地基基础工程的现状及发展综述 潘凯云

1地基基础工程的现状及发展综述潘凯云编21.地基基础工程国内外现状地基基础工程需解决的问题：建（构筑）物的地基强度设计、变形控制、稳定性控制、基础材料设计、检验与监测技术和相关施工技术。地基强度设计：应包括，地基原位测试技术、室内测试技术、允许设计取值。变形控制：应包括，地基变形计算、建筑物允许变形、对相邻建筑物的影响。稳定性控制：应包括，建筑物整体稳定性、抗浮稳定性、抗震稳定性。3基础材料设计：应包括，材料抗冲切、抗剪、抗弯设计、耐久性设计及地基土的材料特性。地基土的材料特性：应包括土的组成、化学成分、成因、应力历史、地下水条件、物理力学指标等。地基基础的工程研究：地基材料特性、结构类型适应性、施工技术可行性。41.1基础工程的可靠性、耐久性研究已发展到新的水平。1.1.1可靠性70年代我国科研工作者跟进国际工程结构可靠性设计的研究，全面开展了对工程结构可靠性设计的研究。85年国际标准ISO2394《结构可靠性总原则》发布，这种设计方法在世界各国结构工程界得到实施，标志世界结构工程设计的全面技术进步。84年我国国家标准GBJ68-84《建筑结构设计统一标准》发布。5我国89版国家标准体系全面引入了以概率理论为基础的极限状态设计法，简称概率极限状态设计法，即承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计方法。89版国家标准体系的特点：结构可靠度设计的范围仅限于构件设计的可靠度；对结构体系的可靠度研究还未达到使用阶段；国家规范体系中还没有全面涉及耐久性设计的内容。62000版国家标准体系的公布，进一步明确了可靠性设计的原则和适用范围，全面引入结构耐久性设计的内容，使我国结构工程的技术水平随国际同步，达到了新的技术水平。1）《建筑结构设计统一标准》GBJ68-84，修订为《建筑结构可靠度设计统一标准》。2）由于《建筑地基基础设计规范》、《建筑抗震设计规范》在结构可靠度设计方法有一定特殊性，由原标准要求的“应遵守”本标准，改为“宜遵守”本标准。73）《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002中明确了地基基础设计中承载能力极限状态和正常使用极限状态的使用范围和计算方法，对荷载组合的设计取值和相应的抗力给出了明确规定。对地基和桩基的承载力采用了极限值、特征值和安全系数的方法，并对荷载组合设计取值给出了规定。84）基础工程可靠性包括以下几个方面：·基础工程结构或结构的一部分作为刚体失去平衡（如倾覆等）；·基础工程结构构件或连接因材料强度超过而破坏（包括疲劳破坏）、或因过度的塑性变形而不适于继续承载；·基础结构转变为机动体系，或因过大变形引起上部结构不适合继续承载；·基础工程的变形引起结构裂缝或影响正常使用；·基础工程的耐久性。91.1.2耐久性国外对耐久性的认识是使用极限状态的问题，认为结构或构件出现不可接受的外观损伤，是经济合理的使用寿命问题。国内则更多的认为是安全问题，将耐久性看成是承载能力极限状态问题。混凝土结构的耐久性问题，主要在三个方面：1）钢材的耐久性；2）混凝土的耐久性；3）环境作用的耐久性问题。10钢筋锈蚀。混凝土冻融损伤。化学物质的侵蚀。碱骨料反应—水泥水化过程中释放出来的碱金属与骨料发生反应。碱—硅酸反应碱—碳酸盐反应机械物理损伤—磨损、空蚀、冲撞。大气侵蚀—酸雨、空气污染、雨水冲淋、风沙。溶蚀—长期浸泡在流动水中的混凝土，有效成份被水溶解。生物侵伤—海洋环境和城市污水的影响。112000版设计规范对耐久性的规定：规定了设计使用年限对使用环境进行了分类对结构混凝土进行了规定对构造要求进行了规定121.2更加强调原位测试的重要性。地基土（岩）由于成因、应力历史、地下水条件等的改变，对土的基本力学性质影响很大，基础工程设计参数更加强调原位测试的重要性。近20年的工程实践，在土的原位强度、变形特性的测试技术、软土、砂土的非扰动取土测试技术不断发展，如：静力触探仪技术、旁压仪技术、扁铲测试技术、软土的薄壁取土技术，砂土的二重管、三重管取土技术等研究和应用，已大大提高了岩土工程原位测试技术的发展和工程应用的可靠性。13如有的学者介绍国外发达国家，如德国，原位触探类测试与取土钻孔在工程上的比例与我国比正好相反，静力触探除有压力传感之外，还安装摄像和其他传感器，大大提高了岩土工程勘察的水平和能力。我们国家总的状况是触探技术应用的多一些，大都是传统的取土测试，先进的取土技术、旁压仪、扁铲等应用面较小，设备的差距较大。141.3强调按变形控制的基础工程设计原则：《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002中明确规定了按变形设计的原则、方法，地基基础工程按变形控制设计的思想是国内外岩土工程学术领域的共识。分析所有地基基础工程的事故，因地基强度引起的比例很小，大部分是因地基过大变形引起的倾覆和开裂，或因差异沉降引起的裂缝而影响正常使用。15黄熙龄院士在1991年~1997年，通过一系列室内模型试验进行了变形控制设计研究，并进行了工程实践，同时把这一重要设计思想编入GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》，即在一个整体大面积基础上建有多栋高层或多层建筑，应按上部结构、基础与地基共同作用进行变形计算，标志着我国地基基础设计水平已达到国际先进水平。16我省原云南省设计院总工刘岳东教授级高工，已年过80高龄，经过多年的调查、分析、研究，出版了《高层建筑筏形基础内力分析》一书，对现行规范中的一些问题提出了不同的论点：如，对基础内力分析的弯曲与弯矩的概念及相应的“倒梁法”计算的不同观点；对基底摩擦阻力抵消基础整体弯矩的讨论。同时针对上部结构、基础、地基共同工作的设计思想和方法，分为9个章节进行了分析和论述。刘老的这部专著对我们更深入准确地学习贯彻《建筑地基基础设计规范》，并把上部结构、基础、地基共同工作的设计思想在工程实践中推广和实践有指导作用，刘老这种对工程科学问题严谨且不断探求的精神，是我们全体工程技术人员学习的榜样。171.4重现监测技术：监测技术在地基基础工程中占有十分重要的地位。它既是地基基础工程灾害的预警系统。同时监测数据是检验地基基础工程设计、施工质量和水平的重要依据。动态设计、信息化施工要依靠监测技术实现。监测技术包括：测试原件、监测仪器仪表、自动控制系统和反分析技术。监测技术研究包括：测试原件、仪器仪表的可靠性、耐久性研究，自动测试系统可靠性研究、远程监控技术和自动报警系统。18近十年国内外在监测技术的研究方面已基本上实现了：除传统的应变、频率测试外，发展了远红外技术、光谱分析技术，并在自动化程度和可靠性上大大提高，并且实现了长期监测和自动预警的系统设计功能。监测和研究的内容：建筑物的沉降观测和监测；大型土石坝工程的裂缝、应力观测和监测；大型边坡工程、填筑工程的沉降监测和裂缝监测；地铁工程建造期和使用期对地上建筑物影响的监测等。191.5大型区域工程的相关技术和综合利用。区域性基础工程包括：区域性地下空间开发功能设计、基础设计和相关施工技术。地铁车站建设的地下通道与周围建筑群的联结；地铁道路对线路上建筑物基础（包括超长桩基础）的影响；地下车库在区域地下空间建设的道路设计；小区地下空间综合利用的规划、建筑设计等。20随着城市用地日益紧张，地下空间开发的地下车道、地下商场、地下车库的需求越来越大，区域基础工程研究的问题是综合规划、建造、增加投资效益和地下空间综合利用率，减少由于单体设计、施工引起的人为地质灾害，包括基础支护结构及锚杆对邻建建筑物的影响、地铁线路穿越高层建筑桩基础等引起的相关问题。目前在小区规划设计中，已初步考虑了地下空间综合利用问题，但对相关基础工程设计和相关联结技术还有待进一步研究。212.地基基础工程技术发展中的几个问题。随着我国国民经济的高速发展，建筑业在我们国家的经济发展中已占有重要地位。进入21世纪，大型公共建筑项目、住宅产业项目、地下空间开发利用、城市地下交通建设等规划设计、施工综合研究的需求，对我们结构工程师提出了新的课题，也为基础工程科学的发展提供了广阔的空间。22国内发达地区在超深超大基坑工程、大底盘多塔楼高层建筑、地下商场、地下车库、以及大跨空间多层地下建筑等，不仅在大型公共建筑而且在住宅小区建设中都已经有广泛的应用，其面积已达到总建设面积的10%。综上所述我们结构工程师在思考、研究和实践中，应在如下几个问题有所突破。232.1上部结构—基础—地基共同作用设计的进一步研究和实践。建筑物的基础沉降都是“盆形”沉降，即四周小，中间大。规范中所列的单体高层建筑箱形基础，当地基较均匀、竖向结构构件布置均匀、上部结构荷载分布均匀时，箱形基础的底板、顶板的内力近似于局部受力的内力，但这种情况在工程实践中是很难遇到的。工程中大量遇到的情况越来越需要进行上部结构—基础—地基共同作用的设计。如：24（1）箱形基础或裙楼比塔楼扩大，刚度较大荷载分布也较大核心筒，造成荷载不均匀，由于功能的要求竖向构件的布置不均匀。（2）目前上部结构内力计算均把基础作为嵌固的固定端来假定的，因此整个结构体系没有考虑“盆形”沉降而引起的附加内力。（3）有的项目实测研究认为，上部结构—基础—地基共同作用的计算和设计应考虑施工过程的内力变化和分布，有的项目实测表明，当施工到9~11层时对结构体系，特别是对地基基础的计算起控制作用，即过多地考虑上部结构的刚度参与是不安全的。以上仅是复杂工程实践中的一小部分，因此上部结构—基础—地基共同作用的原理还需进一步的研究实践。252.2按变形控制设计为减小沉降设置桩基的设计思想，是我国应用变形控制进行基础工程设计的成功经验。减少建筑物整体沉降可以采用减少结构自重从而降低基底附加压力；采用深埋基础；采用桩基等各种措施和方法。对于差异沉降的控制可采用设置沉降缝，设置施工后浇带等措施和方法。在实际工程中由于功能要求，不允许设置沉降缝；或因地下水位较高或希望工期缩短，采用施工后浇带要增加施工费用，对工期也有影响。26因此就出现了按变形控制的设计方法。如：云南省设计院完成的北京中华民族园，根据业主的需求，用一层到九层的阶梯形建筑构成人造山体，建筑内部为商业用途地下一层停车库，总面积十二万平方米，荷载的差异非常大，并且不可能设缝。因此采用桩基独立柱承台，再用防水板做地下室底板，其核心就是不采用天然地基，而用桩来控制差异很大的变形。这一方法得到北京首规委组织的专家组的充分肯定，建成后说明这一方案是成功的，且是经济的。27其他各地也有若干成功的实例。但整个按变形控制设计方法还有待在实践中总结完善和系统地深入研究。另一个方面，目前深基坑工程对于周围建筑及地下管线、道路的影响，在城市建设中事故率较高，深基坑工程设计必须按变形控制设计已列入规范，但某些支护技术对变形计算的研究还十分欠缺乏（如土钉墙支护），事故率也比较高，因此按变形控制的支护设计计算方法还有待全面地总结完善。282.3全面提高原位测试技术水平。作为基础工程设计依据的岩土工程勘察，原位测试技术研究目前积累的大量资料以地基强度为主，而且开展工作的广度和深度还不均衡，对于原位地基变形参数的研究较少，至使工程设计或由于参数保守，造成工程浪费，或由于估计错误，造成工程事故。29随着地基—基础—上部结构共同作用设计和按变形控制设计的要求，变形参数原位测试技术的研究和实践十分重要，特别对于砂土、粉土、风化岩等室内评价有困难的地基土更加重要。并且这项技术的发展不仅需要引进先进的装备和仪器，还需要积累量大面广的工程资料和经验总结。因此在市场经济的现实中，还需要我们在观念上给予重视、在方法实施合作，推动这项技术的进步。302.4进行监测技术的进一步实践和研究。监测数据是信息法施工和动态设计的重要依据，也是检验、总结和调整地基基础工程设计的重要依据；大量监测数据的积累，为工程设计反分析，建立区域地质资料库有十分重要的意义。我国基坑工程研究方面的投入还十分欠缺，监测技术的实践和研究包括测试原器件、测试系统及自动化预警系统等方面内容。313.几个重要的专题3.1北京市勘察设计研究院的共同作用分析方法的研究与应用，上部结构、基础与地基共同作用的概念。共同作用应满足的