地基承载力理解和确定问题探讨

摘要：文章在阐述了地基承载力意义的基础上，对现行规范推荐的地基承载力确定方法，理论公式计算法和现场载荷试验法中存在的问题和局限性进行了分析。提出地基承载力的确定是一个非常重要而又十分复杂的问题，需要根据地质条件，基础及上部结构特点、结合理论计算、载荷试验的测试数据以及工程经验综合判断确定。

关键词：地基承载力；理论公式；载荷试验

中图分类号：TU470+.3　文献标识码：A　文章编号：1006-4311(2012)02-0051-02

0　引言

地基承载力的确定在地基基础设计中是一个非常重要而又十分复杂的问题，在公路、铁路、港口、一般的工业与民用建筑等工程中都会遇到这样的问题，它不仅与土的物理、力学性质有关，还与基础形式、宽度、埋深、建筑类型、结构特点和施工速度等因素有关。自从1974年我国第一本地基基础设计规范《工业与民用建筑地基基础设计规范》发布，在长达28年的时间里，我国勘察设计人员长期习惯于从规范中查表确定地基承载力，这种方法的简便性使得部分勘察设计人员把客观上相当复杂的地基承载力确定问题简单化了，似乎用不上土力学知识，不需要多少工程经验，会查表和简单计算就可以确定地基承载力。2002年版《建筑地基基础设计规范》取消了地基承载力表，规范中推荐的地基承载力确定方法有两种：一种是理论公式计算方法，另一种是现场载荷试验法。现场载荷试验法作为确定地基承载力最基本、最可靠的方法，可以取得较精确可靠的地基承载力特征值。因此规范在定义地基承载力特征值时是这样描述的，由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值。本文就地基承载力的有关问题进行一些讨论，旨在使广大工程技术人员在对规范的理解上有更深刻、全面的认识。

1　关于地基承载力的理解

为了保证建筑物的正常使用，地基基础设计必须满足两个基本条件：强度条件，即要求作用于基础上的荷载不超过地基承载力，以保证地基在防止整体失稳方面有足够的安全储备：变形条件，即控制基础沉降使之不超过允许值。在荷载作用下。地基产生变形，在初始阶段荷载较小时，地基处于弹性平衡状态，当然是安全的，随着荷载的增加，变形增大，并在小范围内产生剪切破坏，称为“塑性区”，塑性区较小时，地基尚能稳定，仍具有安全的承载能力。随着荷载继续增加，塑性区不断扩展，最后塑性区连成一片，地基承载力达到极限，失去稳定。虽然在解决具体问题时将强度和变形分开考虑、单独分析，但强度和变形是耦合在一起的，地基承载力是地基土体强度和变形的综合表现。因此，地基承载力可以理解为地基的承受荷载的能力，即在保证地基稳定的前提下，使变形不超过允许值的地基承载能力。

2　关于地基承载力理论计算公式的讨论

2002年版《建筑地基基础设计规范》把根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值公式f_aM_br+M_drmd+M_cck推荐为地基承载力的理论计算公式，即为了充分利用地基承载力，同时保证建筑物的安全和正常使用，控制地基中塑性区开展的深度为荷载宽度的I／4时相应的荷载。但在工程实践中发现，对砂土内摩擦角标准值φ_k≥240时，承载力理论计算值偏低，为了让临界荷载P_1/4公式同样适用于砂土地基承载力计算，根据砂土地基的荷载试验资料对承载力系数Mh进行了经验修正，因此，该公式实际上是经过经验修正的承载力理论中临界荷载P_1/4在具体应用时应注意以下几个问题。

2.1　规范推荐的理论计算公式是由弹性应力带入塑性条件得到基础下地基的塑性深度为基础宽度1／4时的理论解，实际上，地基中的塑性区究竟允许发展到多大范围为宜，与建筑物的性质，荷载的性质，特别是土的性质有关。陆培炎指出，实际上的塑性范围要比基础宽度的1／4小的多，因此，规范推荐的理论计算公式在理论上有一定的缺陷，在实践上限制了地基强度的充分发挥。同时该公式在推倒过程中假定土的自重应力在各个方向相等，由于实际上并不相等，这是该理论公式的另一不足之处。另外，在临界荷载的推倒中采用弹性力学的解答，对于已经出现塑性区的塑性变形阶段，该公式推倒是不严格的。

2.2　规范推荐的地基承载力理论计算公式仅适用于e≤0.033b的情况，这是因为用该公式确定承载力相应的理论模式是基底压力呈均匀分布，当合力的偏心距较大时，基底压力就会很不均匀，为了使计算的地基承载力符合其假定的理论模式，该公式使用时必须注意上述条件。

2.3　土的抗剪强度指标内摩擦角和粘聚力是很灵敏的参数，采用何种试验方法，如何取值是计算结果是否准确的关键。如果把三轴试验的c、φ值代入规范推荐的地基承载力理论公式计算时，得到的承载力比较符合实测值，而把直剪试验c、φ值代入计算，所得承载力明显偏小。关于土的抗剪强度指标取值，由于全国各地差别较大，规范没有做统一的规定。按照极限平衡理论应取峰值强度，有些地方规范根据地区经验用临界荷载公式计算承载力时采用峰值强度的70％，比如上海实践证明，抗剪强度指标用直剪固快试验，取峰值强度的70％计算c、φ值，由此得到的地基承载力比较符合实际：有些地区则认为用峰值强度计算得到的承载力已经偏小，不能再打折。

2.4　地基承载力的含义是在保证地基稳定的前提下，使变形不超过允许值的地基承载能力。规范推荐的理论计算公式在确定地基承载力时，只考虑地基有足够的强度，没有考虑变形，是一个强度值，也就是意味着在进行地基承载力计算时先将基础的沉降变形搁置起来。将地基强度与变形割裂开来考虑是目前规范在地基承载力理论上存在的严重缺陷。由于土体作为一种非连续介质，其土性是非常复杂的，并且带有很大的区域性，因此用单一的土体本构关系来正确描述土的工程性质难以直接应用到在工程实践中。所以对于不同的土质，不同的基础形式，其沉降量不同的，需要进行地基变形验算。

2.5　在基础尺寸一定时，理论计算公式所用的参数抗剪强度指标c、φ越高，极限荷载与临界荷载之比越大，也就是说不同的地基土按规范推荐的理论公式计算得到地基承载力，其安全度是不同的。假设有一个宽度为3m，埋深1m的基础，如果处于某软土地基上，地基土相关指标为粘聚力c_k=6kPa、内摩擦角φ_k=4°、变形模量E=0.6MPa，则经简单计算可得地基承载力f_a50kPa、极限荷载P_u=76kPa、安全度k=1.52、沉降量s=200mm：如果处于某硬土地基上，地基土相关指标为粘聚力c_k40kPa、内摩擦角φ_k=26°、变形模量E=40MPa，则地基承载力f_a=429kPa、极限荷载P_u=1503kPa、安全度k=

3.5、沉降量s=6mm。从上述算例可以看出对于不同的地基土利用规范推荐的理论公式计算存在安全度不同的问题，因此在设计时要特别注意软土地基的安全，同时也要考虑到对于硬土可能存在承载力未能充分发挥。

3　关于载荷试验的讨论

平板载荷试验是一种比较简单直观地确定地基承载力的原位测试方法，也可以看作基础的一种模型试验，从理论上说平板载荷试验的结果反映了半无限体的承载性状，从工程实践的角度看，很深部土层的影响是可以忽略的。载荷试验的结果为p～s曲线，通过p～s曲线可以确定地基承载力特征值。与规范推荐的理论公式计算法相比，用载荷试验确定地基承载力时既考虑了地基土的强度问题。又注意到了沉降问题，似乎不存在什么问题，实际上载荷试验结果用于地基基础设计时，尚应注意下面几个问题：

3.1　虽然可以在基础底面标高处的土层上做载荷试验，但为了将Boussirmsq课题的解析解用于分析试验资料，也为了试验条件的归一化，规范规定了试坑的宽度『必须不小于压板宽度的3倍。这样，试验是在无超载的条件下进行的，所得的试验结果是在相当于基础埋置深度为0的条件下的地基承载力，用于工程设计时必须按实际的埋置深度进行修正。

3.2　地基承载力的大小与基础底面面积有关，载荷试验的压板尺寸越接近基础底面尺寸，试验的结果越能反映实际情况。但过大的压板尺寸将使试验的总荷载很大而难以实现，一般规定压板面积为0.25m²～0.5m²，如果是方形压板，边长为0.5m～0.707m。将这种标准尺寸压板的试验结果用于实际工程时，需要进行宽度的修正。但对于大面积的筏型基础、箱型基础，基础面积可能上百上千平方米，此时试验尺寸与实际基础尺寸相差悬殊，应力分布、破坏模式差别很大，而试验时从刚性压板边缘展开的塑性区域容易相互连接而导致破坏，因此用平板载荷试验测出的极限承载力会比实际偏小，不能完全反应真实值。对于不均匀的地基土，通过平板载荷试验得出的结果的代表性值得商榷，也难于据此推算不均匀地基的性状。

3.3　载荷试验确定的地基承载力是承压板下应力主要影响范围内的承载力，一般认为压板影响深度大体为压板宽度的2~3倍。因此，如采用面积为0.5m²的承压板，则其影响深度一般不会超过2m。部分地区的人工地基检测文件规定用载荷试验确定地基承载力时没有考虑到这个问题，在应用时需引起注意。为了进一步说明这个问题，假设某地基土分别采用强夯和冲击碾压处理，强夯处理的深度可达到5m～10m，而冲击碾压的深度在2m左右，载荷试验得出的地基承载力差不多，甚至是采用冲击碾压处理措施的高，这个结果显然是不合理的。

3.4　载荷试验的加荷速率按规范一般是几小时到十几小时加一级荷载，而实际工程中地基土接受上部荷载的速率(按一层楼为一级荷载者虑)一般为一周甚至一个月，有时更长，两者之间的差异是显而易见的。另外，载荷试验是用千斤顶来进行加荷，靠手动杆或电动油泵驱动加载，时间只有几分钟，甚至几秒钟，相当于一种冲击荷载，而地基土实际接受上部荷载是通过一砖一瓦的添加进行的，过程比较缓慢，不会存在冲击荷载的影响，上述差异必然会导致试验结果与真实值之间产生差异，特别对于软土地基。

4　结语

通过本文的分析讨论可以看到，地基承载力的确定在地基基础设计中是一个非常重要而又十分复杂的问题，它不仅与土的物理、力学性质有关，还与基础形式、宽度、埋深、建筑类型、结构特点和施工速度等因素有关。确定地基承载力时不存在唯一可靠的方法，绝对不能仅凭经验或简单地套用规范计算，无论是规范推荐的理论计算公式还是载荷试验，都不一定可靠。关于确定地基承载力，不但要注重理论计算和原位试验，更要重视工后的调查分析、比较这一重要环节，通过将预先计算值与工后实测值的分析比较，以及二者之间差异原因的探讨，可以积累大量的工程经验。在具体工程实践当中，勘察设计人员需要根据地质条件，基础及上部结构特点、结合理论计算、载荷试验的测试数据以及工程经验综合判断确定。

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