建筑地基承载力相关问题探讨

于海祥，吴笛

（1重庆建工集团股份有限公司设计研究院，重庆 400042；2重庆泰山建筑工程施工图审查有限责任公司，重庆 401120）

0 引言

在工程地质勘察与地基基础设计中，确定地基承载力是基本的工作之一。地基承载力代表值的确定是贯彻地基基础工程可靠性设计的核心工作。

根据现行国家标准 《工程结构可靠性设计统一标准》GB 50153-2008[1]的规定，目前各类建筑结构的设计已基本采用了概率极限状态设计法。由于建筑结构中常用的混凝土、砌块、砂浆、钢材等人工材料制作或施工过程中的质量可控性强、变异性较小，且样本空间大，统计数据充分，因此现行国家标准GB 50153对人工材料强度（抗力指标）明确给出了概率分布模型及结构的目标可靠度指标，采用概率极限状态法有基础工作的支撑。而对岩土工程，因岩石和土体性质极为多样，物理力学差别很大，目前统计资料不足，缺乏基础工作的支撑，采用形式上的概率论极限状态法进行承载力设计时，需深入理解现行标准的精神实质。

国家标准GB 50153-2008指出，岩土性能标准值宜根据试验结果按有关规定确定，但未给出概率分布模型及目标可靠度指标。现阶段除港口、水利水电领域及个别地区作了尝试以外，地基工程采用的仍是传统可靠度设计方法。就全国范围来说，岩土材料随区域性差异大，但随着理论研究的深入发展，试验及统计资料的补充完善，概率极限状态设计法作为岩土工程设计的发展方向是极具生命力的。

由于我国现行地基基础设计规范规定地基承载力计算时的作用效应采用正常使用状态下的标准组合（不考虑荷载分项系数），因此地基安全性取决于地基承载力设计值的取值规定。关于地基承载力的取值尚有下列问题需要探讨或说明。

1 工程特性指标

工程特性基本指标是工程材料的客观指标，可通过简单的力学试验进行测定，如岩土地基材料的强度指标、弹性模量等均属于工程特性基本指标；按照这一原则，试验得到的地基极限承载力理应属于工程特性基本指标。但是作为地基抗力指标的地基承载力，其代表值，即地基承载力特征值，不是地基客观、直观指标，因而不是工程基本特性基本指标。其确定不仅与地基强度试验结果有关，也与地基基础设计及上部结构对地基的容许变形的要求等有关，最终体现的是设计安全度。所以地基承载力特征值的确定实质上是一个设计的可靠度问题。现行国家标准对建筑地基承载力特征值的取值和试验方法给出了系统、完整的规定。但由于我国幅员辽阔，岩土工程特性的区域差别很大，在国标对地基承载力特征值取值所做出的基本框架性规定下，很多地区都制定了适合本地区的地基基础设计标准，其规定与国家标准可能有所区别。需要特别注意的是，岩土工程方面，有时地方设计标准低于国家标准，比如重庆地方标准DBJ 50-047-2016对天然岩石地基承载力特征值取值的相关规定中，单轴抗压强度的折减系数，比国家标准取值大。

2 工程特性指标物理力学参数的数理统计

建筑结构确定结构可靠性有三个概率准则：1）准则I：半经验半概率准则，包括容许应力法和单一安全系数法；2）准则II：近似概率准则，即以分项系数表达的极限状态设计方法；3）准则III：全概率准则，目前尚处于探索阶段。工程结构设计发展经历了从准则I到准则II的阶段，目前处于准则I准则II并行阶段。国标GB 50153倡导使用准则II，准则II已成为建筑结构主要设计准则。

工程特性指标物理力学参数的数理统计是准则I半概率法在地基工程中的应用体现。对建筑结构材料与岩土的参数标准值计算，其理论基础都是统计学中的区间估计理论，但具体情况却有所不同。这里仅简单指出结论：当样本数量很大时（属于大子样估计时），对正态分布、概率分位值为0.05的随机变量标准值，计算公式为fk=μf-1.645σf。建筑结构材料的物理力学指标属于这种情况。对岩土工程，由于在同一场地、同一土层取样本的数量不算多，不属于大子样估计，所以岩土的参数标准值采用统计修正系数乘以平均值得到，统计修正系数按回归修正公式计算，具体公式可参考各地地方标准的附录。

关于GB 50007-2011对载荷试验数据的统计提法，需要明确两个基本术语的概念：1）地基极限承载力标准值以分位值为0.05经过数理统计的地基极限承载力值，保证率为小于标准值的概率不大于5%；2）具有一定安全储备的地基承载力代表值——地基极限承载力标准值除以安全系数后的值。

但凡样本数量足够时，即符合上述结论。比如岩石单轴抗压强度标准值的确定，详GB 50007-2011附录 J；地基土的抗剪强度指标c、Φ标准值的确定，详GB 50007-2011附录 E。而现场载荷试验，出于经济性考虑一般样本数很少，做统计已无意义。所以规定极差不超过平均值的30%时即不过分离散时，直接取统计平均值或最小值，其实质就是标准值。重庆市地方标准《工程地质勘察规范》DBJ 50-043-2016就表达得很清楚，将统计平均值或最小值称为标准值，并规定当极差超出30%，应增加样本数量，当样本数量足够时，可按数理统计原理确定地基极限承载力标准值。

3 地基承载力特征值

根据国家标准 《建筑地基基础设计规范》GB 50007的规定，地基土载荷试验承载力的代表值应取特征值。名词“地基承载力特征值”由国家标准 《建筑地基基础设计规范》GB 50007的2002年版开始使用，定义为：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，其最大值为比例极限 （《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011术语第2.1.3）。准确把握该定义，需注意如下问题：

1）该术语定义着眼于载荷试验法，能从物理力学概念反映地基承载力特征值的精神实质，但工程实践中不能排除由其它方法获得的地基承载力特征值；

2） 《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011的公式5.2.5给出了地基承载力特征值的理论计算公式，该公式是以P1/4临界塑性区确定的地基承载力特征值，与GB 50007-2011中术语所定义的不大于比例极限的定义有所差异；

3）术语的定义表达上，载荷试验中，默认将单个试验样本作为地基承载力特征值表述。数理统计中，当样本数量足够时，确定代表值的标准过程是：n个样本值→统计得到平均值及均方差→标准值→设计值。而GB 50007-2011中载荷试验的确定过程是：样本极限值→有一定安全储备的样本容许值→样本容许值的平均统计值或最小值=特征值。需要把握两个注意事项：①对样本折减后成为样本容许值再统计得到统计容许值，虽然不影响结果，但秩序不同；②形式上没有标准值这一环节。

重庆地方标准DBJ 50-047-2016对地基承载力特征值的术语解释没有照搬，定义为：具有一定安全储备的地基承载力代表值。避免了GB 50007-2011的问题。

国家标准 《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011关于2.1.3地基承载力特征值术语定义的条文说明中，通过列举中外相关术语作比较及解释对地基承载力特征值作了阐述。但，如果说地基承载力特征值是由变形控制确定的话，该变形的规定值与地基变形容许值并没有联系，地基变形需另外验算，两种状态对应的作用组合值也不同。应该理解为此时的变形控制是为了保证地基不致产生过度变形以至失稳，属于承载力的概念，满足承载力但不一定满足容许变形，现行规范的规定是分别验算同时满足。因此，对现行规范的执行中，不应一概理解为由正常使用极限状态控制着地基设计，虽然变形控制也很重要，否则与不需要变形验算的规定自相矛盾。

比较74版地基容许承载力的规定，与地基承载力特征值物理意义相同。为准确理解地基承载力特征值的概念，建议可采取新旧规范相结合、相对比的方法。

4 地基基础设计等级

根据GB 50153-2008第3.2.1的原则规定，工程结构应根据结构破坏后果的严重性区分安全等级，并规定不同的安全等级其可靠度水平不同。因此地基基础工程也应区分安全等级，其可靠度水平不应低于上部建筑结构。对建筑结构，主要是通过调整结构重要性系数来体现的。由于现行地基工程可靠度设计标准采用的传统方法即大老K法，与重要性系数无关。现行国家标准和各地地方标准对应的提法是设计等级，分为甲、乙、丙级，勘察规范对应的提法是勘察等级，也分为甲、乙、丙级。重庆地方设计标准规定的是一、二、三级。地基基础设计等级不同，总结起来对设计要求有如下不同：1）是否考虑沉降计算；2）确定地基承载力特征值的严格程度；3）检测与验收标准的高低。

可见地基基础设计等级与地基可靠性标准密切相关。对确定地基承载力特征值的严格程度主要体现在设计等级上。

5 地基承载力特征值确定方法

关于地基承载力特征值的获取，现行标准涉及到的方法有：1）载荷试验方法，这是最基本、最准确的方法，国标中关于地基承载力特征值的定义也是依托载荷试验法给出的；2）原位测试方法，包括触探试验、标贯试验等；3）理论公式法，即根据土的抗剪强度指标采用理论公式计算的方法；4）地方标准表格法；5）经验法，即根据条件相似的邻近建筑工程由经验确定的方法。国家标准GB 50007-2011取消了表格法，不是禁止而是完全交给地方标准或地区经验了。重庆地区反映在地方标准《工程地质勘察标准》DBJ 50-043-2005里。规范并不排斥使用未列入的其它成熟方法，比如旁压法（可用于测定深层地基承载力）等。

载荷试验方法是最直接可靠的方法，但成本也最高。实际工程中，除规范规定必须采用或地质条件很复杂、土质很不均匀需要采用时，一般不用此法。此法对设备条件要求较高。当为岩体地基时，不具备设备条件时会达不到需要的压力值。当岩石强度很高时，极限破坏难以达到。

无论何种情况，地基承载力特征值的确定都需要采用多种方法联合使用，再经分析综合确定。对一般工程，包括地基基础设计等级为乙、丙级，重庆地区用得最多的组合是：野外鉴别、钻探取样做室内土工试验、原位测试及理论计算。

5.1 土质地基载荷试验法

（1）强度控制法：即以比例极限P0作为地基承载力特征值。适用于硬塑～坚硬的粘土、粉土、砂土及碎石土。此法适用于整体剪切破坏模式。

（2）相对沉降控制法：根据沉降量与沉降板宽度的比值s/b确定，采用s/b=0.01～0.015对应的压力为地基承载力特征值，但其值不应大于加载量的一半。适用于p-s曲线上未出现拐点的中高压缩性的松砂或可塑、软塑状态下的粘土。此法适用于局部剪切破坏模式。

（3）极限荷载法：当p-s曲线比例极限出现后，土很快就达到了荷载Pu，将Pu除以安全系数2，当其数值小于比例极限时，即为地基承载力特征值。此法适用于冲剪破坏模式。

5.2 岩质地基单轴强度法[2]

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标准值乘以0.1～0.5的折减系数进行确定，安全系数的印迹较深。对岩石单轴抗压强度，重庆地方标准的规定相对合理也更经济。

5.3 理论公式法

计算土质地基的理论公式有很多种，主要可划分为假定刚塑体计算极限承载力的公式和考虑弹塑性影响 （即容许局部塑性区开展）计算容许承载力的公式两大类。现有的理论都是假定土为刚塑体 （即土体中应力小于极限值时，土体为刚体，无变形。达到屈服应力时，为塑性流体），按弹性-塑性平衡求解。因此考虑的都是整体剪切破坏。对于局部剪切破坏，是在上述解答的基础上考虑压缩性影响进行折减。

国标GB 50007-2011公式5.2.5属于理论公式，74版就有，来自前苏联标准，沿用至今。它是以土的强度理论为依据，结合土的塑性变形区发展范围以及整体剪切破坏情况等假定条件下推导出的计算公式。主要有临塑荷载公式、控制塑性区公式 （临界）、承载力极限公式三种。国标GB 50007-2011公式5.2.1为地基临界荷载为P/4对应的地基承载力特征值。公式已经包含了基础深度与宽度，所以不应再修正。对地下水位高于地基底面时不适用。

6 结论

地基承载力的可靠性设计标准体现在地基承载力特征值的取值方面，地基基础设计规范经过各版本的变迁，总体技术水平有了很大的提升。要准确理解地基承载力的概念并掌握不同岩土材料地基承载力特征值的获取方法，有必要深入理解其历史演变背景和内在的物理力学意义。由于岩土工程特性的不确定性、复杂性，概率极限状态法应用于岩土工程包括地基工程，尚需通过进一步的理论研究、实践经验与统计数据的积累逐步实现。