關于巖土工程中設計理論的探討

[摘要]通過查閱巖土工程設計理論，分析其適用范圍，并對比現行有關規范，發現規范間的不一致。因此，本文對巖土工程的設計理論進行相關探討，以期為相關行業人員提供借鑒。

[關鍵詞]巖土工程；設計理論；探討

文章編號：2095-4085（2016）02-0054-02

在牙買加南部公路設計中，對于一些巖土工程如邊坡、擋墻等均采用安全系數法，美國咨詢工程師對此提出疑問，表示美國工程界均采用分項系數法。在可靠度理論已非常成熟的情況下，為何巖土工程中仍采用看似“落后”的安全系數法？在中國工程技術突飛猛進的大背景下，中美規范難道真的有質的差距？帶著這些疑問，筆者進行了一番考證。

1.三種設計理論的理解

目前，在工程設計中關于強度和穩定的計算方法，有三種類型：容許承載力法、安全系數法、分項系數法。其對應表達式分別為：

容許承載力法：p≤f

安全系數法：p≤f_u/K

分項系數法：s≤R；S=r_ss_k；R=R_k/r_R式中，P為荷載標準值，f_a為容許承載力f_u，為極限承載力，K為安全系數，s為荷載效應，s為抗力，r_s和r_R分別為荷載效應和抗力的分項系數。

在極限狀態設計理論中，有兩種極限狀態，即承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。容許承載力法是一種正常使用極限狀態；安全系數法和分項系數法，均對應承載能力極限狀態。現以地基基礎為例，以基礎相關規范進行論述。容許承載力是確保地基不發生剪切破壞而失穩，同時又保證建筑物沉降不超過允許值的最大荷載。在《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）中，這一承載力是采用控制地基中塑性區發展的修正法計算的，也可采用靜荷載試驗對應時的荷載。安全系數法中，承載力特征值，即為靜荷載試驗的極限承載力除以安全系數2而得。分項系數法中，是將荷載標準值乘以一個大于1的分項系數，抗力的標準值除以一個大于1的分項系數。對于隨機分布的荷載s_k和抗力r_k，荷載大于抗力而失事是一個隨機事件，破壞的概率決定于兩個隨機變量的均值及其分布，其明確給出失事的概率，然后通過經濟、技術等風險分析，給出合理的設計值。

在下圖兩種情況中，正態分布的荷載和抗力二者中值相等，按安全系數法，兩種情況的安全系數相等；但是按分項系數法，第一種情況失事的概率明顯比第二種情況大，即結構可靠度不一致。由此可以看出安全系數法的缺陷性，分項系數法相對更合理，更科學。

2.分項系數法在巖土工程中的局限性

在工程實踐中，曾有一種觀點，認為工程問題可以精確解決，比如鋼筋能承受多少荷載是一個準確的數據，依次類推，工程問題非對即錯，中間沒有模糊地帶，更“科學”的分項系數法，也一定會取代“落后”的安全系數法。正如本項目美國咨詢工程師自詡的美國工程界已經不采用安全系數法了，愛暗示著中國工程技術標準落后。事情果真如此嗎？

如前所述，分項系數法是建立在大量數據統計分析基礎上的，統計樣本越龐大，結論越準確。如鋼筋抗拉強度，通過多次抗拉試驗，取得鋼筋強度的隨機分布，運用一定統計理論，即可確定該型號鋼筋的強度。但對于地基承載力，仍然可以采用這種方法嗎？答案顯然是否定的，人們不可能在地基的同一點做許多次荷載試驗；不同點的荷載試驗結果，離散性亦非常大，并不能構成地基的一個統計樣本。沒有統計分析數據，分項系數法即無法實現。

造成這種情況的原因，是因為巖土工程的特殊性，其主要有：（1）巖土材料性質的復雜性；（2）巖土材料分布的不確定性；（3）地下水對土質的影響不一致；（4）現場與實驗室巖土指標的不一致；（5）巖土理論的不確定性。這些特點使分項系數法在巖土工程中的應用產生了很大困難，但隨著科技的發展、資料的積累，分項系數法能否突破現有局限性，并最終取代安全系數法，筆者不敢妄下定論。

3.中國現行有關技術標準中的不一致

在我國現行有關規范中，規范之間存在不一致性，為工程技術人員造成一定困擾。如《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2002）中錨桿（索）采用分項系數法；而《鐵路路基支擋結構設計規范》（TB10025=2006）中錨桿擋土墻采用安全系數法。又如《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63-2007）中單樁軸向承載力為容許值（即容許承載力法）；《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008）中單樁豎向承載力采用安全系數為2的特征值（即安全系數法）。造成這種現象的原因，除了制定規范的行業主管部門各自為政、缺少協調外，也有設計理論混淆的因素。

4.結語

設計理論中有容許承載力法、安全系數法和分項系數法三種類型。容許承載力對應正常使用極限狀態，安全系數法和分項系數法對應承載能力極限狀態。其中分項系數法最合理，但由于巖土工程的特殊性，這一方法目前無法全面取代安全系數法。此外各規范標準的設計方法不一致，各部門在制定規范時應協調一致。