《地基与基础课堂》PPT课件.ppt

一、,第三章 地基的应力与变形,3.1 概 述,一、土的变形特征 1、土的变形是由孔隙体积的减少产生的，土颗粒和水本身的变形很小，可以认为它们是不可压缩的。 2、饱和土的变形需要一定的时间才能完成。,二、土的应力和变形计算的目的,地基中产生 一般在建筑物建造之前已经完成对土体的压缩变形 地基土的自重 竖向应力产生的原因 自重应力 基础传来的荷载 附加应力 引起地基土的压缩变形 如地基为软弱土层且厚薄不均匀， 或上部建筑物高低悬殊，轻重变化较大时，地基将产生很大的变形和不均匀变形。其结果可能使墙体发生裂缝，甚至影响工作的安全使用。 例：某公司一幢二层楼食堂，在1957年夏竣工时发现严重裂缝。北墙缝宽40mm，二层楼板缝宽50mm，可以辨认楼下人员，无法使用。 其原因：该公司大面积平整场地填土时，厚薄不均，为2-6m，且基槽开挖后遇暴雨浸泡填土未处理，造成严重不均匀沉降雨成危房。 由此可见，必须将地基的变形值控制在建筑物允许的限度之内。,小结：地基变形的主要因素 （1）内因：由三相组成的土孔隙大，具有压缩性； （2）外因：建筑物荷载作用于地基产生附加应力。,地基的应力和变形计算的目的： 根据二部结构的荷载大小和分布，结合地基土的工程性质，计算附加应产生的地基变形值并控制在允许值范围内，以保证建筑工程的安全。,假定： 地面是无限延伸的水平面， 土体在自重作用下无侧向变形和剪切变形， 只能产生竖向变形。,一、土层自重应力 在未修建筑物之前，由土体本身自重引起的应力。 通常，土层自重应力不会引起地基变形，因为土层生成时代很久，早已团结稳定。唯有新近沉积的土或人工填土，尚未固结，需考虑土层自重引起的地基变形。,3.2 地基中的应力,（3-1） 在深度z处的土层自重应力，kPa(kN/m2) 第三层土的重度，kN/m3,地下水位以下用 ； hi 第三层土的厚度，m； n从地面至深度z处的层数。,图3-1 土自重应力 （a）均质土层； （b）多层土层,例3-1已知某地基土层剖面（图3-2），求各层土的自重应力。 解填土层底 地下水位处 粉质粘土层低 淤泥层底 不透水层层面 钻孔底 0 1 2 3 4 5 图3-2 例3-1附图,二、基底压力 在基础与地基之间接触面上作用着建筑物荷载通 过基础传来的压力称为基底压力(方向向下)； 地基对基础的反作用力(方向向上)称为地基反力。,（一）基底压力分布 图3-3 绝对柔性基础与绝对刚性基础 （a）绝对柔性基础荷载均时；（b）绝对柔性基础沉降均匀时；（c）绝对刚性基础 图3-4 刚性基础基底压力的分布形态 （a）马鞍形； （b）抛物线形； （c）钟形,二、基底压力简化计算,1、轴心受压基础的基底压力 作用在基础上的荷载，其合力通过基础底面形心时为轴心受压基础，基底压力为均匀分布 。 式中 P 基础底面处平均压力（kN/m2）； F 上部结构传至基础顶面的竖向力设计值（kN）； G 基础自得设计值（分项系数1.2）和基础上的土体自重标准值（分项系数1.0），对于一般基础，可近似取 ； 基础及基础上土的平均重度，取 A 基础底面积，矩形A=b (m2) b、 分别为基础底面宽度和基础底面长度（m） 计算自重G的高度，当室内外标高不同时取平均高度（m）.,143.1 P图（kN/m2),例：某轴压基础承受上部结构传来的轴力设计值F=600kN，基底面积2.4m2m，求基底压力。 解： =202.42（0.5+0.3/2）+ (20-9.8)2.420.5=86.88kN =143.1 kN/m2,2、偏心受压基础的基底压力 在基底的一个主轴平面内作用的偏心力或轴心力与弯矩同时作用，则为偏心受压基础。 在Ngd及Mgd的共同作用下，基底压力为直线分布，基底两端的压力按下式计算： 当e0 时，选用公式 其中 。,Ngd,三、基底附加压力,通常基底附加压力会引起地基的变形（即基础的沉降），故高层建筑设计时常采用箱形基础或地下室，使设计的基础自身重力，小于挖去的土重力，可减少基底附加压力，从而可减少基础的沉降。这种方法在工程上称为基础的补偿性设计。,P0 = P -,四、土中附加应力,土中附加应力是由建筑物荷载在地基内引起的应力，通过土粒之间的传递，向水平与深度方向扩散，附加压力逐渐减小 。 计算方法 ：假定地基为半无限均质弹性体，用弹性力学公式求解。,（一）集中力作用下土中附加应力的计算,（3-6） 式中 K集中力作用下土中附加应力系数，由表（3-1）查得,（三）条形均布荷载作用下土中附加应力的计算,z= sp0 (3-8) 式中 p0基底附加压力； s条形均布荷载中心点下的附加应力系数查表 （3-3）,（二）矩形均布荷载作用下土中附加应力的计算,角点法 ： 图3-12矩形均布荷载角点下的应力计算 图3-13 用角点法计算的荷载面积划分 图3-13（a）：z=（ 1+ II）p0 图3-13（b）：z=（ 1+ II+ III+ ）p0 当四块矩形面积相同时：z=4 p0 图3-13（c）：z= ogbt+ ofch- ogae- oedhp0 图3-13（d）：z= ofbh- ofag- oech- oedgp0 查表时矩形小面积的长边取 ，短边取b。,z= po (3-7) 矩形均布荷载角点下土中附加应力系数查表（3-2）求得。,第三节 地基土的压缩性,侧 限 压 缩 试 验 ： 图3-16压缩仪 图3-17 侧限压缩土样孔隙比变化 1加压板；2透水石；3环刀；4压缩环；5土样；6底座 （a）受压前；（b）受压后 用环刀切取天然土样，放入圆筒形压缩容器内，土样上下各垫一块透水石，使土样压缩后的水可自由排出。在土样上逐级加荷（p=0.05、0.1、0.2、0.3、0.4N/mm2），每次待压缩稳定后测其相应压缩变形值s。,土的压缩性： 地基土在荷载作用下孔隙体积减小的性质。 测定土的压缩性指标，通常采用两种方法： （1）室内试验 取原状土样进行侧限压缩试验 （2）原位测试 现场载荷试验与旁压试验,压缩系数与压缩模量,e0原状土的天然孔隙比； p1大小等于土自重应力（MPa） ； p2大小等于土自重应力与附加应力之和（MPa） ； e1压力为p1时对应的孔隙比； e2压力为p2时对应的孔隙比。 a与Es成反比，a越大，Es越小，压缩性越高。反之。,（MPa） e-p压缩曲线,第四节 地基变形特征,图3-19地基变形特征 （a）沉降量；（b）沉降差； （c）倾斜；（d）局部倾斜,地基变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。 （1）沉降量：指基础中心的沉降量s。 （2）沉降差：指两相邻单独基础沉降量的差值s=s1-s2。 （3）倾斜：指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。 （4）局部倾斜：指砌体承重结构沿纵墙610m内基础两点间的沉降差与其距离的比值。 建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形允许值。,第五节 地基最终沉降量,分层总和法 1、计算假定 （1）地基土为均匀的，各向同性的线性变形体； （2）地基土的压缩变形无侧限膨胀； （3）采用基底中心点下的附加应力计算地基变形量； （4）地基变形是由压缩层范围内土层的竖向变形引起的。 2、计算步骤 （1）按比例绘制地基土的基础的剖面图； （2）计算基底处P与P0； （3）分层：0.46，且天然土层面，地下水位面应成为分界面； （4）求每层上下面处的自重应力与附加应力，并求出各薄层的自重应力平均值与附加应力平均值，绘出相应曲线图； （5）算得和，并查相应土的ep曲线图得、； （6）用求出各薄层压缩量； （7）以为Zn试算点，复核并确定压缩层的计算深度Zn时，应符合； 式中：在深度Zn处，向上取厚为1m的计算层压缩量，cm; 在深度Zn范围内，所有各层压缩量的总和， cm。 （8）求压缩层范围内各层土的压缩模量,算出压缩模量的加权平均值，参照表3-4经内插法得沉降计算经验系数ms. （9）计算地基最终沉降量：,第六节 地基沉降与时间的关系,饱和土体的压缩变形与孔隙水的排除密切相关，所以这一变形过程被称为“渗透固结”或简称“固结”。 在研究沉降与时间的关系时，还常用到固结度的概念。若变形稳定时基础总沉降量仍用S表示，加载后经某一时间t的沉降量用St表示，则固结度U=St/S，表示那时沉降完成的百分率，也就是土体固结的程度。这样，如能找到U与t的关系，就能求得与外荷载作用时间t相对应的固结度，在算得基础的总沉降量以后，就可估算建筑物完成若干时间t时的沉降值St=US。,第四章 土的抗剪强度和地基承载力,地基土的强度破坏是剪切破坏 在破坏面上的剪应力大于土的抗剪强度，土体发生强度破坏 。,第一节 土的抗剪强度及指标,一、土的抗剪强度及基基本规律,土的抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，用f表示,直接剪切试验 图4-2 剪切盒 图4-3 抗剪强度线 a-砂土；b-粘性土 砂土 f =tg 粘性土 f =tg +c,工程上根据实际地质情况和孔隙水压力消散程度，采用三种不同的试验方法。 （1）快剪：在试样上施加垂直压力后，立即加水平剪力，在剪切过程中不排水，故又称不固结不排水剪。 （2）固结快剪；在试样上施加垂直压力，待排水固结稳定后，即加水平剪力，但在剪切过程中不排水，故又称固结不排水剪。 （3）慢剪；在试样上施加垂直压力及水平剪力的过程中均使试样充分排水，故又称固结排水剪。,库伦定律： 砂土 f =tg 粘性土 f =tg +c C和 是抗剪强度的重要指标,二、土的极限平衡条件,图4-4 任意斜面应力状态 图4-5 应力圆,三种不同应力状态时应力圆与抗剪强度线的情况 1、应力圆与抗剪强度线不相交。表明该土点任意斜面上的剪应力f均小于对应的抗剪强度(f),，土点已发生剪切破坏。但应注意，抗剪强度等于土体剪切破坏时的极限剪应力，土中应力不可能超过抗剪强度，由此可见，这种情况实际上不存在。 3、应力圆与抗剪强度线相切。表明切点所代表的mn斜面上，剪应力等于对应的抗剪强度(=f), （其它任意斜面上的剪应力均小于对应的抗剪强度），土点达到极限平衡状态。,最危险主裂面与大主应力面的夹角：a=45+ 砂类土： （4-3） （4-4） 粘性土： （4-5） （4-6）,第二节 地基承载力,一、地基的变形阶段,地基变形破坏分为三个阶段 1、压密阶段： oa段，p与s成线性关系； p (变形的增加率随荷载的增加而增大)。局部区域内 f，发生了剪切变形,出现塑性变形区。随着荷载的增加，地基土中塑性变形区的范围逐渐增大。 3、破坏阶段： bc段。 s p (当荷载增加到某一极限值时，地基变形突然增大)，说明地基土中的塑性变形区已形成了与地面贯通的连续滑动面所示，地基土向基础的一侧或两侧挤出，地面隆起，地基整体失稳，基础急剧下沉。 a点pa，临塑荷载，表示地基内将要出现塑性变形区时的荷载。 b点pb，极限荷载，表示即将丧失整体稳定时的荷载（地基中将要形成连续的塑性变形区时的荷载）。,(一)由地基规范规定确定地基承载力方法的原则确定地基承载力时，应结合当地建筑经验按下列规定综合考虑： (1)对一级建筑物采用载荷试验、理论公式计算及其他原位试验等方法练念确定。 (2)对不作地基变形计算的二级建筑物，可按室内试验、标准贯入、轻便触探、野外鉴别或其他原位试验确定。其余的二级建筑物，薄尚应鳙晋理论公式计算确定。 (3)对三级建筑物可根据邻近建筑物的经验确定。,二、地基承载力的确定方法,（二）由现场载荷试验确定地基承载力标准值,逐级加荷 加荷等级不应少于8级 每加一级荷载后，按间隔10、10、10、15、15分钟，以后每半小时读记录压板沉降一次。当连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定，即可加下一级荷载。,当出现下列情况之一时，即可终止加载： (1)承压板周围的土明显的被侧向挤出； (2)沉降s急骤增大，p-s曲线出现陡降段； (3)在某一荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定标准； (4)s/b0.06(b为承压板宽度或直径)。,满足前三种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。,承载力基本值 f0 的确定： 1)对p-s曲线上有明显的比例界限时，取该比例界限所对应的荷载p0为承载力基本值； 2)当极限荷载能确定，且该值小于对应比例界限的荷载值的1.5倍时，取荷载极限值的一半(图410a)； 3)当不能按上述二点确定时，如压板面积为0.25一0.5m2对低压缩性土和砂土s/b0.010.015所对应的荷载值；对中、高压缩性土可取s/b0.02对应的荷载值p0.02为承载力基本值(图410b)。,同一土层参加统计的试验点不应少于三点，基本值的极差不得超过平均值的30，取此平均值作为地基承载力标准值 fk 。,1、动力触探 标准贯入试验的方法：将穿心锤(重65.5kg)从高度76cm处自由落下，使贯入器击入土中30cm深度所需的锤击数用N(或N63.5)表示。（复习：P23 砂土的密实度） 轻便触探试验的方法：将穿心锤(重10kg)从高度50cm处自由落下，使触探杆击入土中30深度所需的锤击数，用N10表示。 现场试验锤击数应按下式修正并取整数位： N（或N10）= (4-7) 由标准贯入试验锤击数N、轻便触探试验锤击数N10确定地基承载力标准值，可按地基规范确定，见表4-1表4-4。 2、静力触探,(三)由触探试验确定地基承载力标准值,1、判别土样名称： 复习：环刀法 ，比重瓶法 ds ，烘干法 ， 搓条法Wp，锥式液限仪 WL ，筛分析试验 2、根据土样名称，选择表4-5表4-9 ，确定地基承载力基本值 3、确定地基承载力标准值 ：,（四）、由室内试验确定地基承载力标准值,（五）由野外鉴别结果确定地基承载力标准值,复习：P22，碎石土的密实度，可根据野外鉴别方法确定,当基础宽度大小3m或埋置深度大于0.5m时，除岩石地基外，其地基承载力设计值应按下式计算： 地基承载力设计值（kPa）； 地基承载力标准值（kPa）； b 基础底面宽度( m)，当基宽小于3m按3m考虑，大于6m按6m考虑； d 基础埋置深度（m）,一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起，在其他情况下，应从室内地面标高算起； 基底以下土的天然重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3） 基底以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3） 基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下持力层土类查表4-12确定。 当计算所得设计值 时，可取 。,（六）由地基规范确定地基承载力设计值,(一)由地基规范规定确定地基承载力方法的原则确定地基承载力时，应结合当地建筑经验按下列规定综合考虑： (1)对一级建筑物采用载荷试验、理论公式计算及其他原位试验等方法练念确定。 (2)对不作地基变形计算的二级建筑物，可按室内试验、标准贯入、轻便触探、野外鉴别或其他原位试验确定。其余的二级建筑物，薄尚应鳙晋理论公式计算确定。 (3)对三级建筑物可根据邻近建筑物的经验确定。,二、地基承载力的确定方法,第五章 边坡稳定及挡土墙,5.1 边坡稳定,一、砂类土的边坡稳定 稳定安全系数 当= 时，K=1，即边坡处于极限平衡状态， 当1,则边坡稳定，一般取K1.2。 二、边坡的开挖土质边坡坡度允许值 （高宽比） 三、坡顶上的建筑位置,5.2 挡 土 墙,一、挡土墙类型 挡土墙是防止土体坍塌的构筑物，挡土墙的类型有重力式挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、锚杆挡土墙、锚定板挡土墙、板桩墙等,二、三种土压力 作用在挡土墙上的侧向土推力称为土侧压力，简称土压力。 根据挡土墙受力后的位移情况，土压力可分以下三类： 1主动土压力， 挡土墙在墙后土压力作用下向前移动或转动，土体随着下滑，当达到一定位移时，墙后土体达极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力就称为主动土压力(图5-4a)。 2被动土压力 挡土墙在外力作用下向后移动或转动，挤压填土，使土体向后位移，当挡土墙向后达到一定位移时，墙后土体达极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力称为被动土压力(图5-4c ) 3静止土压力 挡土墙的刚度很大，在土压力作用下不产生移动或转动，墙后土体处于静止状态,此时作用在墙背上的土压力称为静止土压力(图5-4b)。例如地下室外墙受到的土压力即是。 上述三种土压力，在相同条件下，主动土压力最小，被动土压力最大，静止土压力介于两者之间。,三、库伦土压力理论,c=0,特例：当填土表面 水平（= 0 ）， 墙背 垂直 （= 90 ），墙背 光滑 （= 0 ）时， Ka= tan2(450-/2 ) ，Kp= tan2（450+/2 ） 。,四、朗肯土压力理论,c=0 （c0）,适用条件：当填土表面 水平（= 0 ）， 墙背 垂直 （= 90 ），墙背 光滑 （= 0 ）时， Ka= tan2(450-/2 ) ，Kp= tan2（450+/2 ） 。,计算步骤： 1、计算压强=自重应力 土压力系数 2、绘制压强分布图 3、计算土压力=压强分布图面积 作用点在压强分布图的形心距挡土墙 底部的高度处,1、静止土压力 2、主动土压力 c=0 c0,3、被动土压力 c=0 c0,五、特殊情况下的土压力计算,1填土面有均布荷载 2重度不同的填土层,3填土有地下水 当墙后填土有地下水时，墙背有土压力及水压力作用。计算时假定水位以下土的摩擦角及不变，并将浮土重度r与天然重度r 看作不同的填土，再叠加水压力。,1挡土墙构造 (1)重力式挡土墙根据墙背的倾角不同可分为仰斜式( 90)、垂直式( =90)及俯斜式( 90)。墙背承受的土压力以仰斜式最小，俯斜式最大，垂直式介于两者之间，故俯斜式很少采用。当墙后需填土时，仰斜式施工困难，但作护坡时以仰斜式最为合理(图5-14)。 (2)挡土墙必须有良好的排水措施，以免墙后填土长期积水而造成地基松软，填土冻胀，使挡土墙开裂或倒塌。 挡土墙应每隔1020m设置伸缩缝。当地基有变化时宜加设沉降缝。,七、重力式挡土墙设计,（2）挡土墙抗滑移验算 在土压力作用下墙将沿基底向前滑移,故应进行抗滑移验算 。建立坐标轴t n，将力分解为平行基底及垂直基底两个分力。 Ks=Nn / Nt 1.3,（1）挡土墙抗倾覆验算 在土压力作用下墙将绕墙趾O点向外转动而失稳,故应进行抗倾覆验算 。建立坐标轴 X Z ，将力分解为水平及垂直两个分力,分别乘以它们的作用点到O点的力臂，得到抗倾覆力矩和倾覆力矩。 Kt= M抗 / M倾 1.5,2、挡土墙稳定性验算,6.1 概述 基础按使用的材料可分为灰土基础、砖基础、毛石基础、混凝土基础和钢筋混凝土基础。 按埋置深度可分为浅基础和深基础。埋置深度不超过5m者称为浅基础，大于5m者称为深基础。 按受力性能可分为刚性基础和柔性基础。 按构造形式可分为条形基础、独立基础、满堂基础和桩基础。,第六章 基础设计,6.2 基础类型 一、墙下条形基础 当建筑物采用砖墙承重时，墙下基础常连续设置，形成通长的条形基础。 刚性基础 ：所用材料有混凝土、砖、毛石、灰土、三合土等。 常用刚性角来控制基础放大部分的斜度。,二、独立基础 当建筑物上部为框架结构或单独柱子时，常采用独立基础；若柱子为预制时，则采用杯形基础形式。 杯形基础用钢筋混凝土制做，接头采用细石混凝土灌浆。,三、柱下钢筋混凝土条形基础（十字交叉基础） 四、筏形基础 五、箱形基础,六、桩基础 桩基的作用是将荷载通过桩传给埋藏较深的坚硬土层，或通过桩周围的摩擦力传给地基。前者称为端承桩，后者称为摩擦桩。 端承桩适用于表面软弱土层不太厚而下部为坚硬土层的情况,其上部荷载主要由桩尖阻力来平衡。 摩擦桩适用于软弱土层较厚，下部有中等压缩性土层，而坚硬土层距地表较深的情形。摩擦桩的上部荷载由桩侧摩擦力和桩尖阻力共同来平衡。 桩广泛采用混凝土或钢筋混凝土制作。按施工方法可分为预制桩和灌注桩两大类。,由室外设计地面到基础底面的距离，称为基础的埋置深度。 基础的埋置