河北省建筑地基承载力技术规程编制情况介绍.doc

岩土工程与勘察 第17卷 第2期（总第27期） 2005年12月河北省建筑地基承载力技术规程编制情况介绍贾文华1 王长科2 戴志祥3【摘 要】对河北省建筑地基承载力技术规程编制背景予以说明，对其中的若干规定做出解释，并就编制该规程的一些体会进行介绍。 关键词：地基承载力 工程地质分区 研究程度 统计方法 规程要点1 背景与回顾 回顾我国建筑地基基础设计的发展历程，有关地基承载力的确定，大致经历了五个历史阶段：建国前，我们国家基本没有工程勘察的专业队伍和相关技术，大型建设项目很少。在为数不多的工程中，地基承载力由土木工程师按照经验确定，有一些项目则直接由外国人主持。建国后到二十世纪七十年代初，主要是套用前苏联的房屋设计规范（127-55）。该规范提供了几种土的承载力表，有的科研生产单位，使用极限平衡理论公式进行计算。在这期间，前苏联援建了我国一百多个大型项目，我国也自主建设完成一批建设工程，例如北京的十大工程。当时，地基承载力称之为“地耐力”，是个很形象的称谓。这个过程沿袭了二十多年。 1971年，由国家建委牵头，我国开始编制自己的规范，至1974年，推出了第一版自主产权的工业与民用建筑地基基础设计规范（TJ7-74）。这部规范中，引入了标贯和轻便触探等原位测试技术，将地基承载力定名为“容许承载力”，用R表示，在正文中给出了13个承载力表格，几乎涵盖了各种常见岩土，是建国后大量工程实践经验的总结。该版规范首次提出：对于一般房屋和构筑物，容许承载力可查表确定；对于重要的或结构特殊的房屋和构筑物，尚应结合野外载荷试验、公式计算和实践经验等方法中的一种或数种综合确定。 1989年，出台了国家标准建筑地基基础设计规范（GBJ7-89），将11个承载力表从正文移到附录，数值进行了一些调整，但变化幅度不大。 89规范对地基承载力的确定原则是按建筑物安全等级分别考虑，对一级建筑物采用载荷试验、理论公式计算及其他原位试验等方法综合确定；对可不作地基变形计算的二级建筑物和三级建筑，可采用查表法或其他原位试验，结合工程实践经验确定。提出了指标可靠度概念，凡用土的物理指标查表得出的承载力为承载力基本值fo，将fo乘以回归修正系数f后得出承载力标准值f k。在这15年间，原位测试技术得到快速发展和普及。 2002年，国家颁布了现行国标建筑地基基础设计规范（GB50007-2002），将地基承载力称谓改为承载力特征值fak ，并将承载力表从规范删除，地基承载力特征值可由载荷试验或其它原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。至此，使用了近30年的全国性地基承载力表完成了它的历史使命。 纵观以上三部规范有关地基承载力方面规定的变化，不难看出，在我国实行了多年的承载力表。实际上就是全国性的工程实践经验总结,在不同历史时期，发挥了应有的作用。每部规范中人们对地基承载力的研究水平和认知程度，其历史地位和积极作用应该是肯定的。 1、2、3：中国兵器工业北方勘察设设计研究院 但是，随着科学技术和社会经济快速发展，人们对地基承载力的认识也在不断深入，或者说发生着某种改变，这种变化符合社会发展的辩证法则。举例来说,上世纪七十年代以前，工业与用建筑多是不超过六层的住宅和单层厂房，而近二十几年来,大量的高层超高层建筑、大型电站、高速交通等建设项目的兴建，以及沿海复杂工程地质条件地区的改革开放,这些大的背景形势，都对建筑地基提出新的要求,也促使业内人员对地基承载力问题进行深入的思考。另外，近年来房屋建筑实行私有化,计划经济时期公有住房轻微损坏无关大局，但对现在的商品房，因为地基原因出现这种情况则是不能允许的,所以，对确定地基承载力的要求也就更加严格并细化。基于以上原因,有一些专家学者提出，我国地域辽阔，地质条件复杂多样，在全国这么大范围内,将承载力归结成由土的物理指标或原位测试指标给出的十几个经验表格，是把承载力这一地基基础设计重要参数的问题过于简单化,在有些省份或地区可能并不适用，同时，也不利于岩土工程技术发展,不应该列入全国性的规范之中。而另一些人则认为，地基承载力表是几十年的工程实践经验总结，不能轻易放弃,主张予以保留。那么，作为工程实践经验的地基承载力表有那些利弊，是否有存在的价值？我们不妨对其进行一下权衡分析。 有利方面主要有二点：首先，74和89规范给出的经验表格，具有简单、实用、方便的功能，比较受基层技术人员的欢迎，这是其最显著的特点；另外，在安全性和可靠性方面，也基本得到从业人员的认可，在使用过程中，尚未听说因查表得出的承载力进行地基基础设计而发生的工程事故。 不利方面，存在以下观点： 1) 我国地域广大，岩土类型成因复杂多样，当时建立承载力表所依据的对比数据数量有限，有的表格数据仅来源几个省份或地区，作为一部全国性规范，显得有失偏颇。 2) 岩土体作为一种介质或材料使用时，具有比较大的变异性和不确定性。对某一类土而言，其成因年代、结构、固结历史和变形特征可能不尽相同，但某些物理指标却相差不大，从而得出相同的承载力，这显然是不合理的。 3) 机械地照搬承载力表,使得一些从业技术人员产生依赖思想,并将复杂的岩土工程问题简单化,不对具体工程进行深入分析和独立的思考,不利于岩土工程勘察技术的发展。 对照欧美日等发达国家的规范和标准，就目前所掌握的情况，没有看到全国性的地基承载力表，确定地基承载力的途径主要还是各种原位测试或理论公式计算。考虑以上的利弊得失，新版国家标准建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）取消了地基承载力表，地基承载力特征值由载荷试验或其它原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。但具体的经验数据，在该部规范中不再提供。所谓的工程实践经验，具体执行起来，就成为行业、地区或某个人的经验。行业一般地域跨度很大，仍未摆脱上述的弊端；个人经验因人而异，数以万计的从业人员技术水平和工作经验千差万别，很难达到一个相对统一的标准。这样一来，建立某一地质单元或一个地区性的标准，就成为现实中的一种选择。事实上，近些年来，北京市、上海市、福建省、南京市等地方，先后出台了本地区包括地基承载力等内容在内的地方规范规程，运行效果都比较好，既避免了全国性地基承载力表的弊端,又有针对性地给出本地区的工程经验，为当地的基本建设发展发挥了积极的作用。 正是在这种背景条件下，河北省建设行政主管部门召集省内主要勘察设计单位，着手编制我省的地基承载力地区经验。通过讨论大家认为：经过几十年，特别是改革开放后的二十几年建设，我省在建筑地基基础设计方面，已经积累了一定的实践经验，有能力建立起本省的建筑地基承载力地方经验，这一原则得到大多数参编人员的认可。从2002年开始，编制组汇集了省内各地区载荷试验综合对比资料716份，其中包括一部分为编制规程而专门补做的试验数据。在此基础上，对原始数据进行筛选，并对基本数据舍取归类，然后建立数学模型，进行数理统计分析，给出20个经验公式（表格） 。这期间召开了数次会议讨论修改，并请几位勘察大师会审，经过五易其稿，最终形成了现在所颁布的规程。2 编制说明2.1 工程地质分区 河北省地貌形态复杂多样，河流水系众多，绝对高程从西部太行山主峰2000余米到东部渤海海平面，大的地貌单元粗略地划分成山地和平原两大类，前者可细划为中低山、丘陵和山间盆地等；后者为华北大平原的一部分，按成因类型分为山前冲洪积平原、内陆平原和滨海平原，是本省主要的经济发展区域，也是基本建设最活跃的地区。 不同地貌单元和地质成因的岩土，在工程特性上必然存在差异，在编制规程时，有必要对全省范围再进行分区，以避免重复国家规范承载力表的弊端。目前，河北省共有11个地级设区市，按照各市所处地貌部位，分成以下四个区。区：山区，包括太行山东麓和燕山山脉，地处本省的西部和北部，在该区的主要城市有张家口、承德以及唐山北部等，大部分地段基岩裸露，以岩石地基为主，张家口附近区域有黄土分布。区：山前平原区，包括邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊西部和唐山中南部。为多条河流冲洪积扇连成一起形成的洪积扇群，有些地区如邯郸、邢台、石家庄等地上部分布有一定厚度的新近沉积土层。区：内陆平原区，华北平原中部地带的沧州、衡水、任丘和廊坊东部包括其中，地质成因多为冲积或湖相沉积，地基土质比较松软。区：滨海平原区，地处我省东部的沿海地区，主要由滨海相沉积所形成，包括秦皇岛、黄骅、京唐港等地，以软土地基为主。秦皇岛市区分布花岗岩残积砂质黏性土。 按照上述四个分区，规程中分别给出了各区的承载力表，在省内不同地区工作时，可分别按相应分区的经验数据考虑。附录A划出各个分区的界限，在界限附近县、乡的勘察项目，应根据建筑场地的工程地质条件特点，确定其分区归属。2.2 研究程度 在研究程度方面，各地区存在差异。总的来看，山前平原区汇总来的数据最多，约占总数的一半左右,其次是内陆平原区，山区和滨海平原区数据相对较少，这在一定程度上，代表着这些地区基本建设的发展程度，建设项目多的地域，积累的地区经验也就越多，统计结果的置信度就比较高。例如,山前平原区的黏性土,统计样本多,得出的回归方程效果就比较好。 分类统计时发现，有的相邻区数值比较接近，故将其合在一起，例如，土的物理指标与承载力特征值关系，、区是同一个表格，、区亦同样如此。另外，分布于较浅部的地层，如10m以上的地层，经常作为地基的持力层及主要受力层，资料数据比较多；而包括砂土、碎石土在内的一些粗粒土，因其承载力较高且多为地基下卧层，研究程度相对就差一些。例如，山前平原区冲洪积扇的出山口部位和中部的不少地段，地表一定深度下广泛分布的砂土层，由于做天然地基持力层的情况不多，载荷试验资料较少，而这些地层的承载力又是不容回避的问题。为此，本规程参照了原GBJ 7-89规范，给出了标贯试验与承载力关系数据，同理，表6.0.2-78和6.0.3-56这四个表，亦是引自上述规范。这些经验数据适用性较好，在我省经多年工程实践经验检验证明是可行的，故在正文中给出，可供参考使用。 对于区（山区）岩石的工程特性研究资料不多，但考虑作为建筑地基，岩石的承载力一般都能满足要求，故未另作工作，参照以往的经验，给出定性评价的经验数据。对该区的碎石土，承德和张家口的勘察单位做了不少有益的工作。2.3 统计方法 在建立规程的承载力表时，遵循以下的原则： 1) 必须是同一地质年代和相同成因类型的土，才能规划在一个统计单元。有的土尽管物理指标相近，但形成年代不同，承载力值差别很大，例如新近沉积土与此前正常沉积土，这种作用就很明显。基于这个原则，分别给出承载力表。 2) 选择适宜的土性指标，在诸多土的物理指标中，不少指标和承载力之间没有清晰的对应关系，反映在散点图上，无规律可循。经反复试算，相关性较好的指标依然是W、IL、e等，这与原国家规范选用的指标是一致的。 3) 在相关分析中，指标的参照对象必须是由载荷试验确定的承载力。其它方法，如静探、标贯得出的承载力，其本身也是与载荷试验对比的结果，是间接的参照系，将其与土的物理指标对比显然是不合理的。 本规程进行的数理统计回归模式有二种类型，标准贯入试验、动力触探和静力触探等单变量关系，采用一元线性回归统计,比较简单；对有二个变量的函数，如粉土或粉质粘土，则采用自变量组合的二元回归，经过取对数处理,最终作出统计方程式，部分代表性的统计回归曲线如下图14 。 3 规程要点介绍本规程使用对象主要是勘察单位的岩土工程师，而不是设计专业的结构工程师。其中所涉及的承载力都是指承载力特征值fak 。规程针对本省的具体情况，同时也考虑到我省岩土工程勘察水平和现状，对确定承载力的方法手段作出一些规定，总的来讲，更注重岩土工程勘察工作的实际，在一些方面增加了灵活性，归纳起来主要有以下几个方面。 1) 河北省境内局部地区有特殊土分布，例如邯郸的膨胀土，张家口等地的黄土。这些特殊岩土具有特殊的工程特性，在承载力的确定方面，与一般土不能等同。故规程总则1.0.4条特别强调：特殊性岩土承载力特征值的确定应符合相关标准、规程的规定。 2) 基本规定3.0.2第3款 ：地基基础设计等级为甲级的建筑物，地基承载力特征值应根据载荷试验、其他原位测试、室内试验和工程实践经验综合确定。采用天然地基方案时，载荷试验应布置在天然地基持力层内。采用复合地基或桩基时，天然地基持力层可不进行载荷试验，对复合地基或桩基应进行载荷试验。这一规定的基本思路是，甲级建筑物多为特殊建构筑物或超高层建筑，工程的重要性不言而喻，这些建筑物基底平均压力很大，以30层建筑为例，Pk一般都在500kPa以上，根据本省实际情况，不少地区如区、区，经深宽修正后的承载力特征值与基底压力相差甚远，一般都是采用桩基础，而在区的一些城市，也大多使用桩基或复合地基。在此情况下，硬性要求进行天然地基持力层的载荷试验意义不大，且增加了勘察成本，与其做平板载荷试验，到不如把这部分费用和时间用在桩的设计参数研究上，这样对地基基础设计会更有利一些,至于桩基或复合地基,按照国家规范要求,是必须进行静载荷试验的。 在执行该条规定时，以下二点应注意：1）在工程实践经验不多的建设场地，如新建大型工业建筑群，或者按当地工程实践经验估算，预计地基持力层经深、宽修正后的承载力特征值f a与基底压力Pk相近或有可能满足时,仍应坚持做天然地基平板载荷试验,以便于做出判定验证。2）要认真了解并领会设计意图，并取得明确注明采用桩基或复合地基方案的勘察技术委托书。 3) 正文5.0.3 条：当采用静力触探试验或标准贯入试验、动力触探试验、旁压试验时，单栋建筑物工程不应少于3个孔；其中对标准贯入试验进行数据统计分析时，单栋建筑物工程每一主要岩土层同一试验数据不应少于6个。该条规定主要是针对单栋（单体）建筑勘察而言。实际工程中，这种类型勘察项目并不少见，若进行静力触探试验，指标统计时单孔各层为一子样，要求不少于6个试验指标数，则至少需要6个静探孔，这往往不太容易达到，故规定对此类单体建筑勘察，静探孔不应少于3个。这种灵活处理，是为了便于和鼓励在小型项目中静力触探方法的推广使用，在指标统计时，可酌情采用最小平均值为代表值。对于较大的勘察项目，仍应按6个以上静探孔考虑。4) 与国家标准相比，类似适当灵活要求的规定还有5.0.5条抗剪强度试验方法：室内试验测定土的抗剪强度指标用于计算地基承载力时，应选择不固结不排水三轴压缩试验。对可塑、硬塑的黏性土与饱和度小于0.5的粉土，在工程要求允许的情况下，也可选择直接剪切试验中的快剪试验。对直接剪切试验成果应结合经验使用。这一规定的做出主要缘于两方面的考虑。一是当时我省勘察单位实验室装备水平不是很高，全部要求做三轴试验还不易达到，故给出一个缓冲期，在此期间应尽快配置设备；二是有对比经验表明，对可塑至硬塑的黏性土和非饱和粉土，两种方法得出的试验结果相差不是很大，一般是直剪试验偏高一些。所以，在条文说明中规定，直剪试验得出的黏聚力C 和内摩擦角应乘以0.8的折减系数。另外，本规程中的抗剪强度指标仅仅是针对承载力计算而言，对其他用途工程，比如基坑土压力计算时，仍应按相应规范要求执行。 5) 对土的工程特性参数修正，89规范的做法是将用于查表的指标取平均值，查出的承载力为基本值fo ，乘以回归修正系数f后，得出承载力标准值fK；本次制定的规程采用的是先对用于查表的指标进行修正，将其平均值乘以统计修正系数K得出某一指标的标准值，用标准值直接查表确定承载力特征值fak 。 上述两种修正方法，使用的回归修正系数和统计修正系数，在数学上的意义都是对所确定的最终结果给予一定的保证率，至于这两种修正方式的差别，用同样的一组数据计算比对，结果相差不大。一般而言，两种修正方法都只具有数理统计上的意义，其修正折减值的大小均与试验指标的数量和离散程度相关，样本数量越多，离散性越小，则指标的可信赖程度就越高，相应的折减就越少，反之亦然。 6) 土试样质量一直是影响查表确定承载力值的关键，不少勘察单位钻孔取土质量很难达到级土样标准，以查表指标孔隙比e为例，有资料显示，一些钻孔土样与探井所取的级土样相差可达到1020。而规程中土的物性指标承载力表，都是建立在级土样对比基础上的，如此大的误差，将会使作为工程经验的承载力表丧失意义。为此，在5.0.6条作出规定：按本规程第6章相应表格确定地基承载力特征值时，土试样的采取应使用薄壁取土器等适宜的取土器具。从目前勘察外业现状来看,使用适宜的取土工艺和取土器具,是改进土试样质量的根本,寄希望在指标统计修正时折减以减小误差是不科学的做法。 7) 在理论公式计算方面，现行国家规范规程中，推荐的极限承载力计算公式和P1/4公式，都源自于土力学的经典理论，已经多年使用，在国际土力学界是认可的。但在使用过程中人们发现，公式中都含有基础宽度和埋深这二个因素，得出的是承载力设计值，而在岩土工程勘察阶段，特别是初步勘察阶段，其设计意图往往还不明确，这就给岩土工程师带来一些困惑。为此，本规程提出了简化公式，排出了基础的因素，计算项只与地基土的物理力学指标有关。但该公式是对极限承载力计算公式简化基础上推导得出的，推导过程中使用了若干假设，这可能会造成公式本身的缺陷，例如对黏聚力为零的砂土就不适用。所以，在规程条文说明中注明：该公式主要是针对基础宽度和基础埋深未定的条件（例如初步勘察阶段），得出的结果仅是承载力特征值的估算值，不宜单独作为基础设计的依据，应与其他方法结合使用。如果已知基础宽度和基础埋深，建议仍按经典理论公式进行计算。4 几点体会1) 地基承载力特征值是基础设计必不可少的参数，由岩土工程师确定并提供，服务对象是结构工程师。确定地基承载力的基本方法有三种，具体采用哪一种或几种，应视拟建建构筑物的规模、重要性、勘察场地的复杂性以及地区工程实践经验掌握程度而定。在掌握大量工程实践经验的地区，相对可以简单一些；而在缺乏工程经验或地质条件复杂地区，使用多种方法获取试验测试指标，综合确定地基承载力，是比较稳妥的工作途径。 利用多种手段确定承载力时，不能简单地把几种方法得到的承载力值平均，而是要充分考虑勘察手段对特定建筑场地的适宜性，以比较适宜且有成熟经验的方法为主，辅以其它方法得到的结果综合而定。 2) 在理论和工程意义上，地基承载力都不是一个非常精确的定值。一方面，它是自然土体的工程特性，需要精心勘察，认真进行