建筑地基標準中地基承載力可靠性分析

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摘要：該文對建筑地基基礎設計標準體系做了歸納，對建筑地基可靠性設計標準的歷史沿革作了較系統(tǒng)的總結(jié)，闡明了現(xiàn)行工程標準中關(guān)于地基可靠性的設計表達方法，同時指出地基承載力設計標準與地基可靠性設計標準的內(nèi)在關(guān)系。

關(guān)鍵詞：地基基礎；可靠度；安全度；容許應力法；極限狀態(tài)設計法

0引言

土木工程最基本的科學性是工程結(jié)構(gòu)的可靠性?？煽啃园ò踩?、適用性與耐久性。由于我國現(xiàn)行地基基礎設計規(guī)范規(guī)定地基承載力計算時的作用效應采用正常使用狀態(tài)下的標準組合（不考慮荷載分項系數(shù)），因此地基安全性取決于地基承載力設計值的取值規(guī)定。換言之，地基承載力設計等同于地基安全性設計，相關(guān)設計標準對地基承載力的規(guī)定是地基安全性設計的具體體現(xiàn)?，F(xiàn)行設計標準中，關(guān)于地基承載力極限狀態(tài)設計方法的規(guī)定還存在一些尚需澄清的問題，有必要了解形成這些規(guī)定的背景。本文對此作了點評，澄清了因規(guī)定表述不清引起的工程界的一些模糊認識。要全面弄清楚這些規(guī)定，還涉及到巖土力學基礎理論、地基承載力基本概念（包括地基破壞模式、破壞界定標準與地基承載力的工程含義）及地基承載力確定方法等。藉本文可以幫助工程技術(shù)人員正確理解與執(zhí)行現(xiàn)行建筑地基基礎標準中關(guān)于建筑地基承載力設計參數(shù)的確定方法，并有助于正確閱讀理解地質(zhì)勘察資料。

1現(xiàn)行建筑地基基礎設計勘察標準

地基與基礎密切相關(guān)，因此合并編制形成地基基礎設計標準，當綜合性較強時稱為技術(shù)標準。這類標準與勘察及各類檢測、驗收標準配套組成完整的地基基礎工程設計標準，其中地基承載力設計規(guī)定是其中最基本、最重要的內(nèi)容?，F(xiàn)行的地基基礎工程國家與行業(yè)標準主要有：（1）《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007（目前年號為2011）；（2）《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79（目前年號為2012）；（3）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94（目前年號為2008，順便指出，該標準雖然名稱表達上為樁基礎標準，但同時包含樁基與地基的規(guī)定）；（4）《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ106（目前年號為2014）；（5）《高層建筑筏形與箱形基礎技術(shù)規(guī)范》JGJ6（目前年號為2011）；（6）《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021（目前年號為2001，現(xiàn)行為2009年版）；（7）《高層建筑巖土工程勘察標準》JGJ/T72（目前年號為2017）。對重慶地區(qū)有地方標準：（1）《建筑地基基礎設計規(guī)范》DBJ50-047（目前年號為2016）；（2）《建筑樁基礎設計與施工驗收規(guī)范》DBJ50-200（目前年號為2014）；（3）《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》DBJ50-043（目前年號為2016）。國家標準《工程結(jié)構(gòu)可靠性設計統(tǒng)一標準》GB50153（目前年號為2008）作為土木工程結(jié)構(gòu)設計的基礎性標準，涉及地基可靠性時理應從其規(guī)定。由于我國幅員遼闊，區(qū)域差別很大，很多地區(qū)都制定了適合本地區(qū)的地基基礎工程標準，和國家標準可能有所區(qū)別。有時地方設計標準低于國家標準，比如重慶市地方標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》DBJ50-047-2016[1]第4.2.7條對天然巖石單軸抗壓強度的折減系數(shù)，比國家標準取值大。因此，在巖土工程領(lǐng)域，國家標準有時嚴于地方標準，此時，執(zhí)行標準的優(yōu)先順序仍為：地方標準→行業(yè)標準→國家標準。

2工程結(jié)構(gòu)可靠性設計標準

國家標準《工程結(jié)構(gòu)可靠性設計統(tǒng)一標準》GB50153所指工程結(jié)構(gòu)是土木工程結(jié)構(gòu)，巖土工程是土木工程的一個分支，所以該標準涵蓋巖土工程的可靠性設計。根據(jù)GB50153的定義[2]，可靠性表述為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預定功能的能力。要實現(xiàn)這項要求，結(jié)構(gòu)應具有安全性、適用性、耐久性。這三性表達了結(jié)構(gòu)可靠性的具體涵義，有時也將這三性概括稱為結(jié)構(gòu)可靠性；可靠度表述為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預定功能的概率，可靠度是可靠性的概率度量。其中，度量結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值指標為結(jié)構(gòu)可靠指標。確定結(jié)構(gòu)可靠性有三個概率準則：（1）準則I：半經(jīng)驗半概率準則；（2）準則II：近似概率準則；（3）準則III：全概率準則?，F(xiàn)行結(jié)構(gòu)設計標準體系主要規(guī)定有三個可靠性設計方法：1）概率極限狀態(tài)法（以概率理論為基礎以分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設計方法)；2）容許應力法（使結(jié)構(gòu)在作用標準值下產(chǎn)生的應力不超過規(guī)定的容許應力的設計方法，其中容許應力為材料或巖土強度標準值除以某一系數(shù)）；3）單一安全系數(shù)法（使結(jié)構(gòu)的抗力標準值與作用標準值的效應之比不低于某一規(guī)定安全系數(shù)的設計方法）。上述方法1）屬于準則II，方法2）、3）屬于準則I。工程科學技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從準則I到準則II的階段，目前處于準則I準則II并行階段。國標GB50153倡導使用準則II。準則II已成為建筑結(jié)構(gòu)主要設計標準。準則III目前處于理論研究中，是遠期發(fā)展方向。雖然準則I會用到數(shù)理統(tǒng)計方法確定工程材料物理力學參數(shù)統(tǒng)計值，但與準則II有實質(zhì)不同，仍以經(jīng)驗確定安全系數(shù)，以總體安全系數(shù)（大老K）而非分項系數(shù)表達，因此稱為半經(jīng)驗半概率準則，屬于定值法范疇[3]，雖隱含了安全度，但安全度無法科學度量。隨著工程科學技術(shù)的進步，逐漸發(fā)展建立了更科學的可靠性設計標準與方法，即概率極限狀態(tài)法。其原則規(guī)定已體現(xiàn)在GB50153中，并已在結(jié)構(gòu)中得到廣泛應用。我國土木工程各領(lǐng)域分屬不同行業(yè)，上世紀80年代各行業(yè)分別編制了本行業(yè)的結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準（即《xx行業(yè)結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》），其中建筑行業(yè)當時為《建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》GB68-84。但這些標準對具有共性的內(nèi)容，其可靠度設計標準不盡一致。因此國家標準《工程結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》GB50153-92在當時應運而生，它使我國土木工程各領(lǐng)域在處理可靠性問題上有了統(tǒng)一性與協(xié)調(diào)性標準。GB50153是基礎性標準，在可靠度設計統(tǒng)一標準上是第一層級的。迄今GB50153出現(xiàn)過兩個版本，即GB50153-92與GB50153-2008?，F(xiàn)行版本GB50153-2008有了較大補充與改進。GB50153倡導采用概率極限狀態(tài)法。但同時規(guī)定，當缺乏統(tǒng)計資料時，也可采用容許應力或單一安全系數(shù)等經(jīng)驗方法，即傳統(tǒng)方法。需要強調(diào)的是，現(xiàn)階段這條規(guī)定主要適用于巖土工程。在GB50153-92的基本框架下，建筑、水利水電、港口、鐵路、公路行業(yè)分別編制了本行業(yè)第二層級的可靠度設計統(tǒng)一標準，其中建筑行業(yè)為《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準》GB50068-2001。各建設行業(yè)以此作為用于本行業(yè)結(jié)構(gòu)設計可靠度設計統(tǒng)一標準并取代各自原先的《結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》，再據(jù)此編制出本行業(yè)的具體標準，包括地基基礎設計標準。需要指出，目前的第二層級可靠度設計統(tǒng)一標準是依據(jù)GB50153-92編制的，GB50153-2008后理應隨同GB50153-92一并廢止。由于與GB50153-2008配套的第二層級可靠度設計統(tǒng)一標準尚未跟進編制，所以GB50153-2008以后編制的各具體工程結(jié)構(gòu)設計標準應是直接以GB50153-2008為依據(jù)的，包括建筑地基基礎規(guī)范GB50007-2011、DBJ50-047-2016。但早于GB50153-2008，且目前仍在使用的某些具體設計標準與GB50153-2008無依據(jù)關(guān)系，有符合性與協(xié)調(diào)性問題，比如JGJ94-2008。但在安全性的規(guī)定上，GB50068-2001與GB50153-2008是一致的。GB50153-2008對工程結(jié)構(gòu)可靠性設計提出了基本要求，要求結(jié)構(gòu)設計應滿足本標準第3.1.2條列出的5項功能，第1、4、5款功能要求均屬于安全性原則要求。各行業(yè)、各專業(yè)設計標準的規(guī)定是滿足基本要求的具體體現(xiàn)。

3地基設計可靠性理論

3.1地基可靠性的概念

按GB50153-2008第3.1.2條的要求并根據(jù)地基工作狀態(tài)，建筑行業(yè)國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011規(guī)定地基設計時應考慮：1）在長期荷載作用下，地基變形不致造成承重結(jié)構(gòu)的損壞；2）在最不利荷載作用下，地基不出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；3）具有足夠的耐久性能。其中第1）條與因地基變形引起的上部結(jié)構(gòu)安全性、適用性及耐久性相關(guān)；第2）條與地基安全性相關(guān)。建筑地基基礎設計標準的具體規(guī)定是這三條基本要求的具體體現(xiàn)。安全性的概率度量理應為安全度，但GB50153沒有安全度的提法。由于可靠度包含了可靠性三個涵義（安全性、適用性、耐久性）的概率度量，也不能簡單將可靠度與安全度等價。其實GB50153本有必要把安全度從可靠度中分離出來單獨定義，用以直接與結(jié)構(gòu)承載力掛鉤。由GB50153-2008附錄G.2安全性評定規(guī)定及各鑒定、檢測標準對安全性含義的規(guī)定，對建筑結(jié)構(gòu)，安全性評定包括結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置、構(gòu)造和連接、承載力。但對地基，明顯可以說地基承載力設計標準即為地基安全度設計標準。

3.2地基承載力標準中的可靠度體現(xiàn)

遵循GB50153的倡導，建筑結(jié)構(gòu)已基本采用了概率極限狀態(tài)設計法。鋼材、混凝土、砌體等人工材料可控性強、變異性較小、統(tǒng)計數(shù)據(jù)充分。GB50153對人工材料強度明確給出了概率分布模型及結(jié)構(gòu)的目標可靠度指標，采用概率極限狀態(tài)法有基礎工作的支撐。但對巖土工程，因巖土性質(zhì)極為多樣，差別很大，目前統(tǒng)計資料不足，缺乏基礎工作的支撐。GB50153指出巖土性能標準值宜根據(jù)實驗結(jié)果按有關(guān)規(guī)定確定，未給出概率分布模型及目標可靠度指標?，F(xiàn)階段除港口、水利水電領(lǐng)域及個別地區(qū)作了嘗試以外，地基工程采用的仍是傳統(tǒng)可靠度設計方法。就全國范圍來說，區(qū)域性差異大，概率極限狀態(tài)設計法作為巖土工程的發(fā)展方向，隨著理論研究的發(fā)展、實驗及統(tǒng)計資料的補充完善，將以形成地方標準為主。條件不成熟時追求形式上的極限狀態(tài)設計法會造成設計可靠度的實際混亂。上世紀后葉，國家標準《建筑地基基礎規(guī)范》GBJ7-89、行業(yè)標準《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ94-94按照國家標準《建筑結(jié)構(gòu)設計統(tǒng)一標準》GB68-84的理論框架，在地基基礎標準體系內(nèi)率先執(zhí)行概率極限狀態(tài)設計法，但理論與實踐都不成功。主要原因就是統(tǒng)計資料不足，只能在分項系數(shù)的確定上作校準法調(diào)整。對JGJ94-94[4]，作用采用基本組合，普通民用建筑約為標準組合的1.25倍，抗力分項系數(shù)根據(jù)樁型及工藝采用1.60到1.70不等。取其中間值1.65舉例：得出1.25×1.65=2.06，近似于安全系數(shù)為2，可見只是將安全系數(shù)肢解了而已。對GBJ7-89，作用采用基本組合，但抗力設計值并非由抗力標準值除以抗力分項系數(shù)得到，規(guī)定的抗力設計值比標準值還大，不合符概率極限狀態(tài)法的規(guī)定。進一步說明如下：雖然GB50153允許（過渡時期）采用校準法確定目標可靠度，即在總體上承認傳統(tǒng)經(jīng)驗法隱含的可靠度水平，但仍需要根據(jù)抗力的概率分布類型和統(tǒng)計參數(shù)，運用概率極限狀態(tài)法的計算方法，來揭示用傳統(tǒng)經(jīng)驗法計算的既有工程所隱含的可靠度，并以此作為目標可靠度，用目標可靠度指標來換算地基抗力分項系數(shù)，按換算得來的分項系數(shù)做設計計算得到的設計可靠度指標才與目標可靠度指標具有一致性，才符合概率極限狀態(tài)法。當將來實施了足夠數(shù)量的校準設計工程后，還可通過工程檢測反饋的數(shù)據(jù)信息進行再驗證，必要時可根據(jù)驗證結(jié)果進一步優(yōu)化調(diào)整目標可靠度指標，使之更好地符合國家經(jīng)濟政策。因為目標可靠度指標是根據(jù)安全與經(jīng)濟的最佳平衡并綜合多種因素后，以國家經(jīng)濟技術(shù)政策的性質(zhì)人為選定的指標。之后GB50068-2001將舊版GB68-84的“應遵守本標準的規(guī)定”改為“宜遵守本標準的原則”[5]，并完善了正常使用極限狀態(tài)的表達式，認可了地基設計中可采用正常使用極限狀態(tài)效應的標準組合，GB50007-2002、JGJ94-2008又改回到傳統(tǒng)可靠度設計方法上來了。因為GB50068-2001與GB50153-2008在安全度設計標準上是一致的，GB50007-2011與GB50007-2002在安全度設計標準上也一致。除JGJ94-2008屬于單一安全系數(shù)法外，其余都屬于容許應力法。

3.3建筑地基基礎設計標準可靠性表達的變遷

國家標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007是地基基礎工程標準體系的國家標準，也是基本標準，在安全度規(guī)定（包括地基承載力確定方法）方面，其余地基基礎類標準與其一致。截至目前，GB50007前后經(jīng)歷了4個版本：1）《工業(yè)與民用建筑地基基礎設計規(guī)范》TJ7-74（簡稱74版）、2）《建筑地基基礎設計規(guī)范》GBJ7-89（簡稱89版）、3）《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2002（簡稱02版）、4）《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2011（簡稱11版）。各版本與各階段的技術(shù)發(fā)展條件和可靠性設計標準相適應。其中，74版屬于容許應力法（容許承載力-作用標準組合）；89版形式上屬于極限狀態(tài)設計法（承載力設計值-作用基本組合），未體現(xiàn)以概率理論為基礎；02與11版實際為容許應力法（承載力特征值-作用標準組合）。74版之前我國一直使用前蘇聯(lián)規(guī)范。

4結(jié)論

地基承載力設計的重要任務是滿足既定的可靠性。地基承載力的可靠性設計方法，歷史上經(jīng)過了從經(jīng)驗法向半概率論方法的過渡，目前標準所采用的設計表達式形式上采用了概率論極限狀態(tài)法的分項系數(shù)表達式，仍需采用基于安全系數(shù)的經(jīng)驗法的校核，但是總體技術(shù)水平有了很大的發(fā)展。由于巖土工程特性的不確定性性、復雜性，概率極限狀態(tài)法應用于巖土工程包括地基工程，尚需通過進一步的理論研究、實踐經(jīng)驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的積累逐步實現(xiàn)。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和工程經(jīng)驗的積累，地基抗力分項系數(shù)的確定將更符合概率極限狀態(tài)法的精神實質(zhì)。

參考文獻：

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[3]沈其明，鄧和平.結(jié)構(gòu)設計中的容許應力法和概率極限狀態(tài)設計法[J].重慶交通學院學報，1985（2）：12-16.

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[5]GB50068-2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設計統(tǒng)一標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

作者：于海祥 朱曉凱 吳笛 單位：重慶建工集團股份有限公司設計研究院 重慶恒濱建設（集團）有限公司