《建筑地基基础设计规范》中地基承载力若干问题的探讨

《建筑地基基础设计规范》中

地基承载力若干问题的探讨

陈青佳

(浙江省轻纺建筑设计院,浙江杭州310007)

摘　要:结合浙江省标准《建筑地基基础设计规范(DB33/1001-2003,J10252-2003)》,针对地基承载力确定的几个关键问题,进行了一些探讨,便于工程技术人员更好地理解和应用省标新规范。

关键词:地基承载力特征值;载荷试验;理式;极限承载力

中图分类号:TU431　　　文献标识码:B　　　文章编号:1008-3707(2004)05-0015-03

　　浙江省标准《建筑地基基础设计规范(DB33/

1001-2003,J10252-2003)》已经浙江省建设厅批准,并于2003年10月1日起在全省范围内执行,原《建筑软弱地基基础设计规范(DBJ10-1-90)》也于2003年12月31日废止。笔者有幸参与规范一致。鉴于地基基础设计在结构可靠度设计方法上的特殊性,新的国标《建筑结构可靠度设计统一标准》也已将“应遵守本标准的规定”改为“宜遵守本标准规定的原则”,新的国标《建筑结构荷载规范(GB50009-2001)》也认可了地基承载力计算可采用正常使用极限状态荷载效应标准组合。原省标《建筑软弱地基基础设计规范》第5.1.4条地基承载力设计值计算公式f=ηcfk+ηγ(b-3)+ηγo(d-1.5),以承载力的允许值为bd标准值fk,经深宽修正后成为承载力设计值f,出现了抗力的设计值大于其标准值的问题,这与《建筑结构可靠度设计统一标准》中抗力的设计值小于其标准值是矛盾的。因此新规范对此进行了修改,但新规范(包括国标)在个别术语和符号的使用上也还存在欠妥之处,尚有待于进一步推敲、完善。

由于新规范的适用范围比老规范(原仅适用于软弱地基基础设计)有所扩大,本次修订时对地基承载力特征值的起始修正深度作了区分,对一般地基采用0.5m,对软弱地基,考虑到其强度低、压缩性大、变形稳定时间长等因素,取1m。2　关于承载力计算和变形计算

了新规范的起草工作,对有关地基承载力的计算进行了较为系统的学习和探讨。为了逐步与国际接轨,进一步执行国标《建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)》的概率极限状态设计原则,对地基极限承载力的计算和有关检验校核工作作简要介绍,为规范的进一步修订打下良好基础。1　关于地基承载力特征值

规范定义:地基承载力特征值是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。同时规范5.1.3条规定:地基承载力特征值应根据地基基础设计等级,采用载荷试验或其他原位测试、公式计算等方法,并结合工程实践经验综合确定。

本次修订与新的国家标准《建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)》一致,采用“地基承载力特征值”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值,以避免过去一律使用“标准值”时所带来的混淆。

浙江省标准《建筑地基基础设计规范》和国家

作为强制性条文,规范3.0.2条规定,所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定,地基基础设计等级为甲、乙级的建筑物及一些规定的丙级建筑物,均应按地基变形设计。承载力

收稿日期:2004-03-02

作者简介:陈青佳(1962～),男,浙江义乌人,高级工程师,现为浙江省轻纺建筑设计院副总工程师。

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陈青佳《建筑地基基础设计规范》:中地基承载力若干问题的探讨

计算和变形计算是两个不同的控制标准,承载力计算是对强度和稳定性的一种控制标准,新规范强调按变形控制设计的原则,但不能认为变形验算满足要求,承载力就一定能满足,不能将变形控制覆盖或者替代强度和稳定性控制。

值得一提的是,对规范中表3.0.2所列地基基础设计等级为丙级时可不作地基变形验算的建筑物,并不是说用承载力控制代替变形控制,而是根据工程实践,承载力计算起控制作用,只要满足承载力计算的有关规定,建筑物的地基变形就不会超过规范规定的地基变形允许值,因此可不必作变形验算。

3　关于载荷试验和其他原位测试

原位测试技术可以采用与载荷试验结果对比分析的方法建立经验关系,从而间接地确定地基承载力。这一方法近年来已得到很大的发展和推广使用,积累了丰富的地区经验。但应注意,当地基基础设计等级为甲、乙级时,尚应结合室内土工试验成果综合分析确定。4　关于地基承载力理式

规范5.1.5条把根据土的抗剪强度指标确定

γb+Mdγmd+地基承载力特征值公式fa=Mb

McCk推荐为地基承载力计算的理式,实际上

是承载力理论中的塑性界限荷载P1/4,即为了充分利用地基的承载能力,同时保证建筑物的安全和正常使用,控制地基中塑性区开展的深度为荷载宽度的1/4时相应的荷载。但在工程实践中发

现,对砂土内摩擦角标准值Φk≥24°时,承载力理论计算值偏低,为了让塑性界限荷载P1/4公式同样适用于计算砂土地基承载力,根据砂土地基的载荷试验资料进行了经验修正,规范中表5.1.5已包括了此项修正。需要注意的是,当按此理式计算的地基承载力特征值确定基础底面尺寸时,不需再对地基承载力特征值进行深宽修正。同时,由于允许在地基中出现局部塑性区,因此在承载力计算后,还必须进行地基变形验算。

需要指出的是,上述理式是在条形均布荷载作用下导出的,对于矩形和圆形基础,虽然从理论上讲并不精确,但实践中也可用此公式计算,其结果证明是偏于安全的。另外,此公式的推导采用了弹性力学的应力分布解答,对已出现塑性区的塑性变形阶段其实是不够严谨的,且公式推导中没有考虑基础刚度的影响。5　关于地基极限承载力计算

载荷试验是确定地基承载力最基本、最可靠的方法。浅层平板载荷试验适用于测定浅部地基土层的承压板下应力主要影响范围内的承载力。深层平板载荷试验适用于测定埋深大于或等于3m和地下水位以上的地基土层在承压板下应力

主要影响范围内的承载力。这两种平板载荷试验的要点已列入新规范的附录。对测定地下水位以下和埋藏很深的土层的地基承载力,螺旋板载荷试验和旁压试验是比较理想的方法。

螺旋板载荷试验是将螺旋形的承压板旋入地下预定的试验深度,通过传力杆向螺旋板施加竖向荷载,同时观测螺旋板的沉降,以测定地基承载力。

旁压试验是用可侧向膨胀的旁压仪,对钻孔孔壁周围的土体施加径向压力,通过测定旁压器的压力与径向变形的关系,求得地基土在水平方向上的应力应变关系,得到初始压力、临塑压力、极限压力,结合经工程实践验证的地区经验,可以确定地基土的承载力。旁压仪有预钻式、自钻式和压入式三种,预钻式旁压仪必须保证成孔质量,不适用于不易成孔的土层,自钻式不适用于含碎石土,压入式适用于一般粘性土、粉土和软土。

对重要工程及成份或结构很不均匀的土层(如杂填土、风化岩等)进行一定数量的载荷试验是十分必要的,根据载荷试验测定的地基土压力变形曲线确定地基承载力特征值。近年来,因工程需要,对复合地基做了不少载荷试验,但天然地基的载荷试验做的很少,今后应该加强这方面的工作。

另外,静力触探、动力触探和标准贯入试验等・16・

地基极限承载力的计算有下列两种方法:①根据土体的极限平衡理论和已知边界条件,用数学方法求解土中某点达到极限平衡状态时的静力平衡方程组,计算出土中各点达到极限平衡时的应力及滑动方向,求得基底极限承载力。②根据基础的模型试验,研究地基土的实际滑动面并加以简化,按假定滑动面上的静力平衡条件求得极限荷载。前一种方法理论上较严密,但计算过程非常繁琐。后一种方法由于采用不同形状的滑动面

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和不同的简化方法,出现了不少地基极限承载力

公式,但都有各自的假定条件和局限性,都是半理论半经验公式。比较典型的有:

5.1　太沙基(K・Terzaghi)地基极限承载力公式

对中心竖向荷载作用时的条形浅基础(基础的长宽比l/b≥5及基础的埋深d≤b),假定:基础侧面土的抗剪强度可忽略不计(基础埋深较浅或基底以上土层较弱时),以相应的均布侧向超载(q=γd)来代替土层的作用;基础底面是粗糙的;弹性压密区(土楔体)的斜面和水平线倾角为π/4+Φ/2。并从实际工程要求的精度出发作了适当简化,认为浅基础的地基极限承载力为分别考虑以下三种情况计算结果的总和:①土无质量,有粘聚力和内摩擦角,无超载;②土无质量,无粘聚力,有内摩擦角和超载;③土有质量,无粘聚力,有内摩擦角,无超载。

根据以上假定,太沙基对基底下的弹性压密区(土楔体)的静力平衡条件进行研究后得出了极限承载力公式:Pu=(1/2)γbNγ+qNq+cNc式中:Nγ、Nq、Nc为承载力系数,仅与Φ有关,可查表得,太沙基公式的计算结果比较保守。由于圆形基础和方形基础的情况属于三维问题,至今还没有通过数学方法从理论上推导出计算公式,太沙基根据一些试验资料,也提出了类似的公式。

因太沙基极限承载力公式是根据土体整体剪切破坏导得的,故其适用于P2S曲线有明显转折点,破坏前沉降不大的坚硬粘土和密实砂土,而对于局部剪切破坏,沉降较大的松软土质,需采用较小的Φ′、C′值(tanΦ′=(2/3)tanΦ,C′=(2/3)C来计算。

5.2　斯凯普顿地基极限承载力公式

对中心竖向荷载作用时饱和软粘土地基(Φ=0)上的矩形基础(尺寸为b×l),斯凯普顿的地基极限承载力公式为:pu=5c(1+b/5l)(1+

d/5l)+r0d。

5.3　汉森(B・Hansen)公式

在中心倾斜荷载作用下,不同基础形状及不同埋深时汉森地基极限承载力计算公式为:pu=(1/2)rNrirsrdr+qNqiqsqdq+cNcicscdc。汉森公式通过荷载倾斜系数ir、iq、ic解决了倾斜荷载的计算问题;根据各种形状的基础所做的载荷试验对比资料,通过基础形状修正系数sr、sq、sc解决了不同基础形状的计算问题;用深度系数dr、dq、dc考虑了基础底面以上土的抗剪强度的影响;地下水位以下的土采用有效重度,考虑了地下水的影响;并可引入假想的基础有效宽度b′=b-2eb,有效长度l′=l-2el,来解决基础底面的荷载偏心问题。可以看出,汉森公式考虑的承载力影响因素是比较全面的,更符合建筑物地基土的实际受荷情况。

国外通过载荷试验校核汉森公式的计算结果,发现汉森公式用以计算粘性土(Φ值在20°左右)的地基极限承载力结果相当一致。因此,汉森公式已在国外不少规范中得到推荐使用。

我国的上海、天津、交通部港口工程技术规范等也已优选汉森公式作为极限承载力计算模式。上海市通过对褐黄色表层土载荷试验的结果,检验、校核了汉森公式的适宜性,结果也有较好的一致性,已用于计算上海地区浅层土的极限承载力。天津市通过表层土的一些载荷试验资料,检验、校核了太沙基、汉森、斯凯普顿等极限承载力计算公式,只有汉森公式的结果相接近,变化规律也比较一致,新修订的规范已采用了汉森公式。根据上海、天津等地的经验,结合我省的地质情况,建议重点以汉森公式作为极限承载力计算模式进行研究。6　结　语

新规范对地基承载力的确定留给岩土工程师和结构工程师较大的空间,无疑责任也更大了。在实际工作中,应根据地基基础的设计等级,强调载荷试验或其它原位测试的必要性,鼓励应用公式计算,同时要十分重视结合工程实践经验综合确定,努力使建筑地基基础设计做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量。

参考文献

[1]　DB33/1001-2003建筑地基基础设计规范[S].[2]　DGJ08-11-1999地基基础设计规范[S].[3]　DB29-20-2000岩土工程技术规范[S].

根据国内外几个试验报告证实,用此公式计

算软土地基承载力与实测结果比较接近,但由于它采用不固结不排水强度指标计算,对取土、土工试验的要求较高;另一方面,它不适用于软土地基上的硬壳层计算,而此硬壳层通常是软土地区的浅基持力层,这两个因素大大影响了其在我国的推广使用。

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