岩土工程数值仿真 (岩土工程项目设计)

一、概念设计的必要性

对岩土工程的概念设计,目前尚无统一的认识。狭义的概念设计可理解为框架设计,广义的概念设计,是指设计思想、设计主导理念。

一项设计的优劣成败,设计思想最为重要。岩土工程设计者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的事物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、本质上把握,对症下药,而不是单纯某一经验的应用,不是单纯的截面设计、承载力计算、变形计算之类,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,从主导理念上总揽全局,牢牢掌握影响工程成败的关键,并对实施结果有基本准确的估计,不犯概念性错误。

概念创新设计,亦属于总体上、本质上的创新,而不是单纯某一方面、某一项技术的创新。

二、安全和功能要求

岩土工程设计必须保证工程在使用期间的安全和满足预定功能要求,一般包括下列方面:

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。

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。例如: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和市政设施的安全;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。

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,如需度过雨季、冬季,应保证工程在雨季、冬季时的安全;对于临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。

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:施工噪声、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。

三、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,传至基础顶面的压力不应大于地基的承载能力(包括强度和变形限值)。

如果荷载和地基性能指标都是确定的,岩土是均匀的,问题就会变得很简单。但实际工程往往很复杂,首先是荷载,有永久荷载、可变荷载和偶然荷载,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,就是对荷载的概化。其次是地基,严格地说,地基都是不均匀的,岩土性质具有时空变异性,需要用数理统计方法求出它们的代表值,将地基条件概化为地质模型。再次是如何考虑安全度,有容许应力法和极限状态法,有定值法和概率法,由安全系数和分项系数表达。此外,必要时为了便于分析,又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,准确的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。正确的概化应注意两方面:一是系统地取得原始数据,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;二是概化方法的科学性和实用性,要抓住事物的本质特性,应针对影响工程安全和使用功能最关键的因素。

四、注意事项

1、技术方法的适用性和有效性

方案的适用还是不适用,有效还是无效,是首先应当考虑的因素。

所谓适用性,是指该方法能否在特定的工程条件下实现预定目标。例如,由于软黏性土的透水性弱,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。密集挤土桩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黏性土,不采用黏性土,不仅是由于黏性土的压实性不易控制,而且孔隙水容易积聚,从而增加土水压力。

所谓有效性,是指该方法能否达到预期的效果。例如:建造在比较软弱的地基土上,主楼和裙房连成一体的建筑,很难考虑采用天然地基和浅层地基处理,因为难以解决其带来的差异性沉降问题。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而达不到预期效果。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,直观经验难以判断时,需通过验算做出结论。

2、施工的可操作性和质量的可控制性

优秀的设计要有优质的施工才能成为现实。当有多种工法可选时,应尽量选用施工简单、便于操作、施工单位熟悉的有经验的工法。设计得过于复杂,会降低施工的可操作性。岩土工程多为隐蔽工程,质量的控制和检验十分重要,挖孔桩的广泛应用,原因之一便是质量易于控制。有的工法虽有明显的优势,但如果质量不易控制,也只得放弃。例如粉喷桩曾被一些地方封杀,不许使用,就是由于质量不易控制。《建筑地基处理技术规范》规定,粉喷桩施工时必须配有计算部门确认的粉体计量装置和搅拌深度自动记录仪,就是为了解决粉喷桩质量的控制性问题。

3、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。无论何种方案和工法,一般都是既有优点,又有缺点的;都有其适用的一面,有的也存在一些负面影响。例如:城市中不宜采用噪声大的锤击式预制桩和沉管灌注桩;泥浆污染城市环境,某些注浆材料会污染地下水;有些施工方法影响人体健康;地下开挖和深基础开挖时,大量抽排地下水,严重浪费宝贵的水资源,既不符合可持续发展的原则,同时产生的降水漏斗可能会使邻近工程产生附加沉降,甚至造成工程事故。

4、基本资料的完整性和可靠性

岩土工程设计应有完备的基础资料。但实际上,不一定每个项目的基础资料都十分的完整和理想,概念设计时应充分予以注意。例如,岩溶发育区地质条件十分复杂,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,即便采用一柱一桩也不能完全将基岩面查的一清二楚。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,载荷实验被认为是比较可靠的方法,但并非每个工程都能做到。有些工程仍需要根据土性和经验进行设计。这时,设计的安全度就要做出必要的调整。设计依据比较充分或是相关经验比较丰富时,安全系数可以适当收紧一些;设计依据不够充分或相关经验比较缺乏时,安全系数就要适当取大一些,这是确保工程安全应当遵循的法则。严重缺乏经验的特殊地质条件和特殊工程,在设计时留出适当的余地也是必要的。

5、设计原理的科学性和设计软件的正确应用

设计原理、计算方法和控制数据,是岩土工程设计的三大要素。其中设计原理是概念设计的核心。岩土工程设计所依据的科学原理有力学原理、地质演化的科学规律、岩土性质的基本概念、地下水的渗流规律等。

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