国内外地基承载力确定方法的异同

高晓兵，陈刘浩，宋俊杰

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

在“一带一路”倡议的指导下，中国企业不断开拓市场，投资、建设境外工程。境外工程与国内工程最大的区别在于使用的国家标准不同，从而导致勘察、设计成果不尽相同。现有研究对国内外设计规范的异同分析较多，对国内外勘察规范的异同分析较少，而勘察成果作为设计的基础依据，其成果的可靠性对设计方案起至关重要的作用。因此，分析国内外勘察规范的异同，从源头上解决因不同规范产生的偏差，是十分必要的。

阿布扎比哈里发港集装箱码头二期工程是国家“一带一路”的样板工程，本文依托该工程的勘察资料，着重分析中国规范与欧美规范在确定地基承载力方面的异同点，明确境外工程地基承载力的确定方法，用于指导境外工程勘察报告的编制。

1 中国勘察规范体系

我国现有的岩土工程勘察规范种类繁多，包括国家标准、行业标准、地方标准，因行业不同又分为不同的类型，如水运、水利水电、铁路、公路等。各种规范总体要求基本一致，但因侧重点不同也存在不同要求。在涉及到特殊行业或特殊性岩土时，有特殊性勘察规范。

中国规范中很多方法是经过大量的工程实践证明的[1]，做到了精细化、标准化，计算公式和适用条件具体化，实用性较强。参数取值、计算公式在规范中均有体现，根据工程特点可找到相应规范直接套用，可操作性强。规范中地基承载力确定方法一般采用解析公式法(Hansen公式、Terzaghi公式)、查表法、原位测试法[2](载荷板试验、静力触探试验、标准贯入试验)等。

《建筑地基基础设计规范》[3]规定的地基承载力特征值计算公式为：

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck

(1)

式中：fa为地基承载力特征值(kPa)；Mb、Md、Mc为地基承载力系数，按《建筑地基基础设计规范》中的承载力系数表取值；γ=ρg，ρ为基础底面以下土的密度(tm3)；b为基础底面宽度(m)；γm=ρmg，ρm为基础底面以上土的加权平均密度(tm3)；d为基础埋置深度(m)；ck为基底下1倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值(kPa)。

《高层建筑岩土工程勘察标准》[4]规定的天然地基极限承载力理论计算公式为：

(2)

式中：fu为地基承载力极限值(kPa)；Nγ、Nq、Nc为地基承载力系数，按《高层建筑岩土工程勘察标准》中的极限承载力系数表取值；ζγ、ζq、ζc为基础形状修正系数，按规范中附录B表B.0.1-2取值；γ0=ρ0g，γ=ρg，ρ0、ρ分别为基底以上和基底组合持力层的土体平均密度(tm3)；b为基础底面宽度(m)；d为基础埋置深度为地基持力层代表性黏聚力标准值(kPa)。

《港口工程地质勘察规范》[5]规定的地基容许承载力可按照标贯击数查表法获得，容许承载力与标贯击数关系见表1，表中未列出的击数通过插值法计算获得。

表1 砂土容许承载力与标贯击数关系

2 欧美勘察规范体系

在非洲及中东地区岩土工程勘察中，一般应用Eurocode7系列和BS 1377系列；欧洲规范反映了欧盟的勘察水平，也经过了大量欧洲国家和非洲国家工程的检验，一定程度上反映了世界水准。欧洲规范很少涉及具体的计算方法，通常都是基本原理，以指导性为主，实践中可转化为本国规范，强制性约束相对较少。地基承载力的计算方法一般采用国际上通用的基本方法，如Terzaghi公式和Meyerhof公式。

欧洲地基承载力一般采用PrinciplesofFoundationEngineering[6]中的Terzaghi公式：

(3)

式中：qu为地基承载力极限值(kPa)；Nγ、Nq、Nc为地基承载力系数，按PrinciplesofFoundationEngineering(7th Edition)中的极限承载力系数表取值；γ=ρg，ρ为土体的密度(tm3)；b为基础底面宽度(m)；c′为地基土层的黏聚力标准值(kPa)；q为基础埋置深度内土的自重应力(kPa)。

对于条形地基在局部剪切破坏时，可采用修正的Terzaghi公式：

(4)

式中：N′γ、N′q、N′c为修正的地基承载力系数，按表2(仅部分列出)取值。

在东南亚及美洲地区岩土工程勘察中，一般应用美国标准。美国地基承载力计算一般采用FoundationEngineeringHandbook[7]或EngineeringManualNo.1110-1-1905[8]中的计算公式，也是修正的Terzaghi公式：

(5)

式中：qu为地基承载力极限值(kPa)；Nγ、Nq、Nc为修正的地基承载力系数，按上述手册中规定的极限承载力系数表取值(表2)，与欧洲规范中取值基本一致；γ′H=ρ′Hg，ρ′H为基础底面以下土体的有效密度(tm3)；b为基础底面宽度(m)；b′为基础最小有效宽度(m)，等于b-2eb；σ′D为基础底面的有效应力；eb为偏心距；c为地基土层的黏聚力标准值(kPa)；ζγ、ζq、ζc为关于黏聚力、土体密度和荷载的修正系数，对于条形地基，其值为1。

表2 极限承载力系数

欧美也通过标准贯入试验击数计算地基承载力，对于沉降量较小(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为地基承载力(kPa)；Fd为深度系数；Se为沉降量；B为基础宽度；N60为修正的标贯击数；Nm为实测标贯击数；CN为上覆土压力；CE为能量修正系数；CB为孔径系数；CR为杆长修正系数；CS为取样器修正系数；Df为基础埋置深度。

3 承载力确定方法的异同

3.1 依托工程概况

阿布扎比哈里发港集装箱码头二期工程位于阿拉伯联合酋长国阿布扎比和迪拜之间，阿联酋首都阿布扎比的塔维拉(Al Taweelah)。哈里发港是哈里发工业园区的重要组成部分，港口和工业园的资产均属于阿布扎比港务局持有和管理，东距迪拜80 km，西距阿布扎比60 km。

道路堆场的ARMG基础采用弹性地基梁结构+可调式钢轨基座方案，地基土体物理力学指标通过原状取土孔及原位标准贯入孔获得。

经勘探，拟建堆场范围主要地基土层包括人工回填层和新近沉积钙质砂岩两大类，主要特征如下：

①人工回填层。中密-密实，局部松散-稍密状的粉砂，含砾石，该层厚度约12 m，实测标贯击数为14～50击，平均值为25击，浅层砂中密-密实，深层砂稍密，局部松散。浅部硬壳层厚度为5～6 m，下部松散-稍密砂层一般厚度为6～7 m。

②钙质砂岩。原岩结构清晰，岩芯较为完整，一般在地面12 m以下。岩石饱和抗压强度为0.9～4.6 MPa。

典型地层分布见图1。

注：N为标贯击数；右侧数字为深度(高程)，单位为m。图1 典型工程地质剖面

3.2 承载力确定方法的相同之处

1)无论是中国规范还是欧美规范规定的计算方法，其结构组成基本一致，都采用了抗剪强度指标。

2)中国规范及欧美规范均规定可通过原位测试(如标准贯入试验)确定地基承载力。特别是对于砂土，难以取得原状土样，标贯试验无疑是确定地基承载力的优选方法。

3.3 承载力确定方法的不同之处

1)计算方法的应用。欧美规范多数采用修正公式，对于不同基础形式、地基土层，修正公式多样；中国规范采用的计算公式相对较为单一。

2)原位测试法的应用。欧美规范采用标贯法计算承载力时，一般采用修正的Meyerhof公式，对使用条件进行了限定，适用性有一定的局限性。中国规范一般采用查表法或经验公式法，结果往往汇聚了大量的工程经验，具有一定的区域性和行业性。

3)地基承载力选值。欧美规范一般选用地基承载力极限值，中国规范一般选用地基承载力特征值，两者之间通过安全系数进行转换。

4)安全系数的确定。欧美与中国对于安全系数的确定差异较大，欧美规范中安全系数一般不会小于2.5，最小2.0；中国规范中根据极限承载力确定容许承载力安全系数一般取2.0～3.0。

3.4 地基承载力的确定

依托工程以砂土层为基础持力层，砂土层指标为φ=32°、ρ=1.83 tm3，平均标贯击数25击。

按中国规范采用Terzaghi理论公式计算的地基承载力特征值为qa=180 kPa；按中国规范采用标贯击数确定地基承载力，查表1得地基容许承载力为230 kPa；按欧美规范采用Terzaghi理论公式，安全系数采用2.5，基础埋深2.0 m，基础宽度2.0 m，计算地基承载力容许值为qa=170 kPa；按欧美规范采用标贯击数确定地基承载力，其中CN=1.308，CE=0.9，CB=1.0，CR=0.75，CS=1.0，计算得N60=22，Fd=1.33，qa=300 kPa。

从计算结果看，采用理论公式计算，我国与欧美地基承载力计算结果基本一致；采用标贯试验法推算或查表，我国规范规定的地基承载力值偏小。因此，在实施采用欧美标准的岩土工程勘察设计时，须仔细研究欧美规范的相关规定；当确定地基承载力(尤其是砂土地基)时，应按照欧美标准执行，否则可能引起设计方案的差异和工程投资的增加。

4 结论

1)地基承载力选值时，中国规范一般选用特征值，欧美规范一般选用极限值，两者之间通过安全系数进行转换。中国规范中安全系数一般取2.0～3.0，欧美规范中安全系数一般不会小于2.5，最小2.0。

2)采用公式计算地基承载力，中国与欧美地基承载力计算结果基本一致。采用标贯试验法推算或查表，我国规范规定的地基承载力值偏小。

3)在实施采用欧美标准的岩土工程勘察设计时，须仔细研究欧美规范的相关规定。当确定地基承载力(尤其是砂土地基)时，应按照欧美标准执行，采用标准贯入试验法推算。