林鴻州 李廣信

摘要：中國巖土工程設(shè)計規(guī)范的建議方法與世界其他國家和地區(qū)差異很大，這使得中國巖土工程企業(yè)難以開展境外巖土工程項目的咨詢、設(shè)計與監(jiān)理的競標(biāo)，也制約了中國巖土工程的發(fā)展。為了解決這一關(guān)鍵問題，除了要開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)的整合研究外，關(guān)鍵仍在做好巖土工程專業(yè)人才工程設(shè)計思維邏輯的培養(yǎng)。為此，從巖土工程設(shè)計理念——容許應(yīng)力設(shè)計法著手，以土力學(xué)教學(xué)的視角討論安全系數(shù)的取值問題，并以地基承載力與邊坡穩(wěn)定分析的計算原理為例，探討中國現(xiàn)行規(guī)范建議方法的不足之處，并提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，以期能為巖土工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提供新的借鑒與思考。

關(guān)鍵詞：容許應(yīng)力設(shè)計法;巖土工程;安全系數(shù);地基承載力;邊坡穩(wěn)定分析

中圖分類號：G6420;TU43 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2021）06-0008-08

改革開放以來，國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，無形中也促進(jìn)了巖土工程技術(shù)的進(jìn)步，特別是巖土工程施工工藝技術(shù)方面成績斐然。然而由于歷史原因，我國大陸的巖土工程相關(guān)規(guī)范受蘇聯(lián)的影響很大，導(dǎo)致這些規(guī)范在設(shè)計計算方法上，與其他歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的差異很大，使得我國國標(biāo)等規(guī)范難以應(yīng)用于境外的工程項目，再加上境外地區(qū)的巖土工程項目，其咨詢、設(shè)計與監(jiān)理多整合為一體，以致我國巖土工程從業(yè)企業(yè)只能參與勘察或施工項目的工作，難以開展咨詢、設(shè)計與監(jiān)理的競標(biāo)。這一實際現(xiàn)狀，不僅導(dǎo)致企業(yè)難以獲得理想的利潤，也制約著我國巖土工程的發(fā)展。

此外，隨著我國國際影響力的增加，巖土工程的咨詢、勘察、設(shè)計、監(jiān)理與施工等技術(shù)的控制與管理工作，如何與國際接軌的問題也日趨突出[1]。要解決這一關(guān)鍵問題，除了要開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與系統(tǒng)的整合研究外，關(guān)鍵仍在做好新時期巖土工程專業(yè)人才的培養(yǎng)工作。有鑒于此，本文從巖土工程設(shè)計理念著手，從土力學(xué)的教學(xué)視角討論安全系數(shù)的取值問題，并以基礎(chǔ)的地基承載力與邊坡穩(wěn)定分析的計算原理為例，探討我國現(xiàn)行規(guī)范與歐、美、日等國家和地區(qū)常用設(shè)計計算公式的差異，分析我國標(biāo)準(zhǔn)的不足之處，以期為我國巖土工程人才的培養(yǎng)提供新的借鑒與思考。

一、 巖土工程的設(shè)計方法

（一） 容許應(yīng)力設(shè)計法

早在19世紀(jì)初，隨著工業(yè)革命的發(fā)展，許多強(qiáng)度高的新材料（如鐵、鋼等）可以被大量生產(chǎn)制造，這使得傳統(tǒng)經(jīng)驗或試誤的設(shè)計方法無法滿足建設(shè)發(fā)展的需要，也因此萌生了基于古典力學(xué)理論的容許應(yīng)力設(shè)計法（allowable stress design）[2]，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程、巖土工程與水利工程等土木工程的建設(shè)中，人們可以開始安全、經(jīng)濟(jì)且高效地構(gòu)筑所需的建筑物，極大地促進(jìn)了近現(xiàn)代土木工程的發(fā)展。

容許應(yīng)力設(shè)計法也被稱為工作應(yīng)力設(shè)計法（working stress design），其設(shè)計概念是通過結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限應(yīng)力與適合的安全系數(shù)，得出可供設(shè)計用的容許應(yīng)力，其代表著結(jié)構(gòu)構(gòu)件所能承受的工作應(yīng)力。也就是說，結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處的應(yīng)力若小于其容許應(yīng)力，則該構(gòu)件在設(shè)計意義上不會被破壞。以淺基礎(chǔ)的地基承載力為例[3]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可寫為：

式（3）可看出，分項系數(shù)法與容許應(yīng)力法相比，其安全系數(shù)不再唯一。時至今日，對于結(jié)構(gòu)工程來說，除了少部分特殊情況外，如鋼結(jié)構(gòu)的疲勞計算，其余基本采用分項系數(shù)法設(shè)計[7]。而對于巖土工程來說，仍需開展更多且更系統(tǒng)的整合研究，才能以分項系數(shù)法設(shè)計。

（三）巖土工程的設(shè)計考量

目前巖土工程的設(shè)計理念多采用基于容許應(yīng)力概念的極限狀態(tài)設(shè)計法，即同步考慮承載能力的極限狀態(tài)與正常使用的極限狀態(tài)。以基礎(chǔ)設(shè)計來說，需同時滿足基底壓力要小于容許地基承載力，以及地基的變形要小于設(shè)計的容許值。

盡管我國大陸在巖土工程設(shè)計理念的關(guān)鍵核心與其他國家和地區(qū)差異不大，但在建議的計算方法上差異則非常明顯，特別是在承載能力極限狀態(tài)的驗算上，部分規(guī)范仍停留在經(jīng)驗容許值。如：公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（JTG 3363-2019）利用巖土類別、狀態(tài)及其物理力學(xué)特性指標(biāo)與工程經(jīng)驗，查表得出地基承載力的基本容許值[8]。由于基礎(chǔ)的地基承載力，不僅與土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（c′，′）密切相關(guān)，也與基礎(chǔ)型式（形狀、寬度B與埋深Df）有關(guān)，僅依據(jù)土的孔隙比、含水量與液性指數(shù)等物理性質(zhì)來決定容許承載力，顯然會有較大的誤差，且其潛在風(fēng)險也不易被評估。從古典力學(xué)的發(fā)展歷史來看，這種方法已不適合簡單歸納到前述的容許應(yīng)力設(shè)計法里。

如前所述，容許應(yīng)力設(shè)計法的核心在通過力學(xué)手段求得極限承載力，再考慮合適的安全系數(shù)進(jìn)行工程設(shè)計，因此這一方法的關(guān)鍵在于安全系數(shù)的取值，亦即可通過安全系數(shù)取值的分析，了解我國大陸規(guī)范的設(shè)計方法與其他國家和地區(qū)的差異，而這也有助于消除土力學(xué)或基礎(chǔ)工程教學(xué)過程中學(xué)生常見的思維誤區(qū)，以完善相關(guān)的知識體系，提高國際競爭力。此外，這一討論也可為我國規(guī)范的修訂、推廣和應(yīng)用，提出新的思路與借鑒。

二、安全系數(shù)取值的思考與討論

（一） 淺基礎(chǔ)地基承載力的計算

由于地基極限承載力的決定是應(yīng)用容許應(yīng)力設(shè)計法的重要基礎(chǔ)，因此早在20世紀(jì)20年代開始，有非常多的學(xué)者（如：Prandtl， Reissner， Terzaghi， Meyerhof， De Beer， Hansen， Vesic等）針對淺基礎(chǔ)的地基極限承載力問題，開展了大量的研究工作[3， 9]，最終總結(jié)出地基的極限承載力公式;且為了便于工程實踐，對基礎(chǔ)形狀、埋深與荷載傾斜對極限承載力的影響加以修正，提出了更具一般性的廣義極限承載力公式。這一公式也成為歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)估算淺基礎(chǔ)地基極限承載力的基本方法，而不同國家和地區(qū)，依據(jù)其土性特點與工程經(jīng)驗，選擇不同的承載力系數(shù)Nc、Nq與Nγ的數(shù)值，以及形狀、埋深和荷載傾斜的修正系數(shù)公式。

我國大陸受蘇聯(lián)的影響，相關(guān)學(xué)者依據(jù)多數(shù)基礎(chǔ)事故是由變形主控的這一實際現(xiàn)象，且變形是基于線彈性原理計算而得，因此利用彈性附加應(yīng)力計算公式結(jié)合Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，來驗算地基在荷載作用下是否處于彈性變形狀態(tài)，并以此得出設(shè)計所需的地基承載力特征值[5， 10]，其代表規(guī)范為建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB 50007）。

顯然，由于設(shè)計理念的不同，這兩者在淺基礎(chǔ)地基承載力計算結(jié)果上的差異也非常明顯;且由于歷史原因，世界上多數(shù)國家和地區(qū)均采用基于Terzaghi等人的研究成果進(jìn)行設(shè)計工作，這使得我國規(guī)范的推廣遇到一定的困難，且無形中制約了我國企業(yè)開展國際巖土工程項目的設(shè)計業(yè)務(wù)。為了了解這兩者設(shè)計理念的差異，以下通過簡介、舉例與討論進(jìn)行闡述。

1.廣義極限承載力公式

盡管我國建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范并沒有采用式（4）計算極限承載力，但這一概念在一些土力學(xué)教材里也有介紹，并將其稱為Hansen極限承載力公式[9]。

對于偏心荷載基礎(chǔ)，則采用Meyerhof建議的有效面積的概念來估算基礎(chǔ)所能承受的荷載[14]，此時基礎(chǔ)按偏心后的有效尺寸計算地基的極限承載力，而有效面積隨偏心距增大而減少，使得基礎(chǔ)所能承受的荷載也相應(yīng)減少。

得出極限承載力后，即可考慮合理的安全系數(shù)以求得容許承載力。一般情況下，安全系數(shù)不小于3;而對于短期荷載，如地震、風(fēng)和雪荷載，安全系數(shù)可適當(dāng)取小，但仍需在2以上。

2.地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB 50007）——淺基礎(chǔ)的地基承載力公式

從式（6）可看出，其允許基底最大壓力超過基礎(chǔ)承載力特征值。然而，偏心荷載是長期存在的，卻可提高其能承受的承載力，這也有違常規(guī)的設(shè)計邏輯。當(dāng)然，這也說明了采用彈性狀態(tài)校核而得出的承載力特征值，其設(shè)計理念與承載能力極限狀態(tài)的校核仍有一定的區(qū)別。此外，承載力特征值的概念也涉及“臨界”荷載的概念，而這一“臨界”概念，與一般中文字義的理解不同，容易使學(xué)生產(chǎn)生混淆，不利于學(xué)生理解，因此在土力學(xué)教學(xué)過程中需重點關(guān)注和強(qiáng)化這一問題，以利于學(xué)生工程設(shè)計邏輯思維的培養(yǎng)。

3.算例分析與討論

本文利用方形與條形基礎(chǔ)地基承載力的算例以直觀地了解上述這兩種方法在設(shè)計上的差異，基礎(chǔ)下方飽和粘土層的總應(yīng)力（=0設(shè)計）與有效應(yīng)力（c=0設(shè)計）強(qiáng)度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值如圖1所示。且為了計算方便，將地下水位設(shè)于基礎(chǔ)底面，即不考慮地下水位對滑動土體自重的修正問題，并假設(shè)地基土若發(fā)生局部剪壞模式，則依據(jù)Terzaghi的建議進(jìn)行的折減，修正承載力系數(shù)值，且承載力系數(shù)采用Vesic提出的建議值[15]，如此即可利用式（4）與表1計算廣義極限承載力，其結(jié)果如表2所示。

計算結(jié)果可看出

（1）對于=0設(shè)計，qu/fa基本小于2。這說明對于飽和軟土的不排水條件設(shè)計，采用規(guī)范建議公式計算，所得的結(jié)果偏危險。

（2）對于c=0設(shè)計，若地基破壞模式為整體剪壞，則qu/fa均大于4。即對于排水條件設(shè)計，采用規(guī)范建議公式計算，所得的承載力特征值較保守，而這一結(jié)果同樣也適用于粗粒土地基。

（3）盡管規(guī)范建議公式僅適用于荷載沒偏心的條件，但對于方形和矩形基礎(chǔ)的c=0設(shè)計或粗粒土地基，若地基破壞模式為整體剪壞，則利用規(guī)范公式計算小偏心荷載的基礎(chǔ)，仍有一定的安全儲備;但對于承受大偏心荷載的條形基礎(chǔ)，采用規(guī)范公式計算，仍需注意其潛在風(fēng)險。

（4）倘若地基出現(xiàn)局部或沖剪破壞模式，如依據(jù)Terzaghi的建議進(jìn)行的折減，則因承載力系數(shù)的降低，將導(dǎo)致qu大幅減少，此時規(guī)范建議公式對c=0設(shè)計或粗粒土地基，并沒有提供較為保守的地基承載力設(shè)計值。這一結(jié)果也說明，采用極限承載力設(shè)計，地基剪壞模式的判斷及其合理修正的問題非常重要。

簡言之，在軟土的不排水設(shè)計、地基發(fā)生局部或沖剪破壞模式，采用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的計算方法有可能導(dǎo)致較大的設(shè)計風(fēng)險。

此外，這一算例也說明，在土力學(xué)教學(xué)過程中，不宜僅介紹我國規(guī)范的建議公式及其計算方法，而需強(qiáng)化學(xué)生對土力學(xué)基本理論的理解，并適當(dāng)剖析我國現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計思路與古典力學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系，以利于評估相應(yīng)的設(shè)計風(fēng)險，提高學(xué)生優(yōu)化設(shè)計的水平與能力。而此舉也有助于在參與境外巖土工程項目時，可較快地掌握相關(guān)的設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。

（二）樁基礎(chǔ)的地基承載力計算

與淺基礎(chǔ)一樣，我國大陸對樁基礎(chǔ)承載力的設(shè)計理念也與其他國家和地區(qū)差異不大，以豎向單樁承載力為例，其基礎(chǔ)型式均可表示為

三、結(jié)語

通過上述分析與討論，可看出盡管我國現(xiàn)行規(guī)范的設(shè)計基本理念與其他國家和地區(qū)差異不大，但由于受蘇聯(lián)的影響，在計算方法上的差異則非常明顯，甚至部分規(guī)范還保留經(jīng)驗查表法。這一做法無形中弱化了我國規(guī)范的影響力，且不利于將其推廣和應(yīng)用至世界其他國家和地區(qū)。

此外，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，巖土工程積累了大量的實踐經(jīng)驗。這些經(jīng)驗是優(yōu)化設(shè)計方法的重要基石，倘若能系統(tǒng)地收集與整理室內(nèi)與現(xiàn)場試驗的結(jié)果，并設(shè)置于巖土工程信息平臺里，再結(jié)合相應(yīng)的科學(xué)研究，將有助于構(gòu)建新的設(shè)計方法與標(biāo)準(zhǔn)。如此不僅可大幅提高我國巖土工程的設(shè)計水平，也有利于我國設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的推廣與應(yīng)用。

在學(xué)生工程設(shè)計邏輯思維的訓(xùn)練上，建議強(qiáng)化土力學(xué)基本理論知識的理解，在教學(xué)中盡可能地剖析我國規(guī)范的設(shè)計原理及考量因素的內(nèi)在聯(lián)系，并輔以基于古典力學(xué)的計算方法的介紹，最后再結(jié)合計算能力的強(qiáng)化訓(xùn)練，這樣有利于學(xué)生日后參與境外巖土工程項目時，能夠較快地掌握相關(guān)設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。而對巖土工程專業(yè)人才的這一訓(xùn)練與培養(yǎng)，可為我國巖土工程相關(guān)企業(yè)奠定堅實的人才儲備基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：

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Abstract： The codes for design of geotechnical engineering in China are different from other countries and regions in the world at present. Hence， the geotechnical engineering consulting companies in China are hard to participate in the project bids for its businesses outside of China. In order to improve the situation， the systematic engineering design research and the professional training are the key issues during this period. Therefore， the allowable stress design concept in geotechnical engineering such as safety factor， soil bearing capacity， and slope stability analysis are discussed in this paper. Moreover， the defects of design codes in China are also presented. Finally， the suggestions of design codes and professional training are recommended to promote the development of geotechnical engineering in China.

Key words： allowable stress design; geotechnical engineering; safety factor; soil bearing capacity; slope stability analysis

（責(zé)任編輯 王 宣）