建筑地基承載力的確定方法概述

于海祥，吳笛

（1重慶建工集團股份有限公司設(shè)計研究院，重慶 400042；2重慶泰山建筑工程施工圖審查有限責(zé)任公司，重慶 401120）

0 引言

建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計中，最重要的一個設(shè)計指標當屬地基承載力。要全面弄清地基承載力是如何確定的，是個涉及面較廣泛的巖土工程問題。因為巖土的工程性質(zhì)極為多樣，差別很大，而且隨著技術(shù)進步，資料及經(jīng)驗的積累是動態(tài)發(fā)展的，并逐步趨于符合工程客觀實際。本文對現(xiàn)行標準關(guān)于地基承載力的規(guī)定作了系統(tǒng)的歸納，以幫助工程技術(shù)人員正確理解地基承載力的概念，準確把握其正確的取值方法。

1 地基基礎(chǔ)工程可靠性理論

目前的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計大都采用基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計法，采用分項系數(shù)進行各類荷載效應(yīng)和承載力指標的表達。各類工程問題都應(yīng)與可靠性（量化后稱為可靠度）密切相關(guān)，地基承載力的設(shè)計取值最終也需要回答可靠度或安全系數(shù)的問題。

在勘察設(shè)計行業(yè)中，各級標準規(guī)定的地質(zhì)參數(shù)常采用經(jīng)驗數(shù)值，這是因為地質(zhì)指標的變異性及區(qū)域性差別在工程領(lǐng)域是較大的，為了綜合考慮經(jīng)濟成本，地質(zhì)勘察的數(shù)據(jù)成果總是相當有限且離散的。與鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)相比，巖土力學(xué)指標的統(tǒng)計成果資料遠遠不夠，所以工程類比及經(jīng)驗參數(shù)方法占有一席之地。目前巖土工程尚不能與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)一樣采取分項系數(shù)法（近似概率準則）進行可靠度分析計算，其承載力指標采取總安全系數(shù)法（俗稱的大老K法，半經(jīng)驗半概率準則）進行可靠度計算就是此原因，所有不利因素通通裝入安全系數(shù)K中考慮，K的取值有時難免主觀性、經(jīng)驗性占主導(dǎo)地位。總而言之，地基基礎(chǔ)設(shè)計中，地基承載力的取值尚沒條件達到上部結(jié)構(gòu)那樣的可靠性體系的程度，也不存在嚴格意義上的承載力分項系數(shù)。

國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》目前已有1974年版、1989年版、2002年版和2011年版四個版本。1974年版規(guī)范是按照安全系數(shù)法規(guī)定的。1989年版規(guī)范采用了概率極限狀態(tài)設(shè)計方法，通過與1974年版安全系數(shù)2.0的校準，制定了分項安全系數(shù)，由于地基可靠度研究水平的限制，沒有制定地基基礎(chǔ)設(shè)計的β值水平[1]。2002年版規(guī)范與2011年版規(guī)范基本保持體系不變。同時在1989年版規(guī)范的修訂說明中還曾指出：“本規(guī)范必須與根據(jù)1984年國家批準發(fā)布的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標準》GBJ 68-84制訂、修訂的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GBJ 9-87等各種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計標準規(guī)范配套使用。”因此，現(xiàn)行的地基基礎(chǔ)規(guī)范在形式上雖然是用安全系數(shù)K來表示，實際上也采用了“工程結(jié)構(gòu)可靠性”的概念。

需要注意的是，《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94的1994版，將樁基設(shè)計的可靠性方法向上部結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，當時按概率極限狀態(tài)設(shè)計法中的分項系數(shù)進行表達，形式上先進。在修訂后的《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94的現(xiàn)行2008版[2]又采用安全系數(shù)K的表達方法，這主要是考慮與國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007的設(shè)計原則保持一致，以方便使用（參見該規(guī)范第3.1.1條條文說明）。

2 地基基礎(chǔ)設(shè)計相關(guān)標準

涉及建筑地基承載力確定的現(xiàn)行標準主要有：《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007-2011（以下簡稱GB 50007）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》DBJ 50-047-2016（以下簡稱DBJ 50-047）、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79-2002、《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》JGJ 6-2011、《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008（以下簡稱JGJ 94）、《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021-2001（2009年版）及其他勘察設(shè)計標準。

此外還有適用于某些特殊地質(zhì)情況，或某個特殊領(lǐng)域的標準。如《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》JGJ 118-2011、《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GB 50025-2004、《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》GB 50112-2013、《液壓振動臺基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》GB 50699-2011、《塔式起重機混凝土基礎(chǔ)工程技術(shù)規(guī)程》JGJT 187-2009等，這些與常規(guī)工程的地基基礎(chǔ)設(shè)計問題無關(guān)，具體工程具體采用。

在這個龐大的地基基礎(chǔ)類標準家族中，國標GB 50007[3]是最基本的地基基礎(chǔ)標準，可稱為地基基礎(chǔ)設(shè)計的母標準，它為各類工程的不同類別地質(zhì)條件下的巖土地基承載力的確定提供了統(tǒng)一的準則。通過相關(guān)標準的比較可以認為，地基承載力的確定原理只要弄清楚GB 50007的規(guī)定就足夠了，其他標準涉及地基承載力如何取值的條文與GB 50007是重復(fù)相同的，直接引用該國標的較多，當有重疊表述時也與其在力學(xué)概念與數(shù)理統(tǒng)計邏輯上是一致的。

就全國范圍而言，地質(zhì)差異很大，地基問題僅靠國家級標準難以覆蓋、也難以合乎所有工程實際來規(guī)定所有內(nèi)容，所以很多省區(qū)均有各自的地基基礎(chǔ)地方標準。重慶市也不例外。DBJ 50-047[4]是在國標GB 50007的框架下，結(jié)合自身山地城市特點制定的地方標準。各個層次（國家標準、行業(yè)標準、地方標準、團體標準、企業(yè)標準）的地基基礎(chǔ)設(shè)計標準通常都有大量重復(fù)的內(nèi)容，需要指出的是，地方級的標準不能低于國家、行業(yè)級的標準。標準名稱中帶有“技術(shù)”者均屬綜合性標準，即不僅含設(shè)計，還有施工、檢測、驗收等內(nèi)容，涉及地基基礎(chǔ)時還有巖土勘察內(nèi)容。

3 地基基礎(chǔ)設(shè)計等級

與上部結(jié)構(gòu)概念一樣的是，對地基基礎(chǔ)設(shè)計，也區(qū)分了等級，其可靠度水平不應(yīng)低于上部建筑結(jié)構(gòu)。GB 50007與DBJ 50-047有所不同，DBJ 50-047規(guī)定的是地基基礎(chǔ)安全等級的概念，共有一、二、三級，但并未明確各等級對應(yīng)的重要性系數(shù)值，僅統(tǒng)一提到不小于1.0，但對有些情況下的技術(shù)措施是與安全等級有關(guān)的。GB 50007、JGJ 94規(guī)定了地基基礎(chǔ)設(shè)計等級，并按地基基礎(chǔ)設(shè)計的復(fù)雜性及技術(shù)難度，規(guī)定了甲、乙、丙三個設(shè)計等級。不同等級的地基基礎(chǔ)有如下不同：（1）是否考慮沉降計算有所不同；（2）對地基承載力確定的嚴格程度不同；（3）檢測驗收標準不同。可見地基基礎(chǔ)設(shè)計等級與地基可靠性標準密切相關(guān)。對確定地基承載力特征值的嚴格程度主要體現(xiàn)在設(shè)計等級上。

勘察規(guī)范也有甲乙丙三個勘察等級，其勘察內(nèi)容技術(shù)深度不同，比如鉆探孔總數(shù)、控制性鉆探孔比例、孔間距、勘察方法等等執(zhí)行標準不同。

4 地基承載力

與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計計算所不同的是，地基計算中，巖土體的抗力指標為地基承載力特征值，而上部結(jié)構(gòu)承載力計算中材料的承載力指標的代表值為標準值或組合值（標準值乘分項系數(shù)即為設(shè)計值），且上部結(jié)構(gòu)工程材料的強度標準值是在大量的樣本數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上統(tǒng)計回歸通過平均值和標準差得出的。

地基承載力的確定，是地勘單位的工作，在地勘資料中交代。工程經(jīng)驗較多的人，能根據(jù)踏勘及巖土外觀性狀作出淺層地基承載力的大致判斷，如能結(jié)合釬探等簡單工具方法，甚至有把握修建不高的房屋，但畢竟不科學(xué)，有一定風(fēng)險，也不合符強制性標準要求。

建筑地基承載力的確定，總體上以試驗方法得到的指標為準，以下為獲取地基承載力的基本方法。

4.1巖土分類

按照GB 50007的規(guī)定，地基巖土的地質(zhì)分類：巖石、碎石土、砂土、粉土、黏土、人工填土。

前5項的每一項都可再細分子項，在此基礎(chǔ)上還有些特殊的土。其中巖石的工程分類有三類：風(fēng)化程度類、堅硬程度類、完整程度類。

4.2巖土工程特性指標

逐一列出GB 50007中所涉及的工程特性指標，計有：（1）強度指標；（2）壓縮性指標；（3）靜力觸探探頭阻力；（4）動力觸探錘擊數(shù)；（5）標準貫入試驗錘擊數(shù)；（6）載荷試驗承載力。其中除第（2）項外均與地基承載力相關(guān)。

4.2.1 強度指標

主要指抗剪強度指標，即粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ。獲得途徑：①現(xiàn)場取樣做室內(nèi)土工試驗；②現(xiàn)場剪切試驗；③工程經(jīng)驗類比取值。試驗得到的樣本值，經(jīng)按照GB 50007附錄E的數(shù)理統(tǒng)計計算，得到c和φ值（巖芯取樣做抗壓強度試驗得到的單軸抗壓強度也應(yīng)歸于此類，但GB 50007未明確）。

4.2.2 地基變形計算指標

主要指用于地基沉降計算的壓縮模量等壓縮性指標。

4.2.3 地基承載力指標

上述（3）—（5）項所列指標是為確定某些類別巖土的地基承載力，通過一類小型原位試驗或測試得出的試驗結(jié)果。這類結(jié)果與地基承載力有經(jīng)驗及工程類比上的對應(yīng)關(guān)系。適合難以取樣做室內(nèi)土工試驗的碎石土及砂土，又比原位載荷試驗經(jīng)濟簡單。此類小型原位試驗得出的成果是：①對重型圓錐動力觸探錘擊數(shù)，采用統(tǒng)計經(jīng)修正最后得出碎石土的密實度；②對標準貫入試驗錘擊數(shù)或靜力觸探探頭阻力，采用統(tǒng)計經(jīng)修正最后得出砂土的密實度；③對靜力觸探探頭阻力，可得出黏性土的塑性狀態(tài)。

舊版GB 50007有明確的關(guān)于上述試驗成果與相應(yīng)類別的巖土地基承載力的對應(yīng)表格。并應(yīng)理解為僅適用于涉及的巖土類別。但現(xiàn)行GB 50007（2011版）正文已取消這類表格，僅在條文說明中列出。它的優(yōu)點是成本較低方法簡單，缺點是變異性較大。換言之可靠度不高，需結(jié)合其它方法綜合確定地基承載力。單獨使用可僅限于估算。早年的實際設(shè)計中，有些簡單的工程直接按此做施工圖設(shè)計。

4.2.4 載荷試驗承載力

按建筑地基極限承載力進行原位試驗，是各種方法中可靠性最準確的試驗方法，也是設(shè)計等級為甲級的建筑物必須采用的方法，對土質(zhì)地基，分為深層、淺層平板載荷試驗，分別適用于深基礎(chǔ)（主要是樁基礎(chǔ)、沉管基礎(chǔ)、地下連續(xù)墻）、淺基礎(chǔ)。對巖質(zhì)地基，不分深淺，也不需基礎(chǔ)深度、寬度修正（可參見GB 50007附錄H）。當巖質(zhì)地基為破碎、極破碎巖體時，由于已接近土質(zhì)地基性狀，可按平板載荷試驗確定。其中巖體的完整性分類，GB 50007第4.1.4條另有界定。該法確定地基承載力最為可靠，但成本相對較高。由于試驗樣本有限，所以對變異性大的場地，可靠性高也僅是相對其它方法而言。

4.3地基承載力特征值

4.3.1 地基承載力的意義及基本確定方法

上述這些巖土工程基本指標都由規(guī)定數(shù)量的試驗樣本經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計得到，其數(shù)值含義應(yīng)給予嚴格定義和區(qū)分。對巖土工程，各類工程特性指標的代表值分別有標準值、平均值及特征值，這三個值有明確的換算關(guān)系。其中，根據(jù)GB 50007-2011第4.2.2條的規(guī)定，巖土抗剪強度指標應(yīng)以標準值為代表值（還應(yīng)包括巖芯取樣的單軸抗壓強度標準值）；壓縮指標應(yīng)以平均值為代表值；載荷試驗承載力應(yīng)以特征值為代表值。

圖1 地基破壞過程p-s曲線與地基承載力特征值的概念

地基承載力特征值完全可以說就是舊版GB 50007（74版）的地基容許承載力值，換了個提法而已。特別需要注意的是地基承載力沒有設(shè)計值的提法。按照GB 50007的術(shù)語定義，地基承載力特征值定義為：“由載荷試驗確定的地基土壓力-變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定變形所對應(yīng)的壓力值，其最大值為比例界限值”。由此可以看出，地基承載力特征值是一個非常獨特的工程設(shè)計抗力指標，它不僅考慮了地基土的承載力特性，更重要的是考慮了變形特性（圖1），是一個綜合的工程抗力指標。

4.3.2 地基承載力特征值其他獲取方法

從GB 50007的定義來看，地基承載力特征值為基于現(xiàn)場載荷試驗得到的力學(xué)指標。探頭阻力與錘擊數(shù)方法也是獲取地基承載力指標的方法，對此有另外的規(guī)定，由于現(xiàn)行GB 50007正文取消了其與地基承載力的關(guān)系表格，表明已不推薦作為地基承載力的取值依據(jù)。但尚有別的用處，所以除與承載力關(guān)系的表格以外，在標準中依然保留。

作為巖土體重要強度指標的巖土抗剪強度指標主要用于邊坡穩(wěn)定性分析及支擋結(jié)構(gòu)巖土壓力計算，也可代入相關(guān)公式靠計算得出地基承載力特征值。GB 50007-2011僅列出5.2.5這一個公式采用抗剪強度指標公式法計算地基承載力特征值，但應(yīng)該不限于該公式。該公式對偏心距要求很小，接近中心受壓，所以使用范圍不大。

根據(jù)GB 50007相關(guān)條文規(guī)定，凡是采用理論公式計算得到的地基承載力，都只具有初設(shè)估算的效能，施工圖設(shè)計前，均需通過試驗得來的指標確定后再進行地基基礎(chǔ)施工圖設(shè)計，而不區(qū)分公式中各參數(shù)是否來自試驗或經(jīng)驗。

確定建筑地基承載力特征值的方法有除了試驗法外，還有其他方法，現(xiàn)把有關(guān)方法列舉如下：（1）載荷試驗法；（2）原位試驗方法，包括觸探試驗、標準貫入度試驗等；（3）理論公式計算法，即根據(jù)土的抗剪強度指標采用理論公式計算的方法（GB 50007-2011除第5.2.5條外并未具體列入其它公式，僅是提了一下可用公式計算）；（4）規(guī)范表格法；（5）經(jīng)驗方法。

其中試驗法分為好幾類，涉及承載力的已表達如前述。

除規(guī)模小的臨時性建構(gòu)筑物可簡單按經(jīng)驗確定外（GB 50007并無此表述），通常需要綜合考慮幾個方法確定地基承載力特征值，而且都需要有試驗指標參與綜合確定。（詳GB 50007-2011第3.0.4條）。其中公式計算法不能作為實施依據(jù)，只能估算用。上述第（2）、（3）種方法，可歸為同類方法。此分類不盡科學(xué)，因為后三個類別有交叉，公式法的參數(shù)往往有經(jīng)驗數(shù)值。

載荷試驗法、探頭阻力、錘擊數(shù)均屬于現(xiàn)場試驗。試驗還包括現(xiàn)場取樣做室內(nèi)土工試驗，室內(nèi)土工試驗包括一系列物理力學(xué)指標試驗。現(xiàn)行標準并不排斥使用未列入的其它成熟方法，比如旁壓法（可用于測定深層地基承載力）等。

載荷實驗方法是最直接可靠的方法，但成本也最高。實際工程中，除規(guī)范規(guī)定必須采用或地質(zhì)條件很復(fù)雜、土質(zhì)很不均勻需要采用時，一般不用此法。此法對設(shè)備條件要求較高。當為巖體地基時，不具備設(shè)備條件時會達不到需要的壓力值。當巖石強度很高時，極限破壞難以達到。

試驗成果不僅有地基承載力指標，需要時還有地基壓縮指標及其它物理力學(xué)指標。對土質(zhì)地基，壓縮指標甚至比承載力指標重要，并與承載力指標相關(guān)，有時承載力指標由沉降指標控制取值。

對地基承載力的確定，GB 50007-2011按設(shè)計等級有嚴格程度不同的標準（詳?shù)?.0.4條）。但各種情況都需有試驗指標，區(qū)別在試驗項目不同。所以綜合起來，確定地基承載力（以特征值為代表值）的因素主要是試驗，有時結(jié)合經(jīng)驗。下面有必要對試驗作個介紹。

4.4地基承載力試驗方法

對巖質(zhì)地基，有兩類方法：（1）對完整、較完整、較破碎的巖體，由于可取樣本巖芯做試驗，可用此法。經(jīng)試驗樣本數(shù)理統(tǒng)計后得出的成果是單軸抗壓強度標準值（按巖石的性狀分為天然或飽和試驗），由于巖芯體量小，僅是巖塊，未反映巖體結(jié)構(gòu)面等因素對承載力的削弱，GB 50007采用折減系數(shù)方法來考慮，根據(jù)巖體與巖塊的差異程度，折減系數(shù)分別為0.1～0.5，可見最小的折減，也有2.0的安全系數(shù)，折減后的值即是特征值。本法通常偏于安全，因為沒考慮實際巖體周邊圍壓的有利作用。（2）原位載荷試驗：可用于所有巖體及各等級，甲級必用，具體操作詳見GB 50007-2011附錄H。（3）當巖質(zhì)地基為破碎、極破碎時，按土質(zhì)地基方法試驗。

對土質(zhì)地基：（1）原位載荷試驗：可用于各等級，甲級必用，具體操作詳見GB 50007-2011附錄C、D。（2）室內(nèi)土工試驗，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計得到。

上述工作均由地勘部門完成，地基基礎(chǔ)設(shè)計中設(shè)計使用其成果就可以了。僅當設(shè)計單位發(fā)現(xiàn)地勘數(shù)據(jù)不正常或不齊全時，向地勘單位提出來復(fù)查或補充解決。

5 結(jié)論

地基承載力是巖土工程設(shè)計中最重要的一個抗力指標，其設(shè)計用的代表值比較特殊，既不是標準值，也不是平均值，而是充分考慮了地基土變形性能的特征值。它的獲取方法取決于上部建筑物的設(shè)計等級，強烈依賴于試驗方法，并適當結(jié)合經(jīng)驗進行確定，特殊條件下可以根據(jù)理論公式進行計算確定。

歷史上，建筑地基承載力的確定與市政、水利、港口碼頭、鐵道、軌道工程等不盡相同，但只要是建設(shè)工程，各類工程材料（包括巖土）的抗力指標選取均應(yīng)滿足國家標準《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》GB 50153的整體框架。盡管各行業(yè)建設(shè)工程對地基承載力的規(guī)定仍有差異，但從趨勢來看趨于統(tǒng)一。