地基承载力标准值、特征值、允许值的辨析

张孝松地基承载力标准值 特征值 允许值的辨析 3 9 地基承载力标准值 特征值 允许值 的辨析 张孝松 福州第七建筑工程有限公司 福州3 5 0 0 0 1 摘要 建筑地基基础设计规范 G B 5 0 0 0 7 2 0 1 l 认为 我国规范中 标准值 的含义可以有特征值 公称值 名义值 标定值四种 同时还认为 地基承载力特征值 实际即为地基承载力的允许值 从 而可得 出地基承载力特征值即为标准值的四种含义之一的疑似谬论 本文基于对标准值 特征值 允许值的辨析找出 产生该疑似的原因并提出解决问题的建议 关键词 地基承载力标准值特征值允许值 国家 标 准 建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范 G B 5 0 0 0 7 2 0 1 1 以下简称 2 0 1 1 地基规范 与 G B 5 0 0 0 7 2 0 0 2 相 比 2 0 1 1版 有 了多处补充 和 完善 如在 地基基础设计 等级 分类表 中增加 了基 坑工程 的内容 虽然基坑工程 既非地基 工程也非 基础工程 明确了 抗浮验算 属于基础稳定性 的内容而非地基 稳定 性 并 给 出了验算 公式 和控 制条件 虽然被安排在第 5章第 4节 地基 稳 定性计算 中而非第 8章 基础 设计 中 对岩石地基设计也补充了一些新的规定等等 尽 管如此 在 2 0 1 1 地基规范 中仍有一些不足 之处 例如在地基岩土抗力性能基本代表值的术语 及其参数 的表达 上 规范及其 条文说 明多有疑似 悖论之处 其 中之一就是 地基承载力允许值是 地基承载力标准值的四个含义之一 或者说 地 基承载力允许值就是地基承载力标准值 本文拟就地基 承载力标准值 特征 值和允许 值之间的关 系 胪 陈二 三 供有关 部 门参考并冀 以能收到裨补阙漏之效 1 规范之说法 在 2 0 1 1 地基规范 第 2 1 3条 的 条 文说 明 中 对我 国现行规范 中的 标准值 做 出了如下解释 根据 国外有关文献 相应于我国 规范中 标准值 的含义可 以有特征值 公称值 名义值 标定值 四种 在 国际标 准 结构可靠 性 总原则 I S O 2 3 9 4中相应 的术语直译为 特征值 C h a r a c t e ri s t i c V a l u e 该值 的确定 可 以是统计 得 出 也可以是传统经验值 或某一物理量 限定 的 值 这条解释是针对 标准值 所做出的通用性 解释 即适用 于所有 被称之为 标准值 的物理 量 在建筑结构设计领域 中 主要有三个物理量 作用 荷载 材料性能和几何参数 它们的基本 代表值 都是用标准值表述的 见文献 1 第 2 9 1条第 4 5款 第 2 1 0 1条第 2 9款 第 3 2款 而地基承载力是材料性能 岩土强 度 中的重要 性能 所 以该 条文说 明 的解 释也适用 于地基 承载力 依据该 条文说 明 的解释 地基承载 力特征值就是地基 承载力标准值的 四个含义之一 或者说 地基承载力 特征值就是地基 承载力标准 值 也是地基承载力的基本代表值 同时 在该规范 的第 4 2 2条 的 条文说 明 中又认 为 地基承载力特征值是指 由载荷试 验地基土压力 变形 曲线线性变形段 内规定 的变形 对应 的压力值 实际 即为地基承载力 的允许值 文献 2第 5页也认为 本次规范对地基设计采用 正常使用极 限状态这 一原则 所选定 的地基承载 力是在地基 土的压力变形 曲线线性 变形 段 内相应 于不超过 比例界限点 的地基 压力值 即允 许承载 力 由此可见 2 0 1 1 地基规范 采用 的地基 承载力特征值就是地基承载力的允许值 综上两 条文 说 明 的解 释即可推出 地基 承载力允许值 即为地基 承载力特征 值 而地基 承 载力特征值 又是 地基承载力标准值 的 四种含义 之 一 所以地基承载力 允许值理所 当然地就是地基 承载力标准值 的四种含义 之一 简 言之 地基 承 载力允许值就是地基承载力标准值 2 两者 之差 别 地基承载力允许值果真是标准值的四种含义 张孝松 高级工程师 总工程 师 1 9 9 4年 毕业 于福 州 大 学 工业 与 民用 建筑 专 业 长期 从 事技 术 管 理 和 工程 管 理 联 系 电 话 1 3 7 0 6 9 7 7 0 9 7 E ma i l 1 75 6 9 01 8 3 q q e o m CHEN CAL ENGI NEERI NG DES I GN 之一吗 果真等 同于它 的标准 值吗 答 案应 当是 否定的 将两 者对 比 不难发 现 两 者之间 至少 存在着以下三点差别 2 1 产生背景和使用条件不同 上世纪 l 7 O年代 的一系列 建筑结构 设计 规范 其中包含 工业与 民用 建筑地基 基础设计 规范 r r J 7 7 4 在这部规范中 表征地基抗力 的术语是 地基容许 承载力 而该规范 是按 着安全系数法 制定的 地基设计 承载力允许 值 的安全系数采用 2 0 文献 2第 1页 由此可见 地基 承载力 允许值只适用于安全系数法 或容许应力法 在 该规范中既未出现也没使用 地基 承载力标准值 或 地基承载力特征值 等术语 由于上世纪 7 O年代 的设计规范 结构的可靠 性理论仍停 留在 定值设计方法 阶段 一些 规 范如 钢结构设计规范 Y J 1 7 7 4 木结构设计 规范 试行 G B J 5 7 3及 工业与民用建筑地 基基础设计 规范 T J 7 7 4等 采用容许应 力法 的设计表达式 材料抗力采用容许应力值或容许 承载力 另外一些规范如 砖石结构设计规范 试行 G B J 3 7 3 钢筋混凝土结构设计规范 T J l O一 7 4等 采用安全系数法的设计表达式 材 料抗力采用强度或设计强度 但 在构件截 面强度 设计表达式中荷载效应要乘以安全系数 K 在以上 所有的规范中也 都不使用 强 度标 准值 或 承 载力标准值 等术语 所以 材料的容许应力 荷载效应乘 以安 全系数 即材料的强度除以安全系数 地基土 的容许承载力 等术 语 都是定值设计方法 阶段 的产物 与 当前广泛采用 的以概 率理论 为基 础 的 极限状态设计 方法 没有关 系 在 极 限状态设计 方 法提出之前即已广泛用于结构设计领域 中 建筑结构设计统一标准 G B J 6 8 8 4发布之 后又陆续发布了 工程结构可靠度设计统一标准 G B 5 0 1 5 3 9 2和 建筑结构可靠度设计统一标准 G B 5 0 0 6 8 2 0 0 1 工程结构 可靠性设计统一标 准 G B 5 0 1 5 3 2 0 0 8等统一标准 作为建筑结构 荷载规范 以及钢结 构 薄壁 型钢结构 混凝 土结 构 砌体结构 木结构等设计规范编制时应遵守 的规定 和原则 在制定建筑地基基 础设计规 范时 也宜遵守这些统一标 准所 制定 的原则 这些统 一 标准都要求 结 构在规定 的设计使 用年 限内应具 有足够 的或适 当的可靠度 可靠 度采用 以概率理 论为基础 的极 限状 态设计方法分析 确定 并用 可 靠指标 度量 可靠指标 p与失效概率 P 的关系为 p 一 P 其中 P 为标准正态分布 函数的反函数 此时 结构构件宜根据规定的可 靠指标 采用由作用的代表值 材料性能的标准 值 几何参数 的标准值 和各相 应的分项 系数构 成 的极限状态设计表达式进行 没计 文献 4第 4 3 8条 从此 以后 术语 标准值 才逐渐 使 用在各专业 设计 规范 中 由此可 见 材料性 能标 准值特别是材料抗 力标准值 是伴随极 限状 态设 计方法而衍生 出来的概念 是 结构可靠度理 论发 展到 以概率理论 为基础 的极 限状态设计 阶段 的产 物 只适用于 以概率理论 为基础 的极 限状 态设计 方法 在极限状 态设计表 达式 中 都不再使用 容 许应力或安全系数等参数 所以 当采用定 值设计方 法计 算地基 承载力 时 地基 岩 土 抗力 采用 地基 承载力 允许 值 当采用以概率理论 为基 础 的极限状态设计 方法计 算地基承载力 时 则采 用地基 承载力标 准值 两 者的使用条件是不 同的 在 2 0 1 1 地基规范 中 一方面称地基设 计采用的是 极限状态设计方法 中的 正常使用极 限状态 第 3 0 5条 一方面又使用地基承载 力特征值 即允许值 作为地基土的抗力指标 并 使用容许应力方法的设计表达式 显然是不恰当的 2 2 数学处理方法不同 文献 3 4都规定 材料性能标 准值为 符合 规定质量的材料性能概率分布的某一分位值 并 明确指出 材料 和岩土的强度 弹性模 量 变形 模量 压缩模量 内摩擦角 黏聚力等物理 力学 性能 应根据有关 的试验方法标准经试验确定 并 采用随机变量概率模 型描述 和 运用参数 估计和概率分布 的假设 检验方法确定 检验 的显 著性水平可取 0 0 5 事实上 很 多材料如钢筋 混凝 土 钢材 砌体 乃 至 于岩 土的 内摩擦 角 黏聚力 的标 准 值 都是 按 上 述 要 求 确定 的 就 连 岩土工程勘察规 范 G B 5 0 0 2 1 2 0 0 1 2 0 0 9年 版 第 2 1 1 3条也认为 岩土参数标准值 即 岩土参数的基本代表值 通常取概率分布的 0 O 5分位值 这就是说 标准值的数学特征就是概 率分布的 0 0 5分位值 在 2 0 1 1 地基规范 中 有些称为标准值 的岩土参数 如岩石饱和单轴抗压强度标准值 f rk 黏聚力标准值 c 和内摩擦角标准值 p 等 都是取 试验破坏时的平均值乘以统计修正系数而得 出 张孝松地基承载力标准值 特征值 允许值的辨析 41 统计修正系数是按概率分布的 0 0 5分位值确定 的 另有一些岩土参 数 如地基 承载力 等 被称 之为 特征值 即允许值 则是取载荷试验时与比例界 限点相对应的承载 力 且不大 于破 坏时 的极 限荷 载的一半或 1 3 并进行简单 的数学处理 如剔 除异常数据并取其平均值 而得出 与概率分布 毫无关 系 由此可见 地基 承载 力标准 值 必须是 概率 分布的 0 0 5分位值 而地基承载力特征值 即允 许值 只进行简单 的数学处理甚至不进行数学处 理 如第 5 2 4条规定 的经验值 法 即可 两 者使用的数学处理方法是不相同的 一 方面认 为 地基 承载 力 特征值 即允许 值 是地基承载力标准值的四种含义之一 一方面又 不用概率分 布的方法 来确定 不仅不符合文献 3 4的规定 也从另一角度说 明了地基承载力特征值 即允许值 并不是标准值的四个含义之一 2 3 力学的物理量不同 文献 3 4都 明确规定 结构构件设计 时 应 采用材料性能标准值 若材料性能为抗力时 应 采用材料强度标准值 亦 即材料强度概 率分布 的 0 0 5分位值 所谓 强度 应 是材料抵抗 破坏 的能 力 即材料所能承 受 的最 大应力 而不是 材料所 能承受的最大应 力 的若 干份之一 最 大应力 的若 干份之一应 称之为允许应 力不能称之为 强度或强 度允许值 同理 地基承载力标准值也是指地基 所能承受 的最大荷 载 即极 限值 而不是 地基所 能 承受的极限值 的若 干份之 一 实 际上 岩土 的单 轴抗压强度标准值 f r k 黏聚力标准值 e 内摩擦 角标准值 P 等都是指试验时得 出的最大值或极 限 值并经数学处理得 出 的 所 以地基承载 力标准值 必须是强度或极限值的0 0 5分位值 地基承载力允许值 即特征值 则不 同 它 是取地基土的比例界限值或极限值的若干份之一 而不是取极限值 标准值和允许值 即特征值 的力学特征是不 同 的 这再一次 证 明 地基承 载 力允许值 即特征值 不是它的标 准值的 四种含 义之一 甚至都不 能称 之为承载 力 因为承载 力 或承载能力有 结构或构件所 能承受 的最大 内力 之含义 所以 2 0 1 1 地基规范 中地基承载力 特征值 即允许值 的准确称呼应是地基 岩土 的容许 应力 采用材 料 强 度 标 准值 或地 基 承 载 力 标 准 值 极限值 而不采用容许应力或地基承载力允许值 进行结构设 计 是极 限状 态设计 方法和定 值设 计 方法最根本 的差别 所 谓承载能力乃是 指 结构 或构件所 能承受 的最大 内力 或达 到不适 于继 续 承载的变形时的内力 文献 1第 2 1 0 1条第 1 4 款 只有采用材料强度标准值或地基承载力标准 值 极限值 并按承载能力极限状态设计表达式 进行设计 才能保证结构 或构件 的可靠 指标 和失 效概率符合文献 3 4的规定 而采用材料的容许 应力或地基 承载力允许 值并按正 常使 用极 限状态 进行设计是无法知晓其可靠指标和失效概率的 在 2 0 1 1 地基规范 中 一方面认 为地基 承载力特征值 即允许 值 就是 地基承载力标 准 值 一方面又用地基容许应力 第 2 1 3条 来 定义地基承载力特征值 即允许值 这不仅混淆 了两者的力学概念 也不相符合文献 3 4的规定 综合 以上三点差别 可知 地基 承载 力标准值 和地基承载力允许值 即特征值 的差别是极其 明显 的 将地基承载力允 许值视为地基 承载力标 准值 的四种含义之一是非常不恰 当的 准确地说 用地基承载力特征值来 表征地基 承载力允许值是 非常不恰 当的 3 细节之讨论 前面分析了地基承载力标准值和允许值的三点 差别 现在就它们的几个细节问题进行深入的讨论 1 2 0 1 1 地基规范 第 2 1 3条 条 文说 明 中提到 的 我 国规范 中 标准值 的含 义可以有特征值 公称值 名义值 标定值 四种 的说法 基本上是 没错 的 需要 解释 的是 其 中 的公称值 名义 值 标定 值等 三个 术语 的概念是 完全相同的 这 在 国内文献 中都有据 可查 如名 义值 在文献 4第 2 1 3 0条的定义是 用非统 计方法确定的值 它的英文术语是 n o m i n a l v a l u e 公称值 在 建筑结构荷载规范 G B 5 0 0 0 9 2 0 1 2第 3 1 2条 的 条文说 明 中的解 释为 目前 并非对所有荷载都能取得充分的资料 为 此 不得不从 实际 出发 根据 已有 的工 程实践经 验 通过分析判断后 协议一个公称值 n o m i n a l v a l u e 作为代表值 这就是说 公称值是依据实 践经验协议得出的值 标定值 则在文献 1 第 9 节 条文说 明 中有 明确 的解释 其概念与上述公称 值相同 其英文术语也是 n o m in a l v a l u e 所以 公 称值 名义值 标定值的准确含义可采用文献3的 定义 即 用非统计方法确定的值 这样一来 4 2 CHEM I CAL ENGI NEERI NG DES I GN 我国规范中 标准值 的含义 只有两种 C h a r a c t e r i s t i c V a l u e和 n o m i n a l v a l u e 而 不是 四种 其 中 n o m i n a l v a l u e可译成名义值 或公称值 或标定值 2 诚然 C h a r a c t e r i s t i c V a l u e直译为特征值 但在我国 几乎所有 的规范都译 为标准值 同时把 汉语中的标准值 也译为 C h a r a c t e ri s t i c V a l u e 只有 2 0 1 1 地基规范 译 为 S t a n d a r d i z e d V a l u e 标 准值和特征值虽然词源相 同 其概念的内涵有细微 区别 上一节 中关于标准值的概念 准确地说应当 是特征值的概念 此时的标 准值就是特征值 标准 值的概念和就是特征值 的概念 都是概率 分布 的 0 0 5分位值 若因某种原 因无法通过数理统计 得 出特征值时 才取名义值作为标准值 这是一种 无奈的选择 所 以文献 3只将概率分布 的 0 0 5分 位值作为标准值 的定义 而略去 了名义值的存在 只是稍后 在制定文献 4时 才将标准值的含义扩 展到名义值 使标准值的定义更符合我 国国情 虽然标 准值有特征值 和名义值 两种含义 但 在确定标准值时 特征值要优先于名义值 只有 坚持 特征值优先于名义值 的原则 才能体现 出极限状态设计方法是 以概 率理论为基础 的重要 特性 把特 征值 公 称值 名 义值 标定 值并 列 而不分 主次 严格说 来是不 确切 的 会给人一 种 误解 似乎是特征值和名义值都可以毫无条件的 称为标准值 实际上用名义值充当标准值是有条 件 的 其条件是无法计算 出特征值 3 在我国规 范 中 特征 值和无法确定 特征 值时的名义 值 都 可称之为 标准值 但 是在确定 材料强度或地基 承载 力 岩土 强度 名义 值 时 必须是材料强度或地基承 载力 岩土强度 即岩 土 极 限承载力 的真实反映 如果反 映的是材料 强 度或地基承载力 岩土强度 的一半或三分之一 还是不能称之为名义 值 也 不能称之为材料 强度 容许值或地基承载力 容许值 只能称之为容许应 力值 p e r mi s s i b l e s t r e s s v a l u e 4 之所 以采用特征 值 即允许值 作 为地 基承载能力设计 时的地基 抗力指标 是 为了 避 免过去一律提 标准值 时所带来的混淆 这一 解释很令人 费解 当前 几 乎所有 的结 构设计 规 范 材料 的抗力 强度 指标 如混凝土 钢筋 砖石砌体 钢 材等等 都使用 标准值作 为基本代 表值 似未 听说 有什么 混淆 就是在 2 0 1 1 地 基规范 中 有些岩土性能 如黏聚力和内摩擦 角等也都采 用标 准值作 为基 本代表值 似也未有 混淆之说 尤其是在使 用室 内饱 和单 轴抗压 强度 试验方法来确定完整 较完整 和较 破碎岩石 的地 基承载力特征值 的计算公式 5 2 6 中同时 出现 了标准值和特征值 并且是由标准值计算出特征 值 也都没带 来混淆 相反 的是 用 特征值 表达 允许值后 反而混淆 了标准 值 特征 值 允 许值 三者之间的关系 甚至推演出允许值等于标准值 的疑似悖论 进而将容许应 力法视为极 限状态设 计方法中的正常使用极 限状 态 又混淆 了两类设 计方法的概念 4更改之建议 通过上述分析 和讨论 不难 得 出 地 基承载 力允许值等于它的标准值 这一疑似悖论的原因 那就是在 2 0 1 1 地基规范 中 实际存在两个 不同的特 征值 其一是 标准 值 四个含 义之 一 的特征值 由试验 的极 限值 破 坏值 概率分 布 的0 0 5分位值确定 其二是 实 际即为地基 承载 力允许值 的特征值 由载荷试验时的比例界限 且不大于极限值一半或 1 3来确定 两个概念不 同 的特征值的并存 不仅混淆了标准值和允许值的关 系 也不符合术语名称单一性的原则 所谓术语名 称单一性 就是 在一个专业领域 内 一个术语 只 有一个概念 一个概念只用一个术语来表达 正是由于两个 内涵完 全不 同的概 念用一 个术 语来表述 才出现 了 地基 承载力允许值就是 它 的标准值 这种疑似悖论 的结果 解决这一 问题 的最简单 的方 法就 是将 2 0 1 1 地 基规 范 第 2 1 3条所定义的压力值 即将 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 改称 为容许应力值 同时在规范条文中坦诚而明确地 说明 地基承载 能力 的计 算采用 的是 容许应 力法 而非极限状态设计方法 中的正常使用极限状态 这种更改是有 根据的 也是 符合 国家标 准规 定的 固然 在文献 3第 1 0 3条对地基基础设计 规范 的制定提出了较苛刻 的要求 宜遵守本标准 规定 的原则 但在 稍 晚发 布 的 G B 5 0 1 5 3 2 0 0 8 第 1 0 3条却放宽了要求 当缺乏统计 资料 时 工程结构设计 可根据 可靠 的工程经验 或必要 的试 验研究进行 也可采用容许 应力或单一 安全 系数 等经验方法进行 同时在 条文说明 中不仅挑 明了 2 0 1 1 地基规范 中地基设计采用的是 容许应力法 和基础设计采用 的是极 限状 态法 的事 张孝松地基承载力标准值 特征值 允许值的辨析 4 3 实 还对这一做 法给予 了肯定 认 为积极推 广和 广泛采用 以概率理论 为基 础 以分项 系数表达 的极 限状态设计 方法 并不意 味着排斥 其它有效 的结 构设计方法 5 结语 通过上述分析 和讨论 可 知地基 承载力标 准 值和允许值 是两个不同的概念 两者完全不相 同 而特征值则是标准值的两种含义之一 同允 许值是两个不同的概念 地基承载力标 准值 即特征值是 表征地基 岩土 强度的基本代表值 它 的内涵是地基 岩土强 度概 率分布的0 0 5分位数 在这一点上 国际标 准和 国家标准都是相 同的 由于它是结构 可靠度 理论 发展到极 限状态设计 阶段 的产物 且 源于试验数 据 的数理统计 比较 客观 如按极 限状态 设计表 达式进行设计 可以知晓结 构或构件 承载能力 的 失效概率大致在什么范围内 地基承载力允许值 实际为地基 的容许应力 值 其内涵为载荷试验 的极 限值除 以安全系数 的 商且不大于 比例 界限值 安 全系数是根据 工程 经 验确定 的 是结构可靠性理论 在定值设计 方法 阶 段 的产物 与极 限状态设计方法无关 在 2 0 1 1 地基规范 中 之所 以产生地 基 承载力允许值为它的标准值的四个含义之一 的疑似 悖论 其原因在于 把地基承载力允许值称之为地 基承载力特征值 若将 2 0 1 1 地基规范 中的 特征值改为容许应力值 正常使用极限状态设计方 法改为容许应力法 问题就将获得圆满的解决 参考文献 1 G B J I 3 2 9 0 工程结构设计基本术语和通 用符 号 s 2 本书编委 会 建 筑地 基基 础设 计规 范 理解 与应 用 第二 版 M 北京 中国建筑 工业 出版社 2 0 1 2 1 5 3 G B 5 0 0 6 8 2 0 0 1 建筑结构可靠度设计统一标准 s 4 G B 5 0 1 5 3 2 0 0 8 工程结构可靠性设计统一标准 s 5 住房和 城乡 建设 部标 准 定额 司 工程 建设 标 准编 制 指南 M 北京 中国建筑工业出版社 2 0 0 9 2 5 收稿 13 期 2 0 1 4 0 4 2 1 上 接 第 3 8页 3 为提高抗 干扰 性能 传感器 或执行器 的 接人端不能接人 A S i 网络 无论是黄色扁平电缆