[PPT]注冊(cè)土木工程師（巖土）培訓(xùn)（必修）巖土工程設(shè)計(jì)安全度_ppt

1、注冊(cè)土木工程師（巖土）培訓(xùn)（必修）巖土工程設(shè)計(jì)安全度 主要內(nèi)容第一部分 概論第二部分 可靠度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第三部分 巖土工程荷載第四部分 巖土工程材料第五部分 巖土工程極限狀態(tài)第六部分 巖土工程安全度問題的處理第七部分 工程實(shí)踐中的巖土工程安全度問題第一部分 概論1.1 巖土工程的綜合性 巖土工程：“土木工程中涉及巖石和土的利用、處理和改良的科學(xué)技術(shù)”（巖土工程基本術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)）。 “土木工程的一個(gè)分支，以工程地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)與基礎(chǔ)工程為理論基礎(chǔ)，涉及巖石和土的利用、整治和改造的一門技術(shù)科學(xué)” （中國大百科全書） （1）土木工程的一個(gè)分支； （2）研究對(duì)象是巖石和土，包括巖土中的水； （3） 一

2、門技術(shù)科學(xué)或工程技術(shù)。 工程地質(zhì)：研究地質(zhì)現(xiàn)象、成因和演化、地質(zhì)規(guī)律、地質(zhì)與工程相互作用，是巖土工程的基礎(chǔ)之一。屬“地質(zhì)師”。 1.1 巖土工程的綜合性土木工程的兩大類 ：結(jié)構(gòu)工程與巖土工程 結(jié)構(gòu)和地基相互作用，相互影響： 地基變形改變結(jié)構(gòu)應(yīng)力， 結(jié)構(gòu)荷載分布和不同剛度產(chǎn)生不同的地基變形。 調(diào)整基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)剛度適應(yīng)地基變形， 地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。 互相搭接，互相重疊： （1）樁基礎(chǔ) （2）基坑工程和地下開挖 （3）邊坡工程和地質(zhì)災(zāi)害的治理 （4）結(jié)構(gòu)工程師和巖土工程師雖然有所分工，有所側(cè)重，但互相配合更多 。1.2 巖土工程的不確定性巖土體結(jié)構(gòu) 巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖土材料 自然形成

3、勘察查明 不能選定和控制體系和構(gòu)件不明確，計(jì)算條件不明確，計(jì)算不可信沒有截面計(jì)算，分不清截面可靠度和系統(tǒng)可靠度 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件尺寸 工程師設(shè)計(jì) 材料 工程師選定 均可控體系和構(gòu)件明確，計(jì)算條件明確，計(jì)算可信 截面計(jì)算為主， 做截面可靠度分析 1.2 巖土工程的不確定性巖土體材料 巖土材料變異性大, 與位置有關(guān)， 相關(guān)距離水平相變和豎向相變?cè)囼?yàn)尺寸與計(jì)算尺寸差別大，試驗(yàn)方法多樣計(jì)算參數(shù)取綜合水平 結(jié)構(gòu)材料相對(duì)均勻與位置無關(guān)試驗(yàn)尺寸與計(jì)算尺寸差別相對(duì)小按一般材料統(tǒng)計(jì)參數(shù)代表值1.2 巖土工程的不確定性裂隙水和孔隙水壓力的多變性裂隙水：脈狀、網(wǎng)狀、層狀、巖溶水。富水性、透水性和水壓力差別非常大。

4、查清有時(shí)非常困難。水位、水頭變化：季節(jié)、多年、人為靜水壓力、超靜水壓力、滲透力?？紫端畨毫Φ脑鲩L消散：液化、擠土效應(yīng)。非飽和土基質(zhì)吸力。 1.2 巖土工程的不確定性地質(zhì)作用和地質(zhì)演化的復(fù)雜性地震：液化、震陷、塌陷、邊坡失穩(wěn)、永久性地面變形和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；河、湖、海：沖刷、侵蝕、搬運(yùn)和淤積，對(duì)水利工程和航道工程的影響；地下水：巖溶，土洞，塌陷；風(fēng)化作用；滑坡、泥石流等：發(fā)生、發(fā)展、消亡、復(fù)活等地質(zhì)演化過程。 1.2 巖土工程的不確定性計(jì)算模式的不確切性本構(gòu)模型：地基承載力計(jì)算：Ressiner、Terzaghi、Meyerhoff、Hansen、Vesic、P1/4，等。變形計(jì)算：一維沉降計(jì)算。

5、邊坡穩(wěn)定計(jì)算：破裂面形狀及位置，等。第二部分 可靠度設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.1 可靠度理論的發(fā)展2.2 可靠度基本概念2.3 可靠度計(jì)算方法2.4 巖土工程可靠度2.1 可靠度理論的發(fā)展 一、相關(guān)術(shù)語（1）可靠性reliability：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。（2）可靠度degree of reliability (reliability)： 結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。（3）失效概率probability of failure：結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定功能的概率。（4）可靠指標(biāo)reliability index ： 由=-1（pf）中定義的代替失效概率

6、pf的指標(biāo)，其中-1（）為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)的反函數(shù)。（5）基本變量basic variable：代表物理量的一組規(guī)定的變量，它表示各種作用、材料與巖土性能以及幾何量的特征。（6）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期design reference period：為確定可變作用及與時(shí)間有關(guān)的材料性能等取值而選用的時(shí)間參數(shù)。（7）設(shè)計(jì)使用年限design working life：設(shè)計(jì)規(guī)定的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需進(jìn)行大修即可按其預(yù)定目的使用的時(shí)期。（8）極限狀態(tài)limit state：整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)為該功能的極限狀態(tài)。2.1 可靠度理論的發(fā)展相關(guān)術(shù)語（9）設(shè)計(jì)

7、狀況design situation： 代表一定時(shí)段的一組物理?xiàng)l件，設(shè)計(jì)應(yīng)做到結(jié)構(gòu)在該時(shí)段內(nèi)不超越有關(guān)的極限狀態(tài)。（10）功能函數(shù)performance function： 基本變量的函數(shù)，該函數(shù)表征一種結(jié)構(gòu)功能。（11）概率分布probability distribution： 隨機(jī)變量取值的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，一般采用概率密度函數(shù)或概率分布函數(shù)表示。（12）統(tǒng)計(jì)參數(shù)statistical parameter：在概率分布中用來表示隨機(jī)變量取值的平均水平和分散程度的數(shù)字特征，如平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等。（13）分位值fractile：與隨機(jī)變量分布函數(shù)某一概率相應(yīng)的值。（14）作用action： 施加

8、在結(jié)構(gòu)上的集中力或分布力(直接作用，也稱為荷載)和引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因(間接作用)。（15）作用代表值representative value of an action： 設(shè)計(jì)中用以驗(yàn)證極限狀態(tài)所采用的作用值。作用代表值包括標(biāo)準(zhǔn)值、組合值、頻遇值和準(zhǔn)永久值。（16）作用標(biāo)準(zhǔn)值characteristic value of an action： 作用的基本代表值，為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大作用概率分布的某一分位值。（17）組合值combination value：對(duì)可變作用，使組合后的作用效應(yīng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的超越概率與該作用單獨(dú)出現(xiàn)時(shí)的相應(yīng)概率趨于一致的作用值;或組合后使結(jié)構(gòu)具有統(tǒng)一規(guī)定的可

9、靠指標(biāo)的作用值。（18）頻遇值frequent value：對(duì)可變作用，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)被超越的總時(shí)間僅為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期一小部分的作用值;或在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)其超越頻率為某一給定頻率的作用值。2.1 可靠度理論的發(fā)展相關(guān)術(shù)語（19）準(zhǔn)永久值quasi-permanent value：對(duì)可變作用，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)被超越的總時(shí)間為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期一半的作用值。（20）作用設(shè)計(jì)值design value of an action：作用代表值乘以作用分項(xiàng)系數(shù)所得的值。（21）材料性能標(biāo)準(zhǔn)值characteristic value of a material property：符合規(guī)定質(zhì)量的材料性能概率分布的某一分位值。

10、（22）材料性能設(shè)計(jì)值design value of a material property：材料性能標(biāo)準(zhǔn)值除以材料性能分項(xiàng)系數(shù)所得的值。（23）幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值characteristic value of a geometrical Parameter：設(shè)計(jì)規(guī)定的幾何參數(shù)公稱值或幾何參數(shù)概率分布的某一分位值。（24）幾何參數(shù)設(shè)計(jì)值design value of a geometrical parameter：幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值增加或減少一個(gè)幾何參數(shù)附加量所得的值。（25）作用效應(yīng)effect of an action：由作用引起的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的反應(yīng)，例如內(nèi)力、變形和裂縫等。（26）抗力resi

11、stance： 結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受作用效應(yīng)的能力，如承載能力等2.1 可靠度理論的發(fā)展可靠度用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范二、可靠度用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范國家標(biāo)準(zhǔn)的第一層次工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50153國家標(biāo)準(zhǔn)的第二層次水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50199港口工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50158鐵路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50216公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB/T50283建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50068 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則己經(jīng)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的共同準(zhǔn)則。工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)新版本“工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)宜采用以概率理論為基礎(chǔ)、以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法；當(dāng)缺乏統(tǒng)計(jì)資

12、料時(shí)，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可根據(jù)可靠的工程經(jīng)驗(yàn)或必要的試驗(yàn)研究進(jìn)行，也可采用容許應(yīng)力或單一安全系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行”。2.2 可靠度基本概念 1. 可靠性：工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，所達(dá)到的安全性、適用性和耐久性總稱為工程結(jié)構(gòu)的可靠性。 在進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)力求其在安全性、適用性、耐久性與經(jīng)濟(jì)性之間達(dá)到合理的平衡，使其在規(guī)定的使用年限內(nèi)滿足下列要求： 工程結(jié)構(gòu)安全性要求：（1）正常施工和正常使用時(shí)，能承受可能出現(xiàn)的各種情況；（2）在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。 工程結(jié)構(gòu)適用性要求：在正常使用時(shí)具有良好的工作性能。 工程結(jié)構(gòu)耐久性要求：在正常維護(hù)下具有足夠的耐久性

13、能。 2. 可靠度：工程結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率稱為工程結(jié)構(gòu)的可靠度。 2.2 可靠度基本概念 3. 可靠度設(shè)計(jì)水準(zhǔn)：通常將可靠度設(shè)計(jì)劃分為三個(gè)水準(zhǔn)，即水準(zhǔn)、水 準(zhǔn) 和水準(zhǔn) 。 水準(zhǔn)在荷載和材料強(qiáng)度上分別考慮了概率原則，但把二者分開考慮，而不是從結(jié)構(gòu)整體性出發(fā)考慮結(jié)構(gòu)的可靠度，且各分項(xiàng)系數(shù)主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，故稱為半概率設(shè)計(jì)法。 水準(zhǔn) 近似概率設(shè)計(jì)法。運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)工程結(jié)構(gòu)、構(gòu)件或截面設(shè)計(jì)的“可靠概率”做出較為近似的相對(duì)估計(jì)。我國各層次工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采用的以概率理論為基礎(chǔ)的一次二階矩極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法就屬于這一水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法。缺點(diǎn)是，忽略

14、或未考慮基本變量隨時(shí)間變化的關(guān)系，將一些復(fù)雜的非線性極限狀態(tài)方程線性化。 水準(zhǔn) 全概率設(shè)計(jì)法。它不僅把影響工程結(jié)構(gòu)的各種因素用隨機(jī)變量的概率模型描述，還進(jìn)一步考慮了隨時(shí)間變化的特性，采用隨機(jī)過程模型加以描述。而且，在對(duì)整個(gè)工程結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行精確概率分析的基礎(chǔ)上，以工程結(jié)構(gòu)的失效規(guī)律作為工程結(jié)構(gòu)可靠度直接度量。但這還處于研究階段，距離實(shí)用還有距離。2.2 可靠度基本概念4. 失效概率： （1）失效概率的定義：若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和在規(guī)定的條件下，結(jié)構(gòu)不能完成預(yù)定的功能，則稱相應(yīng)的概率為工程結(jié)構(gòu)的失效概率，用Pf表示。 假設(shè)抗力(或強(qiáng)度)R和荷載效應(yīng)S(或應(yīng)力)為兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)變量，且服從某種分布形式，

15、并設(shè)荷載S和抗力R為連續(xù)型隨機(jī)變量，其概率密度函數(shù)分別為fs(s)和fR(R)，那么，當(dāng)抗力及小于作用在其上的荷載效應(yīng)S時(shí)則認(rèn)為發(fā)生失效。失效概率可按下列的任何一種方式闡述： Pf=P(RS)=P(R-S0) =P(R/S1) 一般，失效概率可表示為Pf=g（R-S）0。 確定結(jié)構(gòu)的可靠度Pr或失效概率Pf必須研究荷載效應(yīng)和抗力兩個(gè)隨機(jī)變量中，一個(gè)超過另一個(gè)的概率。 （2）概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的基本思想：用概率理論研究工程結(jié)構(gòu)的可靠性，綜合考慮投資風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)、經(jīng)濟(jì)后果，當(dāng)失效概率小到人們可以接受的程度，就認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠的。5. 可靠指標(biāo) （1）可靠指標(biāo)的表示方法 直接用數(shù)值積分方法計(jì)算失效概率

16、是相當(dāng)困難的，因此，工程中引入可靠指標(biāo)的概念，采用近似方法表示工程結(jié)構(gòu)的可靠度。 設(shè)R和S均服從正態(tài)分布，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為R、S和R、s, 則極限狀態(tài)方程Z=R-S=0也服從正態(tài)分布，其均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為, Z =R-S和Z =（R2+s2）1/2。引入符號(hào)，并令 = Z / Z =（ R-S ）/ （R2+s2） 可得到 Pf=（- ） Pr=1-Pf=1-（- ）= （） 有時(shí)為了方便，可靠指標(biāo)的表達(dá)式改寫為： 其中，R= R/R和S= S/S，分別稱為抗力和荷載效應(yīng)的變異系數(shù)。2.2 可靠度基本概念2.2 可靠度基本概念（2）可靠指標(biāo) 與失效概率Pf的關(guān)系 可靠指標(biāo)與失效概率Pf或可

17、靠度Pr之間存在著一一對(duì)應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，當(dāng)功能函數(shù)z的分布確定之后， 與Pf的關(guān)系就確定了。若z為正態(tài)分布，則與Pf的數(shù)值可以換算，其中主要數(shù)據(jù)列于下表。 1.01.642.03.03.714.04.264.5Pf5.8710-25.0510-22.2710-21.3510-31.0410-43.1710-51.0210-53.4010-62.2 可靠度基本概念 由圖可見，在橫坐標(biāo)軸Z上，從坐標(biāo)原點(diǎn)（z=0,失效點(diǎn)）到密度函數(shù)曲線均值Z 處的距離為z。 z大，則陰影部分面積小，失效概率Pf就小，相應(yīng)可靠度Pr增大。因此，值可直接用來表征工程結(jié)構(gòu)的可靠性。2.2 可靠度基本概念 由右圖可見，功能函

18、數(shù)為某一概率密度函數(shù)fz(z)時(shí)，由= Z / Z 可知，當(dāng)Z=常量時(shí)， 只隨均值Z 而改變。而當(dāng)增加時(shí)，會(huì)使概率密度曲線由于Z 的增加而向右移動(dòng)（圖中虛線），即失效概率pf將變小，變?yōu)閜f ，可靠概率pr增大。 通常，抗力均值R大于施加于結(jié)構(gòu)上的荷載效應(yīng)均值S，故大多數(shù)情況下的pr大于0.5。當(dāng)R-S為定值時(shí)， R、s,越大，失效概率越大，即抗力與荷載的離散性越大，可靠性就越低。若R=S，因?yàn)镽-S=0，則可靠度pr=0.5，且與標(biāo)準(zhǔn)差無關(guān)。若RS，即R-S0，則可靠度pr0.5，失效概率pf0.5。通常，可靠度低于0.5是一種人們難以接受的工程結(jié)構(gòu)，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)絕對(duì)避免。 2.2 可靠度

19、基本概念（3）可靠指標(biāo)與安全系數(shù)K的關(guān)系 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是總抗力不小于總荷載效應(yīng)，其可靠性用安全系數(shù)來表示。例如，用平均值表達(dá)的單一平均安全系數(shù)K定義為 K=抗力平均值/荷載效應(yīng)平均值= R / S 相應(yīng)的設(shè)計(jì)表達(dá)式為 R KS 用安全系數(shù)來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)存在兩方面的問題：它沒有定量考慮抗力和荷載效應(yīng)的隨機(jī)性，往往靠經(jīng)驗(yàn)或工程判斷的方法取值；K值只與R和S的相對(duì)位置有關(guān)(R / S)有關(guān)，而與R和S的離散程度(R、s值)無關(guān)。 2.2 可靠度基本概念 假定抗力R和荷載效應(yīng)S均服從正態(tài)分布，相應(yīng)的變異系數(shù)分別為R和S，功能函數(shù)為ZRS。利用前述的可靠度概念，可推導(dǎo)出中心安全系數(shù)K與可靠度指標(biāo)的關(guān)系

20、為： 或 同樣方法，可得到R、S服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布時(shí)，安全系數(shù)與可靠指標(biāo)的關(guān)系為 或 由上式可見，可靠性指標(biāo)和安全系數(shù)K的關(guān)系與隨機(jī)變量R和S的變異系數(shù)R、s有關(guān)，即可靠性指標(biāo)反映了R和S的離散程度。因此，與安全系數(shù)K相比，可靠性指標(biāo)更好地反映了工程安全度的實(shí)質(zhì)。2.2 可靠度基本概念（4）可靠指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)的關(guān)系 對(duì)一般工程而言，直接應(yīng)用概率可靠度設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)目前尚不具備件考慮到廣大工程技術(shù)人員習(xí)慣以基本變量的標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)系數(shù)表達(dá)的設(shè)計(jì)公式來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，在我國的許多工程設(shè)計(jì)規(guī)范、規(guī)程中通常采用概率可靠度設(shè)計(jì)的實(shí)用表達(dá)式即分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式。分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)式的形式與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)表達(dá)式相似，但不采用單一的安全系數(shù)而是對(duì)應(yīng)各基本變量的分項(xiàng)系數(shù)，其中的各變量分項(xiàng)系數(shù)是根據(jù)概率可靠