曹永祥

[摘要]通過對《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002中地基承載力計(jì)算公式的理論基礎(chǔ)和在應(yīng)用時應(yīng)注意問題的總結(jié),理清原因,從而加深對公式的理解。

[關(guān)鍵詞]地基承載力特征值載荷試驗(yàn)理論計(jì)算公式應(yīng)用

中圖分類號:TU-0文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210138-01

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2002以下簡稱地基規(guī)范,第5.2.5條規(guī)定當(dāng)偏心距e小于或等于0.033倍基礎(chǔ)底面寬度時,根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φk確定地基承載力特征值可按下式計(jì)算,并應(yīng)滿足變形要求:

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck (5.2.5)

式中:

fa-由土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力特征值;

Mb,Md,Mc-承載力系數(shù),按表5.2.5確定;

b-基礎(chǔ)底面寬度,大于6m時按6m取值,對于砂土小于3m時按3m取值;

ck-基底下一倍短邊寬深度內(nèi)土的粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值。

該理論計(jì)算公式是確定地基承載力特征值的常用方法之一。

一、公式中包含的基本概念

1.地基承載力特征值指由載荷試驗(yàn)測定的地基土壓力變形曲線線性變形內(nèi)規(guī)定的變形所對應(yīng)的壓力值,其最大值為比例界限值。

2.土的抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力。

3.載荷試驗(yàn)。典型的載荷試驗(yàn)P-S曲線分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ個區(qū)域,Ⅰ區(qū)-直線變形階段,P-S曲線呈直線分布,地基處于壓密階段;Ⅱ區(qū)-曲線變形階段,P-S曲線呈下彎曲線分布,地基處于局部剪切破壞階段,此時,地基邊緣出現(xiàn)了塑性變形區(qū);Ⅲ區(qū)-破壞階段,P-S曲線近似呈直線分布,地基達(dá)到滑動破壞階段。載荷試驗(yàn)第Ⅰ階段和第Ⅱ階段的分界點(diǎn)對應(yīng)的荷載Pcr為比例界限荷載,也稱臨塑荷載,是指地基中剛開始產(chǎn)生塑性變形時基礎(chǔ)底面單位面積上所承受的荷載,載荷試驗(yàn)第Ⅱ階段和第Ⅲ階段的分界點(diǎn)對應(yīng)的荷載Pu為極限荷載,特指地基在外荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到極限平衡時的荷載。

載荷試驗(yàn)P-S曲線

二、規(guī)范中地基承載力公式的內(nèi)涵和對應(yīng)的狀態(tài)

建筑物地基的破壞,通常都是由于地基土承載力不足引起的剪切破壞。當(dāng)?shù)鼗_(dá)到極限平衡發(fā)生整體剪切破壞時,作用在地表上的荷載即為極限荷載。關(guān)于極限荷載的理論公式的基本通式是:

fvu=cNc+qNq+1/2γbNr

式中:

fvu-地基土極限承載力的豎向分力;

Nc,Nq,Nr-地基承載力系數(shù),為土的內(nèi)摩擦角的函數(shù);

B-基礎(chǔ)寬度;

Q-基礎(chǔ)兩側(cè)超載,一般為γmd。

工程實(shí)踐表明,只有在一些地基土特別軟弱的情況下,采用不允許地基產(chǎn)生塑性區(qū)的臨塑荷載Pcr作為地基承載力特征值,而對于中等強(qiáng)度以上地基土,以臨塑荷載Pcr作為地基承載力特征值,不能充分發(fā)揮地基的承載力,取值偏于保守,將控制地基土中塑性區(qū)在一定深度范圍內(nèi)的基礎(chǔ)荷載值作為地基承載力特征值,使地基即有足夠的安全度,保證穩(wěn)定性,又能比較充分地發(fā)揮地基土的承載能力,從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)、減少基礎(chǔ)工程量、節(jié)約投資的目的,符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。對應(yīng)于塑性展開區(qū)開展到基礎(chǔ)底面兩側(cè)邊緣下相當(dāng)于基礎(chǔ)底面寬度四分之一的深度時,相應(yīng)的臨界承載力,并將其擬合成類似極限承載力通式的形式,這就是《地基規(guī)范》根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力特征值的公式。

三、公式應(yīng)用的限制條件和方法

1.e小于或等于0.033倍基礎(chǔ)底面寬度。公式是在條形基礎(chǔ)、均布荷載、均質(zhì)土的條件下推導(dǎo)出的,當(dāng)受到較大的水平荷載而使合力的偏心距過大時,地基反力分布將很不均勻。根據(jù)地基規(guī)范的規(guī)定,在偏心荷載下允許基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力為平均值的1.2倍,對本公式的應(yīng)用,相應(yīng)增加了e小于或等于0.033倍基礎(chǔ)底面寬度的限制條件。

2.應(yīng)滿足變形要求。由于地基變形造成上部結(jié)構(gòu)的破壞和裂縫的事例很多,控制地基變形是地基設(shè)計(jì)的主要原則,當(dāng)?shù)鼗撂貏e軟弱或者不均勻時,即使地基承載力滿足要求,也可能因局部沉降過大而引起結(jié)構(gòu)開裂影響使用,故要求在應(yīng)用時,應(yīng)滿足變形要求。

3.基礎(chǔ)底面寬度,大于6m時按6m取值,對于砂土小于3m時按3m取值。在地基規(guī)范編制時,利用大量載荷試驗(yàn)成果與該計(jì)算公式進(jìn)行對比,因比較是在取基礎(chǔ)寬度為3m的條件下進(jìn)行的,故規(guī)定對于砂土,小于3m時按3m取值。另一方面,當(dāng)基礎(chǔ)寬度增大時,公式的計(jì)算值增大很快,對此宜慎重選用,而基礎(chǔ)寬度增大,也必將導(dǎo)致沉降量和差異沉降量增大,對上層結(jié)構(gòu)造成不利影響,為此,又規(guī)定當(dāng)基礎(chǔ)底面寬度大于6m時,按6m取值。

4.不進(jìn)行修正。地基承載力修正是考慮基礎(chǔ)寬度和埋深的影響而進(jìn)行的,理論公式計(jì)算的地基承載力特征值在公式中已包含了基礎(chǔ)寬度和埋深的影響,是不需修正的。

5.抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為三軸試驗(yàn)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值?？辜魪?qiáng)度指標(biāo)采用三軸試驗(yàn)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,當(dāng)為多層土?xí)r,黏聚力和內(nèi)摩擦角應(yīng)采用相應(yīng)于1倍基礎(chǔ)底面短邊寬度的深度范圍內(nèi)的加權(quán)平均值。

四、幾點(diǎn)說明

1.計(jì)算時要慎重選用計(jì)算參數(shù)。ck、φk的取值,當(dāng)結(jié)構(gòu)物施工速度較快,而地基土的透水性和排水條件不良的情況,可采用UU試驗(yàn)指標(biāo);當(dāng)結(jié)構(gòu)物竣工后較長時間,突遇荷載增大時,可采用CU試驗(yàn)指標(biāo);當(dāng)結(jié)構(gòu)物加載速率較慢,地基土的透水性較好,排水條件又良好時,可采用CD試驗(yàn)指標(biāo)。2.在計(jì)算確定承載力時,必須充分估計(jì)地下水位變化的可能與趨勢。3.地基承載力特征值不僅與土質(zhì)、土層埋藏順序有關(guān),而且與基礎(chǔ)底面的形狀、大小、埋深、上部結(jié)構(gòu)對變形的適應(yīng)程度、地下水位的升降、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的差別等等有關(guān)。4.在軟弱地基上更要考慮不均勻沉降存在的可能性和對建筑物所能造成影響的程度,適當(dāng)控制承載力的取值。按公式法計(jì)算軟土地基承載力特征值時,宜采用三軸不排水試驗(yàn)指標(biāo)φk=0計(jì)算。5.由于公式的導(dǎo)出條件為條形基礎(chǔ),當(dāng)用于獨(dú)立基礎(chǔ)時,用該式偏于安全。

五、結(jié)語

1.規(guī)范中公式法確定地基承載力特征值的理論依據(jù)為土的強(qiáng)度理論莫爾-庫侖強(qiáng)度理論。2.土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取三軸試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值。3.地基的臨塑荷載可用作地基承載力而偏于安全。地基的臨界荷載作為地基承載力,既安全又經(jīng)濟(jì)。4.確定地基承載力特征值要進(jìn)行綜合考慮。