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【精华】欧洲规范教学系列——EC7系列讲座(四)——岩土设计的材料和几何尺寸

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2017年7月2日 | 欧洲规范
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上几周刘工在潜心阅读吴哥窟和印度教的一些东西,因此没有更新,今天,刘工为大家深入浅出地分享一下作为大三变量中另外两个——材料和几何尺寸。

材料,是土木工程设计中最为重要的一个环节。极端点说,评判一个工程师是否优秀的一个最基本的因素就是对于材料是使用是否恰如其分,土木工程师就是材料魔术师。对材料的应用体现在很多方面:一个简单的混凝土梁受弯就体现了对混凝土和钢筋这两种材料的扬长避短——混凝土受压强度高,而钢筋受拉又可以避开失稳的问题;而组合楼板又是一个混凝土帮助钢结构解决失稳、充分发挥强度的经典例子……单纯地从这一点来讲,刘工对鸟巢的设计就不敢苟同了,从材料用量来讲,这真是一个最经典的教训了,而现在又变成一个开演唱会的烂草坪,刘工更是痛心。
岩土工程中材料的应用更为单纯,请大家切记,岩土工程的主角永远是土,应用的好,土是孙子,是抵抗外力的材料;应用得不好,土就是大爷,变成需要被抵抗的荷载了……

1) 一般材料一般材料是指大部分的建筑材料,例如钢筋、混凝土等,它们有一个特点,即全是人造材料。而当样本数达到一定的数量且随机分布时,就会符合正态分布。规范也采用了正态分布的概念并且明确提出要求有95%的保证率为特征值,下图可以直观地表达出特征值的上界和下界。规范进一步简化了过程,直接引入材料分项系数的概念,方法应用。

对于荷载,我们一般关注的是特征值的上限值,因为这个意味着荷载的超越概率不大于5%;而材料则是更多的关注下限值,使强度的保证率达到95%以上。当然不是所有的材料都取下限值,例如在设计挡土墙时,土的重力其实对结构是不利的,所以我们要取重度的上限值;同理,在计算桩的负摩阻力时,也是同样的原理。话说回来,本质上要分清一个东西是荷载(外力)还是材料(抗力),然后按不利的取即可。

2) 土刘工说过,岩土工程师做设计就是玩土的过程,但切不可小看土,土作为自然生成的一种材料,人类至今都没有能完全搞清楚土的性质,大家千万不要以为大学学过一个摩尔——库仑模型就认为没问题了,刘工在研究生课程里至少又学过三种更高端的本构模型,真是越学越心虚呐。(有木有感觉身体被掏空?) 归纳起来,土有以下这几种特性:(1)    每一个区域、甚至每一个场地的土的性质都是不同的,而不像混凝土、钢筋,只要按着一定的标准制作出符合一定要求的材料即可通用;(2)    土工试验的精度和准确性非常不稳定,很大程度上决定取样和试验过程中的人的技术水准;(3)    土是大自然生成的产物,因此生性多变,难以捉摸;(4)    业主总是认为勘察没鸟用,只给拨一点点的钱。
造成这种后果的原因主要是两个,一是自然造成的,另一个是人为因素。对于自然原因,我们没有适合办法,人不能与天斗,只能做更多的勘察去了解当地的地质情况。至于人为因素,我们是可以尽量避免或者最小化的,同时应用经验来对勘察的结果进行判断甄别,同时要明白原位测试会比室内试验要精确,因为室内试验从取土开始到运输、保存再到最后的试验,会对土体有扰动,导致应力水平与原始状态发生变化,造成结果的不精确,例如,对于求不排水固结强度,我们可以用标准贯入度(SPT)或者是三轴仪(UU test),下图是同一层土分别用两个试验的结果:

对于第二个实验结果,相信大部分从事结构设计的严谨的人内心是崩溃的,可以非常明显的看到,使用三轴仪的试验结果离散性更大,而且大部分的结果是偏小的,主要是因为试块保存的过程中发生了应力松弛,所以强度会降低。因此,无论大家是在设计勘察方案,还是看勘察报告,一定要辩证地去看待,多留一个心眼。当然刘工不是一味地要求大家去多做原位测试,有些试验还是可以给出很好的精度的。

当我们拿到试验结果之后,下一步就是选取特征值了。在EN 1990的第4.2条第3款中提到,特征值的取值保证率为95%,但是这个只适用于人造材料,对于岩土这种离散性较大的材料,就不再适用了,例如对于混凝土、钢结构的变异系数(定义见《岩土工程勘察规范》14.2.2条)大部分可以控制在20%以内,而对于土的黏聚力(c’, cu),其变异系数能在20%到50%,甚至更高…… 

因此,在EC7中重新定义了特征值的定义(见2.4.5.2第(2)款):The characteristic value of a geotechnical parameter shall be selected as a cautious estimate of the value affecting the occurrence of the limit state. 

注意,这句话可以说是完全颠覆了对特征值的理解,或者说也可以看出岩土设计与结构设计本质上的不同之处。我们要对这个所谓的谨慎估算进行一个全方位的剖析:在岩土设计中的特征值不再是一个有多少保证率的值,而是一个根据所验算的内容而变动的值(大家是不是想起来刘工以前写过的另一篇文章,关于永久荷载的分期系数的选取?),刘工举一个很有意思的例子:
例如有一个大型的桩筏基础100m x 100m(不要问刘工为什么不做沉降缝,例子,仅仅是栗子),里面有10组勘察试验数据,(1)      当我们要验算筏板基础的地基承载力时,我们该怎么分别选取土和桩的弹性模量?(2)      如果要验算桩的承载力,又该怎么取?(3)      如果要验算的是地基的沉降,二者的弹性模量又该取什么值?
对于前两个问题,从事结构设计的同学们应该会很容易理解,要算哪一个就把哪一个的弹性模量取上限值,另一个取下限值,这样力可以最大限度地传到弹性模量大的结构上,这样就成为了所谓的谨慎估算。至于如何取上限值和下限值,我们可以用统计学的方式,即高斯分布再加上一些修正系数来获得。而对于沉降,因为沉降与承载力相比,是一个结构的整体性行为,所以刘工的经验就是取试验结果的平均值即可。关于以上的论点,大家也可以参照《水利水电工程地质勘察规范》E.0.2条,也有类似的分析。

大家觉得很简单、很无聊是不是?好戏才刚开始,你们不是说基础太大嫌刘工不设沉降缝么,好,现在另一个小的桩筏基础,只有10m x 10m,基础范围内只有一个钻孔,也只有一组试验数据,上述同样的三个问题,请问怎么取值?

在上文中,刘工提到岩土参数如何利用高斯分布再加修正系数来取值,这个刘工会在之后专门来一讲和大家讨论,此处鉴于篇幅所限,就不展开讨论了。

3. 几何尺寸几几何尺寸应用最精彩的地方在于钢结构直接分析法当中的整体偏心和局部偏心,这个从后台大家给刘工的留言以及欧标讨论QQ群中可以感觉到。在岩土中,几何尺寸的特征值主要应用在两个方面:
(1)6.5.4条,当基础承受大偏心力时,要对设计的偏心进行修正,并且不小于0.1m;(2)9.3.2.2条,对于开挖项目,开挖面要根据挡土墙的类型进行超挖修正,最大为0.5m。
除了以上两条,大家就不用担心岩土设计中几何尺寸的修正问题啦,不过在软土地基中,超挖0.5m也会搞死人的。

 

精选留言
  •  
    BS EN 1992-1-1:2004 2.3.4.2中 补充说明对现浇桩基础应该对桩基直径进行修正,这个应该也是岩土工程方面 几何尺寸修改吧

    2016年11月1日

     
    作者回复
    非常正确!谢谢补充。我在讲桩的设计时候会讲到,这个修正只对结构承载力有效,在计算桩测摩阻力和端承力时不折减。

    2016年11月1日

邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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