地基承受荷载的能力称为地基承载力。 承载力计算是地基、基础设计应有的主要内容。 荷载作用下,地基的破坏形式主要包括以下三种: 地基设计应同时满足承载力计算、地基变形设计、地基稳定性验算的要求(GB55003-2021第4.1.1条)。上部结构通过基础传递给地基的平均压力(基底压力)的最大值不应使地基处于塑性变形状态,是保证工程结构安全的基本要求。也是地基承载力设计计算的核心内容。
承载力计算是地基、基础设计应有的主要内容。
荷载作用下,地基的破坏形式主要包括以下三种:
地基设计应同时满足承载力计算、地基变形设计、地基稳定性验算的要求(GB55003-2021第4.1.1条)。上部结构通过基础传递给地基的平均压力(基底压力)的最大值不应使地基处于塑性变形状态,是保证工程结构安全的基本要求。也是地基承载力设计计算的核心内容。
“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),也取决于建造基础的方法。”(梅耶霍夫,1951)
地基承载力的七个术语
涉及地基承载力常见术语有7个:地基容许承载力、地基极限承载力、承载力基本值、承载力标准值、承载力设计值、地基承载力特征值、修正后的地基承载力特征值。
溯其根源,归结于我国地基基础的三本规范:74规范、89规范和2002规范。
地基极限承载力和地基容许承载力是地基承载力的两个最基本的术语。
地基容许承载力主要源自TJ7-74,遵循的是综合安全系数法。地基容许承载力是在保证地基稳定性和建筑物沉降量不超过容许值的条件下,地基所能承受的最大荷载。
地基容许承载力与建筑物的结构特性等因素有关。
地基极限承载力是地基在保持稳定状态时所能承受的最大荷载。
地基极限承载力不仅与地基土的性质有关,还与基础的形式、形状和埋深、宽度等有关。
地基承载力特征值源自于GB50007-2002,回归为总安全系数法。地基承载力特征值对应着两个符号fak和fa,确定方法并不相同:
地基承载力特征值(fak)由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值,其最大值为比例界限值。
当基础宽度和埋深大于一定值时,由地基承载力特征值(fak),经基础宽度和埋深修正后得到的地基承载力特征值,即为修正后的地基承载力特征值(fa)。
在74规范与02规范之间,自然不能忽视GBJ7-89规范。
为了强制性地与国际标准接轨,GBJ7-89推行按概率极限状态设计原则,以分项系数法取代总安全系数法,提出了承载力基本值(f0)、承载力标准值(fk)与承载力设计值(f)等术语与符号,导致地基承载力的设计值大于标准值,造成了某些概念的混淆。
有人作过概括:74规范是荷载标准值与容许承载力的比较,89规范是荷载设计值与承载力设计值的比较,2002规范是荷载标准值与特征值的比较。地基承载力特征值(fa)重回地基容许承载力概念,下角标a即“allowable bearing capacity”的字头。
地基承载力是指标还是参数?专家多有论述,百度即知。
天然地基承载力特征值的确定
天然地基承载力特征值应通过载荷试验或其他原位测试、公式计算,并结合工程实践经验等方法综合确定(GB55003-2021第4.2.3条)。
(1)地基承载力的理论计算
根据土的抗剪指标计算结果为地基极限承载力或地基临界承载力,经典理论公式有太沙基公式、斯凯普顿公式、汉森公式、梅耶霍夫公式等。
地基极限承载力除以安全系数后可得到地基承载力特征值,不同的理论公式,其安全系数各异。
地基基础规范中,由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值公式如下:
注意,土的抗剪强度指标的试验方法与使用条件。抗剪指标可采用原状土室内剪切试验、无侧限抗压强度试验、现场剪切试验、十字板剪切试验等方法确定。当采用室内剪切试验确定时,宜选用三轴压缩试验的自重压力下、预固结的不固结不排水试验。
(2)岩石地基极限承载力计算
计算岩石地基极限承载力的理论公式常用的有普朗特尔公式、太沙基公式和科茨公式等。
对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值,可根据室内饱和单轴抗压强度初步估算:fa =ψr·frk
2.现场载荷试验
根据各级荷载以及相应的沉降稳定的观测数据确定。
对于完整、较完整、较破碎的岩石地基承载力特征值按岩基载荷试验方法确定;对破碎、极破碎的岩石地基承载力特征值可据平板载荷试验确定。
注意:不同形状承载板(圆形与方形)之差异,不同规范之间相对变形量的标准与依据;岩基载荷试验与平板载荷试验的差异。
3.根据原位测试与地基承载力特征值之间的经验关系间接确定
如CPT、DPT、SPT、DMT、PMT、SPLT、VST、VS等,需要载荷试验检验。
载荷试验是最准确、可靠的,确定承载力特征值的手段。
复合地基承载力特征值的确定
复合地基是指天然地基在地基处理过程中,部分土体得到增强,或被置换,或在天然地基中设置加筋体,由天然地基土体和增强体两部分共同承担荷载的人工地基。
处理于地基施工前,应通过现场试验确定地基处理方法的适用性和处理效果(GB55003-2021第4.4.2条)。
GB55003-2021第4.2.4条 复合地基承载力特征值应通过现场复合地基载荷试验确定,或采用增强体载荷试验结果和其周边土的承载力特征值结合经验确定。复合地基静载荷试验应采用慢速维持荷载法。
1. 复合地基承载力特征值应通过现场试验确定,且试验条件应与设计条件相一致;
2.现场试验应在增强体和周边岩土性质,满足复合地基条件下进行,并符合建/构筑物和市政基础设施使用期间的工程地质、水文地质条件;
3.复合地基的加强体桩较长时,由于载荷试验板尺寸较小,不能全面反映复合地基的承载特性。采用单桩复合地基静载试验的结果确定复合地基承载力特征值,可能由于荷载板刚度、褥垫层厚度对试验的结果产生影响;
4.采用多种地基处理方法综合使用的地基处理工程验收检验时,应采用大尺寸承压板进行载荷试验 ,其安全系数不应小于2.0(JGJ79-2012第3.0.10条)。
地基承载力的修正
(一)天然地基承载力的修正
地基承载力特征值fak一般通过载荷板试验得到的。此时的fak没有包括埋深范围内侧荷载产生的抗力,必须进行深度修正。
深层载荷板试验测得的fak,已经包括埋深范围内侧荷载产生的抗力,不需要进行深度修正。
地基承载力深宽修正的计算公式为:
实际基础的宽度比载荷板大很多,基础宽度越大,抗力越大,承载能力越高,因为需要进行宽度修正。
不同条件下,深度修正的基础埋置深度(d)按以下原则确定:
1.基础埋置深度宜自室外地面标高算起;
2.填方整平地区,可自填土地面标高算起,但填土在上部结构施工后完成时,应从天然地面标高算起;
3.对于地下室,当采用箱形基础或筏基时,基础埋置深度自室外地面标高算起;当采用独立基础或条形基础时,应从室内地面标高算起;
4.主裙楼一体的结构,对于主体结构地基承载力的修正,宜将基础底面以上范围内的荷载,按基础两侧的超载考虑,当超载宽度大于基础两倍宽度时,可将超载折算成土层厚度作为基础埋深,基础两侧超载不等时,取小值。
(二)人工处理地基承载力的修正
据JGJ79-2012第3.0.4条:
1 大面积压实填土地基(填土宽度大于基础宽度两倍、质量控制严格的填土地基),基础宽度的地基承载力修正系数应取零;基础埋深的地基承载力修正系数对于压实系数大于0.95、黏粒含量大于等于10%的粉土,可取1.5,对于干密度大于2.1t/m3的级配砂石可取2.0;
2其他处理地基,基础宽度的地基承载力修正系数应取零;基础埋深的地基承载力修正系数取1.0。
案例举微
某超高层建筑,地下3F、地上45F,型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体结构,高206.00m,基底平均压力800kPa。
据勘察报告,基底以下地层⑤残积粉质粘土、 ⑥强风化泥质砂岩、 ⑦中风化泥质砂岩、 ⑧强风化泥质砾岩、⑨中风化泥质砾岩。主要岩土参数如下:
设计单位通过调研、咨询、分析,采用载荷试验和旁压试验对地基土的强度和变形参数进行了进一步的研判。试验表明,强风化泥质砂岩的承载力特征值满足800kPa(未达到极限荷载),采用筏板基础。
(据方云飞等,2015)
通过数值分析计算,得到写字楼最大沉降量为37. 2mm,总沉降量和差异沉降均满足规范要求。
全过程施工监测表明,沉降实测资料与计算变形趋势吻合,略小于计算值。
该工程已竣工多年,为长沙第一栋以强风化极软岩作为天然地基的超高层建筑。
地基承载力由谁定?
地基承载力并不是地基土的一种性能指标,而是与地基土性状、基础宽度和埋深有着密切的关系,离开了上述条件,地基承载力似乎是空中楼阁。
在勘察阶段,并不具备正确估计地基承载力的前提条件,而基础宽度、深度与场地岩土工程条件又密切相关,二者无法割裂。
上面的案例也说明,勘察阶段,很难客观、准确地提供地基基础设计需要的地基承载力特征值,此类案例举不胜举。
正因如此,土木工程界时有热议。高大钊教授建议在各种勘测、设计规程中,不再提供地基承载力。
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