巖土工程評價與設計講座之.ppt

巖土工程評價與設計方法講座 第一部分巖土工程評價方法（下）,同濟大學 高大釗 2011年6月,五. 勘察報告中的巖土工程評價,1. 地基承載力評價 主要討論勘察報告中提供的是什么樣的地基承載力，怎么使用這些承載力的數據，用什么方法提供地基承載力。,2. 場地的均勻性評價 主要討論均勻性評價的目的究竟是什么，怎樣看待均勻性問題和怎樣評價地基的均勻性。,1.地基承載力評價,勘察報告提供的地基承載力特征值僅是強度參數還是同時滿足強度與變形要求的綜合參數？用承載力公式確定的地基承載力是否必須驗算沉降？ 很多勘察單位直接把地基承載力標準值變?yōu)榈鼗休d力特征值。因89規(guī)范與2002規(guī)范上部結構荷載組合不同，導致計算出的基礎底面積明顯減少，對此很多結構設計人員提出疑問。,用平板載荷試驗得到的承載力，用公式計算的承載力，不管是極限還是允許值，也不管標以什么名稱，都是從強度概念得到的承載力，不包含變形的概念。影響建筑物變形的因素非常復雜，不可能在用載荷試驗確定的承載力和用公式計算得到的承載力時能夠控制建筑物的變形值。 建筑物地基基礎的設計必須滿足強度和變形兩方面的要求，但并不是要求承載力控制必須同時包含變形控制。,為什么會形成這種看法的歷史淵源？ 40年前的74規(guī)范的地基承載力表的配套規(guī)定。當時形成了容許承載力的一個“新”的定義： 在保證地基穩(wěn)定和建筑物變形不超過限值的條件下，地基土所能承受的最大壓力。這個定義進入了學校的教科書，影響了幾代人。 在國外的規(guī)范和教科書中并沒有這樣的定義，地基極限承載力除以安全系數得到容許承載力。僅從強度穩(wěn)定性角度定義。,還有一個原因是有些地區(qū)的經驗規(guī)則。 有的時候，承載力與變形都必須計算，有的時候強度滿足了要求，變形也自然滿足。例如根據上海的地質條件，硬殼層的載荷試驗數值可能達到150kPa左右，無論叫比例界限，特征值，臨界荷載，都是從硬殼層的強度得到的承載力，用公式計算時是用了硬殼層的抗剪強度指標，載荷試驗試驗反映的也就是23m厚的硬殼層的承載力。,而建筑物的沉降，主要是由深層的軟土控制的，基礎面積大，應力傳得深，受壓縮的土層更厚，這些因素在載荷試驗中能反映嗎？顯然不能；在計算公式中能反映嗎？也是不能的。 所以根據上海的地質條件和工程經驗，天然地基只能用80100kPa，即過去的所謂老八噸。這個承載力是綜合考慮了地基的變形，一般情況下計算的沉降是可以滿足要求的，但承載力還是強度問題，只是考慮了深層軟土對沉降的影響，取用值比較小一些而已。,同時，這個承載力也不能對變形打包票，在建筑物體型復雜，層高變化大時，即使用了很低的承載力，建筑物也還是有可能開裂的。在本書1.6節(jié)中詳細地介紹了一些案例，雖然建筑物的層數不多，基底壓力也并不高，但由于各種因素的影響，建筑物還是墻面開裂，嚴重地損壞了。,上海的地基基礎設計規(guī)范從1999年版開始，采用地基極限承載力公式按基礎的尺寸和埋置深度計算地基承載力，這本規(guī)范在最近的修編工作時。在上海地區(qū)，近年來對10個場地的淺層黏性土和粉土層一共做了39臺平板載荷試驗，以驗證地基極限承載力計算公式的適用性。試驗結果表明，上海地區(qū)淺層土的地基極限承載力在200kPa300kPa之間，粉土的承載力高于黏性土，粉土的ps曲線呈漸變型，無明顯轉折點；而黏性土的ps曲線有明顯的線性段。,你談到了89版建筑地基基礎設計規(guī)范和2002版建筑地基基礎設計規(guī)范的關系，但大家忽略了還有一本74版的工業(yè)與民用建筑地基基礎設計規(guī)范，而且這是個源頭。編制74版規(guī)范時，上部結構設計還沒有采用概率極限狀態(tài)設計方法，荷載采用的是標準值，地基容許承載力用p1/4公式計算或查地基承載力表，設計方法是十分標準的容許應力法。,但在編制89版規(guī)范時，上部結構設計已經采用了概率極限狀態(tài)設計方法，因此地基設計的荷載也已經用了設計值，與74版規(guī)范相比大約提高了25左右，但由于地基承載力用的仍是容許值，無法用分項系數加以調整。盡管當時采取了一些提高地基承載力值措施，例如c、的統計修正系數采用85的保證率，深寬修正以后承載力的增量不到10的也乘以1.1的系數等，但這本規(guī)范頒布以后，總的反映是基礎的寬度設計得寬了，即承載力是用得低了些。,2002版建筑地基基礎設計規(guī)范實際上是回到了74版規(guī)范的設計水平，雖然在細部上有些差別，但在總體上是回到了74規(guī)范，即荷載小了，基礎明顯減小了，這是回歸到74規(guī)范的正常情況，不需要害怕。2002版規(guī)范與74版規(guī)范比較，安全度是一致的；與89規(guī)范比較，將本來高了一點的安全度拉了下來，不必有疑問，很正常。,用承載力公式確定的地基承載力 為什么必須驗算沉降？,建筑地基基礎設計規(guī)范考慮彈塑性影響計算的臨界承載力，在一定程度上考慮了變形的影響，卻還要驗算沉降。 我想問，按我國建筑地基基礎設計規(guī)范公式計算的承載力特征值還需要驗算沉降，是不是存在矛盾。,建筑地基基礎設計規(guī)范的公式來源于前蘇聯規(guī)范。前蘇聯的規(guī)范采用p1/4公式控制基底壓力的目的是為了進行沉降計算，認為基底以下塑性區(qū)的開展深度沒有超過1/4的基礎寬度，地基中大部分區(qū)域還處于彈性狀態(tài)，可以用彈性理論計算應力，并用以計算沉降。滿足了這個公式恰恰是沉降計算的前提，并不是基底壓力小于p1/4公式計算的結果就不需要進行沉降計算了。,建筑地基基礎設計規(guī)范GB 5007-2002基本上沿襲了前蘇聯規(guī)范的體系，用規(guī)范的地基承載力公式計算的結果并不包含沉降必然滿足要求的結論。恰恰相反，幾個版本的地基基礎設計規(guī)范都強調按照地基承載力公式計算結果確定的地基承載力，必須驗算沉降。 你的理解上存在一些問題。,問題之一是混淆了強度與變形兩個不同性質的問題的界限。地基承載力與建筑物的沉降控制不能加以等同，前者是強度問題，與沉降控制不存在直接的因果關系，用強度指標得不到沉降量，用壓縮模量也得不到穩(wěn)定驗算的結果。,問題之二是不了解如何進行變形控制。變形控制必須控制計算沉降滿足建筑物的要求，根據不同類型的建筑物，用不同性質的變形指標來控制，而承載力驗算只與基礎尺寸及埋置深度有關，與建筑物的類型沒有直接的關系，因此只驗算地基承載力不能替代變形控制。,問題之三是地基承載力驗算與沉降計算所涉及的土層深度范圍不同。對地基承載力驗算有影響的主要是持力層和軟弱下臥層，層位太深的土層對承載力不會有什么影響。但深層的土層對沉降量還是有重要的影響，建筑物的平面尺寸越大、基礎的寬度越寬，對沉降有影響的深度范圍就越深。,承載力公式與經驗關系的比較,建筑地基基礎設計規(guī)范計算地基土強度特征值的公式中涉及土的容重項，如果地下水位不同時，地基承載力的計算結果是不一樣的。但如按靜探結果、標貫試驗或物理性指標計算或查表求其承載力時，根本與地下水位無關。,用地基承載力承載力公式計算的方法，比較具體地反映了工程場地土體抗剪強度指標對地基承載力的影響、也反映了地下水的影響，一般計算的結果比經驗公式的結果可能比較大一些，要滿足沉降驗算的要求。對抗剪強度試驗的要求比較高，指標的取值對承載力的計算結果的影響比較大。,用經驗方法確定地基承載力，都是建立在載荷試驗基礎上積累的經驗，但所涵蓋的范圍比較大，經驗的成熟程度、當地驗證的程度、取值的可靠性可能存在比較大的差別，不能一概而論，要具體分析。 如果當地經驗經過工程驗證，比較成熟可靠，那么可能比公式計算要好把握一些。但對于籠統地所謂地區(qū)經驗，沒有驗證的工程，那需要慎重對待。,用高層建筑巖土工程勘察規(guī)程的極限承載力公式可以提供地基承載力嗎？不知道這能否用于中低層建筑勘察的特征值取值依據？ 我國規(guī)范品種繁多，使人眼花繚亂，這本規(guī)范并非都是為高層建筑而編制的，有些是針對高層建筑規(guī)定的，有些具有普遍適用的意義，需要具體分析，例如地基極限承載力公式就并不僅適用于高層建筑。,國外是否也是分層提供地基承載力的？,現在的勘察報告是按不同深度的土層分層提供地基承載力，其實質是基本條件（小壓板，無埋深或假定為標準條基）下的地基承載力。我的問題是國外是否也是這樣做；一般我們是把深層土假想為在地面處提供地基承載力，看了幾本土力學教材也只是講天然地基淺基礎承載力公式，多未講天然地基深基礎承載力公式。,在國外的土力學著作中，包括前蘇聯，對淺基礎和深基礎的承載力問題都是分別討論的，概念非常清楚，不可能用淺基礎的地基承載力公式去計算深層土的地基承載力問題。 在我國的許多著作或教材中，對這個問題的概念也是清楚的。錢家歡教授主編的土工原理與計算中，第八章地基承載力，其中第五節(jié)講的是“深基礎地基承載力”，在這節(jié)開頭就說明了兩者的區(qū)別：“深基礎與淺基礎具有不同的破壞特征，因而其承載力的確定也各有所異。前面各節(jié)所介紹的承載力計算公式均只適用于淺基礎的情況。本節(jié)將討論深基礎地基的破壞特征及其承載力的確定方法?！?鄭大同教授在地基極限承載力的計算一書中論述了梅耶霍夫對深基礎地基承載力的貢獻：“50年代，梅耶霍夫進一步考慮了基礎底面以上，土體發(fā)生抗剪強度的影響，從而提出了淺基礎和深基礎的極限承載力公式。”“梅耶霍夫在1951年曾經指出，地基承載力取決于地基土的物理力學性質（密度、抗剪強度和變形性質），取決于地基中的原始應力和地下水的情況，取決于基礎的物理性質（基礎尺寸、埋置深度和基底的粗糙程度），而且也取決于建造基礎的方法?！?但在工程勘察工作中，不知從什么時候開始，要求按不同深度的土層分層提供地基承載力，而且不管土層的埋藏深度如何，都用淺基礎的地基承載力公式計算深層土的地基承載力。這種做法對工程實踐是不合適的，更為可怕的是使工程師們的學術思想都搞糊涂了，基本概念也不講了，以己之昏昏，怎能使人昭昭，糊里糊涂地計算，糊里糊涂地應用，浪費了也沒有覺察，危險了在吃安全系數的余量。,分層提供承載力是一種習慣做法，是歷史的產物，在基礎埋深不大的情況下問題不突出； 如何提供？將深層的土層假定在地面，設定一個淺基礎的寬度與埋深，用規(guī)范的公式計算，要求設計人員按實際埋置深度進行修正后使用； 或者將淺層土載荷試驗得到的承載力，按相似的物理指標推廣到深層土中；,太湖地區(qū)湖積平原廠區(qū)勘察，建筑物主要為廠房(最大單柱荷重2000kN)及辦公樓(最大單柱荷重4000kN)，擬采用的結構型式廠房為排架結構，辦公樓為框架結構，淺基礎。 根據本地區(qū)地層及擬建建筑物特征，勘探點布置的深度為10-15m，為滿足抗震規(guī)范對場地類別的判別，其中選3個鉆孔加深至20m。,0-4.5m 粘土,可(硬)塑，fak=200kPa, Es=6.68MPa 4.5-6.5m，粉質粘土,可塑， fak =140kPa, Es =5.55MPa 6.5-10.5m,粉土，中密， fak =140kPa, Es =8.58 MPa 10.5-16.50,粉砂，中密， fak =200kPa，Es =10.45 MPa,3個加深鉆孔揭露的地層為： 16.50-19.00,粉質粘土，軟塑, Es =4.17MPa 19.00-20.00,粘土，可塑, Es =7.31MPa 經驗算，當采用獨立柱基，基礎寬度取4.5m時，基礎埋深取1.5m，地基土承載力可滿足要求；地基壓縮層厚度小于10m。,由于加深鉆孔深度僅為通過土類估算20m以淺的剪切波速，以滿足對場地類別判定的要求，故每層僅取3層原狀樣品，未提供地基承載力特征值。當我院審核人認為揭露深度內的地層均要提供地基承載力特征值。請問16.50m以深的粉質粘土及粘土層有必要提fak嗎？,根據這兩幢建筑物的性質和荷載的大小，勘探深度1015m就能滿足天然地基淺基礎承載力計算和沉降計算的要求。將部分鉆孔深度增加到20m，完全是為了測定剪切波速以計算等效剪切波速，確定建筑場地類別。因此，加深的鉆孔資料，即對16.5m20.0m范圍的土層并不需要評價地基承載力。,在這個案例中，基礎選型已經比較明確，基礎埋置深度也能確定，哪些土層是主要土層，應該比較清楚了。所以，你對16.5m以下的土層，不按主要土層的要求取土，也不需要提供地基承載力的建議值，這是符合強制性條文規(guī)定的。,看四份巖土工程報告，其中兩份是國內的，兩份是由國外巖土工程師編寫的，一份在國外，一份在國內。 某沖壓機車間 某電廠擴建工程 美國加州的一個超市 國內的一個商城,實例1.1-1軟土地區(qū)某沖壓車間壓機基礎的巖土工程勘察，壓機基礎尺寸為24m86.5m，基底總壓力為204kPa，采用樁基礎?？紤]3種不同樁長的方案，樁的入土深度分別為45m、60m和65m，樁端持力層分別為第b、第 b、和第層，因此鉆孔深度91.45m，勘探深度范圍內揭露了十多層的土層。,對于這樣的一個項目，已經明確采用長樁基礎的工程，還要在勘察報告中分層地提供那么多土層的地基容許承載力，不知道其目的究竟是什么？地基基礎設計根本不需要這些土層作為天然地基的持力層，也不需用這些土層的地基承載力進行設計。特別是這些深層土的地基承載力，用淺基礎地基承載力公式計算得到的這些數據既沒有什么用處，也沒有什么物理意義，顯然是多余的。,實例1.1-2國內某電廠擴建工程的巖土工程勘察報告。主廠房為框架和排架結構兩種結構型式，采用天然地基方案，勘探孔深度39m42m，揭露了9層土層，對各個主要土層均進行了地基承載力的分析與計算，地基容許承載力的綜合建議值。,這份資料的特點是已經明確采用天然地基上的淺基礎，設計主廠房的基礎埋置深度為6.5m，基底最大壓力為200kPa。第1層土層的埋藏深度正好在6.5m左右，對表1-2中所提供的地基承載力進行深寬修正以后的地基承載力也大于基底最大壓力，因此采用1層作為主車間基礎的持力層是可行的。,實例1.1-3這是一份美國加州某超市的巖土工程報告。建設場地的面積為74000m2，建筑面積為21500m2，結構為單層排架。由結構自重產生的柱荷載為：內柱385kN，外柱267KN；由活荷載所產生的柱荷載為680kN，地坪均布荷載為7.3kPa，最大集中荷載為23kN；承重墻荷載為181.4kN/m272.1kN/m，非承重墻荷載為22.3kN/m90.7kN/m。,實例1.1-3這是一份美國加州某超市的巖土工程報告。建設場地的面積為74000m2，建筑面積為21500m2，結構為單層排架。由結構自重產生的柱荷載為：內柱385kN，外柱267KN；由活荷載所產生的柱荷載為680kN，地坪均布荷載為7.3kPa，最大集中荷載為23kN；承重墻荷載為181.4kN/m272.1kN/m，非承重墻荷載為22.3kN/m90.7kN/m。4,該場地典型的土層柱狀圖見圖1-1，基礎設計所需的地基容許承載力數值見表1-3。這份報告表明，巖土工程分析需要以確切的上部結構傳至基礎的荷載為依據，才能進行必要的計算。對于地基承載力，對于采用天然地基的項目，只需要分析持力層的地基承載力，不需要分層提供每層土的地基承載力。資料也表明，評價地基承載力時，如果采用極限承載力公式計算，可以按照不同的荷載組合，分別采用不同的安全系數。,實例1.1-4由國外的巖土工程師為外商投資建于國內軟土地區(qū)的某商城編寫的巖土工程報告。該商城場地面積18600m2，周邊長度160m105m。建筑物全景見圖1-2，由北、東、西三個塔樓和裙房組成，北塔樓地上48層，框剪結構，基礎尺寸55m43m，基底平均壓力為350kPa；東、西塔樓均為地上32層，框剪結構，東塔樓基礎面積32m72m，,基底平均壓力為265kPa，西塔樓基礎面積32m55m，基底平均壓力為265kPa；裙房為地上8層，框架結構，基底平均壓力為150kPa。全部采用筏板下的樁基礎，滿堂布樁，樁徑500mm、壁厚9mm的鋼管樁，樁長35m，單樁承載力1330kN。北塔樓的基坑開挖深度為7.5m，東、西塔樓為6.5m，裙房為4.5m。,提供分層承載力的主要問題,1.將勘察報告的結論建立在缺乏物理概念的基礎之上； 2.在工程中采用這種方法確定地基承載力，存在許多無法估計的不確定性，可能是安全隱患，也可能會造成資源浪費；,3.將在基礎埋置深度不深的歷史條件下得到的深寬修正的經驗方法，推廣到10余米以致20多米的深度，對所引起的可能問題沒有充分地估計； 4.由于高層建筑的大量采用，基礎埋置深度的急劇增大，由于確定地基承載力方法的不科學性帶來的問題日益嚴重； 現在應該冷靜地分析和考慮如何解決這個問題。,2.場地的均勻性評價,場地的均勻性評價是巖土工程勘察的重要內容，但對怎樣認識均勻性與均勻性評價的作用存在不同的理解，因而做法與結果也就不同。 重點討論這三個問題： 評價場地均勻性的作用是什么？ 如何認識與處理場地土層的不均勻性？ 場地均勻性的評價方法,場地均勻性評價的作用是什么？,場地均勻性評價是手段而不是目的； 為基礎方案選擇和采取工程措施提供依據； 為方案或設計成果的比較提供建筑物性狀的定量或半定量的計算結果； 勘察階段的均勻性評價不是最終結果。,場地均勻性評價是手段 而不是目的,場地均勻性評價不是簡單地說明自然界，而是為了工程建設（設計與施工）的需要，分析與說明地基巖土層力學性狀的均勻性。 因此，均勻性評價的前提是工程建設的要求，均勻性評價的內容是分析地基的均勻性對建筑物的影響，均勻性評價的結果為工程設計與施工方案提供依據。,為基礎方案選擇和 采取工程措施提供依據,勘察報告中均勻性評價的結果不是“均勻還是不均勻”，也不是簡單的“是否適宜于建設”之類的結論，更無法得出建筑物的不均勻沉降是多少，是否滿足規(guī)范要求等等的結論，而是提出設計時應注意什么問題，對基礎選型有什么要求，可能采取什么工程措施等的建議。,勘察階段的均勻性評價主要著眼于地質條件，說明地質條件對建筑物會產生什么樣的影響，設計施工時應采取什么對策。 例如，對山區(qū)土巖組合地基，跨在兩種不同地質單元上的建筑物地基，硬層或軟弱層的厚度變化比較大的地基等，這種地質條件的不均勻性會對建筑物帶來不利的影響，在基礎選型、甚至上部結構選型時應該選擇適應性比較強的結構體系或基礎的類型。,或在地基基礎設計時，采取一些特殊的工程措施，例如設置褥墊層以調節(jié)不均勻沉降，又如在建筑物適當部位設置沉降縫以適應地基的不均勻沉降。 至于，由于地基的不均勻性所產生的不均勻沉降是多少，有些同行希望在勘察階段進行計算，或者審圖要求計算的事。我告訴大家，在勘察階段是計算不出來的，即使在設計階段，也不是所有的情況都能計算的。,如何認識與處理場地土層的 不均勻性？,天然土層是均勻的還是不均勻的？ 從地質學的觀點來看，總是不均勻的，但從工程學的觀點來看，在工程影響的范圍內，需要進行局部化處理，將這個局部作為均質體處理，例如相同的成因類型，同一個地質單元，同一個土層，將其作為一個力學層。,這樣局部化處理以后，對于局部化處理以后的地質體，就可以抽樣試驗，可以統計分析，可以引用均質體的理論進行力學的分析計算。 一切巖土工程的勘探、取樣試驗、資料的統計分析、代表性指標的取值、代人解析解公式的計算、進入數值分析程序進行數學模擬都是建立在均質體假定的基礎上進行的，如果不承認這個假定，那現行的設計計算就什么都不能做了。,但是，在巖土工程界，有的同行并不認同這個觀點。 作為學術研究，當然是可以的。 但作為巖土工程師處理實際工程問題的基本觀點，卻使我深深地擔憂，在年輕一代的巖土工程師中，確實存在著缺乏工程實踐的基本訓練，缺乏正確的統計概念和力學概念這種狀況，對于工程師的成長，對于正確的工程判斷和處理工程問題是非常不利的。,A高教授能參與我們的討論，我感到很榮幸也很惶恐，我斗膽想繼續(xù)發(fā)表一些與高教授不同的觀點，希望提前得到高老的原諒，在此先謝謝高老。 我感到我們的討論已經上升到了認識論與方法論的高度了：1、高老認為地質體是均質的，數據的離散性主要來源于取樣、試驗等具體環(huán)節(jié)，因此用數理統計的方法來消除抽樣試驗方面的誤差，進而導出了關于場地的認識、土樣數量問題和均勻性評價等等問題的認識，認為公式中常用到經驗系數和修正系數主要是修正此類不確定因素帶來的誤差；,2、另一種觀點認為地質體是非均質的，要研究其性質必須要有足夠的數量的試驗，要在建筑物的不同位置布置勘探點，研究其不均勻性，至于數據離散性問題主要強調用統一的方法、設備和標準來規(guī)范其操作行為，因此而帶來的誤差是統一的，個別樣品的差距主要表現了抽樣母體的差別，因此要用建筑物不同位置上的數據來評價其均勻性和傾斜等問題。,另一位網友發(fā)表了不完全相同的觀點： 我認為在宇宙中沒有絕對的均質物體，巖土體也一樣，如果不按均質體研究，你有辦法反映巖土的量化數據么？你提出了地層的物理力學數據，就與你的前提矛盾了，你無法勘察，無法提供勘察報告。,從地質勘察的角度來看，其研究對象主要是地質體，估計沒有人能否認地質體是非均質、各向異性的，反過來說就是沒有人能證明地質體是均質的；但勘察成果是為工程設計服務的，從設計角度來看，所有的計算模型或理論均假設地質體是均質，都要按均質的理論來進行設計和計算，所以勘察報告中提供的承載力也好、其它任何指標也好都是把地質體的性質做了均質化處理，所用的方法就是數理統計的方法即抽樣調查的法則，這個過程也就是巖土工程勘察工作。,總而言之就是勘察人認為地質體是非均質的，通過勘察過程將一定范圍內的地質體的性質做均質化處理，將結果提供設計人員使用，一個好的勘察人員必須要明白你所做的均質化處理是否準確可靠、其風險概率有多大等問題；工程設計人員要求將地質體看做地均質的，但一個好的設計師必須要了解地質體的非均質性所帶來的后果，并妥善處理好它們的關系。我想這也正是巖土工程師所必須具備的最基本的概念和素質要求。,自然地質條件是復雜的，巖土體是不均勻的，這是大家公認的事實，但作為工程研究的對象，需要認識它，研究它和處理它，又不得不把它局部化和簡單化，忽略次要的，解決主要的矛盾，這可能是自然科學研究和工程技術研究的不同之處。,對于不同類型的均勻性問題用 不同方法來處理。,作為巖土工程師，對于你勘察的場地，首先要做地質工作，從地質成因和地層年代上要區(qū)分清楚，是洪沖積的還是殘坡積的，是河漫灘還是階地，是第四紀地層還是老地層，這就是所謂的把地質單元劃分正確，這是進一步考慮布置勘察試驗工作的基礎。,對于同一個地質單元是否就是均勻的呢？不一定，例如土層厚度很可能是不均勻的，即使在平原地區(qū)，土層厚度也常常有較大的變化，因此需要用勘探點的間距來控制其厚度變化，不同的基礎類型對土層厚度的敏感性不同，因而布孔間距的要求是不同的。但有些地區(qū)的均勻性有其特殊的問題，例如喀斯特地區(qū)，巖溶是無法用勘探孔間距來控制的。,從土的性質來研究土層均勻性，一般認為同一地質單元可以作為均質體來處理，可以采用統計的方法來處理試驗指標。如果不承認這一點，即使是最簡單的計算平均值的方法也就失去了理論的前提，就不能用平均值來處理試驗結果。也失去了鉆孔抽樣取土試驗的理論依據，那麻煩就大了。,將試驗指標用于工程計算時，計算公式的推導都有均質土的假定，計算基礎中點沉降時，你必須承認土層是均勻的，包括深度方向和水平方向都是均勻的，如果不承認這一點，這個計算土中應力的公式就不成立，還計算什么？,如果認為同一個地質單元也存在工程性質不均勻性，而又希望把這種不均勻性探明顯示出來。如果采取在建筑物四個角點分別取土試驗的方法，但在水平方向上怎么把握兩個鉆孔之間的變化呢？認為一個孔的數據能代表多大的范圍，1m？2m？還是多少？就沒有底了。如果認為在深度方向上同一個土層也存在不均勻性，那在兩個取土點之間的不均勻性又如何把它探明？因此在對同一地質單元的不均勻性假定的基礎上的勘察工作，連取土點的確定都會有很大的爭議，事情就做不下去了。,在均質土假定的基礎上，把各個勘探點、各個取樣點的數據的差異看成是隨機因素造成而不是系統因素造成的，這些隨機因素包括當年沉積時物質的差異、年代的差異、沉積條件的差異、取土擾動程度的差異、試驗條件的差異等等。在這樣假定的基礎上，就可以用統計的方法來處理這些數據的隨機誤差了，數據的離散性或變異性是反映這種隨機因素影響的定量指標，通過計算，可以估計這些隨機誤差對計算結果所造成的影響有多大，這就是誤差估計和可靠度分析。,因此在計算一幢建筑物的沉降時，一般都分層采用每層土的綜合壓縮曲線去確定其相應壓力段的壓縮模量，而且對于一個場地，如果是同一個地質單元，也只分層地給出了每層土的綜合壓縮曲線。 如果發(fā)現某一個范圍存在明顯的指標差異，那很可能是在地質單元的劃分上出了問題。,防止不均勻性對建筑物的危害,地基不均勻性對建筑物的危害主要使建筑物傾斜與開裂。 事先防范事故的發(fā)生無疑是十分重要的，在地基基礎設計時，對于那種十分明顯的不均勻地基，例如軟硬不均的地基，部分基巖出露的地基，半填半挖的地基，存在暗浜的地基等等，首先需要加以界定，劃分其界限，分別研究其壓縮性，而是否會產生有害的不均勻沉降，,不均勻性一般不是靠計算出來的，而是根據工程的判斷，解決的方法是采取工程措施，使其均勻化，一般也不是靠計算結果來保證工程安全的。產生不均勻沉降的因素很多，地基壓縮性的不均勻性僅是一個方面，而土層的厚度變化，荷載的差異、荷載的偏心、施工時的擾動等可能是更重要的因素，它們所產生的不均勻沉降的數量級往往遠大于壓縮性的不均勻。,人們在事先精確控制建筑物傾斜和開裂的本領還不大，特別依靠沉降計算的結果來控制不均勻沉降更是不太現實。為了保證工程的安全一般從兩個方面控制，一是采取工程措施來控制上述產生不均勻沉降的諸多因素，不使其發(fā)生，或降低其危害；二是控制計算平均沉降量的數量級，即控制基礎底面的壓力值，這就是變形控制設計的方法。,地基均勻性如何評價？,地基均勻性評價是否可理解為對持力層和下臥層的均勻性評價，對土層的評價結論是否說土層為均勻或不均勻地基土，還是地基為均勻或不均勻地基？而且對場地土層是否應該全部進行評價？我曾經見過一份報告上對本應該在基礎開挖將被挖除的填土層評價其均勻性，本人認為不合理，是否正確？,這是不均勻地基嗎？,根據你所列舉的這個地質剖面，從土層的厚度分布，我實在看不出地基的均勻性存在什么問題。從現象上看，填土層的底面坡度比較大，似乎應該判為不均勻地基，但建筑物的基礎落在第層粉質黏土層上，將填土挖去了還有什么均勻性的問題呢？,對于高層建筑巖土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004關于地基均勻性評價的有關規(guī)定，可能存在不同的理解，也需要進行必要的討論： 1) 均勻性判斷要求進行的，是“沉降、差異沉降、傾斜等特征分析評價”，并不是要求進行精確的定量計算。 2) 均勻性判斷的目的是為了重視地貌、工程地質單元和地基巖土層結構等條件對建筑物具有重要的控制性影響。,3) 其實模量當量值之比就等于虛擬變形之比，比較相同基底應力條件下的模量當量值之比，可以把基底應力約去，應力面積化為單位應力面積，再將分子分母中的單位應力面積約去，最后只剩下虛擬變形的比值。,由于對規(guī)范的理解有偏差，引出一些比較重要的觀念差別： 均勻性評價與沉降計算的關系 均勻性評價并不等同計算沉降 均勻性評價與沉降計算的內容不同 均勻性評價與沉降計算的條件不同 均勻性評價與沉降計算的結果不同,是否必須同時滿足以下條件？,高層建筑巖土工程勘察規(guī)程8.2.4條給出了不均勻地基的判定標準，符合其中一條就是不均勻地基了。 那么是不是要判斷為均勻地基的時候必須同時滿足以下條件呢？ （1）地基持力層位于相同地貌單元或工程地質單元，工程特性差異不大；,（2）地基持力層位于相同地貌單元或工程地質單元，且滿足下列條件： 中高壓縮性地基，持力層底面或相鄰基底標高的坡度小于10%； 中高壓縮性地基，持力層及其下臥層在基礎寬度方向上的厚度差值小于0.05b（b為基礎寬度） （3）處于同一地貌單元，且Esmax / Esmin小于地基不均勻性系數界限值K。,在8.2.1條第2款“地基均勻性”評價是強制性條文，說明在勘察報告中必須評價地基的均勻性。 但8.2.4條并不是強制性條文，這條是如何評價均勻性的方法，規(guī)范做了概括，但并不是非用這些方法不可，用其他方法是不是就不行了呢？不是的，在這本規(guī)范之前，巖土工程師早就會評價地基均勻性了，而且各個地方也有不同的經驗，是否可以呢？當然是可以的。,條文說：“對判定為不均勻的地基，應進行沉降、差異沉降、傾斜等特征的分析評價，并提出相應建議?！痹鯓永斫膺@一條？有人說，根據這一條就應該在勘察報告中計算差異沉降。但我實在看不出來，規(guī)范是講分析評價，例如是巖土組合地基，那即使是體形非常簡單的建筑物，荷載非常均勻的建筑物，還是會有不均勻沉降，而且肯定土基方向沉降大，那么采取什么措施呢？,在巖基段采用褥墊是一種可以建議的工程措施。如果要你把差異沉降給計算出來，那可沒有辦法計算。 從上面這條規(guī)定不能得到相反的結論，說如果評價為均勻地基，就不需要建議設計驗算沉降了。因為引起建筑物不均勻沉降的原因很多，除了不均勻地基的因素之外，還有其他很多的因素，例如，建筑物的層數或高度有比較大的差異，荷載的分布不均勻，荷載的重心與基礎形心不重合等結構的因素都會產生不均勻沉降。,因此，勘察報告的重點是要從地基角度發(fā)現不均勻性，建議設計采取工程措施，而不在于強調地基的均勻性，最多是說從地基角度來看，沒有發(fā)現對建筑物變形產生不利影響的不均勻性。 這一條的第一款，是從地貌和地質單元的角度分析是否是不均勻地基，這主要根據工程師的知識和經驗來判斷。,第二款是從土層的厚度是否變化過大來判斷，其中，第1點，持力層底面標高的坡度比較明確，但相鄰基礎底面標高之說在勘察階段一般都是沒有最后確定的，實在難以判斷的。但第2點是用基礎寬度表示，以0.05b為限制，實際上就是厚度的變化不大于5，這里并不需要和基礎寬度聯系起來，勘察階段一般寬度也沒有最后確定，同時這個規(guī)定與第1點的10也是有些矛盾的，兩種計算結果可能會不一致的。,10%,0.10b,0.05b,0.05b,第三款就比較玄乎了，規(guī)范在條文說明中也認為是“定性評價地基不均勻性的定量方法”。首先，均勻性評價是定性的，為什么是定性的呢？因為無法準確定量，如果能定量那何必稱為定性呢？既然如此，那么這種定量計算的結果究竟有多少的把握呢？因為這里涉及許多不定的因素，基礎的尺寸不知道，如何計算應力面積呢？,例如計算模量當量值時，應力面積A如何計算，從沉降計算公式可以知道，應力面積與基底附近應力的大小有關，應力的擴散和基礎寬度有關，現在基底壓力、基礎寬度、埋置深度都不能確定，怎么計算應力面積呢？再說變形計算深度范圍也不能確定，即使用最簡單的經驗公式，也需要基礎的寬度多大。當然，對于與結構設計關系密切的勘察單位，可以得到比較確切的數據，但不是都能得到的，如果沒有數據而胡亂計算，判斷錯了，那不耽誤事情嗎？,因此如果巖土工程師發(fā)現土層的模量變化比較大，那就提醒設計注意計算差異沉降不就得了。 均勻性評價實際是一個定性的經驗判斷，主要依靠工程師的經驗，特別是地方經驗。離開了具體地質條件的特點，希望用一種計算的方法來規(guī)范化，主觀愿望是好的，但地質條件千變萬化，無法抽象到完全理性的程度。把某些地方的經驗推廣到全國，應該慎之又慎，何況現在動不動就要強制執(zhí)行的情況下，更應該慎重。,某高層樓18層，埋深6.5m，地下兩層，持力層主要坐落在中砂層上，其中東南角為細砂層，根據高層建筑巖土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004第8.2.4-1條的方法判為非均勻地基。報告中給出的原因是地基持力層跨越了兩個地質單元（中砂、細砂）。我想請教的是在這個樓的一小角有這么點細砂就導致成不均勻地基，這個是不是有點嚴重了？,一個案例,中砂和細砂是否就是兩個不同的地質單元？是否就構成了不均勻地基？ 中砂和細砂是砂土的兩個亞層，如果用其他的土分類體系，就不可能劃分為兩個土層。 如果有力學指標，就可以從力學性質來討論是否需要劃分兩個力學層，沒有力學指標僅根據粒度成分的這些差別，劃分不均勻地基的依據就非常不充分。,只知道基底平均壓力，上部荷載怎樣分布，如何偏心一概不知道，根據樓四個角點的鉆孔柱狀圖資料的沉降來計算每個孔位的沉降量，寬度方向兩個鉆孔的沉降量相減再除以鉆孔間距就是傾斜，其傾斜值非常非常之小，都小于0.000001，遠遠小于規(guī)范要求。這樣的沉降計算具有什么工程意義？,我們需要不需要這樣的沉降計算？回答應該是不需要！為什么？ 1. 勘察階段不具備計算不均勻沉降的條件； 2. 這種計算結果并不是建筑物的不均勻沉降； 3. 這百萬分之一的“傾斜”說明了什么？從工程角度來看，根本就沒有傾斜，如果沒有這種判斷能力怎么當工程師？ 4. 我們的計算和測量有這樣的精度嗎？ 5. 這樣的計算并不能提高巖土工程勘察的地位，可能適得其反。,地基土的均勻性與不均勻性應當是一個定性的問題。在高層建筑巖土工程勘察規(guī)程JGJ72-2004中人為地給出了定量的分析標準，并且規(guī)定了判定為不均勻的地基應進行變形計算分析，而沒有規(guī)定判定為不均勻地基的建筑物可以不進行變形計算。這樣對不對？,是否需要計算沉降不應該單純由地基是否均勻來確定； 不均勻的地基固然需要計算沉降，但均勻的地基并不是就不需要計算沉降； 認為均勻地基可以不計算沉降的說法是錯誤的； 因為地基的均勻性并不是確定是否需要計算沉降的充分條件。,六. 巖土工程設計荷載取值與 安全度控制方法,1.什么是極限狀態(tài)? 2.到底有幾種設計方法？ 3.如何處理巖土工程與上部結構不同設計方法所帶來的問題? 4.如何控制巖土工程的安全度？ 5.怎樣計算荷載？,1.什么是極限狀態(tài)?,從設計方法的發(fā)展歷史來看，從工作狀態(tài)設計逐步演變?yōu)闃O限狀態(tài)設計。 極限狀態(tài)設計是將建筑物的工作狀態(tài)與極限狀態(tài)之間保持一個足夠充分的安全儲備，以保證建筑物的承載力或正常使用的要求都得到滿足。,承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)是兩種不同性質的極限狀態(tài)控制方法。對應于結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續(xù)承載的變形的狀態(tài)稱為承載能力極限狀態(tài)。對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定限值的狀態(tài)稱為正常使用極限狀態(tài)。,承載能力極限狀態(tài)可理解為結構或結構構件發(fā)揮允許的最大承載能力的狀態(tài)。結構構件由于塑性變形而使其幾何形狀發(fā)生顯著改變，雖未達到最大承載能力，但已徹底不能使用，也屬于達到這種極限狀態(tài)。疲勞破壞是在使用中由于荷載多次重復作用而達到的承載能力極限狀態(tài)。,按照我國統一標準的規(guī)定，當結構或結構構件出現下列狀態(tài)之一時，應認為超過了承載能力極限狀態(tài)： 1） 整個結構或其一部分作為剛體失去平衡； 2） 結構構件或連接因超過材料強度而破壞，或因過度變形而不適于繼續(xù)承載； 3） 結構轉變?yōu)闄C動體系；,4） 結構或結構構件喪失穩(wěn)定； 5） 結構因局部破壞而發(fā)生連續(xù)倒塌； 6） 地基喪失承載力而破壞； 7） 結構或結構構件的疲勞破壞。,正常使用極限狀態(tài)可理解為結構或結構構件達到使用功能上允許的某個限值的狀態(tài)。例如，某些構件必須控制變形、裂縫才能滿足使用要求。因過大的變形會造成如房屋內粉刷層剝落、填充墻和隔斷墻開裂及屋面積水等后果；過大的裂縫會影響結構的耐久性；過大的變形、裂縫也會造成用戶心理上的不安全感。,按我國統一標準的規(guī)定，當結構或結構構件出現下列狀態(tài)之一時，應認為超過了正常使用極限狀態(tài)： 1） 影響正常使用或外觀的變形； 2） 影響正常使用或耐久性能的局部損壞； 3） 影響正常使用的振動； 4） 影響正常使用的其他特定狀態(tài)。,根據歐洲規(guī)范的規(guī)定，巖土工程的承載力極限狀態(tài)可以具體區(qū)分為下面5種承載力極限狀態(tài)設計。 1） 結構物或巖土體作為剛體失去平衡，在這種極限狀態(tài)驗算時，結構材料和巖土的強度對抗力是不重要的，這種極限狀態(tài)簡稱為EQU。 2）結構或構件的內部破壞或過大變形，包括基礎、樁和地下室側墻等，在這種極限狀態(tài)驗算時，結構材料強度對抗力是至關重要的，這種極限狀態(tài)簡稱為STR。,3）巖土體的破壞或過大的變形，在這種極限狀態(tài)驗算時，巖土的強度對抗力是至關重要的，這種極限狀態(tài)簡稱為GEO。 4）由于水的浮力或其他豎向力引起結構物或巖土體平衡的喪失，這種極限狀態(tài)簡稱為UPL。 5） 由于水力梯度所引起的巖土體隆起、沖刷或管涌，這種極限狀態(tài)簡稱為HYD。,根據我國統一標準的規(guī)定和歐洲規(guī)范的條文，“地基喪失承載力而破壞”或“巖土體的破壞或過大的變形”都是承載力極限狀態(tài)的一種。因此，地基承載力計算，按其性質來說，應該取用承載力極限狀態(tài)的基本組合。但由于建筑地基基礎設計規(guī)范所提供的地基承載力按其性質是地基容許承載力，在設計表達式中不直接出現安全系數，不具備使用荷載設計值的條件，只能取用荷載的標準值，這是由所采用的設計方法決定的。,2.到底有幾種設計方法？,請問分項系數設計方法是否就是多系數設計方法？和總安全系數法有什么區(qū)別？建筑地基基礎設計規(guī)范GB50007-2002所采用的究竟是什么設計方法？這種設計方法與極限狀態(tài)設計又有什么關系？,定值法： 容許應力法 總安全系數法（單一安全系數法） 多系數法（均質系數、超載系數） 概率法： 分項系數法（近似概率法） 全概率法,極限狀態(tài)的數學表達式稱為極限狀態(tài)方程，極限狀態(tài)方程是當結構處于極限狀態(tài)時各有關基本變量的關系式。,基本變量是指影響結構可靠度的各種物理量，它包括： 引起結構作用效應S（內力等）的各種作用和環(huán)境影響，如恒荷載、活荷載、地震、溫度變化等； 構成結構抗力R（強度等）的各種因素，如材料和巖土的性能、幾何參數等。分析結構可靠度時，也可將作用效應或結構抗力作為綜合的基本變量考慮。,如令R為抗力函數；S為作用函數，則極限狀態(tài)方程可表達為： 抗力與作用之比稱為安全系數 KR/S 兩者之差稱為安全儲備： 這是兩種不同的安全度控制的方法，即安全系數控制方法和失效概率（或可靠指標）控制方法。,失效概率定義為安全儲備等于零的概率，即 pfp（z0） 采用允許應力法的設計表達式描述工作狀態(tài)的作用效應與抗力效應的關系，作用效應采用標準組合，抗力效應以容許值（包括試驗曲線的某種特征點，或理論公式的計算結果）表示，其安全度是隱含的，并不出現在設計表達式中。在允許應力法計算中，不使用安全系數或分項系數。,采用總安全系數設計法的表達式描述的是極限狀態(tài)的作用與抗力的平衡關系。其中，抗力效應是極限值，包括試驗曲線上的極限臨界值，或根據極限理論計算的結果，作用效應是標準組合。在設計表達式中，總安全系數出現在抗力項的分母中，當然也可以理解為乘以作用效應的標準值再與抗力的極限值相平衡。,采用分項系數設計法的表達式描述極限狀態(tài)下設計驗算點的抗力效應的設計值與作用效應的設計值的平衡關系。設計驗算點的失效概率是最大的，因此用驗算點的坐標（即設計值）來控制設計。,我國現行規(guī)范的主體工程結構設計方法主要采用分項系數法，而現行規(guī)范的巖土工程設計原則大多是多種設計方法并用。 這種現狀就使設計工作復雜化了，不弄清楚這些問題，很容易出現錯誤。,建筑地基基礎設計規(guī)范,建筑地基基礎設計規(guī)范 采用了多種設計方法。 地基承載力設計采用容許承載力法，即工作狀態(tài)設計方法。,地基穩(wěn)定性計算采用總安全系數法,設計表達式（13-5）即為該規(guī)范的式（5.4.1）： 巖石錨桿抗拔承載力驗算采用允許應力法 式中的f值為水泥砂漿或混凝土與巖石間的粘結強度特征值，即容許粘結強度值。,第6章擋土墻穩(wěn)定性驗算采用總安全系數法 。 第8章基礎結構承載力驗算采用分項系數法，所有的設計表達式中，作用均為基底的凈反力或由凈反力產生的基礎結構內力，強度均為混凝土材料的相應強度設計值。,3.如何處理巖土工程與上部結構 不同設計方法所帶來的問題?,地基基礎與上部結構無論在使用功能、荷載傳遞或者建筑施工等方面都是不可分割的一個整體。 設計時應從上部結構到地基基礎，逐步傳遞荷載，始終保持各部分構件的靜力平衡和滿足強度變形的要求。,由于技術發(fā)展的側重面不同，上部結構和地基基礎的設計方法處于不同的發(fā)展階段。上部結構比較早地開始實行了向概率極限狀態(tài)設計的過渡，而地基基礎則仍處于總安全系數設計階段（例如樁基設計、擋土墻設計），甚至有些部分尚停留在容許應力設計階段（例如地基承載力設計）。,目前由于上部結構與地基基礎設計原則的不統一，各種規(guī)范執(zhí)行不同的荷載規(guī)定，設計值與標準值混用；不同規(guī)范按不同的安全度標準建立評價體系，給設計人員帶來太多的麻煩，造成很多誤解。其結果是要么可能造成浪費，要么可能造成潛在的危險。 上部結構設計驗算承載力時，荷載統一地采用設計值，抗力采用材料的強度設計值，沒有任何的懸念。,地基基礎設計中，驗算地基承載力問題時，由于地基承載力采用的是容許值，要求荷載取值，即基底壓力必須采用標準值。但驗算基礎結構的承載力時，由于材料強度用的是設計值，荷載取值必須也采用設計值與之匹配。,單樁承載力驗算時，對于驗算由地基土對樁的支承所構成的承載力，與之相應的軸力是標準值，但由樁身強度構成的承載力驗算時必須用軸力的設計值。因此計算時必須注意區(qū)分標準值與設計值的不同取值和不同的適用條件。 地基基礎設計時，確定淺基礎的平面尺寸、樁數等地基設計項目采用定值法，包括容許應力法和總安全系數法。例如地基承載力特征值（容許值）、單樁極限承載力處于安全系數得單樁承載力特征值（容許值）。,抗力的性質是容許值，標稱標準值或特征值；因此，荷載應采用標準值。如果荷載誤用設計值，設計的安全度過高。 確定淺基礎的高度、基礎配筋、筏基結構設計、樁身強度驗算、承臺結構設計等項目采用分項系數描述的設計表達式。因此，抗力采用設計值；荷載也采用設計值。 如果荷載誤用標準值，設計的安全度將會過低，偏于危險。上部結構荷載最終由基礎傳給地基，地基基礎設計必須與上部結構設計相協調。,在基坑工程設計時，問題與地基基礎設計正好相反，由土的強度指標計算得到的土壓力是標準值，圍護結構的內力也是標準值，但圍護結構的材料強度卻是設計值。 總之，在地基基礎設計時，設計表達式兩端不匹配會造成浪費；而基坑工程設計時，設計表達式兩端不匹配則會造成安全度下降。,4.如何控制巖土工程的安全度？,討論工程安全度的控制與風險、影響巖土工程安全度的因素，包括體制的因素和技術的因素。 巖土工程是全過程的技術服務，包括勘察設計階段的安全度控制、施工與運營階段安全度的實現及可能存在的風險分析。 荷載取值、抗力取值和安全系數的取值都會影響安全度控制。,地基基礎設計，包括地基持力層承載力計算、軟弱下臥層驗算、沉降計算、基礎結構驗算所用的荷載，必須是上部結構設計的結果，包括柱或墻根部的豎向力、水平力和彎矩。 按每層的荷載估計值計算的結果，只能供編制勘察方案之用，不能用以做地基基礎設計。,有些結構物（如地下室、隧道、支擋結構、堤壩結構）設計時，巖土（包括巖土層中的水）作用于結構物的荷載成為控制設計安全度的主要荷載，包括土壓力、水壓力、浮力、揚壓力。 注意這些根據土力學原理計算得到的荷載，按其性質是標準值，不能直接與結構抗力（其性質是設計值）進行比較。,巖土的變形是建筑物的正常使用極限狀態(tài)驗算的“作用”，也是造成建筑物承載力極限狀態(tài)的“作用”之一。 建筑物承受變形的能力，即允許變形值，是極限狀態(tài)驗算時建筑物的“抗力”。 建筑地基基礎設計規(guī)范中的允許變形值，有些是正常使用極限狀態(tài)驗算的抗力，有些則是承載力極限狀態(tài)的抗力。5,勘察設計階段是控制工程安全度的主要階段，如果在設計階段的安全度控制就有缺陷，設計安全度不足，或者對巖土體的工程性狀的認識有偏差，設計參數的取值存在問題，或者設計計算模式沒有反映工程的主要機理，安全系數的取值過低，或者甚至