岩土工程评价与设计讲座--高大钊

岩土工程评价与设计方法讲座第一部分岩土工程评价方法（下）同济大学高大钊2011年3月五.勘察报告中的岩土工程评价1.地基承载力评价勘察报告提供的地基承载力特征值仅是强度参数还是同时满足强度与变形要求的综合参数？地基承载力特征值是极限值还是容许值？用公式计算的地基承载力为什么还必须验算沉降？2.场地的均匀性评价评价场地均匀性的作用是什么？如何认识与处理场地土层的不均匀性？场地均匀性的评价方法1.地基承载力评价勘察报告提供的地基承载力特征值仅是强度参数还是同时满足强度与变形要求的综合参数？用承载力公式确定的地基承载力是否必须验算沉降？很多勘察单位直接把地基承载力标准值变为地基承载力特征值。因89规范与2002规范上部结构荷载组合不同，导致计算出的基础底面积明显减少，对此很多结构设计人员提出疑问。《建筑地基基础设计规范》计算地基土强度特征值的公式中涉及土的容重项，如果地下水位不同时，地基承载力的计算结果是不一样的。但如按静探结果、标贯试验或物理性指标计算或查表求其承载力时，根本与地下水位无关。用《高层建筑岩土工程勘察规程》的极限承载力公式可以提供地基承载力吗？不知道这能否用于中低层建筑勘察的特征值取值依据？用平板载荷试验得到的承载力，用公式计算的承载力，不管是极限还是允许值，也不管标以什么名称，都是从强度概念得到的承载力，不包含变形的概念。影响建筑物变形的因素非常复杂，不可能在用载荷试验确定的承载力和用公式计算得到的承载力时能够控制建筑物的变形值。建筑物地基基础的设计必须满足强度和变形两方面的要求，但并不是要求承载力控制必须同时包含变形控制。有的时候，承载力与变形都必须计算，有的时候强度满足了要求，变形也自然满足。例如根据上海的地质条件，硬壳层的载荷试验数值可能达到150kPa左右，无论叫比例界限，特征值，临界荷载，都是从硬壳层的强度得到的承载力，用公式计算时是用了硬壳层的抗剪强度指标，载荷试验试验反映的也就是2～3m厚的硬壳层的承载力。而建筑物的沉降，主要是由深层的软土控制的，基础面积大，应力传得深，受压缩的土层更厚，这些因素在载荷试验中能反映吗？显然不能；在计算公式中能反映吗？也是不能的。所以根据上海的地质条件和工程经验，天然地基只能用80～100kPa，即过去的所谓老八吨。这个承载力是综合考虑了地基的变形，一般情况下计算的沉降是可以满足要求的，但承载力还是强度问题，只是考虑了深层软土对沉降的影响，取用值比较小一些而已。同时，这个承载力也不能对变形打包票，在建筑物体型复杂，层高变化大时，即使用了很低的承载力，建筑物也还是有可能开裂的。在本书1.6节中详细地介绍了一些案例，虽然建筑物的层数不多，基底压力也并不高，但由于各种因素的影响，建筑物还是墙面开裂，严重地损坏了。上海的《地基基础设计规范》从1999年版开始，采用地基极限承载力公式按基础的尺寸和埋置深度计算地基承载力，这本规范在最近的修编工作时。在上海地区，近年来对10个场地的浅层黏性土和粉土层一共做了39台平板载荷试验，以验证地基极限承载力计算公式的适用性。试验结果表明，上海地区浅层土的地基极限承载力在200kPa~300kPa之间，粉土的承载力高于黏性土，粉土的p～s曲线呈渐变型，无明显转折点；而黏性土的p～s曲线有明显的线性段。你谈到了89版《建筑地基基础设计规范》和2002版《建筑地基基础设计规范》的关系，但大家忽略了还有一本74版的《工业与民用建筑地基基础设计规范》，而且这是个源头。编制74版规范时，上部结构设计还没有采用概率极限状态设计方法，荷载采用的是标准值，地基容许承载力用p1/4公式计算或查地基承载力表，设计方法是十分标准的容许应力法。但在编制89版规范时，上部结构设计已经采用了概率极限状态设计方法，因此地基设计的荷载也已经用了设计值，与74版规范相比大约提高了25％左右，但由于地基承载力用的仍是容许值，无法用分项系数加以调整。尽管当时采取了一些提高地基承载力值措施，例如c、的统计修正系数采用85％的保证率，深宽修正以后承载力的增量不到10％的也乘以1.1的系数等，但这本规范颁布以后，总的反映是基础的宽度设计得宽了，即承载力是用得低了些。2002版《建筑地基基础设计规范》实际上是回到了74版规范的设计水平，虽然在细部上有些差别，但在总体上是回到了74规范，即荷载小了，基础明显减小了，这是回归到74规范的正常情况，不需要害怕。2002版规范与74版规范比较，安全度是一致的；与89规范比较，将本来高了一点的安全度拉了下来，不必有疑问，很正常。用承载力公式确定的地基承载力为什么必须验算沉降？《建筑地基基础设计规范》考虑弹塑性影响计算的临界承载力，在一定程度上考虑了变形的影响，却还要验算沉降。我想问，按我国《建筑地基基础设计规范》公式计算的承载力特征值还需要验算沉降，是不是存在矛盾。《建筑地基基础设计规范》的公式来源于前苏联规范。前苏联的规范采用p1/4公式控制基底压力的目的是为了进行沉降计算，认为基底以下塑性区的开展深度没有超过1/4的基础宽度，地基中大部分区域还处于弹性状态，可以用弹性理论计算应力，并用以计算沉降。满足了这个公式恰恰是沉降计算的前提，并不是基底压力小于p1/4公式计算的结果就不需要进行沉降计算了。《建筑地基基础设计规范》GB5007-2002基本上沿袭了前苏联规范的体系，用规范的地基承载力公式计算的结果并不包含沉降必然满足要求的结论。恰恰相反，几个版本的地基基础设计规范都强调按照地基承载力公式计算结果确定的地基承载力，必须验算沉降。你的理解上存在一些问题。问题之一是混淆了强度与变形两个不同性质的问题的界限。地基承载力与建筑物的沉降控制不能加以等同，前者是强度问题，与沉降控制不存在直接的因果关系，用强度指标得不到沉降量，用压缩模量也得不到稳定验算的结果。问题之二是不了解如何进行变形控制。变形控制必须控制计算沉降满足建筑物的要求，根据不同类型的建筑物，用不同性质的变形指标来控制，而承载力验算只与基础尺寸及埋置深度有关，与建筑物的类型没有直接的关系，因此只验算地基承载力不能替代变形控制。问题之三是地基承载力验算与沉降计算所涉及的土层深度范围不同。对地基承载力验算有影响的主要是持力层和软弱下卧层，层位太深的土层对承载力不会有什么影响。但深层的土层对沉降量还是有重要的影响，建筑物的平面尺寸越大、基础的宽度越宽，对沉降有影响的深度范围就越深。2.场地的均匀性评价场地的均匀性评价是岩土工程勘察的重要内容，但对怎样认识均匀性与均匀性评价的作用存在不同的理解，因而做法与结果也就不同。重点讨论这三个问题：评价场地均匀性的作用是什么？如何认识与处理场地土层的不均匀性？场地均匀性的评价方法场地均匀性评价的作用是什么？场地均匀性评价是手段而不是目的；为基础方案选择和采取工程措施提供依据；为方案或设计成果的比较提供建筑物性状的定量或半定量的计算结果；勘察阶段的均匀性评价不是最终结果。场地均匀性评价是手段而不是目的场地均匀性评价不是简单地说明自然界，而是为了工程建设（设计与施工）的需要，分析与说明地基岩土层力学性状的均匀性。因此，均匀性评价的前提是工程建设的要求，均匀性评价的内容是分析地基的均匀性对建筑物的影响，均匀性评价的结果为工程设计与施工方案提供依据。为基础方案选择和采取工程措施提供依据勘察报告中均匀性评价的结果不是“均匀还是不均匀”，也不是简单的“是否适宜于建设”之类的结论，更无法得出建筑物的不均匀沉降是多少，是否满足规范要求等等的结论，而是提出设计时应注意什么问题，对基础选型有什么要求，可能采取什么工程措施等的建议。勘察阶段的均匀性评价主要着眼于地质条件，说明地质条件对建筑物会产生什么样的影响，设计施工时应采取什么对策。例如，对山区土岩组合地基，跨在两种不同地质单元上的建筑物地基，硬层或软弱层的厚度变化比较大的地基等，这种地质条件的不均匀性会对建筑物带来不利的影响，在基础选型、甚至上部结构选型时应该选择适应性比较强的结构体系或基础的类型。或在地基基础设计时，采取一些特殊的工程措施，例如设置褥垫层以调节不均匀沉降，又如在建筑物适当部位设置沉降缝以适应地基的不均匀沉降。至于，由于地基的不均匀性所产生的不均匀沉降是多少，有些同行希望在勘察阶段进行计算，或者审图要求计算的事。我告诉大家，在勘察阶段是计算不出来的，即使在设计阶段，也不是所有的情况都能计算的。如何认识与处理场地土层的不均匀性？天然土层是均匀的还是不均匀的？从地质学的观点来看，总是不均匀的，但从工程学的观点来看，在工程影响的范围内，需要进行局部化处理，将这个局部作为均质体处理，例如相同的成因类型，同一个地质单元，同一个土层，将其作为一个力学层。这样局部化处理以后，对于局部化处理以后的地质体，就可以抽样试验，可以统计分析，可以引用均质体的理论进行力学的分析计算。一切岩土工程的勘探、取样试验、资料的统计分析、代表性指标的取值、代人解析解公式的计算、进入数值分析程序进行数学模拟都是建立在均质体假定的基础上进行的，如果不承认这个假定，那现行的设计计算就什么都不能做了。但是，在岩土工程界，有的同行并不认同这个观点。作为学术研究，当然是可以的。但作为岩土工程师处理实际工程问题的基本观点，却使我深深地担忧，在年轻一代的岩土工程师中，确实存在着缺乏工程实践的基本训练，缺乏正确的统计概念和力学概念这种状况，对于工程师的成长，对于正确的工程判断和处理工程问题是非常不利的。A高教授能参与我们的讨论，我感到很荣幸也很惶恐，我斗胆想继续发表一些与高教授不同的观点，希望提前得到高老的原谅，在此先谢谢高老。我感到我们的讨论已经上升到了认识论与方法论的高度了：1、高老认为地质体是均质的，数据的离散性主要来源于取样、试验等具体环节，因此用数理统计的方法来消除抽样试验方面的误差，进而导出了关于场地的认识、土样数量问题和均匀性评价等等问题的认识，认为公式中常用到经验系数和修正系数主要是修正此类不确定因素带来的误差；2、另一种观点认为地质体是非均质的，要研究其性质必须要有足够的数量的试验，要在建筑物的不同位置布置勘探点，研究其不均匀性，至于数据离散性问题主要强调用统一的方法、设备和标准来规范其操作行为，因此而带来的误差是统一的，个别样品的差距主要表现了抽样母体的差别，因此要用建筑物不同位置上的数据来评价其均匀性和倾斜等问题。另一位网友发表了不完全相同的观点：我认为在宇宙中没有绝对的均质物体，岩土体也一样，如果不按均质体研究，你有办法反映岩土的量化数据么？你提出了地层的物理力学数据，就与你的前提矛盾了，你无法勘察，无法提供勘察报告。从地质勘察的角度来看，其研究对象主要是地质体，估计没有人能否认地质体是非均质、各向异性的，反过来说就是没有人能证明地质体是均质的；但勘察成果是为工程设计服务的，从设计角度来看，所有的计算模型或理论均假设地质体是均质，都要按均质的理论来进行设计和计算，所以勘察报告中提供的承载力也好、其它任何指标也好都是把地质体的性质做了均质化处理，所用的方法就是数理统计的方法即抽样调查的法则，这个过程也就是岩土工程勘察工作。总而言之就是勘察人认为地质体是非均质的，通过勘察过程将一定范围内的地质体的性质做均质化处理，将结果提供设计人员使用，一个好的勘察人员必须要明白你所做的均质化处理是否准确可靠、其风险概率有多大等问题；工程设计人员要求将地质体看做地均质的，但一个好的设计师必须要了解地质体的非均质性所带来的后果，并妥善处理好它们的关系。我想这也正是岩土工程师所必须具备的最基本的概念和素质要求。自然地质条件是复杂的，岩土体是不均匀的，这是大家公认的事实，但作为工程研究的对象，需要认识它，研究它和处理它，又不得不把它局部化和简单化，忽略次要的，解决主要的矛盾，这可能是自然科学研究和工程技术研究的不同之处。对于不同类型的均匀性问题用不同方法来处理。作为岩土工程师，对于你勘察的场地，首先要做地质工作，从地质成因和