柒、比較分析 - 基礎構造設計模式合理化之探討

前述各章已節錄世界各主要國家及我國現行之基礎工程設計規範，由其中可看出各先進國家之基礎設計均已逐漸由容許應力法改進為極限強度設計法，例如美國 UBC 規範之基礎設計雖仍採用容許應力法，

但結構設計早已加入 LRFD 設計法；AASHTO 規範也是工作載重與極限強度設計法兩種併用；至於歐洲共同規範則已完全改為限度狀態設計法；最新日本道路橋耐震設計規範亦於阪神地震後加入基礎韌性之檢核。由上述世界各國規範之演進，顯見「限度狀態設計法」已逐漸成為工程設計之主流，而我國建築構造之結構設計規範雖已採用極限強度設計法，但基礎設計則以容許應力法與極限強度設計法並用之，其中基礎分析時以容許應力法為之，而基礎結構設計則已大部分採用強度設計法，兩方法之載重係數與抗力係數均不相同，造成設計分析上相當大之困擾，為克服此設計盲點，並為趕上世界工程設計之潮流，實須趕快加緊腳步，著手研究如何改進我國現行之基礎設計規範。

由於我國尚未有基礎極限強度設計法之經驗，在研究初期，首應參考先進國家已有之設計規範。在已採用基礎極限設計法之規範中，以美國 AASHTO 及歐洲共同規範之內容最為完整詳細，可資參考。兩規範

內容，實不易洞悉其中之差異性，必須針對實際之設計情況作有系統地比較，方能全然了解設計結果之差異性。本章以下將舉建築物基礎常採用之條形連續基腳與基樁兩例，針對最基本之假設載重情況作比較分析，並討論其結果，作為我國將來改進基礎設計規範之參考。

7-1 條形連續基腳

條形連續基腳之垂直承載力問題為基礎工程中最典型之案例，各規範均有相當詳盡之設計規定，是最佳之比較案例。對一基腳寬度為 B 之條形基礎，本研究僅考慮下列兩種最基本之設計情況：

(i) 正常情況(N)－包括呆載重(D)與活載重(L)

(ii) 地震情況(EQ)－包括呆載重(D)、活載重(L)與地震載重(EQ)

為使各規範分析結果具有一量化之比較標準，今假設基腳所受活載重為其呆載重之五分之一

(

^L=⁰^.²^D

)

，地震載重對基腳所造成之載重偏心距為基腳寬度之百分之五

(

^e ^{= 0 05}^. ^B

)

。又為方便作比較，以下分析選用 工作載重設計法之正常載重 D+L（未經係數化）作為比較之標準，稱為 基準設計載重Q_ref _，即

Q_ref = D+ = 1 2L . D

針對上述兩設計情況，今假設各設計規範均依相同之計算方法計算基腳之極限承載力，其中粘土地層之極限承載力以不排水剪力強度Cu來計算，而砂土地層之極限承載力則以排水剪力強度C ′與 ′φ 來計算。以下比較根據各規範設計法分析結果中所包含安全係數之比較。

1. 我國現行基礎設計規範

我國現行基礎設計規範採用工作載重設計法，若依據淺基礎承載力計算式所得之極限承載力為q_u，則容許承載力之最小安全係數在長期載

重情況為 3，而在短期載重情況必須大於 2。因此，針對上述兩設計情

FS(relative)=1.33.

2. 美國 ASSHTO 規範

(1).工作載重設計法

依據 ASSHTO 設計規範，採用工作載重設計法時之設計載重應依下列方式計算：

(i). 正常情況

G N( )= D + =L 1 2. D =Q_ref FS req

FS relative FS ( )

( ) /

⇒ = =

3 1

上式中，相對安全係數 FS(relative)為 1，表示依本規範方 法所計算之安全係數正好與前述基準設計情況之安全係數完全一致。

(ii). 地震情況

( )

EQ D EQ

G = +

6 ) 1 ( B D + e

= = 1 3. D = 1 08. Q_ref

AASHTO規範規定此地震情況之容許應力（即容許承載力）值可提高為 133％。

^⇒FS relative

( )

⁼1 08 1 33. / . ⁼0 81.

上式中，相對安全係數之值小於 1，表示規範所要求之安全度不若基準設計情況之基本要求。據此，只有當地震載重

EQ 所造成之載重偏心距大於 9.9％時，地震情況才會控制設計。上述地震情況中，若偏心距 ^e⁼⁰^.¹⁶⁷^B 時，則 FS(relative)=1.25.

(2).強度設計法

依據 AASHTO 規範之強度設計法，淺基礎位於砂土與粘土地層上之承載力性能因子φ分別為：

砂土（由 SPT 半徑驗法估計）φ = 0 45. 黏土（根據室內試驗之剪力強度）φ = 0 60. 而設計載重則依下列方式計算：

(i)正常情況

( ) ( )

G N =γ β_DD+β_LL

⁼^{1 3 1 0}^.

(

^. ^D ⁺^{1 67 0 2}^. ^× ^. ^D

)

= 1 73. D = 1 45. Q_ref

⇒砂土層 FS relative

( )

=1 45 0 45. / .

(

)

=1 07.

⇒粘土層 FS relative

( )

=1 45 0 60. / .

(

)

=0 81. (ii). 地震情況

( ) (

EQ D EQ

)

G =γ β_D +

( )

^ ⁶^e^

= 1 69. D

(ii). 地震情況

7-2 鑽掘基樁

對於基樁之承載力分析，已有很多之分析方法可資採用；但是，不同分析方法之計算結果通常具有相當大之差異性，設計往往須取決各地區之工程經驗或試樁結果。因此，歐美各國之規範中大都未限制該使用何種分析分法，而僅作原則性之規定，指出須選用合理之分析方法並經同一地區之樁載重試驗結果驗證者。至於我國現行之設計規範則與日本規範較類似，條文中對於分析方法有較明確之規定，此點與歐美規範之精神完全不同，尤其更值得注意的一點，日本與我國之規範條文中大都包含有利用貫入試驗 SPT-N 值估算基樁承載力計算式，由於此方法簡單方便，常為工程師所採用，實際上已成為我國大部分工程設計之主要分析方法。

由於各國規範對於基樁分析方法之規定並不一致，因此很難直接比較各規範利用分析結果作設計時之安全性考量，從參數之擷取至設計結果之選用，均各自包含有該地區之工程經驗、慣例或判斷在內，實無法僅根據規範內容中之分析原則作相互間差異性之比較。但各規範對於利用樁載重試驗結果作設計時應有之考量則有較明確之規定，因此本研究擬針對此點作比較研究，以檢討各設計規範間之差異性。

今假設有一鑽掘樁設計，已由靜力載重試驗得知其極限承載力（樁

身摩擦力與樁尖阻抗力之和）為Q_u，據此數值，以下比較各規範在決定基樁承載力時之安全性考量。

1. 我國現行基礎設計規範

我國現行基礎設計規範採用工作載重設計法，正常情況之設計載重包括呆載重 D 與活載重 L，兩者之和 D+L（未經係數化)稱為基準設計情況，為便於以下方便比較起見，今假設 L = 0 2. D ，則基準設計情況之載重Q_ref 相當於

Q_ref = D + = 1 2L . D

根據現行設計規範，基樁之垂直容許承載力為 Q_a =Q_u /FS

其中Q_u若由樁載重試驗求得時，安全係數 FS 可取為 2，表示容許承載力僅為試驗值之半。

2.美國 AASHTO 規範 (1).工作載重設計法

依據 AASHTO 規範，採用工作載重設計法所考量之基本載重組合(I)為

( )

[

^D ^L

]

G =γ + D 2 .

=1 Qref

當基樁容許承載力係由樁載重試驗求得時，其安全係數可取為

計規範完全一致。

時）。此外，對於基樁之極限設計承載力Rcd應依下式計算：

t ck

cd R

R = /γ 其中 Rcd為極限設計承載力

R_ck為極限界定承載力 γt_{為折減因子。}

本分析取γ_t=1.5，則可得

0 . 2 5 . 1 35 . 1 99 .

0 × × =

= FS

上述安全係數值雖為 2，此安全係數係指由樁載重試驗決定設計極限承載力時所考慮之安全係數，考慮之重點係針對土壤之變異性與基樁施工、試驗結果之不確定性等因素，並不是我國規範中容許承載力之安全係數，兩者之內涵完全不一樣。

7-3 綜合討論 1. 淺基礎案例

綜合上述針對連續基腳承載力之分析結果，整理列於表 7.1 中，藉此可比較各規範分析方法所要求安全考量之相對比值。表 7.1 中所列我國設計規範及 AASHTO 規範工作載重分析法均為容許應力法，在本案例中，兩分析法之載重組合完全一致，至於容許承載力安全係數，在正常情況時，兩分析法為一致，而在地震情況時則有稍微之差異，我國規範所要求之最小安全係數可減為 2，相當於容許承載力可提高 50%，而

AASHTO 規範工作載重分析法僅容許提高 33%；總體而言，兩規範分析法可謂相同，因此，據其設計分析所得之結果不會有太大之差異。

表 7.1 中所列之 AASHTO 強度設計法與歐洲共同規範均屬極限設計法，但兩分析法所採用之載重因子及性能因子則有相當大之差別，在極限承載力檢核時所包含之安全考量亦有相當程度之差別。如表 7.1 中所示，根據 AASHTO 強度設計法之載重因子與性能因子所作之分析，其相對安全係數要求與工作載重法之結果大致相當，僅對砂土地層承載力檢核時之相對安全係數略高，此係由於該規範對砂土承載力計算所採用之性能因子較小之故，推測係因利用砂土剪力強度所估計之極限承載力可能具有較大之變異性，為避免過於高估，因而採用較小數值之性能

因子。

至於歐洲共同規範對淺基礎極限承載力之檢核，由表 7.1 中所列相對安全係數值，可知其比表中其他各分析法所要求之安全係數為低，在正常情況時僅約為其他規範之 1/2，而在地震情況時約為 2/3，顯示歐洲共同規範對於淺基礎極限承載力之檢核容許較小之安全係數，其載重組合值較 AASHTO 規範為小，而性能因子（即地層材料參數因子之倒數）反而較 AASHTO 規範為高，因此根據歐洲共同規範之極限限度狀態作承載力檢核時，所得分析結果將比表中其他各規範分析結果相對地較為經濟，惟這推論僅係針對當淺基礎設計由承載力控制時而言，而歐洲共同規範之限度狀態設計必須同時針對使用限度狀態作檢核，評估容許沉陷量是否符合設計要求，方能對設計是否較經濟作定論。

由上觀之， AASHTO 規範之強度設計法與歐洲共同規範均強調不同限度狀態應分開獨立檢核，據其從事淺基礎分析時，應將極限承載力分析與容許沉陷量分析完全獨立出來，在各單項檢核時可直接針對該項之安全性作考量，僅考慮該項分析時所包含之變異性與不確定性而給予適當之載重因子與性能因子，而不必同時考慮其他限度狀態之影響因

在文檔中基礎構造設計模式合理化之探討 (頁 159-176)