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地基承载力为何用特征值不用标准值?

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      很多同行有疑惑地基承载力为何用特征值?不是设计值也不是标准值呢?其实这是有历史渊源的,GBJ 7-89规范及以前,地基土的承载力只有极限值和标准值,标准值修正后就是计算值,对应当时上部结构,是建立在安全系数法的模式。改为极限状态设计模式后,与上部结构的规范的可靠度指标β不在一个水平,但发现当上部结构的荷载分项系数都采用1.0时,β指标就基本接近在一个水平上,在修订89规范为GB50007-2002规范时,为了不至与过去的叫法混淆,启用了“地基承载力特征值”这个叫法,并在2002规范3.0.4-1条(强条)规定,在计算地基中,基础底面以上的荷载,采用荷载效应的标准组合。今天的GB50007-2011上也是这样规定的。 

          下面,我们详细了解下这几个概念。

          地基承载力是指地基对基础及上部结构荷载的承受能力,其大小取决于地基、基础及上部结构两个方面。有关承载力的几个基本概念(林宗元.岩土工程勘察设计手册):

        极限承载力:使地基发生剪切破坏,失去整体稳定时的基础底面最小压力,亦即地基能承受的最大荷载强度。

        容许承载力〔R〕:确定地基不产生剪切破坏或失稳,同时又保证建筑物的沉降不超过允许值的最大荷载。

        承载力基本值(f0):根据土的室内试验或原位测试物理力学指标的平均值,按经验公式计算或查经验表格得到的相当于标准基础宽度和埋深时的地基容许承载力值,承载力基本值乘以据以计算或查表的物理力学指标回归修正系数,可得到承载力标准值。

        承载力标准值(fk):地基设计时采用的考虑了土性指标变异影响后的相当于标准基础宽度和埋深时的地基容许承载力代表值。

        承载力设计值(f):地基承载力标准值,经基础宽度和埋深修正,以及直接用地基强度指标按承载力理论公式计算得到的值。承载力设计值是在地基设计计算时采用的地基条件承载力值。

        地基承载力特征值(fak):是指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。

        与钢、混凝土、砌体材料相比,土属于大变形材料,当荷载增加时,随着地基变形的相应增长,地基承载力逐渐加大,很难界定出一个真正的“极限值”,另一方面,建筑物的正常使用应满足其功能要求,常常是承载力还有潜力可挖,而变形已达到或超过正常使用的限值,也就是变形控制了承载力,因此,根据传统习惯,地基设计所选用的承载力通常是在保证地基稳定的前提下,使建筑物的变形不超过其允许值的地基承载力,即容许承载力,其安全系数已包括在内。

           地基承载力(subgrade bearing capacity)是指地基承担荷载的能力。在荷载作用下,地基要产生变形。随着荷载的增大,地基变形逐渐增大,初始阶段地基土中应力处在弹性平衡状态,具有安全承载能力。当荷载增大到地基中开始出现某点或小区域内各点在其某一方向平面上的剪应力达到土的抗剪强度时,该点或小区域内各点就发生剪切破坏而处在极限平衡状态,土中应力将发生重分布。这种小范围的剪切破坏区,称为塑性区(plastic zone)。地基小范围的极限平衡状态大都可以恢复到弹性平衡状态,地基尚能趋于稳定,仍具有安全的承载能力。但此时地基变形稍大,必须验算变形的计算值不允许超过允许值。当荷载继续增大,地基出现较大范围的塑性区时,将显示地基承载力不足而失去稳定。此时地基达到极限承载力。

        随着《建筑结构设计统一标准》(GBJ68-84)的施行,要求抗力计算按承载能力极限状态,采用相当于极限值的“标准值”,并将过去的总安全系数一分为二,由荷载分项系数和抗力分项系数分担,因此,GBJ7-89以承载力容许值作为标准值,经深宽修正后的承载力值作为设计值,故有抗力的计值大于标准值。这与《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)的规定不符,而《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)也完善了正常使用极限状态的表达式,认可了地基设计中承载力计算可用正常使用极限状态荷载效应标准组合。为了与国际标准《结构可靠性总原则》ISO2394中相关术语一致,新规范采用了“特征值”一词,用以表示正常使用极限状态计算时采用的地基承载力值,其涵义即为发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值,以避免过去一律提“标准值”时所带来的混淆。

        在确定基础面积时,以上数值相应的荷载效应组合和抗力分别是:74规范的荷载标准组合与容许承载力值,89规范中的荷载基本组合与承载力设计值,2002规范中的荷载标准组合与地基承载力特征值。这样分清了荷载与抗力两条线,明确了两类极限状态的适用范围和表达式,概念基本就清楚了。