岩土工程评价与设计讲座之(2).ppt

l岩土工程评价与设计方法讲座 第一部分岩土工程评价方法（下） 同济大学 高大钊 2011年4月 五五. . 勘察报告中的岩土工程评价勘察报告中的岩土工程评价 l1. 地基承载力评价 l主要讨论勘察报告中提供的是什么样的 地基承载力，怎么使用这些承载力的数 据，用什么方法提供地基承载力。 l2. 场地的均匀性评价 l主要讨论均匀性评价的目的究竟是什么 ，怎样看待均匀性问题和怎样评价地基 的均匀性。 1.1.地基承载力评价地基承载力评价 l勘察报告提供的地基承载力特征值仅是强 度参数还是同时满足强度与变形要求的综 合参数？用承载力公式确定的地基承载力 是否必须验算沉降？ l很多勘察单位直接把地基承载力标准值变 为地基承载力特征值。因89规范与2002规 范上部结构荷载组合不同，导致计算出的 基础底面积明显减少，对此很多结构设计 人员提出疑问。 l用平板载荷试验得到的承载力，用公式计 算的承载力，不管是极限还是允许值，也 不管标以什么名称，都是从强度概念得到 的承载力，不包含变形的概念。影响建筑 物变形的因素非常复杂，不可能在用载荷 试验确定的承载力和用公式计算得到的承 载力时能够控制建筑物的变形值。 l建筑物地基基础的设计必须满足强度和变 形两方面的要求，但并不是要求承载力控 制必须同时包含变形控制。 l为什么会形成这种看法的历史渊源？ l40年前的74规范的地基承载力表的配套规 定。当时形成了容许承载力的一个“新”的 定义： 在保证地基稳定和建筑物变形不超 过限值的条件下，地基土所能承受的最大 压力。这个定义进入了学校的教科书，影 响了几代人。 l在国外的规范和教科书中并没有这样的定 义，地基极限承载力除以安全系数得到容 许承载力。仅从强度稳定性角度定义。 l还有一个原因是有些地区的经验规则。 l有的时候，承载力与变形都必须计算， 有的时候强度满足了要求，变形也自然 满足。例如根据上海的地质条件，硬壳 层的载荷试验数值可能达到150kPa左右 ，无论叫比例界限，特征值，临界荷载 ，都是从硬壳层的强度得到的承载力， 用公式计算时是用了硬壳层的抗剪强度 指标，载荷试验试验反映的也就是2 3m厚的硬壳层的承载力。 l而建筑物的沉降，主要是由深层的软土控制 的，基础面积大，应力传得深，受压缩的土 层更厚，这些因素在载荷试验中能反映吗？ 显然不能；在计算公式中能反映吗？也是不 能的。 l所以根据上海的地质条件和工程经验，天然 地基只能用80100kPa，即过去的所谓老八 吨。这个承载力是综合考虑了地基的变形， 一般情况下计算的沉降是可以满足要求的， 但承载力还是强度问题，只是考虑了深层软 土对沉降的影响，取用值比较小一些而已。 l同时，这个承载力也不能对变形打包票 ，在建筑物体型复杂，层高变化大时， 即使用了很低的承载力，建筑物也还是 有可能开裂的。在本书1.6节中详细地介 绍了一些案例，虽然建筑物的层数不多 ，基底压力也并不高，但由于各种因素 的影响，建筑物还是墙面开裂，严重地 损坏了。 l上海的地基基础设计规范从1999年版开 始，采用地基极限承载力公式按基础的尺寸 和埋置深度计算地基承载力，这本规范在最 近的修编工作时。在上海地区，近年来对10 个场地的浅层黏性土和粉土层一共做了39台 平板载荷试验，以验证地基极限承载力计算 公式的适用性。试验结果表明，上海地区浅 层土的地基极限承载力在200kPa300kPa之 间，粉土的承载力高于黏性土，粉土的ps 曲线呈渐变型，无明显转折点；而黏性土的 ps曲线有明显的线性段。 l你谈到了89版建筑地基基础设计规范 和2002版建筑地基基础设计规范 的关系，但大家忽略了还有一本74版的 工业与民用建筑地基基础设计规范 ，而且这是个源头。编制74版规范时， 上部结构设计还没有采用概率极限状态 设计方法，荷载采用的是标准值，地基 容许承载力用p1/4公式计算或查地基承载 力表，设计方法是十分标准的容许应力 法。 l但在编制89版规范时，上部结构设计已经 采用了概率极限状态设计方法，因此地基 设计的荷载也已经用了设计值，与74版规 范相比大约提高了25左右，但由于地基 承载力用的仍是容许值，无法用分项系数 加以调整。尽管当时采取了一些提高地基 承载力值措施，例如c、的统计修正系数 采用85的保证率，深宽修正以后承载力 的增量不到10的也乘以1.1的系数等，但 这本规范颁布以后，总的反映是基础的宽 度设计得宽了，即承载力是用得低了些。 l2002版建筑地基基础设计规范实际 上是回到了74版规范的设计水平，虽然 在细部上有些差别，但在总体上是回到 了74规范，即荷载小了，基础明显减小 了，这是回归到74规范的正常情况，不 需要害怕。2002版规范与74版规范比较 ，安全度是一致的；与89规范比较，将 本来高了一点的安全度拉了下来，不必 有疑问，很正常。 用承载力公式确定的地基承载力用承载力公式确定的地基承载力 为什么必须验算沉降？为什么必须验算沉降？ l建筑地基基础设计规范考虑弹塑性 影响计算的临界承载力，在一定程度上 考虑了变形的影响，却还要验算沉降。 l我想问，按我国建筑地基基础设计规 范公式计算的承载力特征值还需要验 算沉降，是不是存在矛盾。 l建筑地基基础设计规范的公式来源 于前苏联规范。前苏联的规范采用p1/4公 式控制基底压力的目的是为了进行沉降 计算，认为基底以下塑性区的开展深度 没有超过1/4的基础宽度，地基中大部分 区域还处于弹性状态，可以用弹性理论 计算应力，并用以计算沉降。满足了这 个公式恰恰是沉降计算的前提，并不是 基底压力小于p1/4公式计算的结果就不需 要进行沉降计算了。 l建筑地基基础设计规范GB 5007- 2002基本上沿袭了前苏联规范的体系， 用规范的地基承载力公式计算的结果并 不包含沉降必然满足要求的结论。恰恰 相反，几个版本的地基基础设计规范都 强调按照地基承载力公式计算结果确定 的地基承载力，必须验算沉降。 l你的理解上存在一些问题。 l问题之一是混淆了强度与变形两个不同 性质的问题的界限。地基承载力与建筑 物的沉降控制不能加以等同，前者是强 度问题，与沉降控制不存在直接的因果 关系，用强度指标得不到沉降量，用压 缩模量也得不到稳定验算的结果。 l问题之二是不了解如何进行变形控制。 变形控制必须控制计算沉降满足建筑物 的要求，根据不同类型的建筑物，用不 同性质的变形指标来控制，而承载力验 算只与基础尺寸及埋置深度有关，与建 筑物的类型没有直接的关系，因此只验 算地基承载力不能替代变形控制。 l问题之三是地基承载力验算与沉降计算 所涉及的土层深度范围不同。对地基承 载力验算有影响的主要是持力层和软弱 下卧层，层位太深的土层对承载力不会 有什么影响。但深层的土层对沉降量还 是有重要的影响，建筑物的平面尺寸越 大、基础的宽度越宽，对沉降有影响的 深度范围就越深。 承载力公式与经验关系的比较承载力公式与经验关系的比较 l建筑地基基础设计规范计算地基土 强度特征值的公式中涉及土的容重项， 如果地下水位不同时，地基承载力的计 算结果是不一样的。但如按静探结果、 标贯试验或物理性指标计算或查表求其 承载力时，根本与地下水位无关。 l用地基承载力承载力公式计算的方法， 比较具体地反映了工程场地土体抗剪强 度指标对地基承载力的影响、也反映了 地下水的影响，一般计算的结果比经验 公式的结果可能比较大一些，要满足沉 降验算的要求。对抗剪强度试验的要求 比较高，指标的取值对承载力的计算结 果的影响比较大。 l用经验方法确定地基承载力，都是建立 在载荷试验基础上积累的经验，但所涵 盖的范围比较大，经验的成熟程度、当 地验证的程度、取值的可靠性可能存在 比较大的差别，不能一概而论，要具体 分析。 l如果当地经验经过工程验证，比较成熟 可靠，那么可能比公式计算要好把握一 些。但对于笼统地所谓地区经验，没有 验证的工程，那需要慎重对待。 l用高层建筑岩土工程勘察规程的极 限承载力公式可以提供地基承载力吗？ 不知道这能否用于中低层建筑勘察的特 征值取值依据？ l我国规范品种繁多，使人眼花缭乱，这 本规范并非都是为高层建筑而编制的， 有些是针对高层建筑规定的，有些具有 普遍适用的意义，需要具体分析，例如 地基极限承载力公式就并不仅适用于高 层建筑。 国外是否也是分层提供地基承载力的？国外是否也是分层提供地基承载力的？ l现在的勘察报告是按不同深度的土层分 层提供地基承载力，其实质是基本条件 （小压板，无埋深或假定为标准条基） 下的地基承载力。我的问题是国外是 否也是这样做；一般我们是把深层土 假想为在地面处提供地基承载力，看了 几本土力学教材也只是讲天然地基浅基 础承载力公式，多未讲天然地基深基础 承载力公式。 在国外的土力学著作中，包括前苏联，对浅基础 和深基础的承载力问题都是分别讨论的，概念非 常清楚，不可能用浅基础的地基承载力公式去计 算深层土的地基承载力问题。 在我国的许多著作或教材中，对这个问题的概念 也是清楚的。钱家欢教授主编的土工原理与计 算中，第八章地基承载力，其中第五节讲的是 “深基础地基承载力”，在这节开头就说明了两者 的区别：“深基础与浅基础具有不同的破坏特征 ，因而其承载力的确定也各有所异。前面各节所 介绍的承载力计算公式均只适用于浅基础的情况 。本节将讨论深基础地基的破坏特征及其承载力 的确定方法。” 郑大同教授在地基极限承载力的计算一书 中论述了梅耶霍夫对深基础地基承载力的贡献： “50年代，梅耶霍夫进一步考虑了基础底面以上 ，土体发生抗剪强度的影响，从而提出了浅基础 和深基础的极限承载力公式。”“梅耶霍夫在1951 年曾经指出，地基承载力取决于地基土的物理力 学性质（密度、抗剪强度和变形性质），取决于 地基中的原始应力和地下水的情况，取决于基础 的物理性质（基础尺寸、埋置深度和基底的粗糙 程度），而且也取决于建造基础的方法。” 但在工程勘察工作中，不知从什么时候开始 ，要求按不同深度的土层分层提供地基承载 力，而且不管土层的埋藏深度如何，都用浅 基础的地基承载力公式计算深层土的地基承 载力。这种做法对工程实践是不合适的，更 为可怕的是使工程师们的学术思想都搞糊涂 了，基本概念也不讲了，以己之昏昏，怎能 使人昭昭，糊里糊涂地计算，糊里糊涂地应 用，浪费了也没有觉察，危险了在吃安全系 数的余量。 分层提供承载力是一种习惯做法，是历 史的产物，在基础埋深不大的情况下问 题不突出； 如何提供？将深层的土层假定在地面， 设定一个浅基础的宽度与埋深，用规范 的公式计算，要求设计人员按实际埋置 深度进行修正后使用； 或者将浅层土载荷试验得到的承载力， 按相似的物理指标推广到深层土中； l太湖地区湖积平原厂区勘察，建筑物主 要为厂房(最大单柱荷重2000kN)及办公 楼(最大单柱荷重4000kN)，拟采用的结 构型式厂房为排架结构，办公楼为框架 结构，浅基础。 根据本地区地层及拟建建筑物特征，勘 探点布置的深度为10-15m，为满足抗震 规范对场地类别的判别，其中选3个钻孔 加深至20m。 l 0-4.5m 粘土,可(硬)塑，fak=200kPa, Es=6.68MPa 4.5-6.5m，粉质粘土,可塑， lfak =140kPa, Es =5.55MPa 6.5-10.5m,粉土，中密， lfak =140kPa, Es =8.58 MPa 10.5-16.50,粉砂，中密， lfak =200kPa，Es =10.45 MPa l3个加深钻孔揭露的地层为： 16.50-19.00,粉质粘土，软塑, lEs =4.17MPa 19.00-20.00,粘土，可塑, lEs =7.31MPa 经验算，当采用独立柱基，基础宽 度取4.5m时，基础埋深取1.5m，地基土 承载力可满足要求；地基压缩层厚度小 于10m。 l由于加深钻孔深度仅为通过土类估算20m 以浅的剪切波速，以满足对场地类别判 定的要求，故每层仅取3层原状样品，未 提供地基承载力特征值。当我院审核人 认为揭露深度内的地层均要提供地基承 载力特征值。请问16.50m以深的粉质粘 土及粘土层有必要提fak吗？ l根据这两幢建筑物的性质和荷载的大小 ，勘探深度1015m就能满足天然地基浅 基础承载力计算和沉降计算的要求。将 部分钻孔深度增加到20m，完全是为了测 定剪切波速以计算等效剪切波速，确定 建筑场地类别。因此，加深的钻孔资料 ，即对16.5m20.0m范围的土层并不需 要评价地基承载力。 l在这个案例中，基础选型已经比较明确 ，基础埋置深度也能确定，哪些土层是 主要土层，应该比较清楚了。所以，你 对16.5m以下的土层，不按主要土层的要 求取土，也不需要提供地基承载力的建 议值，这是符合强制性条文规定的。 l看四份岩土工程报告，其中两份是国内 的，两份是由国外岩土工程师编写的， 一份在国外，一份在国内。 l某冲压机车间 l某电厂扩建工程 l美国加州的一个超市 l国内的一个商城 l实例1.1-1软土地区某冲压车间压机 基础的岩土工程勘察，压机基础尺寸为 24m86.5m，基底总压力为204kPa，采 用桩基础。考虑3种不同桩长的方案，桩 的入土深度分别为45m、60m和65m，桩 端持力层分别为第b、第 b、和第 层，因此钻孔深度91.45m，勘探深度范 围内揭露了十多层的土层。 l对于这样的一个项目，已经明确采用长 桩基础的工程，还要在勘察报告中分层 地提供那么多土层的地基容许承载力， 不知道其目的究竟是什么？地基基础设 计根本不需要这些土层作为天然地基的 持力层，也不需用这些土层的地基承载 力进行设计。特别是这些深层土的地基 承载力，用浅基础地基承载力公式计算 得到的这些数据既没有什么用处，也没 有什么物理意义，显然是多余的。 l实例1.1-2国内某电厂扩建工程的岩 土工程勘察报告。主厂房为框架和排架 结构两种结构型式，采用天然地基方案 ，勘探孔深度39m42m，揭露了9层土 层，对各个主要土层均进行了地基承载 力的分析与计算，地基容许承载力的综 合建议值。 l这份资料的特点是已经明确采用天然地 基上的浅基础，设计主厂房的基础埋置 深度为6.5m，基底最大压力为200kPa。 第1层土层的埋藏深度正好在6.5m左右 ，对表1-2中所提供的地基承载力进行深 宽修正以后的地基承载力也大于基底最 大压力，因此采用1层作为主车间基础 的持力层是可行的。 l实例1.1-3这是一份美国加州某超市 的岩土工程报告。建设场地的面积为 74000m2，建筑面积为21500m2，结构为 单层排架。由结构自重产生的柱荷载为 ：内柱385kN，外柱267KN；由活荷载所 产生的柱荷载为680kN，地坪均布荷载为 7.3kPa，最大集中荷载为23kN；承重墙 荷载为181.4kN/m272.1kN/m，非承重墙 荷载为22.3kN/m90.7kN/m。 实例1.1-3这是一份美国加州某超市的岩土工程报告。建设场 地的面积为 74000m2，建筑面积为 21500m2，结构为单层 排架。由结构自重产生的柱荷载为 ：内柱385kN，外柱267KN；由活荷载所产生的柱荷载为 680kN，地坪均布荷载为 7.3kPa，最大集中荷载为 23kN；承重墙荷载为 181.4kN/m272.1kN/m，非承重墙荷载为 22.3kN/m90.7kN/m。4 l该场地典型的土层柱状图见图1-1，基础设 计所需的地基容许承载力数值见表1-3。这 份报告表明，岩土工程分析需要以确切的上 部结构传至基础的荷载为依据，才能进行必 要的计算。对于地基承载力，对于采用天然 地基的项目，只需要分析持力层的地基承载 力，不需要分层提供每层土的地基承载力。 资料也表明，评价地基承载力时，如果采用 极限承载力公式计算，可以按照不同的荷载 组合，分别采用不同的安全系数。 l实例1.1-4由国外的岩土工程师为外 商投资建于国内软土地区的某商城编写 的岩土工程报告。该商城场地面积 18600m2，周边长度160m105m。建筑 物全景见图1-2，由北、东、西三个塔楼 和裙房组成，北塔楼地上48层，框剪结 构，基础尺寸55m43m，基底平均压力 为350kPa；东、西塔楼均为地上32层， 框剪结构，东塔楼基础面积32m72m， l基底平均压力为265kPa，西塔楼基础面 积32m55m，基底平均压力为265kPa； 裙房为地上8层，框架结构，基底平均压 力为150kPa。全部采用筏板下的桩基础 ，满堂布桩，桩径500mm、壁厚9mm的 钢管桩，桩长35m，单桩承载力1330kN 。北塔楼的基坑开挖深度为7.5m，东、 西塔楼为6.5m，裙房为4.5m。 提供分层承载力的主要问题提供分层承载力的主要问题 1.将勘察报告的结论建立在缺乏物理概念 的基础之上； 2.在工程中采用这种方法确定地基承载力 ，存在许多无法估计的不确定性，可能 是安全隐患，也可能会造成资源浪费； 3.将在基础埋置深度不深的历史条件下得 到的深宽修正的经验方法，推广到10余 米以致20多米的深度，对所引起的可能 问题没有充分地估计； 4.由于高层建筑的大量采用，基础埋置深 度的急剧增大，由于确定地基承载力方 法的不科学性带来的问题日益严重； 现在应该冷静地分析和考虑如何解决这 个问题。 2.2.场地的均匀性评价场地的均匀性评价 l场地的均匀性评价是岩土工程勘察的重要内 容，但对怎样认识均匀性与均匀性评价的作 用存在不同的理解，因而做法与结果也就不 同。 l重点讨论这三个问题： l评价场地均匀性的作用是什么？ l如何认识与处理场地土层的不均匀性？ l场地均匀性的评价方法 场地均匀性评价的作用是什么？场地均匀性评价的作用是什么？ l场地均匀性评价是手段而不是目的； l为基础方案选择和采取工程措施提供依 据； l为方案或设计成果的比较提供建筑物性 状的定量或半定量的计算结果； l勘察阶段的均匀性评价不是最终结果。 场地均匀性评价是手段场地均匀性评价是手段 而不是目的而不是目的 l场地均匀性评价不是简单地说明自然界 ，而是为了工程建设（设计与施工）的 需要，分析与说明地基岩土层力学性状 的均匀性。 l因此，均匀性评价的前提是工程建设的 要求，均匀性评价的内容是分析地基的 均匀性对建筑物的影响，均匀性评价的 结果为工程设计与施工方案提供依据。 为基础方案选择和为基础方案选择和 采取工程措施提供依据采取工程措施提供依据 l勘察报告中均匀性评价的结果不是“均匀 还是不均匀”，也不是简单的“是否适宜 于建设”之类的结论，更无法得出建筑物 的不均匀沉降是多少，是否满足规范要 求等等的结论，而是提出设计时应注意 什么问题，对基础选型有什么要求，可 能采取什么工程措施等的建议。 l勘察阶段的均匀性评价主要着眼于地质条 件，说明地质条件对建筑物会产生什么样 的影响，设计施工时应采取什么对策。 l例如，对山区土岩组合地基，跨在两种不 同地质单元上的建筑物地基，硬层或软弱 层的厚度变化比较大的地基等，这种地质 条件的不均匀性会对建筑物带来不利的影 响，在基础选型、甚至上部结构选型时应 该选择适应性比较强的结构体系或基础的 类型。 l或在地基基础设计时，采取一些特殊的 工程措施，例如设置褥垫层以调节不均 匀沉降，又如在建筑物适当部位设置沉 降缝以适应地基的不均匀沉降。 l至于，由于地基的不均匀性所产生的不 均匀沉降是多少，有些同行希望在勘察 阶段进行计算，或者审图要求计算的事 。我告诉大家，在勘察阶段是计算不出 来的，即使在设计阶段，也不是所有的 情况都能计算的。 如何认识与处理场地土层的如何认识与处理场地土层的 不均匀性？不均匀性？ l天然土层是均匀的还是不均匀的？ l从地质学的观点来看，总是不均匀的， 但从工程学的观点来看，在工程影响的 范围内，需要进行局部化处理，将这个 局部作为均质体处理，例如相同的成因 类型，同一个地质单元，同一个土层， 将其作为一个力学层。 l这样局部化处理以后，对于局部化处理 以后的地质体，就可以抽样试验，可以 统计分析，可以引用均质体的理论进行 力学的分析计算。 l一切岩土工程的勘探、取样试验、资料 的统计分析、代表性指标的取值、代人 解析解公式的计算、进入数值分析程序 进行数学模拟都是建立在均质体假定的 基础上进行的，如果不承认这个假定， 那现行的设计计算就什么都不能做了。 l但是，在岩土工程界，有的同行并不认 同这个观点。 l作为学术研究，当然是可以的。 l但作为岩土工程师处理实际工程问题的 基本观点，却使我深深地担忧，在年轻 一代的岩土工程师中，确实存在着缺乏 工程实践的基本训练，缺乏正确的统计 概念和力学概念这种状况，对于工程师 的成长，对于正确的工程判断和处理工 程问题是非常不利的。 lA高教授能参与我们的讨论，我感到很荣幸 也很惶恐，我斗胆想继续发表一些与高教授 不同的观点，希望提前得到高老的原谅，在 此先谢谢高老。 l我感到我们的讨论已经上升到了认识论与方 法论的高度了：1、高老认为地质体是均质 的，数据的离散性主要来源于取样、试验等 具体环节，因此用数理统计的方法来消除抽 样试验方面的误差，进而导出了关于场地的 认识、土样数量问题和均匀性评价等等问题 的认识，认为公式中常用到经验系数和修正 系数主要是修正此类不确定因素带来的误差 ； l2、另一种观点认为地质体是非均质的， 要研究其性质必须要有足够的数量的试 验，要在建筑物的不同位置布置勘探点 ，研究其不均匀性，至于数据离散性问 题主要强调用统一的方法、设备和标准 来规范其操作行为，因此而带来的误差 是统一的，个别样品的差距主要表现了 抽样母体的差别，因此要用建筑物不同 位置上的数据来评价其均匀性和倾斜等 问题。 l另一位网友发表了不完全相同的观点： l我认为在宇宙中没有绝对的均质物体， 岩土体也一样，如果不按均质体研究， 你有办法反映岩土的量化数据么？你提 出了地层的物理力学数据，就与你的前 提矛盾了，你无法勘察，无法提供勘察 报告。 l从地质勘察的角度来看，其研究对象主要是 地质体，估计没有人能否认地质体是非均质 、各向异性的，反过来说就是没有人能证明 地质体是均质的；但勘察成果是为工程设计 服务的，从设计角度来看，所有的计算模型 或理论均假设地质体是均质，都要按均质的 理论来进行设计和计算，所以勘察报告中提 供的承载力也好、其它任何指标也好都是把 地质体的性质做了均质化处理，所用的方法 就是数理统计的方法即抽样调查的法则，这 个过程也就是岩土工程勘察工作。 l总而言之就是勘察人认为地质体是非均 质的，通过勘察过程将一定范围内的地 质体的性质做均质化处理，将结果提供 设计人员使用，一个好的勘察人员必须 要明白你所做的均质化处理是否准确可 靠、其风险概率有多大等问题；工程设 计人员要求将地质体看做地均质的，但 一个好的设计师必须要了解地质体的非 均质性所带来的后果，并妥善处理好它 们的关系。我想这也正是岩土工程师所 必须具备的最基本的概念和素质要求。 l自然地质条件是复杂的，岩土体是不均匀的 ，这是大家公认的事实，但作为工程研究的 对象，需要认识它，研究它和处理它，又不 得不把它局部化和简单化，忽略次要的，解 决主要的矛盾，这可能是自然科学研究和工 程技术研究的不同之处。 对于不同类型的均匀性问题用对于不同类型的均匀性问题用 不同方法来处理。不同方法来处理。 l作为岩土工程师，对于你勘察的场地， 首先要做地质工作，从地质成因和地层 年代上要区分清楚，是洪冲积的还是残 坡积的，是河漫滩还是阶地，是第四纪 地层还是老地层，这就是所谓的把地质 单元划分正确，这是进一步考虑布置勘 察试验工作的基础。 l对于同一个地质单元是否就是均匀的呢？ 不一定，例如土层厚度很可能是不均匀的 ，即使在平原地区，土层厚度也常常有较 大的变化，因此需要用勘探点的间距来控 制其厚度变化，不同的基础类型对土层厚 度的敏感性不同，因而布孔间距的要求是 不同的。但有些地区的均匀性有其特殊的 问题，例如喀斯特地区，岩溶是无法用勘 探孔间距来控制的。 l从土的性质来研究土层均匀性，一般认 为同一地质单元可以作为均质体来处理 ，可以采用统计的方法来处理试验指标 。如果不承认这一点，即使是最简单的 计算平均值的方法也就失去了理论的前 提，就不能用平均值来处理试验结果。 也失去了钻孔抽样取土试验的理论依据 ，那麻烦就大了。 l将试验指标用于工程计算时，计算公式 的推导都有均质土的假定，计算基础中 点沉降时，你必须承认土层是均匀的， 包括深度方向和水平方向都是均匀的， 如果不承认这一点，这个计算土中应力 的公式就不成立，还计算什么？ l如果认为同一个地质单元也存在不均匀性 ，而又希望把这种不均匀性探明显示出来 。如果采取在建筑物四个角点分别取土试 验的方法，但在水平方向上怎么把握两个 钻孔之间的变化呢？认为一个孔的数据能 代表多大的范围，1m？2m？还是多少？就 没有底了。如果认为在深度方向上同一个 土层也存在不均匀性，那在两个取土点之 间的不均匀性又如何把它探明？因此在对 同一地质单元的不均匀性假定的基础上的 勘察工作，连取土点的确定都会有很大的 争议，事情就做不下去了。 l在均质土假定的基础上，把各个勘探点、 各个取样点的数据的差异看成是随机因素 造成而不是系统因素造成的，这些随机因 素包括当年沉积时物质的差异、年代的差 异、沉积条件的差异、取土扰动程度的差 异、试验条件的差异等等。在这样假定的 基础上，就可以用统计的方法来处理这些 数据的随机误差了，数据的离散性或变异 性是反映这种随机因素影响的定量指标， 通过计算，可以估计这些随机误差对计算 结果所造成的影响有多大，这就是误差估 计和可靠度分析。 l因此在计算一幢建筑物的沉降时，一般 都分层采用各层土的综合压缩曲线去确 定其相应压力段的压缩模量，而且对于 一个场地，如果是同一个地质单元，也 只分层地给出了每层土的综合压缩曲线 。 l如果发现发现 某一个范围围存在明显显的指标标差 异，那很可能是在地质单质单 元的划分上出 了问题问题 。 防止不均匀性对建筑物的危害防止不均匀性对建筑物的危害 l地基不均匀性对建筑物的危害主要使建 筑物倾斜与开裂。 l事先防范事故的发生无疑是十分重要的 ，在地基基础设计时，对于那种十分明 显的不均匀地基，例如软硬不均的地基 ，部分基岩出露的地基，半填半挖的地 基，存在暗浜的地基等等，首先需要加 以界定，划分其界限，分别研究其压缩 性，而是否会产生有害的不均匀沉降， l不均匀性一般不是靠计算出来的，而是 根据工程的判断，解决的方法是采取工 程措施，使其均匀化，一般也不是靠计 算结果来保证工程安全的。产生不均匀 沉降的因素很多，地基压缩性的不均匀 性仅是一个方面，而土层的厚度变化， 荷载的差异、荷载的偏心、施工时的扰 动等可能是更重要的因素，它们所产生 的不均匀沉降的数量级往往远大于压缩 性的不均匀。 l人们在事先精确控制建筑物倾斜和开裂 的本领还不大，特别依靠沉降计算的结 果来控制不均匀沉降更是不太现实。为 了保证工程的安全一般从两个方面控制 ，一是采取工程措施来控制上述产生不 均匀沉降的诸多因素，不使其发生，或 降低其危害；二是控制计算平均沉降量 的数量级，即控制基础底面的压力值， 这就是变形控制设计的方法。 地基均匀性如何评价？地基均匀性如何评价？ l地基均匀性评价是否可理解为对持力层 和下卧层的均匀性评价，对土层的评价 结论是否说土层为均匀或不均匀地基土 ，还是地基为均匀或不均匀地基？而且 对场地土层是否应该全部进行评价？我 曾经见过一份报告上对本应该在基础开 挖将被挖除的填土层评价其均匀性，本 人认为不合理，是否正确？ l这是不均匀地基吗？ l根据你所列举的这个地质剖面，从土层 的厚度分布，我实在看不出地基的均匀 性存在什么问题。从现象上看，填土层 的底面坡度比较大，似乎应该判为不均 匀地基，但建筑物的基础落在第层粉 质黏土层上，将填土挖去了还有什么均 匀性的问题呢？ l对对于高层层建筑岩土工程勘察规规程 JGJ72-2004关于地基均匀性评评价的有关 规规定，可能存在不同的理解，也需要进进 行必要的讨论讨论 ： l1) 均匀性判断要求进行的，是“沉降、 差异沉降、倾斜等特征分析评价”，并不 是要求进行精确的定量计算。 l2) 均匀性判断的目的是为了重视地貌、 工程地质单元和地基岩土层结构等条件 对建筑物具有重要的控制性影响。 l3) 其实模量当量值之比就等于虚拟变形 之比，比较相同基底应力条件下的模量 当量值之比，可以把基底应力约去，应 力面积化为单位应力面积，再将分子分 母中的单位应力面积约去，最后只剩下 虚拟变形的比值。 l由于对规范的理解有偏差，引出一些比 较重要的观念差别： l均匀性评价与沉降计算的关系 l均匀性评价并不等同计算沉降 l均匀性评价与沉降计算的内容不同 l均匀性评价与沉降计算的条件不同 l均匀性评价与沉降计算的结果不同 是否必须同时满足以下条件？是否必须同时满足以下条件？ l高层建筑岩土工程勘察规程8.2.4条 给出了不均匀地基的判定标准，符合其 中一条就是不均匀地基了。 那么是不是要判断为均匀地基的时候必 须同时满足以下条件呢？ （1）地基持力层位于相同地貌单元或工 程地质单元，工程特性差异不大； l（2）地基持力层位于相同地貌单元或工 程地质单元，且满足下列条件： 中高压缩性地基，持力层底面或相 邻基底标高的坡度小于10%； 中高压缩性地基，持力层及其下卧 层在基础宽度方向上的厚度差值小于 0.05b（b为基础宽度） （3）处于同一地貌单元，且Esmax / Esmin小于地基不均匀性系数界限值K。 l在8.2.1条第2款“地基均匀性”评价是强制 性条文，说明在勘察报告中必须评价地 基的均匀性。 l但8.2.4条并不是强制性条文，这条是如 何评价均匀性的方法，规范做了概括， 但并不是非用这些方法不可，用其他方 法是不是就不行了呢？不是的，在这本 规范之前，岩土工程师早就会评价地基 均匀性了，而且各个地方也有不同的经 验，是否可以呢？当然是可以的。 l条文说：“对判定为不均匀的地基，应进 行沉降、差异沉降、倾斜等特征的分析 评价，并提出相应建议。”怎样理解这一 条？有人说，根据这一条就应该在勘察 报告中计算差异沉降。但我实在看不出 来，规范是讲分析评价，例如是岩土组 合地基，那即使是体形非常简单的建筑 物，荷载非常均匀的建筑物，还是会有 不均匀沉降，而且肯定土基方向沉降大 ，那么采取什么措施呢？ l在岩基段采用褥垫是一种可以建议的工程措 施。如果要你把差异沉降给计算出来，那可 没有办法计算。 l从上面这条规定不能得到相反的结论，说如 果评价为均匀地基，就不需要建议设计验算 沉降了。因为引起建筑物不均匀沉降的原因 很多，除了不均匀地基的因素之外，还有其 他很多的因素，例如，建筑物的层数或高度 有比较大的差异，荷载的分布不均匀，荷载 的重心与基础形心不重合等结构的因素都会 产生不均匀沉降。 l因此，勘察报告的重点是要从地基角度 发现不均匀性，建议设计采取工程措施 ，而不在于强调地基的均匀性，最多是 说从地基角度来看，没有发现对建筑物 变形产生不利影响的不均匀性。 l这一条的第一款，是从地貌和地质单元 的角度分析是否是不均匀地基，这主要 根据工程师的知识和经验来判断。 l第二款是从土层的厚度是否变化过大来 判断，其中，第1点，持力层底面标高的 坡度比较明确，但相邻基础底面标高之 说在勘察阶段一般都是没有最后确定的 ，实在难以判断的。但第2点是用基础宽 度表示，以0.05b为限制，实际上就是厚 度的变化不大于5，这里并不需要和基 础宽度联系起来，勘察阶段一般宽度也 没有最后确定，同时这个规定与第1点的 10也是有些矛盾的，两种计算结果可 能会不一致的。 10% 0.10b 0.10b 0.10b l第三款就比较玄乎了，规范在条文说明 中也认为是“定性评价地基不均匀性的定 量方法”。首先，均匀性评价是定性的， 为什么是定性的呢？因为无法准确定量 ，如果能定量那何必称为定性呢？既然 如此，那么这种定量计算的结果究竟有 多少的把握呢？因为这里涉及许多不定 的因素，基础的尺寸不知道，如何计算 应力面积呢？ l例如计算模量当量值时，应力面积A如何计 算，从沉降计算公式可以知道，应力面积与 基底附近应力的大小有关，应力的扩散和基 础宽度有关，现在基底压力、基础宽度、埋 置深度都不能确定，怎么计算应力面积呢？ 再说变形计算深度范围也不能确定，即使用 最简单的经验公式，也需要基础的宽度多大 。当然，对于与结构设计关系密切的勘察单 位，可以得到比较确切的数据，但不是都能 得到的，如果没有数据而胡乱计算，判断错 了，那不耽误事情吗？ l因此如果岩土工程师发现土层的模量变化 比较大，那就提醒设计注意计算差异沉降 不就得了。 l均匀性评价实际是一个定性的经验判断， 主要依靠工程师的经验，特别是地方经验 。离开了具体地质条件的特点，希望用一 种计算的方法来规范化，主观愿望是好的 ，但地质条件千变万化，无法抽象到完全 理性的程度。把某些地方的经验推广到全 国，应该慎之又慎，何况现在动不动就要 强制执行的情况下，更应该慎重。 l某高层楼18层，埋深6.5m，地下两层， 持力层主要坐落在中砂层上，其中东南 角为细砂层，根据高层建筑岩土工程 勘察规程JGJ72-2004第8.2.4-1条的方 法判为非均匀地基。报告中给出的原因 是地基持力层跨越了两个地质单元（中 砂、细砂）。我想请教的是在这个楼的 一小角有这么点细砂就导致成不均匀地 基，这个是不是有点严重了？ 一个案例 l中砂和细砂是否就是两个不同的地质单 元？是否就构成了不均匀地基？ l中砂和细砂是砂土的两个亚层，如果用 其他的土分类体系，就不可能划分为两 个土层。 l如果有力学指标，就可以从力学性质来 讨论是否需要划分两个力学层，没有力 学指标仅根据粒度成分的这些差别，划 分不均匀地基的依据就非常不充分。 l只知道基底平均压力，上部荷载怎样分 布，如何偏心一概不知道，根据楼四个 角点的钻孔柱状图资料的沉降来计算每 个孔位的沉降量，宽度方向两个钻孔的 沉降量相减再除以钻孔间距就是倾斜， 其倾斜值非常非常之小，都小于 0.000001，远远小于规范要求。这样的 沉降计算具有什么工程意义？ l我们需要不需要这样的沉降计算？回答应该是 不需要！为什么？ l1. 勘察阶段不具备计算不均匀沉降的条件； l2. 这种计算结果并不是建筑物的不均匀沉降； l3. 这百万分之一的“倾斜”说明了什么？从工程 角度来看，根本就没有倾斜，如果没有这种判 断能力怎么当工程师？ l4. 我们的计算和测量有这样的精度吗？ l5. 这样的计算并不能提高岩土工程勘察的地位 ，可能适得其反。 l地基土的均匀性与不均匀性应当是一个 定性的问题。在高层建筑岩土工程勘 察规程JGJ72-2004中人为地给出了定 量的分析标准，并且规定了判定为不均 匀的地基应进行变形计算分析，而没有 规定判定为不均匀地基的建筑物可以不 进行变形计算。这样对不对？ l是否需要计算沉降不应该单纯由地基是 否均匀来确定； l不均匀的地基固然需要计算沉降，但均 匀的地基并不是就不需要计算沉降； l认为均匀地基可以不计算沉降的说法是 错误的； l因为地基的均匀性并不是确定是否需要 计算沉降的充分条件。 六六. . 岩土工程设计荷载取值与岩土工程设计荷载取值与 安全度控制方法安全度控制方法 l1.什么是极限状态? l2.到底有几种设计方法？ l3.如何处理岩土工程与上部结构不同设计 方法所带来的问题? l4.如何控制岩土工程的安全度？ l5.怎样计算荷载？ 1.1.什么是极限状态什么是极限状态? ? l从设计方法的发展历史来看，从工作状 态设计逐步演变为极限状态设计。 l极限状态设计是将建筑物的工作状态与 极限状态之间保持一个足够充分的安全 储备，以保证建筑物的承载力或正常使 用的要求都得到满足。 l承载力极限状态与正常使用极限状态是 两种不同性质的极限状态控制方法。对 应于结构或结构构件达到最大承载力或 不适于继续承载的变形的状态称为承载 能力极限状态。对应于结构或结构构件 达到正常使用或耐久性能的某项规定限 值的状态称为正常使用极限状态。 l承载能力极限状态可理解为结构或结构 构件发挥允许的最大承载能力的状态。 结构构件由于塑性变形而使其几何形状 发生显著改变，虽未达到最大承载能力 ，但已彻底不能使用，也属于达到这种 极限状态。疲劳破坏是在使用中由于荷 载多次重复作用而达到的承载能力极限 状态。 l按照我国统一标准的规定，当结构或结 构构件出现下列状态之一时，应认为超 过了承载能力极限状态： l1） 整个结构或其一部分作为刚体失去 平衡； l2） 结构构件或连接因超过材料强度而 破坏，或因过度变形而不适于继续承载 ； l3） 结构转变为机动体系； l4） 结构或结构构件丧失稳定； l5） 结构因局部破坏而发生连续倒塌； l6） 地基丧失承载力而破坏； l7） 结构或结构构件的疲劳破坏。 l正常使用极限状态可理解为结构或结构 构件达到使用功能上允许的某个限值的 状态。例如，某些构件必须控制变形、 裂缝才能满足使用要求。因过大的变形 会造成如房屋内粉刷层剥落、填充墙和 隔断墙开裂及屋面积水等后果；过大的 裂缝会影响结构的耐久性；过大的变形 、裂缝也会造成用户心理上的不安全感 。 l按我国统一标准的规定，当结构或结 构构件出现下列状态之一时，应认为 超过了正常使用极限状态： l1） 影响正常使用或外观的变形； l2） 影响正常使用或耐久性能的局部损 坏； l3） 影响正常使用的振动； l4） 影响正常使用的其他特定状态。 l根据欧洲规范的规定，岩土工程的承载力 极限状态可以具体区分为下面5种承载力 极限状态设计。 l1） 结构物或岩土体作为刚体失去平衡， 在这种极限状态验算时，结构材料和岩土 的强度对抗力是不重要的，这种极限状态 简称为EQU。 l2）结构或构件的内部破坏或过大变形， 包括基础、桩和地下室侧墙等，在这种极 限状态验算时，结构材料强度对抗力是至 关重要的，这种极限状态简称为STR。 l3）岩土体的破坏或过大的变形，在这 种极限状态验算时，岩土的强度对抗力 是至关重要的，这种极限状态简称为 GEO。 l4）由于水的浮力或其他竖向力引起结 构物或岩土体平衡的丧失，这种极限状 态简称为UPL。 l5） 由于水力梯度所引起的岩土体隆起 、冲刷或管涌，这种极限状态简称为 HYD。 l根据我国统一标准的规定和欧洲规范的条 文，“地基丧失承载力而破坏”或“岩土体 的破坏或过大的变形”都是承载力极限状 态的一种。因此，地基承载力计算，按其 性质来说，应该取用承载力极限状态的基 本组合。但由于建筑地基基础设计规范 所提供的地基承载力按其性质是地基容 许承载力，在设计表达式中不直接出现安 全系数，不具备使用荷载设计值的条件， 只能取用荷载的标准值，这是由所采用的 设计方法决定的。 2.2.到底有几种设计方法？到底有几种设计方法？ l请问分项系数设计方法是否就是多系数 设计方法？和总安全系数法有什么区别 ？建筑地基基础设计规范GB50007- 2002所采用的究竟是什么设计方法？这 种设计方法与极限状态设计又有什么关 系？ l定值法： l 容许应力法 l 总安全系数法（单一安全系数法） l 多系数法（均质系数、超载系数） l概率法： l 分项系数法（近似概率法） l 全概率法 l极限状态的数学表达式称为极限状态方 程，极限状态方程是当结构处于极限状 态时各有关基本变量的关系式。 l基本变量是指影响结构可靠度的各种物 理量，它包括： l引起结构作用效应S（内力等）的各种作 用和环境影响，如恒荷载、活荷载、地 震、温度变化等； l构成结构抗力R（强度等）的各种因素， 如材料和岩土的性能、几何参数等。分 析结构可靠度时，也可将作用效应或结 构抗力作为综合的基本变量考虑。 l如令R为抗力函数；S为作用函数，则极限状 态方程可表达为： l抗力与作用之比称为安全系数 KR/S l两者之差称为安全储备： l这是两种不同的安全度控制的方法，即安全 系数控制方法和失效概率（或可靠指标）控 制方法。 l失效概率定义为安全储备等于零的概率， 即 lpfp（z0） l采用允许应力法的设计表达式描述工作状 态的作用效应与抗力效应的关系，作用效 应采用标准组合，抗力效应以容许值（包 括试验曲线的某种特征点，或理论公式的 计算结果）表示，其安全度是隐含的，并 不出现在设计表达式中。在允许应力法计 算中，不使用安全系数或分项系数。 l采用总安全系数设计法的表达式描述的是 极限状态的作用与抗力的平衡关系。其中 ，抗力效应是极限值，包括试验曲线上的 极限临界值，或根据极限理论计算的结果 ，作用效应是标准组合。在设计表达式中 ，总安全系数出现在抗力项的分母中，当 然也可以理解为乘以作用效应的标准值再 与抗力的极限值相平衡。 l采用分项系数设计法的表达式描述极限 状态下设计验算点的抗力效应的设计值 与作用效应的设计值的平衡关系。设计 验算点的失效概率是最大的，因此用验 算点的坐标（即设计值）来控制设计。 l我国现行规范的主体工程结构设计方法 主要采用分项系数法，而现行规范的岩 土工程设计原则大多是多种设计方法并 用。 l这这种现现状就使设计设计 工作复杂杂化了，不弄 清楚这这些问题问题 ，很容易出现错误现错误 。 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范 l建筑地基基础设计规范 采用了多种 设计方法。 l地基承载力设计采用容许承载力法，即 工作状态设计方法。 l地基稳定性计算采用总安全系数法,设计表 达式（13-5）即为该规范的式（5.4.1）： l岩石锚杆抗拔承载力验算采用允许应力法 l式中的f值为水泥砂浆或混凝土与岩石间的 粘结强度特征值，即容许粘结强度值。 l第6章挡土墙稳定性验算采用总安全系数 法 。 l第8章基础结构承载力验算采用分项系数 法，所有的设计表达式中，作用均为基底 的净反力或由净反力产生的基础结构内力 ，强度均为混凝土材料的相应强度设计值 。 3 3. .如何处理岩土工程与上部结构如何处理岩土工程与上部结构 不同设计方法所带来的问题不同设计方法所带来的问题? ? l地基基础与上部结构无论在使用功能、 荷载传递或者建筑施工等方面都是不可 分割的一个整体。 设计时应从上部结构 到地基基础，逐步传递荷载，始终保持 各部分构件的静力平衡和满足强度变形 的要求。 l由于技术发展的侧重面不同，上部结构 和地基基础的设计方法处于不同的发展 阶段。上部结构比较早地开始实行了向 概率极限状态设计的过渡，而地基基础 则仍处于总安全系数设计阶段（例如桩 基设计、挡土墙设计），甚至有些部分 尚停留在容许应力设计阶段（例如地基 承载力设计）。 l目前由于上部结构与地基基础设计原则 的不统一，各种规范执行不同的荷载规 定，设计值与标准值混用；不同规范按 不同的安全度标准建立评价体系，给设 计人员带来太多的麻烦，造成很多误解 。其结果是要么可能造成浪费，要么可 能造成潜在的危