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地基基础热点问题分析
地基基础的一些热点问题探讨
中国建筑科学研究院地基所
规范的理解和应用
禁忌1不能正确的理解使用相关的规范
地基基础相关规范是进行勘察、设计、施工、检测的依据,一定要正确的理解和掌握,而不是简单、教条抠表面文字,应从以下几方面对规范进行理解:
1.整体的全面的理解规范。
对于一本专业规范,要理解本规范编制的目的、总的原则和指导思想、适用范围、和其它规范的关系等,此部分内容一般体现在总则部分。
(1)编制的目的
毋庸置疑,规范编制的总目的是确保拟建筑物的安全,不同的规范从不同的角度去实现。
如各种勘察规范,通过具体规定来达到准确的描述拟建场地的水文地质情况、场地的均匀性等,为后续设计、施工提供准确的资料,即从勘察的角度来保证拟建筑物安全的目的;各种地基基础的设计规范通过对具体设计的规定、参数选取、具体计算规定等,从设计的角度来保证拟建筑物的安全;施工规范的规定是通过对每种施工工艺的适用条件、施工控制要点等规定,使施工质量满足设计要求,来保证拟建筑物的安全;检测规范通过相应的规定,如检测数量、检测要求、检测标准等,使检测尽可能体现整体的安全情况,确保拟建筑物的安全。
确保拟建筑物的安全和正常使用是规范编制的最终目的,规范的其它内容都是为实现此目的服务的。
(2)编制的原则和指导思想
编制原则和指导思想是指导规范具体条文的,如《建筑地基基础设计规范》1.0.2条规定对编制原则和指导思想为“地基基础设计,必须坚持因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源的原则;根据岩土工程勘察资料,综合考虑结构类型、材料情况与施工条件等因素,精心设计”。
《建筑桩基技术规范》1.0.3条也对编制原则和指导思想进行了规定。
(3)适用范围
每一本规范都有其适用范围,如《建筑地基基础设计规范》1.03条规定“本规范适用于工业与民用建筑(包括构筑物)的地基基础设计。
对于湿陷性黄土、多年冻土、膨胀土以及在地震和机械振动荷载作用下的地基基础设计,尚应符合现行有关标准、规范的规定”。
《建筑基桩检测技术规范》的1.02条规定“本规范适用于建筑工程基桩的承载力和桩身完整性检测与评价”。
因此,我们在选择规范时,一定要了解其是否适用于你的工程。
(4)和其它规范的关系
随着专业分工的细化,一本规范不可能解决所有的问题,需要其它规范配合,如地基基础设计中需考虑多本规范,如荷载、混凝土、防腐等。
2.理解每条规定的目的和要解决的问题
规范的每条规定都是要解决相关问题的,如《建筑地基基础设计规范》8.4.15条中第2条,“当高层与相连的裙房之间不设沉降缝时,宜在裙房一侧设置后浇带,后浇带的位置宜设在距主楼边柱的第二跨内。
”,此规定是解决主裙楼差异沉降过大,避免造成裙楼部分基础底板开裂。
如《建筑桩基技术规范》3.3.1条对于基桩的分类的规定中“按承载力性状分类”的目的,是在桩的构造(4.1.1条)、桩基竖向承载力计算(5.2.3条、5.2.4条)、负摩阻力计算(5.4.3条)中应用。
3.理解具体规定的基本概念
规范条文的具体应用时应理解条文所包含的基本概念,这样在规范条文没有作具体规定时可根据基本概念进行判断。
如《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008中5.3.6条对大直径桩承载力计算时规定应考虑尺寸效应,即对于大直径桩(桩径不小于800mm)和中小直径桩相比,其最大的区别是极限侧阻力标准值、极限端阻力标准值随桩径的增大而降低。
这里包含的基本概念是,桩成孔使桩侧和桩端土受力状态发生改变,造成孔壁土出现松弛变形,导致侧阻力有所降低,成孔卸载造成孔底土的回弹,类似于深基坑的回弹,造成端阻力的降低。
(补图)侧摩阻力和端阻力的降低程度随桩径的增加而增大,这就是大直径桩承载力计算考虑尺寸效应的原因。
降低幅度和桩侧桩端土的性质有关,细颗粒土降的低,粗颗粒土降的高,此规定从基本概念上也是很好理解的。
但规范没有对岩石侧摩阻力和端阻力是否降低进行规定,因此,一些技术人员在遇到岩石时,无从下手,特别是嵌岩得大直径人工挖孔桩。
其实,在明白前面讲的基本概念后,技术人员应能判断出在桩嵌入岩石的情况下,计算嵌岩部分侧摩阻力和端阻力不需要降低,因为,一般情况下,侧壁岩石不会出现松弛、桩端岩石也不会出现回弹而影响承载力。
4.盲目的套用公式计算
规范的公式包含基本概念和其适用范围,不能盲目的套用。
《建筑桩基技术规范》5.3.10条给出了灌注桩后注浆的承载力计算公式,如下:
式中
、
—分别为后注浆侧阻力、端阻力增强系数。
一些规范给出了挤扩多支盘桩承载力计算公式,如下:
(地基基础设计施工手册P269)
式中
—第
层土侧阻力修正系数
—第
个支盘端阻力修正系数
一些工程师对于挤扩多支盘桩采用后注浆进行处理,进行桩底和桩侧后注浆,此想法没有什么问题,但计算中不能将两个公式合二为一,对支盘桩的侧摩阻力和端阻力分别乘以注浆增强系数,则存在很大的问题,计算结果明显偏于不安全。
5.忽略基本规定只看后面的具体内容
条文前面部分的具体规定,是条文的核心内容,应先掌握。
如《建筑桩基技术规范》中4.2.1条“桩基承台的构造,除应满足抗冲切、抗剪切、抗弯承载力和上部结构要求外,尚应符合下列要求”,条文中满足抗冲切、抗剪切、抗弯承载力和上部结构要求是承台设计的核心,即承台作为将上部结构的荷载传给基桩必须满足的条件,后面具体规定如承台的最小高度、宽度、筏板的最小厚度等,必须满足以上受力要求。
6.忽略条文的“轻”“重”次序
如《地基基础设计规范》5.3.5条有关地基变形计算的条文中,对于沉降计算经验系数
的规定如下“
——沉降计算经验系数,根据地区沉降观测资料及经验确定,无地区经验时,可采用表5.3.5的数值”,对于此条规定所谓“重”是
应首先根据地区观测资料及经验确定,“轻”则是无地区经验时按规范选取。
因为规范提供的经验系数是从各个地方收集整理的结果,很难做到面面俱到。
7.将规范条文视为“圣旨”
规范具体条文是基本理论、概念、工程经验对工程具体问题上的一些规定,是不断发展完善提高的,原因如下:
1)作为地基基础工程安全核心的变形控制,由于地基土具有不均匀性、成分和成因的多样性、变形的时效性,并且受水、不同施工工艺、上部结构形式等复杂因素的综合影响,大部分有关地基基础工程的计算方法具有半理论半经验的特点,并在不断改进提高。
2)工程经验逐渐积累,常会发现以前的旧的经验存在片面性和局限性,例如《建筑桩基技术规范》JGJ94-94和新修订JGJ94-2008就同一结构单元桩的规定就存在很大不同,JGJ94-94中3.2.3.4条规定“同一结构单元宜避免采用不同类型的桩。
同一基础相邻桩的桩底标高差,对于非嵌岩端承型桩,不宜超过相邻桩的中心距;对于摩擦型桩,在相同土层中不宜超过桩长的1/10。
”而新修订的JGJ94-2008则取消了上述规定,建议在一定条件下采用变刚度调平设计`。
禁忌2.对地基基础工程应遵循的国内规范、规程了解不全面
目前我国规范分为国家标准,一般以符号GB标示;行业标准,一般以符号JGJ标示;地方标准,一般以DB标示。
对于各种规范、标准的划分和相互关系从以下几方面理解:
1.国家标准是最高标准,行业标准和地方标准均应在国家标准总原则下进行编制。
2.行业标准是本行业在全国的应用标准,是对国家标准的补充完善
如《建筑地基基础设计规范》对桩基础、基坑支护、基础等均作了原则性的规定,行业标准《建筑桩基技术规范》、《建筑基坑支护技术规程》、《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》等,根据自身的特点对《建筑地基基础设计规范》进行补充和完善。
3.地方标准是对国家标准和行业标准的补充完善。
我国地域辽阔,各省市和地区的自然地理条件不同,分布的岩土种类多种多样,其工程力学性质存在很大差异,反映的地基基础问题也迥然不同。
由于地区的特殊性,有关国家和行业标准还不能完全覆盖和包括,我国许多省市和地区,在国家规范总原则的指导下,针对本地地基土类的特点、地质情况,总结多年的工程实践经验,编制出反映地方特点、适用于本地区的建筑地基基础设计、施工规范。
这些规范、规程对合理进行地基勘察、设计、施工和促进新技术的应用、降低基础的工程造价、保证上部结构安全均有重要作用。
如《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》J11254-2008、
上海市《地基基础设计规范》DBJ08-11-1999、《沉降控制桩基础技术规程》(天津地方标准)DB29-105-2004、《广东省预应力混凝土管桩基础技术规程》DBJ/T15-22-98等。
4.注意标准的时效性
当设计需要选用国家及地方标准时,一定要注意规范的时效性,不要选用废止或过时的规范。
禁忌3、对涉外工程设计应遵循的国外规范不够了解
1.涉外工程规范的选用
对于涉外工程,需要结合工程所在地国的有关规定及建设单位的要求选用适用的规范。
如果当地没有自己的国家规范、也没有明文规定采用何种规范,经与建设单位协商,采用中国规范也是可能的。
对于国际通用的规范,在欧洲系列规范推出之前,以英国规范及美国规范应用的最广,欧洲规范的问世,取代了原英国规范的地位,但在非欧盟国家,仍有很多国家继续使用英国规范。
2.国内外规范体制的不同
国际上的规范有二种体制,一种是推荐性的,另一种是强制性的。
发达国家的规范多是推荐性的,对设计人员只起帮助指导作用,工程千变万化,规范不可能取代设计人员所必需的理论知识、经验和判断,设计人员必须自己承担设计的全部责任,可以不受推荐性规范的约束。
最为典型的是欧洲规范,涉及具体计算公式、具体计算方法的内容越来越少,代之以基本原理、基本原则、需考虑的因素、要点及注意事项等,公式、方法等则完全由设计者凭借自身的理论与经验去参阅各类教科书、参考书、设计手册等去选用。
我国的设计规范则是强制性的,是设计人员必须遵守的法律,如有违反,一切责任由设计人自负,而出了事故,设计人员也可凭规范推卸责任。
几十年来,这种做法已在工程设计界深入人心,因而对规范的制订工作也就提出了很高的要求。
强制性规范的不足之处是,不能灵活适应设计中遇到的各种情况,难以照顾到设计者可能遇到的各种特殊问题,而且客观上不利于发挥调动甚至限制设计人员的创造性。
强制性规范的利弊值得仔细探讨。
3.国外相关的主要规范
为了能使设计人员在处理涉外工程时“有法可依”,现将主要的外国规范介绍如下:
1)欧洲规范
在建筑行业,欧洲规范家族(EuropeanStandardsFamily)是一个系统而全面的体系,以结构设计规范为龙头,也包括材料与产品规范、施行规范(相当于我国的施工规范)及检测试验规范等并与ISO体系有效衔接。
我们常见的‘TheEurocodes’,实际是特指‘欧洲结构设计规范’(DesignStandard),也是欧洲规范体系的核心,由以下各部分构成:
EN1990Eurocode0:
BasisofStructuralDesign(结构设计基础)
EN1991Eurocode1:
ActionsonStructures(结构上的作用)
EN1992Eurocode2:
DesignofConcreteStructures(混凝土结构设计)
EN1993Eurocode3:
DesignofSteelStructures(钢结构设计)
EN1994Eurocode4:
DesignofCompositeSteelandConcreteStructures
(钢与混凝土混合结构设计)
EN1995Eurocode5:
DesignofTimberStructure(木结构设计)
EN1996Eurocode6:
DesignofMasonryStructure(砌体结构设计)
EN1997Eurocode7:
GeotechnicalDesign(岩土工程设计)
EN1998Eurocode8:
DesignofStructuresforEarthquakeResistance
(结构抗震设计)
EN1999Eurocode9:
DesignofAluminiumStructures(铝结构设计)
与‘欧洲结构设计规范’(TheEurocodes)密切相关的,是ExecutionStandards(施行标准,类似于我国的施工规范),也是建筑行业欧洲规范家族的重要成员,其中与地基基础相关的常用规范有:
EN13670:
2009ExecutionofConcreteStructures(混凝土施工)
EN1536:
2000ExecutionofSpecialGeotechnicalWork–BoredPiles(特殊岩土工程施工-钻孔灌注桩)
EN1537-2000ExecutionofSpecialGeotechnicalWorks-GroundAnchors(特殊岩土工程施工-锚杆)
EN1538:
2000ExecutionofSpecialGeotechnicalWork-DiaphragmWalls(特殊岩土工程施工-地下连续墙)
EN12699:
2001ExecutionofSpecialGeotechnicalWork–DisplacementPiles特殊岩土工程施工-挤土桩)
EN14199:
2005ExecutionofSpecialGeotechnicalWorks–Micropiles(特殊岩土工程施工-微型桩)
EN12063:
1999ExecutionofSpecialGeotechnicalWork-SheetPileWalls.(特殊岩土工程施工-钢板桩)
EN12794:
2005,PrecastConcreteProducts-FoundationPiles(预制混凝土产品-基础用桩)
欧洲规范家族的另一成员是MaterialandProductStandard(材料与产品标准)也是建筑行业欧洲规范家族的一员,最常用的有:
EN206Concrete:
Specification,Performance,ProductionandConformity(混凝土:
技术规格、性能、生产与一致性)
EN10080SteelfortheReinforcementofConcrete(钢筋混凝土用的钢筋)
其它从略。
TestStandards(试验标准)也是欧洲规范家族成员之一,主要是建筑材料与产品的检测、试验方面的执行标准,在此略过。
2)美国规范:
ICC(InternationalCodeCouncil国际规范理事会)主编的通用设计规范系列,主要成员有IBC-06InternationalBuildingCode(国际建筑物规范)及IRC-06InternationalResidentialCode(国际住宅规范),其它从略。
其中,IBC规范是美国原区域性规范NationalBuildingCode(简称NBC)、StandardBuildingCode(简称SBC)及UniformBuildingCode(简称UBC)的统一,结束了三部区域性规范在美国三分天下的局面。
IBC规范是一本综合规范,涉及建筑行业所有相关领域与环节,如建筑、结构、水、暖、电、装修、施工安全与节能、环保、消防等,其中第14章至第26章为结构相关部分,第18章专讲岩土与地基基础,深基础(含桩基)是其中一节。
除了上述通用规范外,美国其它结构规范多为各行业协会主编,如‘美国混凝土协会’(AmericanConcreteInstitute,简称ACI)主编的混凝土系列规范,‘美国钢结构协会’(AmericanInstituteofSteelConstruction,简称AISC)主编的钢结构系列规范,‘美国土木工程师协会’(AmericanSocietyofCivilEngineer,简称ASCE)主编的一些规范、‘美国材料与试验协会’(AmericanSocietyforTestingandMaterials,简称ASTM)主编的有关材料及试验方面的系列规范及‘美国国家公路与运输协会’(AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials,简称AASHTO)主编的系列规范(多与路桥有关)等。
ACI系列规范中与地基基础有关的规范如下:
ACI318-08BuildingCodeRequirementsforStructuralConcrete(混凝土结构规范),
ACI336.3R-93DesignandConstructionofDrilledPiers(钻孔墩基础的设计与施工)
ACI360R-06DesignofSlabs-onGround(地面上板的设计)
ACI543R-00Design,Manufacture,andInstallationofConcretePiles(混凝土桩的设计、制做与安装)
ASCE系列规范中,与岩土与地基基础相关的规范有:
ASCE7-05MinimumDesignLoadsforBuildingsandotherStructures(建筑物与其它结构物上的最小荷载),相当于美国的荷载规范。
ASCE20-96StandardGuidelinesfortheDesignandInstallationofPileFoundations桩基础设计与施工准则,相当于简本的桩基规范。
在美国的规范体系中,ICC(国际规范理事会)虽然以IBC统一并取代了NBC、SBC与UBC三部区域性规范,并将目标瞄准国际市场以应对欧洲规范的挑战与冲击,但ICC没能如欧洲规范一样推出一部比较系统、全面从而具有权威性与通用性的地基基础规范或桩基规范,而是将有关内容融入结构规范之中,且内容过于简短,如前文所述IBC规范的第18章,与岩土基础相关的内容只有30页,难以担当地基基础规范与桩基规范的大任。
ACI虽以混凝土系列规范为主,但对地基基础中涉及混凝土材料的构部件编制了相应规范,如ACI336.3R(钻孔墩基础)及ACI543R(混凝土桩),仅相当于一本完整桩基规范的部分内容。
ASCE20-96虽然独立成册且以‘桩基础设计与施工准则’命名,但其正文部分仅有17页,没有公式,也几乎没有图表,仅仅提供了一些指导原则与注意事项。
似乎也不符合我们对桩基规范的期望与定义。
此外,StructuralDesignGuidelineforLRFD(荷载抗力安全系数法结构设计导则,美国佛罗里达州运输部主编),AASHTOLRFDBridgeDesignSpecifications(桥梁设计导则)第10、11章(美国国家公路与运输协会主编)等都有地基基础方面的内容。
SoilsandFoundationHandbook(岩土与基础工程手册,美国佛罗里达州运输部主编)也有地基基础的内容,但同样比较简短,而岩土工程勘察则占了较大篇幅。
UFC3-220-01N,GeotechnicalEngineeringProceduresforFoundationDesignofBuildingsandStructures(建筑结构基础设计的岩土工程方法,美国国防部主编),虽然貌似全面系统,涉及岩土、浅基础、深基础、边坡挡墙、开挖降水、桩基设备与施工等地基基础规范全部内容,但有关地基基础部分并没有提出自己的内容,而只是列出了其它相关规范或参考书的名称供读者去参考,是比较典型的‘标题党’。
相比之下,EM1110-2-2906DesignofPileFoundation(byUSArmyCorpsofEngineers)(美国工程师兵团主编的桩基础设计),从名称和篇幅来看,似乎更像一本桩基规范,全文共113页,对桩基础的设计与施工进行了比较系统的介绍,但该规范是美国军队系统编制的规范,且自1991年后再未修订过,也较少被其它规范或参考书引用,故引用时要慎重。
由上可见,美国的地基基础规范目前还未能如欧洲规范一样统一为系统全面、权威通用的国家级规范,尚有较大的整合空间,我们在引用美国规范时一定要加以区分,不要笼统地引用。
就时效性与权威性而言,IBC、ACI及ASCE的有关内容可优先参考,上述规范没有的内容可参考其它规范或参考书。
而且,美国规范也不像我国规范这样具有强制性,只是作为设计者的参考,是指导性规范。
设计者要具有独立判断的能力,并对自己的能力负责。
3)英国规范
与地基基础设计与施工相关的规范如下:
BS6399LoadingforBuildings(建筑荷载规范)
BS8110StructuralUseofConcrete(混凝土结构规范)
BS8004:
1986CodeofPracticeforFoundations(地基基础规范)
BS8002:
1994EarthRetainingStructures(挡土结构)
BS8007:
1987DesignofConcreteStructuresforRetainingAqueousLiquid(挡水混凝土结构设计)
4)新加坡规范:
大部分采用英国规范,局部或有修改。
其中CP4:
2003的前身是BS8004:
1986,但对原规范改动较大,且增添不少新的内容。
SingaporeStandardCP4:
2003CodeofPracticeforFoundations(地基基础规范)
5)香港部分规范:
BD(2004a).CodeofPracticeforFoundations(地基基础规范)
BD(2004d).CodeofPracticeforStructuralUseofConcrete(结构混凝土规范)
一、地基基础的变形控制设计
一)按承载力力控制设计和按变形控制设计的关系
1、关于地基承载力的几个问题
1)地基承载力、复合地基承载力、桩基承载力应为实测值,不是计算值,计算值为预估值。
2)确定天然地基承载力、复合地基、桩基承载力是有人为条件的,如《建筑地基基础设计规范》、《建筑桩基检测规范》的具体规定,且影响因素很多。
天然地基和试验的载荷板尺寸有关,尺寸越大,承载力越低;桩基(摩擦桩)承载力和群桩数量、桩距有关,桩数越多,承载力越低。
3)地基承载力是可以提高的,《建筑地基基础设计规范》5.2.8条的规定。
4)同一基础下桩的承载力发挥值是不一样,如角桩最大、中心桩最小。
5)地基的承载力不同于混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度。
图1.1为我所所做载荷板试验结果,结果显示原地基土在压力下固结压密后再加荷,荷载变形曲线明显变缓,表明其承载力提高,如曲线(c),扩大载荷板尺寸后,如曲线(b)承载力降低。
图1.1 (a)直接加载模型(b)持载后扩大基础加载模型(c)
和持载后继续加载模型
曲线对比
2、承载力控制设计和变形控制设计的关系
1)变形控制设计是建筑物正常使用和上部结构设计的唯一要求
建筑物的正常使用和上部结构对任何地基基础形式的唯一要求是满足上部结构安全使用的地基变形限定,此变形限定须满足建筑物的正常使用要求,并考虑对上部结构附加应
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