任务1.6　岩土工程分析评价

岩土工程分析评价是在工程地质测绘、勘探、测试和搜集已有资料的基础上，结合工程特点和要求进行的。各类建筑工程、各类地质现象的分析评价，应符合相应的规定。

岩土工程的分析评价，应根据岩土工程勘察等级区别进行。对丙级岩土工程勘察，可根据邻近工程经验，结合触探和钻探取样试验资料进行；对乙级岩土工程勘察，应在详细勘探、测试的基础上，结合邻近工程经验进行，并提供岩土的强度和变形指标；对甲级岩土工程勘察，除按乙级要求进行外，尚应提供载荷试验资料，必要时应对其中的复杂问题进行专门研究，并结合监测对评价结论进行检验。

1.6.1　岩土工程分析评价的内容

岩土工程分析评价是勘察成果整理的核心内容。

（1）岩土工程分析评价应符合下列要求：

1）充分了解工程结构的类型、特点、荷载情况和变形控制要求。

2）掌握场地的地质背景，考虑岩土材料的非均质性、各向异性和随时间的变化，评估岩土参数的不确定性，确定其最佳估值。

3）充分考虑当地经验和类似工程的经验。

4）对于理论依据不足、实践经验不多的岩土工程问题，可通过现场模型试验或足尺试验取得实测数据进行分析评价。

5）必要时可建议通过施工监测，调整设计和施工方案。

（2）岩土工程分析评价的内容主要包括：

1）场地的稳定性和适宜性。

2）为岩土工程设计提供场地地层结构和地下水空间分布的参数、岩土体工程性质和状态的设计参数。

3）预测拟建工程施工和运营过程中可能出现的岩土工程问题，并提出相应的防治对策和措施以及合理的施工方法。

4）提出地基与基础、边坡工程、地下洞室等各项岩土工程方案设计的建议。

5）预测拟建工程对现有工程的影响、工程建设产生的环境变化，以及环境变化对工程的影响。

（3）为了做好分析评价工作规定的各项内容，要求做到以下几点：

1）必须与工程密切结合，充分了解工程结构的类型、特点和荷载组合情况，分析强度和变形的风险和储备。不仅仅是分析地质规律，而要切实解决工程实际问题。

2）掌握场地的地质背景，考虑岩土材料的非均匀性、各向异性和随时间的变化，评估岩土参数的不确定性，确定其最佳估值。

3）参考类似工程的经验，以作为拟建工程的借鉴。

4）理论依据不足、实践经验不多的岩土工程，可通过现场模型试验和足尺试验进行分析评价。对于重大工程和复杂的岩土工程问题，应在施工过程中进行监测，并根据监测资料适当调整原先制定的设计和施工方案。而且要预测和监控施工、运营的全过程。

1.6.2　岩土工程分析评价的方法

应采用定性分析评价和定量分析评价相结合的方法来进行，一般是在定性分析评价的基础上进行定量分析评价。岩土体的变形、强度和稳定应定量分析；场地的适宜性、场地地质条件的稳定性，可仅作定性分析。定性分析和定量分析都应在详细占有资料和数据的基础上，运用成熟的理论和类似工程的经验进行论证，并宜提出多个方案进行比较。

需作定量分析评价的内容是：

（1）岩土体的变形性状及其极限值。

（2）岩土体的强度、稳定性及其极限值，包括地基和基础、边坡和地下洞室的稳定性。

（3）岩土体应力的分布与传递。

（4）其他各种临界状态的判定问题。

定量计算方法可采用解析法、图解法或数值法。其中解析法是使用最多的方法，它以经典的刚体极限平衡理论为基础。这种方法的数学意义严格，但由于应用时对实际地质体有一定的前提假设条件，边界条件的确定和计算参数的选取也都存在误差和不确定性，甚至有一定的经验性，所以应有足够的安全储备以保证工程的可靠性。

解析法可分为定值法和概率分析法。

1.定值法（也称稳定性系数法或安全系数法）

它将各种计算参数皆取一确定值。因稳定性系数就是各种参数的函数，即K＝f（C，，γ，…），因而所获得的稳定性系数也是一确定值。为可靠起见，根据工程的重要性和地质条件的复杂程度，一般用安全系数来保证计算的安全度。即在强度上根据经验打一折扣，作为安全储备。其表达式为

2.概率分析法

由于岩土性质的差异性以及勘探、取样和测试的误差，导致许多参数并不是一个确定值，而是具有某种分布的随机变量，所获取的稳定性系数亦相应为随机变量。因而采用概率分析法进行稳定性评价更为合理，即按破坏概率量度设计的可靠性，将安全储备建立在概率分析的基础上。

概率分析法的表达式为

而稳定的概率则为

对确定稳定性系数K的各种计算参数需要进行许多次随机抽样，才能获得K值的概率分布图，目前国内的岩土工程计算一般都采用定值法，对特殊工程需要时可辅以概率分析法进行综合评价。

1.6.3　岩土参数的分析和选定

1.岩土参数的可靠性和适用性

岩土参数的分析与选定是岩土工程分析评价和岩土工程设计的基础。评价是否符合客观实际，设计计算是否可靠，很大程度上取决于岩土参数选定的合理性。岩土参数可分为两类：一类是评价指标，用以评价岩土的性状，作为划分地层鉴定类别的主要依据；另一类是计算指标，用以设计岩土工程，预测岩土体在荷载和自然因素作用下的力学行为和变化趋势，并指导施工和监测。

工程上对这两类岩土参数的基本要求是可靠性和适用性。可靠性是指参数能正确反映岩土体在规定条件下的性状，能比较有把握地估计参数真值所在的区间。适用性是指参数能满足岩土工程设计计算的假定条件和计算精度要求。岩土工程勘察报告应对主要参数的可靠性和适用性进行分析，并在分析的基础上选定参数。岩土参数的可靠性和适用性在很大程度上取决于岩土体受到扰动的程度和试验标准。

岩土参数应根据工程特点和地质条件选用，并按下列内容评价其可靠性和适用性：

（1）取样方法和其他因素对试验结果的影响。

（2）采用的试验方法和取值标准。通过不同取样器和取样方法的对比试验可知，对不同的土体，凡是由于结构扰动强度降低得多的土，数据的离散性也显著增大。

（3）不同测试方法所得结果的分析比较；对同一土层的同一指标，采用不同的试验方法和标准发现，所获数据差异往往很大。

（4）测试结果的离散程度。

2.岩土参数统计要求与选定

经过试验、测试获得的岩土工程参数，数量较多，必须经过整理、分析及数理统计计算，获得岩土参数的代表性数值。指标的代表性数值是在试验数据的可靠性和适用性作出分析评价的基础上，参照相应的规范，用统计的方法来整理和选择的。

进行统计的指标一般包括黏性土的天然密度、天然含水量、液限、塑限、塑性指数、液性指数；砂土的相对密实度、粒度成分；岩石的吸水率、各种力学特性指标，特殊性岩土的各种特征指标以及各种原位测试指标。对以上指标在勘察报告中应提供各个工程地质单元或各地层的最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数和参加统计数据的数量。通常统计样本的数量应大于6个。当统计样本的数量小于6个时，统计标准差和变异系数意义不大，可不进行统计，只提供指标的范围值。

岩土参数统计应符合下列要求：

（1）岩土的物理力学指标，应按场地的工程地质单元和层位分别统计。

（2）对工程地质单元体内所取得的试验数据应逐个进行检查，对某些有明显错误，或试验方法有问题的数据应抽出进行检查或将其舍弃。

（3）每一单元体内，岩土的物理力学性质指标，应基本接近。试验数据所表现出来的离散性只能是土质不匀或试验误差的随机因素造成的。

（4）应按照下列公式计算平均值（m）、标准差（σf）和变异系数（δ）。

（5）岩土参数统计出来后，应对统计结果进行分析判别。如果某组数据比较分散，相互差异大，应分析产生误差的原因，并剔出异常的粗差数据。剔出粗差有不同的标准，常用方法是三倍标准差法。

当离差d满足式（1.7）时，该数据应剔除：

3.岩土参数的标准值和设计值

岩土工程勘察报告中的岩土参数必须由基本值经过数理统计得到标准值，设计部门给出设计值。

基本值0是指单个岩土参数的测试值或平均值，由岩土原位测试或室内试验提供的岩土参数的基本数值。

标准值k是在岩土工程设计时所采用的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值，岩土参数基本值经过数理统计后得到。

设计值是由建筑设计部门在建筑设计中考虑建筑设计条件所采用的岩土参数的代表数值。

岩土参数标准值一般情况下，按下式计算：

例如，抗剪强度指标c、φ的修正系数应取负号，孔隙比e、压缩系数α的修正系数应取正号。

《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）规定：在岩土工程勘察报告中，应按下列不同情况提供岩土参数值：

（1）一般情况下，应提供岩土参数的平均值（m）、标准差（σf）和变异系数（δ）、数据分布范围和数据的数量（n）。

（2）承载能力极限状态计算所需要的岩土参数标准值，应按式（1.9）计算；当设计规范另有专门规定的标准值取值方法时，可按有关规范执行。

（3）岩土工程勘察报告一般只提供岩土参数的标准值，不提供设计值，需要时可用分项系数计算岩土参数的设计值。

【实例1.4】　岩土参数统计分析

按照规范要求取样和进行室内土工试验，得到表1.28。

塑性指数IP大于17的为黏土，液性指数0＜IL≤0.25的为硬塑状态的黏土，0.25＜IL≤0.75的为可塑状态的黏土。据此可知，表1.26中的12个土样，前6个为可塑黏土，后6个为硬塑黏土。

以土工试验报告中可塑黏土抗剪强度指标黏聚力c统计分析为例，其余指标的统计分析方法相同。

1.计算黏聚力c的平均值

2.计算黏聚力c的标准差σf

3.计算变异系数

4.计算离差（表1.29）

＜24.69，即可塑黏土的黏聚力c的6组数据都是可用的。

5.计算黏聚力c的修正统计系数γs

6.计算黏聚力的标准值k

其他指标统计结果见表1.30。

【实例1.5】　郑州东区某场地勘察报告中的岩土工程分析评价

1.岩土参数的分析与选用

在野外钻探、原位测试、室内试验等勘察工作的基础上，结合邻近场地经验，按照可靠性和适用性的基本要求，分别给出两种设计状态的岩土工程参数。

正常使用极限状态计算所需的岩土参数，见表1.31。

承载能力极限状态计算所需的岩土参数（c、φ），见表1.32。

（1）各层土承载力特征值及压缩性评价。

按《建筑地基基础设计规范》（GB　50007—2002）规范第5.2.3条的规定，依据室内试验、原位测试等资料，结合邻近场地资料综合确定各层土承载力特征值，见表1.33。

（2）各层土压缩性评价。经对室内试验和原位测试成果综合分析，确定各层土100～200kPa压力段的压缩模量值。据此判定，第③、④、⑥、⑧层土为高压缩性土，第⑨、⑩、瑏瑢、瑏瑢1、瑏瑣层土为低压缩性土，其余各层土为中等压缩性土。各层土不同压力段下的压缩模量值，见表1.34、表1.35。

2.地下水作用评价

（1）地下水浮力估算。根据本场地的水文地质条件，从最不利因素考虑，近3～5年最高水位为2.0m左右，历史最高水位约为1.0m左右，抗浮设防水位按1.0m考虑。而预估基坑开挖深度为9.0m，则拟建建筑物基础底面单位面积所承受最大浮力为80kN/m2。

（2）地下水潜蚀的可能性评价。潜蚀作用是指在施工降水等过程中产生水头差，在动水压力作用下，细颗粒受到冲击，造成土结构破坏的现象。拟建建筑物基坑开挖深度为9.0m，基坑降水至10.0m深度内主要为第②～⑤层粉土，当不考虑支护结构时，粉土产生潜蚀的临界水力坡度Icr1在1.138～1.163之间，详见表1.36。

（3）地下水的流砂的可能性评价。流砂作用是指饱和的砂土、粉土在动水压力即水头差的作用下，发生悬浮流动的现象，常发生于粉细砂和粉土层中。经计算，发生流砂的临界水力坡度Icr2为0.910～0.932。

综上所述，基坑开挖时，基坑降水的过程中产生的水力坡度大于上述临界值时，地下水有发生潜蚀、流砂的可能性。因此，基坑施工时应采取相应措施，减小水力坡度，从而防止潜蚀和流砂的发生，并防止基坑底部的突涌；保证基坑的安全。

3.地下水腐蚀性评价

（1）场地环境类型的划分。根据收集的气象资料了解，郑州市干燥指数K＜1.5。属于湿润区。另外，拟建场地内浅部地基土的岩性以粉土为主，属弱透水层，根据《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）附录G，综合上述因素，确定拟建场地环境类型为Ⅲ类。

（2）地下水水质分析结果。为了评价地下水对建筑材料的腐蚀性，从场区钻孔中取2组水样作水质简分析，分析结果见表1.37。

按照《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）12.2条腐蚀性评价标准，该场地地下水对混凝土结构没有腐蚀性，但对钢筋混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性，同时对钢结构也有弱腐蚀性。需根据《工业建筑防腐设计规范》（GB　50046）的有关规定采取防护措施。

说明：本勘察报告为2005年编写，故水质评价以当时发布的勘察规范、规程为依据。

4.近场地震构造评价

根据河南省地震局某单位提供的“某大厦工程场地地震安全性评价工作报告”，近场区位于嵩山隆起与郑汴坳陷接壤处，属河淮地震带，区内发育有北西向的老鸦陈断层、花园口断层、古荥断层和北西西－近东西向的上街断层、须水断层，这些断层在区内交会。其中老鸦陈断层为晚更新世活动断层，距工程场址4km。该区曾于928年发生郑州4.75级地震。老鸦陈断裂1974年4月在邙山已发生过2.7级地震。近场区存在发生中强地震的背景。

5.场地地震效应评价

（1）抗震设防烈度及地震动参数。

据《建筑抗震设计规范》（GB　50011—2001）附录A，郑州市抗震设防烈度为Ⅶ度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为0.15g。

（2）波速测试结果。

根据现场2个钻孔的波速测试资料，对各土层的剪切波速进行统计，其结果列于表1.38、表1.39。

（3）场地土类型和建筑场地类别。

根据河南省地震局某单位提供的波速测试结果，场地土层的等效剪切波速的计算深度取20m，则所测两孔处土层的等效剪切波速Vse分别为186.0m/s、180.0m/s，平均值为183.0m/s。本场地覆盖层厚度为66m。

根据《建筑抗震设计规范》（GB　50011—2010）第4.1.3条，本场地为中软场地土；覆盖层厚度大于50m，属Ⅲ类建筑场地。

郑州市抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组；按照《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）规范第5.1.4条，场地特征周期为0.45s。

（4）场地和地基土液化评价。

本场地近3～5年最高水位为2.0m左右，历史最高水位约为1.0m左右，抗浮设防水位按1.0m考虑。20m深度范围内为第四系全新统冲洪积物，依据《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）第4.3.3条进行初步判定，本场地地基土有液化可能，需进一步进行液化判别。依据《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）第4.3.4条、第4.3.5条，根据标准贯入试验结果，按单孔单点法进一步进行液化判别，判定结果见表1.40。

按照液化判别先横后纵的原则，本场地4个标贯液化判别孔中第②层粉土6个标贯点中仅1个点液化，判定第②层粉土为非液化土层；第③层粉土中10个标贯点中有3个点液化，判定第③层粉土为液化土层；第④层粉土中10个标贯点中1个点液化，判定第④层粉土为非液化土层；第⑤层粉土10个液化判别点中有6个点液化，判定第⑤层粉土为液化土层；第⑥层粉土9个液化判别点中有2个点液化，判定第⑥层粉土为非液化土层；第⑦层粉土15个液化判别点中有2个点液化，判定第⑦层粉土为非液化土层；第⑨层粉砂6个标贯点中无液化点，判定第⑨层粉砂为非液化土层。

经对场地标准贯入试验成果的对比分析，综合判定本场地第③层粉土和第⑤层粉土为液化土层，其液化指数分别为6.72（6号孔）、3.66（15号孔）、3.72（19号孔）、1.99（17号孔），即4个孔中1个孔为中等液化，3个孔为轻微液化，综合判定本场地为轻微液化场地。

（5）软土震陷可能性分析。

根据《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）规范第5.7.11条规定，本场地地基土承载力特征值均大于80kPa，各层土平均剪切波速均大于90m/s，故本场地可不考虑软土震陷的影响。

综上所述，本场地土为中软场地土，Ⅲ类建筑场地，场地特征周期为0.45s，属轻微液化场地，按照《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）规范第4.3.6条，对丙类建筑，需对基础和上部结构处理，亦可不采取措施。按照《岩土工程勘察规范》（GB　50021—2001）第4.1.1条，判定拟建场地为建筑抗震不利地段。

（6）场地稳定性和适宜性评价。

根据“郑州荣勋大厦工程场地地震安全性评价工作报告”，近场区存在发生中强地震的背景。根据GB　50011—2001规范第4.1.7条，本工程可不考虑活动断裂错动的影响；场地内无发现不良地质现象，场地为轻微液化场地，属建筑抗震不利地段，但经适当处理后认为本场地是稳定的，适宜建筑施工。