岩土工程设计基本原则

岩土工程设计基本原则

一、安全度控制设计方法

安全度控制的设计方法分为定值法和概率法。

定值法包括单一安全系数法(又称总安全系数法)、容许应力法、多系数法； 概率法包括分项系数法和全概率法； 1、定值法

(1)、总安全系数法(单一安全系数法)：

单一安全系数设计法的表达式描述的是极限状态的作用与抗力的平衡关系。其中抗力效应是极限值，包括试验曲线上的极限临界值或根据极限理论计算的结果，作用效应是标准组合。

例如：

①《建筑地基基础设计规范》中，地基稳定性计算采用总安全系数法，设计表达式为：

2.1≥s

R

M M (式中1.2为总安全系数) ②挡墙稳定性验算采用总安全系数法，设计表达式为

3.1)(≥-+t at an n G E E G μ

；6.10≥+f az f az z E x E Gx

(2)、容许应力法

容许应立法的设计表达式描述工作状态的作用效应与抗力效应的关系，作用效应采用标准组合，抗力效应以容许值(包括试验曲线的某种特征点或理论公式的计算结果)表示，其安全度是隐含的，并不出现在设计表达式中。在容许应立法计算中，不使用安全系数或分项系数，例如：《建筑地基基础设计规范》中：

地基承载力计算采用容许应立法，设计表达式为：

a k f p ≤；a k f p 2.1max ≤

式中的a f 为修正后的地基承载力特征值，即为地基容许承载力。(注意上式中1.2并非安全系数，非安全系数法)

岩石锚杆抗拔承载力的计算公式：

f r t h fu R ξ≤

式中的f 为水泥砂浆或混凝土与岩石间的粘结强度特征值，即容许粘结强度值。

(3)、多系数法

多系数设计法为早期使用的一种方法，该方法将超载系数、材料均质系数和施工条件系数等不同系数分别从不同角度考虑来进行取值，相互之间没有任何联系。

与分项系数法的区别在于分项系数的取值都取决于极限状态方程中失效概率最大点(验算点)的位置，抗力分项系数和作用分项系数之间存在定量的互动关系。 2、概率法

(1)、分项系数法(近似概率设计法)

分项系数设计法的表达式描述的极限状态下设计验算点的抗力效应的设计值与作用效应的设计值的平衡关系，采用把荷载、材料、构件截面尺寸、计算方法等视为随机变量，应用数理统计的概率方法进行分析，采用了作用标准值、材料强度标准值分别于作用分项系数、材料分项系数相联系的作用设计值、材料强度设计值来表达的方式。

值得注意的是分项系数设计法中虽然用了数理统计的方法，但是在概率极限状态分析中未用到实际的概率分布，且运算中采用了一些近似的处理方法，故只能成为近似概率设计方法。

例如：《建筑地基基础设计规范》第八章基础结构承载力验算采用分项系数设计法；

钢筋混凝土轴心受压桩正截面受压承载力验算采用分项系数法，设计表达式为：

p c c A f N ψ≤

(2)、全概率法

全概率法对各种变量，如荷载、岩土参数、几何尺寸等，分别视为随机变量或过程描述，用失效概率P f 直接量度安全性。

二、正常使用极限状态与承载能力极限状态

《工程结构可靠性设计统一标准》4.1.1条： 1、正常使用极限状态

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了正常使用极限状态： (1)、影响正常使用或外观的变形； (2)、影响正常使用或耐久性的局部破坏； (3)、影响正常使用的震动； (4)、影响正常使用的其他特定状态；

2、承载力极限状态

当结构或结构构件出现下列状态之一时，应认为超过了承载能力极限状态：

(1)、结构构件或链接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承载；

(2)、整个结构或其一部分作为刚体失去平衡；

(3)、结构转变为机动体系；

(4)、结构或结构构件丧失稳定；

(5)、结构因局部破坏而发生连续倒塌；

(6)、地基丧失承载力而破坏；

(7)、结构或结构构件的疲劳破坏；

三、荷载与作用

1、荷载

荷载效应是指由荷载引起结构或结构构件的反应(内力、接触应力、变形、裂缝等)，荷载是指集中力和分布力。

《建筑结构荷载规范》3.1.1

(1)、永久荷载：结构自重、土压力、预应力等；

代表值应采用标准值；

(2)、可变荷载：楼面活荷载、屋面活荷载、积灰荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、温度作用等；

代表值应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值；

(3)、偶然荷载：爆炸力、撞击力等；

代表值应按建筑结构使用的特点确定；

承载力极限状态设计或正常使用极限状态设计按标准组合设计时，对可变荷载应按规定的荷载组合采用组合值或标准值作为其荷载代表值；(可变荷载的组合值，应为可变荷载的标准值乘以荷载组合值系数)

正常使用极限状态按频遇组合设计时，应采用可变荷载的频遇值或准永久值作为其荷载代表值；按准永久组合设计时，应按可变荷载的准永久值作为其荷载代表值；(可变荷载的频遇值，应为可变荷载标准值乘以频遇值系数；可变荷载准永久值，应为可变荷载标准值乘以准永久系数)

2、作用

引起结构反应的原因统称为“作用”，结构上的作用应分为直接作用和间接作用。

(1)、直接作用：是直接施加于结构上的荷载，包括永久荷载、可变荷载、

偶然荷载；

(2)、间接作用：是指引起结构反应(外加变形和约束变形)的地震、基础不均匀沉降、材料收缩、温度变化等。

四、基本规定

1、基本术语

(1)、《建筑结构荷载规范》

①设计基准期(2.1.5条)：为确定可变荷载代表值而选用的时间参数；

②标准值(2.1.6条)：指荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值(例如均值、众值、中值或某个分位值)；

③组合值(2.1.7条)：是对可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值；或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值；

④频遇值(2.1.8条)：可变荷载的频遇值是在设计基准期内，其超越的总时间为规定的较小比率或超越频率为规定频率的荷载值；

⑤准永久值(2.1.9条)：是指对可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值；

⑥荷载设计值(2.1.10条)：指荷载代表值与荷载分项系数的乘积；

(2)、《工程可靠度设计统一标准》

①结构的设计使用年限(2.1.5条)：指设计规定的结构或结构构件不需要进行大修即可按预定目的使用的年限。

设计使用年限时设计规定的一个时段，在这一规定时段内，结构只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预定的功能，即工程结构在正常使用和维护下所达到的使用年限；所谓“正常维护”包括必要的检测、防护及维修；

②可靠度(2.1.22条)：为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率；

③设计基准期(2.1.49)：为确定可变作用等的取值而选用的时间参数。

条文说明：设计基准期时为确定可变作用的取值而规定的标准时段，它不等同于结构的设计使用年限。设计如需采用不同的设计基准期，则必须相应确定在不同设计基准期内最大作用的概率分布及其统计参数；

2、荷载组合

对承载能力极限状态，应按荷载的基本组合或偶然组合计算荷载组合的效应设计值；