岩土工程勘察设计评价(下) PPT课件

1 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 2 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 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 11 12 13 14 15 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 16 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 17 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 18 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 19 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 20 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 21 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 22 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 23 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 24 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 25 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 26 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 27 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 28 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 29 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 30 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 31 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 32 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 33 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 34 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 35 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 36 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 37 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 38 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 39 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 40 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 从地质成因和地层年代上要区分清楚 是洪冲积的还是残坡积的 是河漫滩还是阶地 是第四纪地层还是老地层 这就是所谓的把地质单元划分正确 这是进一步考虑布置勘察试验工作的基础 41 对于同一个地质单元是否就是均匀的呢 不一定 例如土层厚度很可能是不均匀的 即使在平原地区 土层厚度也常常有较大的变化 因此需要用勘探点的间距来控制其厚度变化 不同的基础类型对土层厚度的敏感性不同 因而布孔间距的要求是不同的 42 从土的性质来研究土层均匀性 一般认为同一地质单元可以作为均质体来处理 可以采用统计的方法来处理试验指标 如果不承认这一点 即使是最简单的计算平均值的方法也就失去了理论的前提 就不能用平均值来处理试验结果 也失去了钻孔抽样取土试验的理论依据 那麻烦就大了 43 将试验指标用于工程计算时 计算公式的推导都有均质土的假定 计算基础中点沉降时 你必须承认土层是均匀的 包括深度方向和水平方向都是均匀的 如果不承认这一点 这个计算土中应力的公式就不成立 还计算什么 44 如果认为同一个地质单元也存在不均匀性 而又希望把这种不均匀性探明显示出来 如果采取在建筑物四个角点分别取土试验的方法 但在水平方向上怎么把握两个钻孔之间的变化呢 认为一个孔的数据能代表多大的范围 1m 2m 还是多少 就没有底了 如果认为在深度方向上同一个土层也存在不均匀性 那在两个取土点之间的不均匀性又如何把它探明 因此在对同一地质单元的不均匀性假定的基础上的勘察工作 连取土点的确定都会有很大的争议 事情就做不下去了 45 在均质土假定的基础上 把各个勘探点 各个取样点的数据的差异看成是随机因素造成而不是系统因素造成的 这些随机因素包括当年沉积时物质的差异 年代的差异 沉积条件的差异 取土扰动程度的差异 试验条件的差异等等 在这样假定的基础上 就可以用统计的方法来处理这些数据的随机误差了 数据的离散性或变异性是反映这种随机因素影响的定量指标 通过计算 可以估计这些随机误差对计算结果所造成的影响有多大 这就是误差估计和可靠度分析 46 因此在计算一幢建筑物的沉降时 一般都分层采用各层土的综合压缩曲线去确定其相应压力段的压缩模量 而且对于一个场地 如果是同一个地质单元 也只分层地给出了每层土的综合压缩曲线 如果发现某一个范围存在明显的指标差异 那很可能是在地质单元的划分上出了问题 47 防止不均匀性对建筑物的危害 地基不均匀性对建筑物的危害主要使建筑物倾斜与开裂 事先防范事故的发生无疑是十分重要的 在地基基础设计时 对于那种十分明显的不均匀地基 例如软硬不均的地基 部分基岩出露的地基 半填半挖的地基 存在暗浜的地基等等 首先需要加以界定 划分其界限 分别研究其压缩性 而是否会产生有害的不均匀沉降 48 不均匀性一般不是靠计算出来的 而是根据工程的判断 解决的方法是采取工程措施 使其均匀化 一般也不是靠计算结果来保证工程安全的 产生不均匀沉降的因素很多 地基压缩性的不均匀性仅是一个方面 而土层的厚度变化 荷载的差异 荷载的偏心 施工时的扰动等可能是更重要的因素 它们所产生的不均匀沉降的数量级往往远大于压缩性的不均匀 49 人们在事先精确控制建筑物倾斜和开裂的本领还不大 特别依靠沉降计算的结果来控制不均匀沉降更是不太现实 为了保证工程的安全一般从两个方面控制 一是采取工程措施来控制上述产生不均匀沉降的诸多因素 不使其发生 或降低其危害 二是控制计算平均沉降量的数量级 即控制基础底面的压力值 这就是变形控制设计的方法 50 地基均匀性如何评价 地基均匀性评价是否可理解为对持力层和下卧层的均匀性评价 对土层的评价结论是否说土层为均匀或不均匀地基土 还是地基为均匀或不均匀地基 而且对场地土层是否应该全部进行评价 我曾经见过一份报告上对本应该在基础开挖将被挖除的填土层评价其均匀性 本人认为不合理 是否正确 51 这是不均匀地基吗 52 根据你所列举的这个地质剖面 从土层的厚度分布 我实在看不出地基的均匀性存在什么问题 从现象上看 填土层的底面坡度比较大 似乎应该判为不均匀地基 但建筑物的基础落在第 层粉质黏土层上 将填土挖去了还有什么均匀性的问题呢 53 对于 高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72 2004关于地基均匀性评价的有关规定 可能存在不同的理解 也需要进行必要的讨论 1 均匀性判断要求进行的 是 沉降 差异沉降 倾斜等特征分析评价 并不是要求进行精确的定量计算 2 均匀性判断的目的是为了重视地貌 工程地质单元和地基岩土层结构等条件对建筑物具有重要的控制性影响 54 3 其实模量当量值之比就等于虚拟变形之比 比较相同基底应力条件下的模量当量值之比 可以把基底应力约去 应力面积化为单位应力面积 再将分子分母中的单位应力面积约去 最后只剩下虚拟变形的比值 55 由于对规范的理解有偏差 引出一些比较重要的观念差别 均匀性评价与沉降计算的关系均匀性评价并不等同计算沉降均匀性评价与沉降计算的内容不同均匀性评价与沉降计算的条件不同均匀性评价与沉降计算的结果不同 56 高层建筑岩土工程勘察规程 8 2 4条给出了不均匀地基的判定标准 符合其中一条就是不均匀地基了 那么是不是要判断为均匀地基的时候必须同时满足以下条件呢 1 地基持力层位于相同地貌单元或工程地质单元 工程特性差异不大 57 2 地基持力层位于相同地貌单元或工程地质单元 且满足下列条件 中 高压缩性地基 持力层底面或相邻基底标高的坡度小于10 中 高压缩性地基 持力层及其下卧层在基础宽度方向上的厚度差值小于0 05b b为基础宽度 3 处于同一地貌单元 且Esmax Esmin小于地基不均匀性系数界限值K 58 在8 2 1条第2款 地基均匀性 评价是强制性条文 说明在勘察报告中必须评价地基的均匀性 但8 2 4条并不是强制性条文 这条是如何评价均匀性的方法 规范做了概括 但并不是非用这些方法不可 用其他方法是不是就不行了呢 不是的 在这本规范之前 岩土工程师早就会评价地基均匀性了 而且各个地方也有不同的经验 是否可以呢 当然是可以的 59 条文说 对判定为不均匀的地基 应进行沉降 差异沉降 倾斜等特征的分析评价 并提出相应建议 怎样理解这一条 有人说 根据这一条就应该在勘察报告中计算差异沉降 但我实在看不出来 规范是讲分析评价 例如是岩土组合地基 那即使是体形非常简单的建筑物 荷载非常均匀的建筑物 还是会有不均匀沉降 而且肯定土基方向沉降大 那么采取什么措施呢 60 在岩基段采用褥垫是一种可以建议的工程措施 如果要你把差异沉降给计算出来 那可没有办法计算 从上面这条规定不能得到相反的结论 说如果评价为均匀地基 就不需要建议设计验算沉降了 因为引起建筑物不均匀沉降的原因很多 除了不均匀地基的因素之外 还有其他很多的因素 例如 建筑物的层数或高度有比较大的差异 荷载的分布不均匀 荷载的重心与基础形心不重合等结构的因素都会产生不均匀沉降 61 因此 勘察报告的重点是要从地基角度发现不均匀性 建议设计采取工程措施 而不在于强调地基的均匀性 最多是说从地基角度来看 没有发现对建筑物变形产生不利影响的不均匀性 这一条的第一款 是从地貌和地质单元的角度分析是否是不均匀地基 这主要根据工程师的知识和经验来判断 62 第二款是从土层的厚度是否变化过大来判断 其中 第1点 持力层底面标高的坡度比较明确 但相邻基础底面标高之说在勘察阶段一般都是没有最后确定的 实在难以判断的 但第2点是用基础宽度表示 以0 05b为限制 实际上就是厚度的变化不大于5 这里并不需要和基础宽度联系起来 勘察阶段一般宽度也没有最后确定 同时这个规定与第1点的10 也是有些矛盾的 两种计算结果可能会不一致的 63 第三款就比较玄乎了 规范在条文说明中也认为是 定性评价地基不均匀性的定量方法 首先 均匀性评价是定性的 为什么是定性的呢 因为无法准确定量 如果能定量那何必称为定性呢 既然如此 那么这种定量计算的结果究竟有多少的把握呢 因为这里涉及许多不定的因素 64 例如计算模量当量值时 应力面积A如何计算 从沉降计算公式可以知道 应力面积与基底附近应力的大小有关 应力的扩散和基础宽度有关 现在基底压力 基础宽度 埋置深度都不能确定 怎么计算应力面积呢 再说变形计算深度范围也不能确定 即使用最简单的经验公式 也需要基础的宽度多大 当然 对于与结构设计关系密切的勘察单位 可以得到比较确切的数据 但不是都能得到的 如果没有数据而胡乱计算 判断错了 那不耽误事情吗 65 因此如果岩土工程师发现土层的模量变化比较大 那就提醒设计注意计算差异沉降不就得了 均匀性评价实际是一个定性的经验判断 主要依靠工程师的经验 特别是地方经验 离开了具体地质条件的特点 希望用一种计算的方法来规范化 主观愿望是好的 但地质条件千变万化 无法抽象到完全理性的程度 把某些地方的经验推广到全国 应该慎之又慎 何况现在动不动就要强制执行的情况下 更应该慎重 66 某高层楼18层 埋深6 5m 地下两层 持力层主要坐落在中砂层上 其中东南角为细砂层 根据 高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72 2004第8 2 4 1条的方法判为非均匀地基 报告中给出的原因是地基持力层跨越了两个地质单元 中砂 细砂 我想请教的是在这个楼的一小角有这么点细砂就导致成不均匀地基 这个是不是有点严重了 67 中砂和细砂是否就是两个不同的地质单元 是否就构成了不均匀地基 中砂和细砂是砂土的两个亚层 如果用其他的土分类体系 就不可能划分为两个土层 如果有力学指标 就可以从力学性质来讨论是否需要划分两个力学层 没有力学指标仅根据粒度成分的这些差别 划分不均匀地基的依据就非常不充分 68 只知道基底平均压力 上部荷载怎样分布 如何偏心一概不知道 根据楼四个角点的钻孔柱状图资料的沉降来计算每个孔位的沉降量 宽度方向两个钻孔的沉降量相减再除以钻孔间距就是倾斜 其倾斜值非常非常之小 都小于0 000001 远远小于规范要求 这样的沉降计算具有什么工程意义 69 我们需要不需要这样的沉降计算 回答应该是不需要 为什么 1 勘察阶段不具备计算不均匀沉降的条件 2 这种计算结果并不是建筑物的不均匀沉降 3 这百万分之一的 倾斜 说明了什么 从工程角度来看 根本就没有倾斜 如果没有这种判断能力怎么当工程师 4 我们的计算和测量有这样的精度吗 5 这样的计算并不能提高岩土工程勘察的地位 可能适得其反 70 地基土的均匀性与不均匀性应当是一个定性的问题 在 高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72 2004中人为地给出了定量的分析标准 并且规定了判定为不均匀的地基应进行变形计算分析 而没有规定判定为不均匀地基的建筑物可以不进行变形计算 这样对不对 71 是否需要计算沉降不应该单纯由地基是否均匀来确定 不均匀的地基固然需要计算沉降 但均匀的地基并不是就不需要计算沉降 认为均匀地基可以不计算沉降的说法是错误的 因为地基的均匀性并不是确定是否需要计算沉降的充分条件 72 六 岩土工程设计荷载取值与安全度控制方法 1 什么是极限状态 2 到底有几种设计方法 3 如何处理岩土工程与上部结构不同设计方法所带来的问题 4 如何控制岩土工程的安全度 5 怎样计算荷载 73 1 什么是极限状态 从设计方法的发展历史来看 从工作状态设计逐步演变为极限状态设计 极限状态设计是将建筑物的工作状态与极限状态之间保持一个足够充分的安全储备 以保证建筑物的承载力或正常使用的要求都得到满足 74 承载力极限状态与正常使用极限状态是两种不同性质的极限状态控制方法 对应于结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态称为承载能力极限状态 对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的状态称为正常使用极限状态 75 承载能力极限状态可理解为结构或结构构件发挥允许的最大承载能力的状态 结构构件由于塑性变形而使其几何形状发生显著改变 虽未达到最大承载能力 但已彻底不能使用 也属于达到这种极限状态 疲劳破坏是在使用中由于荷载多次重复作用而达到的承载能力极限状态 76 按照我国统一标准的规定 当结构或结构构件出现下列状态之一时 应认为超过了承载能力极限状态 1 整个结构或其一部分作为刚体失去平衡 2 结构构件或连接因超过材料强度而破坏 或因过度变形而不适于继续承载 3 结构转变为机动体系 77 4 结构或结构构件丧失稳定 5 结构因局部破坏而发生连续倒塌 6 地基丧失承载力而破坏 7 结构或结构构件的疲劳破坏 78 正常使用极限状态可理解为结构或结构构件达到使用功能上允许的某个限值的状态 例如 某些构件必须控制变形 裂缝才能满足使用要求 因过大的变形会造成如房屋内粉刷层剥落 填充墙和隔断墙开裂及屋面积水等后果 过大的裂缝会影响结构的耐久性 过大的变形 裂缝也会造成用户心理上的不安全感 79 按我国统一标准的规定 当结构或结构构件出现下列状态之一时 应认为超过了正常使用极限状态 1 影响正常使用或外观的变形 2 影响正常使用或耐久性能的局部损坏 3 影响正常使用的振动 4 影响正常使用的其他特定状态 80 根据欧洲规范的规定 岩土工程的承载力极限状态可以具体区分为下面5种承载力极限状态设计 1 结构物或岩土体作为刚体失去平衡 在这种极限状态验算时 结构材料和岩土的强度对抗力是不重要的 这种极限状态简称为EQU 2 结构或构件的内部破坏或过大变形 包括基础 桩和地下室侧墙等 在这种极限状态验算时 结构材料强度对抗力是至关重要的 这种极限状态简称为STR 81 3 岩土体的破坏或过大的变形 在这种极限状态验算时 岩土的强度对抗力是至关重要的 这种极限状态简称为GEO 4 由于水的浮力或其他竖向力引起结构物或岩土体平衡的丧失 这种极限状态简称为UPL 5 由于水力梯度所引起的岩土体隆起 冲刷或管涌 这种极限状态简称为HYD 82 根据我国统一标准的规定和欧洲规范的条文 地基丧失承载力而破坏 或 岩土体的破坏或过大的变形 都是承载力极限状态的一种 因此 地基承载力计算 按其性质来说 应该取用承载力极限状态的基本组合 但由于 建筑地基基础设计规范 所提供的地基承载力按其性质是地基容许承载力 在设计表达式中不直接出现安全系数 不具备使用荷载设计值的条件 只能取用荷载的标准值 这是由所采用的设计方法决定的 83 2 到底有几种设计方法 请问分项系数设计方法是否就是多系数设计方法 和总安全系数法有什么区别 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002所采用的究竟是什么设计方法 这种设计方法与极限状态设计又有什么关系 84 定值法 容许应力法总安全系数法 单一安全系数法 多系数法 均质系数 超载系数 概率法 分项系数法 近似概率法 全概率法 85 极限状态的数学表达式称为极限状态方程 极限状态方程是当结构处于极限状态时各有关基本变量的关系式 基本变量是指影响结构可靠度的各种物理量 它包括 引起结构作用效应S 内力等 的各种作用和环境影响 如恒荷载 活荷载 地震 温度变化等 构成结构抗力R 强度等 的各种因素 如材料和岩土的性能 几何参数等 分析结构可靠度时 也可将作用效应或结构抗力作为综合的基本变量考虑 86 如令R为抗力函数 S为作用函数 则极限状态方程可表达为 抗力与作用之比称为安全系数K R S 两者之差称为安全储备 这是两种不同的安全度控制的方法 即安全系数控制方法和失效概率 或可靠指标 控制方法 87 失效概率定义为安全储备等于零的概率 即pf p z 0 采用允许应力法的设计表达式描述工作状态的作用效应与抗力效应的关系 作用效应采用标准组合 抗力效应以容许值 包括试验曲线的某种特征点 或理论公式的计算结果 表示 其安全度是隐含的 并不出现在设计表达式中 在允许应力法计算中 不使用安全系数或分项系数 88 采用总安全系数设计法的表达式描述的是极限状态的作用与抗力的平衡关系 其中 抗力效应是极限值 包括试验曲线上的极限临界值 或根据极限理论计算的结果 作用效应是标准组合 在设计表达式中 总安全系数出现在抗力项的分母中 当然也可以理解为乘以作用效应的标准值再与抗力的极限值相平衡 89 采用分项系数设计法的表达式描述极限状态下设计验算点的抗力效应的设计值与作用效应的设计值的平衡关系 设计验算点的失效概率是最大的 因此用验算点的坐标 即设计值 来控制设计 90 我国现行规范的主体工程结构设计方法主要采用分项系数法 而现行规范的岩土工程设计原则大多是多种设计方法并用 这种现状就使设计工作复杂化了 不弄清楚这些问题 很容易出现错误 91 建筑地基基础设计规范 建筑地基基础设计规范 采用了多种设计方法 地基承载力设计采用容许承载力法 即工作状态设计方法 92 地基稳定性计算采用总安全系数法 设计表达式 13 5 即为该规范的式 5 4 1 岩石锚杆抗拔承载力验算采用允许应力法式中的f值为水泥砂浆或混凝土与岩石间的粘结强度特征值 即容许粘结强度值 93 第6章挡土墙稳定性验算采用总安全系数法 第8章基础结构承载力验算采用分项系数法 所有的设计表达式中 作用均为基底的净反力或由净反力产生的基础结构内力 强度均为混凝土材料的相应强度设计值 94 3 如何处理岩土工程与上部结构不同设计方法所带来的问题 地基基础与上部结构无论在使用功能 荷载传递或者建筑施工等方面都是不可分割的一个整体 设计时应从上部结构到地基基础 逐步传递荷载 始终保持各部分构件的静力平衡和满足强度变形的要求 95 由于技术发展的侧重面不同 上部结构和地基基础的设计方法处于不同的发展阶段 上部结构比较早地开始实行了向概率极限状态设计的过渡 而地基基础则仍处于总安全系数设计阶段 例如桩基设计 挡土墙设计 甚至有些部分尚停留在容许应力设计阶段 例如地基承载力设计 96 目前由于上部结构与地基基础设计原则的不统一 各种规范执行不同的荷载规定 设计值与标准值混用 不同规范按不同的安全度标准建立评价体系 给设计人员带来太多的麻烦 造成很多误解 其结果是要么可能造成浪费 要么可能造成潜在的危险 上部结构设计验算承载力时 荷载统一地采用设计值 抗力采用材料的强度设计值 没有任何的悬念 97 地基基础设计中 验算地基承载力问题时 由于地基承载力采用的是容许值 要求荷载取值 即基底压力必须采用标准值 但验算基础结构的承载力时 由于材料强度用的是设计值 荷载取值必须也采用设计值与之匹配 98 单桩承载力验算时 对于验算由地基土对桩的支承所构成的承载力 与之相应的轴力是标准值 但由桩身强度构成的承载力验算时必须用轴力的设计值 因此计算时必须注意区分标准值与设计值的不同取值和不同的适用条件 地基基础设计时 确定浅基础的平面尺寸 桩数等地基设计项目采用定值法 包括容许应力法和总安全系数法 例如地基承载力特征值 容许值 单桩极限承载力处于安全系数得单桩承载力特征值 容许值 99 抗力的性质是容许值 标称标准值或特征值 因此 荷载应采用标准值 如果荷载误用设计值 设计的安全度过高 确定浅基础的高度 基础配筋 筏基结构设计 桩身强度验算 承台结构设计等项目采用分项系数描述的设计表达式 因此 抗力采用设计值 荷载也采用设计值 如果荷载误用标准值 设计的安全度将会过低 偏于危险 上部结构荷载最终由基础传给地基 地基基础设计必须与上部结构设计相协调 100 在基坑工程设计时 问题与地基基础设计正好相反 由土的强度指标计算得到的土压力是标准值 围护结构的内力也是标准值 但围护结构的材料强度却是设计值 总之 在地基基础设计时 设计表达式两端不匹配会造成浪费 而基坑工程设计时 设计表达式两端不匹配则会造成安全度下降 101 4 如何控制岩土工程的安全度 讨论工程安全度的控制与风险 影响岩土工程安全度的因素 包括体制的因素和技术的因素 岩土工程是全过程的技术服务 包括勘察设计阶段的安全度控制 施工与运营阶段安全度的实现及可能存在的风险分析 荷载取值 抗力取值和安全系数的取值都会影响安全度控制 102 地基基础设计 包括地基持力层承载力计算 软弱下卧层验算 沉降计算 基础结构验算所用的荷载 必须是上部结构设计的结果 包括柱或墙根部的竖向力 水平力和弯矩 按每层的荷载估计值计算的结果 只能供编制勘察方案之用 不能用以做地基基础设计 103 有些结构物 如地下室 隧道 支挡结构 堤坝结构 设计时 岩土 包括岩土层中的水 作用于结构物的荷载成为控制设计安全度的主要荷载 包括土压力 水压力 浮力 扬压力 注意这些根据土力学原理计算得到的荷载 按其性质是标准值 不能直接与结构抗力 其性质是设计值 进行比较 104 岩土的变形是建筑物的正常使用极限状态验算的 作用 也是造成建筑物承载力极限状态的 作用 之一 建筑物承受变形的能力 即允许变形值 是极限状态验算时建筑物的 抗力 建筑地基基础设计规范 中的允许变形值 有些是正常使用极限状态验算的抗力 有些则是承载力极限状态的抗力 5 105 勘察设计阶段是控制工程安全度的主要阶段 如果在设计阶段的安全度控制就有缺陷 设计安全度不足 或者对岩土体的工程性状的认识有偏差 设计参数的取值存在问题 或者设计计算模式没有反映工程的主要机理 安全系数的取值过低 或者甚至发生漏项和缺项 勘察和设计从设计参数的取值和设计计算两个方面来控制岩土工程的安全度 核心的环节是合理选取安全系数 106 安全系数的取值与破坏计算模式有关 不同的工程问题 不同的计算模式 安全系数的取值是不同的 例如 地基承载力的安全系数为2 3 而挡土墙的抗滑稳定安全系数仅为1 3 并不表示地基承载力问题的安全度高于挡土墙的抗滑稳定性 因此不同破坏计算模式的安全系数之间 不能相互比较安全系数的大小 107 我国对安全系数的取值考虑工程具体情况太少 因地制宜不够 安全系数的取值与抗力的确定方法有关 对于相同的破坏计算模式 如果确定抗力的方法不同 则抗力的可靠性不同 取用不同的安全系数 例如 欧洲规范对单桩承载力的安全系数 用载荷试验确定的单桩承载力 由于数据比较可靠 可以采用比较小的安全系数 108 安全系数的取值与岩土参数的试验方法有关 当采用不同的抗剪强度指标计算时 安全系数的取值是不同的 例如 如果采用预固结以后的试样做不固结不排水试验 得到的不排水强度cu会有很大的提高 如果利用这样的试验结果计算地基的稳定性 就不能采用与传统的试验结果计算时相同的安全系数 109 安全度控制风险的影响因素 客观的因素 取土试验过程中对试样的扰动 试验方法的不标准 试验结果的缺乏代表性 试验结果分析计算方法的不标准等因素都会影响对设计安全度的控制主观因素 工程师对试验结果的评价与分析 对代表性指标的取用 对计算模式的选用等都会使得工程师对安全度的控制偏离预期的期望值 110 岩土工程安全度控制的关键是在勘察设计阶段 岩土工程设计时 计算岩土抗力的强度参数 并不是像上部结构材料那样 可以从技术标准中查到 由岩土所构成的荷载 也不可能从荷载规范得到 这些都需要通过岩土工程勘察 由试验 测定和经验判断取得 因此设计参数的取值是否符合设计的具体工程条件 是否反映了地质条件的特点 都直接影响安全度的控制 但体制现状却非常不利于安全度的控制 111 岩土工程参数分析与选定是岩土工程勘察内业工作的重要组成部分 是对原位测试和室内试验的数据进行处理 加工 从中提出代表性的设计 施工参数 作为岩土工程勘察分析评价的重要依据 岩土工程参数分析的内容包括对原始数据的误差分析和有效数字的取舍 数据统计特征的分析 平均值和标准值的计算 参数间经验公式的建立及其图表表示方法 112 由于岩土体是自然形成的 其成分 结构和构造都是非均质的和不确定的 勘察时的钻孔或原位测试所取得的土样或数据都有相当大的偶然性 采样必然带有随机性 因此 岩土工程参数的分析方法必须建立在随机数学的基础上 采用统计的方法获得具有代表性的参数 对于岩土工程参数也只能从统计的概念上去理解 才能正确地使用 113 对同一个岩土体 用同一种方法测定的岩土参数 每次的测定值并不完全相同 有时的分布范围还相当广 如何从中得到代表性的参数 需要研究这些数据的分布规律 将测定值按数值大小从小到大依次顺序排列 就得到变量的数列 称为值序统计量 形成一个经验的分布 这是定量研究的基础 需要岩土工程师具有分析不确定性的视野和能力 具有风险分析的能力 114 岩土本身所产生的荷载 不论是作用于结构物或作用于岩土体上 其计算模式的正确与否 对安全度的控制是至关重要的 岩土本身所产生的荷载 一般也是采用岩土参数 选用一定的计算模式进行计算的结果 例如土压力 水压力 作用于土体或建筑物的浮力 作用于基础底板的反力 作用于土体的渗透力等 115 影响荷载计算结果正确性的因素 计算模式 计算假定是否反映了实际工程的主要控制因素 例如是空间问题还是平面问题 是弹性半无限体还是Winkler体系 计算工况 计算工况是否符合工程实际条件与自然条件 例如结构的支承 约束条件 水的作用条件 116 计算参数 计算参数反映在工程具体条件下的岩土基本属性与工况的影响 例如抗剪强度指标的选用 土的重度的选用等 117 安全度控制风险的影响因素 客观的因素 取土试验过程中对试样的扰动 试验方法的不标准 试验结果的缺乏代表性 试验结果分析计算方法的不标准等因素都会影响对设计安全度的控制 主观因素 工程师对试验结果的评价与分析 对代表性指标的取用 对计算模式的选用等都会使得工程师对安全度的控制偏离预期的期望值 118 岩土工程设计时 计算岩土抗力的强度参数 并不是像上部结构材料那样 可以从技术标准中查到 由岩土所构成的荷载 也不可能从荷载规范得到 这些都需要通过岩土工程勘察 由试验 测定和经验判断取得 因此设计参数的取值是否符合设计的具体工程条件 是否反映了地质条件的特点 都直接影响安全度的控制 119 5 怎样计算荷载 请问设计部门提供的荷载是荷载效应的标准组合还是准永久组合或是基本组合 这三者之间如何换算 120 对于不同的设计对象问题 采用不同的荷载组合 根据 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002的规定 为验算地基承载力 确定基础的尺寸时 荷载采用标准组合 计算沉降时 荷载采用准永久组合 验算地基或构筑物的稳定性时采用基本组合的设计值 验算基础内力和配筋时采用基本组合的设计值 在勘察任务书中的荷载一般是供验算地基承载力的 不清楚时可问设计人员 121 这里有两个不同的概念 不能认为都是简单地乘一个系数 一个是所谓承载力极限状态和正常使用极限状态的区别 考虑的荷载内容是不同的 要根据实际工程情况 按荷载规范来计算 另一个是所谓标准值和设计值的区别 那是差一个分项系数 但也不都是1 25 如以恒载为主的情况就是1 35 122 当地基承载力为kPa如何转换为吨 如130kPa转换为吨是多少吨 我国过去实行公制 即CGS制 从79年代后期 国家决定将计量单位改为国际制 即SI制 通过20多年的强制性推广 国际制已经在我国得到了广泛的应用 所有的工程技术标准都采用了国际制 所有的教科书也都采用了国际制 作为一个工程师必须掌握国际制 熟悉国际制与其他计量制之间的换算关系 123 为什么要实行国际制 亦即CGS制有什么缺点 在公制中 最大的问题是无法区别质量和重力的计量 例如 过去按CGS制的规定说1立方米的土重2吨 单位体积重为2吨 立方米 即重2000公斤 kg 作用在1平方米的面积上 压力是2吨 平方米 前面的2吨是指土的质量 而后面的2吨是指力 可是无法加以区分 124 按照牛顿第一定律 重力等于质量乘以重力加速度 g 9 8m s2 即G m g 按前面的数据就可以说土的质量密度是2t m3 这2t表示质量 而产生的重力2000 9 8 20000N 20kN 作用在单位面积上的压力是20kN m2 20kPa 土的室内试验指标是单位体积的质量 称为密度 计量单位是g cm3或t m3 而单位体积的重力称为重力密度或重度 计量单位是kN m3 如果土的密度是1 8g cm3 则其重度应为18kN m3 125 密度是试验单位 而重度是计算单位 在土工试验报告中应当用密度表示 而不是重度 因为用天平称出来的是质量而不是力 重度乘以土柱的高度就得到土的自重压力 单位为kPa 例如 重度为18kN m3 在10m深度处的自重压力就是18 10 180kPa 可以记住一个最简单的换算关系 压力为1kg cm2 100kPa 10t m2 126 为什么锚杆计算的荷载如此不同 建筑边坡工程技术规范 GB50330 2002的 7 2 2 7 2 4 式中 为何计算所依据的荷载值不同 分别为Na Nak和Na 是何原因 仅仅是这样规定而已吗 127 这种规定的来源是 建筑地基基础设计规范 第3 0 4条关于荷载的规定 按照这本规范的规定 计算有关土的承载力 黏结强度一类时 用荷载的标准值 计算有关材料 混凝土 钢筋等 的承载力时 用荷载的设计值 128 这个公式是验算锚杆钢筋的截面 因此Na是锚杆拉力的设计值 129 这个公式验算锚杆钢筋与砂浆之间的锚固长度 是建筑材料之间的粘结强度 强度值用设计值 因此Na也用锚杆拉力的设计值 130 这是锚固体与地层之间的锚固强度的验算公式 由于是锚固体与地层之间的粘结强度是用容许值 故锚固的拉力用标准值Nak 131 勘察前期工作收集的是什么荷载 设计能够提供什么荷载 设计没有进行到一定的深度 只能估计荷载 如何估计 按每层每平方米1 5 2吨 15 20kPa 估计 标准值小一些 设计值大一些 住宅小一些 办公楼因为层高比较高 因此大一些 132 怎么使用这种荷载数据 整板基础怎么用 乘以楼层数得到基底压力可以直接与地基承载力比较 p fa条形基础怎么用 与条形基础底面积与整板基础的面积比例 有关 p fa独立柱基怎么用 与柱距l有关 柱荷载N p l2但是 这种荷载只能用于做勘察方案 而不能用于地基基础设计计算 那么设计的荷载是如何计算得到的呢 133 设计荷载的计算 荷载由恒载和可变荷载两部分组成 恒载主要由结构物的自重产生的 可变荷载包括楼面荷载 风荷载 雪荷载 积灰荷载等 按照荷载规范的规定 134 135 设计荷载计算实例 1 1 面荷载 1 1 1恒荷载 120厚现浇板 楼板自重0 12 25 3 0kN m2找平0 02 20 0 4kN m2地面作法1 0kN m2吊顶0 8kN m2相加得 g 5 2kN m2 136 100厚现浇板 0 10 25 0 4 1 0 0 8 4 7kN m2180厚现浇板 0 18 25 0 4 1 0 0 8 6 7kN m2覆土容重 18kN m3屋面做法 0 12 25 0 02 20 3 9 7 3kN m2 137 1 1 2活荷载 商店 3 5kN m2办公 2 0 1 0 考虑隔墙不确定布置 3 0kN m2通风机房 8 0kN m2汽车通道 4 0kN m2 138 卫生间 2 5kN m2走廊 门厅 3 5kN m2楼梯 3 5kN m2电气机房 地下一层 8 0kN m2 一层机房及强电井 5 0kN m2自动扶梯 R 72 2 3 17 45 43kN m 139 1 2 梁墙荷载 填充墙 1 外墙铝板或