《土力学与基础工程》本科用书摘要.doc

土力学及基础工程本科用书摘要一、地基承载力的确定 容许承载力设计原则：将满足强度和变形两个基本要求作为地基承载力控制设计的标准。 地基承载力特征值含义：为在正常发挥使用功能时，所允许采用的抗力设计值；因此地基承载力特征值就是地基容许承载力。1、按土的抗剪强度指标确定对于荷载偏心距e0.033b（b为偏心方向基础边长），以浅基础的临界荷载P1/4为基础的理论公式计算地基承载力特征值fa=Mb.r.b +Md.rm.d+Mc.Ck式中：fa由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值； Mb、Md、Mc承载力系数，按基底下一倍短边宽度的深度范围内的土内摩擦角标准值确定； b基础底面宽度，大于6米时按6米取值，对于砂土小于3米时按3米取值； Ck基底下一倍短边宽度的深度范围内的土粘聚力标准值； r基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度； rm基础埋深范围内各层土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度。按理论公式计算地基承载力，关键是土的抗剪强度指标土粘聚力、土内摩擦角的确定。按土的抗剪强度确定地基承载力时，没有考虑建筑物对地基变形的要求，因此按上述公式求得的承载力确定基础底面尺寸后，还应进行地基变形特征验算。2、魏锡克公式（或汉森公式等）德国规范利用太沙基公式、魏锡克公式、汉森公式引入极限状态表达式，采用总安全系数设计原则，则用极限承载力除以总安全系数，即：K=PUA/faA；式中：PU地基土极限承载力，A与土接触的有效基底面积，A基底面积。我国交通部JT250-98港口工程技术规范、路桥地基规范和其他地区性规范已推荐采用汉森的承载力公式，它与魏锡克公式的形式完全一致，只是系数的取值范围有所不同。此类公式比较全面反映了影响地基承载力的各种因素，在国外应用很广，安全系数的取值与建筑物安全等级、荷载的性质、土的抗剪强度指标的可靠程度、以及地基条件等因素有关，对长期承载力一般K=23。3、按地基载荷试验确定（1）对于密实砂土、硬塑粘土等低压缩性土，其p-s（荷载-沉降量）曲线通常有比较明显的起始直线段和极限值，即呈急性破坏的“陡降型”，考虑到低压缩性土的承载力特征值一般有强度安全控制，故建筑地基规范规定取p-s曲线图比例极限荷载pb作为承载力特征值，此时，地基的沉降量小，为一般建筑物所允许，强度安全储备也绰绰有余。（2）对于有一定强度的中、高压缩性土，如松砂、填土、可塑粘土等，其p-s曲线无明显转折点，但曲线的斜率随荷载的增加而逐渐增加，最后稳定在某个最大值，即呈渐进破坏的“缓变型”。不能直接以基础的允许沉降值在p-s曲线上定出承载力特征值；规范总结了许多实测资料，当压板面积在0.250.5m2时，规定取s/p=0.010.015所对应的荷载作为承载力的特征值，但其最大值不应大于最大加载量的一半。对于同一土层，应选择三个以上的试验点，如测得的特征值的级差不超过平均值的30%，则取该平均值作为地基承载力特征值fak。（3）其他原位测试地基承载力特征值除了载荷试验外，静力触探、动力触探、标准贯入试验等原位测试，在我国积累了丰富的经验，建筑地基规范允许将其应用于确定地基承载力特征值；但应注意，当地基基础设计等级为甲级、乙级时，应结合室内实验呢结果综合分析，不宜单独应用。4、按地基规范 承载力表确定根据建国以来大量工程实践经验、原位试验及室内土工试验数据，以确定地基承载力为目的进行了大量的统计分析，我国许多地基规范制定了便于查找的表格，由此，可查得地基承载力。二、竖向荷载下单桩的工作性能 1、桩的荷载传递 在竖向荷载作用下，桩身的材料将发生弹性压缩变形，桩与桩侧土体发生相对位移，因而桩侧土对桩身产生向上的桩侧摩阻力；如果桩侧摩阻力不足以抵抗竖向荷载，一部分竖向荷载将传递至桩底，桩底持力层将发生压缩变形，故桩底土也会对桩端产生阻力。桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体，或者说，土对桩的支撑力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。桩侧阻力：桩侧阻力桩截面对桩周土相对位移的函数，其极限值u可用类似于土的抗剪强度的库伦公式表达：u=Ca+Xtana 式中：Ca、a桩侧表面与土之间的附着力和摩擦角，X深度z处作用于桩侧表面的法向应力，它与桩侧土的竖向有效应力成正比例关系。由此可见，桩的侧阻随深度呈线性增大。但砂土中模型桩试验表明，当桩入土深度达某一临界值后，侧阻就不再随深度增加，该现象称为侧阻的深度效应。桩周竖向有效应力不一定等于覆盖应力，其线性增加到临界深度时达到某一限值，其原因是土的“拱作用”。如上所述，桩侧极限摩阻力与所在的深度、土的类别和性质、成桩方式等多种因素有关。而桩侧摩阻力u达到所需的桩-土相对滑移极限值则基本上只与土的类别有关，根据有关资料，一般粘性土为4-6mm，砂土为6-10 mm。桩端阻力的发挥不仅滞后于桩侧阻力，而且其充分发挥所需的桩底位移值比桩侧阻力达到极限所需的桩身截面位移值大得多；根据小型桩试验结果，砂类土的桩底极限位移为（0.08-0.1）d,一般粘性土为0.25d，硬性土为0.1d，因此在工作状态下，单桩桩端阻力的安全储备一般大于桩侧阻力的安全储备。桩长对荷载的传递也有着重要的影响；当桩长铰大（例如L/D25）时，因桩身压缩变形较大，桩端反力尚未发挥，桩顶位移已超过实用所要求的范围，此时传递到桩端的荷载极为微小。因此，很长的桩实际上总是摩擦桩，用扩大桩端直径来提高承载力是徒劳的。模型与试验桩均表明，端阻与侧阻的深度效应类似，当桩入土深度小于某一临界深度时，极限端阻随深度线性增大，而大于该深度后则保持不变。桩的极限侧阻力标准值qsik（KPa）土的名称土的状态砼预制桩水下钻孔桩沉管灌注桩干作业钻孔桩填土20-2818-2615-2218-26淤泥11-1710-169-1310-16淤泥质土20-2818-2615-2218-26粘性土（IL值越大取值越小）IL121-3620-3416-2820-340.75IL136-5034-4828-4034-480.5IL0.7550-6648-6440-5248-620.25IL0.566-8264-7852-6362-760IL0.2582-9178-8863-7276-86IL091-10188-9872-8086-96红粘土0.7aw113-3212-3010-2512-300.5aw0.732-7430-7025-6830-70粉土e0.922-4422-4016-3220-400.75e0.942-6440-6032-5040-60e0.7564-8560-8050-6760-80粉细砂稍密22-4222-4016-3220-40中密42-6340-6032-5040-60密实63-8560-8050-6760-80中砂中密54-7450-7242-5850-70密实74-9572-9058-7570-90粗砂中密74-9574-9558-7570-90密实95-11695-11675-9290-110注：对于尚未完成自重固结的填土和以生活垃圾为主的杂填土， 不计算其侧阻力。aw为含水比，aw=w/wl。IL1为流塑，0.75IL1为软塑状粘性土，0.25IL0.75为可塑状粘性土，0IL0.25为硬塑状粘性土，IL0为坚硬塑状粘性土。2、桩侧负摩阻力桩土之间相对位移的方向决定了桩侧摩阻力的方向，当桩周土层相当于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力；通常，在下列情况下应考虑桩侧负摩阻力作用：在软土地区，大范围的地下水下降，使桩周土中有效应力增大，导致桩侧土层下降；桩侧在地面承受局部较长的长期荷载，或地面大面积堆载时（包括填土）；桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土层进入相对较硬土层时；冻土地区，由于温度升高而引起的桩侧土缺陷。必须指出，引起桩侧负摩阻力的条件是：桩侧土体下沉必须大于桩的下沉。在桩基设计中，应尽量采取某些措施减少负摩阻力，如预制桩表面涂一层沥青，或对钢桩再加一层厚度为3mm的塑料薄膜，对现场灌注桩可在桩与土之间灌注斑脱土浆等方法（高稠度膨润土泥浆）。3、单桩竖向承载力设计值单桩竖向承载力设计值为：桩基规范所采用大的术语，其以概率理论为基础的极限状态设计设计方法，以分项系数表达式计算，考虑了桩侧摩阻力、桩端阻力、承台土的抗力等各自所具有的变异性因素，将标准值除以各分项系数作为桩基中基桩的竖向承载力设计值。是根据单桩在竖向荷载作用下达到破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载（即单桩竖向极限承载力）经分项系数处理后得到的承载力值。计算时，取荷载效应的基本组合。单桩竖向承载力特征值：为与国际标准ISO2394结构可靠性总原则中相应的术语特征值相一致，故称为单桩竖向承载力特征值；地基规范的承载力特征值表示正常使用状态下的单桩竖向承载力值，单桩竖向承载力特征值设计应取荷载效应的标准组合。4、桩的水平承载力与位移对于受横向荷载较大的一级建筑物桩基，单桩的横向承载力设计值应通过单桩水平静载试验确定。试验的终止加载条件：当桩身折断或桩顶水平位移超过30-40mm（软土取40mm），或桩侧地表出现明显裂缝或隆起时，即可终止试验。三、建筑桩基安全等级1、根据建筑物因桩基损坏所造成后果的严重性，将建筑桩基分为三个安全等级。安全等级破坏后果建筑物类别一级很严重重要的工业与民用建筑物；对桩基变形有特殊要求的工业建筑物。二级严重一般的工业与民用建筑物三级不严重次要的建筑物 2、根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地地基基础设计分为三个设计等级，见下表：地基基础设计等级设计等级建筑和地基类型甲级乙级丙级四、桩长的选择：桩的长度主要取决于桩端持力层的选择；桩端进入持力层的深度，对于粘性土、粉土不宜小于2d，砂类土不宜小于1.5d，碎石类土不宜小于1d；当存在软弱下卧层时，桩端以下硬持力层厚度不宜小于4d，嵌岩灌注桩的周边嵌入微风化或中等风化岩体的最小深度不宜小于0.5m；当硬持力层较厚且施工条件允许时，桩端进入持力层的深度应尽可能达到桩端阻力的临界深度，以提高桩端阻力。该临界深度值对于砂、硕为3-6d，对于粘性土、粉土为5-10d。五、群桩的设计 1、桩基在荷载作用下，由桩和承台共同承担荷载，构成复合桩基，承台底分担荷载的作用随裙桩相对于基土向下位移的幅度增大而增大。2、研究表明，承台底土反力比平板基础的土反力要低（由于桩侧土因桩的竖向位移而发生剪切变形所致），其大小及发布形式，随桩定荷载水平、桩径桩长比、台底和桩端土质、承台刚度、以及群桩的几何特征等因素变化。通常，台底分担荷载的比例可从百分之十几到百分之五十以上。3、设计复合桩基时应注意：承台分担荷载是以桩基的整体下沉为前提，故只有在桩基沉降不会危及建筑物的安全和使用功能，且台底软土直接接触时，才宜开发利用承台底土反力的潜力。因此，在下列情况下，通常不考虑承台的荷载分担效应：承受经常出现的动力作用，如铁路、桥梁桩基；承台下存在可能产生负摩擦力的土层，如湿陷性黄土、欠固结土、新填土、高敏度软土以及可液化土，或由于降水地基土固结而与承台脱开；在饱和软土中，沉入密集群桩，引起超静孔隙水压力和土体隆起，随着时间推移，桩间土逐渐固结下沉而与承台脱离等。4、群桩效应：当桩距6d，群桩承载力小于各单桩承载力之和，沉降量则大于单桩沉降量，即所谓的群桩效应。5、不考虑群桩效应和承台效应：端承桩桩数为1-3根的非端承桩；考虑群桩效应和承台效应：桩数大于3根的非端承桩。六、承台厚度及强度计算 承台厚度可按冲切及剪切条件确定，一般可先按冲切计算，再按剪切复核；其强度计算包括受冲切、受剪切、局部承压及受弯计算。 1、受冲切计算 若承台有效高度不足，将产生冲切破坏。其破坏方式可分为沿柱（墙）边的冲切和单一基桩对承台的冲切两类。承台抗冲切承载力与冲切锥角有关，可以用冲跨比表达，对于柱下矩形承台，验算时应满足：0Flaftmh0 （8.61） Fl=F-Ni （8.62）式中：Fl作用于冲切破坏椎体上的冲切力设计值； ft承台砼抗拉强度设计值； m冲切破坏锥体有效高度中线周长； h0承台冲切破坏锥体有效高度； a冲切系数，0.72/(+0.2) （8.63）冲跨比，= ao/h0, ao为冲跨，即柱边或承台变阶处到桩边的水平距离；当ao h0时，取取ao=h0，满足0.21.0. F作用于柱（墙）底的竖向荷载设计值； Ni冲切破坏锥体范围内各基桩的净反力（不计承台和承台土自重）设计值之和。对于圆柱及圆桩，计算时应将截面换算成方桩或方柱，取0.8d.柱下矩形独立承台受柱冲切时可按下列公式计算：0Fl=2 aoxbc+ aoy+ aoyhc+ aox fth0 （8.64）式中：aox、aoy由0.72/(+0.2)求得，ox= aox/ h0, oy= aoy/ h0；bc、hc柱截面长短边尺寸；aox、aoy自柱长边或短边到最近桩边的水平距离。对位于柱（墙）冲切破坏锥体以外的基础，尚应考虑单桩对承台的冲切作用，并按四桩、三桩承台等不同情况计算受冲切承载力。2、受剪切计算桩基承台斜截面受剪承载力计算如同一般砼结构，但由于桩基承台多属小剪跨比（F/R=2800/500=5.6 暂取6根，按规定取桩距s=3d=30.35=1.05m,按矩形布置如图所示。（3）初选承台尺寸 取承台长边和短边为a=2(0.35+1.05)=2.8m,b=20.35+1.05=1.75m承台埋深1.3m,承台高0.8m，桩顶伸入承台50mm，钢筋保护层取35mm，则承台的有效高度为：h0=0.8-0.05-0.035=0.715m=715mm（4）计算桩顶荷载设计值 取承台及其上土的平均重度g=20 KN/m2,则桩顶平均竖向力设计值为： N=(F+G)/n=（2800+1.2202.81.751.3）/6=492.1KNR=500KN Nminmax=(N+(M+Hh)xmax)/i2=492.1+（210+1450.8）1.05/41.052=492.1+77.6=569.70,符合要求。 基桩水平力设计值： H1=H/n=145/6=24.2KN 其值远小于单桩水平承载力设计值Rh=45KN，因此无须验算考虑群桩效应的基桩水平承载力设计值（详见桩基规）。（5）承台受冲切承载力验算 柱边冲切，按式（8.61）-（8.64）可求得冲跨比和冲切系数a: ox= aox/ h0=0.575/0.715=0.804(满足0.2-1.0)aox=0.72/(OX+0.2)=0.72/(0.804+0.2)=0.717oy= aoy/ h0=0.125/0.715=0.1750Fl=1.0(2800-0)=2800KN（可以）角桩向上冲切，从角桩内边缘至承台外边缘距离C1=C2=0.525m, a1x= aox, 1x=ox, a1y= aoy, 1y=oy.a1x=0.48/(1x+0.2)=0.48