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  • 地基承載力特征值概念和允許應力法不應強制推行

    2021-07-18 09:23  來源:巖土網  閱讀:1353
    將于2022年1月1日《建筑和市政地基基礎通用規范》依然采用地基承載力特征值這個概念,這意味著地基承載力特征值概念和允許應力法被強制推行。本文對地基承載力特征值及與之相隨的允許應力法進行分析。



    地基承載力特征值概念和允許應力法不應強制推行

    方玉樹

    《地基規范》20021有兩大影響廣泛的創造:一個是地基基礎設計等級概念,一個是地基承載力特征值概念,后者還意味著地基承載驗算采用允許應力法。國標《地基規范》20112繼續采用。相關國家標準、行業標準和地方標準也紛紛效仿。將于202211日施行的《建筑和市政地基基礎通用規范》依然采用地基承載力特征值這個概念,這意味著地基承載力特征值概念和允許應力法被強制推行。筆者對地基基礎設計等級進行了專門研究,結論是應放棄地基基礎設計等級概念,改用工程重要性等級3。本文對地基承載力特征值及與之相隨的允許應力法進行分析。

    1  地基承載力特征值術語存在的問題

    在我國工程建設類標準中,從數據獲取方式上看,標準值包括了特征值和公稱值。從力學性質上看,標準值包括荷載標準值和抗力標準值(李靜波曾對它們及其分類做過清晰的介紹4)。

    特征值是表達某一物理量概率分布特征的數值(如眾值,均值,某個分位值)。公稱值是從實際出發根據已有的工程實踐經驗進行分析判斷獲得的數值。特征值是數理統計值,公稱值是工程經驗值,某一物理量既可能是數理統計值也可能是工程經驗值時應采用標準值來表征。

    未經深寬修正的地基承載力就是這樣的物理量,它由靜荷載試驗值統計而得時是數理統計值,非靜荷載試驗值統計而得時是工程經驗值。對未經深寬修正的地基承載力進行深寬修正所得對應于實際基礎條件的地基承載力都是工程經驗值,因為深度修正項和寬度修正項系由經驗公式獲得。

    地基承載力不是巖土體強度指標,它與基礎埋深、寬度等基礎條件有關,由理論公式根據巖土體抗剪強度參數算得的對應于實際基礎條件的地基承載力既不是數理統計值也不是工程經驗值,計算中所用巖土體抗剪強度指標標準值既可能是數理統計值也可能是工程經驗值。

    抗力標準值均是極限狀態下的值。地基承載力屬于抗力,故地基承載力標準值自然應是極限狀態下的值。

    因此,地基承載力標準值應包括且不限于地基(極限)承載力特征值和地基(極限)承載力公稱值。

    當前采用的地基承載力特征值既不是極限狀態下的值,也不都是數理統計值(更多的是工程經驗值)。因此,它不屬于抗力特征值,不能稱為地基承載力特征值,也不能改稱為地基承載力標準值。當前采用的地基承載力特征值這一用詞不符合特征值的本義和特征值與標準值的關系,更不符合抗力特征值的本義,把原本很清晰的標準值與特征值、公稱值的關系以及抗力標準值與抗力特征值、抗力公稱值的關系搞亂了。

    如果把當前采用的地基承載力特征值改稱為地基承載力容許值或者地基容許承載力【《巖土工程基本術語標準》(GB/T50279-985即是如此】,那也不合適。很大的地基變形可能造成建筑物不能正常使用,是不受歡迎的,所以對地基變形需要設定允許值。顧名思義,承載力是承受荷載的能力,很大的地基承載力對建筑物安全有利,是受歡迎的,所以對地基承載力不需要設定允許值。設計人在地基的選擇中,在同等的其它條件下,會選擇地基變形小的候選地基做地基而放棄地基變形大的候選地基,但不會選擇地基承載力小的候選地基做地基而放棄地基承載力大的候選地基。

    當前采用的地基承載力特征值實際上是允許基底平均壓力(基礎深寬修正前是對應于載荷試驗條件的允許基底平均壓力,深寬修正后是對應于實際基礎條件的允許基底平均壓力),當前使用的單樁承載力特征值實際上是單樁允許樁頂荷載,都屬于承載允許值(不是承載力允許值)。如果基礎設計一定要采用允許應力法,那么,為了保留“承載力”一詞,可以將當前采用的地基承載力特征值稱為地基承載力許用值(或地基許用承載力)。承載力允許值的字面意思是給承載力設一個上限(但地基承載力是不需要人為設上限的),而承載力許用值(或許用承載力)的字面意思則是給承載力的取用設一個上限,意思是不同的。

    順便指出,國家標準《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-896中的地基承載力(無論是深寬修正前還是深寬修正后)也是允許基底平均壓力。該標準將深寬修正前的地基承載力稱為地基承載力標準值,將深寬修正后的地基承載力稱為地基承載力設計值,不符合抗力標準值的本義和抗力標準值與抗力設計值的關系,把原本很清晰的抗力標準值與抗力設計值的關系搞亂了。

    2  地基承載力特征值定義存在的問題         

    以下討論地基承載力特征值的定義時是將地基承載力特征值作為地基承載力許用值來理解的,否則無需討論,因為從上一節可知,真正的地基承載力特征值是地基極限承載力統計值(或者說,地基承受荷載的極限能力的統計值)。

    國標《地基規范》2011版對地基承載力特征值的定義是:由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內規定的變形所對應的壓力值,其最大值為比例界限值。

    該定義存在以下問題:

    1.與用載荷試驗確定地基承載力特征值的具體方法矛盾。

    國標《地基規范》2011版附錄C、附錄D和附錄H給出了淺層平板載荷試驗、深層平板載荷試驗和巖基載荷試驗中地基承載力特征值統計用單值的確定方法。對巖基載荷試驗,地基承載力特征值統計所用單值系極限荷載三分之一與比例界限荷載二者中的小值。對淺層和深層平板載荷試驗,該單值系極限荷載之半與比例界限荷載二者中的小值;無法按此確定時,取與沉降量為0.010.015倍承壓板寬度(或直徑)對應的壓力值。由此可見,當有線性變形段時,不存在規定的變形,所取定的壓力值雖在線性變形段內但并不是與規定的變形對應的壓力值;當無線性變形段時,所取定的壓力值雖對應規定的變形但不是線性變形段內的壓力值。

    2.與地基承載力特征值的深寬修正結果矛盾。

    由載荷試驗確定的地基承載力特征值根據基礎實際情況作深寬修正后仍是地基承載力特征值。若深寬修正后的地基承載力特征值大于修正前的地基承載力特征值,那么,當修正前的特征值取載荷試驗測定的地基壓力變形曲線線性變形段的最大荷載值即比例界限荷載時,修正后的特征值將大于載荷試驗測定的比例界限荷載從而不在載荷試驗測定的地基壓力變形曲線線性變形段內;當修正前的特征值小于但接近于該比例界限荷載值時,修正后的特征值仍有可能不在該線性變形段內。

    3.與按理論公式確定地基承載力特征值的方法矛盾

    國標《地基規范》2011版第5.2.5條給出了確定地基承載力特征值的理論公式。這是一種不同于載荷試驗的獨立的確定地基承載力的方法,在理論上,對條形基礎,它是塑性區開展深度為基礎寬度四分之一時的荷載,不是地基土壓力變形曲線線性變形段上的荷載,更不是由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段上的荷載。地基承載力特征值的定義涵蓋不了用這種方法確定的地基承載力特征值。

    此外,定義中的“地基土”涵蓋不了所有的地基。

    《巖土工程基本術語標準》(GB/T50279-98)對地基容許承載力的定義是:確保地基不因發生剪切破壞而失穩,同時又保證建筑物的沉降不超過允許值的最大荷載(注:筆者已在“發生剪切破壞”前加上“因”字)。

    該定義存在以下問題:

    1. 該定義不符合國家標準《建筑地基基礎設計規范》(GBJ7-89)、《地基規范》2002版和《地基規范》2013版的規定和基礎設計實際。根據這些標準,除其規定的部分建筑物外,其余建筑物基礎設計不僅要進行地基承載驗算,還要進行地基變形計算。因此,地基容許承載力并不是保證建筑物的沉降不超過允許值的最大荷載。

    2. “確保地基不因發生剪切破壞而失穩的最大荷載”很難確定,既與設計方法(是允許應力法還是分項系數法)有關,還與確定地基容許承載力時所用安全系數取值有關,因此,地基容許承載力所對應的荷載可能是確保地基不因發生剪切破壞而失穩的荷載,卻未必是最大荷載;也可能是不能確保地基不因發生剪切破壞而失穩的荷載。

    如果基礎設計一定要采用允許應力法,那么,地基承載力特征值(即地基承載力許用值)應定義為具有一定安全儲備的地基承載能力代表值。重慶市工程建設標準《建筑地基基礎設計規范》DBJ50-047-2006和重慶市工程建設標準《建筑地基基礎設計規范》DBJ50-047-2015已經采用了這樣的定義。

    3  允許應力法采用理由存在的問題

    國標《地基規范》2011版的“條文說明”給出了采用地基承載力特征值(即采用允許應力法)的理由。分析表明,這些理由是不成立的。

    地基承載力特征值的采用理由之一:地基極限承載力不存在或很難確定。

    分析:地基極限承載力通常是存在的,重慶地區廣泛分布的巖石地基更是如此。

    事實上,采用了地基承載力特征值概念的國標《地基規范》2002版和2013版若干附錄關于淺土層承載、深土層承載、巖石承載、錨桿抗拔、單樁豎向承載、單樁水平承載、單樁抗拔等各種載荷試驗的規定就已經給出了如何確定極限荷載的方法(這些情況表明,地基承載力特征值或單樁承載力特征值通過載荷試驗確定時,均需確定地基極限承載力或單樁極限承載力);采用了地基承載力特征值概念的一些行業標準和地方標準已經在地基承載驗算和單樁承載驗算條文中給出了地基極限承載力標準值與地基承載力特征值的換算式。

    理論上說,土質地基極限承載力是由土體抗剪強度參數和基礎條件決定的抗力,只要存在抗剪強度參數,就會有地基極限承載力。

    因而不能把地基極限承載力不存在或很難確定作為不采用地基極限承載力概念的理由。

    國標《地基規范》2002版和2013版一方面說地基極限承載力不存在或很難確定從而采用地基承載力特征值(即采用允許應力法),一方面又提供極限荷載確定方法。這是自相矛盾的。

    地基承載力特征值的采用理由之二:地基承載力還有潛力可挖但地基變形已達到或超過正常使用限值。

    分析:首先,這種情況并非普遍存在,重慶地區廣泛分布的巖石地基,其變形常常是在地基破壞前還沒有達到正常使用限值;其次,地基承載驗算與地基變形驗算是兩項獨立的工作,只有部分土具有比例界限,地基承載驗算并不能全面代替地基變形驗算。因而不能把地基承載力還有潛力可挖但地基變形已達到或超過正常使用限值作為不采用地基極限承載力概念的理由。

    上述分析說明,在現階段,根據地基極限承載力標準值用總安全系數法進行地基承載驗算完全可行。

    4 采用總安全系數法的必要性和優勢

    在現階段,根據地基極限承載力標準值用總安全系數法進行地基承載驗算不僅是可行的,也是必要并且有優勢的。

    1.對邊坡地基和洞室地基,地基承載力特征值(指地基承載力許用值)都只能通過確定地基極限承載力來確定,不存在可以繞過地基極限承載力直接確定地基承載力特征值的情況。對這些地基而言,確定地基承載力特征值不僅多余,而且使得地基承載安全度在設計文件中被隱藏起來,而確定地基極限承載力則不存在這樣的情況。

    2.地基承載驗算和邊坡穩定性計算本是巖土體穩定問題計算的兩種方式,安全系數習慣被用作巖土體滿足工程安全要求的標桿。

    邊坡穩定性計算以滑面抗剪強度與剪應力之比(即單位面積滑面上抗滑力與滑動力之比)(常稱為邊坡抗滑穩定系數)為指標,穩定系數達到預定值(常稱穩定安全系數)時,邊坡判為穩定。這種計算方式可以表示為下列要求:

    圖片未命名 1

    式中,Fs——邊坡抗滑穩定系數,Fst——邊坡抗滑穩定安全系數,tf——滑面抗剪強度,t——滑面剪應力。

    地基承載驗算以地基極限承載力與基底平均壓力之比為指標,這個比值達到預定值(常稱地基承載安全系數)時,地基判為可以安全承載。這種計算方式可以表示為下列要求:

    圖片未命名            2

    式中,K——地基承載安全系數,fu——地基極限承載力,圖片未命名——基底平均壓力。

    上式可寫成:

    圖片未命名            3

    這是一種用得更多的形式。

    3.可以獲得與邊坡地基承載驗算等效的邊坡地基穩定性計算方法。

    由(2)式或(3)式表達的方法可以轉化成通過邊坡地基穩定性計算來檢驗邊坡地基承載力是否滿足要求的方法:將實際基底壓力與地基承載安全系數的乘積作為坡上附加分布荷載(對樁基礎,將各樁樁頂荷載標準值與地基承載安全系數的乘積作為坡上附加荷載),進行邊坡地基穩定性計算。取邊坡地基穩定安全系數為1,將邊坡地基穩定系數與邊坡地基穩定安全系數作比較。若前者小于后者(即邊坡地基穩定系數小于1),則地基承載力不滿足要求;若前者大于或等于后者(即邊坡地基穩定系數大于或等于1),則地基承載力滿足要求。

    當基底荷載偏心時,可采用邁耶霍夫、漢森和魏錫克等人提出的下述方法將偏心荷載化為不偏心荷載7:當矩形基礎某方向偏心距為e時,在該方向小壓力一側將該方向邊長減小2e。對雙向偏心的基礎,兩個方向的邊長均按此種方法減小。以減小后的邊長(稱為有效邊長)計算基底面積(稱為有效面積),以有效面積和原有基礎自重和上部結構荷載計算基底壓力。當基底形狀不為矩形時,先將基底形狀化為受中心荷載作用的形狀,再按等面積原則將此基底形狀化為矩形。

    這種方法就是與邊坡地基承載驗算等效的邊坡地基穩定性計算方法。

    某坡頂水平的直立巖質邊坡,高度為3m,巖體重度為23kN/m3,頂面上有一重要建筑物條形基礎,其基底壓力標準組合效應值為140kPa,其寬度為1m,邊坡巖體中有一外傾結構面從基礎內邊緣和坡底邊緣通過,其傾角為70°,其粘聚力為100kPa,內摩擦角為30°。

    與邊坡地基承載驗算等效的邊坡地基抗滑穩定性可根據下式進行計算:

    圖片未命名          4

    式中:圖片未命名——邊坡地基抗滑穩定系數;K——地基承載安全系數,對該邊坡地基取3;θ——外傾結構面傾角;cs——外傾結構面粘聚力;φs——外傾結構面內摩擦角;G——滑體重力; L——滑面長度。

    由此式算得與邊坡地基承載驗算等效的邊坡地基抗滑穩定系數為0.95,明顯小于1。該邊坡地基需要進行防止沿外傾結構面滑動的支護。如果對這樣的邊坡地基不進行支護,則地基承載安全度是不夠的。

    5 結論與建議

    1.地基承載力特征值是一個不倫不類的概念,不應通過“相應的抗力應采用地基承載力特征值或單樁承載力特征值”這一強制性規定強制各地采用這個概念。

    2.定值設計法除了允許應力法,還有總安全系數法,不應通過“相應的抗力應采用地基承載力特征值或單樁承載力特征值”這一強制性規定禁止采用總安全系數法。

    3.建議將地基承載力特征值改成地基承載力許用值,并將其定義改為具有一定安全儲備的地基承載能力代表值。

    4.建議地基承載驗算采用總安全系數法,在地基承載力方面采用地基極限承載力標準值。

    參考文獻:

    1】中華人民共和國國家標準.建筑地基基礎設計規范(GB50007-2002)【S.北京:中國建筑工業出版社,2002.

    2】中華人民共和國國家標準.建筑地基基礎設計規范(GB50007-2011)【S.北京:中國建筑工業出版社,2012.

    3】方玉樹.地基基礎設計等級是一個不該提出更不該固守旳概念【J.重慶建筑,201610):68~72.

    4】李靜波.特征值、公稱值、標準值及其他【J.工程建設標準化,2006,222):36~38.

    5】中華人民共和國國家標準.巖土工程基本術語標準(GB/T50279-98)【S.北京:中國計劃出版社,1998.

    6】中華人民共和國國家標準.建筑地基基礎設計規范(GBJ7-89)【S.北京:中國建筑工業出版社,1989.

    7】錢家歡等.土工原理與計算(第二版)【M.北京:中國水利水電出版社,1996.



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    (4)

    我有話說

    全部評論(4)

    • cy3143發表于 07月01日 08:22陳振全
    • 建議地基承載驗算采用總安全系數法,在地基承載力方面采用地基極限承載力標準值。
    點評:
    • ytgchpaper發表于 02月10日 11:07同濟大學 高彥斌
    • 寫的非常好?。?!清楚的闡述了“特征值”的概念,以及規范中的問題。在文字應用上,是非常嚴謹的?,F代科學的推演是以基本概念為基礎的,究竟基本概念該采用哪個術語,有一定的歷史性(尊重原創)和文學性(一詞多義,并非完美),但應遵循客觀合理的原則。一個術語如果已經有了定義,就不宜應用于其他概念的定義,這是最基本的原則,否則會造成理論體系的混淆與失效。我國工程設計中的一些混亂,大多源于這一類性質。
    點評:
    • www2002發表于 12月27日 21:56這家伙很懶,沒有個性簽名!
    • 學習學習??!
    點評:
    • 四川建院吳明軍發表于 08月04日 17:44認真,勤奮,只爭朝夕
    • “承載力允許值的字面意思是給承載力設一個上限(但地基承載力是不需要人為設上限的),而承載力許用值(或許用承載力)的字面意思則是給承載力的取用設一個上限,意思是不同的?!边@種說法,有點玩文字游戲了。從漢語角度看,“允許”與“許用”完全是近義詞。
    點評:

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