仅是祈愿这里涉及2个不同的概念,前者是统计的概念,是一种数学的描述,包括特征值、公称值、名义值和标定值,都是用各种方法选取的代表性数值,它适用于上部结构材料,也适用于地基土。但后者并不是统计的概念,是对载荷试验结果的一种物理的描述,只适用于载荷试验的具体情况,没有普遍的意义,用“地基承载力特征值”一词来替代土力学中已经约定俗成的“地基容许承载力”,既不利于术语的稳定性,也不利于国际间的交流,容易引起人们的误解。
载荷试验既然是1种原位试验,如果对同一地区的同一土层做了若干台载荷试验,则必然需要进行统计分析求得某一分位值。则此时的术语是否应当称为“地基承载力特征值的标准值”,译为英文则为“characteristic value of characteristic value of sub2 grade bearing capacity”,则恐怕谁也看不懂了。如果译为“characteristic value of subgrade allowable bearing capacity”,则中外人士都可以看得懂了。
引起上述矛盾的主要原因是“特征值”一词跨越了2个词语的领域,发生了概念上的搭接,这种情况应当尽可能地避免,特别是标准之间的矛盾,更应当避免。
有些地方根据《建筑地基基础设计规范》
51214条,按51213
条确定的地基承载力特征值可
以进行深宽修正,而51213条中又有按“公式计算”的规定,文献[4]因此提出了这样一种做法:将某一土层按比较浅的埋置深度和比较窄的基础宽度用地基承载力公式计算得到的地基承载力提供在勘察报告中,允许设计时按实际的埋置深度和基础宽度进行深宽修正。
在上述概念下,又引伸出另一种方法,对于实际埋藏深度很深的土层(例如埋藏深度约有10m左右),按假定的埋置深度(例如110m)和宽度(例如115m)用地基承载力公式计算,其结果作为在这种标准条件下得到的地基承载力,分层地在勘察报告中给出。当然不言而喻,也允许对这种地基承载力进行深宽修正。
上述这些方法在理论上是否成立,在实践中是否可行,这涉及对地基承载力公式和深宽修正方法如何理解的问题。
在地基规范中存在着2个平行的确定地基承载力的系统,一种是地基承载力计算公式,另一种是地基承载力表或载荷试验结果加深宽修正的公式。这两种系统所依据的参数不同,确定承载力的途径不同,使用的要求也不相同,在表2中对此进行了对比。
确定地基承载力方法的比较表2
确定地基承
载力的方法
用承载力
公式计算
深宽修正方法
依据的参数土的抗剪强度指标土类及物理指标
确定承载力的途径经验校正过的理论公式纯经验的类比系数法
使用的要求必须进行变形验算没有变形验算的要求 不论是临界荷载公式或极限荷载公式,推导公式时都有假定的基本条件,计算的条件应当与假定条件基本相符。现在将一个埋藏在几十米深度处的土层,假想为在地面处,用浅基础的地基承载力公式计算,条件相差悬殊,其结果显然是没有任何物理意义的。
深宽修正的方法是怎么得来的呢?编制规范时收集了国内外有关规范手册的一些资料,用经验的方法提出了各种土类的深宽修正系数。为了验证这些深宽修正系数,曾经进行过一批不同压板宽度和不同超载的载荷试验,但结果不理想,就没有利用这些试验资料。可见,这种方法是没有试验依据的,是偏于安全的一种经验估计,是比较近似和粗糙的。
对地基承载力公式计算的结果,不可以也不必要进行修正的。理由有2点:一是用地基承载力公式可以直接计算得到不同埋置深度和宽度时的地基承载力,在实践上没有必要进行修正;二是深宽修正方法的数据依据、计算方法的可信度和理论层次都低于用承载力公式计算的方法,用低一层次的方法去校正高一层次的结果,在理论上是不合适的。7 荷载偏心时怎样确定地基承载力?
地基设计规范规定[4],当偏心荷载作用时,基底边缘最大压力值要求小于或等于112倍的地基承载力特征值;当偏心距大于bΠ6时。即大偏心的情况,规范给出了基底边缘最大压力的计算公式;规
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范又规定了地基承载力计算公式的适用条件为偏心距小于或等于01033倍基础底面宽度。
上述3个规定都是针对一定的条件提出的,在技术上是完全正确的,但将这3个规定联系起来看,就形成了地基承载力计算中的一个悖论:大于bΠ6的偏心荷载作用下的基底边缘最大压力值应当小于或等于只有在小于bΠ30偏心距条件下才适用的地基承载力公式计算得到的地基承载力。或者说,超过bΠ30偏心距的偏心荷载作用下的地基承载力计算,规范没有给出可用的地基承载力公式,而超过bΠ30偏心距的荷载在建筑工程中不是罕见的。
其实,这个问题在许多地基极限承载力的计算公式中都已经解决了,可以适用于偏心荷载和倾斜荷载下的地基承载力计算,只是我们不太熟悉而已。在我国港口工程地基规范中就有这一类的公式,可以参考使用。
8 什么时候采用不固结不排水剪指标计算地基承载力?
不固结不排水剪指标能否用于计算地基承载力?答案是肯定的。但是否什么情况都能用不固结不排水剪指标计算地基承载力?答案则是否定的。那么什么时候可以采用不固结不排水剪指标计算地基承载力呢?
土体抗剪强度的不同规律,这2条强度包线只有1点相交,交点的对应压力是其有效上覆压力。只有在有效上覆压力这一点,两者是等效的。在其余的应力状态下,用这2种指标得到的抗剪强度相差甚远。
在计算地基承载力时,不论是极限荷载公式或界限荷载公式,采用不同的抗剪强度指标,就意味着采用了不同的基本假定。
在极限荷载公式中有3项承载力的构成,第一项反映了滑动土体的体积力作用于滑动面上产生的抗剪强度,这个强度显然与土的内摩擦角有关,当内摩擦角为0时,体积力不产生任何的地基抗力,这一项就等于0。第二项反映了超载的影响,超载作用的结果也是使滑动面上的抗力提高,显然也只有通过内摩擦角的作用来体现,当内摩擦角为0时,超载也无助于地基承载力的提高,只是简单地平衡荷载,故承载力系数为110。第三项反映了滑动面上凝聚力的影响,由凝聚力所构成的地基承载
力正比例于凝聚力的大小,其比例系数是内摩擦角的函数,当内摩擦角为0时,这个比例系数为常数。按普朗特尔的假定,求得此系数为5114;按太沙基的假定,求得此系数为5171。
在界限荷载公式中,当内摩擦角等于0时,第一项的承载力系数为0,第二项的承载力系数为110,与极限承载力公式的承载力系数是一样的,而第三项的承载力系数为3114。
按不固结不排水剪指标计算,在土力学中称为φ=0法,此时的材料称为凝聚性材料而不是摩擦材料。当采用不固结不排水剪指标计算地基承载力时,极限承载力只等于5114c或5171c,容许承载力只等于3114c。不论是极限承载力或者容许承载力,都与基础的宽度无关,也和基础的深度无关。
从上述分析可以看出,不固结不排水剪指标和固结不排水剪指标对地基承载力的构成有重要的影响,是基本假定的不同而并不是简单的只反映了施工速度的快慢。不固结不排水剪的强度是土的天然强度,也是在某一有效应力作用下的总强度。用不固结不排水剪指标计算的地基承载力,只反映了滑动面上总强度的作用,这个总强度可以是天然强度,也可以是在某一有效应力作用下提高后的总强度。对于正常压密的土层,由于有效覆盖压力随深度线性增长,因此不固结不排水剪强度也随深度而线性增长,这个直线的倾角反映了土的固结不排水剪的内摩擦角。
不固结不排水剪试验时,要求对试样进行饱和,可见这种典型的试验只适用于天然状态下是饱和的土体,饱和土的不固结不排水剪包线是1根水平线;如果土样没有充分饱和,则试验的结果会使强度包线有很小的倾角,但这个倾角其实不是内摩擦角,而是土中气体压缩的反应。
对非饱和土作不固结不排水剪试验时,土的孔隙中有水和气体,由于阀门是关闭的,气和水都不能排出,随着压力增大,气体的体积压缩,基质吸力降低,饱和度逐渐增大,剪应力与总法向应力的关系就比较复杂。开始阶段是非线性的关系,但这段的近似斜率并不是内摩擦角而是反映了饱和度的变化;直至接近饱和时,包线才接近于水平线(见图1)[5]。由此可见,不能把非饱和土的不固结不排水剪试验包线的倾角当作内摩擦角来使用。
用三轴仪取代直剪仪的要求在技术上是符合发展方向的,但目前尚不具备大面积推广的客观条
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图1 非饱和土的不排水强度包线
件,包括设备、技术力量和勘察的工期都不允许,需要采取措施,创造条件,逐步实现。
有些地区为了执行全国规范关于采用三轴不固结不排水剪指标的规定,提出用“直剪快剪”代替“三轴不固结不排水剪”作为审图的依据。但直剪快剪除了具有不固结不排水剪的上述缺点之外,还有更多致命的缺点。因此直剪仪的试验中,只有固结快剪还有使用价值,而快剪试验实际上已经不用了。可见,这一替代方法是不合适的。
9 地基承载力控制与变形控制
规范规定设计等级为甲级和乙级的建筑物,均应按变形设计。对于如何执行这一规定,设计人员中有一些困惑,是否所有的甲级和乙级的建筑物都具备了按变形设计的条件?如何按变形设计?按变形设计控制是否承载力就不起控制作用了?
承载能力极限状态和正常使用极限状态是地基基础设计必须同时满足的2个基本要求,缺一不可,设计时必须同时进行地基承载力的控制与地基变形的控制。在有些情况下,满足了地基承载力的要求,变形要求也就自然满足,这时地基承载力是控制的条件;有些时候,变形是控制性的,只要满足了变形的要求,承载力也自然满足。但在很多时候,这2个条件不一定是同时满足的,都需要进行验算。
如何理解上述3种情况呢?
例如,持力层是低压缩性的粘性土,厚度不厚,地基承载力和压缩模量都比较高,下卧层是卵石层,只要基底压力小于容许承载力,变形将远小于规范规定的地基变形允许值。对于这种情况,地基承载力是控制性的,而变形是自然满足的。
又如,软土地基的表层有相对较高的地基承载力,下面有厚层的软土,按承载力计算虽然可以容许较高的基底压力,但由于变形超过了规范规定的地基变形允许值,不得不降低基底压力使之满足变形规定。这时变形是控制性的,变形满足了规范要求,地基承载力也就自然满足了。
除了上述2种比较明显的极端情况之外,更多的情况可能是不容易判断,或者需要更多的经验才能判断,这时往往承载力和变形都要验算。
地基承载力控制与变形控制所考虑的问题不同,侧重面不同,控制的条件不同,需要具体分析,强调一个方面而忽略另一个方面都是不合适的。
地基承载力控制可以用1个设计表达式表示,荷载条件是比较明确的,影响地基承载力控制的主要因素是对持力层和软弱下卧层承载性状的估计。可以通过对地基土稳定性的分析,估计地基所处的状态,或采取控制性的工程措施控制安全系数,不使承载能力极限状态发生。
计算地基变形时,荷载和对土层的性状的估计都是影响地基变形计算结果准确性的主要因素,这方面的难度和地基承载力控制基本相似。但最困难的是对建筑物承受变形能力的估计,建筑物承受变形能力随结构类型与施工质量而异,规范提出的允许变形值仅是很粗略的概率估计。同时,目前能够计算的是建筑物的中点沉降,但实测的沉降却是建筑物周边的沉降,其平均值不等于中点的沉降,而中点的沉降一般又测不到,这就使得用实测沉降与计算沉降的比值来修正计算的结果也是非常粗糙的。由此可见,人们对于变形控制的能力比对于地基承载力控制要低得多,变形控制在很多情况并不能用一个确定性的表达式来表示,而只是一种概念设计与概率意义的控制。
参考文献
[1] 俞调梅.岩土工程的反思.岩土工程学报,1986,11(6):
25～38.
[2] 苏联部长会议国家建设委员会.房屋及建筑物地基设计标准
(СНиПⅡ2Ь.1～62).
[3] 建筑结构可靠度设计统一标准(G B5006822001).北京:中国
建筑工业出版社,2001.
[4] 建筑地基基础设计规范(G5000722002).北京:中国建筑工
业出版社,2002.
[5] 陈仲颐等合译.非饱和土土力学.北京;中国建筑工业出版
社,1997,285～290.
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