建筑地基基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中地基承載力可靠性分析

于海祥，朱曉凱，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重慶恒濱建設(shè)（集團）有限公司，重慶 401120；3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

土木工程最基本的科學(xué)性是工程結(jié)構(gòu)的可靠性。可靠性包括安全性、適用性與耐久性。由于我國現(xiàn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范規(guī)定地基承載力計算時的作用效應(yīng)采用正常使用狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)組合（不考慮荷載分項系數(shù)），因此地基安全性取決于地基承載力設(shè)計值的取值規(guī)定。換言之，地基承載力設(shè)計等同于地基安全性設(shè)計，相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對地基承載力的規(guī)定是地基安全性設(shè)計的具體體現(xiàn)。

現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，關(guān)于地基承載力極限狀態(tài)設(shè)計方法的規(guī)定還存在一些尚需澄清的問題，有必要了解形成這些規(guī)定的背景。本文對此作了點評，澄清了因規(guī)定表述不清引起的工程界的一些模糊認(rèn)識。要全面弄清楚這些規(guī)定，還涉及到巖土力學(xué)基礎(chǔ)理論、地基承載力基本概念（包括地基破壞模式、破壞界定標(biāo)準(zhǔn)與地基承載力的工程含義）及地基承載力確定方法等。

藉本文可以幫助工程技術(shù)人員正確理解與執(zhí)行現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于建筑地基承載力設(shè)計參數(shù)的確定方法，并有助于正確閱讀理解地質(zhì)勘察資料。

1 現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計勘察標(biāo)準(zhǔn)

地基與基礎(chǔ)密切相關(guān)，因此合并編制形成地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)綜合性較強時稱為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這類標(biāo)準(zhǔn)與勘察及各類檢測、驗收標(biāo)準(zhǔn)配套組成完整的地基基礎(chǔ)工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其中地基承載力設(shè)計規(guī)定是其中最基本、最重要的內(nèi)容。

現(xiàn)行的地基基礎(chǔ)工程國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有：（1）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007（目前年號為2011）；（2）《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ 79（目前年號為2012）；（3）《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94（目前年號為2008，順便指出，該標(biāo)準(zhǔn)雖然名稱表達上為樁基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，但同時包含樁基與地基的規(guī)定）；（4）《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》JGJ 106（目前年號為2014）；（5）《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》JGJ 6（目前年號為2011）；（6）《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021（目前年號為2001，現(xiàn)行為2009年版）；（7）《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 72（目前年號為2017）。

對重慶地區(qū)有地方標(biāo)準(zhǔn)：（1）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》DBJ 50-047（目前年號為2016）；（2）《建筑樁基礎(chǔ)設(shè)計與施工驗收規(guī)范》DBJ 50-200（目前年號為2014）；（3）《工程地質(zhì)勘察規(guī)范》DBJ 50-043（目前年號為2016）。

國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50153（目前年號為2008）作為土木工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，涉及地基可靠性時理應(yīng)從其規(guī)定。

由于我國幅員遼闊，區(qū)域差別很大，很多地區(qū)都制定了適合本地區(qū)的地基基礎(chǔ)工程標(biāo)準(zhǔn)，和國家標(biāo)準(zhǔn)可能有所區(qū)別。有時地方設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，比如重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》DBJ 50-047-2016[1]第4.2.7條對天然巖石單軸抗壓強度的折減系數(shù)，比國家標(biāo)準(zhǔn)取值大。因此，在巖土工程領(lǐng)域，國家標(biāo)準(zhǔn)有時嚴(yán)于地方標(biāo)準(zhǔn)，此時，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)先順序仍為：地方標(biāo)準(zhǔn)→行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)→國家標(biāo)準(zhǔn)。

2 工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50153所指工程結(jié)構(gòu)是土木工程結(jié)構(gòu)，巖土工程是土木工程的一個分支，所以該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋巖土工程的可靠性設(shè)計。根據(jù)GB 50153的定義[2]，可靠性表述為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力。要實現(xiàn)這項要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)具有安全性、適用性、耐久性。這三性表達了結(jié)構(gòu)可靠性的具體涵義，有時也將這三性概括稱為結(jié)構(gòu)可靠性；可靠度表述為：結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的概率，可靠度是可靠性的概率度量。其中，度量結(jié)構(gòu)可靠度的數(shù)值指標(biāo)為結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)。

確定結(jié)構(gòu)可靠性有三個概率準(zhǔn)則：（1）準(zhǔn)則I：半經(jīng)驗半概率準(zhǔn)則；（2）準(zhǔn)則II：近似概率準(zhǔn)則；（3）準(zhǔn)則III：全概率準(zhǔn)則?，F(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系主要規(guī)定有三個可靠性設(shè)計方法：

1）概率極限狀態(tài)法（以概率理論為基礎(chǔ)以分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設(shè)計方法)；

2）容許應(yīng)力法（使結(jié)構(gòu)在作用標(biāo)準(zhǔn)值下產(chǎn)生的應(yīng)力不超過規(guī)定的容許應(yīng)力的設(shè)計方法，其中容許應(yīng)力為材料或巖土強度標(biāo)準(zhǔn)值除以某一系數(shù)）；

3）單一安全系數(shù)法（使結(jié)構(gòu)的抗力標(biāo)準(zhǔn)值與作用標(biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)之比不低于某一規(guī)定安全系數(shù)的設(shè)計方法）。

上述方法1）屬于準(zhǔn)則II，方法2）、3）屬于準(zhǔn)則I。

工程科學(xué)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了從準(zhǔn)則I到準(zhǔn)則II的階段，目前處于準(zhǔn)則I準(zhǔn)則II并行階段。國標(biāo)GB 50153倡導(dǎo)使用準(zhǔn)則II。準(zhǔn)則II已成為建筑結(jié)構(gòu)主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)則III目前處于理論研究中，是遠期發(fā)展方向。

雖然準(zhǔn)則I會用到數(shù)理統(tǒng)計方法確定工程材料物理力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計值，但與準(zhǔn)則II有實質(zhì)不同，仍以經(jīng)驗確定安全系數(shù)，以總體安全系數(shù)（大老K）而非分項系數(shù)表達，因此稱為半經(jīng)驗半概率準(zhǔn)則，屬于定值法范疇[3]，雖隱含了安全度，但安全度無法科學(xué)度量。

隨著工程科學(xué)技術(shù)的進步，逐漸發(fā)展建立了更科學(xué)的可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與方法，即概率極限狀態(tài)法。其原則規(guī)定已體現(xiàn)在GB 50153中，并已在結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

我國土木工程各領(lǐng)域分屬不同行業(yè)，上世紀(jì)80年代各行業(yè)分別編制了本行業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)（即《xx行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》），其中建筑行業(yè)當(dāng)時為《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 68-84。但這些標(biāo)準(zhǔn)對具有共性的內(nèi)容，其可靠度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不盡一致。因此國家標(biāo)準(zhǔn)《工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50153-92在當(dāng)時應(yīng)運而生，它使我國土木工程各領(lǐng)域在處理可靠性問題上有了統(tǒng)一性與協(xié)調(diào)性標(biāo)準(zhǔn)。GB 50153是基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，在可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上是第一層級的。迄今GB 50153出現(xiàn)過兩個版本，即GB 50153-92與GB 50153-2008?，F(xiàn)行版本GB 50153-2008有了較大補充與改進。GB 50153倡導(dǎo)采用概率極限狀態(tài)法。但同時規(guī)定，當(dāng)缺乏統(tǒng)計資料時，也可采用容許應(yīng)力或單一安全系數(shù)等經(jīng)驗方法，即傳統(tǒng)方法。需要強調(diào)的是，現(xiàn)階段這條規(guī)定主要適用于巖土工程。

在GB 50153-92的基本框架下，建筑、水利水電、港口、鐵路、公路行業(yè)分別編制了本行業(yè)第二層級的可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，其中建筑行業(yè)為《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068-2001。各建設(shè)行業(yè)以此作為用于本行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并取代各自原先的《結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》，再據(jù)此編制出本行業(yè)的具體標(biāo)準(zhǔn)，包括地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

需要指出，目前的第二層級可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)GB 50153-92編制的，GB 50153-2008發(fā)布后理應(yīng)隨同GB 50153-92一并廢止。由于與GB 50153-2008配套的第二層級可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)尚未跟進編制，所以GB 50153-2008發(fā)布以后編制的各具體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是直接以GB 50153-2008為依據(jù)的，包括建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范GB 50007-2011、DBJ 50-047-2016。但早于GB 50153-2008，且目前仍在使用的某些具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與GB 50153-2008無依據(jù)關(guān)系，有符合性與協(xié)調(diào)性問題，比如JGJ 94-2008。但在安全性的規(guī)定上，GB 50068-2001與GB 50153-2008是一致的。

GB 50153-2008對工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計提出了基本要求，要求結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足本標(biāo)準(zhǔn)第3.1.2條列出的5項功能，第1、4、5款功能要求均屬于安全性原則要求。各行業(yè)、各專業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是滿足基本要求的具體體現(xiàn)。

3 地基設(shè)計可靠性理論

3.1地基可靠性的概念

按GB 50153-2008第3.1.2條的要求并根據(jù)地基工作狀態(tài)，建筑行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007-2011規(guī)定地基設(shè)計時應(yīng)考慮：1）在長期荷載作用下，地基變形不致造成承重結(jié)構(gòu)的損壞；2）在最不利荷載作用下，地基不出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象；3）具有足夠的耐久性能。

其中第1）條與因地基變形引起的上部結(jié)構(gòu)安全性、適用性及耐久性相關(guān)；第2）條與地基安全性相關(guān)。建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的具體規(guī)定是這三條基本要求的具體體現(xiàn)。

安全性的概率度量理應(yīng)為安全度，但GB 50153沒有安全度的提法。由于可靠度包含了可靠性三個涵義（安全性、適用性、耐久性）的概率度量，也不能簡單將可靠度與安全度等價。其實GB 50153本有必要把安全度從可靠度中分離出來單獨定義，用以直接與結(jié)構(gòu)承載力掛鉤。由GB 50153-2008附錄G.2安全性評定規(guī)定及各鑒定、檢測標(biāo)準(zhǔn)對安全性含義的規(guī)定，對建筑結(jié)構(gòu)，安全性評定包括結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件布置、構(gòu)造和連接、承載力。但對地基，明顯可以說地基承載力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)即為地基安全度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.2地基承載力標(biāo)準(zhǔn)中的可靠度體現(xiàn)

遵循GB 50153的倡導(dǎo)，建筑結(jié)構(gòu)已基本采用了概率極限狀態(tài)設(shè)計法。鋼材、混凝土、砌體等人工材料可控性強、變異性較小、統(tǒng)計數(shù)據(jù)充分。GB 50153對人工材料強度明確給出了概率分布模型及結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度指標(biāo)，采用概率極限狀態(tài)法有基礎(chǔ)工作的支撐。但對巖土工程，因巖土性質(zhì)極為多樣，差別很大，目前統(tǒng)計資料不足，缺乏基礎(chǔ)工作的支撐。GB 50153指出巖土性能標(biāo)準(zhǔn)值宜根據(jù)實驗結(jié)果按有關(guān)規(guī)定確定，未給出概率分布模型及目標(biāo)可靠度指標(biāo)?，F(xiàn)階段除港口、水利水電領(lǐng)域及個別地區(qū)作了嘗試以外，地基工程采用的仍是傳統(tǒng)可靠度設(shè)計方法。

就全國范圍來說，區(qū)域性差異大，概率極限狀態(tài)設(shè)計法作為巖土工程的發(fā)展方向，隨著理論研究的發(fā)展、實驗及統(tǒng)計資料的補充完善，將以形成地方標(biāo)準(zhǔn)為主。

條件不成熟時追求形式上的極限狀態(tài)設(shè)計法會造成設(shè)計可靠度的實際混亂。上世紀(jì)后葉，國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)規(guī)范》GBJ 7-89、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-94按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 68-84的理論框架，在地基基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)率先執(zhí)行概率極限狀態(tài)設(shè)計法，但理論與實踐都不成功。主要原因就是統(tǒng)計資料不足，只能在分項系數(shù)的確定上作校準(zhǔn)法調(diào)整。對JGJ 94-94[4]，作用采用基本組合，普通民用建筑約為標(biāo)準(zhǔn)組合的1.25倍，抗力分項系數(shù)根據(jù)樁型及工藝采用1.60到1.70不等。取其中間值1.65舉例：得出1.25×1.65=2.06，近似于安全系數(shù)為2，可見只是將安全系數(shù)肢解了而已。對GBJ 7-89，作用采用基本組合，但抗力設(shè)計值并非由抗力標(biāo)準(zhǔn)值除以抗力分項系數(shù)得到，規(guī)定的抗力設(shè)計值比標(biāo)準(zhǔn)值還大，不合符概率極限狀態(tài)法的規(guī)定。

進一步說明如下：雖然GB 50153允許（過渡時期）采用校準(zhǔn)法確定目標(biāo)可靠度，即在總體上承認(rèn)傳統(tǒng)經(jīng)驗法隱含的可靠度水平，但仍需要根據(jù)抗力的概率分布類型和統(tǒng)計參數(shù)，運用概率極限狀態(tài)法的計算方法，來揭示用傳統(tǒng)經(jīng)驗法計算的既有工程所隱含的可靠度，并以此作為目標(biāo)可靠度，用目標(biāo)可靠度指標(biāo)來換算地基抗力分項系數(shù)，按換算得來的分項系數(shù)做設(shè)計計算得到的設(shè)計可靠度指標(biāo)才與目標(biāo)可靠度指標(biāo)具有一致性，才符合概率極限狀態(tài)法。當(dāng)將來實施了足夠數(shù)量的校準(zhǔn)設(shè)計工程后，還可通過工程檢測反饋的數(shù)據(jù)信息進行再驗證，必要時可根據(jù)驗證結(jié)果進一步優(yōu)化調(diào)整目標(biāo)可靠度指標(biāo)，使之更好地符合國家經(jīng)濟政策。因為目標(biāo)可靠度指標(biāo)是根據(jù)安全與經(jīng)濟的最佳平衡并綜合多種因素后，以國家經(jīng)濟技術(shù)政策的性質(zhì)人為選定的指標(biāo)。

之后GB 50068-2001將舊版GB 68-84的“應(yīng)遵守本標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定”改為“宜遵守本標(biāo)準(zhǔn)的原則”[5]，并完善了正常使用極限狀態(tài)的表達式，認(rèn)可了地基設(shè)計中可采用正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，GB 50007-2002、JGJ 94-2008又改回到傳統(tǒng)可靠度設(shè)計方法上來了。因為GB 50068-2001與GB 50153-2008在安全度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上是一致的，GB 50007-2011與GB 50007-2002在安全度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)上也一致。

除JGJ 94-2008屬于單一安全系數(shù)法外，其余都屬于容許應(yīng)力法。

3.3建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可靠性表達的變遷

國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007是地基基礎(chǔ)工程標(biāo)準(zhǔn)體系的國家標(biāo)準(zhǔn)，也是基本標(biāo)準(zhǔn)，在安全度規(guī)定（包括地基承載力確定方法）方面，其余地基基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)與其一致。

截至目前，GB 50007前后經(jīng)歷了4個版本：1）《工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》TJ 7-74（簡稱74版）、2）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GBJ 7-89（簡稱89版）、3）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007-2002（簡稱02版）、4）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 50007-2011（簡稱11版）。各版本與各階段的技術(shù)發(fā)展條件和可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)。

其中，74版屬于容許應(yīng)力法（容許承載力-作用標(biāo)準(zhǔn)組合）；89版形式上屬于極限狀態(tài)設(shè)計法（承載力設(shè)計值-作用基本組合），未體現(xiàn)以概率理論為基礎(chǔ)；02與11版實際為容許應(yīng)力法（承載力特征值-作用標(biāo)準(zhǔn)組合）。74版之前我國一直使用前蘇聯(lián)規(guī)范。

4 結(jié)論

地基承載力設(shè)計的重要任務(wù)是滿足既定的可靠性。地基承載力的可靠性設(shè)計方法，歷史上經(jīng)過了從經(jīng)驗法向半概率論方法的過渡，目前標(biāo)準(zhǔn)所采用的設(shè)計表達式形式上采用了概率論極限狀態(tài)法的分項系數(shù)表達式，仍需采用基于安全系數(shù)的經(jīng)驗法的校核，但是總體技術(shù)水平有了很大的發(fā)展。由于巖土工程特性的不確定性性、復(fù)雜性，概率極限狀態(tài)法應(yīng)用于巖土工程包括地基工程，尚需通過進一步的理論研究、實踐經(jīng)驗與統(tǒng)計數(shù)據(jù)的積累逐步實現(xiàn)。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和工程經(jīng)驗的積累，地基抗力分項系數(shù)的確定將更符合概率極限狀態(tài)法的精神實質(zhì)。