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建筑地基标准中地基承载力可靠性分析

摘要:该文对建筑地基基础设计标准体系做了归纳,对建筑地基可靠性设计标准的历史沿革作了较系统的总结,阐明了现行工程标准中关于地基可靠性的设计表达方法,同时指出地基承载力设计标准与地基可靠性设计标准的内在关系。

关键词:地基基础;可靠度;安全度;容许应力法;极限状态设计法

0引言

土木工程最基本的科学性是工程结构的可靠性。可靠性包括安全性、适用性与耐久性。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。换言之,地基承载力设计等同于地基安全性设计,相关设计标准对地基承载力的规定是地基安全性设计的具体体现。现行设计标准中,关于地基承载力极限状态设计方法的规定还存在一些尚需澄清的问题,有必要了解形成这些规定的背景。本文对此作了点评,澄清了因规定表述不清引起的工程界的一些模糊认识。要全面弄清楚这些规定,还涉及到岩土力学基础理论、地基承载力基本概念(包括地基破坏模式、破坏界定标准与地基承载力的工程含义)及地基承载力确定方法等。藉本文可以帮助工程技术人员正确理解与执行现行建筑地基基础标准中关于建筑地基承载力设计参数的确定方法,并有助于正确阅读理解地质勘察资料。

1现行建筑地基基础设计勘察标准

地基与基础密切相关,因此合并编制形成地基基础设计标准,当综合性较强时称为技术标准。这类标准与勘察及各类检测、验收标准配套组成完整的地基基础工程设计标准,其中地基承载力设计规定是其中最基本、最重要的内容。现行的地基基础工程国家与行业标准主要有:(1)《建筑地基基础设计规范》GB50007(目前年号为2011);(2)《建筑地基处理技术规范》JGJ79(目前年号为2012);(3)《建筑桩基技术规范》JGJ94(目前年号为2008,顺便指出,该标准虽然名称表达上为桩基础标准,但同时包含桩基与地基的规定);(4)《建筑基桩检测技术规范》JGJ106(目前年号为2014);(5)《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》JGJ6(目前年号为2011);(6)《岩土工程勘察规范》GB50021(目前年号为2001,现行为2009年版);(7)《高层建筑岩土工程勘察标准》JGJ/T72(目前年号为2017)。对重庆地区有地方标准:(1)《建筑地基基础设计规范》DBJ50-047(目前年号为2016);(2)《建筑桩基础设计与施工验收规范》DBJ50-200(目前年号为2014);(3)《工程地质勘察规范》DBJ50-043(目前年号为2016)。国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153(目前年号为2008)作为土木工程结构设计的基础性标准,涉及地基可靠性时理应从其规定。由于我国幅员辽阔,区域差别很大,很多地区都制定了适合本地区的地基基础工程标准,和国家标准可能有所区别。有时地方设计标准低于国家标准,比如重庆市地方标准《建筑地基基础设计规范》DBJ50-047-2016[1]第4.2.7条对天然岩石单轴抗压强度的折减系数,比国家标准取值大。因此,在岩土工程领域,国家标准有时严于地方标准,此时,执行标准的优先顺序仍为:地方标准→行业标准→国家标准。

2工程结构可靠性设计标准

国家标准《工程结构可靠性设计统一标准》GB50153所指工程结构是土木工程结构,岩土工程是土木工程的一个分支,所以该标准涵盖岩土工程的可靠性设计。根据GB50153的定义[2],可靠性表述为:结构在规定的时间内,在规定的条件下完成预定功能的能力。要实现这项要求,结构应具有安全性、适用性、耐久性。这三性表达了结构可靠性的具体涵义,有时也将这三性概括称为结构可靠性;可靠度表述为:结构在规定的时间内,在规定的条件下完成预定功能的概率,可靠度是可靠性的概率度量。其中,度量结构可靠度的数值指标为结构可靠指标。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;(2)准则II:近似概率准则;(3)准则III:全概率准则。现行结构设计标准体系主要规定有三个可靠性设计方法:1)概率极限状态法(以概率理论为基础以分项系数表达的极限状态设计方法);2)容许应力法(使结构在作用标准值下产生的应力不超过规定的容许应力的设计方法,其中容许应力为材料或岩土强度标准值除以某一系数);3)单一安全系数法(使结构的抗力标准值与作用标准值的效应之比不低于某一规定安全系数的设计方法)。上述方法1)属于准则II,方法2)、3)属于准则I。工程科学技术发展经历了从准则I到准则II的阶段,目前处于准则I准则II并行阶段。国标GB50153倡导使用准则II。准则II已成为建筑结构主要设计标准。准则III目前处于理论研究中,是远期发展方向。虽然准则I会用到数理统计方法确定工程材料物理力学参数统计值,但与准则II有实质不同,仍以经验确定安全系数,以总体安全系数(大老K)而非分项系数表达,因此称为半经验半概率准则,属于定值法范畴[3],虽隐含了安全度,但安全度无法科学度量。随着工程科学技术的进步,逐渐发展建立了更科学的可靠性设计标准与方法,即概率极限状态法。其原则规定已体现在GB50153中,并已在结构中得到广泛应用。我国土木工程各领域分属不同行业,上世纪80年代各行业分别编制了本行业的结构设计统一标准(即《xx行业结构设计统一标准》),其中建筑行业当时为《建筑结构设计统一标准》GB68-84。但这些标准对具有共性的内容,其可靠度设计标准不尽一致。因此国家标准《工程结构可靠度设计统一标准》GB50153-92在当时应运而生,它使我国土木工程各领域在处理可靠性问题上有了统一性与协调性标准。GB50153是基础性标准,在可靠度设计统一标准上是第一层级的。迄今GB50153出现过两个版本,即GB50153-92与GB50153-2008。现行版本GB50153-2008有了较大补充与改进。GB50153倡导采用概率极限状态法。但同时规定,当缺乏统计资料时,也可采用容许应力或单一安全系数等经验方法,即传统方法。需要强调的是,现阶段这条规定主要适用于岩土工程。在GB50153-92的基本框架下,建筑、水利水电、港口、铁路、公路行业分别编制了本行业第二层级的可靠度设计统一标准,其中建筑行业为《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001。各建设行业以此作为用于本行业结构设计可靠度设计统一标准并取代各自原先的《结构设计统一标准》,再据此编制出本行业的具体标准,包括地基基础设计标准。需要指出,目前的第二层级可靠度设计统一标准是依据GB50153-92编制的,GB50153-2008发布后理应随同GB50153-92一并废止。由于与GB50153-2008配套的第二层级可靠度设计统一标准尚未跟进编制,所以GB50153-2008发布以后编制的各具体工程结构设计标准应是直接以GB50153-2008为依据的,包括建筑地基基础规范GB50007-2011、DBJ50-047-2016。但早于GB50153-2008,且目前仍在使用的某些具体设计标准与GB50153-2008无依据关系,有符合性与协调性问题,比如JGJ94-2008。但在安全性的规定上,GB50068-2001与GB50153-2008是一致的。GB50153-2008对工程结构可靠性设计提出了基本要求,要求结构设计应满足本标准第3.1.2条列出的5项功能,第1、4、5款功能要求均属于安全性原则要求。各行业、各专业设计标准的规定是满足基本要求的具体体现。

3地基设计可靠性理论

3.1地基可靠性的概念

按GB50153-2008第3.1.2条的要求并根据地基工作状态,建筑行业国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011规定地基设计时应考虑:1)在长期荷载作用下,地基变形不致造成承重结构的损坏;2)在最不利荷载作用下,地基不出现失稳现象;3)具有足够的耐久性能。其中第1)条与因地基变形引起的上部结构安全性、适用性及耐久性相关;第2)条与地基安全性相关。建筑地基基础设计标准的具体规定是这三条基本要求的具体体现。安全性的概率度量理应为安全度,但GB50153没有安全度的提法。由于可靠度包含了可靠性三个涵义(安全性、适用性、耐久性)的概率度量,也不能简单将可靠度与安全度等价。其实GB50153本有必要把安全度从可靠度中分离出来单独定义,用以直接与结构承载力挂钩。由GB50153-2008附录G.2安全性评定规定及各鉴定、检测标准对安全性含义的规定,对建筑结构,安全性评定包括结构体系和构件布置、构造和连接、承载力。但对地基,明显可以说地基承载力设计标准即为地基安全度设计标准。

3.2地基承载力标准中的可靠度体现

遵循GB50153的倡导,建筑结构已基本采用了概率极限状态设计法。钢材、混凝土、砌体等人工材料可控性强、变异性较小、统计数据充分。GB50153对人工材料强度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。但对岩土工程,因岩土性质极为多样,差别很大,目前统计资料不足,缺乏基础工作的支撑。GB50153指出岩土性能标准值宜根据实验结果按有关规定确定,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,区域性差异大,概率极限状态设计法作为岩土工程的发展方向,随着理论研究的发展、实验及统计资料的补充完善,将以形成地方标准为主。条件不成熟时追求形式上的极限状态设计法会造成设计可靠度的实际混乱。上世纪后叶,国家标准《建筑地基基础规范》GBJ7-89、行业标准《建筑桩基技术规范》JGJ94-94按照国家标准《建筑结构设计统一标准》GB68-84的理论框架,在地基基础标准体系内率先执行概率极限状态设计法,但理论与实践都不成功。主要原因就是统计资料不足,只能在分项系数的确定上作校准法调整。对JGJ94-94[4],作用采用基本组合,普通民用建筑约为标准组合的1.25倍,抗力分项系数根据桩型及工艺采用1.60到1.70不等。取其中间值1.65举例:得出1.25×1.65=2.06,近似于安全系数为2,可见只是将安全系数肢解了而已。对GBJ7-89,作用采用基本组合,但抗力设计值并非由抗力标准值除以抗力分项系数得到,规定的抗力设计值比标准值还大,不合符概率极限状态法的规定。进一步说明如下:虽然GB50153允许(过渡时期)采用校准法确定目标可靠度,即在总体上承认传统经验法隐含的可靠度水平,但仍需要根据抗力的概率分布类型和统计参数,运用概率极限状态法的计算方法,来揭示用传统经验法计算的既有工程所隐含的可靠度,并以此作为目标可靠度,用目标可靠度指标来换算地基抗力分项系数,按换算得来的分项系数做设计计算得到的设计可靠度指标才与目标可靠度指标具有一致性,才符合概率极限状态法。当将来实施了足够数量的校准设计工程后,还可通过工程检测反馈的数据信息进行再验证,必要时可根据验证结果进一步优化调整目标可靠度指标,使之更好地符合国家经济政策。因为目标可靠度指标是根据安全与经济的最佳平衡并综合多种因素后,以国家经济技术政策的性质人为选定的指标。之后GB50068-2001将旧版GB68-84的“应遵守本标准的规定”改为“宜遵守本标准的原则”[5],并完善了正常使用极限状态的表达式,认可了地基设计中可采用正常使用极限状态效应的标准组合,GB50007-2002、JGJ94-2008又改回到传统可靠度设计方法上来了。因为GB50068-2001与GB50153-2008在安全度设计标准上是一致的,GB50007-2011与GB50007-2002在安全度设计标准上也一致。除JGJ94-2008属于单一安全系数法外,其余都属于容许应力法。

3.3建筑地基基础设计标准可靠性表达的变迁

国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007是地基基础工程标准体系的国家标准,也是基本标准,在安全度规定(包括地基承载力确定方法)方面,其余地基基础类标准与其一致。截至目前,GB50007前后经历了4个版本:1)《工业与民用建筑地基基础设计规范》TJ7-74(简称74版)、2)《建筑地基基础设计规范》GBJ7-89(简称89版)、3)《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002(简称02版)、4)《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011(简称11版)。各版本与各阶段的技术发展条件和可靠性设计标准相适应。其中,74版属于容许应力法(容许承载力-作用标准组合);89版形式上属于极限状态设计法(承载力设计值-作用基本组合),未体现以概率理论为基础;02与11版实际为容许应力法(承载力特征值-作用标准组合)。74版之前我国一直使用前苏联规范。

4结论

地基承载力设计的重要任务是满足既定的可靠性。地基承载力的可靠性设计方法,历史上经过了从经验法向半概率论方法的过渡,目前标准所采用的设计表达式形式上采用了概率论极限状态法的分项系数表达式,仍需采用基于安全系数的经验法的校核,但是总体技术水平有了很大的发展。由于岩土工程特性的不确定性性、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。随着经济社会的发展和工程经验的积累,地基抗力分项系数的确定将更符合概率极限状态法的精神实质。

参考文献:

[1]DBJ50-047-2016建筑地基基础设计规范[S].重庆:重庆市城乡建设委员会,2016.

[2]GB50153-2008工程结构可靠性设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[3]沈其明,邓和平.结构设计中的容许应力法和概率极限状态设计法[J].重庆交通学院学报,1985(2):12-16.

[4]JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5]GB50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

作者:于海祥 朱晓凯 吴笛 单位:重庆建工集团股份有限公司设计研究院 重庆恒滨建设(集团)有限公司

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