地基承載力特征值用詞、定義 和采用理由存在的問題

地基承載力特征值用詞、定義和采用理由存在的問題

方玉樹

（后勤工程學院，重慶 400041）

（據《全國第十屆土力學及巖土工程學術大會論文集》收錄文章“重慶市工程地質勘察規范的特色”和2015年重慶市注冊巖土工程師繼續教育課件相關內容修改）

國標《地基規范》02版有兩大影響廣泛的創造：一個是地基基礎設計等級概念，一個是地基承載力特征值概念。國標《地基規范》13版繼續采用。相關行業標準和地方標準紛紛效仿（當然也不得不這樣做，因為在國標《地基規范》02版與11版中，“按地基承載力確定基礎底面積及埋深或按單樁承載力確定樁數時，……相應的抗力應采用地基承載力特征值或單樁承載力特征值”是強制性條文）。

地基承載力特征值在用詞、定義和采用理由三方面均存在問題。

1  地基承載力特征值用詞問題

九年前李靜波的一篇文章讓我對標準值、特征值概念與關系更明白一些。

在我國工程建設類標準中，從數據獲取方式上看，標準值包括了特征值和公稱值。從力學性質上看，標準值包括荷載標準值和抗力標準值。

特征值是表達某一物理量概率分布特征的數值（如眾值，均值，某個分位值）。    公稱值是從實際出發根據已有的工程實踐經驗進行分析判斷獲得的數值。特征值是數理統計值，公稱值是工程經驗值，某一物理量既可能是數理統計值也可能是工程經驗值時應采用標準值來表征。

地基承載力就是這樣的物理量，它在一些情況下是數理統計值，在另一些情況下是工程經驗值，因深寬修正式是經驗公式，故深寬修正后的地基承載力在性質上都是工程經驗值。

抗力標準值均是極限狀態下的值。地基承載力屬于抗力，故地基承載力標準值自然應是極限狀態下的值。

因此，地基承載力標準值應包括地基（極限）承載力特征值和地基（極限）承載力公稱值。

當前采用的地基承載力特征值既不是極限狀態下的值，也不都是數理統計值（還包括了工程經驗值）。因此，它不屬于抗力特征值，不能稱為地基承載力特征值，也不能改稱為地基承載力標準值。當前采用的地基承載力特征值這一用詞不符合特征值的本義和特征值與標準值的關系，更不符合抗力特征值的本義，把原本很清晰的標準值與特征值、公稱值的關系以及抗力標準值與抗力特征值、抗力公稱值的關系搞亂了。

如果把當前采用的地基承載力特征值改稱為地基承載力允許值（或者地基允許承載力），這種提法也不合適。地基變形是不受歡迎的，地基變形過大，可能造成建筑物不能正常使用，所以對地基變形需要設定允許值。地基承載力是受歡迎的（地基沒有承載力就修不了建筑物），地基承載力越高同一建筑物越安全，所以對地基承載力不需要設定允許值。設計人在地基的選擇中，在同等的其它條件下，會選擇地基變形小的候選地基做地基而放棄地基變形大的候選地基做地基，但不會選擇地基承載力小的候選地基做地基而放棄地基承載力大的候選地基做地基。

當前采用的地基承載力特征值實際上是允許基底平均壓力（基礎深寬修正前是對應于載荷試驗條件的允許基底平均壓力，深寬修正后是對應于實際基礎條件的允許基底平均壓力），當前使用的單樁承載力特征值實際上是單樁允許樁頂荷載。如果基礎設計一定要采用允許應力法，那么，為了保留“承載力”一詞，可以將當前采用的地基承載力特征值稱為地基承載力許用值。承載力許用值不同于承載力允許值，承載力許用值是給承載力的取用設一個上限，承載力允許值是給承載力設一個上限（而地基承載力是不需要人為設上限的，它的上限就是地基承載力極限值）。

順便指出，國標《地基規范》89版中的地基承載力（無論是深寬修正前還是深寬修正后）也是允許基底平均壓力。該規范將深寬修正前的地基承載力稱為地基承載力標準值，將深寬修正后的地基承載力稱為地基承載力設計值，不符合抗力標準值的本義和抗力標準值與抗力設計值的關系，把原本很清晰的抗力標準值與抗力設計值的關系搞亂了。

2  地基承載力特征值定義問題          

以下討論地基承載力特征值的定義時是將地基承載力特征值作為地基承載力許用值來理解的，否則無需討論，因為從本文上一部分已經可知，真正的地基承載力特征值是地基極限承載力統計值（或者說，地基承受荷載的極限能力的統計值）。

國標《地基規范》11版對地基承載力特征值的定義是：“由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內規定的變形所對應的壓力值，其最大值為比例界限值?！?

該定義存在以下問題：

2.1  與用載荷試驗確定地基承載力特征值的具體方法矛盾

國標《地基規范》11版附錄C、附錄D和附錄H給出了淺層平板載荷試驗、深層平板載荷試驗和巖基載荷試驗中地基承載力特征值統計用單值的確定方法。對巖基載荷試驗，地基承載力特征值統計所用單值系極限荷載三分之一與比例界限荷載二者中的小值。對淺層和深層平板載荷試驗，該單值系極限荷載之半與比例界限荷載二者中的小值；無法按此確定時，取與沉降量為0.01～0.015倍承壓板寬度（或直徑）對應的壓力值。由此可見，當有線性變形段時，不存在規定的變形，所取定的壓力值雖在線性變形段內但并不是與規定的變形對應的壓力值；當無線性變形段時，所取定的壓力值雖對應規定的變形但不是線性變形段內的壓力值。

2.2  與地基承載力特征值的深寬修正結果矛盾

由載荷試驗確定的地基承載力特征值根據基礎實際情況作深寬修正后仍是地基承載力特征值。若深寬修正后的地基承載力特征值大于修正前的地基承載力特征值，那么，當修正前的特征值取載荷試驗測定的地基壓力變形曲線線性變形段的最大荷載值即比例界限荷載時，修正后的特征值將大于載荷試驗測定的比例界限荷載從而不在載荷試驗測定的地基壓力變形曲線線性變形段內；當修正前的特征值小于但接近于該比例界限荷載值時，修正后的特征值仍有可能不在該線性變形段內。

2.3  與按理論公式確定地基承載力特征值的方法矛盾

國標《地基規范》11版第5.2.5條給出了確定地基承載力特征值的理論公式。這是一種不同于載荷試驗的獨立的確定地基承載力的方法，在理論上，對條形基礎，它是塑性區開展深度為基礎寬度四分之一時的荷載，連地基土壓力變形曲線線性變形段上的荷載也不是，更不用說是由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段上的荷載。地基承載力特征值的定義涵蓋不了用這種方法確定的地基承載力特征值。

此外，定義中的“地基土”涵蓋不了所有的地基。

如果基礎設計一定要采用允許應力法，那么，地基承載力特征值（地基承載力許用值）應定義為具有一定安全儲備的地基承載能力代表值。

3  地基承載力特征值采用理由問題

以下討論地基承載力特征值的采用理由時同樣是將地基承載力特征值作為地基承載力許用值來理解的，否則無需討論，因為從本文第一部分已經可知，真正的地基承載力特征值是地基極限承載力統計值（或者說，地基承受荷載的極限能力的統計值）。

國標《地基規范》11版條文說明給出了采用地基承載力特征值（即采用允許應力法拒絕總安全系數法或分項系數法）的理由。分析表明，這些理由是不成立的。

地基承載力特征值的采用理由之一：地基極限承載力不存在或很難確定。

分析：地基極限承載力通常是存在的，重慶地區廣泛分布的巖石地基更是如此。

事實上采用地基承載力特征值概念的國標《地基規范》02版和13版附錄（淺層、深層、巖石、錨桿抗拔、單樁豎向、單樁水平、單樁抗拔）關于各種載荷試驗的規定就已經給出了如何確定極限荷載的方法（這些情況表明，地基承載力特征值或單樁承載力特征值通過載荷試驗確定時，均需確定地基極限承載力或單樁極限承載力），采用地基承載力特征值概念的一些行業標準和地方標準直接在地基承載力驗算和單樁承載力驗算條文中給出了地基極限承載力標準值與地基承載力特征值的換算式。

理論上說，土質地基承載力是由土體抗剪強度參數和基礎條件決定的抗力，只要存在抗剪強度參數，就會有地基承載力。

因而不能把地基極限承載力不存在或很難確定作為不采用地基極限承載力標準值概念的理由。

國標《地基規范》02版和13版一方面說地基極限承載力不存在或很難確定從而采用地基承載力特征值（即采用允許應力法），一方面又提供極限荷載確定方法。這是自相矛盾的。

地基承載力特征值的采用理由之二：地基承載力還有潛力可挖但地基變形已達到或超過正常使用限值。

這種情況并非普遍存在，重慶地區廣泛分布的巖石地基，其變形常常是在破壞前還沒有達到正常使用限值，況且承載能力驗算與變形驗算是兩項獨立的工作，承載能力驗算并不代替變形驗算，因而不能把地基承載力還有潛力可挖但地基變形已達到或超過正常使用限值作為不采用地基極限承載力標準值概念的理由。

其實，設計人采用地基極限承載力進行承載能力驗算（無論采用分項系數法還是總安全系數法）才能對自己設計的基礎的安全度有一個大體的把握。

在現階段，采用地基極限承載力標準值和總安全系數法進行承載能力驗算完全可行。采用地基極限承載力標準值進行承載能力驗算還可以對不同安全等級（重要性等級）采用不同的安全系數。

4  結語

1. 當前采用的地基承載力特征值這一術語不符合特征值的本義和特征值與標準值的關系，更不符合抗力特征值的本義，如果基礎設計一定要采用允許應力法，那么，為了保留“承載力”一詞，可以將當前采用的地基承載力特征值改為地基承載力許用值。

2. 地基承載力特征值（地基承載力許用值）定義為“由載荷試驗測定的地基土壓力變形曲線線性變形段內規定的變形所對應的壓力值，其最大值為比例界限值”，與用載荷試驗確定地基承載力特征值的具體方法矛盾、與地基承載力特征值的深寬修正結果矛盾、與按理論公式確定地基承載力特征值的方法矛盾，是不合適的。如果基礎設計一定要采用允許應力法，那么，地基承載力特征值（地基承載力許用值）應定義為具有一定安全儲備的地基承載能力代表值。

3. 地基承載力特征值（地基承載力許用值）的兩個采用理由（地基極限承載力不存在或很難確定，地基承載力還有潛力可挖但地基變形已達到或超過正常使用限值）均是不成立的。在現階段，采用地基極限承載力標準值和總安全系數法進行承載能力驗算完全可行。采用地基極限承載力標準值進行承載能力驗算還可以對不同安全等級（重要性等級）采用不同的安全系數。

4. 將“按地基承載力確定基礎底面積及埋深或按單樁承載力確定樁數時，傳至基礎或承臺底面上的作用效應穎按正常使用極限狀態下作用的標準組合；相應的抗力應采用地基承載力特征值或單樁承載力特征值”的規定列為強制性條文，初衷或許是保證基礎底面尺寸和樁數設計的安全，但客觀上也對行業標準和地方標準在地基承載力驗算方面采用分項系數法或總安全系數法進行了強制阻止，不僅如此，這樣做還對地基承載力特征值這個用詞在全國范圍進行了強制推廣。

5.在我國，國標影響力極大，國標的規定會進大學教科書，會列為注冊工程師職業資格考試內容，巖土工程類國標的規定視為巖土工程學的一個部分。李廣信先生曾說：土力學是一門很土的力學。如果做一點引申，也可以說，巖土工程學是一門很土的學科，因為它有很多的經驗系數、經驗公式或半理論半經驗公式（由于經驗系數、經驗公式或半理論半經驗公式有局限性，會隨著新經驗而變化，而且蘊含著理論上的道理等待著我們去挖掘，滿足于此沒有希望，從此出發才是正道）。巖土工程學可以土得掉渣，但是，巖土工程學畢竟還算一門學科，總不能任性到沒了邏輯不講道理的地步吧。