地基基础设计2002版新规范学习班总结

大长今

地基基础设计2002版新规范学习班总结本文为本人参加厦门市勘察设计协会举办的，中国建科院地基所腾延京教授主讲的学习班
笔记整理搞，可能有偏误，请指正。―――吴炜斌 2002.12.3

1、地基基础规范的发展历程
l              74规范――学习前苏联结构设计规范体系
l              89规范――采用概率极限状态设计方法
l              2000规范体系
          统一概念，统一设计表达式；
          强调变形控制；
          加入WTO，与国际结构规范体系接轨；
          强调现场实测的重要性。
2、2002版地基基础设计规范编制的四项基本原则：
一、   按国际惯例要求，逐步与先进国际标准规范接轨；
二、   总结我国工程建设近10年来工程经验和科研成果；
三、   补充圆原规范的空缺，充实完善规范内容；
四、   强调按变形控制设计地基基础的重要性。
3、关于地基基础按变形控制设计的国际先进设计规范做法
a)          原苏联、俄罗斯、欧洲国家――强调变形控制
b)         美洲、日本等国―――――――强度、变形控制并重
c)         中国――――――――――――逐步向变形控制设计演进，包括再下一版规范。
4、本次修订明确了两种极限状态的使用范围和荷载组合条件。
地基基础设计的两种极限状态大致可按下表区分：

设计状态	荷载组合	设计对象	选用范围
承载力极限状态	基本组合	基础	基础的弯、剪、冲切等计算

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简化组合        地基        滑移、倾覆或稳定问题
正常使用极限状态        标准组合        基础        裂缝、挠度等
        频遇组合准永久组合        地基        沉降、差异沉降、倾斜等
4、关于分项系数的调研
1)      历史：
74规范：为安全系数
89规范：修改为荷载的分项系数，其实质为分项安全系数。
        由统计分析和人为取值两个因素来确定。即：
        分项系数——>分项安全系数——>统计＋人为
2)      本次修订对国际上发达国家结构设计规范分项系数问题的调研
欧洲：永久荷载1.35，可变荷载1.50
美国：永久荷载1.40，可变荷载1.70
   3）关于分项系数的物理概念问题
      在结构的荷载效应值计算中，不考虑分项系数，按各种作用标准值（代表值）来计算作用效应值，而是在作用效应组合设计值（作用设计值）的计算中考虑分项系数。
      物理概念分析：荷载作为物理量，表达物体的质量，物体的质量由荷载代表值来表示，而物体的质量不可能无缘无故增加，在荷载效应计算中考虑分项系数在物理概念上是没有道理的，分项系数应在计算构件承载力的荷载效应组合设计值（作用设计值）加以中考虑。
作用的定义：施加在结构上的集中力或分布力（直接作用，即荷载）和引起结构外加变形或约束变形的原因（间接作用）。
作用代表值：设计中用于验证极限状态所采用的作用值。包括标准值、组合值、频遇值和准永久值。
      作用效应：  由作用引起的结构或结构构件的反应，例如内力、变形和裂缝等。
      作用设计值：作用代表值乘以作用分项系数所得的值。
荷载代表值：直接作用的代表值
荷载效应组合：按极限状态设计时，为保证结构的可靠性而对同时出现的各种荷载设计值得规定
6. 本次地基基础规范修订过程中的调研与试算工作

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1）规范组经过大量工程试算工作，确定对于基础设计由永久荷载效应控制的基本组合，可采用简化规则，荷载效应组合的设计值可按下式计算：      
S=1.35Sk≤R
R—结构构件抗力设计值，按有关建筑结构设计规范的规定确定
SK—荷载效应标准组合值，（即分项安全系数为1.0的荷载组合值）
2）反映近10年来地基基础领域科研反面成熟的成果，反映原规范实施以来设计和工程实践的成功经验。       
例如取消某些全国统一表格，重视地方经验或按各地方现场实验确定某些物理量。（例如初步计算单桩竖项承载力特征值公式〈8.5。5-1〉中桩端端阻力，桩侧阻力特征值qpa、qsia不再提供全国统一表格，而由当地静荷试验结果统计分析算得，因为全国不同地区该值差导较大，实际情况不应取某个统一值，比如由于相同土层的完全固结和欠固结情况的不同。此外，随着设计水平和对工程质量要求的提高，如果仍沿用承载力表，显然不适应当前的要求。
3）补充了原设计规范的空缺，完善充实原设计规范的内容。
1 关于岩石的分类
2 关于地基冻涨性
3 增加有限压缩层地基变形和回弹变形计算内容
4 增加岩石边坡支护设计内容，这方面由谁设计没有限制，可由专业公司设计也可由有资质的建筑设计单位结构人员设计。
5 强调按变形控制设计地基基础的重要性，提出相关勘察、设计、检验的方法和措施。
7. 本次新修订规范的三个特点：即作为设计规范，应具备得特点
（1）符合物理概念
          （2）简洁表达式
          （3）成熟科研实践作为基础
关于地基：地基是一种特殊材料，其物理力学性能也具有许多特殊性，其承载力的取值直接影响建筑的安全性，经济性，应采用多种方法综合确定。
关于强制性条文：每个强制性条文都有历史背景，都有工程教训、经验。
8. 按地基承载力确定基础底面积及埋深，或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载的标准组合，相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。
9. 土的工程特征指标应包括：

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强度指标（代表值应取标准值）
压缩性指标（代表值应取平均值）
其他特性指标：（1）静力触探（2）标准贯入试验（3）载荷试验承载力（代表值应取特征值）
    用原位测试确定地基承载力在我国已有丰富经验，可以应用，但要强调必须有地区经验，即当地对比资料，当地的基础设计等级为甲级和乙级时，应结合室内试验成果综合分析，不宜单独应用，故本次修订取消了有关承载力表的条文和附录，要求勘察单位应根据试验和地区经验确定地基承载力等设计参数。
10. 关于地基承载力特征值
地基承载力与构件承载力本质不同。
地基承载力特性：荷载增大，承载力增大，变形增大，（按变形控制设计）
地基承载力特征值指由载荷试验测定的地基土压力变形关系曲线线性变形段内规定的变形（不超过比例界限点）所对应的地基压力值。实际即为地基承载力的充许值。实际即为地基承载力的允许值。（变形控制的特点）
对结构设计人员来说，确定地基承载力特征值应依据“综合确定”的原则。可由载荷试验或其它原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。有经验结构师不会仅靠地勘报告提供值确定地基承载力进行地基基础设计，地勘报告提供的承载力可能不符合实际承载力，应进行综合分析来确定地基承载力。规范提供的地基承载力特征值公式有：
   （1）地基承载力特征值修正——公式（5.2.4）
      （2）根据土的抗剪强度指标计算地基承载力特征值——（5.2.5）
      （3）岩石地基承载力特征值——（5.2.6）
11. 计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用，相应的限值应为地基变形允许值。
12. 变形计算
地基最终沉降量的直接影响因素：
1) 地基土层的非均匀性和上部结构对荷载重分布作用；
2) 侧向变形对土层沉降的影响；
3) 基础刚度；
4) 土层压缩模量的试验条件；
5）次固结对沉降的影响；

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13. 计算挡土墙压力，地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其荷载分项系数均为1.0。（地基土：既是荷载又是抗力。）
14. 在确定基础或桩乘台高度，支挡结构坡面，计算基础或支挡结构内力，确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应基底反力，应力与承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的荷载分项系数。
15. 基础设计安全等级，结构设计使用年限，结构重要性系数应按有关规范规定采用，但地基基础的结构重要性系数ｒ0 不应小于1.0。
    用户的要求是最重要的，规范ｒ0是提供最低要求。
ｒ0∈（0.9,1.1）中的0.9是最小值，具体工程应具体分析，对基础设计，因地基土材料的特殊性，ｒ0不应小于1.0。
    结构设计使用年限：
          〈1〉2-5年（如一些临时建筑物）
          〈2〉5-20年（如一些矿山油田中长期建筑物）
          〈3〉 ≥50年（采用）
          〈4〉＞100年（如文物历史建筑，政治性建筑）
16. 建筑结构可靠度及设计使用年限，设计基准期：
1) 可靠性：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。
可靠度：结构在规定时间内，在规定条件下，完成预定功能的概率。
2000年规范体系，结构可靠度或结构失效概率是对结构设计使用年限而言，一般为50年。并且是以正常设计、施工、使用为条件的，不考虑人为过失的影响。
2)设计使用年限：设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其预定目的使用的时期。是房屋建筑的地基基础工程和主体结构工程“合理使用年限”的具体化，一般建筑和构筑物取50年，与设计基准期荷载统计的时间参数对应，若采用其他设计使用年限，则荷载应采用与其相应的设计基准期。
    【 背景资料 】：最新版国际标准ISO2394：1998《结构可靠度总原则》上首次正式提出设计工作年限的概念——design  working  life .本次修订借鉴这一标准，提出了各种建筑结构的“设计使用年限”，明确了设计使用年限是设计规定的一个时期，在这一规定时期内，只需进行正常维护而不需进行大修就能按预期目的使用，完成预定功能。即房屋建筑在正常设计，正常施工、正常使用和维护下所应达到的使用年限，如达不到这个年限则意味着在设计、施工、使用与维护的某一环节上出现了非正常情况，应查找原因。
3)设计基准期：
   定义：为确定：〈1〉可变作用

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〈2〉与时间有关的材料性能
         的取值而选用的时间参数。对可变荷载而言，就是荷载统计的时间参数。        
说明：设计基准期不等同于建筑结构的设计使用年限，2000年结构规范体系《建筑结构可靠度设计统一标准》和《建筑结构荷载规范》所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的，如果设计时需采用其他设计其准期，则必须另行确定在该设计基准期内最大荷载的概率分布及相应的统计参数。例如，根据可靠度设计的原则，对设计使用年限为5年和100年的建筑结构，可以采用低于和高于50年的设计基准期，在选定的基准期内，根据大量荷载统计资料，运用数理统计的方法确定具有95%保证率的统计特征值作为荷载标准值，具体算法按荷载规范。
4) 总结：
结构可靠度：对结构可靠性的定量描述
可靠度的计算期：结构的设计使用年限，结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。
结构可靠度的保证：可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定，包括承载力极限状态和正常使用极限状态。
设计使用年限与设计基准期的关系：
在确定各类可变荷载的标准值时，涉及出现荷载最大值的时域问题，《建筑结构荷载规范》统一采用一般结构的设计使用年限50年作为规定荷载最大值的时域，称之为设计基准期。