岩土工程勘察与设计讲座之二岩土工程勘察与设计讲座之二同济大学 高大钊 2012年9月 岩土工程设计(上)引引 言言l在中国工程勘察信息网的专栏中，提出 了许多疑难问题，在答疑和讨论的过程 中，积累了不少的资料，出版了土力 学与岩土工程师和岩土工程勘察与 设计两本书，主办单位提出围绕这两 本书的主题开展讲座，也是一个很好的 思路，值得尝试。l在2009年2010年，主要环绕岩土工 程勘察规范局部修订的宣讲，讲了岩 土工程勘察实务工作的一些问题，即勘 察方案的编制、勘探孔的深度和平面布 置、取样数量、土工试验和原位测试、 地下水勘察、土和水对建筑材料腐蚀性 评价等问题。2010年底至2011年秋，主 要讲解岩土工程评价方法。从2011年10 月份开始，讲解岩土工程设计方法。第二部分第二部分 岩土工程设计岩土工程设计l一. 岩土工程设计的力学基础l二. 浅基础设计的地基承载力问题l三. 地基基础设计的变形控制方法l四. 基桩的承载力与桩基础设计l五. 地基处理的方案选择与设计控制l六. 边坡稳定性分析与土压力计算l七. 基坑工程方案设计与事故分析l八. 地基基础抗震评价与抗震设计一. 岩土工程设计的力学基础l1.岩土工程设计是工程设计的一部分l2.岩土工程师必需的力学知识复习岩土工程设计是 工程设计的一部分l岩土工程是主体工程的一部分没有主体工程就没有岩土工程问题；不 存在没有岩土工程的主体工程l岩土工程与结构工程的相互依赖与统一结构工程的安全与耐久性依赖于岩土工 程的质量；岩土工程的规模与难度取决 于结构工程的规模与技术要求l岩土工程设计与结构工程设计的异同l它们同属于工程学的范畴，都要满足工 程力学的基本规律，都要满足工程建设 的控制要求，都采用工程设计的方法。l岩土工程设计对象有两类，第一类是对 岩土体的设计计算，第二类是对与岩土 体相互作用的结构物的设计计算，如基 础、地下室、围护结构、支锚结构等。l在设计原则上存在差异，结构设计的概率 极限状态设计实用方法已经标准化，但岩 土工程中的第一类设计的概率极限状态设 计方法还不太成熟，较多的规范采用安全 系数法甚至是容许应力法设计。l在安全度控制方法上存在差异，结构设计 的作用与抗力，都可以由技术标准规定数 值来加以严格控制，而岩土工程设计中涉 及岩土体所产生的作用与抗力，其数值无 法由技术标准的规定所控制。l由于岩土体是自然地质体，与自然条件密 切相关，岩土工程设计的作用与抗力是按 岩土体的物理力学参数进行计算的结果， 具有极强的地区性。l在太沙基岩土工程体制下，岩土工程设计 是由岩土工程事务所承担的，是岩土工程 咨询顾问工作的一部分，从前期的地质调 查、工程设计到施工监测与检测，都是岩 土工程事务所的一揽子全过程服务范围。l在我国勘察、设计体制下，岩土工程勘察与 设计是分离的，由专门的勘察队伍从事岩土 工程勘察工作，而岩土工程设计则是分散在 不同的单位，结构性比较强的地基基础设计 工作一般由上部结构设计单位完成，而且呈 现比较明显的行业性；独立性比较强的边坡 整治工作一般由勘察单位完成；基坑工程设 计则分散在各种不同的单位，岩土工程勘察 单位也有承担设计任务的；地基处理设计如 果离开了地基基础设计过程，也将出现工种 之间的衔接问题。岩土工程设计的特点岩土工程设计的特点l岩土工程设计的任务是处理工程结构与地 质条件的协调，力学平衡、变形协调。l一类是由于建筑物的存在（如基础或地下 结构）及其荷载施加于岩土体所产生的工 程问题；另一类是治理岩土体的不稳定性 所产生的工程问题，包括采用结构的方法 所产生的岩土体与结构的相互作用。地基基础设计的基本假定设计与力学计算的关系设计与力学计算的关系l设计不等同于计算。l设计包括概念设计、方案设计、构造设 计和在力学计算基础上的构件尺寸的确 定或在预定尺寸以后的验算。l力学计算仅是设计过程中的一部分，或 者是设计的一种定量验算的方法。l对计算软件的正确使用。2.2.岩土工程师必需力学知识复习岩土工程师必需力学知识复习l如何将一个工程问题，正确地抽象简化为 力学的计算模式，是工程师的基本素养；l也是正确处理工程问题和进行工程计算的 基本条件，例如等值梁法；l对技术标准的一些规定和计算公式的正确 理解和运用也需要具有一定的力学基础知 识，例如大、小偏心的基底反力计算。l2.1解平衡方程求未知数平面力系l2.2结构的约束条件（支座反力）l2.3根据平衡条件求解支座反力l2.4内力分析的截面法l2.5受弯构件的正截面应力分布l2.6静定与超静定问题平面力系的平衡条件平面力系的平衡条件lX0， Z0， M0XZ2.12.1解平衡方程求未知数解平衡方程求未知数l如果一物体在三个互不平行的共面力作 用下而处于平衡状态，则三个力的作用 线必交于一点；l这就是三力平衡定理；l是工程师最基本的一个力学概念。库仑土压力的力三角形解法库仑土压力的力三角形解法WERRWE l根据楔体平衡条件求解l已知楔体重力W的大小与方向l已知土压力的反力E的方向（与墙面法线夹 角，即墙面与土的摩擦角，已知），但大 小未知l已知滑动面上的阻力R的方向（与滑动面法 线夹角，即土的摩擦角，已知），但大小 未知l由楔体平衡条件知三个力必交于楔体重 心，即力三角形闭合；l运用三角函数的关系，即可求解未知数 ，求得土体和挡土结构物之间接触压力 的合力；2.22.2结构的约束条件（支座反力）结构的约束条件（支座反力）竖向与水平向同时约束竖向约束竖向约束竖向与转动两个约束竖向与转动两个约束2.32.3根据平衡条件求解支座反力根据平衡条件求解支座反力l对平面力系，具有三个约束条件的满足 静定结构的条件；l如果少于三个约束条件，则称为机动体 系，或者称为静不定结构，不能保持静 力平衡；l如果多于三个约束条件，则称为超静定 结构。2.42.4内力分析的截面法内力分析的截面法l截面法是内力分析的基本方法弯矩、剪力的方向规定弯矩、剪力的方向规定简支梁的内力分析简支梁的内力分析悬臂梁的内力分析内力的叠加内力的叠加2.52.5受弯构件的正截面应力分布受弯构件的正截面应力分布截面抗弯惯性矩与抵抗矩截面抗弯惯性矩与抵抗矩hb基底反力分布基底反力分布横截面内力计算与强度条件横截面内力计算与强度条件钢筋混凝土梁受弯时正截面应力变化2.6静定与超静定问题l静定结构：l简支梁，悬臂梁，三铰拱，桁架。l排架结构的梁是简支梁，因此地基的不均 匀沉降不会造成上部结构的次应力。l桁架结构也是静定的，由杆件系统通过三 角形的稳定结构形成静定的体系，可以做 成大跨度结构，桥梁、屋架都可以用。桁架式支撑桁架式支撑超静定结构超静定结构l约束条件多于3个的平面力系，就构成了 超静定结构。l框架结构、连续梁、刚架结构都是超静 定结构。单支撑围护结构的简化计算单支撑围护结构的简化计算等值梁法等值梁法二二. .浅基础设计的地基承载力问题浅基础设计的地基承载力问题l1. 地基承载力与土的抗剪强度指标存在 什么关系？l2.怎样估计地基承载力的安全系数？l3.怎样校核地基承载力的地方经验？l4. 土的自重压力对承载力有什么影响？l5. 基础的宽度该怎么取？l6. 基础的埋置深度该怎么取？l7. 怎样验算软弱下卧层强度？l8. 弯矩计算公式为什么不同？ 1.地基承载力与土的 抗剪强度指标存在什么关系？l地基承载力怎么与基础宽度、埋置深度无关 了？l在建筑地基基础设计规范GB50007-2002 的表5.2.5 中，可以按不同的内摩擦角标准 值查到地基承载力系数，内摩擦角的数值从0 40。l但根据规范4.2.4条的规定，土的抗剪强 度指标的试验应采用三轴不固结不排水 剪试验，试验得到的内摩擦角接近于零 。计算得到的地基承载力特征值与基础 的宽度、埋置深度都没有关系，规范的 这两部分规定是否存在矛盾，为什么会 产生这样的矛盾？l这位网友确实发现了这本规范在逻辑上 的矛盾，这本规范的以往版本中，不存 在这样的逻辑矛盾，但在2002版的建 造地基基础设计规范中却出现了这个 问题。为什么会产生这样的矛盾，这是 由于建筑地基基础设计规范GB50007 -2002不区分土类，不区分排水条件，一 概都采用不固结不排水试验的缘故。l建筑地基基础设计规范GB50007- 2002条文说明第4.2.4条是这样解释为什 么要规定采用不固结不排水剪试验的理 由的：“鉴于多数工程施工速度快，较接 近于不固结不排水条件故本规范推荐UU 试验。而且，用UU试验成果计算，一般 比较安全。”1这说明了2002版规范对土 的抗剪强度指标取值的基本观点，但从 这个基本观点出发，所得到的结果是什 么呢？l三轴不固结不排水剪试验得到的内摩擦 角接近于零，按内摩擦角等于零查规范 的表5.2.5，差得承载力系数为Mb0, Md=1.0, Mc=3.14，代入公式（5.2.5）求 得的地基承载力的大小与基础的宽度和 埋置深度都没有任何关系，这是根据 2002版建筑地基基础设计规范特有 的规定所得到的结果。l但从这本规范的表5.2.4中，我们看到， 许多土类都可以查到比较大的宽度修正 系数和深度修正系数，可以计算得到地 基承载力随基础宽度、埋置深度的增大 而提高的结果，这是建筑地基基础设 计规范历次版本所共有的规定所得到 的结果。l也许有的网友会这样解释，表中的淤泥 和淤泥质土的宽度修正系数为零，深度 修正系数为1.0，不是和按试验结果得到 的系数一样吗？l这并没有错，但还有不少的土类，这两 个系数都是比较大的。对于这些土类， 如何用规范的地基承载力公式计算呢？ 按照第4.2.4条的规定，没有区分土类， 没有区分排水条件，如果都采用不固结 不排水剪试验，即使是砂土，也得到接 近于零的内摩擦角。按照这样的试验结 果只能得到Mb0, Md=1.0, Mc=3.14的承 载力系数，计算的结果与基础宽度及基 础埋置深度都没有什么关系。2.怎样估计地基承载力的 安全系数？l在高层建筑岩土工程勘察规程JGJ72 2004的附录A给出了天然地基极限承载 力公式，而在建筑地基基础设计规范 GB50007-2002中给出了地基承载力特 征值的计算公式，我的问题是对于同样 的土，采用这两个公式计算的结果的比 值是否就是安全系数？l从原理上说，极限承载力除以安全系数 就是地基承载力特征值，或者说，用同 一土层的强度指标，分别计算得到的极 限承载力除以地基承载力特征值，就是 取用这个容许承载力的计算安全系数。l下面用计算的方法进行校核，土的抗剪 强度指标为：固结不排水剪内摩擦角 18 ，黏聚力c20kPa ；不固结不排水 剪强度cu55kPa；土体的重度 18kN/m3，如果条形基础宽度b3m，埋置 深度d2m，分别用高层建筑岩土工程 勘察规程JGJ722004的附录A的公式 和建筑地基基础设计规范GB50007- 2002的公式计算地基承载力。l用高层建筑岩土工程勘察规程JGJ72 2004的附录A的公式计算，查表得承载 力系数N4.07，Nq5.26，Nc13.1， 条形基础的形状系数均为1.0, 则地基极限 承载力的计算结果为：2l用建筑地基基础设计规范GB50007- 2002的公式计算，查表得承载力系数Mb 0.41，Md2.72，Mc5.31，则地基承载力 特征值的计算结果为：l计算的安全系数K2.48。l如果用不固结不排水强度计算，极限承载 力为756.5kPa，地基承载力特征值为 208.7kPa，则计算的安全系数为K3.62 。3.3.怎样校核地基承载力的怎样校核地基承载力的 地方经验？地方经验？l我是上海地区的，请问建筑地基基础 设计规范GB50007-2002的地基承载力 特征值的计算公式在上海是否适用？l国家标准的地基承载力计算公式在原则 上应当适用于全国各地。但如果地区已 有地方规范，应该进行必要的试算比较 ，