特征值、極限值及設(shè)計值

1、特征值的由來天然地基承載力特征值是只有載荷試驗地基土壓力便性關(guān)系線性變形內(nèi)部超過比例界限點的地基壓力值，實際即為地基承載力的允許值。 進行地基基礎(chǔ)設(shè)計時，由于土是大變形材料，當荷載增加時，隨著地基變形的相應(yīng)增加，地基承載力也在逐漸增大，很難界定出一個真正的“極限值”，另外，建筑物的使用有一個功能要求，常常是地基承載力還有潛力可挖，而地基變形卻已經(jīng)達到或超過按正常使用的限值。因此，地基設(shè)計時采用正常使用極限狀態(tài)這一原則，所選定的地基承載力為地基承載力特征值。 舊地基規(guī)范選用的地基承載力標準值，是在由試驗或其他方法得到地基承載力基本值后，經(jīng)過統(tǒng)計處理，乘以回歸系數(shù)，得到地基承載力標準值。 現(xiàn)行地基

2、規(guī)范采用特征值一詞，用以表示正常使用極限狀態(tài)計算時采用的地基承載力，其涵義即為在發(fā)揮正常使用功能時所允許的抗力設(shè)計值，以避免原地基規(guī)范一律提“標準值”時帶來的混淆。*建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(500072002)中“特征值”一詞的說明國家建筑科學研究院地基基礎(chǔ)研究所鐘亮一、起因與鋼、混凝土、砌體等材料相比,土屬于大變形材料,當荷載增加時,隨著地基變形的相應(yīng)增長,地基承載力也在逐漸加大,很難界定出一個真正的“極限值”,而根據(jù)現(xiàn)有理論的、半理論半經(jīng)驗的或經(jīng)驗的承載力計算公式,可以得出不同的值。因此,地基極限承載力的確定,實際上沒有一個可以通用的界定標準,也沒有一個可以適用于一切土類的計算公式,主要依賴

3、于根據(jù)工程經(jīng)驗所定下的界限和相應(yīng)的安全系數(shù)加以調(diào)整,考慮一個滿足工程要求的地基承載力值。它不僅與土質(zhì)、土層埋藏順序有關(guān),而且與基礎(chǔ)底面的形狀、大小、埋深、上部結(jié)構(gòu)對變形的適應(yīng)程度、地下水位的升降、地區(qū)經(jīng)驗的差別等等有關(guān),不能作為土的工程特性指標。另一方面,建筑物的正常使用應(yīng)滿足其功能要求,常常是承載力還有潛力可挖,而變形已達到或超過正常使用的限值,也就是由變形控制了承載力。以往的工程實踐證明,絕大多數(shù)地基事故皆由地基變形過大且不均勻造成。因此,根據(jù)傳統(tǒng)習慣,地基設(shè)計所選用的承載力通常是在保證地基穩(wěn)定的前提下,使建筑物的變形不超過其允許值的地基承載力,即允許承載力,其安全系數(shù)已包括在內(nèi)。無論對于

4、天然地基或樁基礎(chǔ)的設(shè)計,原則上均是如此。隨著建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準(6884)的施行,要求抗力計算按承載能力極限狀態(tài),采用相應(yīng)于極限值的“標準值”,并將過去的總安全系數(shù)一分為二,由荷載分項系數(shù)和抗力分項系數(shù)分擔,這給傳統(tǒng)上根據(jù)經(jīng)驗積累、采用允許值的地基設(shè)計帶來了困擾。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(789)以承載力的允許值作為標準值,以深寬修正后的承載力值作為設(shè)計值,引起的問題是,抗力的設(shè)計值大于標準值,與建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準(500682001)的規(guī)定不符,因此北京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)勘察設(shè)計規(guī)范(0150192)對于地基抗力只用“標準值”,沒有“設(shè)計值”一詞。但實際上“設(shè)計值”的含義用法并沒有錯,問

5、題在于標準值要求對應(yīng)的是極限值。因此港工地基規(guī)范(219)將地基承載力表改稱為“設(shè)計值”,而非“標準值”。建筑樁基技術(shù)規(guī)范(9494)采用以標準值表示單樁極限承載力,承載力表為樁的極限端阻或側(cè)阻的標準值。但勘察人員常常忽略了“極限”二字,于是提供的勘察報告上,地基承載力是標準值,樁的側(cè)阻、端阻也是標準值,這樣認真的設(shè)計人員就要問:這“標準值”指的是“允許值”還是“極限值”?是已除以2還是需再除以1.6?而仔細的勘察人員也會問:設(shè)計院要求的承載力,是否已考慮了荷載放大?為了避免差錯、理順關(guān)系,這次規(guī)范修訂決定在這方面有所改進。二、對策建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準(500682001)鑒于地基設(shè)計的

6、特殊性,已將上一版“應(yīng)遵守本標準的規(guī)定”修改為“宜遵守本標準規(guī)定的原則”,并加強了對正常使用極限狀態(tài)的研究。而建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(500092001)也完善了正常使用極限狀態(tài)的表達式,認可了地基設(shè)計中承載力計算可采用正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)標準組合。根據(jù)國外有關(guān)文獻,相應(yīng)于我國規(guī)范中“標準值”的含義可以有特征值、公稱值、名義值、標定值等四種,在國際標準結(jié)構(gòu)可靠性總原則2394中相應(yīng)的術(shù)語直譯應(yīng)為“特征值”(characteristic value),該值的確定可以是統(tǒng)計得出,也可以是傳統(tǒng)經(jīng)驗值或某一物理量限定的值。本次修訂采用“特征值”一詞,用以表示按正常使用極限狀態(tài)計算時采用的地基承載力和單樁

7、承載力的值,以避免過去一律提“標準值”時所帶來的混淆。  三、應(yīng)用用作抗力指標的代表值有標準值和特征值。當確定巖土抗剪強度和巖石單軸抗壓強度指標時用標準值;由載荷試驗確定承載力時取特征值,載荷試驗包括深層、淺層、巖基、單樁、錨桿等,見該規(guī)范的有關(guān)附錄。地基承載力特征值是由載荷試驗直接測定或由其與原位試驗的相關(guān)關(guān)系間接推定和由此而累積的經(jīng)驗值。它相應(yīng)于載荷試驗時地基土壓力變形曲線上線性變形段內(nèi)某一規(guī)定變形所對應(yīng)的壓力值,其最大值不應(yīng)超過該壓力變形曲線上的比例界限值。修正后的地基承載力特征值fa是考慮了影響承載力的各項因素(例如基礎(chǔ)的埋深和寬度、上部結(jié)構(gòu)對變形的適應(yīng)能力等等)后

8、,最終采用的相應(yīng)于正常使用極限狀態(tài)下的設(shè)計值的地基允許承載力。單樁承載力特征值是由載荷試驗直接測定或由其與原位試驗的相關(guān)關(guān)系間接推定和由此而累積的經(jīng)驗值。它相應(yīng)于正常使用極限狀態(tài)下允許采用的單樁承載力設(shè)計值。當按地基承載力計算以確定基礎(chǔ)底面積和埋深或按單樁承載力確定樁的數(shù)量時,傳至基礎(chǔ)或承臺底面上的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)采用標準組合,相應(yīng)的抗力限值應(yīng)采用修正后的地基承載力特征值或單樁承載力特征值。即:,為抗力或變形的限值;(地基);(樁基)。此時特征值,即為正常使用極限狀態(tài)下的抗力設(shè)計值。當根據(jù)材料性質(zhì)確定基礎(chǔ)或樁臺的高度、支擋結(jié)構(gòu)截面、計算基礎(chǔ)或支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、確定配筋和驗算材料強度時,

9、上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載效應(yīng)和相應(yīng)的基底反力應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合,即0計算,此時,地基反力、樁頂下反力和主動土壓力等相應(yīng)為荷載設(shè)計值,要采用相應(yīng)的分項系數(shù)。四、結(jié)論按上述作法,分清了荷載與抗力這兩條線,明確了兩類極限狀態(tài)的適用范圍和表達式。概念清楚了,關(guān)系理順了,對于勘察人員所提供的報告,若為“特征值”則為允許值,安全系數(shù)已包括在內(nèi);若為“標準值”,則為極限值,應(yīng)考慮相應(yīng)的抗力分項系數(shù)。這樣,在設(shè)計中就可避免差錯,不致造成危險或保守。*特征值是基礎(chǔ)規(guī)范里的提法。 設(shè)計值是技術(shù)規(guī)范里的提法。 基礎(chǔ)規(guī)范：特征值=極限承載力/2 技術(shù)規(guī)范：設(shè)計值=極限承載力/大約為1.65的數(shù)。 但是

10、關(guān)鍵的是： 基礎(chǔ)規(guī)范用的是特征值，但作用于承臺頂面的荷載是標準組合。技術(shù)規(guī)范用的是設(shè)計值，但作用于承臺頂面的荷載是基本組合。 基礎(chǔ)規(guī)范和技術(shù)規(guī)范計算是完全不同的。 算擴底面積時：基礎(chǔ)規(guī)范-單樁豎向承載力用的是特征值，對應(yīng)的荷載組合為標準組合。 技術(shù)規(guī)范-單樁豎向承載力用的是設(shè)計值，對應(yīng)的荷載組合為基本組合。 而基礎(chǔ)規(guī)范里的規(guī)定3.0.4：按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積及埋深或按單樁承載力確定樁數(shù)時，傳至基礎(chǔ)或承臺底面上的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限下荷載效應(yīng)的標準組合。這只是適用于基礎(chǔ)規(guī)范的，并不適用于技術(shù)規(guī)范。因為技術(shù)規(guī)范在計算擴底面積時，單樁豎向承載力用的是設(shè)計值，對應(yīng)的荷載組合也是用基本組合，而

11、不是標準組合。先從公式分析一下：單樁豎向極限承載力標準值單樁豎向承載力特征值單樁豎向承載力設(shè)計值因此單純運用側(cè)阻力標準值與端阻力標準值計算上面三種承載力關(guān)系如下：單樁豎向承載力特征值=單樁豎向極限承載力標準值/2單樁豎向承載力設(shè)計值=單樁豎向極限承載力標準值/（1.61.7）以上說明均出自工程地質(zhì)手冊（第四版）   規(guī)范內(nèi)沒有出現(xiàn)側(cè)阻力特征值及端阻力特征值表。在河北省水泥土樁地方規(guī)程中出現(xiàn)了這種表。一般勘查報告內(nèi)也沒有出現(xiàn)側(cè)阻力特征值只有標準值?？纯锤叽筢摾蠋煹幕卮鸢?。1單樁極限承載力的標準值除以安全系數(shù)2即為單樁承載力特征值（即單樁容許承載力）； 2但樁端阻力的標準值除安

12、全系數(shù)2并不等于樁端阻力的特征值，同樣。樁側(cè)摩阻力標準值除以安全系數(shù)2也不等于樁側(cè)摩阻力的特征值； 3其原因是單樁荷載傳遞機理表明，工作狀態(tài)時，樁端阻力的發(fā)揮程度遠小于樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，兩者的安全系數(shù)應(yīng)取不同的數(shù)值。4.在極限狀態(tài)，單樁極限承載力為極限端阻力和極限側(cè)摩阻力之和；5.但在工作狀態(tài)，如果單樁承載力的安全系數(shù)取2，那么端阻力的安全系數(shù)必然大于2，而側(cè)摩阻力的安全系數(shù)必然小于2。6.究竟安全系數(shù)各取多少？已經(jīng)有些研究成果，但還需要繼續(xù)研究，目前最明智的方法是如建筑樁基技術(shù)規(guī)范送審稿的處理方法，即不定義樁端阻力特征值和樁側(cè)摩阻力特征值。7. 進一步討論這個問題，需要研究單樁荷載的傳遞機理

13、，離開傳遞機理就討論不清楚問題。*4.2.2 地基土工程特性指標的代表值應(yīng)分別為標準值、平均值及特征值?？辜魪姸戎笜藨?yīng)取標準值，壓縮性指標應(yīng)取平均值，荷載試驗承載力應(yīng)取特征值。*地基承載力的三種表示方法1、什么是特征值?    特征值是發(fā)揮正常使用功能時所允許采用的值。它可以由以下幾種方法得到:    1）統(tǒng)計分析;2)傳統(tǒng)經(jīng)驗;3)物理限定等。2、什么是地基承載力特征值、容許承載力和極限承載力?    (1)地基承載力特征值    由荷載試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形所對應(yīng)的壓力值。其最大值為

14、比例界限值。    (2)地基容許承載力    指地基穩(wěn)定有足夠安全度的承載力，相當于地基極限承載力除以一個安全系數(shù)，一般安全系數(shù)為2一3,是定值法確定的地基承載力。    （3）.地基極限承載力    使地基發(fā)生剪切破壞失去整體穩(wěn)定的基礎(chǔ)最小底面壓力。是地基承受基底壓力的極限值。國內(nèi)規(guī)范有時把大家搞糊涂了，這個值哪個值，實在是多。除此之外，還有承載力標準值、承載力建議值等。有的重復(fù)有的混亂，有一種趨勢，國外巖土設(shè)計已經(jīng)采用了，就是按極限承載力指標給出，而不是建議值，由巖土工程師再根據(jù)巖土性狀建議折減系數(shù)。這樣避免

15、了巖土工程師折減、設(shè)計再折減的問題。如果巖土工程師調(diào)動走了，就很難考證他的建議值是從哪里來的？地基承載力特征值就是從容許承載力演變過來的，兩者其實就是一個東西。我國最早的規(guī)范稱為地耐力R的，后來TJ7-74規(guī)范演變?yōu)槿菰S承載力R，GBJ7-89規(guī)范又演變?yōu)槌休d力標準值fk，GB50007-2002實際上又改回容許值，但給變了個名字，叫特征值。但地基容許承載力的安全系數(shù)到底是多少，并不很清楚。2-3只是一種估計。因為我們的規(guī)范并不要求計算極限承載力，默認安全系數(shù)而已。不同的巖土參數(shù)折減系數(shù)都不一樣，有以下幾個考慮：（1）參數(shù)類別不同而不同同樣的土允許承載力、滲透性、物性參數(shù)等都有區(qū)別（2）室內(nèi)野外試驗質(zhì)量和數(shù)量設(shè)計巖土地質(zhì)人員對本場址土