岩土参数设计值的含义

岩土参数的标准值是岩土工程设计的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。对岩土设计参数的估计，实质上是对总体平均值作置信区间估计。在勘察工作中取土试样或者作原位测试测定岩土的性状和行为，其目的是希望了解岩土体的总体的性状和行为，取土试验或作测试工作是一种抽样的手段，而非目的。抽样所得的子样，包括试验的结果和原位测试的结果都是抽样得到的子样，这些子样并非我们的终极目标。

《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)给出了岩土参数标准值φk 的计算公式:

式中正负号的选用取决于指标的性质，如对于抗剪强度指标，应取负号。

变异系数，由于分层是按照不同的地质单元来分的，如果变异系数过大，就说明这层的参数离散程度也比较大，应该检查数据，剔除明显不合理的数据，然后再统计，或者可以直接考虑分层的合理性。

采用静压桩施工方法时，施工压桩力与单桩承载力特征值有关系，但不是绝对的，要根据经验及地方标准，可以是特征值的1.5~2.5，只要静载试验满足要求即可，(你如果有把握，采用1.0倍也可)全面施工时施工压桩力就可以采用试桩标准。

施工前试桩：根据工程实际情况，决定是否做施工前试桩。施工前试桩可以保留为工程桩。

其中，根据规范必须做施工前试桩的情况有以下三种：

1、设计等级为甲级、乙级的桩基；

2、地质条件复杂、桩施工质量可靠性低；

3、本地区采用的新桩型或新工艺。

施工结束后试桩：根据地质报告及当地经验，选定桩型及单桩竖向承载力特征值，全面施工后随机抽取一定桩数进行动测及静载荷试验，验证桩身质量即单桩竖向承载力特征值满足设计要求，不满足时要采取补强措施。

一般在经验不足或重要工程要先设计试桩。所有工程在桩基施工完毕后都要进行施工试桩，根据试桩报告进行质量评定及验收。

编辑本段

试桩目的

试桩是为了大范围的沉桩作业提供第一手的首次施工参数资料，包括有效桩长、入岩深度、沉渣、灌入度、桩焊接、承载力。

1. 选择工程桩的桩型、桩长和桩端持力层进行试打桩时，应符合下列规定：

1) 试打桩位置的工程地质条件应具有代表性。

2) 试打桩过程中，应按桩端进入的土层逐一进行测试；当持力层较厚时，应在同一土层中进行多次测试。

2. 桩端持力层应根据试打桩结果的承载力与贯入度关系，结合场地岩土工程勘察报告综合判定。3 采用试打桩判定桩的承载力时，应符合下列规定：

1) 判定的承载力值应小于或等于试打桩时测得的桩侧和桩端静土阻力值之和与桩在地基土中的时间效应系数的乘积，并应进行复打校核。

2) 复打至初打的休止时间应符合本规范表3．2．6的规定。

由室内试验或原位测试获得的土样某项指标的n个值x1，x2，…，xn是来自总体X的一个样本的样本观测值，则样本的统计参数为[177]：

（1）样本均值

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（2）样本方差

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（3）样本标准差

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（4）变异系数

变异系数δ是一个无量纲的参数，将其定义为标准差与均值的比值，即

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土工参数的变异性由变异系数δ来描述，它既反映了所测定土样性质的变异，也反映了取土试验技术对试验结果重现性的影响。变异系数是一个能综合反映设计参数质量水平的指标，变异系数越大，说明试验结果的可靠性越差，土工参数的变异性可按表3.1进行评价[178]。

表3.1 变异性评价表

（5）样本k阶（原点）矩

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（6）样本k阶中心矩

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一般用样本的三阶、四阶中心矩来描述其分布的对称程度和陡峭程度，但三阶、四阶中心矩是有量纲的数，不便于用来比较不同量纲的指标，因此，为了消除量纲，引入偏度和峰度来分别描述样本分布的对称和陡峭程度[179]。

（7）样本偏度

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偏度是与正态分布相比较的量，当偏度g1=0时，表示数据的分布形态与正态分布相同；当g1＞0时，表示正偏差数值较大，为正偏或右偏；当g1＜0时，表示负偏差数值较大，为负偏或左偏。而|g1|越大，表示分布形态的偏斜程度越大。

（8）样本峰度

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峰度也是与正态分布相比较的量，当峰度g2=0 时，表示数据分布与正态分布的陡缓程度相同；当g2＞0 时，表示比正态分布的高峰要更加陡峭，为尖顶峰；当g2＜0 时，表示比正态分布的高峰要平缓，为平顶峰。

对岩土设计参数的估计，实质上是对总体均值作点估计和置信区间的估计。常用的总体参数点估计的方法有矩估计法、极大似然估计法等[177]，从估计量的无偏性、有效性和一致性来考虑，本章将采用样本的无偏估计量确定总体参数的点估计，即：从有限样本的数值出发来估计总体的特征；从特殊的抽样数据来推断一般的总体特征。

对于一个土样的某项指标值除了要知道其点估计外，还应估计一个范围，这个范围包含了参数x值的可信程度，即给出参数的置信区间。一般，总体X均值的置信度为1-α的置信区间是

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其中：1-α为置信度，一般取α=0.05；t为t分布，α/2 为t分布的显著性水平，n-1 为t分布的自由度。

在实际工程中，一般要求给出岩土设计参数的估值，即参数的标准值xk，岩土参数的标准值是岩土工程设计的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值，这是采用统计学区间估计理论基础上得到的关于参数均值置信区间的单侧置信界限值[5][177]，xk可由下式求出：

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式中：γs为统计修正系数， ，其中n为样本容量，且正负号按照不利组合来考虑。

1、评价不良地质作用对拟建场地的影响，提出防治措施的建议；

2、查明场地地层结构及其物理、力学性质；

3、查明特殊土、回填土、河湖沟坑及暗浜的分布范围，分析相关岩土工程问题和对设计与施工的影响；

4、查明地下水埋藏条件及其和地表水的补排关系，提供地下水位动态变化幅度，分析评价其对工程建设和安全运营的影响；

5、对场地和地基的地震效应进行评价，提供抗震设计的有关参数；

6、判定水、土对建筑材料的腐蚀性；

7、对地基的均匀性、压缩性、承载力进行分析与评价；

8、对地基基础方案和设计与施工中的岩土工程问题进行分析评价，提供岩土工程技术建议和施工图设计所需的岩土参数。

一、主要的岩土性质指标

（一）土的物理力学性质指标

1）土的主要物理性质指标有天然含水量、天然重度、相对密度（比重）、孔隙比、液限、塑限、塑性指数、液性指数和渗透系数等。

2）土的力学性质指标有压缩性（压缩系数、压缩模量、变形模量）、抗剪强度（内摩擦角、黏聚力）和无侧限抗压强度等。

（二）岩石的物理力学性质指标

1）岩石的主要物理性质指标有天然密度、相对密度（比重）、孔隙率、吸水率、饱和系数和软化系数等。

2）岩石的主要力学性质指标有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度（摩擦系数、黏聚力）及变形特性（静弹性模量、动弹性模量、泊松比）等。

二、主要的岩土性质指标经验值及地基承载力

（一）土的主要物理力学性质指标经验值及地基承载力

1996年，通过对深圳地区大量岩土试样物理力学性质试验成果的统计，并将统计结果编入深圳市标准《深圳地区地基处理技术规范》（SJG 04-96）附录A、B、C中，经多年在工程项目中应用及不断积累和补充，与《岩土工程试验监测手册》和《工程地质手册》（第四版）中的“有关土的经验数据”对比，提出“深圳地区第四系黏性土层和全、强风化岩的物理力学性质指标经验值”（表2-2-53）、“深圳地区第四系黏性土层静三轴、固结、渗透试验指标经验值”（表2-2-54）、“砂土的物理力学性质指标经验值”（表2-2-55）和“深圳地区第四系砂土及风化岩体渗透系数指标经验值”（表2-2-56）。

（二）岩石的主要物理力学性质指标经验值

根据广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ15-31-2003）条文说明中的表4.4.1一1（深圳地区各种岩石饱和单轴抗压强度新老方法统计对照表），《工程地质手册》（第四版）岩石的物理力学性指标中的表3-1-41（岩石的物理性质指标）、表3-1-42（几种岩石力学强度的经验数值）和表3-1-43（岩石力学性质指标经验数据）；《岩土工程试验监测手册》表4.8-2（混凝土与岩石现场直剪试验数据与有关资料）、表4.8-3（各类岩石现场直剪试验数据及有关说明）和表4.8-4（岩石软弱结构面、软弱岩石现场直剪试验数据及有关说明）等，综合深圳地区的经验值，编制《深圳地区岩石物理力学性质指标的经验数据》（表2-2-57）。

表2-2-53 深圳地区第四系黏性土层和全、强风化岩物理力学性质指标经验值

表2-2-54 深圳地区第四纪黏性土层静三轴、固结、渗透试验指标经验值

表2-2-55 砂层物理力学性质指标经验值

表2-2-56 深圳地区第四纪砂土及风化岩体渗透系数指标经验值

表2-2-57 深圳地区岩石物理力学性质指标的经验数据

岩土工程设计的任务是根据各类工程建筑的要求和工程勘察所提供的场地资料和岩土体参数为岩土体的利用、整治或改造选择最优化的实施方案。岩土工程的设计内容、理论和方法随具体的工程不同而变化，例如基础工程设计中主要考虑的问题是地基承载力和地基变形稳定性，可能的设计内容有地基处理方案、降水方案、基坑支护方案等，设计的理论依据主要是土力学和水文地质学；而地下工程设计中所要考虑的首先是洞室围岩稳定性问题，可能的设计内容有断面开挖设计、围岩支护设计等，设计的理论依据主要是岩体力学。尽管不同的工程有其具体的设计内容和方法，但是各类岩土工程设计仍然有一些共同的基本要求和设计原则。

一、岩土工程设计的基本要求和设计原则

岩土工程设计的最基本的原则是以最少的投资、最短的工期，保证在使用期内工程的安全运行和所有预定功能的正常发挥。其中包含了三方面的基本要求：①预定功能正常发挥；②安全性和耐久性；③工期和投资的经济性。

工程设计时应考虑的因素包括：①工程使用期内预定的功能；②场地条件、岩土性质及其可能变化；③工程结构类型与特点及荷载组合情况；④施工环境和相邻工程的影响；⑤施工技术条件和设计实施的可行性；⑥当地工程建筑材料资源。

岩土工程设计时应注意以下几方面的问题：

（1）注意场地条件，考虑灾害防治措施。充分收集场地的地形、地质、水文、水文地质等资料作为设计依据。场地可能的自然灾害包括：暴雨、洪水、地震、滑坡、崩塌、泥石流等；由于工程建设引起的灾害包括：采空塌陷、抽水塌陷、边坡失稳、管涌、突水等。对于这些灾害应采取有效的防治措施。

（2）合理选取岩土参数。选取岩土参数时应注意岩土体的非均质性、各向异性，并考虑参数测定的方法、条件，注意参数随时间和环境的改变以及工程建设的实施对岩土参数的影响。

（3）定性分析与定量分析相结合。定性分析是岩土工程分析的首要步骤，是定量分析的基础。定性分析的内容包括：工程选址和场地适宜性评价；场地地质背景和地质稳定性评价；岩土性质的直观鉴定。定量分析可采用解析法、图解法或数值法，并考虑适当的安全储备。定性分析和定量分析都应在详细占有资料的基础上，运用成熟的理论和类似工程的经验进行论证，并提出多种方案进行比较。

（4）注意岩土与结构设计的配合。岩土工程设计中应充分考虑岩土体与人工构筑物之间协调一致，保证工程整体功能的正常发挥。

二、岩土工程设计的基础资料

岩土工程设计的基础资料随具体工程需要而异，一般情况主要基础资料如下：

（1）地形、水文、气象资料，包括地形图及平面高程控制；水位、流量、洪峰、淹没、冲淤等；气温、降水、冻结深度、暴雨、风暴潮等。

（2）岩土工程勘察资料，包括岩土的类型、年代、成因、产状、性质、分布；岩土的工程性质及其变异性；断裂构造的性质、展布及其对工程的影响；不良地质现象的类型、特征、动态及其对工程的影响；人为地质现象的类型、特征、动态及其对工程的影响；地震烈度、场地土类别、场地类别、地震动参数、液化测试及评价；地下水类型、水位、动态、地层渗透性和补给排泄条件；水土对建筑材料的腐蚀性；特殊岩土的测试与评价。

（3）建筑结构资料，包括工程安全等级、建筑面积、层数、高度、地基开挖深度、可能采用的基础类型等；结构类型、刚度、荷载及分布、加荷速率、对沉降的要求等；可能采用的挡土结构类型。

（4）其他资料，包括邻近工程设施及其与拟建工程的关系；施工排水、排污条件；对施工噪声、振动的限制；岩土工程勘察、设计、施工的地方经验；工程建设的计划进度及工程分包配合情况；地方施工能力、建筑材料及劳务价格等。

三、岩土工程设计的理论和方法

1.岩土工程设计的理论基础

岩土工程设计的对象是各类工程中与岩土体的利用、整治和改造有关的部分，尽管各类工程中涉及岩土体利用、整治和改造的程度、规模和方式不尽相同，但是岩土工程设计都要面对一个共同的问题，即必须设法使岩土体的工程特性能够满足工程建筑的功能要求。工程建筑对岩土体最基本的要求可以概括为强度和变形两个方面，所以岩土工程设计中最基本的任务就是根据具体工程建筑的功能要求和荷载的分布情况对工程岩土体的强度和变形进行验算，可见，岩土工程设计中最基本的理论是岩土力学。

当天然岩土体的强度和变形不能满足工程建筑的要求时，设计上就必须提出适当的岩土体整治或改造方案，以改善工程岩土体的强度和变形性能使之满足工程建筑的要求。对岩土体的整治和改造必然要涉及到岩土体以外的其他材料和人工结构的使用，因此，岩土工程设计理论仅有岩土力学是不够的，还必须包括岩土力学以外的其他材料（如钢筋、混凝土等）力学和结构力学，这样岩土工程设计才能胜任对岩土体利用、整治和改造的任务。

除局部工程岩土体的力学特性外，岩土工程设计还必须考虑工程场地的地质构造稳定性。因为，一项岩土工程从局部看在力学上即使固若金汤，但是工程场地在地质构造上处在一个不稳定状态，如果不采取防治措施，此项工程迟早会发生问题，工程损失往往会更加惨重。因此，地质学基础也是岩土工程设计中最为重要的基础理论之一，这是用国内外岩土工程实践中血的教训所换来的认识。

岩土工程设计还必须考虑设计方案的实施，因此，岩土工程施工工艺也是决定岩土工程设计方案的重要技术因素。

2.岩土工程设计的方法

岩土工程设计应有足够的安全储备，以保证岩土工程能够承受正常施工和正常使用期间可能出现的各种作用；在正常使用期间，工程各部功能具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性；在发生偶然事件或局部失效时，仍能保持必须的整体稳定性。

岩土工程设计的传统方法是建立在经验基础上的容许应力法，随着设计理论和设计方法的进步，有转向以概率为基础的极限状态法的趋势。

容许应力法是在工程正常使用的前提下，比较荷载作用S和岩土体抗力R，要求强度有一定的安全储备，变形不过大，安全度的取值建立在经验的基础上。

极限状态法将岩土体及有关结构置于极限状态进行分析，寻求达到某种极限状态试验土体的抗力。极限状态方程的一般式为：

水工环研究的现状与趋势

式中，Z=g（·）为功能函数；xi（i=1,2，…）为基本变量，包括各种荷载作用、岩土体和材料性能以及几何参数等。当只有荷载作用S和岩土体抗力R两个综合参数有：

水工环研究的现状与趋势

当Z＞0时工程处于可靠状态；当Z=0时，工程处于极限状态；当Z＜0时，工程处于失效状态。

定值设计方法将设计变量看作非随机变量，其设计准则可用下式表达：

水工环研究的现状与趋势

式中，K和[K]分别为安全系数和目标安全系数，其中目标安全系数按经验确定。例如某工程目标安全系数为[K]=2.5，岩土体抗力R=1500kN，作用荷载S=500kN，则安全系数K=3.0，满足K≥[K]的准则。

概率设计方法将设计变量看作随机变量，对岩土体抗力R、荷载作用S和安全度进行概率分析，按失效概率或可靠度量度工程的可靠性，将工程的安全储备建立在概率分析的基础上。工程在规定的时间内和规定的条件下具有预定功能的概率称为可靠度，所以，建立在概率法基础上的极限状态设计又称为可靠度设计方法。根据对设计变量的处理水平，概率设计方法分为半概率法、近似概率法和全概率法。

半概率法是最简单的统计方法，设计中采用抗力和荷载的平均值 和 计算安全系数，即

水工环研究的现状与趋势

式中， 称为中心安全系数。可以进一步发展为“标准安全系数法”：

Kb=Rb/Sb　（5）

式中，Kb称为标准安全系数，Rb和Sb分别由 和 加（减）若干倍的均方差得到，在一定程度上考虑了参数的变异性。

近似概率法采用可靠指标β量度工程的可靠程度，是目前中国工程结构设计采用的方法。其安全系数Kβ的计算方法如下：

水工环研究的现状与趋势

式中， ， ， ，σR与σS分别为抗力与荷载的标准差。

例如，对于一级工程，延性破坏类型的目标可靠指标[β]规定为3.7，若某工程经计算得到的可靠指标β为4.1，则工程处于安全状态。

全概率法把各种基本变量（岩土参数、荷载、几何尺度、计算精度等）均视为随机变量，用失效概率直接量度安全性，设计准则用失效概率Pf表达：

Pf=P(R≤S)≤[Pf]　（7）

式中，[Pf]为目标失效概率。例如，若[Pf]=1.0×10-4，则Pf≤1.0×10-4时是安全的。可靠指标与失效概率的关系为：

Pf=Φ（-β）　（8）

式中，Φ（-β）为标准正态分布函数。

定值法的安全度用一个总的安全系数K表示；概率法的安全度用失效概率Pf或可靠指标β表示，建立在概率统计的基础上。但是，要求每一个工程都进行可靠度计算是不现实的，实际工程的极限状态设计可采用分项系数设计。分项系数的表达式可以建立在概率分析的基础上，也可以建立在经验的基础上。岩土工程设计的分项系数设计准则可用下式表达：

水工环研究的现状与趋势

式中，S（·）为作用效应函数；R（·）为抗力函数；vn和vθ分别为工程重要性系数和作用效应分项系数；vSd和vRd是反映所用效应函数和抗力函数计算模式不定性的系数；ak为几何参数；Qk和fk分别为作用效应标准值和岩土参数标准值；vA和vR分别为岩土参数的作用效应分项系数及抗力分项系数；φc为作用效应组合系数；c为阈限值。

目前，岩土工程设计的安全系数和分项系数尚无统一的规范值，表9-5和表9-6所列出的值供参考。

表9-5　岩土参数分项系数

表9-6　各类工程安全系数

2、室内土工试验参数，例如含水量、比重、密度、液限、塑限、压缩系数等参数；

3、通过已知参数计算出另一部分参数，例如干密度、塑性指数、液性指数、压缩模量等；

4、工程师的经验参数；

5、有些参数是比价特殊的，例如承载力特征值，是根据很多途径综合得出的，原位测试得出一个承载力，根据土的物理力学参数也能得出承载力，最后工程师再综合工程经验得出一个经验值。