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建筑地基承载力的确定方法概述

发布时间:2019-03-04 11:29所属分类:理工论文浏览:1

摘要:该文对现行标准关于地基承载力的规定作了系统的归纳,分析了地基基础工程可靠性与地基基础设计等级的内涵,归纳了目前的地基基础标准体系,并在此基础上系统分析了地基承载力特征值的含义和获取方法。 关键词:岩土工程指标,地基承载力,特征值 建筑地

  摘要:该文对现行标准关于地基承载力的规定作了系统的归纳,分析了地基基础工程可靠性与地基基础设计等级的内涵,归纳了目前的地基基础标准体系,并在此基础上系统分析了地基承载力特征值的含义和获取方法。

  关键词:岩土工程指标,地基承载力,特征值

城市建设理论研究

  建筑地基基础设计中,最重要的一个设计指标当属地基承载力。要全面弄清地基承载力是如何确定的,是个涉及面较广泛的岩土工程问题。因为岩土的工程性质极为多样,差别很大,而且随着技术进步,资料及经验的积累是动态发展的,并逐步趋于符合工程客观实际。本文对现行标准关于地基承载力的规定作了系统的归纳,以帮助工程技术人员正确理解地基承载力的概念,准确把握其正确的取值方法。

  1地基基础工程可靠性理论

  目前的工程结构设计大都采用基于概率理论的极限状态设计法,采用分项系数进行各类荷载效应和承载力指标的表达。各类工程问题都应与可靠性(量化后称为可靠度)密切相关,地基承载力的设计取值最终也需要回答可靠度或安全系数的问题。

  在勘察设计行业中,各级标准规定的地质参数常采用经验数值,这是因为地质指标的变异性及区域性差别在工程领域是较大的,为了综合考虑经济成本,地质勘察的数据成果总是相当有限且离散的。与钢结构、混凝土结构、砌体结构相比,岩土力学指标的统计成果资料远远不够,所以工程类比及经验参数方法占有一席之地。

  目前岩土工程尚不能与基础结构及上部结构一样采取分项系数法(近似概率准则)进行可靠度分析计算,其承载力指标采取总安全系数法(俗称的大老K法,半经验半概率准则)进行可靠度计算就是此原因,所有不利因素通通装入安全系数K中考虑,K的取值有时难免主观性、经验性占主导地位。总而言之,地基基础设计中,地基承载力的取值尚没条件达到上部结构那样的可靠性体系的程度,也不存在严格意义上的承载力分项系数。

  国家标准《建筑地基基础设计规范》目前已有1974年版、1989年版、2002年版和2011年版四个版本。1974年版规范是按照安全系数法规定的。1989年版规范采用了概率极限状态设计方法,通过与1974年版安全系数2.0的校准,制定了分项安全系数,由于地基可靠度研究水平的限制,没有制定地基基础设计的β值水平[1]。

  2002年版规范与2011年版规范基本保持体系不变。同时在1989年版规范的修订说明中还曾指出:“本规范必须与根据1984年国家批准发布的《建筑结构设计统一标准》GBJ68-84制订、修订的《建筑结构荷载规范》GBJ9-87等各种建筑结构设计标准规范配套使用。”因此,现行的地基基础规范在形式上虽然是用安全系数K来表示,实际上也采用了“工程结构可靠性”的概念。

  需要注意的是,《建筑桩基技术规范》JGJ94的1994版,将桩基设计的可靠性方法向上部结构统一,当时按概率极限状态设计法中的分项系数进行表达,形式上先进。在修订后的《建筑桩基技术规范》JGJ94的现行2008版[2]又采用安全系数K的表达方法,这主要是考虑与国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007的设计原则保持一致,以方便使用(参见该规范第3.1.1条条文说明)。

  2地基基础设计相关标准

  涉及建筑地基承载力确定的现行标准主要有:《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011(以下简称GB50007)、《建筑地基基础设计规范》DBJ50-047-2016(以下简称DBJ50-047)、《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002、《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》JGJ6-2011、《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008(以下简称JGJ94)、《岩土工程勘察规范》GB50021-2001(2009年版)及其他勘察设计标准。

  此外还有适用于某些特殊地质情况,或某个特殊领域的标准。如《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-2011、《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004、《膨胀土地区建筑技术规范》GB50112-2013、《液压振动台基础技术规范》GB50699-2011、《塔式起重机混凝土基础工程技术规程》JGJT187-2009等,这些与常规工程的地基基础设计问题无关,具体工程具体采用。

  在这个庞大的地基基础类标准家族中,国标GB50007[3]是最基本的地基基础标准,可称为地基基础设计的母标准,它为各类工程的不同类别地质条件下的岩土地基承载力的确定提供了统一的准则。通过相关标准的比较可以认为,地基承载力的确定原理只要弄清楚GB50007的规定就足够了,其他标准涉及地基承载力如何取值的条文与GB50007是重复相同的,直接引用该国标的较多,当有重叠表述时也与其在力学概念与数理统计逻辑上是一致的。

  就全国范围而言,地质差异很大,地基问题仅靠国家级标准难以覆盖、也难以合乎所有工程实际来规定所有内容,所以很多省区均有各自的地基基础地方标准。重庆市也不例外。DBJ50-047[4]是在国标GB50007的框架下,结合自身山地城市特点制定的地方标准。各个层次(国家标准、行业标准、地方标准、团体标准、企业标准)的地基基础设计标准通常都有大量重复的内容,需要指出的是,地方级的标准不能低于国家、行业级的标准。标准名称中带有“技术”者均属综合性标准,即不仅含设计,还有施工、检测、验收等内容,涉及地基基础时还有岩土勘察内容。

  3地基基础设计等级

  与上部结构概念一样的是,对地基基础设计,也区分了等级,其可靠度水平不应低于上部建筑结构。GB50007与DBJ50-047有所不同,DBJ50-047规定的是地基基础安全等级的概念,共有一、二、三级,但并未明确各等级对应的重要性系数值,仅统一提到不小于1.0,但对有些情况下的技术措施是与安全等级有关的。

  GB50007、JGJ94规定了地基基础设计等级,并按地基基础设计的复杂性及技术难度,规定了甲、乙、丙三个设计等级。不同等级的地基基础有如下不同:(1)是否考虑沉降计算有所不同;(2)对地基承载力确定的严格程度不同;(3)检测验收标准不同。可见地基基础设计等级与地基可靠性标准密切相关。对确定地基承载力特征值的严格程度主要体现在设计等级上。勘察规范也有甲乙丙三个勘察等级,其勘察内容技术深度不同,比如钻探孔总数、控制性钻探孔比例、孔间距、勘察方法等等执行标准不同。

  4地基承载力

  与上部结构设计计算所不同的是,地基计算中,岩土体的抗力指标为地基承载力特征值,而上部结构承载力计算中材料的承载力指标的代表值为标准值或组合值(标准值乘分项系数即为设计值),且上部结构工程材料的强度标准值是在大量的样本数据基础上统计回归通过平均值和标准差得出的。

  地基承载力的确定,是地勘单位的工作,在地勘资料中交代。工程经验较多的人,能根据踏勘及岩土外观性状作出浅层地基承载力的大致判断,如能结合钎探等简单工具方法,甚至有把握修建不高的房屋,但毕竟不科学,有一定风险,也不合符强制性标准要求。建筑地基承载力的确定,总体上以试验方法得到的指标为准,以下为获取地基承载力的基本方法。

  4.1岩土分类

  按照GB50007的规定,地基岩土的地质分类:岩石、碎石土、砂土、粉土、黏土、人工填土。前5项的每一项都可再细分子项,在此基础上还有些特殊的土。其中岩石的工程分类有三类:风化程度类、坚硬程度类、完整程度类。

  4.2岩土工程特性指标

  逐一列出GB50007中所涉及的工程特性指标,计有:(1)强度指标;(2)压缩性指标;(3)静力触探探头阻力;(4)动力触探锤击数;(5)标准贯入试验锤击数;(6)载荷试验承载力。其中除第(2)项外均与地基承载力相关。

  4.2.1强度指标

  主要指抗剪强度指标,即粘聚力c和内摩擦角φ。获得途径:①现场取样做室内土工试验;②现场剪切试验;③工程经验类比取值。试验得到的样本值,经按照GB50007附录E的数理统计计算,得到c和φ值(岩芯取样做抗压强度试验得到的单轴抗压强度也应归于此类,但GB50007未明确)。

  4.2.2地基变形计算指标

  主要指用于地基沉降计算的压缩模量等压缩性指标。

  4.2.3地基承载力指标

  上述(3)—(5)项所列指标是为确定某些类别岩土的地基承载力,通过一类小型原位试验或测试得出的试验结果。这类结果与地基承载力有经验及工程类比上的对应关系。适合难以取样做室内土工试验的碎石土及砂土,又比原位载荷试验经济简单。此类小型原位试验得出的成果是:①对重型圆锥动力触探锤击数,采用统计经修正最后得出碎石土的密实度;②对标准贯入试验锤击数或静力触探探头阻力,采用统计经修正最后得出砂土的密实度;③对静力触探探头阻力,可得出黏性土的塑性状态。

  旧版GB50007有明确的关于上述试验成果与相应类别的岩土地基承载力的对应表格。并应理解为仅适用于涉及的岩土类别。但现行GB50007(2011版)正文已取消这类表格,仅在条文说明中列出。它的优点是成本较低方法简单,缺点是变异性较大。换言之可靠度不高,需结合其它方法综合确定地基承载力。单独使用可仅限于估算。早年的实际设计中,有些简单的工程直接按此做施工图设计。

  4.2.4载荷试验承载力

  按建筑地基极限承载力进行原位试验,是各种方法中可靠性最准确的试验方法,也是设计等级为甲级的建筑物必须采用的方法,对土质地基,分为深层、浅层平板载荷试验,分别适用于深基础(主要是桩基础、沉管基础、地下连续墙)、浅基础。对岩质地基,不分深浅,也不需基础深度、宽度修正(可参见GB50007附录H)。

  当岩质地基为破碎、极破碎岩体时,由于已接近土质地基性状,可按平板载荷试验确定。其中岩体的完整性分类,GB50007第4.1.4条另有界定。该法确定地基承载力最为可靠,但成本相对较高。由于试验样本有限,所以对变异性大的场地,可靠性高也仅是相对其它方法而言。

  4.3地基承载力特征值

  4.3.1地基承载力的意义及基本确定方法

  上述这些岩土工程基本指标都由规定数量的试验样本经数理统计得到,其数值含义应给予严格定义和区分。对岩土工程,各类工程特性指标的代表值分别有标准值、平均值及特征值,这三个值有明确的换算关系。其中,根据GB50007-2011第4.2.2条的规定,岩土抗剪强度指标应以标准值为代表值(还应包括岩芯取样的单轴抗压强度标准值);压缩指标应以平均值为代表值;载荷试验承载力应以特征值为代表值。地基承载力特征值完全可以说就是旧版GB50007(74版)的地基容许承载力值,换了个提法而已。特别需要注意的是地基承载力没有设计值的提法。

  按照GB50007的术语定义,地基承载力特征值定义为:“由载荷试验确定的地基土压力-变形曲线线性变形段内规定变形所对应的压力值,其最大值为比例界限值”。由此可以看出,地基承载力特征值是一个非常独特的工程设计抗力指标,它不仅考虑了地基土的承载力特性,更重要的是考虑了变形特性,是一个综合的工程抗力指标。

  4.3.2地基承载力特征值其他获取方法

  从GB50007的定义来看,地基承载力特征值为基于现场载荷试验得到的力学指标。探头阻力与锤击数方法也是获取地基承载力指标的方法,对此有另外的规定,由于现行GB50007正文取消了其与地基承载力的关系表格,表明已不推荐作为地基承载力的取值依据。但尚有别的用处,所以除与承载力关系的表格以外,在标准中依然保留。作为岩土体重要强度指标的岩土抗剪强度指标主要用于边坡稳定性分析及支挡结构岩土压力计算,也可代入相关公式靠计算得出地基承载力特征值。

  GB50007-2011仅列出5.2.5这一个公式采用抗剪强度指标公式法计算地基承载力特征值,但应该不限于该公式。该公式对偏心距要求很小,接近中心受压,所以使用范围不大。根据GB50007相关条文规定,凡是采用理论公式计算得到的地基承载力,都只具有初设估算的效能,施工图设计前,均需通过试验得来的指标确定后再进行地基基础施工图设计,而不区分公式中各参数是否来自试验或经验。确定建筑地基承载力特征值的方法有除了试验法外,还有其他方法,现把有关方法列举如下:(1)载荷试验法;(2)原位试验方法,包括触探试验、标准贯入度试验等;(3)理论公式计算法,即根据土的抗剪强度指标采用理论公式计算的方法(GB50007-2011除第5.2.5条外并未具体列入其它公式,仅是提了一下可用公式计算);(4)规范表格法;(5)经验方法。

  其中试验法分为好几类,涉及承载力的已表达如前述。除规模小的临时性建构筑物可简单按经验确定外(GB50007并无此表述),通常需要综合考虑几个方法确定地基承载力特征值,而且都需要有试验指标参与综合确定。(详GB50007-2011第3.0.4条)。其中公式计算法不能作为实施依据,只能估算用。上述第(2)、(3)种方法,可归为同类方法。此分类不尽科学,因为后三个类别有交叉,公式法的参数往往有经验数值。载荷试验法、探头阻力、锤击数均属于现场试验。试验还包括现场取样做室内土工试验,室内土工试验包括一系列物理力学指标试验。现行标准并不排斥使用未列入的其它成熟方法,比如旁压法(可用于测定深层地基承载力)等。载荷实验方法是最直接可靠的方法,但成本也最高。实际工程中,除规范规定必须采用或地质条件很复杂、土质很不均匀需要采用时,一般不用此法。

  此法对设备条件要求较高。当为岩体地基时,不具备设备条件时会达不到需要的压力值。当岩石强度很高时,极限破坏难以达到。试验成果不仅有地基承载力指标,需要时还有地基压缩指标及其它物理力学指标。对土质地基,压缩指标甚至比承载力指标重要,并与承载力指标相关,有时承载力指标由沉降指标控制取值。对地基承载力的确定,GB50007-2011按设计等级有严格程度不同的标准(详第3.0.4条)。但各种情况都需有试验指标,区别在试验项目不同。所以综合起来,确定地基承载力(以特征值为代表值)的因素主要是试验,有时结合经验。下面有必要对试验作个介绍。

  4.4地基承载力试验方法

  对岩质地基,有两类方法:

  (1)对完整、较完整、较破碎的岩体,由于可取样本岩芯做试验,可用此法。经试验样本数理统计后得出的成果是单轴抗压强度标准值(按岩石的性状分为天然或饱和试验),由于岩芯体量小,仅是岩块,未反映岩体结构面等因素对承载力的削弱,GB50007采用折减系数方法来考虑,根据岩体与岩块的差异程度,折减系数分别为0.1~0.5,可见最小的折减,也有2.0的安全系数,折减后的值即是特征值。本法通常偏于安全,因为没考虑实际岩体周边围压的有利作用。

  (2)原位载荷试验:可用于所有岩体及各等级,甲级必用,具体操作详见GB50007-2011附录H。

  (3)当岩质地基为破碎、极破碎时,按土质地基方法试验。对土质地基:(1)原位载荷试验:可用于各等级,甲级必用,具体操作详见GB50007-2011附录C、D。(2)室内土工试验,经数理统计得到。上述工作均由地勘部门完成,地基基础设计中设计使用其成果就可以了。仅当设计单位发现地勘数据不正常或不齐全时,向地勘单位提出来复查或补充解决。

  5结论

  地基承载力是岩土工程设计中最重要的一个抗力指标,其设计用的代表值比较特殊,既不是标准值,也不是平均值,而是充分考虑了地基土变形性能的特征值。它的获取方法取决于上部建筑物的设计等级,强烈依赖于试验方法,并适当结合经验进行确定,特殊条件下可以根据理论公式进行计算确定。历史上,建筑地基承载力的确定与市政、水利、港口码头、铁道、轨道工程等不尽相同,但只要是建设工程,各类工程材料(包括岩土)的抗力指标选取均应满足国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153的整体框架。尽管各行业建设工程对地基承载力的规定仍有差异,但从趋势来看趋于统一。

  参考文献:

  [1]滕延京.建筑地基基础设计规范理解与应用[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2012:1.

  [2]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

  [3]GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

  [4]DBJ50-047-2016建筑地基基础设计规范[S].重庆:重庆市城乡建设委员会,2016.

  建筑类期刊推荐:《城市建设理论研究》杂志创刊于2011年,是经新闻出版总署批准,由中国商业联合会主管、国务院国资委商业网点建设开发中心主办的旬刊连续型出版物,为国家级期刊。

  

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