岩土工程设计概论课件

岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论12.1岩土工程条件2.1.1场地条件

场地地形地貌、地质构造、水文地质条件的复杂程度；有无不良地质现象、不良地质现象的类型、发展趋势和对工程的影响，场地环境工程地质条件(地面沉降、采空区、隐伏岩溶地面塌陷、土水的污染、地震烈度、场地对抗震有利、不利影响或危险、场地的地震效应等)。

岩土工程条件包括：场地条件、地基条件和工程条件。2.1岩土工程条件2.1.1场地条件岩土工22.1.2地基条件

地基岩土的年代和成因，有无特殊性岩土，岩土随空间和时间的变异性；岩土的强度性质和变形性质；岩土作为天然地基的可能性、岩土加固和改良的必要性和可行性。2.1.3工程条件

工程的规模、重要性(政治、经济、社会)；荷载的性质、大小、加荷速率、分布均匀性；结构刚度、特点、对不均匀沉降的敏感性；基础类型、刚度、对地基强度和变形的要求；地基、基础与上部结构协同作用。2.1.2地基条件2.1.3工程条件32.2岩土工程设计的特点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、水文地质条件及其复杂变化，包括可能发生的自然灾害以及由于兴建工程改变了自然环境引起的灾害，必须特别重视调查研究。同时，岩土工程迄今还是一门不严谨、不完善、不十分成熟的科学技术，存在相当大的风险性。2.2岩土工程设计的特点1、对自然条件的依赖性42.2岩土工程设计的特点2、

岩土性质的不确定性

岩土参数是随机变量，变异性大。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，相互间无确定性关系。因此，进行岩土工程设计时，不仅要掌握岩土性质及其概率分布，而且要了解测试的方法及其与工程原型之间的差别。2.2岩土工程设计的特点2、岩土性质的不确定性5

岩土室内试验室内试验岩石试验土工试验岩相鉴定孔隙性质试验水理性质试验声学性试验强度和变形试验结构面抗剪强度试验软弱夹层剪切蠕变试验点荷载强度试验物理性质试验密实度试验强度和变形试验流变试验动力特性试验离心模型试验岩土室内试验室内试验岩石试验土工试验岩相鉴定物理性质63、

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。但由于岩土性质和几何尺寸的复杂多变，以及岩土和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严谨和不完善，经验特别是地方类似工程的实验经验，在岩土工程设计中应予高度重视。3、注重经验特别是地方经验74、

原位测试、实体试验的特殊地位

取样做室内试验仍是岩土测试的重要方法，但由于小块试样的代表性不足，取样、运输，保存、试验过程中的扰动，某些岩土无法取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，原位测试一般应力应变条件复杂，影响因素多，和实体工程差异大，难以进行理论分析，有些原位测试项目并不直接得出设计参数，和设计参数甚至没有物理概念上的联系，成果的应用有很强的经验性和地区性。为了避免尺寸效应的影响，对理论依据不足，实践经验不多的岩土工程可做现场实体试验或足尺试验，如足尺的平板载荷试验、桩载荷试验、锚杆（索）抗拔试验等。只要这些试验成果有足够的代表性，可以作为岩土工程设计最可靠的依据和最终的设计依据。4、原位测试、实体试验的特殊地位8结构面尺寸效应对试样强度的影响试样1，无结构面，强度最高试样2，含少量结构面，强度较高试样3，含较多结构面，强度较低结构面尺寸效应对试样强度的影响试样1，无结构面，强度最高试样92.3基本技术要求和设计原则2.3.1基本技术要求

岩土工程设计应以最少的投资，最短的工期，达到在设计基准期内安全运行，并满足所有预定的功能要求。这里包含了三方面的要求：

a．预定的功能；

b．安全性和耐久性；

c．工期和投资的经济性。2.3基本技术要求和设计原则2.3.1基本技术要求102.3.2设计时应考虑的因素

a．设计基准期内预定的功能；

b．场地条件、岩土性质及其可能变化；

c．工程结构类型、特点及其对地质条件的适宜性

d．工程结构的荷载组合情况；

e．施工环境，相邻工程的影响；

f．施工技术条件，设计实施的可行性；

g．地方材料资源；

h.工期和投资。2.3.2设计时应考虑的因素112.3.3注意场地条件，防治灾害

应充分收集场地的地形、地质、水文、水文地质等资料，作为设计的依据。场地可能的自然灾害，包括：暴雨、洪水、地震、滑坡、崩塌、泥石流等；由于工程建设引起的灾害,包括采空塌陷、抽水塌陷、边坡失稳，管涌、突水等。对于这些灾害，应在勘察、评价、预测的基础上，采取有效的防治措施。2.3.3注意场地条件，防治灾害122.3.4合理选用岩土参数——可靠性和适用性

可靠性和适用性是对岩土参数的基本要求。所谓可靠性，是指参数能正确反映岩土体在规定条件下的性状，能比较有把握地估计参数真值所在的区间。所谓适用性，是指参数能满足岩土工程设计计算的假定条件和计算精度要求。岩土参数的可靠性和适用性，首先取决于岩土结构的扰动程度，不同的取样器和取样方法对土样的扰动程度不同，测试结果也不同。其次,试验方法和取值标准对岩土参数也有重要的影响。对同一土层的同一指标，用不同试验标准所得的结果会有很大差异。

2.3.4合理选用岩土参数13例如土的抗剪强度，可用下列方法测定，其结果各不相同：

a．UU试验（不排水不固结试验）；

b．CU试验（排水不固结试验）；

c．CD试验（排水固结试验）。因此，进行岩土工程设计时，不仅要掌握岩土参数的数据，而且要了解测试方法和试验标准，对岩土参数的可靠性和适用性进行评价。岩土参数的统计分析

由于岩土参数是随机变量，故应在划分工程地质单元的基础上，进行统计分析，算出各项参数的平均值、标准差和变异系数，确定其标准值和设计值。例如土的抗剪强度，可用下列方法测定，其结果各不相同14岩土参数统计分析注：式中正负号按不利组合考虑，如抗剪强度指标的修正系数应取负值。平均值方差变异系数修正系数岩土参数统计分析注：式中正负号按不利组合考虑，如抗剪强度指标152.3.5定性分析与定量分析结合

定性分析是岩土工程分析的首要步骤和定量分析的基础，对下列问题一般作定性分析：

a．工程选址和场地适宜性评价：

b．场地地质背景和地质稳定性评价；

c.岩土性质的直观鉴定。

定量分析可采用解析法、图解法或数值法，都应有适当的安全储备以保证工程的可靠性，可采用定值法或概率法。定性分析和定量分析都应在详细占有资料的基础上，运用成熟的理论和类似工程的经验，进行论证，并宜提出多方案进行比较。2.3.5定性分析与定量分析结合16定性分析案例－三家寨滑坡该滑坡呈倒梨形，后缘宽大，前沿狭窄，形成机制为：蠕滑-拉裂牵引式滑坡。定性分析案例－三家寨滑坡该滑坡呈倒梨形，后缘宽17北滑坡下级后缘裂缝已基本贯通，前缘已严重坍塌，出口明显，滑坡处于极限平衡状态，在降雨量集中、地震力作用等不利因素影响下，将引起整体滑动，而且前级的滑动必然会牵引后级滑坡的发展。

南滑坡下级滑体的后缘裂缝未贯通，相对北滑坡而言其稳定性稍好一些，但裂缝亦成规模，且滑体松散渗透性好，在降雨集中季节，地表水下渗软化滑带土和滑体自重加大等因素也会促使下级滑体滑动，并引起中级滑体的滑动。从长期观测资料分析，南北滑坡总体变形基本处于蠕变状态，但滑坡下级已处于极限平衡状态，如不采取工程措施，在大量降雨或地震等极端不利的情况下，将引发滑坡再次失稳滑动。北滑坡下级后缘裂缝已基本贯通，前缘已严重坍塌，出口明显，滑坡18定量计算采用传递系数法进行稳定性计算。

计算方案为：方案I：天然状态；方案II：暴雨作用；方案III：地震作用；

方案IV：暴雨＋地震。

计算方案计算剖面天然状态暴雨地震（Ⅶ级）暴雨+地震南滑坡Ⅰ-Ⅰ下级1.00800.80450.98350.7832中级1.23251.17691.20931.1551上级1.93221.76931.84121.6857北滑坡Ⅲ－Ⅲ下级0.99350.96700.90380.8794上级1.12771.04441.09711.0157

滑坡稳定性计算结果

定量计算采用传递系数法进行稳定性计算。192.3.6注意与结构设计的配合

在岩土工程设计中，岩土工程师与结构工程师应密切配合，使岩土工程设计与结构工程设计协调一致。2.4设计阶段划分2.4.1方案（可行性）设计阶段

在岩土工程勘察报告基础上，根据设计目标和功能要求，对岩土工程设计开展可行性论证，并进行多种（至少2-3种）方案的设计和比较。应对多种设计方案的技术、经济、社会和环境效益等进行分析和论证，作出工程估算，并提出推荐方案。2.3.6注意与结构设计的配合2.4设计阶段划分2.420三家寨滑坡设计方案比选

方案1、框架锚索＋排水工程

方案2、锚索抗滑桩＋框架锚索＋排水工程

考虑到三家寨滑坡规模和推力较大，采用锚拉抗滑桩这种结构形式来阻止下级滑体的滑动。由于三家寨滑坡为蠕滑－拉裂牵引式滑坡，锚索桩实施后，桩前的滑体仍为不稳定体，相应的治理措施为预应力框架锚索。三家寨滑坡设计方案比选 方案1、框架锚索＋排水工程212.4.2初步设计阶段

根据岩土工程初勘报告，对评审通过的设计方案进行分解和细化设计，提出采用的岩土工程参数和基本可用于实施的图件，并进行工程概算。

实例：三家寨滑坡初步设计要点滑

坡力学参数牵

引

段主

滑

段北滑坡C(KPa)0.027.0φ(°)40.035.0南滑坡C(KPa)0.027.0φ(°)40.037.0表5-1

滑坡稳定性计算滑带力学参数表进行支挡结构设计验算，绘制工程布置平面图、剖面图、结构图等图件。岩土工程参数取值：2.4.2初步设计阶段 实例：三家寨滑坡初步设计要点滑22滑坡有锚索桩32根，桩长24m～35m，桩截面为2×3m2，预应力锚索长44m，桩中到中距离5m；3.5×4.0m，由截面尺寸为50×60cm的C25钢筋砼构成；南滑坡锚索长16m～20m；北滑坡锚索长14m～22m。滑坡有锚索桩32根，桩长24m～35m，桩截面为2×3m2，232.4.3施工图设计阶段

根据岩土工程详勘报告，进一步调整和优化初步设计文件，确定岩土工程结构平面、剖面和立面布置，编制结构细部图、结点图等工程图件及说明，提出施工工艺要求和注意事项，进行工程预算。对于规模小、地质条件清楚的岩土工程设计，可简化设计阶段。2.4.3施工图设计阶段24三家寨南滑坡治理工程局部放大图南滑坡有锚索桩17根，桩长24m～35m，桩截面为2×3m2，预应力锚索长44m，桩中到中距离5m三家寨南滑坡治理工程局部放大图南滑坡有锚索桩17根，桩长225岩土工程设计概论课件262.5设计基础资料2.5.1地形、水文、气象资料

a．地形图及平面、高程控制；

b．水位、流量、洪峰、淹没、冲淤等；

c．气温、降水、冻结深度、暴雨、风暴潮等2.5设计基础资料2.5.1地形、水文、气象资料272.5.2岩土工程勘察资料

a．岩土的类型、年代、成因、产状、性质、分布；

b．岩土的工程性质及其变异性；

c．断裂构造的性质、展布、对工程的影响；

d．不良地质现象(包括岩溶、土洞、滑坡、崩塌、泥石流；活动砂丘等)的类型、特征、动态、对工程的影响；

e．人为地质现象(包括采空、水库坍岸、抽水引起地面沉降、塌陷等)的类型、特征、动态、对工程的影响；

f．地震烈度、场地土类别、场地类别、地震动参数、液化测试及评价；

g．地下水类型、水位、动态、地层渗透性补给排泄条件；

h．水与土对建筑材料的腐蚀性；

i．特殊性岩土的测试与评价。

2.5.2岩土工程勘察资料282.5.3建筑结构资料

a．工程安全等级（3级）、建筑面积、层数、高度、开挖深度、可能采用的基础类型等；

b．结构类型、刚度、荷载及分布、加荷速率、对沉降的要求等；

c．可能采用的挡土结构类型；

d．和岩土工程有关的排水、抽水、排污。

2.5.4其它资料

a．邻近工程设施及其与拟建工程关系；

b．施工排水、排污条件，对噪音、振动的限制；

c．岩土工程勘察、设计及施工的地方经验，

d．工程建设的计划进度，各单位的分工配合，

e．地方施工能力，材料及劳务价格．2.5.3建筑结构资料2.5.4其它资料292.6岩土工程设计方法

岩土工程设计方法有容许应力法和极限状态法。

容许应力法是建立在经验基础上的岩土工程传统设计方法，随着设计理论和设计方法的进步，有转向以概率为基础的极限状态法的趋势，但目前尚处在探索研究阶段，还不够成熟。无论采用哪种方法设计，都应有足够的安全储备，都应满足下列各项功能：能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用；在正常使用期间，工程各部分功能具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性；在发生偶然事件或局部失效时，仍能保持必需的整体稳定性。2.6岩土工程设计方法岩土工程设计方法有容许应302.6.1一些基本概念

（1）设计基准期：指工程设计所依据的时间参数。（2）容许应力法：在正常使用条件下，比较荷载作用和岩土抗力，要求强度有一定的储备，变形不过大，荷载、抗力和安全度的取值大都建立在经验的基础上。（3）极限状态：整个工程或工程的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。各种极限状态都有明确的标志或限值。

（4）极限状态法：将岩土及有关的结构置于极限状态进行分析，找到达到某种极限状态(承载能力、变形等)时岩土的抗力。2.6.1一些基本概念31（5）定值法：将设计变量作为非随机变量，一般用安全系数表达，即从强度上根据经验打一折扣，作为安全储备。

K=R/S≥[K]式中，R，S，K，[K]分别为抗力、作用、安全系数、目标安全系数。例如某工程目标安全系数为2.5，今抗力为1500kN，作用为500kN，则安全系数为3.0，则K>[K]，满足。

(6)概率法:

将设计变量作为随机变量，对抗力、作用、安全度进行概率分析，按失效概率量度工程的可靠性，将工程的安全储备建立在概率分析的基础上。按水准的不同分为半概率法、近似概率法、全概率法。

(7)可靠度:

指工程在规定时间内和规定条件下，具有预定功能的概率。可靠度设计通常是以概率理论为基础的极限状态设计方法。（5）定值法：将设计变量作为非随机变量，一般用安全系数表达，322.6.2极限状态

（1）承载能力极限状态：或称破坏极限状态。当工程出现下列情况之一时，即认为已超过了承载能力极限状态，如：

a.整个工程或工程的一部分，作为刚体失去平衡；

b.岩土或结构材料的强度超过破坏极限，或因过度变形而不能继续承受荷载；

c.岩土或结构构件丧失稳定（如构件压屈）。

《欧洲地基基础规范》把破坏极限状态又分为A类和B类。

A类是指在岩土体中形成某种破坏机制，如地基发生整体性滑动；土坡或岩坡失稳；挡土结构倾覆；隧洞顶板垮落或边墙倾覆；流砂、管涌、潜蚀、塌陷、液化等。

B类是指由于岩土体的过大位移和变形，导致上部结构发生结构性的严重损坏，如：由于土的湿陷、融陷、震陷、液化沉陷或其它大量的变形，造成工程的结构性破坏；由于岩土的过量水平位移，导致桩的倾斜、管道破裂、邻近工程的结构性破坏；由地下水的浮托、静水或动水压力造成的工程结构性破坏。2.6.2极限状态33挡墙失稳破坏挡墙失稳破坏34

（2）正常使用极限状态：或称功能极限状态。这种极限状态对应于工程达到正常使用或耐久性能的某些规定限值。出现下列情况之一时，即认为超过了正常使用极限状态：

a．影响正常使用的外观变形；

b．影响正常使用或耐久性的局部破坏(如裂缝)；

c．影响正常使用的振动；

d．影响正常使用的其他特定状态。属于超过正常使用极限的例子有：由于岩土变形而使工程发生超限的倾斜；由于岩土变形而使工程发生表面裂缝、或装修损坏；由于岩土刚度不足影响工程正常使用的振动；因地下水渗漏而影响工程的正常使用等。

35挡墙、斜坡开裂挡墙、斜坡开裂362.6.3作用

岩土工程上的作用，有静态的和动态的，有固定的和自由的，按时间的变异性分为：

(1)永久作用：

在规定的设计状况下一定出现，其量值随时间的变化可以忽略。如岩土压力、水位不变的静水压力、结构自重、岩土位移或变形引起结构外加变形或约束变形等，永久作用一般以标准值作为它的代表值。

(2)可变作用：

在规定的设计状况下不一定出现，其量值随时间的变化不可忽略。它包括各种使用荷载、安装荷载、车辆荷载、风载、雪载、水位变化的水压力、波浪力、温度变化等。可变作用一般取常遇值或准永久值作为它的代表值。

(3)偶然作用：在设计考虑的时间内不一定出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间很短。它包括强烈地震、爆炸、龙卷风、撞击等。偶然作用的代表值由有关规范规定或参照有关资料和工程经验综合分析确定。2.6.3作用37挡土墙作用荷载挡土墙作用荷载38作用于挡土墙上的永久作用挡土墙自重；由于填土作用于墙背的主动土压力；由于墙前土体作用于墙面的被动土压力;填土中的地下水压力或常水位时的静水压力与浮力；基底的摩擦力；墙顶上的有效荷载W0。作用于挡土墙上的永久作用挡土墙自重；39作用于挡土墙上的可变作用设计水位的静水压力和浮力；车辆荷载引起的土压力；温度荷载作用于挡土墙上的偶然作用地震荷载；施工及临时荷载、如起吊机、人群、堆载等撞击力主要可变荷载附加可变荷载作用于挡土墙上的可变作用设计水位的静水压力和浮力；作用于挡土40荷载组合主要组合：永久荷载与可能发生的主要可变荷载组合；附加组合：永久荷载与主要可变荷载和附加可变荷载组合；偶然组合：永久荷载、主要(附加)可变荷载与一种偶然荷载组合。

一般情况下，不同组合情况下，设计安全系数的取值是不一样的。且主要组合、附加组合、偶然组合的稳定性系数依次减小。荷载组合主要组合：永久荷载与可能发生的主要可变荷载组合；412.6.4分项系数设计

定值法的安全度用“安全系数”表示，抗力、作用、目标安全系数、安全系数都是经验的；概率法的安全度一般用可靠指标表示，建立在概率分析的基础上，但是，要求每个工程都进行可靠度分析是不现实的．目前，结构工程的极限状态设计采用分项系数表达式，对于岩土工程，国外亦巳用分项系数表达，中国尚在研究探索中。分项系数表达式可以建立在概率分析的基础上，也可以建立在经验的基础上(定值法)。无论概率法或定值法，为了和以往的设计方法(设计规范)相衔接，都要对新旧方法进行校核，使二者接近。2.6.4分项系数设计42

岩土工程极限状态设计可用下式表达式：式中：S（·）——作用效应函数；

R（·）——抗力函数；

γn——工程重要性系数；

γsd，γRd——反映作用效应函数和抗力函数计算模式不定性的系数

ak——几何参数；

γQ——作用效应分项系数；

Qk，fk——作用效应标准值及岩土参数标准值；

γA，γR——岩土参数的作用效应分项系数及抗力分项系数；

——作用效应组合系数；

c——限值。

432.7实体试验、动态设计与反分析2.7.1实体试验

直接地或间接地以工程实体试验或工程原型监测为设计依据，是岩土工程设计的一条重要准则。单纯依靠理论计算的设计，通常认为是不可靠的。既无现成经验又无实体试验的工程，总带有一定的实验性质，这是因为：岩土工程的影响因素复杂，数学公式或数学模型无不经过较大的简化；地质条件难以完全摸清，岩土参数不易量测，测试条件和工程原型间差别往往很大；模型试验虽是一种重要实验手段，但由于模型材料和尺寸效应问题，一般不宜直接作为设计依据。

2.7实体试验、动态设计与反分析2.7.1实体试验44

岩土工程设计以实体试验和原型监测为依据，有以下三种方法：

1．建立经验公式或用经验系数修正理论公式

a．根据桩的静载荷试验，与土性资料分析对比，确定桩的端承力和摩阻力；

b．根据土的静载荷试验，与土性测试数据分析对比，确定地基承载力(静载荷试验虽非实体试验，但较接近工程原型，且偏安全)；

c．根据建筑物沉降观测进行反分析，与室内压缩试验对比，修正沉降计算公式。岩土工程设计概论课件45

2．现场进行实体试验

a．足尺基础的现场静力载荷试验；

b．桩和墩的现场实体试验；

c．现场堆载试验；

d．现场试开挖；

e．抽水试验及其它现场疏干排水试验；

f．各种地基处理的现场试验；

g．锚杆(索)抗拔试验。

46现场堆载试验现场堆载试验47锚杆抗拔试验锚杆抗拔试验48

3．通过工程原型监测逐步调整设计

a．软土地基上的堤坝、油罐等工程，在加载过程中监测地基土的位移与孔隙水压力，根据监测数据调整加荷速率；

b．在高边坡或大型露天矿开挖过程中，监测岩土应力与位移，根据监测数据调整施工程序；

c．在高层建筑与裙房之间设置后浇缝，根据沉降观测数据确定浇筑时间。

d．在深基开挖与地下开挖过程中，监测岩土和结构的应力、变形及地下水情况，以便必要时采取补强或其它应急措施。

49PK0+512断面水平收敛及拱顶下沉位移—时间曲线图鹧鸪山隧道监测实例PK0+512断面水平收敛及拱顶下沉位移—时间曲线图鹧鸪山隧502.7.2动态设计由于设计参数和计算方法的不精确性，实际上施工前大多数岩土工程设计都是一种预设计。施工过程中，必须加强施工地质和现场观测（监测）工作，并根据实际情况对设计进行动态调整和优化。原型观测对于检验岩土工程设计的合理性和监测施工的质量和安全，有特殊重要的意义。2.7.2动态设计51

（1）地形原因：由于勘察结果与实地地形有较大偏差，使得施工图设计措施无法于现场实施，必须进行调整。

如GK7＋709～＋999段，原设计路基边坡采用土钉墙、锚索及锚喷支护等措施,但由于原K线桩号K9+010至K9+085段路基左半幅悬空,提出“右移路基、加固边坡”的修改设计方案。GK7＋709～＋999段正在按照动态设计方案进行实施动态设计案例（1）地形原因：由于勘察结果与实地地形有较大偏差，使得52

（2）施工原因：由于施工单位没按设计工序施工，使得边坡产生滑塌，而不能再按原设计施工，必须进行调整。如K6+100-K6+160段边坡，施工图原设计采用锚索桩板墙加固边坡。根据边坡施工、开挖和滑塌的情况，采用下部设挡墙支挡、中上部用锚杆框架加固的措施对该段边坡进行处理。

K6+160-K6+100段路堑边坡整治完工后（2）施工原因：由于施工单位没按设计工序施工，使得边坡53（3）地质原因：边坡开挖后，工程地质条件比勘察结果更为复杂，边坡稳定性差，原设计措施不能满足现有边坡稳定的要求。重新在下部施作抗滑桩（部分利用原桩），桩间设置挡墙支挡；桩顶以上边坡自下而上分别按1:1-1:1.25刷坡，采用截水锚杆框架梁进行加固。K9+477～＋562段边坡处治完工后情况

（3）地质原因：边坡开挖后，工程地质条件比勘察结果更为复杂，54（4）地质原因：边坡开挖后，地质条件较勘察结果好，边坡较为稳定，为节约成本，不必按原设计措施对边坡进行治理。

如K5+780～＋850段边坡，开挖揭示其整体稳定性较好。原设计中，K5+780～K5+848段设置桩板墙（其中5、6、7、8、9号桩为锚索桩）。动态设计：K5+836～847.84段设置5～8m挡墙，原设计的10号桩及相应的挂板取消；9号桩桩长变为14m，挂板高度为9m；该段5、6、7、8、9号桩的锚索全部取消，改为普通桩板墙。K5+780～＋850段边坡处治完工后情况（4）地质原因：边坡开挖后，地质条件较勘察结果好，边坡较为稳552.7.3反分析

反分析是根据工程原型的观测数据，反求岩土体的特征参数。目的和意义：

a．和室内试验、原位测试一起，构成求取岩土体特征参数的三种主要手段；

b．通过反分析，查验设计的合理性，

c．通过反分析，查明工程事故的技术原因，

d．结合室内试验和原位测试，对岩土力学问题进行科学研究。分析步骤：

a．检查和编整观测数据，

b．建立数学模型，进行计算分析，

c．将计算结果同设计时采取的参数进行比较，分析两者的差异及其原因。

2.7.3反分析56龙溪隧道V级围岩锚杆轴力监测数据拱顶监测龙溪隧道V级围岩锚杆轴力监测数据拱顶监测57有限元反演模型岩土力学参数：E、c、φ有限元反演模型岩土力学参数：E、c、φ58监测断面监测点计算值/mm实测值/mm误差竖直位移水平位移2,3点相对位移拱顶下沉2,3水平收敛位移拱顶下沉水平收敛LK22+1101-128.2592-95.139510198.3626.99%3.27%2--40.7525-3-54.3870-E取2.0Gpa时的计算结果E/GPaC/（°）φ/MPauρ/（kg/m3）围岩体1.5380.40.252700松动圈岩体0.9270.20.282600龙溪隧道V级围岩段围岩力学参数反演结果监测断面监测点计算值/mm实测值/mm误差竖直水平2,3点相59注意事项：

a．反分析必须具备详细的现场勘察资料，包括地层和地下水的埋藏条件，岩土性质指标及其在施工过程中的变化；

b．反分析应尽量具备岩土体初始状态和应力历史的数据；

c．施工和运营过程中的观测数据，是反分析的主要依据，应系统、全面、可靠，精度符合要求；

d．合理确定边界条件和排水条件，合理选择数学模型；

e．在进行量纲分析、理论解析、统计分析时，应注意反分析工程与设计之间在尺寸上的异同；注意事项：60小结1、岩土工程条件：3大条件；2、岩土工程设计基本技术要求：3点；3、岩土工程设计阶段：三阶段；4、岩土工程设计方法：两大类；5、极限状态：两种。小结1、岩土工程条件：3大条件；61 谢谢大家！ 谢谢大家！62岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论岩土工程设计概论632.1岩土工程条件2.1.1场地条件

场地地形地貌、地质构造、水文地质条件的复杂程度；有无不良地质现象、不良地质现象的类型、发展趋势和对工程的影响，场地环境工程地质条件(地面沉降、采空区、隐伏岩溶地面塌陷、土水的污染、地震烈度、场地对抗震有利、不利影响或危险、场地的地震效应等)。

岩土工程条件包括：场地条件、地基条件和工程条件。2.1岩土工程条件2.1.1场地条件岩土工642.1.2地基条件

地基岩土的年代和成因，有无特殊性岩土，岩土随空间和时间的变异性；岩土的强度性质和变形性质；岩土作为天然地基的可能性、岩土加固和改良的必要性和可行性。2.1.3工程条件

工程的规模、重要性(政治、经济、社会)；荷载的性质、大小、加荷速率、分布均匀性；结构刚度、特点、对不均匀沉降的敏感性；基础类型、刚度、对地基强度和变形的要求；地基、基础与上部结构协同作用。2.1.2地基条件2.1.3工程条件652.2岩土工程设计的特点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、水文地质条件及其复杂变化，包括可能发生的自然灾害以及由于兴建工程改变了自然环境引起的灾害，必须特别重视调查研究。同时，岩土工程迄今还是一门不严谨、不完善、不十分成熟的科学技术，存在相当大的风险性。2.2岩土工程设计的特点1、对自然条件的依赖性662.2岩土工程设计的特点2、

岩土性质的不确定性

岩土参数是随机变量，变异性大。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，相互间无确定性关系。因此，进行岩土工程设计时，不仅要掌握岩土性质及其概率分布，而且要了解测试的方法及其与工程原型之间的差别。2.2岩土工程设计的特点2、岩土性质的不确定性67

岩土室内试验室内试验岩石试验土工试验岩相鉴定孔隙性质试验水理性质试验声学性试验强度和变形试验结构面抗剪强度试验软弱夹层剪切蠕变试验点荷载强度试验物理性质试验密实度试验强度和变形试验流变试验动力特性试验离心模型试验岩土室内试验室内试验岩石试验土工试验岩相鉴定物理性质683、

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。但由于岩土性质和几何尺寸的复杂多变，以及岩土和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严谨和不完善，经验特别是地方类似工程的实验经验，在岩土工程设计中应予高度重视。3、注重经验特别是地方经验694、

原位测试、实体试验的特殊地位

取样做室内试验仍是岩土测试的重要方法，但由于小块试样的代表性不足，取样、运输，保存、试验过程中的扰动，某些岩土无法取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，原位测试一般应力应变条件复杂，影响因素多，和实体工程差异大，难以进行理论分析，有些原位测试项目并不直接得出设计参数，和设计参数甚至没有物理概念上的联系，成果的应用有很强的经验性和地区性。为了避免尺寸效应的影响，对理论依据不足，实践经验不多的岩土工程可做现场实体试验或足尺试验，如足尺的平板载荷试验、桩载荷试验、锚杆（索）抗拔试验等。只要这些试验成果有足够的代表性，可以作为岩土工程设计最可靠的依据和最终的设计依据。4、原位测试、实体试验的特殊地位70结构面尺寸效应对试样强度的影响试样1，无结构面，强度最高试样2，含少量结构面，强度较高试样3，含较多结构面，强度较低结构面尺寸效应对试样强度的影响试样1，无结构面，强度最高试样712.3基本技术要求和设计原则2.3.1基本技术要求

岩土工程设计应以最少的投资，最短的工期，达到在设计基准期内安全运行，并满足所有预定的功能要求。这里包含了三方面的要求：

a．预定的功能；

b．安全性和耐久性；

c．工期和投资的经济性。2.3基本技术要求和设计原则2.3.1基本技术要求722.3.2设计时应考虑的因素

a．设计基准期内预定的功能；

b．场地条件、岩土性质及其可能变化；

c．工程结构类型、特点及其对地质条件的适宜性

d．工程结构的荷载组合情况；

e．施工环境，相邻工程的影响；

f．施工技术条件，设计实施的可行性；

g．地方材料资源；

h.工期和投资。2.3.2设计时应考虑的因素732.3.3注意场地条件，防治灾害

应充分收集场地的地形、地质、水文、水文地质等资料，作为设计的依据。场地可能的自然灾害，包括：暴雨、洪水、地震、滑坡、崩塌、泥石流等；由于工程建设引起的灾害,包括采空塌陷、抽水塌陷、边坡失稳，管涌、突水等。对于这些灾害，应在勘察、评价、预测的基础上，采取有效的防治措施。2.3.3注意场地条件，防治灾害742.3.4合理选用岩土参数——可靠性和适用性

可靠性和适用性是对岩土参数的基本要求。所谓可靠性，是指参数能正确反映岩土体在规定条件下的性状，能比较有把握地估计参数真值所在的区间。所谓适用性，是指参数能满足岩土工程设计计算的假定条件和计算精度要求。岩土参数的可靠性和适用性，首先取决于岩土结构的扰动程度，不同的取样器和取样方法对土样的扰动程度不同，测试结果也不同。其次,试验方法和取值标准对岩土参数也有重要的影响。对同一土层的同一指标，用不同试验标准所得的结果会有很大差异。

2.3.4合理选用岩土参数75例如土的抗剪强度，可用下列方法测定，其结果各不相同：

a．UU试验（不排水不固结试验）；

b．CU试验（排水不固结试验）；

c．CD试验（排水固结试验）。因此，进行岩土工程设计时，不仅要掌握岩土参数的数据，而且要了解测试方法和试验标准，对岩土参数的可靠性和适用性进行评价。岩土参数的统计分析

由于岩土参数是随机变量，故应在划分工程地质单元的基础上，进行统计分析，算出各项参数的平均值、标准差和变异系数，确定其标准值和设计值。例如土的抗剪强度，可用下列方法测定，其结果各不相同76岩土参数统计分析注：式中正负号按不利组合考虑，如抗剪强度指标的修正系数应取负值。平均值方差变异系数修正系数岩土参数统计分析注：式中正负号按不利组合考虑，如抗剪强度指标772.3.5定性分析与定量分析结合

定性分析是岩土工程分析的首要步骤和定量分析的基础，对下列问题一般作定性分析：

a．工程选址和场地适宜性评价：

b．场地地质背景和地质稳定性评价；

c.岩土性质的直观鉴定。

定量分析可采用解析法、图解法或数值法，都应有适当的安全储备以保证工程的可靠性，可采用定值法或概率法。定性分析和定量分析都应在详细占有资料的基础上，运用成熟的理论和类似工程的经验，进行论证，并宜提出多方案进行比较。2.3.5定性分析与定量分析结合78定性分析案例－三家寨滑坡该滑坡呈倒梨形，后缘宽大，前沿狭窄，形成机制为：蠕滑-拉裂牵引式滑坡。定性分析案例－三家寨滑坡该滑坡呈倒梨形，后缘宽79北滑坡下级后缘裂缝已基本贯通，前缘已严重坍塌，出口明显，滑坡处于极限平衡状态，在降雨量集中、地震力作用等不利因素影响下，将引起整体滑动，而且前级的滑动必然会牵引后级滑坡的发展。

南滑坡下级滑体的后缘裂缝未贯通，相对北滑坡而言其稳定性稍好一些，但裂缝亦成规模，且滑体松散渗透性好，在降雨集中季节，地表水下渗软化滑带土和滑体自重加大等因素也会促使下级滑体滑动，并引起中级滑体的滑动。从长期观测资料分析，南北滑坡总体变形基本处于蠕变状态，但滑坡下级已处于极限平衡状态，如不采取工程措施，在大量降雨或地震等极端不利的情况下，将引发滑坡再次失稳滑动。北滑坡下级后缘裂缝已基本贯通，前缘已严重坍塌，出口明显，滑坡80定量计算采用传递系数法进行稳定性计算。

计算方案为：方案I：天然状态；方案II：暴雨作用；方案III：地震作用；

方案IV：暴雨＋地震。

计算方案计算剖面天然状态暴雨地震（Ⅶ级）暴雨+地震南滑坡Ⅰ-Ⅰ下级1.00800.80450.98350.7832中级1.23251.17691.20931.1551上级1.93221.76931.84121.6857北滑坡Ⅲ－Ⅲ下级0.99350.96700.90380.8794上级1.12771.04441.09711.0157

滑坡稳定性计算结果

定量计算采用传递系数法进行稳定性计算。812.3.6注意与结构设计的配合

在岩土工程设计中，岩土工程师与结构工程师应密切配合，使岩土工程设计与结构工程设计协调一致。2.4设计阶段划分2.4.1方案（可行性）设计阶段

在岩土工程勘察报告基础上，根据设计目标和功能要求，对岩土工程设计开展可行性论证，并进行多种（至少2-3种）方案的设计和比较。应对多种设计方案的技术、经济、社会和环境效益等进行分析和论证，作出工程估算，并提出推荐方案。2.3.6注意与结构设计的配合2.4设计阶段划分2.482三家寨滑坡设计方案比选

方案1、框架锚索＋排水工程

方案2、锚索抗滑桩＋框架锚索＋排水工程

考虑到三家寨滑坡规模和推力较大，采用锚拉抗滑桩这种结构形式来阻止下级滑体的滑动。由于三家寨滑坡为蠕滑－拉裂牵引式滑坡，锚索桩实施后，桩前的滑体仍为不稳定体，相应的治理措施为预应力框架锚索。三家寨滑坡设计方案比选 方案1、框架锚索＋排水工程832.4.2初步设计阶段

根据岩土工程初勘报告，对评审通过的设计方案进行分解和细化设计，提出采用的岩土工程参数和基本可用于实施的图件，并进行工程概算。

实例：三家寨滑坡初步设计要点滑

坡力学参数牵

引

段主

滑

段北滑坡C(KPa)0.027.0φ(°)40.035.0南滑坡C(KPa)0.027.0φ(°)40.037.0表5-1

滑坡稳定性计算滑带力学参数表进行支挡结构设计验算，绘制工程布置平面图、剖面图、结构图等图件。岩土工程参数取值：2.4.2初步设计阶段 实例：三家寨滑坡初步设计要点滑84滑坡有锚索桩32根，桩长24m～35m，桩截面为2×3m2，预应力锚索长44m，桩中到中距离5m；3.5×4.0m，由截面尺寸为50×60cm的C25钢筋砼构成；南滑坡锚索长16m～20m；北滑坡锚索长14m～22m。滑坡有锚索桩32根，桩长24m～35m，桩截面为2×3m2，852.4.3施工图设计阶段

根据岩土工程详勘报告，进一步调整和优化初步设计文件，确定岩土工程结构平面、剖面和立面布置，编制结构细部图、结点图等工程图件及说明，提出施工工艺要求和注意事项，进行工程预算。对于规模小、地质条件清楚的岩土工程设计，可简化设计阶段。2.4.3施工图设计阶段86三家寨南滑坡治理工程局部放大图南滑坡有锚索桩17根，桩长24m～35m，桩截面为2×3m2，预应力锚索长44m，桩中到中距离5m三家寨南滑坡治理工程局部放大图南滑坡有锚索桩17根，桩长287岩土工程设计概论课件882.5设计基础资料2.5.1地形、水文、气象资料

a．地形图及平面、高程控制；

b．水位、流量、洪峰、淹没、冲淤等；

c．气温、降水、冻结深度、暴雨、风暴潮等2.5设计基础资料2.5.1地形、水文、气象资料892.5.2岩土工程勘察资料

a．岩土的类型、年代、成因、产状、性质、分布；

b．岩土的工程性质及其变异性；

c．断裂构造的性质、展布、对工程的影响；

d．不良地质现象(包括岩溶、土洞、滑坡、崩塌、泥石流；活动砂丘等)的类型、特征、动态、对工程的影响；

e．人为地质现象(包括采空、水库坍岸、抽水引起地面沉降、塌陷等)的类型、特征、动态、对工程的影响；

f．地震烈度、场地土类别、场地类别、地震动参数、液化测试及评价；

g．地下水类型、水位、动态、地层渗透性补给排泄条件；

h．水与土对建筑材料的腐蚀性；

i．特殊性岩土的测试与评价。

2.5.2岩土工程勘察资料902.5.3建筑结构资料

a．工程安全等级（3级）、建筑面积、层数、高度、开挖深度、可能采用的基础类型等；

b．结构类型、刚度、荷载及分布、加荷速率、对沉降的要求等；

c．可能采用的挡土结构类型；

d．和岩土工程有关的排水、抽水、排污。

2.5.4其它资料

a．邻近工程设施及其与拟建工程关系；

b．施工排水、排污条件，对噪音、振动的限制；

c．岩土工程勘察、设计及施工的地方经验，

d．工程建设的计划进度，各单位的分工配合，

e．地方施工能力，材料及劳务价格．2.5.3建筑结构资料2.5.4其它资料912.6岩土工程设计方法

岩土工程设计方法有容许应力法和极限状态法。

容许应力法是建立在经验基础上的岩土工程传统设计方法，随着设计理论和设计方法的进步，有转向以概率为基础的极限状态法的趋势，但目前尚处在探索研究阶段，还不够成熟。无论采用哪种方法设计，都应有足够的安全储备，都应满足下列各项功能：能承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用；在正常使用期间，工程各部分功能具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性；在发生偶然事件或局部失效时，仍能保持必需的整体稳定性。2.6岩土工程设计方法岩土工程设计方法有容许应922.6.1一些基本概念

（1）设计基准期：指工程设计所依据的时间参数。（2）容许应力法：在正常使用条件下，比较荷载作用和岩土抗力，要求强度有一定的储备，变形不过大，荷载、抗力和安全度的取值大都建立在经验的基础上。（3）极限状态：整个工程或工程的一部份，超过某一特定状态就不能满足设计规定的功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态。各种极限状态都有明确的标志或限值。

（4）极限状态法：将岩土及有关的结构置于极限状态进行分析，找到达到某种极限状态(承载能力、变形等)时岩土的抗力。2.6.1一些基本概念93（5）定值法：将设计变量作为非随机变量，一般用安全系数表达，即从强度上根据经验打一折扣，作为安全储备。

K=R/S≥[K]式中，R，S，K，[K]分别为抗力、作用、安全系数、目标安全系数。例如某工程目标安全系数为2.5，今抗力为1500kN，作用为500kN，则安全系数为3.0，则K>[K]，满足。

(6)概率法:

将设计变量作为随机变量，对抗力、作用、安全度进行概率分析，按失效概率量度工程的可靠性，将工程的安全储备建立在概率分析的基础上。按水准的不同分为半概率法、近似概率法、全概率法。

(7)可靠度:

指工程在规定时间内和规定条件下，具有预定功能的概率。可靠度设计通常是以概率理论为基础的极限状态设计方法。（5）定值法：将设计变量作为非随机变量，一般用安全系数表达，942.6.2极限状态

（1）承载能力极限状态：或称破坏极限状态。当工程出现下列情况之一时，即认为已超过了承载能力极限状态，如：

a.整个工程或工程的一部分，作为刚体失去平衡；

b.岩土或结构材料的强度超过破坏极限，或因过度变形而不能继续承受荷载；

c.岩土或结构构件丧失稳定（如构件压屈）。

《欧洲地基基础规范》把破坏极限状态又分为A类和B类。

A类是指在岩土体中形成某种破坏机制，如地基发生整体性滑动；土坡或岩坡失稳；挡土结构倾覆；隧洞顶板垮落或边墙倾覆；流砂、管涌、潜蚀、塌陷、液化等。

B类是指由于岩土体的过大位移和变形，导致上部结构发生结构性的严重损坏，如：由于土的湿陷、融陷、震陷、液化沉陷或其它大量的变形，造成工程的结构性破坏；由于岩土的过量水平位移，导致桩的倾斜、管道破裂、邻近工程的结构性破坏；由地下水的浮托、静水或动水压力造成的工程结构性破坏。2.6.2极限状态95挡墙失稳破坏挡墙失稳破坏96

（2）正常使用极限状态：或称功能极限状态。这种极限状态对应于工程达到正常使用或耐久性能的某些规定限值。出现下列情况之一时，即认为超过了正常使用极限状态：

a．影响正常使用的外观变形；

b．影响正常使用或耐久性的局部破坏(如裂缝)；

c．影响正常使用的振动；

d．影响正常使用的其他特定状态。属于超过正常使用极限的例子有：由于岩土变形而使工程发生超限的倾斜；由于岩土变形而使工程发生表面裂缝、或装修损坏；由于岩土刚度不足影响工程正常使用的振动；因地下水渗漏而影响工程的正常使用等。

97挡墙、斜坡开裂挡墙、斜坡开裂982.6.3作用

岩土工程上的作用，有静态的和动态的，有固定的和自由的，按时间的变异性分为：

(1)永久作用：

在规定的设计状况下一定出现，其量值随时间的变化可以忽略。如岩土压力、水位不变的静水压力、结构自重、岩土位移或变形引起结构外加变形或约束变形等，永久作用一般以标准值作为它的代表值。

(2)可变作用：

在规定的设计状况下不一定出现，其量值随时间的变化不可忽略。它包括各种使用荷载、安装荷载、车辆荷载、风载、雪载、水位变化的水压力、波浪力、温度变化等。可变作用一般取常遇值或准永久值作为它的代表值。

(3)偶然作用：在设计考虑的时间内不一定出现，但一旦出现，其量值很大且持续时间很短。它包括强烈地震、爆炸、龙卷风、撞击等。偶然作用的代表值由有关规范规定或参照有关资料和工程经验综合分析确定。2.6.3作用99挡土墙作用荷载挡土墙作用荷载100作用于挡土墙上的永久作用挡土墙自重；由于填土作用于墙背的主动土压力；由于墙前土体作用于墙面的被动土压力;填土中的地下水压力或常水位时的静水压力与浮力；基底的摩擦力；墙顶上的有效荷载W0。作用于挡土墙上的永久作用挡土墙自重；101作用于挡土墙上的可变作用设计水位的静水压力和浮力；车辆荷载引起的土压力；温度荷载作用于挡土墙上的偶然作用地震荷载；施工及临时荷载、如起吊机、人群、堆载等撞击力主要可变荷载附加可变荷载作用于挡土墙上的可变作用设计水位的静水压力和浮力；作用于挡土102荷载组合主要组合：永久荷载与可能发生的主要可变荷载组合；附加组合：永久荷载与主要可变荷载和附加可变荷载组合；偶然组合：永久荷载、主要(附加)可变荷载与一种偶然荷载组合。

一般情况下，不同组合情况下，设计安全系数的取值是不一样的。且主要组合、附加组合、偶然组合的稳定性系数依次减小。荷载组合主要组合：永久荷载与可能发生的主要可变荷载组合；1032.6.4分项系数设计

定值法的安全度用“安全系数”表示，抗力、作用、目标安全系数、安全系数都是经验的；概率法的安全度一般用可靠指标表示，建立在概率分析的基础上，但是，要求每个工程都进行可靠度分析是不现实的．目前，结构工程的极限状态设计采用分项系数表达式，对于岩土工程，国外亦巳用分项系数表达，中国尚在研究探索中。分项系数表达式可以建立在概率分析的基础上，也可以建立在经验的基础上(定值法)。无论概率法或定值法，为了和以往的设计方法(设计规范)相衔接，都要对新旧方法进行校核，使二者接近。2.6.4分项系数设计104

岩土工程极限状态设计可用下式表达式：式中：S（·）——作用效应函数；

R（·）——抗力函数；

γn——工程重要性系数；

γsd，γRd——反映作用效应函数和抗力函数计算模式不定性的系数

ak——几何参数；

γQ——作用效应分项系数；

Qk，fk——作用效应标准值及岩土参数标准值；

γA，γR——岩土参数的作用效应分项系数及抗力分项系数；

——作用效应组合系数；

c——限值。

1052.7实体试验、动态设计与反分析2.7.1实体试验

直接地或间接地以工程实体试验或工程原型监测为设计依据，是岩土工程设计的一条重要准则。单纯依靠理论计算的设计，通常认为是不可靠的。既无现成经验又无实体试验的工程，总带有一定的实验性质，这是因为：岩土工程的影响因素复杂，数学公式或数学模型无不经过较大的简化；地质条件难以完全摸清，岩土参数不易量测，测试条件和工程原型间差别往往很大；模型试验虽是一种重要实验手段，但由于模型材料和尺寸效应问题，一般不宜直接作为设计依据。

2.7实体试验、动态设计与反分析2.7.1实体试验106

岩土工程设计以实体试验和原型监测为依据，有以下三种方法：

1．建立经验公式或用经验系数修正理论公式

a．根据桩的静载荷试验，与土性资料分析对比，确定桩的端承力和摩阻力；

b．根据土的静载荷试验，与土性测试数据分析对比，确定地基承载力(静载荷试验虽非实体试验，但较接近工程原型，且偏安全)；

c．根据建筑物沉降观测进行反分析，与室内压缩试验对比，修正沉降计算公式。岩土工程设计概论课件107

2．现场进行实体试验

a．足尺基础的现场静力载荷试验；

b．桩和墩的现场实体试验；

c．现场堆载试验；

d．现场试开挖；

e．抽水试验及其它现场疏干排水试验；

f．各种地基处理的现场试验；

g．锚杆(索)抗拔试验。

108现场堆载试验现场堆载试验109锚杆抗拔试验锚杆抗拔试验110

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