國(guó)內(nèi)外地基承載力確定方法的異同

高曉兵，陳劉浩，宋俊杰

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

在“一帶一路”倡議的指導(dǎo)下，中國(guó)企業(yè)不斷開(kāi)拓市場(chǎng)，投資、建設(shè)境外工程。境外工程與國(guó)內(nèi)工程最大的區(qū)別在于使用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不同，從而導(dǎo)致勘察、設(shè)計(jì)成果不盡相同。現(xiàn)有研究對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范的異同分析較多，對(duì)國(guó)內(nèi)外勘察規(guī)范的異同分析較少，而勘察成果作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)依據(jù)，其成果的可靠性對(duì)設(shè)計(jì)方案起至關(guān)重要的作用。因此，分析國(guó)內(nèi)外勘察規(guī)范的異同，從源頭上解決因不同規(guī)范產(chǎn)生的偏差，是十分必要的。

阿布扎比哈里發(fā)港集裝箱碼頭二期工程是國(guó)家“一帶一路”的樣板工程，本文依托該工程的勘察資料，著重分析中國(guó)規(guī)范與歐美規(guī)范在確定地基承載力方面的異同點(diǎn)，明確境外工程地基承載力的確定方法，用于指導(dǎo)境外工程勘察報(bào)告的編制。

1 中國(guó)勘察規(guī)范體系

我國(guó)現(xiàn)有的巖土工程勘察規(guī)范種類繁多，包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)，因行業(yè)不同又分為不同的類型，如水運(yùn)、水利水電、鐵路、公路等。各種規(guī)范總體要求基本一致，但因側(cè)重點(diǎn)不同也存在不同要求。在涉及到特殊行業(yè)或特殊性巖土?xí)r，有特殊性勘察規(guī)范。

中國(guó)規(guī)范中很多方法是經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐證明的[1]，做到了精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算公式和適用條件具體化，實(shí)用性較強(qiáng)。參數(shù)取值、計(jì)算公式在規(guī)范中均有體現(xiàn)，根據(jù)工程特點(diǎn)可找到相應(yīng)規(guī)范直接套用，可操作性強(qiáng)。規(guī)范中地基承載力確定方法一般采用解析公式法(Hansen公式、Terzaghi公式)、查表法、原位測(cè)試法[2](載荷板試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn))等。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]規(guī)定的地基承載力特征值計(jì)算公式為：

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck

(1)

式中：fa為地基承載力特征值(kPa)；Mb、Md、Mc為地基承載力系數(shù)，按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的承載力系數(shù)表取值；γ=ρg，ρ為基礎(chǔ)底面以下土的密度(tm3)；b為基礎(chǔ)底面寬度(m)；γm=ρmg，ρm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均密度(tm3)；d為基礎(chǔ)埋置深度(m)；ck為基底下1倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》[4]規(guī)定的天然地基極限承載力理論計(jì)算公式為：

(2)

式中：fu為地基承載力極限值(kPa)；Nγ、Nq、Nc為地基承載力系數(shù)，按《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》中的極限承載力系數(shù)表取值；ζγ、ζq、ζc為基礎(chǔ)形狀修正系數(shù)，按規(guī)范中附錄B表B.0.1-2取值；γ0=ρ0g，γ=ρg，ρ0、ρ分別為基底以上和基底組合持力層的土體平均密度(tm3)；b為基礎(chǔ)底面寬度(m)；d為基礎(chǔ)埋置深度為地基持力層代表性黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)。

《港口工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[5]規(guī)定的地基容許承載力可按照標(biāo)貫擊數(shù)查表法獲得，容許承載力與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系見(jiàn)表1，表中未列出的擊數(shù)通過(guò)插值法計(jì)算獲得。

表1 砂土容許承載力與標(biāo)貫擊數(shù)關(guān)系

2 歐美勘察規(guī)范體系

在非洲及中東地區(qū)巖土工程勘察中，一般應(yīng)用Eurocode7系列和BS 1377系列；歐洲規(guī)范反映了歐盟的勘察水平，也經(jīng)過(guò)了大量歐洲國(guó)家和非洲國(guó)家工程的檢驗(yàn)，一定程度上反映了世界水準(zhǔn)。歐洲規(guī)范很少涉及具體的計(jì)算方法，通常都是基本原理，以指導(dǎo)性為主，實(shí)踐中可轉(zhuǎn)化為本國(guó)規(guī)范，強(qiáng)制性約束相對(duì)較少。地基承載力的計(jì)算方法一般采用國(guó)際上通用的基本方法，如Terzaghi公式和Meyerhof公式。

歐洲地基承載力一般采用PrinciplesofFoundationEngineering[6]中的Terzaghi公式：

(3)

式中：qu為地基承載力極限值(kPa)；Nγ、Nq、Nc為地基承載力系數(shù)，按PrinciplesofFoundationEngineering(7th Edition)中的極限承載力系數(shù)表取值；γ=ρg，ρ為土體的密度(tm3)；b為基礎(chǔ)底面寬度(m)；c′為地基土層的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；q為基礎(chǔ)埋置深度內(nèi)土的自重應(yīng)力(kPa)。

對(duì)于條形地基在局部剪切破壞時(shí)，可采用修正的Terzaghi公式：

(4)

式中：N′γ、N′q、N′c為修正的地基承載力系數(shù)，按表2(僅部分列出)取值。

在東南亞及美洲地區(qū)巖土工程勘察中，一般應(yīng)用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)地基承載力計(jì)算一般采用FoundationEngineeringHandbook[7]或EngineeringManualNo.1110-1-1905[8]中的計(jì)算公式，也是修正的Terzaghi公式：

(5)

式中：qu為地基承載力極限值(kPa)；Nγ、Nq、Nc為修正的地基承載力系數(shù)，按上述手冊(cè)中規(guī)定的極限承載力系數(shù)表取值(表2)，與歐洲規(guī)范中取值基本一致；γ′H=ρ′Hg，ρ′H為基礎(chǔ)底面以下土體的有效密度(tm3)；b為基礎(chǔ)底面寬度(m)；b′為基礎(chǔ)最小有效寬度(m)，等于b-2eb；σ′D為基礎(chǔ)底面的有效應(yīng)力；eb為偏心距；c為地基土層的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；ζγ、ζq、ζc為關(guān)于黏聚力、土體密度和荷載的修正系數(shù)，對(duì)于條形地基，其值為1。

表2 極限承載力系數(shù)

歐美也通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)計(jì)算地基承載力，對(duì)于沉降量較小(小于25 mm)的地基，一般采用修正的Meyerhof公式：

(6)

(7)

N60=NmCNCECBCRCS

(8)

(9)

式中：qnet為地基承載力(kPa)；Fd為深度系數(shù)；Se為沉降量；B為基礎(chǔ)寬度；N60為修正的標(biāo)貫擊數(shù)；Nm為實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)；CN為上覆土壓力；CE為能量修正系數(shù)；CB為孔徑系數(shù)；CR為桿長(zhǎng)修正系數(shù)；CS為取樣器修正系數(shù)；Df為基礎(chǔ)埋置深度。

3 承載力確定方法的異同

3.1 依托工程概況

阿布扎比哈里發(fā)港集裝箱碼頭二期工程位于阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)阿布扎比和迪拜之間，阿聯(lián)酋首都阿布扎比的塔維拉(Al Taweelah)。哈里發(fā)港是哈里發(fā)工業(yè)園區(qū)的重要組成部分，港口和工業(yè)園的資產(chǎn)均屬于阿布扎比港務(wù)局持有和管理，東距迪拜80 km，西距阿布扎比60 km。

道路堆場(chǎng)的ARMG基礎(chǔ)采用彈性地基梁結(jié)構(gòu)+可調(diào)式鋼軌基座方案，地基土體物理力學(xué)指標(biāo)通過(guò)原狀取土孔及原位標(biāo)準(zhǔn)貫入孔獲得。

經(jīng)勘探，擬建堆場(chǎng)范圍主要地基土層包括人工回填層和新近沉積鈣質(zhì)砂巖兩大類，主要特征如下：

①人工回填層。中密-密實(shí)，局部松散-稍密狀的粉砂，含礫石，該層厚度約12 m，實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)為14～50擊，平均值為25擊，淺層砂中密-密實(shí)，深層砂稍密，局部松散。淺部硬殼層厚度為5～6 m，下部松散-稍密砂層一般厚度為6～7 m。

②鈣質(zhì)砂巖。原巖結(jié)構(gòu)清晰，巖芯較為完整，一般在地面12 m以下。巖石飽和抗壓強(qiáng)度為0.9～4.6 MPa。

典型地層分布見(jiàn)圖1。

注：N為標(biāo)貫擊數(shù)；右側(cè)數(shù)字為深度(高程)，單位為m。圖1 典型工程地質(zhì)剖面

3.2 承載力確定方法的相同之處

1)無(wú)論是中國(guó)規(guī)范還是歐美規(guī)范規(guī)定的計(jì)算方法，其結(jié)構(gòu)組成基本一致，都采用了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

2)中國(guó)規(guī)范及歐美規(guī)范均規(guī)定可通過(guò)原位測(cè)試(如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn))確定地基承載力。特別是對(duì)于砂土，難以取得原狀土樣，標(biāo)貫試驗(yàn)無(wú)疑是確定地基承載力的優(yōu)選方法。

3.3 承載力確定方法的不同之處

1)計(jì)算方法的應(yīng)用。歐美規(guī)范多數(shù)采用修正公式，對(duì)于不同基礎(chǔ)形式、地基土層，修正公式多樣；中國(guó)規(guī)范采用的計(jì)算公式相對(duì)較為單一。

2)原位測(cè)試法的應(yīng)用。歐美規(guī)范采用標(biāo)貫法計(jì)算承載力時(shí)，一般采用修正的Meyerhof公式，對(duì)使用條件進(jìn)行了限定，適用性有一定的局限性。中國(guó)規(guī)范一般采用查表法或經(jīng)驗(yàn)公式法，結(jié)果往往匯聚了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，具有一定的區(qū)域性和行業(yè)性。

3)地基承載力選值。歐美規(guī)范一般選用地基承載力極限值，中國(guó)規(guī)范一般選用地基承載力特征值，兩者之間通過(guò)安全系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4)安全系數(shù)的確定。歐美與中國(guó)對(duì)于安全系數(shù)的確定差異較大，歐美規(guī)范中安全系數(shù)一般不會(huì)小于2.5，最小2.0；中國(guó)規(guī)范中根據(jù)極限承載力確定容許承載力安全系數(shù)一般取2.0～3.0。

3.4 地基承載力的確定

依托工程以砂土層為基礎(chǔ)持力層，砂土層指標(biāo)為φ=32°、ρ=1.83 tm3，平均標(biāo)貫擊數(shù)25擊。

按中國(guó)規(guī)范采用Terzaghi理論公式計(jì)算的地基承載力特征值為qa=180 kPa；按中國(guó)規(guī)范采用標(biāo)貫擊數(shù)確定地基承載力，查表1得地基容許承載力為230 kPa；按歐美規(guī)范采用Terzaghi理論公式，安全系數(shù)采用2.5，基礎(chǔ)埋深2.0 m，基礎(chǔ)寬度2.0 m，計(jì)算地基承載力容許值為qa=170 kPa；按歐美規(guī)范采用標(biāo)貫擊數(shù)確定地基承載力，其中CN=1.308，CE=0.9，CB=1.0，CR=0.75，CS=1.0，計(jì)算得N60=22，F(xiàn)d=1.33，qa=300 kPa。

從計(jì)算結(jié)果看，采用理論公式計(jì)算，我國(guó)與歐美地基承載力計(jì)算結(jié)果基本一致；采用標(biāo)貫試驗(yàn)法推算或查表，我國(guó)規(guī)范規(guī)定的地基承載力值偏小。因此，在實(shí)施采用歐美標(biāo)準(zhǔn)的巖土工程勘察設(shè)計(jì)時(shí)，須仔細(xì)研究歐美規(guī)范的相關(guān)規(guī)定；當(dāng)確定地基承載力(尤其是砂土地基)時(shí)，應(yīng)按照歐美標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，否則可能引起設(shè)計(jì)方案的差異和工程投資的增加。

4 結(jié)論

1)地基承載力選值時(shí)，中國(guó)規(guī)范一般選用特征值，歐美規(guī)范一般選用極限值，兩者之間通過(guò)安全系數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。中國(guó)規(guī)范中安全系數(shù)一般取2.0～3.0，歐美規(guī)范中安全系數(shù)一般不會(huì)小于2.5，最小2.0。

2)采用公式計(jì)算地基承載力，中國(guó)與歐美地基承載力計(jì)算結(jié)果基本一致。采用標(biāo)貫試驗(yàn)法推算或查表，我國(guó)規(guī)范規(guī)定的地基承載力值偏小。

3)在實(shí)施采用歐美標(biāo)準(zhǔn)的巖土工程勘察設(shè)計(jì)時(shí)，須仔細(xì)研究歐美規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。當(dāng)確定地基承載力(尤其是砂土地基)時(shí)，應(yīng)按照歐美標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法推算。