特征值、极限值及设计值.doc

特征值的由来
天然地基承载力特征值是只有载荷试验地基土压力便性关系线性变形内部超过比例界限点的地基压力值，实际即为地基承载力的允许值。
进行地基基础设计时，由于土是大变形材料，当荷载增加时，随着地基变形的相应增加，地基承载力也在逐渐增大，很难界定出一个真正的“极限值”，另外，建筑物的使用有一个功能要求，常常是地基承载力还有潜力可挖，而地基变形却已经达到或超过按正常使用的限值。因此，地基设计时采用正常使用极限状态这一原则，所选定的地基承载力为地基承载力特征值。
旧地基规范选用的地基承载力标准值，是在由试验或其他方法得到地基承载力基本值后，经过统计处理，乘以回归系数，得到地基承载力标准值
现行地基规范采用特征值一词，用以表示正常使用极限状态计算时采用的地基承载力，其涵义即为在发挥正常使用功能时所允许的抗力设计值，以避免原《地基规范》一律提“标准值”时带来的混淆。
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《建筑地基基础设计规范》(ＧＢ50007—2002)中“特征值”一词的说明
国家建筑科学研究院地基基础研究所　钟亮
一、起因
与钢、混凝土、砌体等材料相比,土属于大变形材料,当荷载增加时,随着地基变形的相应增长,地基承载力也在逐渐加大,很难界定出一个真正的“极限值”,而根据现有理论的、半理论半经验的或经验的承载力计算公式,可以得出不同的值。因此,地基极限承载力的确定,实际上没有一个可以通用的界定标准,也没有一个可以适用于一切土类的计算公式,主要依赖于根据工程经验所定下的界限和相应的安全系数加以调整,考虑一个满足工程要求的地基承载力值。它不仅与土质、土层埋藏顺序有关,而且与基础底面的形状、大小、埋深、上部结构对变形的适应程度、地下水位的升降、地区经验的差别等等有关,不能作为土的工程特性指标。另一方面,建筑物的正常使用应满足其功能要求,常常是承载力还有潜力可挖,而变形已达到或超过正常使用的限值,也就是由变形控制了承载力。以往的工程实践证明,绝大多数地基事故皆由地基变形过大且不均匀造成。
因此,根据传统习惯,地基设计所选用的承载力通常是在保证地基稳定的前提下,使建筑物的变形不超过其允许值的地基承载力,即允许承载力,其安全系数已包括在内。无论对于天然地基或桩基础的设计,原则上均是如此。
随着《建筑结构设计统一标准》(ＧＢＪ68—84)的施行,要求抗力计算按承载能力极限状态,采用相应于极限值的“标准值”,并将过去的总安全系数一分为二,由荷载分项系数和抗力分项系数分担,这给传统上根据经验积累、采用允许值的地基设计带来了困扰。
《建筑地基基础设计规范》(ＧＢＪ7—89)以承载力的允许值作为标准值,以深宽修正后的承载力值作为设计值,引起的问题是,抗力的设计值大于标准值,与《建筑结构可靠度设计统一标准》(ＧＢ50068—2001)的规定不符,因此《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(ＤＢＪ01—501—92)对于地基抗力只用“标准值”,没有“设计值”一词。但实际上“设计值”的含义用法并没有错,问题在于标准值要求对应的是极限值。因此《港工地基规范》(ＪＴＪ219)将地基承载力表改称为“设计值”,而非“标准值”。
《建筑桩基技术规范》(ＪＧＪ94—94)采用以标准值表示单桩极限承载力,承载力表为桩的极限端阻或侧阻的标准值。但勘察人员常常忽略了“极限”二字,于是提供的勘察报告上,地基承载力是标准值,桩的侧阻、端阻也是标准值,这样认真的设计人员就要问这“标准值”指的是“允许值”还是“极限值”?是已除以2还是需再除以1.6?而仔细的勘察人员也会问:设计院要求的承载力,是否已考虑了荷载放大?
为了避免差错、理顺关系,这次规范修订决定在这方面有所改进。
二、对策
《建筑结构可靠度设计统一标准》(ＧＢ50068—2001)鉴于地基设计的特殊性,已将上一版“应遵守本标准的规定”修改为“宜遵守本标准规定的原则”,并加强了对正常使用极限状态的研究。而《建筑结构荷载规范》(ＧＢ50009—2001)也完善了正常使用极限状态的表达式,认可了地基设计中承载力计算可采用正常使用极限状态荷载效应标准组合。
根据国外有关文献,相应于我国规范中“标准值”的含义可以有特征值、公称值、名义值、标定值等四种,在国际标准《结构可靠性总原则》ＩＳＯ2394中相应的术语直译应为“特征值”(characteristic value),该值的确定可以是统计得出,也可以是传统经验值或某一物理量限定的值。
本次修订采用“特征值”一词,用以表示按正常使用极限状态计算时采用的地基承载力和单桩承载力的值,以避免过去一律提“标准值”时所带来的混淆。
  三、应用
用作抗力指标的代表值有标准值和特征值。当确定岩土抗剪强度和岩石单轴抗压强度指标时用标准值;由载荷试验确定承载力时取特征值,载荷试验包括深层、浅层、岩基、单桩、锚杆等,见该规范的有关附录。
地基承载力特征值ｆａｋ是由载荷试验直接测定或由其与原位试验的相关关系间接推定和由此而累积的经验值。它相应于载荷试验时地基土压力变形曲线上线性变形段内某一规定变形所对应的压力值,其最大值不应超过该压力变形曲线上的比例界限值。
修正后的地基承载力特征值fa是考虑了影响承载力的各项因素(例如基础的埋深和宽度、上部结构对变形的适应能力等等)后,最终采用的相应于正常使用极限状态下的设计值的地基允许承载力。
单桩承载力特征值Ｒａ是由载荷试验直接测定或由其与原位试验的相关关系间接推定和由此而累积的经验值。它相应于正常使用极限状态下允许采用的单桩承载力设计值。
当按地基承载力计算以确定基础底面积和埋深或按单桩承载力确定桩的数量时,传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态采用标准组合,相应的抗力限值应采用修正后的地基承载力特征值或单桩承载力特征值。即:Ｓ≤Ｃ,Ｃ为抗力或变形的限值;ｐｋ≤ｆａ(地基);Ｑｋ≤Ｒａ(桩基)。此时特征值ｆａ,Ｒａ即为正常使用极限状态下的抗力设计值。
当根据材料性质确定基础或桩台的高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时,上部结构传来的荷载效应和相应的基底反力应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合,即γ0Ｓ≤Ｒ计算,此时,地基反力ｐ、桩顶下反力Ｎｉ和主动土压力Ｅａ等相应为荷载设计值,要采用相应的分项系数。
四、结论
按上述作法,分清了荷载与抗力这两条线,明确了两类极限状态的适用范围和表达式。概念清楚了,关系理顺了,对于勘察人员所提供的报告,若为“特征值”则为允许值,安全系数已包括在内;若为“标准值”,则为极限值,应考虑相应的抗力分项系数。这样,在设计中就可避免差错,不致造成危险或保守。

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特征值是基础规范里的提法。
设计值是技术规范里的提法。
基础规范：特征值=极限承载力/2
技术规范：设计值=极限承载力/大约为1.65的数。
但是关键的是：
基础规范用的是特征值但作用于承台顶面的荷载是标准组合。
技术规范用的是设计值，但作用于承台顶面的荷载是基本组合。

基础规范和技术规范计算是完全不同的。
算扩底面积时：基础规范----单桩竖向承载力用的是特征值，对应的荷载组合为标准组合。
技术规范----单桩竖向承载力用的是设计值，对应的荷载组合为基本组合。
而基础规范里的规定3.0.4：按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限下荷载效应的标准组合。这只是适用于基础规范的，并不适用于技术规范。因为技术规范在计算扩底面积时，单桩竖向承载力用的是设计值，对应的荷载组合也是用基本组合而不是标准组合。

先从公式分析一下：
单桩竖向极限承载力标准值

单桩竖向承载力特征值

单桩竖向承载力设计值
因此单纯运用侧阻力标准值与端阻力标准值计算上面三种承载力关系如下：

单桩竖向承载力特征值=单桩竖向极限承载力标准值/2
单桩竖向承载力设计值=单桩竖向极限承载力标准值/（1.6~1.7）
以上说明均出自工程地质手册（第四版）

   规范内没有出现侧阻力特征值及端阻力特征值表。在河北省水泥土桩地方规程中出现了这种表。一般勘查报告内也没有出现侧阻力特征值只有标准值。

看看高大钊老师的回答吧。
1单桩极限承载力的标准值除以安全系数2即为单桩承载力特征值（即单桩容许承载力）；
2但桩端阻力的标准值除安全系数2并不等于桩端阻力的特征值，同样。桩侧摩阻力标准值除以安全系数2也不等于桩侧摩阻力的特征值；
3其原因是单桩荷载传递机理表明，工作状态时，桩端阻力的发挥程度远小于桩侧摩阻力的发挥，两者的安全系数应取不同的数值。
4.在极限状态，单桩极限承载力为极限端阻力和极限侧摩阻力之和；
5.但在工作状态，如果单桩承载力的安全系数取2，那么端阻力的安全系数必然大于2，而侧摩阻力的安全系数必然小于2。
6.究竟安全系数各取多少？已经有些研究成果，但还需要继续研究，目前最明智的方法是如《建筑桩基技术规范》送审稿的处理方法，即不定义桩端阻力特征值和桩侧摩阻力特征值。
7. 进一步讨论这个问题，需要研究单桩荷载的传递机理，离开传递机理就讨论不清楚问题。
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4.2.2 地基土工程特性指标的代表值应分别为标准值、平均值及特征值。抗剪强度指标应取标准值，压缩性指标应取平均值，荷载试验承载力应取特征值。
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地基承载力的三种表示方法
1、什么是特征值?
    特征值是发挥正常使用功能时所允许采用的值。它可以由以下几种方法得到:
    1）统计分析;2)传统经验;3)物理限定等。
2、什么是地基承载力特征值、容许承载力和极限承载力?
    (1)地基承载力特征值
    由荷载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。
    (2)地基容许承载力
    指地基稳定有足够安全度的承载力，相当于地基极限承载力除以一个安全系数，一般安全系数为2一3,是定值法确定的地基承载力。
    （3）.地基极限承载力
    使地基发生剪切破坏失去整体稳定的基础最小底面压力。是地基承受基底压力的极限值

国内规范有时把大家搞糊涂了，这个值哪个值，实在是多。除此之外，还有承载力标准值、承载力建议值等。有的重复有的混乱，有一种趋势，国外岩土设计已经采用了，就是按极限承载力指标给出，而不是建议值，由岩土工程师再根据岩土性状建议折减系数。这样避免了岩土工程师折减、设计再折减的问题。如果岩土工程师调动走了，就很难考证他的建议值是从哪里来的？
地基承载力特征值就是从容许承载力演变过来的，两者其实就是一个东西。我国最早的规范称为地耐力R的，后来TJ7-74规范演变为容许承载力R，GBJ7-89规范又演变为承载力标准值fk，GB50007-2002实际上又改回容许值，但给变了个名字，叫特征值。但地基容许承载力的安全系数到底是多少，并不很清楚。2-3只是一种估计。因为我们的规范并不要求计算极限承载力，默认安全系数而已。

不同的岩土参数折减系数都不一样，有以下几个考虑：
（1）参数类别不同而不同
同样的土允许承载力、渗透性、物性参数等都有区别
（2）室内野外试验质量和数量
设计岩土地质人员对本场址土的特性的了解。显然，越自信，折减系数约大[或安全系数越小]
（3）场地的特殊性
场地土的剖面和水平向不均匀性、地基浅表部、在斜坡附近的地基的岩土参数一般安全系数要更大。
当然，还有很多其它原因，经验多少、自信程度、与设计的配合与信任等因子影响。总之，我赞成采用极限参数，然后再提折减因子，这样一切透明，设计与地质深入讨论和协商，避免了岩土地质人员折减、设计人员再折减的情况，造成没有必要的浪费。