论安全系数及荷载与抗力
我为岩土网写的“论
”的文章，其中的“论”总会在50%以上。所谓论更多的是论“道”，
海阔天空，古今中外，洋洋洒洒，恣意纵横。有的是以某个土力学概念为题，信马由缰，离题千里。即使不知土力学为何物的人，也读得下去，据说也读懂了。这些文章看起来比较轻松，可能会加深了对所论的土力学概念的理解，也可能懂出了一些题外的意思；作为杂文来看，至少有些趣味性。所以承蒙读者的宽容，除了个别笔误之外，尽管会有不少谬误，异议和声讨还不多。
此文篇幅较长，是我本来一直想要写的东西，其中“论”的比例较少，显得艰涩而枯燥。不过还是推荐大家耐心地读下去。作为个人的理解与认识，可能不对，欢迎讨论，并希望记住本文的最后一句话。
1. 岩土工程中的安全系数
所谓安全系数法亦称“单一安全系数法” 。它是企图将工程中一切可能的不确定性因素，都包含在单一的安全系数之中，安全系数通常可表示为K 、Fs或其他。安全系数（也有人主张用“稳定系数”）的取值是根据以往的经验，用规范和标准等形式规定其容许值。这些不确定性包括作用（荷载）的数值，材料的性质与参数、计算、施工外部条件的准确性、精确性与可靠性；同时也包含破坏后果的严重性：包括政治、经济、环境和社会的各种因素。可以说，安全系数是个筐，一切不确定性都往里装。因而就无需再引入其他系数，例如所谓的重要性系数、工作条件系数、折减系数、放大系数、发挥系数等等，可是有些规范就似乎没有认识到这一点。常常有“房上建房（不是楼房），床上叠床（不是上下床）的情况，这在注册岩土工程师资格考试中常会出现，弄得考生怨气冲天。
基于经验的单一安全系数法与基于可靠度分析的分项系数法是两种截然不同的设计理念。安全系数法分析中的荷载部分采用作用（荷载）标准组合的效应，抗力部分采用极限抗力（强度）的标准值。2014实施的《建筑边坡工程技术规范》，采用安全系数分析岩土稳定性（例如锚杆），其抗力竟然使用极限抗力（强度）的标准值除以抗力分项系数的设计值，造成安全系数与分项系数的混合应用，这是严重的概念错误的。
岩土工程中设计需要安全系数，是由于其中的不确定性与风险。通过区分荷载与抗力，了解和规定结构、构件的安全储备，规定抗力与荷载二者的比值，保证工程的可靠性与安全性。如果问题的有关作用都是确定可知的，或者两个作用采用相同的计算参数与计算方法，数值相等，方向相反，二者是可以相互抵消的，则就不需区分荷载与抗力，也无需进行稳定性分析。例如我们站在地球上，每一寸皮肤都承受pa=100kPa的大气压力，只要血压正常，就无需担心前倾后仰跌倒而伤亡。不必杞人忧天地将身后的大气压当成荷载，胸前的大气压作为抗力，结果计算向前倾倒的安全系数只有Fs=1.0，达到处于被推倒的极限平衡状态，于是时刻手持一拐杖以增强之。
在图1(a)中，一座刚在地面以下建造的地连墙，两侧水平土压力都是般
，其中似乎含有不确定性参数
，尽管一
，但由于前后静止土压力完全抵消，
根本不存在荷载与抗力之分，不存在稳定性与安全性问题。在图1(b)中，地连墙位于静水中，两侧作用着相同的静水压力，他们也是可以抵消的。或者认为墙体上作用有浮力，从墙体自重中扣除浮力即可，无需将静水压力当成荷载或抗力进行稳定性行分析。
图1 三种工况下的地连墙
图1(c)是在情况(a)的左侧开挖了基坑，如果右侧的总主动土压力数值上等于左侧的总被动土压力，即Ea=Ep，那么在验算墙的抗滑稳定时，它们是否也可相互抵消而无需验算其抗滑稳定性呢？答案是否定的，这时，主动土压力为荷载，被动土压力以及墙底摩擦力为抗力。因为主、被动土压力计算理论与土的强度指标都有不确定性，如果确定的c,大了，则荷载低估，抗力高估，就增加了墙滑动失稳的风险。
2. 两种安全系数定义与表达方式
在岩土工程中，关于安全系数的定义与表示，在不同稳定性分析的课题中不尽相同。但通常可分为两大类，即定义为荷载放大系数与抗力（强度）折减系数。这就像你去借月利息10%的高利贷1万元，前者是一月后要还1.1万元；后者是要预先缴纳1千元利息，你只能拿走9000元现金。
在边坡稳定分析中，将岩土体的滑动力Ti乘以放大系数Fs，安全系数就意味着是荷载放大系数，或超载系数。这样，在极限平衡条件下滑动力就变成：
(1)
值偏
如果认为安全系数是反映抗力储备的折减系数，则极限平衡条件下其抗剪强度（指标）表示为
(2)
(3)
在以上两种情况下的稳定分析中，如果都可以直接用公式（显式）计算安全系数，两种定义似乎没有区别，可以得到相同的安全系数，如图2所示。
在图2中，沿着滑动面的滑动力（荷载）为抗滑力（抗力）为
(4)
=R，
(3)
按照安全系数为荷载放大系数，则极限平衡条件为：
则 。按照安全系数为抗力（强度）折减系数，则极限平衡条件为：
，同样是 。
可是在强度折减的方法中，有时无法得到显式的安全系数公式解答，需要进行迭代（隐式），则两种安全系数定义会得到不同的解答。以图3所示的土坡条分法分析为例，如果采用传递系数法的显式(Fs1)与隐式(Fs2)分别计算，其比值见表1.
表1.传递系数法的显式与隐式计算安全系数之比
可见用显式法计算的安全系数偏大，滑动面圆心角越大，其偏差越大。在各种边坡稳定分析的极限平衡条分法中，计算的安全系数越小，就越接近于真实解，因而传递系数法的隐式计算更合理。在我国常用的传递系数法常常被一些学者所诟病，在大型岩土坡的稳定分析也很少被应用，其中原因之一就在这里。
3. 地基承载力中的组成部分
目前在我国土木建筑和交通、水利等行业的有关地基基础设计中，地基承载力的确定的方法情况较为复杂。对于建筑等级较低的建筑物，多用基于正常使用极限状态下的地基容许承载力；对于等级较高的建筑物以及需要验算稳定性的情况，常采用承载能力极限状态的安全系数法，同时进行沉降计算。在建筑行业，对于土的强度标准值、载荷试验承载力特征
值的确定，又考虑了样本的均值和标准差，这又与可靠度设计中的概率极限状态设计理念贴近。
图4.地基极限承载力的三个组成部分
(1) 极限承载力（太沙基、普朗德尔、汉森。梅耶霍夫等公式）的普遍公式可表示为：
(5a)
(2) 《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中的容许承载力公式：
fa=Mbgb+Md g d+Mcck (6a)
(3) 《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中的承载力特征值公式：
(7a)
式(6a)其实为地基内塑性区发展范围的计算公式，可列为容许承载力的范畴。式(7a)中的地基承载力特征值fak，可通过浅基础载荷试验确定，确定方法可谓下面三种之一：
①p-s曲线的比例界限pcr；②极限承载力除以K=2的安全系数；③取s/b为一定值对应的荷载。
在各种确定承载力的理论方法中，地基的承载力一般包括三个组成部分，从图4和式(5a),(6a),(7a)可以发现，地基承载力三个组成部分有：
(1) 滑动土体自重产生的抗力可分别表示为：(2) 滑裂面上的黏聚力产生力，可分别表示为：(3) 埋深部分侧荷载q=gd产生的抗力，分别是：
其中部分(3), 即埋深部分q=gd产生的的承载力又可能为三个部分： ①作为地基在极限荷载pu作用下，抵抗周边地面隆起的压重； ②这部分重量在滑动面上产生的摩阻力； ③滑动面穿过埋深d部分的摩阻力与黏聚力。 如果
=0°时，上述的②部分为零；③部分可以忽略；则地基极限承载力系数Nq=1.0。
，Nq=1.0。这时可以想象A点左右两侧的
；
。 ；
在图5中，各作用力对点A取矩，则
均布荷载pu与?d就像以A点为轴的天平一样，是只有相等才能平衡的。
4 地基承载力中的抗力与荷载 我们知道水的抗剪强度为零，即
。因而
似乎静水是不可能有承载力的。但是如果我们看图6，一个底面积为A的木块，漂浮在静水中，埋入水中的深度为h，设其极限承载力系数Nq=1.0，Nc与Nq都为零。则水对于该木块的极限承载力为：
式中数Nq=1.0。
在我国的《建筑地基处理技术规范》中，多年来都有经处理后的地基：“基础宽度的地基承载力修正系数为零；基础深度的地基承载力修正系数为1.0”。对于这一规定，不少工程技术人员是不解与不满的。如上所述，只有在
时才是如此。而目前由于复合地基 (8)
就是木块排出水的重量，也就是水对于木块的浮力。所以水的承载力系
广泛地应用于小高层甚至高层建筑，需处理的地基持力层土质的承载力可能很高，这一规定无疑是保守的。
记得是2002年地基处理规范征求意见稿，又补充了一个规定：“对于流塑的淤泥土，基础深度的地基承载力修正系数为0.8”。于是我给张永钧先生画了图(6)，写道如果Nq<1.0，则“水可覆舟，不可载舟”，这只适用于弱水，于是他们随即取消了这一条。
我们如果仔细比较一下公式(5a),(6a),(7a)，就会发现当
时，
。这是一个非常有趣的现象。其中式(7a)是地基承载力特征值的宽、
深度修正公式，由于考虑基础埋深不应小于0.5m，以避免工后地面被冲刷、剥蚀，所以我们可假设为有效埋深。把
时的三个公式写成：
(5b)
论安全系数及荷载与抗力
