基础工程第四章地基基础设计方法和基本规定.ppt

第4章 地基基础设计方法和规定 4.1 地基基础设计方法 4.1.1可靠度基本概念 4.1.2极限状态设计 4.1.3地基基础设计方法 4.2 地基基础设计的基本规定 4.2.1设计分级 4.2.2地基计算规定 4.2.3荷载组合和抗力限值 1 4.1.1可靠度基本概念1 在进行工程结构设计时，应力求其在安全性、适用性 与经济之间达到合理的平衡，使其在规定的设计使用年限 内满足下列功能要求。 （1）正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用 ； （2）在设计规定的偶然事件发生时及发生后，仍能保持必 需的整体稳定性； （3）在正常使用时具有良好的工作性能； （4）在正常维护下具有足够的耐久性能。 上述第1、2两项指的是工程结构的安全性，第3项是适 用性，第4项是耐久性。2 4.1.1可靠度基本概念2 安全性、适用性、耐久性总称为工程结构的可靠性。 工程结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定 功能的概率，称为工程结构的可靠度,用Pr表示。 若在规定的时间内和在规定的条件下，结构不能完成预 定功能，则称相应的概率为工程结构的失效概率,用Pf表 示。 预定功能是指结构的安全性、适用性、耐久性。 3 4.1.1可靠度基本概念3 假设抗力（或强度）R和荷载效应S（或应力）为两个独立 的连续型随机变量，且服从某种分布形式，其概率密度函数分 别为fR（R）和fS（S），那么，当抗力R小于作用在其上的荷载 效应S时则认为会失效。失效概率可阐述为： 由概率理论： 由此：失效概率Pf 成为评价结构可靠度的重要指标,是结 构可靠度的核心。 由此，结构极限状态方程为： 4 R， S R， S f(S) f(R) R S R S 下图给出了fR（R）和fS（S），图中阴影表示两曲线的重叠部分，称 为干涉区，它是工程结构可能出现失效的区域。干涉区面积越小，可 靠度越高，反之，可靠度越低。 根据干涉区情况进行可靠度计算的理论，称为荷载-抗力干涉理论。 5 4.1.1可靠度基本概念4 由于直接应用数学方法（数值积分）计算失效概率是相当困难， 为此，工程上引入可靠指标（）的概念，采用近似方法表示工 程结构的可靠度。 可靠指标（）的定义式：假设R、S、Z均服从正态分布，则 可靠指标与失效概率Pf的关系：式中（.）表示标 准正态分布函数值。 6 只要功能函数Z的分布确定，可靠指标与失效概率Pf的 关系就确定了，并且存在一一对应的数量关系，因此，采用 可靠指标可以用来表征工程结构的可靠度。 可靠指标与安全系数K的关系。 从上述关系式可看出：安全系数K仅与R和S的相对位置有 关，而可靠指标除与R和S的相对位置有关外，还与R和S 的离散程度有关。因此，可靠指标更能反映工程安全度 的实质。 7 4.1.1可靠度基本概念5 可靠指标与分项系数的关系： 1、分项系数是指对设计中的每个随机变量，根据概 率可靠度设计方法确定的一个设计系数。如下式： 2、其实质是将总安全系数利用分离函数加以分离， 并与可靠指标联系起来，使其表达为分项系数的形式 。 3、可靠指标与分项系数的关系可以由计算可靠度 的一次二阶矩方法导出（具体导出方法请参阅其他文献 ）。 8 4.1.2 极限状态设计方法 按工程结构可靠度设计统一标准 GB50153-1992以及建筑结构可靠度设计 统一标准GB50068-2001 的规定，建筑 结构的设计应采用以分项系数表达的以概 率理论为基础的极限状态设计方法。 9 一、极限状态 极限状态：整个结构或结构的一部分超过某一特定状态 就不能满足设计规定的某一功能要求（安全性、适用性 、耐久性），此特定状态为该功能的极限状态。 极限状态有两种 承载能力极限状态：对应于结构或结构构件 达到最大承载力或不适于继续承载的变形的 状态。 正常使用极限状态：对应于结构或结构构件 达到正常使用或耐久性能的某项规定限值的 状态。 10 二、极限状态设计 极限状态设计方法：将结构或岩土置于极限状态进行分 析的设计方法。与之相应的方法，就是容许应力法。 极限状态设计方法有两种： 极限状态方程用定值法处理 （安全系数法和以经验确定的分 项系数法）极限状态设计 极限状态方程用概率法处理 （以概率理论确定的分项系 数法） 概率极限状态设计 11 三、极限状态设计要求1 1、结构的设计状况 2、结构设计时，对所考虑的极限状态，应采用相应的结构 作用效应的最不利组合。 持久状况：与设计使用年限为同一数量 级 短暂状况：与设计使用年限相比，持 续 期较短，如施工、维修等。 偶然状况：与设计使用年限相比，持 续 期很短，如地震、爆炸、撞击等 。 12 三、极限状态设计要求2 3、极限状态设计的作用组合： （1）承载能力极限状态的作用组合 （2）正常使用极限状态的作用组合 基本组合：用于持久和短 暂设计状况 偶然组合：用于偶然设计 状况 标准组合 频遇组合 准永久组合 13 4.1.3地基基础设计方法 地基基础作为建筑结构的重要组成部分，其设计同样应符合工程结构可 靠度设计统一标准GB50153-1992以及建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068-2001的要求，采用以分项系数表达的以概率理论为基础的极限状 态设计方法。 然而，由于岩土工程的不确定性（见下帧），导致岩土工程的可靠度分析 方法相对不够成熟。 传统的岩土工程设计（包括地基基础设计）有容许应力法、安全系数法（ 可统称为定值法）等经验方法。 有部分专家认为用地基容许承载力即可，精度很差或连精度的大致范围都 不清楚的设计进行可靠性分析，是没有意义的。 目前，在我国地基基础的设计中，基础结构的设计已经采用了以概率理论 为基础的极限状态设计方法，但地基的设计往往采用传统方法结合经验进 行。 14 岩土工程的不确定性 土层剖面与边界的不确定性 现场与实验室岩土指标的不确定性 现场应力与孔隙水压力的不确定性 外加荷载及其分布的不确定性 计算理论和方法的不确定性 应力变形的机理不清楚。 15 4.2 地基基础设计的基本规定 从已有的大量地基事故分析，绝大多数事故都由地 基变形过大且不均匀所造成。 土为大变形材料，荷载增加，变形增加，承载力也 随之增大，很难界定“极限值”。 地基承载力还有潜力时，变形已超限。 地基设计：采用正常使用极限状态，所选定的地基承 载力是一种允许承载力（承载力特征值）,相应的荷 载组合采用标准组合。 按变形设计的原则! 16 4.1设计分级 建筑地基基础设计规范GB50007-2002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 响正常使作的程度，将地基基础设计分为三个设计等级,设计时应 根据具体情况,按表4. 1选用。 地基复杂程度 建筑物规模 功能特征 建筑物破坏或影响正常使 用的程度 三级 甲级 乙级 丙级 分级 依据 17 地基基础设计等级 表4.1 设计 等级 建筑和地基类型 甲级重要的工业与民用建筑物 30层以上的高层建筑 体型复杂、层数相差超过10层的高低层连成一体建筑物 大面积的多层地下建筑物（地下车库、商场、运动场等） 对地基变形有特殊要求的建筑物 复杂地质条件下的坡上建筑物（包括高边坡） 对原有工程影响较大的新建筑物 场地和地基条件复杂的一般建筑物 位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的 基坑工程 乙级除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物 丙级场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下民 用建筑及一般工业建筑物；次要的轻型建筑物 18 注： 建筑物安全等级 建筑地基基础设计设计安全等级 建筑桩基安全等级 建筑基坑侧壁安全等级 19 4.2 地基基础设计基本规定 根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构 的影响程度，地基基础设计应符合下列规定： 所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定； 设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计； 表4.2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，如有下列情 况之一时，仍应作变形验算： 1、地基承载力特征值小于130KPA，且体型复杂的建筑； 2、在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起 地基产生过大的不均匀沉降时； 3、软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时； 4、相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时； 5、地基内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。 20 地基 主要 受力 层情 况 地基承载力特征值 fak(kPa) 60 fak 80 80fak 100 100fak 130 130fak 160 160fak 200 200fak 300 各土层坡度（%）5510101010 建筑 类型 砌体承重结构、框架 结构（层数） 555667 单 层 排 架 结 构 （ 6m 柱 距 ） 单 跨 吊车额定 起重量（ t） 510101515202030305050100 厂房跨度 （m） 121824303030 多 跨 吊车额定 起重量（ t） 355101015152020303075 厂房跨度 （m） 121824303030 烟窗高度(m)30405075100 水塔 高度(m)1520303030 容积(m3)50501001002002003003005005001000 21 注： 1 、地基主要受力层系指条形基础底面下深度为3b（b为基础底面宽度 ），独立基础下为1.5b，且厚度均不小于5m的范围（二层以下一般的民 用建筑除外）； 2、地基主要受力层中如有承载力特征值小于130KPa的土层时，表中砌 体承重结构的设计，应符合软弱地基设计的有关要求； 3 、表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑，对工业建筑可按厂房 高度、荷载情况折合成与其相当的民用建筑层数； 4 、表中吊车额定起重量、烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值。 22 对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构 和挡土墙等，以及建造在斜坡上或边坡附近的 建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性； 基坑工程应进行稳定性验算； 当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物 存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。 23 4.2.3荷载组合和抗力限值 一、地基基础设计时，所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限 值应按下列规定： 1、按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基 础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组 合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。 2、计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷 载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地 基变形允许值。 3、计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能 力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1.0。 4、在确定基础或桩台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定 配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反 力，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系 数。当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下荷载效应标 准组合。 5、基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的 规定采用，但结构重要性系数0不应小于1.0 24 计算内容 荷载效应最不利组合相应的抗力及限值 按地基承载力确定基底 面积及基础埋深 正常使用极限状态下荷载效应的 标准组合 地基承载力特征值 fa 计算地基变形正常使用极限状态下荷在效应的 准永久值组合 (不计入风荷载和地震作用） 地基变形允许值 S 计算挡土墙土压力、地 基和斜坡的稳定、滑坡 推力 承载力极限状态下荷载效应的基 本组合，但分项系数均为1； 确定基础高度、支挡结 构截面；计算基础或支 挡结构内力；确定配筋 或验算材料强度 承载力极限状态下荷载效应的基 本组合，采用相应的分项系数； 验算基础裂缝宽度正常使用极限状态下荷载效应的 标准组合 25 承载能力极限状态 正常使用极限状态 基本组合 简化基本组合 标准组合 准永久组合 26 二、正常使用极限状态荷载组合 1、正常使用极限状态下荷载效应的标准组合值SK应用下式表 示： 式中：SGK 按永久荷载标准值GK 计算的荷载效应值； SQiK 按可变荷载标准值QiK 计算的荷载效应值； Ci 可变荷载Qi的组合值系数，按现行建筑结构 荷载规范GB50009的规定取值。 27 2、正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合值SK应用 下式表示： 式中：qi 准永久值系数，按现行建筑结构荷载 规范GB50009的规定 取值。 28 三、承载能力极限状态荷载组合 承载能力极限状态下，由可变荷载效应控制的基本组合设 计值S，用下式表示： 式中：G永久荷载分项系数，按现行建筑结构荷 载规范GB50009的规定取值。 Q1第i个可变荷载分项系数，按现行建筑结 构荷载规范GB50009的规定取值。 29 对由永