岩土工程设计安全度指标及其应用研究

张括

(陕西省交通规划设计研究院,西安710000)

岩土工程设计安全度指标及其应用研究

张括

(陕西省交通规划设计研究院,西安710000)

在岩土工程设计中，安全度指标是非常重要的，它直接关系到岩土工程的整体安全和质量。所以，在实际工程中，需要对安全度指标进行计算，并且加强其实际应用。基于此，论文针对岩土工程安全度指标计算存在的难点作了分析，探讨了岩土工程的设计要点，论述了岩土工程安全度指标在设计中的具体应用，以期对相关工作提供参考。

岩土工程；安全度指标；数值模拟法

1 引言

岩土工程安全度指标实际上是对岩土工程的安全性和可靠性进行的精确衡量，通过安全度指标可以判断岩土工程出现风险的概率，以此可对相关工作进行调整优化。安全度指标的计算在以往是通过总安全系数描述或是分项系数描述的形式进行。但是，随着相关标准规范逐步革新升级，这一系列方法逐渐表现出了一定的不足。所以，就需要对岩土工程安全度指标计算进行研究，探究出全新的方法，以便推动安全度指标的计算进步。因此，必须明确岩土工程安全度指标计算存在的重难点，针对性地引入相关理论，切实解决安全度计算存在的问题。

2 岩土工程安全度指标计算存在的难点

在岩土工程安全度指标计算中，概率极限法是一种常用方法，其一般又可以被称为荷载-抗力系数设计方法。在这种方法中，将各项基本变量和对应的分项系数相乘，得到的结果就被定义为设计值。根据基线方程而言，该设计值实质上就是失效概率最大点的对应坐标。概率极限设计法在实际运用中比较方便，和遗传算法等设计方式存在一定区别。

一次二阶矩法是分析可靠性的常用手段，在面对一些较为复杂的情况时，也可以通过其他方法进行分析，比如，随机有限元法、高阶矩法以及MOnte-Carlo模拟法等。在岩土工程中，可以直接将工程结构可靠性分析法进行移植，也就是直接套用一次二阶矩法。相较而言，岩土工程比上部结构设计表现出了更加明显的特点[1]。

岩土工程的研究材料主要是自然产物，其材料性质和分布位置存在直接关系，能够对地质成因和形成年代反映，表现出了极强的地域性。而上部结构材料主要是人工制造的各种材料，比如钢筋、钢管、水泥等。由于材料存在的区别，在岩土工程中需要通过工程勘察，凭借钻探、取土、实验等手段计算出设计参数标准值。虽然在部分技术规范中提供了部分设计经验值，但它只能用于工程初期或是不重要的环节，不能够像上部结构设计那样依照技术规范直接取用标准设计参数。不仅如此，不同地区的岩土性质也存在很大差别，也给安全度计算形成了阻碍。比如，陕西地区的地质条件就比较多样，其陕北地区可以分为沙漠高原和黄土高原等，具体细分又有沙丘沙地、草滩盆地、风沙河谷以及各种黄土地貌。不同地质地貌情况下的岩土工程安全度指标计算受到的影响因素是不一样的，在实际的工程中，应该区别对待。

3 岩土工程安全度指标计算方法分析

在计算岩土工程安全度指标中，可使用的方法较多，需要更具实际情况进行选择。一般说来，一次二阶矩法、高次高阶矩法、数值模拟法以及模糊可靠度分析等方法，在实际的岩土工程中都比较常用。不仅如此，随着信息技术和科学技术的进步，一些先进的安全度分析软件也被运用到相关工作中，为岩土工程的安全度指标分析提供了坚实基础。

数值模拟法可分为响应面法和随机有限元法，响应面法的基本思想就是利用多项式函数对隐式功能函数进行替代，尽量减少实验次数对响应面的隐式表达进行拟合，然后对安全度进行分析。随机有限元法就是对确定性有限元计算和随机分析理论进行结合，对处理随机场问题优势明显。模糊可靠度分析在计算岩土工程安全度指标上也经常使用，这是因为岩土工程的安全度不仅具有随机性，还表现出了模糊性，无法精确定量。比如在建筑工程的基坑安全度分析中，就可以利用模糊可靠度分析建立安全模型，并结合工程进展对安全模型进行演化，以此对基坑的安全度进行动态监测。此外，人工智能在在岩土工程的安全度指标计算中也较为常用，其可以分为BP神经网络可靠度分析、遗传算法、免疫算法等，这些方法都可以对安全度指标进行计算。

4 岩土工程安全度设计要点

4.1 工程施工设计的安全度控制因素

4.1.1 喷射混凝土设计

在岩土工程中，喷射混凝土的应用是比较常见的，其和安全度却存在比较紧密的联系，一定要确保其设计合理。喷射混凝土不合理，会导致周边环境与其产生不协调。如果混凝土存在缝隙等，就可能成为地下水的渗透通道，在水压作用下从混凝土层下渗，造成混凝土下部细小颗粒流失形成空隙。随着空隙逐渐增多，会导致渗水量不断增大，又将导致颗粒流失更加严重，从而形成恶性循环，导致混凝土面层的防护作用丧失[2]。

4.1.2 大承载预应力锚杆使用

在对高边坡进行支护施工时，如果施工地区空气湿度比较大，就很容易导致锚头和自由段在高应力作用下发生锈蚀变形，从而失去支护效果。所以，必须要对预应力加以控制。根据实际经验看，在某些工程中，由于锚杆没有设置合理的防腐措施，导致在工程建成后的10a时间内就出现了锚筋锈断、支护失效的情况，最终引起边坡发生坍塌。因此，在设计岩土工程时，就应该对支护锚杆做好防腐措施。

4.1.3 爆破岩质边坡

在爆破开挖岩质边坡时，会对许多结构造成影响，尤其是格构梁、散体状结构、碎裂岩体以及毛石等，在进行爆破时都会发生很大的扰动，容易影响岩土工程的整体质量。所以，在岩土工程设计时，必须对爆破工艺进行控制，对爆破点位选择、爆破药量计算等进行控制，确保爆破施工对周边结构的影响降至最低。不仅如此，还需加强支护设计，减少落石或崩落对边坡开挖造成的不安全威胁。

4.2 工程实例

在陕西一住宅建筑工程中，建筑总面积是8000m2，房屋总共10层。地下有1层，基坑面积是800m2，基坑深度为3m，基坑周长大致120m。在基坑施工中，支护采用排桩，桩径分别为φ400mm、φ500mm、φ600mm。钻孔的深度为30～45m，钻孔后排的直径为700mm，排桩之间的间距为220mm，基坑支护主要是φ600mm。将排桩进行钻孔灌注后，将其运用到基坑施工过程中可以作为挡土墙面。由于其地层复杂，黏土、砂砾层等错杂，且周边邻近其他居民区，需要对岩土工程的安全度指标进行计算。

结合该工程实际，可以用m值法（m为地基土比例系数）确定基坑支护施工的安全度。m值的确定可以利用理正软件进行计算，但会受到位移、弯矩和锚杆拉力等影响。虽然可以根据C和φ确定m值的经验计算公式，但还是需要进一步理解m值的力学意义。一般情况下，k=mz，p=ks，可以根据这两个式子计算m值。式中，k为基床系数，m为k随深度z变化的比例系数，则得出m=k/z。m值的确定可以根据地层条件确定，比如，密实卵石夹粗砂，m值可在85～180MN/m4范围内，硬塑黏土m值可取10～20MN/m4。

在计算安全度指标时，应该对地面载荷位置和大小予以考量，对邻近建筑物的形式、埋深、结构等综合分析，还需对附近管线排布和使用情况进行摸排。在计算安全度时，可以考虑采取综合分析法，即通过不同的软件、计算方法计算安全度，然后进行综合对比。就以桩锚支护而言，就可以利用经典法和弹性法分别计算，然后进行对比，得出更加合理的结果。再比如，土钉墙就可以通过验算和设计这两种方法进行安全度计算，其得出的结果截然不同。设计结果一般上短下长，验算结果一般上长下短，这就需要根据实际情况决定取用哪个结果。对于该工程而言，基于其岩土地层的不稳定性，验算法能够发挥出更好的作用。

5 结语

在岩土工程中，安全度指标的重要性不言而喻。但是，基于岩土工程自身存在的复杂性特点，导致安全度计算受到诸多因素的影响。所以，在对岩土工程进行安全度指标的分析中，可以结合工程实际选择对应的计算方法，并以此指导实际的岩土工程，从喷射混凝土、预应力锚杆以及边坡支护等环节加强对安全度指标的控制。

【1】高大钊.岩土工程设计安全度指标及其应用[J].工程勘察,1996(1): 1-6.

【2】朱红霞.随机场理论在地基可靠度分析中的应用研究[D].天津：天津大学,2007.

Study on Safety Index and Its Application in GeotechnicalEngineeringDesign

ZHANG Kuo
(ShanxiProvincial Transport Planning Design and Research Institute,Xi'an710000,China)

Ingeotechnicalengineeringdesign,thesafety index isvery important,which isdirectly related to theoverallsafetyandqualityof geotechnicalengineering.Therefore,in theactualproject,theneed to calculate thedegreeofsafety,and tostrengthen itspracticalapplication. Basedon this,thispaper forgeotechnicalengineeringsafety index calculationdifficultiesofanalysis,toexplore thegeotechnicalengineering designpoints,finallydiscussestheapplicationofgeotechnicalengineeringsafety index in thedesign,inorderto relatedwork.

geotechnicalengineering;safety index;numericalsimulationmethod

TU456

A

1007-9467（2016）08-0055-03

10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.010

2016-01-11

张括（1982～），男，陕西安康人，工程师，从事岩土设计和地质工程研究，（电子信箱）543800337@qq.com。