确定地基承载力方法若干问题的讨论

确定地基承载力方法若干问题的讨论

高大钊,姜安龙,张少钦

(南昌航空工业学院,南昌　330034)

摘要:本文讨论了地基承载力地区经验的总结、地基承载力的安全度、不固结不排水剪指标的应用

等8个有关地基承载力的问题,对如何理解和执行规范提出了意见。

关键词:地基承载力;安全度;不固结不排水剪;地基设计规范中图分类号:T U471文献标识码:A

Abstract :Eight problems on the bearing capacity of foundations including the summarization of local experience ,the saftey degree of the subgrade bearing capacity and the uses of undrained shear strength are reviewed.Sugges 2tions on the understanding and execution of geotechnical codes are given.

K ey w ords :bearing capacity of foundation ;degree of safety ;undrained shear test ;code for foundation design

收稿日期:2003212211

作者简介:高大钊(1935-),男(汉族),浙江平湖人,双

聘教授,博士生导师.

1　引言

在岩土工程技术标准中,地基承载力的确定方法是地基设计的重要内容,也是土力学中学术见解分歧比较大的问题。

俞调梅教授在“岩土工程的反思”[1]

一文中曾经说过:“人们曾经提出过土力学的信心危机和副作用。这是由于某些比较重要的理论提出来之后,随之而来的是许许多多的发展和延伸,其中难免有一些是繁琐的、无用的,甚至是错误的、强词夺理的;但却被列入教科书、手册和规范中,因而具有权威性。总要经过时间的考验,才能删繁就简和去伪存真”。

《工程勘察》组织地基承载力的专题讨论是十分必要的,通过讨论希望能达到删繁就简和去伪存真的目的。下面就有关地基承载力确定方法的8个问题进行分析,以期引起同行的关注,开展学术讨论。

2　全国规范中没有了地基承载力表怎么办?

自1974年版的《工业与民用建筑地基基础设计规范》给出了各类土的地基承载力表,在全国范围内使用开始,至2002年版的《建筑地基基础设计规范》中不再列入地基承载力表为止。地基承载力表在我国执行了28年。

地基承载力表的优点是简单实用,因此受到工程师的欢迎。但其局限性也是明显的,经验方法适

用的范围只局限于数据来源的母体,但这个最重要

的原则通常被人们所忽略。在全国范围内通用一张地基承载力表,其结果可能是潜伏着危险,也可能造成了浪费。

经验方法可以帮助工程师判断,但如果将用地基承载力表视为不可逾越的真理,那将导致将确定地基承载力的方法简单化,似乎不需要对地质条件的详细掌握,不需要土力学的基本知识,查表就可以得到地基承载力了。其结果显然不利于技术的进步与工程师水平的不断提高,对此,多年来许多业内人士提出了呼吁,建议取消。《建筑地基基础设计规范》顺应民意,在新版本中取消了所有的地基承载力表。

地基承载力表已经融入我国的岩土工程技术体系,成为确定地基承载力不可缺少的一种方法。真的一旦废除了,确也若有所失,于是有了这个“全国规范中没有了地基承载力表怎么办”的问题。

要回答这个问题,必须先回答“在1974年以前是怎么办的?”1974年以前,执行的是前苏联的规范(房屋及建筑物地基设计标准СНиПⅡ2Ь1

1-62),在这个规范中有1个表,称为地基土上的标准压力,给出了大块碎石类土、砂类土和粘土类土

的标准压力[2]

。

在使用上述前苏联规范时,发现表中给出的数

3

　2004年第3期

工程勘察　Geotechnical Investigation &Surveying 　　　? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. eeb2787e27284b73f242509b

据比较粗糙,同时也由于苏联的经验不一定符合我国的土质条件,于是有的地区采用载荷试验的方法来确定,有的地区总结了地区的经验,编制地方标准,提供确定地基承载力的方法。这样就积累了比较多的载荷试验资料和地方经验,为1970年编制规范提供了丰富的原始资料和方法。

这种做法实际上已经回答了“全国规范中没有了地基承载力表怎么办?”的问题,经过了28年又回到了原来的做法,但这并不是简单的重复,而是在新的条件下进一步积累原位测试的资料,进行总结地区经验的工作。

3　如何总结地区性的地基承载力经验?

在全国规范中取消了地基承载力表,但并不说明地基承载力表本身有问题,它所提供的经验关系在技术上仍然是有用的,只要经过验证证明这些地基承载力表的数据是符合当地实际情况的,就可以供工程师参考。现在有的地方,如河北省、辽宁省和合肥市正在编制本地的地基承载力表,以填充全国规范取消地基承载力表之后出现的真空。这种做法是对全国规范取消地基承载力表的正确响应,在地方规范中采用经验方法来确定地基承载力不仅是允许的,而且应当加以鼓励,当然也同样不能将其绝对化了。

总结本地区使用地基承载力表经验,对原来规范提供的地基承载力表的数据进行检验,如果符合本地区的实际情况,那为什么不能采用呢?

如果地基规范的地基承载力表不符合本地区的情况,可以组织编制本地区的地基承载力表。这种编制工作应当建立在载荷试验数据的基础上,通过与土工试验数据的对比或者与原位测试数据的对比,建立经验关系。

采用地基承载力表的形式是有一定条件的,指标需要有一定的分布范围。如果指标的分布范围过窄,在作回归分析时,散点不具有规律性的分布,其相关系数肯定是不大的,所拟合的统计关系没有使用的价值。在这种情况下,就不能一定要用经验公式和地基承载力表的形式。

作为标准化的结果,不论是经验公式或承载力表,其原始数据必须是直接测定值,而不能用计算的结果进行统计,这和回归方程不能移项计算一样,因为统计公式中的变量不是纯数,而是带有一定误差的物理量。

如果原始数据是载荷试验的结果和地基的物理力学指标,或者是原位测试的指标,则可以对数据的组合进行统计。如果没有作载荷试验而仅有土的抗剪强度指标,则不能把用抗剪强度指标计算得到的地基承载力去进行统计而建立地基承载力表。在这种情况下,只能对地基承载力计算公式的适用性作出评价,规定其适用范围,对指标的试验方法和取值方法作出规定,这也是地区经验的一种总结。

4　如何正确使用平板载荷试验?

总结地区性地基承载力表的主要依据是载荷试验,这就需要讨论如何正确使用平板载荷试验的问题。

平板载荷试验是确定地基承载力和土的变形模量的一种原位测试方法,也可以看作为基础的1种模型试验,它的优点是比较简单直观,但其局限性也比较明显。

对于地下水位以上的均质土,是载荷试验的最佳适用条件,这就意味着不适用于地下水位以下,也不适用于土层厚度比较薄的层状土。

从理论上说平板载荷试验的结果反映了半无限体的承载性状,从工程实践的角度看,很深部土层的影响是可以忽略的。一般认为压板影响的深度大体为压板宽度的3倍,对于层状土,试验结果则反映了3倍压板宽度范围内各土层的综合性状,因而其结果便不能在总结地区性经验中使用。

在将载荷试验结果用于地基基础设计时,尚应注意下面2个问题:

(1)虽然可以在基础底面标高处的土层上做载荷试验,但为了将Boussinesq课题的解析解用于分析试验资料,也为了试验条件的归一化,有关标准规定了试坑的宽度必须不小于压板宽度的3倍。这样,试验是在无超载的条件下进行的,所得的试验结果是在相当于基础埋置深度为0的条件下的地基承载力,用于工程设计时必须按实际的埋置深度进行修正。

(2)地基承载力的大小与基础底面积有关,载

荷试验的压板尺寸越接近基础底面尺寸,试验的结

果越能反映实际情况。但过大的压板尺寸将使试验

的总荷载很大而难以实现,一般规定压板面积为

015m2,边长7017cm。将这种标准尺寸压板的试验

结果用于实际工程时,需要进行宽度的修正。

载荷试验的结果为p～s曲线,在p～s曲线上4　　工程勘察　Geotechnical Investigation&Surveying2004年第3期　? 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. eeb2787e27284b73f242509b

一般有2个特征屈服点,第一个特征屈服点标志着土中局部剪切的开始,是比例直线段结束的特征点,其对应压力称为比例界限,俗称拐点压力,通常取作地基的容许承载力。第二个特征屈服点标志着地基达到了承载力极限状态,其对应压力称为地基极限承载力,通常取地基破坏荷载的前一级荷载。在现行的技术标准中,对破坏荷载的取值标准是不很明确的。

除非土层比较松软,通常做到破坏荷载需要很大的加载量,限于设备能力的限制,一般没有出现破坏时就终止了试验,做出极限承载力的试验结果比较少,因此造成了“不存在地基极限承载力”的误解。

但并非所有的试验曲线都有上述2个明显的特征点,当曲线上难以判别特征点时,可以用相对变形量的对应压力作为地基容许承载力和地基极限承载力。

判别容许承载力的相对变形取值标准为sΠb= 0101～0102,视土类而异,也随着取安全水准的不同标准而异,在不同年代的不同技术标准中,可以发现取值是变化的。

根据20世纪70年代初的数据统计,当荷载超过p

0102

之后,如基底压力增大,则变形有较大的增长,变形为明显的非线性,具体的数据见表1。

基底压力的增长率与变形增长率的关系表1

基底压力增长率(%)变形增长率

范围(%)

变形增长率

平均值(%)

1020～6030

2040～12065

3060～200100

5　如何考虑地基承载力的安全度?

地基承载力问题属于土力学中的强度和稳定性的课题,所确定的地基承载力应当有安全度的概念,地基设计的荷载应当包括可能的超载和偶然荷载,如何考虑地基承载力的安全度是地基设计的一个重要内容。

在一幅完整的载荷试验p～s曲线图上,如果能够确定地基极限承载力,则不论是取比例界限为容许承载力,或者取与某一相对变形对应压力为容许承载力,其安全度是非常明确的,安全系数等于极限承载力除以容许承载力。

如果试验没有做到破坏,只有某一个“最大试验荷载”,那么最大试验荷载除以容许承载力是不是安全系数呢?显然不是的。这个“最大试验荷载”没有客观的标准。如果是取勘察报告中提供的地基承载力的2倍作为最大试验荷载,而极限承载力没有出现,那么只能说明安全系数不会小于2,但其安全度是不确定的。如果由于设备条件限制而终止试验,则最大试验荷载与容许承载力的比值不能说明任何问题。

如果地基承载力是由公式计算得到的,采用极限承载力公式计算时,极限承载力除以安全系数就得到容许承载力,三者的关系是非常明确的。

如采用普泽列夫斯基的临界荷载理论公式计算地基承载力,由于假定塑性区开展深度为基础宽度的1Π4,按其推导的基本概念是属于容许承载力的范畴,由于没有极限状态的概念,无法估计采用这个公式计算结果的安全度。

如果追溯到采用这个公式的前苏联规范,这个规范把采用普泽列夫斯基公式计算的结果称为“标准压力”,而在同一规范中还另有地基承载力的规定,其确定方法为:“非岩石类土地基的承载力(稳定性)根据土中所形成的包括整个建筑物基础底面的滑动面确定之。”十分明显,原来在我们据以沿袭的前苏联规范中,也有按整体稳定确定的地基极限承载力,只是我们没有注意罢了。

不幸的是,由于对地基极限承载力计算公式的漠视与无知,使我国的浅基础设计体系一直游离于国际岩土工程的主流体制之外,使得我国岩土工程师既不熟悉,也无法控制自己所设计的工程的安全度水准。

6　关于地基承载力特征值及其应用

近30年来,全国地基规范的3个版本中,确定地基承载力的基本试验没有改变,计算地基承载力的公式也没有改变,但地基承载力的术语却每个版本都不同,从容许承载力到地基承载力(标准值)设计值到地基承载力特征值。同一种方法确定

的承载力,其物理概念肯定是一样的,不同的术语

丝毫也改变不了它的性质,改变不了它在设计表达

式中的作用与位置。

在《建筑结构可靠度设计统一标准》中,将

“characteristic value”译为“标准值”,对于材料性能

标准值,定义为“符合规定质量的材料性能概率分

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布的某一分位值”。[3]

在《建筑地基基础设计规范》中对于地基承载力特征值(characteristic value of subgrade bearing ca2 pacity)表述为:“指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值,其最大值为比例界限值”[4]。