[PPT]注冊土木工程師（巖土）培訓（必修）巖土工程設計安全度_ppt

1、注冊土木工程師（巖土）培訓（必修）巖土工程設計安全度 主要內容第一部分 概論第二部分 可靠度設計基礎第三部分 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、處理和改良的科學技術”（巖土工程基本術語標準）。 “土木工程的一個分支，以工程地質學、巖石力學、土力學與基礎工程為理論基礎，涉及巖石和土的利用、整治和改造的一門技術科學” （中國大百科全書） （1）土木工程的一個分支； （2）研究對象是巖石和土，包括巖土中的水； （3） 一

2、門技術科學或工程技術。 工程地質：研究地質現(xiàn)象、成因和演化、地質規(guī)律、地質與工程相互作用，是巖土工程的基礎之一。屬“地質師”。 1.1 巖土工程的綜合性土木工程的兩大類 ：結構工程與巖土工程 結構和地基相互作用，相互影響： 地基變形改變結構應力， 結構荷載分布和不同剛度產生不同的地基變形。 調整基礎和上部結構剛度適應地基變形， 地基、基礎和上部結構的協(xié)同作用。 互相搭接，互相重疊： （1）樁基礎 （2）基坑工程和地下開挖 （3）邊坡工程和地質災害的治理 （4）結構工程師和巖土工程師雖然有所分工，有所側重，但互相配合更多 。1.2 巖土工程的不確定性巖土體結構 巖土地質結構和巖土材料 自然形成

3、勘察查明 不能選定和控制體系和構件不明確，計算條件不明確，計算不可信沒有截面計算，分不清截面可靠度和系統(tǒng)可靠度 結構結構體系和構件尺寸 工程師設計 材料 工程師選定 均可控體系和構件明確，計算條件明確，計算可信 截面計算為主， 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， 相關距離水平相變和豎向相變試驗尺寸與計算尺寸差別大，試驗方法多樣計算參數取綜合水平 結構材料相對均勻與位置無關試驗尺寸與計算尺寸差別相對小按一般材料統(tǒng)計參數代表值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。孔隙水壓力的增長消散：液化、擠土效應。非飽和土基質吸力。 1.2 巖土工程的不確定性地質作用和地質演化的復雜性地震：液化、震陷、塌陷、邊坡失穩(wěn)、永久性地面變形和誘發(fā)地質災害；河、湖、海：沖刷、侵蝕、搬運和淤積，對水利工程和航道工程的影響；地下水：巖溶，土洞，塌陷；風化作用；滑坡、泥石流等：發(fā)生、發(fā)展、消亡、復活等地質演化過程。 1.2 巖土工程的不確定性計算模式的不確切性本構模型：地基承載力計算：Ressiner、Terzaghi、Meyerhoff、Hansen、Vesic、P1/4，等。變形計算：一維沉降計算。

5、邊坡穩(wěn)定計算：破裂面形狀及位置，等。第二部分 可靠度設計基礎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、相關術語（1）可靠性reliability：結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的能力。（2）可靠度degree of reliability (reliability)： 結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率。（3）失效概率probability of failure：結構不能完成預定功能的概率。（4）可靠指標reliability index ： 由=-1（pf）中定義的代替失效概率

6、pf的指標，其中-1（）為標準正態(tài)分布函數的反函數。（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）設計基準期design reference period：為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數。（7）設計使用年限design working life：設計規(guī)定的結構或結構構件不需進行大修即可按其預定目的使用的時期。（8）極限狀態(tài)limit state：整個結構或結構的一部分超過某一特定狀態(tài)就不能滿足設計規(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)展相關術語（9）設計

7、狀況design situation： 代表一定時段的一組物理條件，設計應做到結構在該時段內不超越有關的極限狀態(tài)。（10）功能函數performance function： 基本變量的函數，該函數表征一種結構功能。（11）概率分布probability distribution： 隨機變量取值的統(tǒng)計規(guī)律，一般采用概率密度函數或概率分布函數表示。（12）統(tǒng)計參數statistical parameter：在概率分布中用來表示隨機變量取值的平均水平和分散程度的數字特征，如平均值、標準差、變異系數等。（13）分位值fractile：與隨機變量分布函數某一概率相應的值。（14）作用action： 施加

8、在結構上的集中力或分布力(直接作用，也稱為荷載)和引起結構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： 設計中用以驗證極限狀態(tài)所采用的作用值。作用代表值包括標準值、組合值、頻遇值和準永久值。（16）作用標準值characteristic value of an action： 作用的基本代表值，為設計基準期內最大作用概率分布的某一分位值。（17）組合值combination value：對可變作用，使組合后的作用效應在設計基準期內的超越概率與該作用單獨出現(xiàn)時的相應概率趨于一致的作用值;或組合后使結構具有統(tǒng)一規(guī)定的可

9、靠指標的作用值。（18）頻遇值frequent value：對可變作用，在設計基準期內被超越的總時間僅為設計基準期一小部分的作用值;或在設計基準期內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)展相關術語（19）準永久值quasi-permanent value：對可變作用，在設計基準期內被超越的總時間為設計基準期一半的作用值。（20）作用設計值design value of an action：作用代表值乘以作用分項系數所得的值。（21）材料性能標準值characteristic value of a material property：符合規(guī)定質量的材料性能概率分布的某一分位值。

10、（22）材料性能設計值design value of a material property：材料性能標準值除以材料性能分項系數所得的值。（23）幾何參數標準值characteristic value of a geometrical Parameter：設計規(guī)定的幾何參數公稱值或幾何參數概率分布的某一分位值。（24）幾何參數設計值design value of a geometrical parameter：幾何參數標準值增加或減少一個幾何參數附加量所得的值。（25）作用效應effect of an action：由作用引起的結構或結構構件的反應，例如內力、變形和裂縫等。（26）抗力resi

11、stance： 結構或結構構件承受作用效應的能力，如承載能力等2.1 可靠度理論的發(fā)展可靠度用于結構設計規(guī)范二、可靠度用于結構設計規(guī)范國家標準的第一層次工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB50153國家標準的第二層次水利水電工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB50199港口工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB50158鐵路工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB50216公路工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB/T50283建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準GB50068 概率極限狀態(tài)設計原則己經成為結構設計的共同準則。工程結構可靠度設計統(tǒng)一標準新版本“工程結構設計宜采用以概率理論為基礎、以分項系數表達的極限狀態(tài)設計方法；當缺乏統(tǒng)計資

12、料時，工程結構設計可根據可靠的工程經驗或必要的試驗研究進行，也可采用容許應力或單一安全系數等經驗方法進行”。2.2 可靠度基本概念 1. 可靠性：工程結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，所達到的安全性、適用性和耐久性總稱為工程結構的可靠性。 在進行工程結構設計時，應力求其在安全性、適用性、耐久性與經濟性之間達到合理的平衡，使其在規(guī)定的使用年限內滿足下列要求： 工程結構安全性要求：（1）正常施工和正常使用時，能承受可能出現(xiàn)的各種情況；（2）在設計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。 工程結構適用性要求：在正常使用時具有良好的工作性能。 工程結構耐久性要求：在正常維護下具有足夠的耐久性

13、能。 2. 可靠度：工程結構在規(guī)定的時間內，在規(guī)定的條件下，完成預定功能的概率稱為工程結構的可靠度。 2.2 可靠度基本概念 3. 可靠度設計水準：通常將可靠度設計劃分為三個水準，即水準、水 準 和水準 。 水準在荷載和材料強度上分別考慮了概率原則，但把二者分開考慮，而不是從結構整體性出發(fā)考慮結構的可靠度，且各分項系數主要依據工程經驗確定，故稱為半概率設計法。 水準 近似概率設計法。運用概率論和數理統(tǒng)計的方法，對工程結構、構件或截面設計的“可靠概率”做出較為近似的相對估計。我國各層次工程結構可靠度設計標準，采用的以概率理論為基礎的一次二階矩極限狀態(tài)設計方法就屬于這一水準的設計方法。缺點是，忽略

14、或未考慮基本變量隨時間變化的關系，將一些復雜的非線性極限狀態(tài)方程線性化。 水準 全概率設計法。它不僅把影響工程結構的各種因素用隨機變量的概率模型描述，還進一步考慮了隨時間變化的特性，采用隨機過程模型加以描述。而且，在對整個工程結構體系進行精確概率分析的基礎上，以工程結構的失效規(guī)律作為工程結構可靠度直接度量。但這還處于研究階段，距離實用還有距離。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)定的時間內和在規(guī)定的條件下，結構不能完成預定的功能，則稱相應的概率為工程結構的失效概率，用Pf表示。 假設抗力(或強度)R和荷載效應S(或應力)為兩個獨立的隨機變量，且服從某種分布形式，

15、并設荷載S和抗力R為連續(xù)型隨機變量，其概率密度函數分別為fs(s)和fR(R)，那么，當抗力及小于作用在其上的荷載效應S時則認為發(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。 確定結構的可靠度Pr或失效概率Pf必須研究荷載效應和抗力兩個隨機變量中，一個超過另一個的概率。 （2）概率極限狀態(tài)設計的基本思想：用概率理論研究工程結構的可靠性，綜合考慮投資風險和社會、經濟后果，當失效概率小到人們可以接受的程度，就認為結構設計是可靠的。5. 可靠指標 （1）可靠指標的表示方法 直接用數值積分方法計算失效概率

16、是相當困難的，因此，工程中引入可靠指標的概念，采用近似方法表示工程結構的可靠度。 設R和S均服從正態(tài)分布，其均值和標準差分別為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，其均值和標準差分別為, Z =R-S和Z =（R2+s2）1/2。引入符號，并令 = Z / Z =（ R-S ）/ （R2+s2） 可得到 Pf=（- ） Pr=1-Pf=1-（- ）= （） 有時為了方便，可靠指標的表達式改寫為： 其中，R= R/R和S= S/S，分別稱為抗力和荷載效應的變異系數。2.2 可靠度基本概念2.2 可靠度基本概念（2）可靠指標 與失效概率Pf的關系 可靠指標與失效概率Pf或可

17、靠度Pr之間存在著一一對應的數量關系，當功能函數z的分布確定之后， 與Pf的關系就確定了。若z為正態(tài)分布，則與Pf的數值可以換算，其中主要數據列于下表。 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，在橫坐標軸Z上，從坐標原點（z=0,失效點）到密度函數曲線均值Z 處的距離為z。 z大，則陰影部分面積小，失效概率Pf就小，相應可靠度Pr增大。因此，值可直接用來表征工程結構的可靠性。2.2 可靠度基本概念 由右圖可見，功能函

18、數為某一概率密度函數fz(z)時，由= Z / Z 可知，當Z=常量時， 只隨均值Z 而改變。而當增加時，會使概率密度曲線由于Z 的增加而向右移動（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大于施加于結構上的荷載效應均值S，故大多數情況下的pr大于0.5。當R-S為定值時， 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，因為R-S=0，則可靠度pr=0.5，且與標準差無關。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構，在工程設計中應絕對避免。 2.2 可靠度

19、基本概念（3）可靠指標與安全系數K的關系 傳統(tǒng)的設計原則是總抗力不小于總荷載效應，其可靠性用安全系數來表示。例如，用平均值表達的單一平均安全系數K定義為 K=抗力平均值/荷載效應平均值= R / S 相應的設計表達式為 R KS 用安全系數來進行工程設計存在兩方面的問題：它沒有定量考慮抗力和荷載效應的隨機性，往往靠經驗或工程判斷的方法取值；K值只與R和S的相對位置有關(R / S)有關，而與R和S的離散程度(R、s值)無關。 2.2 可靠度基本概念 假定抗力R和荷載效應S均服從正態(tài)分布，相應的變異系數分別為R和S，功能函數為ZRS。利用前述的可靠度概念，可推導出中心安全系數K與可靠度指標的關系

20、為： 或 同樣方法，可得到R、S服從對數正態(tài)分布時，安全系數與可靠指標的關系為 或 由上式可見，可靠性指標和安全系數K的關系與隨機變量R和S的變異系數R、s有關，即可靠性指標反映了R和S的離散程度。因此，與安全系數K相比，可靠性指標更好地反映了工程安全度的實質。2.2 可靠度基本概念（4）可靠指標與分項系數的關系 對一般工程而言，直接應用概率可靠度設計方法進行設計目前尚不具備件考慮到廣大工程技術人員習慣以基本變量的標準值和設計系數表達的設計公式來進行工程設計，在我國的許多工程設計規(guī)范、規(guī)程中通常采用概率可靠度設計的實用表達式即分項系數表達式。分項系數表達式的形式與傳統(tǒng)的設計表達式相似，但不采用單一的安全系數而是對應各基本變量的分項系數，其中的各變量分項系數是根據概率可靠