浅谈岩土工程的概念设计

１前言浅谈岩土工程的概念设计
顾宝和
（建设综合勘察研究院设计院）
摘要本≥薯磊；设计条件的概化。

技术方告的
适用性和有效性；分析了环境限制的惯面影响：介绍
了动态设计应争措藏。

关键调岩土Ｉ程概念设计
一项设计的优劣成败，设计思想最为重要，概念设计就是一种设计思想。

岩土工程设计受诸多不确定因素的影响，单纯的计算一般是不可靠的。

因此。

虽然岩土力学理论取得了长足进展，计算方法和设计软件不断创新，但概念设计仍不可忽视。

概念是一种思维方式，将认识过程中感受到事物的共同特征抽象出来。

加以概括。

就是概念。

所以概念反映的不是事物的表面，不是事物的片面，而是事物的本质。

概念设计要从总体上，从本质上把握。

对症下药，而不是单纯某一经验的应用，也不是单纯的截面设计，承载力计算，变形计箅之类，更不是简单的直观判断。

概念设计时，必须对原理有深刻的理解，有丰富经验的总结，有灵活运作的能力，总揽全局，牢牢掌握影响工程成败的关键，并对实施效果有基本准确的估计。

具体地说，概念设计是：在充分了解功能要求和掌握必要资料的基础上．通过设计条件的概化，先定性分析，再定量分析。

根据方案的适宜性、有效性、可操作性、可控制性、经济性、负
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面影响等，首先从概念上选定一个或几个方案，然后进行必要的计算和验算，再经过施工检验和监测，逐步完善设计。

概念设计不仅在设计初始阶段是必要的，即使到了设计后期，仍应放在重要的位置上，贯彻设计的始终。

概念创新设计是一种总体上或本质上的创新。

以支护技术为例，重力式支挡，基坑的内支撑，利用锚杆或锚索拉护，就是三种不同的支护设计概念。

概念创新设计是一种新的设计模式。

从天然地基到桩基，将应力从地基的浅部传至深部，是一种古老的概念创新设计。

就桩基而言，从预制桩到就地成孔灌注桩，从普通灌注桩到后压浆灌注桩，从等刚度群桩基础到旨在减少不均匀沉降，减小筏板内力的变刚度群桩基础，都或多或少带有概念创新的性质。

土工合成材料的应用也是一种概念创新，它是利用合成材料的加筋作用、反滤作用、排水作用、防渗作用、防护作用等特定性能，通过概念设计，达到预期的功能目标。

在岩体中进行地下开挖，过去单纯地将围岩作为荷载．设计了支护结构支承围岩的荷载，这是一种旧概念。

后来采用喷锚支护，加固围岩，以充分发挥岩体的自承能力，变被动为主动，也是一种新的概念设计。

严格地说．只有概念创新才是真正意义上的设计创新。

２安全和功能要求
岩土工程的设计，无论地基、基坑、边坡、土工构筑物、地下水控制等，都必须保证工程在使用期间的安全和满足预定功能的要求，一般包括下列几方面：
（１）在正常施工和正常使用条件下，能承受可能出现的各种作用。

包括传至基础底面的结构荷载，边坡、基坑、地下工程的岩土压力，地下水的静水压力和动水压力，必要时还要考虑地震作用，风荷载．波浪作用等等。

必须保证在各种．作用发生时，工程具有足够的安全度。

（２）在正常使用条件下具有良好的工作性能。

侧如：对于建筑物地基，变形（沉降、差异沉降、倾斜、局部倾斜）不得超过限值；对于基坑，变形不得危及邻近建筑物及市政设施的安全；对于基坑地下水的控制。

应保证坑内适宜正常施工作业，确保相邻工程和周边环境不被破坏等等。

（３）在正常维护条件下具有足够的耐久性。

例如：对于长期缓慢沉降的地基，应考虑工程在整个使用年限内均能满足变形限制的要求；对于地下室的防水抗浮设计，应按使用期间可能出现的最高水位设计；对于垃圾填埋场，其防渗衬层的材料和结构，应保证使用年限内有效，不致老化、开裂：渗漏；对于基坑，如需渡过雨季、冬季，应保证雨季、冬季的安全；对于邻近有重要工程的永久性边坡，设计使用年限不应低于受影响的相邻工程的使用年限等等。

（４）在偶然事件发生时或发生后，仍能保证必需的整体稳定性。

例如：某些高边坡、围堰、垃圾填埋场等，在发生罕遇地震时，可能发生破坏，但不致因整体失稳而造成十分严重的后果（人的生命，重大经济损失和社会影响）。

（５）在正常施工、使用和维护条件下，对环境的影响不超过限值；例如：施工噪音，强夯振动．挤土效应等对环境和邻近工程的影响；降低地下水位造成区域降落漏斗的影响；在已有建筑物侧旁开挖．使既有建筑物产生附加变形，甚至威胁其安全；垃圾填埋场污染物泄漏和运移造成环境污染等等。

３设计条件的概化
概化是将复杂的具体事物，通过科学方法，取其本质，形成概念，形成模型。

模型不是实物，是实物的典型化，是分析和设计的基础。

以地基设计为例：
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ｐ＜ｆ
式中：ｐ——荷载传至基础底面的压力；
，——地基的承载能力（包括强度和变形限值）。

如果荷载值和地基性能指标值都是确定性的，地基土是均匀的，问题就很简单。

但实际工程往往很复杂，首先是荷载，有静荷载和动荷载。

单就静荷载而言，在工程设计使用年限内也是变动的。

可分为永久荷载、可变荷载和偶然荷载，产生各种不同的荷载组合——基本组合、标准组合、准永久组合等，设计时选取其中最合理的组合，这是对荷载的概化。

其次是地基，严格地说，地基都是不均匀的，岩土体的所有性状都具有时空变异性，均匀是相对的。

相对均匀岩土体的特性参数仍是不确定的变量，由于取样和试验中的扰动，试验条件与工程条件的差异，岩土体相变等原因，总存在或大或小的变异性，需用数理统计方法求出它们的代表值。

因此有必要将地基条件慨化为地质模型，在岩土工程设计中，地质模型的建立一般最难把握。

再次是安全度，既然荷载和地基都存在诸多不确定因素，计算模型也并非完全可靠，为了工程的安全，必须留有一定的余地。

留多少余地？如何留？有容许应力法和极限状态法，有定值法和概率法，有安全系数和分项系数表达。

最后是基础和上部结构的刚度问题。

过去一般不考虑或仅作简单处理。

现在有的工程基础面积很大，建筑体型、结构刚度、荷载分布复杂多变，基础和上部结构的刚度对地基变形的影响就不能不考虑了。

为了便于分析，叉需要对基础和上部结构的刚度进行概化处理。

将复杂的客观地质条件，准确地概化为便于分析的地质模型，是岩土工程概念设计的重要步骤。

最简单的地质模型，是一张带有各层岩土特性指标和地下水位的综合柱状图或综合工程地质剖面图。

如果条件差别较大，则应分区建立地质模型。

岩体存在或密或稀、或宽或窄、或长或短、或平直或弯曲、或规则或不规则的各种形态和各种成因的破裂面，想要具体描述这些破裂面的分布和性状是不可能的。

于是有了结构面的产状和分类，结构体的分类，岩体完整性的分类，岩体基本质量的分级，各种围岩的分级等等。

都是概化为某种地质模型。

岩石风化程度的分类也是一种概化。

正确的概化应注意两方面；一是系统地占有原始数据．原始数据越丰富、越准确、越有代表性，概化效果越好，但付出的成本也越高。

二是概化分法的科学性和实用性，要抓住事物的本质特性，针对影响工程安全和使用功能最关键的因素。

例如岩质钭坡的稳定性分析．岩体软弱结构面的产状与坡面的角度关系就是关键因素，节理玫瑰图、赤平极射投影等都是科学方法。

４技术方法的适用性和有效性
一般说来，一项岩土工程总有几个可以作为比选的设计方案。

在设计的初始阶段，可以根据经验，对若干方案的适用性、有效性、可操作性、可控制性、经济性、负面影响等方面进行比选，淘汰其中的不可行方案，选取可行方案作进一步设计计算。

适用还是不适用，有效还是无效，是首先应当考虑的。

例如。

由于软粘性土的透水性弱，孔隙水压力难以消散，因此不宜采用强夯法加固，也不宜采用密集的挤土桩。

密集的挤土桩（预制桩、沉管式灌注桩等）的挤土效应造成断桩、歪桩、浮桩的事故屡有发生。

挡土墙背后的填土一般采用无粘性土，不采用粘性土，这不仅是由于粘性土的压实性不易控制，而且因透水性弱，孔隙水容易积聚而增加土水压力。

此外，如挖孔桩适用于地下水位以上，在一定深度内有良好持力层的地基；预制桩和沉管式灌注桩难以穿透厚层
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密实砂层和碎石层；深层搅拌适用于软土等等，都是显而易见的。

所谓有效性，是指该方法能达到预期的效果。

例如：建造在比较软弱的地基土上，主楼与裙房连成一体的建筑，由于主楼与裙房荷载差别很大，很难考虑采甩天然地基或浅层地基处理。

对变形要求严格的深基坑，如采用悬臂桩围护，可能因变形超限面达不到预期效果。

某种方法的有效性如何，显而易见的可以通过直观经验判断，岩土工程师的经验不同，判断能力也不会一样。

直观经验难以判断时，需通过验算作出结论。

５施工的可操作性和质量的可控制性
在岩土工程勘察、设计、施工、监测的全过程中。

勘察是基础，设计是核心，施工是主体，监测是保证。

优秀的设计要有高质量的勘察报告为依据，以便“对症下药”；要有优质的施工才能成为现实。

因此，施工的可操作性和施工质量的可控制性，是岩土工程设计必须注意的问题。

当施工单位已经确定，而该施工单位缺乏某种工法的施工经验时，这种工法就不宜采用。

当有多种工法可选时。

应尽量选用施工单位熟悉的有经验的工法。

例如深基础工程的逆作法。

其优点是无可置疑的，但要求施工单位有较强的素质和管理协调的经验。

软土、砂土、密实碎石土中的地下连续墙。

技术要求较高，缺乏经验的施工单位很难胜任。

岩土工程设计得过于复杂，会降低镌工的可操作性，设计者应尽量采用施工简单。

便于操作的工法。

质量的可控制性对于岩土工程有特殊的重要意义。

岩土工程多为隐蔽工程。

质量的控制和检验十分重要，有的工法虽有明显的优势，但如质量不易控制，也只得放弃。

例如：预制桩的质量一般比灌注桩容易控制。

挖孔桩由于人可以下到孔底检查。

其质量比钻孔灌注桩易于控制；粉喷桩曾被一些地方封杀，不许使用，就是在于质量不易控制。

２００２年版的（建筑地基处理技术规范＞规定“施工机械必须配有计量部门确认的，具有能瞬时检测并记录粉量的粉体计量装置及搅拌深度自动记录仪”，就是为了解决粉喷桩质量的可控制性问题。

６环境限制和负面影响
环境条件是岩土工程设计必须考虑的重要因素。

环境条件越严，可选的方案越少。

例如：城市中不能采用噪音大的锤击式预制桩和沉管式灌注桩；泥浆污染城市，某些注浆材料污染地下水，许多地方已严格限制；有些施工方法影响人体健康。

如水泥、石灰、岩土产生的粉尘，有害化学物质对人体的影响等等。

地下开挖和深基坑开挖时的排水或降低地下水位是最突出的例子。

大量抽排地下水严重浪费宝贵的水资源，不符合可持续发展原则；降落漏斗使邻近工程产生附加沉降；某种条件下甚至发生坑底突涌事故。

因此有些专家倾向于开发经济有效的截水阻水方法。

尽摄减少对地下水的干扰。

无论何种方案或工法，一般都是有优点，有缺点，有其适用的一面，又可能有某些负面影响，甚至可能否定这种方案或工法。

例如：基坑的钢筋混凝土内支撑，具有支撑剐度大，稳定性好的优点，但影响坑内机械的施工作业。

庞大支撑体的爆破拆除、拆除后产生大量建筑垃圾的清理，颇为费时费力。

又如采用锚杆拉护，土钉围护，因其挖土施工便利，成本较低，已在基坑工程中大量应用。

但在基坑周围的地下埋设了大量障碍物，影响邻近地下空间的施工和利用，有时成为严重的负面影响。

此外，对于边坡工程，某些地质灾害的治理等地面以上的岩土工程．设计时还应考虑景观是否与周边环境协调。

是否影响生态平衡，是否符合长远规划和后续工程的建设，是否符合可持续发展的原则等等，其负面影响的考虑就更为重要了。

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７基础资料的完整性和可靠性
基础资料是设计的依据，没有必要的基础资料，设计无法进行。

因此，在岩土工程设计前．必须首先进行勘察，“没有勘察不能设计”早就是我国工程建设的重要政策。

除了勘察报告外，设计者尚应根据需要，收集上部结构的荷载性质、大小和分布，结构型式及其对地基变形的限制，基础埋深，工程周边环境等各种设计基础资料。

但实际上，这些基础资料不～定每个项目都十分完整和理想，概念设计时必须充分予以注意。

例如：
岩溶发育区地基条件十分复杂，除了威胁工程稳定的洞隙、土洞、塌陷外，基岩面高低不平，变化无常，虽一柱一孔，也不能完全将基岩面查得清清楚楚。

这就要求在此基础上做的岩土工程设计留出必要的余地，以备施工勘察时根据具体情况补充必要的处理措施。

对方案作必要的局部调整。

确定天然地基、复合地基、桩基的承载力是个很复杂的问题，载荷试验被认为是比较可靠的方法，但并非每个工程都能做到。

有些工程仍需根据土性和经验进行设计。

这时，设计的安全度就要作必要的调整。

设计依据充分时，安全系数适当打紧一些，设计依据不够充分时，安全系数适当取大一些，这是确保工程安全应当遵循的法则。

有时，业主为了尽快投产，情愿加大一些投资，从总体效益看，也是合理的。

上世纪８０年代北京有项较大的工程，采用挖孔扩底桩基础，以砂为持力层。

第一期工程因工期限制未做桩的载荷试验，根据土性和类似工程的经验，桩端土承载力采用１０００ｋＰａ；第二期业主同意旌工前做系统的载荷试验，桩端土承载力提高为Ｉ５００ｋＰａ。

应该说，两次承载力的取值虽然不同，但都是正确的。

再如无法取样做试验的破碎岩石，又无条件做载荷试验；缺乏长期观测资料和充分论证的抗浮水位；缺乏经验的特殊性岩土和特殊工程；设计时留出适当的余地都是必要的。

８设计原理的科学性
设计原理、计算方法、控制数据，是岩土工程设计的三大要素。

其中，设计原理最为重要，也是概念设计的核心，必须牢牢掌握。

掌握设计原理就是掌握科学概念。

概念不是直观的感性认识，不是分散的具体经验，而是对事物属性的理性认识，是从分散的具体经验中抽象出来的科学真理。

我们学习科学知识，最重要的就是学会掌握这些概念。

解决工程问题时，概念不清，往往只见现象。

不见本质。

凭直观的局部经验处理问题。

概念错了。

可能犯原则性的错误。

概念清楚的人。

能透过现象，看到本质，举一反三，能自觉地运用理论和经验。

对于岩土工程设计，力学原理、地质演化的科学规律，岩土性质的基本概念，地下水的渗流和运动规律，岩土与结构的共同作用等等，都是我们常用的科学原理，设计时必须牢记。

例如：有效应力原理是近代土力学的重要成果，是土力学的科学原理。

地基的同结沉降，地基的承载力。

基坑的土压力，桩的挤土效应，强夯的孔隙水消散，预压加固的排水设计，土工合成材料的反滤和排水效应，以及各种与｝Ｌ隙水压力及其变化有关的工程问题，都离不开有效应力原理。

背离科学原理的错误设计例子很多：如用重锤夯击软土加固地基，越夯越软；强夯设计夯点过密，夯锤过重；认为桩越密越好，因挤土效应发生断桩、歪桩、浮桩；内支撑构件细长比过大造成构件失稳；某工程桩基设计时，片面相信计算，长桩穿过８ｍ厚的密实砂层，将桩端置于相对软弱的粘性土中；某边坡设计不掌握岩层的产状，不了解坡向和岩层倾向的关系；某挡土墙设计不考虑主要矛盾是墙后有限填土层的土压力，盲目采用朗肯土压力理论计算等等，都违反
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了设计原理的科学性，导致不良后果。

由于不了解水文地质条件和地下水运动的原理，治理地下水时降水失效，防水抗浮设计水位不当，常常也是由于未能掌握科学原理造成的。

９定量计算和软件的正确应用
利用数学力学方法进行计算，利用计算机软件进行分析，是十分必要的，但必须与概念设计的思想结合起来，才能发挥作用。

在岩士工程设计中，计算方法和软件只是一种工具，为概念设计服务。

实际上，模型是概化的结果，计算公式和计算模型也是一种概化．只不过是单纯计算方法的概化。

而我们的概念设计针对的是某项具体工程的总体，计算是“树木”．概念是“森林”。

不能只见树木，不见森林。

计算模型的条件必须与具体工程条件一致才能应用。

因此，设计者在应用公式或软件时，必须对软件的数学模型和适用条件有正确的理解。

无论何种计算方法，都有一定的假定条件，设计者必须了解这些假定条件与工程实际条件的符合程度，了解计算方法的局限性和可能产生的偏差，决不能盲目套用。

例如：（规范＞分层总和法计算沉降假定的是一维固结，不考虑土的侧向位移，不考虑基础的刚度。

如果地基不符合一维固结条件，或基础面积较大且有一定刚度，计算结果与实际可能出入较大。

又如地基极限承载力的计算公式，假定土质均匀，浅层整体滑动，如果地基不是浅层整体滑动，而是深层局部剪切破坏或刺入破坏。

或者滑动带是层状土，则不符合公式假定条件。

盲目套用就可能犯概念性错误。

１０动态设计和应急措施
岩土工程计算：不可能精确有两方面的原因：一是计算公式或计算模型粗糙。

有时表面看来似乎精细，但其假定条件往往与实际情况出入较大。

二是地质条件不易弄清。

岩土参数不易准确选定，特别不易一步弄清，有个由粗到细，由浅入深的过程。

相比之下，后者更为重要。

因此，岩土工程设计常常不能一步到位，需与信息化施工配合。

进行动态设计。

这种设计原则已在边坡设计，地基基础设计，基坑设计，堤坝设计，地下工程设计中广泛应用，也是岩土工程概念设计的重要组成。

动态设计的基本方法是：根据已经掌握的数据估计一个预测目标，例如位移（正演）。

施工过程中利用现场观测数据反演设计参数，再用反演所得的参数正演目标。

如此反复．一次比一次更趋正确。

在这个过程中，还可以通过“施工勘察”核查地质条件。

调整设计方案和施工程序．保证工程安全和经济。

例如：软土上的堤坝、油罐等工程。

在加载过程中监测地基土的位移和孔隙水压力的变化，根据观测数据调整加荷速率。

边坡和大型露天矿开挖过程中，监测岩土的应力和位移．根据监测数据调整施工程序和支护措旋。

高层建筑主楼和裙房之间设鼍后浇带时。

根据沉降观测数据确定后浇带的浇筑时间。

深基开挖或地下开挖过程中，监测岩土和结构的应力、变形和地下水情况，以便必要时采取补强措施。

对于地质条件复杂和缺乏经验的工程，特别是一旦发生事故，可能危及人员生命，造成重大经济损失和社会影响的工程，在提高设计可靠性的同时，应考虑接近失事临界状态时的应急措施，以免重大损失。

１１结语
概念设计是一种设计思想。

设计者应充分了解目标功能要求，掌握必要的基础资料，要定性分析与定量分析结合，要深刻理裤原理，不要犯概念性错误。

在利用公式和软件时，要充分９８
了解公式和软件的适用条件和可能的偏差，要充分了解地质条件的可变性，岩土性质的变异性和不确定性，随时间变化的可能性。

要在相关理论的指导下，借鉴已有经验进行分析判断，事先的定量计算只是一种估计，只有原型实测数据最可信。

还要注意施工的可操作性和质量的可控制性，注意环境条件，负面影响和偶发事件的预防和处理，以确保工程的安全和预期功能的实现。

此外，包括投资和工期在内的经济性，也是概念设计时应当注意的，不言自明，本文不再赘述。

浅谈岩土工程的概念设计
作者：顾宝和
作者单位：建设综合勘察研究院设计院本文链接：/Conference_4402138.aspx。