确定地基承载力方法若干问题的讨论_高大钊.pdf

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:TU471文献标识码:AAbstract:Eight problemson the bearing capacity of foundations including the summarization of local experience,the saftey degree of the subgrade bearing capacity and the usesof undrained shear strength are reviewed.Sugges-tions on the understanding and execution of geotechnical codes are given.Key words:bearing capacity of foundation;degree of safety;undrained shear test;code for foundation design收稿日期:2003-12-11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 -.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32004 年第 3期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying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0.5m2,边长 70.7cm。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 s b=0.01 0.02,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 p0.02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 60302040 120653060 2001005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1 4,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52004 年第 3期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying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 ca-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。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 sub-grade bearing capacity”,则恐怕谁也看不懂了。如果译为“characteristic value of subgrade allowable bearingcapacity”,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5.2.4条,按 5.2.3 条确定的地基承载力特征值可以进行深宽修正,而 5.2.3 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 1.0m)和宽度(例如1.5m)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 1.2 倍的地基承载力特征值;当偏心距大于 b 6 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6工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2004 年第 3期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 0.033 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b 6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 b 30 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 b 30 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b 30 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?不固结不排水剪指标和固结不排水剪指标描述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 1.0。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 5.14;按太沙基的假定,求得此系数为 5.71。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1.0,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3.14。按不固结不排水剪指标计算,在土力学中称为=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 5.14c 或 5.71c,容许承载力只等于 3.14c。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72004 年第 3期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying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(-.1 62).3建筑结构可靠度设计统一标准(GB 50068-2001).北京:中国建筑工业出版社,2001.4建筑地基基础设计规范(G50007-2002).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,1997,285 290.8工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2004 年第 3期