论文-地基承载力

地基承载力确定方法研究摘要地基承载力的确定是一个十分重要的课题。地基承载力是确定基础平面尺寸和埋置深度的重要依据，合理确定地基承载力是工程勘察和地基设计的主要内容。在《建筑地基基础设计规范》（ＧＢ５０００７．２００２）中取消了地基承载力特征值表之后，本文以建立河北省地方性建筑地基承载力特征值表为研究目的，首先分析了河北省地质情况并划分地质单元，以便于统计试验数据。然后对对比试验的原则和方法作了陈述，重点通过对７０６套载荷试验资料进行回归分析，得出了可信度较高的具有实际工程意义的经验公式，最后据此建立了河北省建筑地基承载力特征值表格，并将其中的部分数据与《建筑地基基础设计规范》（ＧＢＪ７－８９）中的承载力基本值表做了比较分析。地基承载力应该坚持用载荷试验、理论计算、其他原位测试、经验值（承载力表）等方法根据工程具体情况综合确定。地基承载力表是很重要的一个方法，但不能作为唯一的方法。地基承载力表具有地域性，应该大力提倡建立各地的地方承载力表。希望本文的工作可以对积累地基承载力方面地区性资料和研究方法起到积极的作用。2第一章概述１—1地基承载力研究的历史与发展地基基础是一项古老的建筑工程技术。早在史前的人类建筑活动中，地基基础作为一项工程技术就被应用，我国西安市半坡村新石器时代遗址中的土台和石础就是先祖们应用这一工程技术的见证。公元前２世纪修建的万里长城；始凿于春秋末期，后经隋、元等代扩建的京杭运河；隋朝大业年间李春设计建造的河北赵州安济桥；我国著名的古代水利工程之一，战国时期李冰领导修建的都江堰：遍布于我国各地的巍巍高塔，宏伟壮丽的供电、庙宇和寺院；举世闻名的古埃及金字塔等，都是由于修建在牢固的地基基础之上才能逾千百年而留存于今。据报道，建于唐代的西安小雁塔其下为巨大的船形灰土基础，这使小雁塔经历数次大地震而留存于今。上述一切证明，人类在其建筑工程实践中积累了丰富的基础工程设计、施工经验和知识，但是由于受到当时的生产实践规模和知识水平限制，在相当长的的历史时期内，地基基础仅作为一项建筑工程技术而停留在经验积累和感性认识阶段。十八世纪欧洲产业革命以后，水利、道路以及城市建设工程中大型建筑物的兴建，提出了大量与土的力学性态有关的问题并积累了不少成功经验和工程事故教训。特别是这些工程事故教训，使得原来按以往建设经验来指导工程的做法已无法适应当时的工程建设发展。这就促使人们寻求对许多类似的工程问题的理论解释，并要求在大量3实践基础上建立起一定的理论来指导以后的工程实践。从前的建筑物对于地基承载力的要求是不高的，但是随着高层建筑技术和大型机车制造业的的发展，建筑物的地基和道路的路基破坏成为人们头痛的问题之一。由此，对于地基承载力的研究慢慢的发展了起来。建筑物因地基问题引起的破坏，一般有两种可能，一种是由于建筑物在荷载作用下产生了过大的沉降或沉降差，致使建筑物严重下沉，上部结构开裂，倾斜而失去使用价值，另一种是由于建筑物的荷载过大超过了持力层所能承受荷载的能力而使地基发生破坏，据统计全世界６０％以上的建筑物破坏都是由于地基问题造成的ＩｊＪ，可见地基承载力是地基设计中的一个重要课题。地基承受荷载的能力称为地基的承载力。通常区分为两种承载力，一种称为极限承载力，它是指地基即将丧失稳定性时的承载力。另一种称为容许承载力，它是指地基稳定有足够的安全度并且变形控制在建筑物容许范围内时的承载力。地基承载力的课题所涉及的面很广，影响因素也较多，除地基土的性质外、还与基础的埋置深度、宽度、形状有关，在工程建设中，合理的确定地基承载力是工程勘察和地基设计的主要内容口Ｉ。１８５７年，朗肯（ＲａｎｋｉｎｅＷ．Ｊ．Ｍ．）最早提出了地基极限承载力的计算公式。它假定基础底面光滑，基础两侧的土重用连续均布超载来代替，基底咀下的土为无重量介质。１９２０年，普朗德尔（ＰｒａｎｄｔｌＬ．）根据塑性理论，导出了刚性基础压入无重量土的极限承载力公式。１９２４年，瑞斯诺（Ｒｅｉｓｓｎｅｒｔｔ．）对普朗特尔极限承载力公式进行了改进。在４０年代以4前，世界各国学者提出的地基承载力公式，都是假定土是无重量的。为了弥补这一缺陷，４０年代太沙基（ＴｅｒｚａｇｈｉＫ．）根据普朗特尔原理，提出了考虑土重量的地基极限承载力公式。５０年代，迈耶霍夫（ＭｅｙｅｒｈｏｆＧ．Ｇ．）提出了考虑基底以上两侧土体抗剪强度影响的地基极限承载力公式。６０年代，汉森（ＨａｎｓｅｎＪ．Ｂ．）提出了中心倾斜荷载并考虑其它一些影响因素的极限承载力公式。７０年代，魏锡克（ＶｅｓｉｃＡ．Ｓ．）引入修正系数和考虑压缩性影响，把整体剪切破坏条件下地基极限承载力公式推广到局部或冲剪破坏时的极限承载力计算。最近，中国南京水科院的沈珠江院士等关于土体破坏的运动方程和极限平衡理论的建立，提出了地基极限承载力公式。同时，在２０年代，前苏联学者普兹列夫斯基提出了临塑荷载Ｐcr和临界荷载Ｐ¼。地基承载力理论发展到今天，我们常常提到的三种概念基本成形如下：地基承载力简单的说就是地基承受荷载的能力。地基承载力中常常作为研究对象的有三种荷载，即：理论上地基中刚开始出现剪切破坏（塑性变形）时基底单位面积上所承受的荷载临塑荷载Ｐcr临塑荷载表达式是依据条形均布荷载的条件推导来的。还有地基中的塑性区的最大深度Ｚmax达到基础宽度ｂ的P1/3或者P1/4，这时的基底压力称为临界荷载，分别以P1/3或P1/4表示，地基的临界荷载可以作为地基承载力的一种指标。第三种是地基丧失整体稳定时的荷载即极限荷载。这时土内的塑性区己发展成为连续贯通的滑动面。在荷载试验的ｐ－ｓ曲线上表现出尘将急剧增大或很长时间内不停止。将极限荷载5除以安全系数，可以作为地基的容许承载力，但这是由强度方面考虑的，，至于是否满足地基变形要求，则需另行计算。１－２国内外规范地基承载力确定的一般方法１－２．１国内地基承载力的确定方法７０年代，我国开始编制自己国家的第一本建筑地基基础设计规范，《工业与民用建筑地基基础设计规范》（ＴＪ７－７４）。由于建国初期我国的地基基础设计都是引用前苏联的设计规范，这些规范大多规定采用普兹列夫斯基公式（临界荷载Ｐ．／４）计算地基承载力，我国从建国一开始就深深的受到前苏联设计规范的影响，因此在我国自己编制的第一本规范中，将临界荷载Ｐ．／４公式写入规范，并根据中国的经验对其中的承载力系数Ｍｂ做了调整（对内摩擦角大于２４０的情况都提高了承载力系数）。在规定地基承载力计算公式的同时，还对全国各类土的几千份载荷试验对比资料进行了对比统计分析，分类别总结了地基承载力经验公式，最后提出了１１张地基承载力表。当时载荷试验承载力取值是按照比例界限荷载或相对沉降比（指沉降与载荷板的比值，高压缩性土取０．０２，中低压缩性土取０．０１ｔＯ．０１５）来取值的。与此同时，我国交通、铁路规范，甚至一些地方规范也根据各自的资料，给出了地基承载力表。6这些承载力表实际上是我国大规模工程建设的经验总结，对指导我国当时的工程建设，起到了应有的历史作用。在岩土工程界，许多学者认为地基承载力不是地基的一个固有参数，而是地基和基础共同作用的一个结果参数，其中包含了地基的物理力学性质、原位应力状态，基础的形状、尺寸、刚度、荷载分布、埋深和基础容许沉降。因此将地基承载力归结为根据几个土的室内物理试验指标或原位测试指标去查规范给定的全国通用地基承载力表，是将地基承载力问题过于简单化，甚至对岩土工程技术的发展是有害的。另一部分学者则认为，地基承载力表示宝贵的经验总结，反对从规范中去除。２００２年，我国建设部颁布了《建筑地基基础设计规范》（５０００７—２００２），将地基承载力表从规范２范中已经删除。至此，地基承载力表终于完成了它的历史任务。但是，多年的工程实践告诉我们，地基承载力表有其合理之处，可以更为方便简化工程实际问题。各地由于发展速度不同，开始制定自己区域性规范的时间亦不同。我们上海市为例进行分析。上海市从二十世纪三十年代起，开始关注地基容许承载力，称为笼统的１６００磅／平方英尺，约相当于８吨／平方米，或８０ｋＰａ，此值不包括基础上覆土重，但包括基础本身重，比较接近容许承载力净值，习称老八吨。１９６３年《上海市地基基础设计规范》（试行草案）建议用临界荷载Ｐ¼为容许承载力，所需的φ、ｃ值按直剪固快峰值抗剪强度7的７０％求的。１９７５年修订规范草案时，将Ｐ¼改成临塑荷载Ｐ。因为实践发现，按Ｐ¼值设计，基础沉降偏大。１９８９年上海市标准，《地基基础设计规范》ＤＢＪ０８—１1—８９仍用Ｐｏ。１９６３年规程试行草案参照前苏联《工业和民用建筑天然地基设计规程》（ＨＮＴｙｌ２７－５５）定下以Ｐ¼值作为容许承载力。Ｐ¼的计算式如下：Ｐ¼=Nq.rod+Nrrb+NccNc，Nr，Nq-------------地基承载力系数，分别于地基土的粘聚力C，楔形土体荷重和基础的旁侧荷载q有关。Ro------------------基础以上土的加权平均容重，KN/m³r-------------基础以下土的加权平均容重，KN/m³d-------------------基础的埋深，mb--------------------基础的宽度，m1963规范按照当时国内剪切仪器的生产及供应情况，规定用直接剪切仪。考虑到在基础受荷过程中，地基土会有一些固结，而固结快剪试验系部分排水且试验简便，６３规范建议用直接固结快剪试验，但用峰值φ、ｃ计算得出的值Ｐ¼偏大，与已有实际经验差距很大，以致不得不用峰值强度７０％的φ，ｃ计算Ｐ¼。９９上海规范规定天然地基应按承载能力极限状态验算地基承载力．定义了极限承载力标准值和承载力设计值。极限承载力可由直剪固快指标的设计值φd、ｃd，按Hansen公式计算得到Hansen公式：8fdh=1/2Nrξrrb+Nqξqrod+Ncξccdfdh---------------------地基承载力fd=rdfdhfd-----------------------地基承载力设计值rd----------------------地基承载力修正系数Nc，Nr，Nq——地基承载力系数，分别与地基土的粘聚力Ｃ、楔形土体荷重和基础的旁侧荷载ｇ有关ξr，ξq，ξc——修正系数，与基础形状、基础埋深和荷载倾斜度有关９９上海规范经过大量试算，并采用了一系列的系数和限制，迫使所算得的承载力设计值与７４，８９规范的Ｉ临塑荷载的安全度相匹配，以防止不符合实际经验的结果产生，其中最主要的一条就是以直剪固快峰值强度指标的平均值为标准值，标准值需乘以修正系数Ａ＝０．７，否则，算得的结果与工程经验相比，偏大很多。分析表明，上海一般工业和民用建筑的天然粘性土地基在实际受荷过程中固结增强不显著，采用不圃结不排水剪强度比固结快剪更合适些。但是由于取土扰动和卸荷的影响，软土的不固结不排水指标通常偏低。所以，若取土质量达不到要求，用三轴试验得到的不排水强度，代入公式试算承载力会有很大差错。况且，土的不排水抗剪强度不是单一定值，它随着试验方法，破坏模式，剪切速率等因素的不同而变异，地基整体剪切破坏时，剪切滑动面上所发挥的抗剪强度平均9值与试验室常规三轴不固结不排水试验得出的强度有一定程度的差别。试验室常规三轴不固结不排水强度是否适合作为妒＝０时Ｈａｎｓｅｎ公式中的Ｃ。，值以计算承载力，而必须通过实践或大型载荷试验验证。由于在饱和粘性土地基中，比贯入阻力见或贯入阻力ｑ。与土的不排水抗剪强度Ｃ。有密切的内在联系，故而可用来估算粘性土的承载力。在粉性土、砂土中，静探贯入阻力反映土的压密和剪切特性，故也与承载力有密切关系。反思建国５０多年的建设经验，对岩土工程的特点可以得到阻下认识：岩土工程具有两大特性，一是服务对象（工程类型）的广泛性，二是研究对象（岩土）的复杂性。具体表现在：Ａ、岩土介质的区域性：由于岩土体是大自然在漫长的地质演变进程中形成的产物，因而具有区域性。不同地质地理区域的岩土，其性质是迥然不同的。比如黄土、红土、风成砂、软土、膨胀岩、膨胀土、盐渍土、冻土、残积土、新近沉积土、填土、混合土、污染土等特殊性岩土具有明显的特殊性质。Ｂ、岩土材料的变异