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同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 基础工程设计原理总复习基础工程设计原理总复习 建筑物通常是由上部结构、基础和地基三部分组成。承受建筑物荷载的地层称为地基， 建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。 一一、地基模型地基模型亦称土的本构定律，就是描述地基土在受力状态下应力和应变之间关 系的数学表达式 1、线性弹性地基模型（地基土在荷载作用下其应力应变为直线关系） 1.1、文克勒地基模型 1 (,0) iiij ii ff k ab 假定地基任一点所受的压力强度 p 只与该点的地基变形 s 成正比，而 p 不影响该点以外 的变形。p=ks， （k 为地基基床系数，表示产生单位变形所需的压力强度 kN/m3） 该模型计算简便，只要 k 值选择得当，即可获得较为满意的结果；但是理论不够严格， 忽略了地基中剪应力，变形与实际情况不符合。 基础位于无粘性土上（特别是基础比较柔软又有局部荷载） ；位于软弱粘性土上的建筑 物且上部结构和基础的刚度不是很大 1.2、弹性半空间地基模型 将地基视作均匀的、各向同性的弹性半空间体 具有扩散应力和变形的优点，比文克勒地基模型合理，但是其扩散能力往往超过了地基 的实际情况，造成计算结果较实测结果的大，而且不能反映地基土的分层特性 1.3、分层地基模型 我国地基基础规范中用以计算地基最终沉降量的分层总和法（完全侧限） 能较好得反映地基土扩散应力和变形的能力，能较容易考虑土层非均质性沿深度的变 化，计算结果比较符合实际情况；但是仍为弹性模型，未能考虑土的非线性和过大的地 基反力引起的地基土的塑性变形 2、非线性弹性地基模型 弹性模量与泊松比是随应力变化的。 3、弹塑性地基模型 4、柔度矩阵及柔度系数（m/kN） 柔度矩阵表示地基变形与反力之间的关系， 反映了地基模型在外力作用下界面的位移特 征。 柔度系数 ij f是指在网格 j 处作用单位集中力而在网格 i 处引起的变形 5、选择地基模型原则：1）被选模型应尽可能准确反映土体受外力作用时的主要力学性 状。2）便于利用已有的数学方法和计算手段进行分析 3）模型参数容易确定 二、浅基础地基计算二、浅基础地基计算 1、浅基础与深基础（桩基础、沉井、地下连续墙） ：设计计算时是否考虑基础侧壁摩阻 力影响 2、荷载代表值：标准值（承载力验算） 、准永久值（沉降计算） 、组合值（1.35 倍标准 值，基础截面设计） 3、地基基础设计基本要求：1）地基强度要求 2）地基变形要求 3）基础结构强度、 刚 度及耐久性要求。 （按变形控制设计的原则是地基基础设计的总原则） 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 4、容许承载力法和安全系数法采用荷载标准值、标准组合，分项系数法采用荷载设计 值、基本组合；容许承载力法采用容许承载力（安全度由其取值控制） ，安全系数法和 分项系数法采用极限承载力（安全度由系数取值控制） ； 5、地基承载力验算（容许承载力法） ；地基稳定性验算（安全系数法） ；基础结构设计 （分项系数法） 6、浅基础设计步骤：基础类型埋深选择地基承载力计算确定基底尺寸地基验算 7、浅基础类型：无筋扩展基础（刚性基础，又分为墙下条形基础和柱下独立基础） ； 扩 展基础（柔性基础，又分为柱下钢砼独立基础和墙下钢砼条形基础） ；柱下钢砼条形基 础；筏形基础；箱形基础。 8、基础的埋深：指基础底面到天然地面的垂直距离。原则是凡能浅埋的应尽可能浅埋 （除岩石地基外，基础最小埋深不宜小于 0.5m，且基础顶面宜低于室外设计地面以下 0.1m） 影响因素： 建筑物的用途及基础类型； 荷载的大小和性质； 工程地质和水文地质条件 （直 接支撑基础的土层称为持力层，其下各土层称为下卧层） ；相邻建筑物基础埋深影响； 地基土冻胀和融陷的影响；补偿基础（基地附加应力为 0，一般有筏形基础和箱形基础） 9、地基容许承载力的确定： 9.1 理论公式（根据地基临界荷载 1/4 p） abdmck fMbMdM c 基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度 m 基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度 k c基底下一倍短边宽深度内土的黏聚力标准值 b基础底面宽度，大于 6m 时按 6m 取，对于砂土小于 3m 时按 3m 取 d基础埋深，一般自室外地面高程算起 9.2 荷载试验（p-s 曲线比例界限对应荷载值；极限荷载小于对应比例界限荷载值的 2 倍时取极限荷载的一半） 当基础宽度大于 3m 或埋置深度大于 0.5m 时进行修正 (b 3)(d 0.5) aakbdm ff 各符号意义同上，其中 b 当基础宽度小于 3m 时取 3m，大于 6m 时按 6m 计 9.3 规范承载力表 01122 k(b 2)k(h 3) 10、基底尺寸确定 ( ) k aG F A b fd （ a f按未修正值计算，受偏心荷载作用时，考虑增大 10%-30%） 11、地基验算： 地基验算一般由变形控制，一般情况下只要变形要求能满足，地基强度要求也可以满 足。所以地基承载力验算是指保证建筑物正常使用的承载力，而不是地基稳定性中的极 限承载力。 11.1 承载力验算 11.1.1 持力层验算（力矩应作用在基础底面，考虑水平荷载引起弯矩） 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 max minmaxmin ,(,1.2 ,0) kkk FGM ppf pf p AW 11.1.2 软下卧层验算（软下卧层顶面处） zczaz f z 附加应力标准值（应力扩散法） () (2 tan )(2 tan ) kc z pbl bzlz cz 自重应力标准组合值 az f经深度修正后的地基承载力特征值 11.2 变形验算（分层总和法，荷载取准永久组合值） 11.2.1 变形特征 沉降量是指独立基础或刚性特别大的基础中心沉降量 沉降差是指相邻两个单独基础的沉降量之差 倾斜是指独立基础在倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值 局部倾斜是指纵向 6-10m 内基础两点沉降差与其距离的比值 11.2.2 控制特征 对于砌体承重结构，应由局部倾斜控制； 对于框架结构和单排框架结构，应由相邻柱基础的沉降差控制； 对于多层或高层建筑和高耸结构，应由倾斜控制，必要时控制平均沉降量。 11.3 稳定性验算（经常受水平荷载作用或建在斜坡上的建筑物） 基础倾覆稳定性 基础滑动稳定性 地基稳定性 土坡坡顶上建筑物地基稳定性 12、减轻不均匀沉降危害的措施（减少建筑物的总沉降量和增强上部结构对沉降和不均 匀沉降的适应能力） 12.1、采用桩基础或其他深基础，以减少总沉降量 12.2、对地基进行处理，以提高原地基的承载力和压缩模量 12.3、在建筑、结构和施工中采取措施 12.3.1 建筑措施 建筑物的体型力求简单、增强结构的整体刚度、设置沉降缝、相邻建筑物基础 间应有合适的净距、调整某些设计高程 12.3.2 结构措施 设置圈梁增强建筑物的刚度、选用合适的结构形式、减轻建筑物和基础的自重、 减小或调正基底附加应力、加强基础刚度 12.3.3 施工措施 遵照先建重（高）建筑后建轻（低）建筑的程序、建筑物施工前使地基预先沉 降、注意沉桩降水对邻近建筑物的影响、基坑开挖坑底土的保护 三、浅基础结构设计三、浅基础结构设计 承受上部结构荷载作用和地基反力； 确定截面尺寸和截面配筋满足结构内力要求并 且满足构造要求。基础高度由混凝土抗剪切抗冲切条件确定，配筋由基础验算截面抗弯 能力确定。 设计方法：1）不考虑共同作用分析法（刚性设计，适用于基础相对刚度比较大） 2）部分共同作用分析法（基础-地基） （弹性地基梁板法，适用于基础相对 刚度比较小） 3）全部共同作用分析法（上部结构-基础-地基） 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 1、共同作用 不考虑共同作用，忽略了三者之间受荷前后的变形连续性，导致底层和边跨梁柱的实际 内力大于计算值而基础实际内力比计算值小很多。 概念：上部结构、基础与地基三者是一个共同工作的整体，三者通过各自的刚度在体 系的共同工作中发挥作用。三者之间既满足静力平衡条件，还满足变形协调条件。 上部结构与基础共同作用： 上部结构为绝对刚性：基础均匀沉降，不发生整体弯曲，发生局部弯曲 上部结构为完全柔性：发生整体弯曲和局部弯曲 地基与基础共同作用 完全柔性基础：基础和地基的力的分布以及变形完全一致 绝对刚性基础：刚性基础对荷载的传递和地基的变形有调整和约束作用（抛物线形- 马鞍形-倒抛物线形-钟形） ；刚性基础能把中心集中荷载调整到基础边缘（架越作用） 其 基底反力的分布只与基础荷载合力的大小和作用点有关； 2、刚性基础（主要承受压应力，并保证基础内产生拉应力和剪应力不超过限值） 2.1 设计原则：刚性角验算（台阶宽高比验算）/tan ii bH（不够安全 or 不够经济） 2.2 构造要求 1）砖基础 标准砖 240mm115mm53mm，标准砖加灰缝 240mm120mm60mm 一般做成台阶式，俗称“大放脚” ，顶层和底层为两皮砖；二、一间隔收（节省材料） 、 三皮两收、两皮一收 垫层混凝土高度 200mm 以上时可作为基础结构一部分进行计算 2）砼基础 一般做台阶形或阶梯形，每层台阶高度不宜大于 500mm，不超过三层台阶（350mm 和 900mm） 2.3 设计计算步骤 1） 初步选定基础高度 H（砖基础高度一般为 60 的倍数 mm；砼基础高度不宜小于 200mm；石灰三合土基础和灰土基础高度应为 150 的倍数 mm） 2）按地基承载力条件确定 min b（做深度修正） 3）按刚性角确定 max0 2tanbbH 4）选择合适 b 值 5）若下部材料强度小于上部材料，应对接触部分做抗压验算 6）对砼基础，基底平均压力超过 300kPa 时，应对台阶变化处断面进行抗剪验算 3、墙下条形基础（平面应变问题） 3.1 设计原则（截面设计时采用不计基础与上覆土重力作用时的地基净反力） 基础底面宽度 b地基承载力要求确定 基础高度 h砼抗剪切条件确定 基础底板配筋验算截面抗弯能力确定 3.2 构造要求 墙下条形基础一般采用梯形截面，边缘高度一般不宜小于 200mm，坡度 i1:3； 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 基础高度小于 250mm 时可做成等厚度板； 基底下宜设 C10 素混凝土垫层，厚度 100mm； 底板受力钢筋大于10100mm200mm，分布钢筋8300mm，保护层厚度有垫层 时 40mm，无垫层时 70mm； 3.3 设计计算步骤 1）计算地基净反力（仅由基础顶面的荷载设计值所产生的地基反力） max min 2 6 j NM p bb 2）基础验算截面选取及其剪力计算 当墙体材料为混凝土时，验算截面在墙角处； 当墙体材料为砖墙且墙脚伸出不大于 1/4 砖长时，验算截面在墙面处； 3）基础高度的确定 0 0.7 Iht Vf h 截面高度影响系数 1 4 0 800 () h h （800mmh0预制桩、沉管灌注桩 4）施工应力 灌注桩2.5弹性桩，横向设计承载力由桩身材料的抗弯强度或侧向变形条件决定 桩周土对桩的水平工作性状影响最大的是地表土和浅层土 h4 时， 对于单桩、单排桩： 1）求桩顶荷载，地面处荷载 2）按公式求出桩顶最大位移 3）认为 Q=0 处的截面为最大弯矩所在的位置，进而求出桩身最大弯矩及其位置 对于多排桩： 单桩桩顶刚度系数 1 第 i 排桩桩顶处仅产生单位轴向位移时在桩顶引起的轴向力 2 第 i 排桩桩顶处仅产生单位横轴向位移时在桩顶引起的横轴向力 3 第i排桩桩顶处仅产生单位横轴向位移时在桩顶引起的弯矩或桩顶仅产生单位转角时 在桩顶引起的横轴向力 4 第 i 排桩桩顶处仅产生单位转角时在桩顶引起的弯矩 00 0 0 ii i i bbx aa 1 2030 4030 ii i i Pb Ha Ma 计算过程： 1）计算每根桩桩顶作用力 作用在每排桩的荷载 计算宽度 变形系数 计算单桩桩顶刚度系数 求承台变位 求桩顶变位 求桩顶作用力 校核 2）桩身最大弯矩及位置（灌注桩按桩身计算弯矩配筋，预制桩一般由吊运内力控制） 20、桩基设计步骤 桩型承台底标高桩长及截面尺寸单桩承载力特征值桩数、桩间距及布置、承台 尺寸桩基验算桩身设计承台设计 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 五、沉井基础五、沉井基础 1、概述 沉井基础是井筒状的结构物。它是从井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下 沉到设计高程，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为基础。优点是埋置深度大， 整体性强，稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载与水平荷载；缺点是 施工期长，施工过程 有可能发生倾斜 2、构造和组成 （圆形、矩形、圆端形；单孔、双孔、多孔） 井壁：承受水压力和土压力引起的弯曲应力同时要有足够的自重 直壁式：周围土层能较好地约束井壁，易于控制垂直下沉，井壁接高时亦能多次 使用模板 阶梯式：根据不同高度的水、土压力受力情况，设置不同厚度的井壁，节约材料 刃脚：减少下沉时端部阻力 内隔墙：增加下沉时的沉井刚度，减小井壁跨径以改善井壁受力条件，使沉井分隔成多 个取土井；隔墙下部应设过人孔 井孔：挖土排土的工作场所和通道，井孔布置应对称于沉井中心轴，便于对称挖土使沉 井均匀下降 封底及浇筑底板：分为干封和湿封，刃脚上方的井壁设置凹槽 底梁和框架：增加沉井刚度，防止沉井“突沉”和“超沉” 3、施工方法 1）旱地沉井施工 就地制造、挖土下沉、封底、充填井孔、浇筑顶板 2）水上沉井施工 筑岛法、浮运法 预计沉井下沉困难时，采取的措施一般有：将沉井井壁设计成阶梯形；在井壁内埋设高 压射水管组；壁外喷射高压空气或触变泥浆 4、沉井的设计计算 埋置深度（最大冲刷线 or 挖方后地面） 1）非岩石地基 NeHl H 0 ()tanxzz 0 ()tan zx Cxmz zz （横向抗力） 0 2 tan 2 d d C（基底应力） 1 0 11 0 2 0 0 h zx h zxd Hbdz Hhb zdzW 解出未知量，进一步求出抗力与截面弯矩 课本中给出： 1 1 (10.1)(1) d bB BB 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 3 1 1 00 18 , 2 (3) h CmhbhWd hhA CCh max 0min 0 63 (), zx HNHd z zz AhAA 2）岩石地基 沉井在嵌入处发生转动，嵌入处存在水平阻力 推导过程同上，对基底点取矩求出转角 5、沉井基础验算内容： 1）基底应力验算 分别按照深基础和浅基础进行验算（是否考虑井壁侧土的弹性抗力作用） maxh f为地基土容许承载力 2）横向抗力验算（取 z=h/3,z=h 处进行计算） 12 4 (tan) cos zx zc 地下水位以下，砂性土取有效重度粘性土取饱和重度； 一般结构 1 1，拱桥 1 0.7 2 10.8 g M M 3）墩台顶水平位移验算 0.5(cm)L，其中 L25m 时按 25m 计算 4）稳定性及沉降 6、施工过程验算 下沉系数、下沉稳定系数、抗浮安全系数； 刃脚计算，井壁计算，封底混凝土厚度计算，沉井下沉对周围环境影响 六、基坑支护结构六、基坑支护结构 基坑工程包括支护结构、土体加固、基坑降水、土方开挖、基坑监测 1、支护结构作用、分类 基坑支护结构是为了保证地下结构施工及基坑周边环境的安全， 对基坑侧壁以及周 边环境所采取的支挡、加固与保护措施；一般分为挡土结构和支锚结构。无支护基坑工 程考虑放坡开挖时边坡稳定及排水 按刚度：刚性支护结构（重力式挡土墙） 柔性支护结构（板桩墙、钻孔灌注桩柱列式挡土墙、地下连续墙） 按力平衡方式：重力式、悬臂式、支锚式 按支锚结构形式：内支撑（水平撑、斜撑） ，外支撑（锚杆式、锚定板式、土钉式） 2、常见支护结构类型及特点、适用情况 1）水泥土墙支护结构：结构简单、施工方便、施工噪声低、振动小、速度快、截水效 果好、造价经济；但是宽度大，墙身位移大。适用于软土地区，环境要求不高的情况， 基坑开挖深度不大于 6m 2）排桩、地下连续墙支护结构 钻孔灌注桩自防水性能差，需结合防水措施（深层搅拌桩） 3）土钉墙支护结构 3、土方开挖原则 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖 4、支护结构上土压力（动态平衡，开挖过程土体应力释放，存在摩擦力，滑裂面为曲 面） 4.1 土压力分析 1）自立式重力挡土结构上的土压力 结构刚度较大，位移较小。其土压力一般可近似按库仑、朗金理论计算 2）悬臂式柔性挡土支护结构 经过修正后的三角形分布 3）具有支撑的支护结构 4.2 水平荷载与抗力计算（水泥土墙设计时不按此规则） 1）水平荷载标准值 竖向应力标准值计算： 01ajkrkkk rk 为竖向自重应力，开挖面以下不变 0k 为满布附加荷载 1k 为条形附加荷载经扩散在一定范围内产生的竖向附加应力 计算规则同 2） 开挖面上水平荷载标准值小于 0 时，取 0 2）水平抗力标准值（被动土压力） pjkmjj z从基坑底面起算 对砂土及碎石土，考虑地下水浮力影响时自重应力减小以及侧向水压力； 2()(1) pjkpjkpiikpijwppiw pKcKzhK 对于粉土粘性土，直接采用天然重度（饱和重度）进行计算（水土合算） 2 pjkpjkpiikpi pKcK 5、水泥土墙支护结构设计 1）确定深度宽度 2）计算土压力 水土分算：采用浮重度，计算水压力，如何考虑地下水渗流？（砂土、粉土、粉质粘土） 水土合算：采用天然重度，计算值偏大（不透水黏土层） 3）抗倾覆验算 绕坑内侧墙趾的转动 1 2 pp q aa E hBW K E h 4）抗滑验算 向基坑方向滑动 00 tan p HL a Wc BE K E 5）整体圆弧滑动稳定验算（瑞典条分法） 6）抗渗稳定验算 防止坑底出现流砂现象（坑底下为砂土或坑底为粘性土层而其下有砂土透水层） c s i K i （临界水力梯度与渗流水力梯度比值） 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 1 1 s c d i e ， 2 ww ww hh i LhDB （扣除渗透性大土层厚度） 7）墙体结构强度验算 0 1.25,0.06 cscscscs MM zfzf WW 8）墙顶水平位移验算 加强措施 p185：墙顶现浇混凝土路面；墙身插毛竹或钢筋；坑底加固 6、排桩、地下连续墙支护结构设计（了解围护桩墙设计计算，内支撑结构略） 1）稳定性验算、 整体稳定性验算（圆弧滑动简单条分法） 坑底抗隆起稳定验算 2 10 () qc wz DNcN K hDq ，按普朗特尔公式 tan 2 4 tan (45/ 2) (1) / tan q cq Ne NN 抗渗验算（计算至防渗帷幕底） 坑底土抗承压水稳定性验算 上覆土自重压力与承压水水头压力比值 2）内力变形验算 极限平衡法（土压力按朗金或库仑理论计算） 弹性支点法 7、土钉墙支护结构设计（了解） 1）加固机理：提高原位土体强度；土与土钉间相互作用（主被动区） ；面层土压力分布 2）土钉与加筋土挡墙比较；p200 无预应力状态，摩阻力，面层，自上而下，原位加筋， 灌浆技术，水平 or 倾斜布置， 土钉与土层锚杆比较：p201 无预张拉，末端固定长度传 递荷载，允许单筋破坏，无承压装置，锚杆较长 3）土钉墙设计计算：土钉几何尺寸设计；内部稳定性分析；外部稳定性分析 七、地基处理七、地基处理 1、地基处理的对象软弱地基和特殊土地基（软土、冲填土、杂填土、松散土、特 殊土） 2、地基处理的目的提高地基的强度和保证地基的稳定，降低地基的压缩性及减少 地基的沉降和不均匀沉降，改善地基的渗透性，防止地震时地基土的振动液化和震陷， 以及消除特殊性土的不良特殊性质 3、地基处理分类 按时间：临时处理、永久处理 按处理深度：浅层处理、深层处理 按处理土性对象：砂性土处理和粘性土处理、饱和土处理和非饱和土处理 按地基处理作用机理：置换（浅部土） 、固结（饱和软土、冲填土） 、密实（砂性土、 粘粒少的粘性土） 、化学加固（灌浆法一般不用于饱和软土，适用于渗透性好的砂性土， 而水泥搅拌桩适用于软土） 、加筋（人工填土） 、冷热（软土） 4、地基处理原则（了解） 1）针对地质条件和工程特点选用合适的地基处理方法（适用性） 2）所选用的地基处理方法必须符合土力学的基本原理（合理性） 3）根据地基处理的时效特点进行工程验算与控制（时效性） 同济大学 基础工程设计原理 期末复习资料1150899 陈力畅 4）加强管理、严格计量、及时检测、减少人为因素的影响（可控性） 5）重视地基处理的工程经验（经验性） 5、换填法 可就地取材、施工简单、不需要特殊的机械设备、施工费用低等，但是施工土方量大， 弃土多 5.1 作用 1）提高地基承载力，增强地基稳定性 2）减少地基沉降和不均匀沉降 3）加速软弱土层的排水固结（垫层作用分换土和排水固结） 4）防止地基土冻胀 5）消除特殊土的不利性状 5.2 适用范围 土质淤泥、淤泥质土、素填土、杂填土、湿陷性黄土等 浅部0.5-3.0m 5.3 设计计算（？课本例题，计算自重应力时重度选择？） 1）垫层厚度的确定按下卧层承载力计算 zczaz ppf 按扩散法确定附加压力值： () 2 tan kc z b pp p bz or () (2 tan )(l 2 tan ) kc z bl pp p bzz 2）垫层宽度的确定按压力扩散角计算 2 tanbbz（垫层顶面每边超出基础底面不宜小于 300mm） 6、复合地基设计 6.1 概念 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被置换，或在天然 地基中设置加筋材料，加固区是由基体和增强体两部分组成的人工地基。该地基中基体 和增强体通过变形协调共同承担荷载，是形成复合地基