yīng)注意，防止危害工程安全質(zhì)量的情況發(fā)生。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)    文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)項(xiàng)目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)