中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308
摘要：以当前铁路主要技术政策思想为指导，针对《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》（Q/CR 9300-2014）中地基设计方法和地基承载力确定方式等问题，通过对主要政策、国内外规范对比及相关技术领域发展现状的对比分析，尝试性研究适合铁路桥涵地基和基础的设计方法，提出相应的解决方案，为今后规范的修编提供参考。
关键词：铁路桥涵；极限状态法；地基和基础；地基承载力
Some Suggestions on the“Subsoil and Foundation”Part of the Limit State Design Method of Railway Bridge and Culvert
YANG Jun-sheng
China Railway Liuyuan Group CO., LTD, Tianjin, 300308, China
Abstract: With the main technical policy thoughts of the current railway as a guide, according to the method of foundation design and determination of bearing capacity of the “Q/CR 9300-2014, Interim Code for Limit State Design of Railway Bridge and Culver”, using comparative analysis of the main policies, domestic and foreign standard comparison and the development status of related technologies, the design method which suitable for railway bridge culvert subsoil and foundation was studied, and the corresponding solution was proposed, which can provide reference for specification revision in future.
Key words: bridge and culvert, limit state design method, subsoil and foundation, bearing capacity
1引言
2011年，根据原铁道部《关于印发2011年铁路工程建设标准编制计划的通知》（铁建设函[2011]10号）、《关于印发铁路工程结构极限状态法设计标准转轨工作实施方案专题会议纪要的通知》等相关会议精神，各铁路设计院迅速开展了桥涵、路基等相关专业极限状态设计方法取代容许应力法的规范编制修订工作，编制过程中，针对地基基础设计方法，仍有一定的争议和不同的观点。一部分学者认为，岩土工程的不确定性非常大，不能精确计算，另一种观点认为正是由于岩土工程的不确定性，只有采用极限状态法才能去量化各种不确定性[1]。另外，在地基和基础极限状态设计法中，地基承载力是一项基本参数，在“转轨”过程中，它如何配套极限状态法以及以何种方式确定也是众多学者一直在探索的问题。2014年，中国铁路总公司发布了《铁路桥涵极限状态法设计暂行规范》（Q/CR 9300-2014）（以后称“暂规”）[2]，规范中，地基基础部分采用了极限状态设计法；针对地基承载力，为了配套极限状态法，相应提出了地基极限承载力基本值、地基土承载力特征值、修正后地基土承载力特征值、地基承载力设计值等术语，提供了地基极限承载力基本值经验值表，并引入了土性系数。
以当前铁路主要技术政策为指导，结合工程结构可靠性设计统一标准，通过对国内外相关行业的调研，对《暂规》中地基设计方法和地基承载力的确定方式合理性进行尝试性研究，提出修改建议，研究结果可为今后规范的修编提供参考。
2地基设计方法研究和建议
《暂规》中地基设计部分进行了极限状态法形式上的转轨，根据调查研究，目前国内外针对上部结构采用极限状态法设计已经形成共识，但下部基础是否采用极限状态法仍存在较大争论，本章将对主要政策进行研究，研究适合铁路桥涵地基基础部分的设计方法，为今后规范的修编提供参考。
2.1可靠度政策标准研究
《铁路工程结构可靠性设计统一标准（试行）》（GB50216-94）中条文1.0.3指出[3]，铁路工程结构设计应采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法；当缺乏统计资料时，可根据可靠的工程经验或必要的试验研究，采用其他设计方法进行设计。
以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法已广泛应用到国内外工程结构设计领域中，这是我国铁路工程结构设计方法的发展趋势。
概率极限状态设计法是以大量的统计资料为基础。考虑到各类工程结构所具有的统计数据在质与量两个方面都很有很大差异，在某些领域甚至没有统计数据，因而规定当缺乏统计数据时，工程结构设计需根据可靠的工程经验或通过必要的试验研究进行，继续按传统模式采用容许应力或单一安全系数等经验方法进行。对于某些工程无法采用可靠指标来表征结构可靠度时，也可不通过可靠指标，采用非概率极限状态法进行设计。
《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）条文1.0.3更是明确指出[4]，工程结构没计宜采用以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态没汁方法；当缺乏统计资料时，工程结构设计可根据，可靠的工程经验或必要的试验研究进行，也可采用容许应力或单一安全系数等经验方法进行。
我国在工程结构设计领域积极推广并已得到广泛采用的是以概率理论为基础、以分项系数表达的极限状态设计方法。但这并不意味着要排斥其他有效的结构没计方法，采用什么样的结构设计方法，应根据实际条件确定。概率极限状态设计方法需要以大量的统计数据为基础，当不具备这一条件时，工程结构设计可根据可靠的工程经验或通过必要的试验研究进行，也可继续按传统模式采用容许应力或单一安全系数等经验方法进行。
荷载对结构的影响除了其量值大小外，荷载的离散性对结构的影响也相当大，因而不同的荷载采用不同的分项系数，如永久基础设计时，如用容许应力方法确定基础底面积，用极限状态方法确定基础厚度及配筋，虽然在基础设计上用了两种方法，但实际上也是可行的。
2.2国内外相关规范研究
在岩土工程中，由于岩土性质受地质条件及环境因素的影响，岩土性质的变异性极大。在岩土工程的结构可靠度设计方法方面，国际上普遍均未达到采用可靠指标量度的水平，而仍然沿用总安全系数的方法（即容许应力法）。对目前国内主要行业的地基设计方法进行了调研结果显示（表1），除港口行业进行了一些有益的尝试外，铁路、公路及国家标准与国际上大多数国家一样，对岩土工程的安全性，在设计时，仍采用安全系数的方法来体现。这是比较符合当前岩土工程技术水平的发展现状的，岩土工程界在处理实际工程问题时，也按这种做法，已积累了大量的宝贵经验，在工程实践中，便于实施应用。
2.3小结
通过国内外主要规范标准研究，上部结构采用极限状态法、地基基础部分仍采用容许应力法是可行的，比较符合当前岩土工程技术水平的发展现状的。
3地基承载力研究和建议
3.1《暂规》地基承载力确定方法
现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093-2017）有关地基承载力的定义如表2[5]，《暂规》针对地基承载力，提出了地基极限承载力基本值、地基土承载力特征值、修正后地基土承载力特征值、地基承载力设计值等术语，同时提供了地基极限承载力基本值经验值表，并引入了土性系数。《暂规》中有关承载力的定义如表3。
通过表2和3可以发现，极限状态设计法中，确定地基承载力设计值需要经过四个步骤：
（1）确定地基极限承载力基本值，该值可以通过查规范中的经验表格得到；
（2）经土性系数折减，得到地基土承载力特征值，该特征值与《铁路工程地质勘察规范》（TB 10012-2007）或《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093-2017）规范中的基本承载力数值上相近；
（3）进行深宽修正，得到修正后地基土承载力特征值，该值与《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093-2017）规范中的地基容许承载力相近；
（4）再经过结构可靠度修正，得到地基承载力设计值。
《暂规》针对地基承载力概念的变化产生的问题是，承载力术语多，与现行《铁路工程地质勘察规范》（TB 10012-2007）中基本承载力不一致，勘察人员容易混淆，引入的“土性系数”容易引起设计人员的困惑，同时针对承载力的提供方法，是通过原位测试还是提供经验值表，仍值得进一步探讨。针对上述问题，本章将继续对主要政策和标准进行研究，研究适合铁路桥涵地基承载力的提供方法，为今后规范的修编提供参考。
3.2承载力确定方法相关政策标准研究
（1）发展原位测试技术是铁路主要技术政策的要求
《铁路主要技术政策》（2013年1月）提出了实施信息化、系统化、综合化、数字化、智能化的技术要求，在第36条着重提出要“实现勘测设计一体化、数字化，不断提高勘察设计水平和质量”，因此，地质勘察发展要以原位测试为主的勘测技术，全面推进铁路信息化建设，积极发展应用物联网、云计算、地理信息、卫星导航、下一代互联网等现代信息技术，使桥涵设计与地基勘察、测试以及监测、反馈一体化成为可能。
（2）深化原位测试技术是国家规范依据的要求
国家及铁路有关可靠性设计统一标准中对岩土的性能的有关条文都强调原位测试，六个标准抄录[6]~[9]，对比如表4。
现有的地基承载力确定方法主要有载荷试验、其他原位测试法、根据土的抗剪强度指标用公式计算法、根据土性参数查表法、经验类比法等。铁路、公路、港口、建筑等规范中都首推通过原位测试技术合理确定地基承载力的方法（表5）[10]~[12]。
建设部《建筑地基基础设计规范》自2002版取消了承载力表确定承载力的方法，取消了根据土性参数查表法，强调采用载荷试验或其他原位测试技术作为确定地基承载力的主要方法，在新版《建筑地基基础设计规范》2011版中，更是明确了原位测试的重要性，并表明静力触探、动力触探、标准贯入试验等原位测试，用于确定承载力，在我国已有丰富经验，可以应用。承载力表的取消进一步凸现了原位测试技术的重要性。
（3）岩土工程实践对原位测试技术的要求
卢肇钧院士总结了国内外土力学界专家学者的共识认为[13]：土的性质极其复杂且具有区域性，还没有任何一种土力学理论能在一次计算中概括土的全部复杂性质，计算参数的选取最重要，无论计算技术如何精确，实际的计算结果不能超过其参数的测定精度。对于重要工程只能：“现场试验、原型观测、反馈修正”。反映了以现场原位测试为主的勘察、信息化设计、动态施工控制要求，为21世纪土力学发展、为提高了岩土工程可靠性指明了方向。
3.3小结
通过现场原位测试为主的勘察，符合“现场试验、长期监测、反馈修正”这一国内外专家共识的21世纪土力学发展的方向。通过原位测试取得可靠的岩土参数，已为主要政策和多数人认可。建议《暂规》中删除有关承载力经验值表，或将表移至条文说明，确定方法建议采用载荷试验或其他原位测试方法。
4《暂规》中“地基和基础”部分修改建议
通过研究，提出以下几个修改建议，详见表6，供今后《暂规》修编提供参考。
5结论
对《暂规》“地基和基础”部分有关设计方法和地基承载力进行了研究，提出了地基基础设计方法建议，通过以上研究，可得出以下几点结论：
（1）地基基础设计中，上部结构采用极限状态法、地基基础部分仍采用容许应力法是可行的，比较符合当前岩土工程技术水平的发展现状的；
（2）通过原位测试取得可靠的岩土参数，是主要政策要求，也是21世纪土力学发展的方向。建议《暂规》中删除有关承载力经验值表，或将表移至条文说明，确定方法建议采用载荷试验或其他原位测试方法；
（3）提出了《暂规》“地基和基础”部分的修改建议方案，供今后规范修编提供参考。
参考文献
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论文作者:杨军生
论文发表刊物:《防护工程》2019年8期
论文发表时间:2019/8/5
标签：地基论文; 承载力论文; 方法论文; 极限论文; 原位论文; 桥涵论文; 状态论文; 《防护工程》2019年8期论文;