岩土工程设计方法讲座(上).ppt

岩土工程勘察与设计讲座之二 同济大学高大钊2011年10月 岩土工程设计 上 引言 在中国工程勘察信息网的专栏中 提出了许多疑难问题 在答疑和讨论的过程中 积累了不少的资料 出版了 土力学与岩土工程师 和 岩土工程勘察与设计 两本书 主办单位提出围绕这两本书的主题开展讲座 也是一个很好的思路 值得尝试 在2009年 2010年 主要环绕 岩土工程勘察规范 局部修订的宣讲 讲了岩土工程实务工作的一些问题 即勘察方案的编制 勘探孔的深度和平面布置 取样数量 土工试验和原位测试 地下水勘察 土和水对建筑材料腐蚀性评价等问题 2010年底至今年上半年 主要讲解岩土工程评价方法 从现在开始 将讲解岩土工程设计方法 第二部分岩土工程设计 一 岩土工程设计的力学基础二 浅基础设计的地基承载力问题三 地基基础设计的变形控制方法四 单桩 群桩的承载力与桩基础设计 五 地基处理的方案选择与设计控制六 边坡稳定性分析与土压力计算七 基坑工程方案设计与事故分析八 地基基础抗震评价与抗震设计 一 岩土工程设计的力学基础 1 岩土工程设计是工程结构设计的一部分2 岩土工程师必需的力学知识复习 岩土工程设计是工程结构设计的一部分 岩土工程是主体工程的一部分没有主体工程就没有岩土工程问题 不存在没有岩土工程的主体工程岩土工程与结构工程的相互依赖与统一结构工程的安全与耐久性依赖于岩土工程的质量 岩土工程的规模与难度取决于结构工程的规模与技术要求 岩土工程设计与结构工程设计的异同它们同属于工程学的范畴 都要满足工程力学的基本规律 都要满足工程建设的控制要求 都采用工程设计的方法 岩土工程设计对象有两类 第一类是对岩土体的设计计算 第二类是对与岩土体相互作用的结构物的设计计算 如基础 地下室 围护结构 支锚结构等 在设计原则上存在差异 结构设计的概率极限状态设计实用方法已经标准化 但岩土工程中的第一类设计的概率极限状态设计方法还不太成熟 较多的规范采用安全系数法甚至是容许应力法设计 在安全度控制方法上存在差异 结构设计的作用与抗力 都可以由技术标准规定数值来加以严格控制 而岩土工程设计中涉及岩土体所产生的作用与抗力 其数值无法由技术标准的规定所控制 由于岩土体是自然地质体 与自然条件密切相关 岩土工程设计的作用与抗力是按岩土体的物理力学参数进行计算的结果 具有极强的地区性 在太沙基岩土工程体制下 岩土工程设计是由岩土工程事务所承担的 是岩土工程咨询顾问工作的一部分 从前期的地质调查 工程设计到施工监测与检测 都是岩土工程事务所的一揽子全过程服务范围 在我国勘察 设计体制下 岩土工程勘察与设计是分离的 由专门的勘察队伍从事岩土工程勘察工作 而岩土工程设计则是分散在不同的单位 结构性比较强的地基基础设计工作一般由上部结构设计单位完成 而且呈现比较明显的行业性 独立性比较强的边坡整治工作一般由勘察单位完成 基坑工程设计则分散在各种不同的单位 岩土工程勘察单位也有承担设计任务的 岩土工程设计的特点 岩土工程设计的任务是处理工程结构与地质条件的协调 力学平衡 变形协调 一类是由于建筑物的存在 如地下工程 及其荷载施加于岩土体所产生的工程问题 另一类是治理岩土体的不稳定性所产生的工程问题 包括采用结构的方法所产生的岩土体与结构的相互作用 地基基础设计的基本假定 设计与力学计算的关系 设计不等同于计算 设计包括概念设计 方案设计 构造设计和在力学计算基础上的构件尺寸的确定或在预定尺寸以后的验算 力学计算仅是设计过程中的一部分 或者是设计的一种定量验算的方法 对计算软件的正确使用 2 岩土工程师必需力学知识复习 如何将一个工程问题 正确地抽象简化为力学的计算模式 是工程师的基本素养 也是正确处理工程问题和进行工程计算的基本条件 例如等值梁法 对技术标准的一些规定和计算公式的正确理解和运用也需要具有一定的力学基础知识 例如大 小偏心的基底反力计算 2 1解平衡方程求未知数 平面力系2 2结构的约束条件 支座反力 2 3根据平衡条件求解支座反力2 4内力分析的截面法2 5受弯构件的正截面应力分布2 6静定与超静定问题 平面力系的平衡条件 X 0 Z 0 M 0 X Z 2 1解平衡方程求未知数 如果一物体在三个互不平行的共面力作用下而处于平衡状态 则三个力的作用线必交于一点 这就是三力平衡定理 是工程师最基本的一个力学概念 库仑土压力的力三角形解法 根据楔体平衡条件求解已知楔体重力W的大小与方向已知土压力的反力E的方向 与墙面法线夹角 即墙面与土的摩擦角 已知 但大小未知已知滑动面上的阻力R的方向 与滑动面法线夹角 即土的摩擦角 已知 但大小未知 由楔体平衡条件知三个力必交于楔体重心 即力三角形闭合 运用三角函数的关系 即可求解未知数 求得土体和挡土结构物之间接触压力的合力 2 2结构的约束条件 支座反力 竖向与水平向同时约束 竖向约束 竖向与转动两个约束 2 3根据平衡条件求解支座反力 对平面力系 具有三个约束条件的满足静定结构的条件 如果少于三个约束条件 则称为机动体系 或者称为静不定结构 不能保持静力平衡 如果多于三个约束条件 则称为超静定结构 2 4内力分析的截面法 截面法是内力分析的基本方法 弯矩 剪力的方向规定 简支梁的内力分析 悬臂梁的内力分析 内力的叠加 2 5受弯构件的正截面应力分布 截面抗弯惯性矩与抵抗矩 基底反力分布 横截面内力计算与强度条件 钢筋混凝土梁受弯时正截面应力变化 2 6静定与超静定问题 静定结构 简支梁 悬臂梁 三铰拱 桁架 排架结构的梁是简支梁 因此地基的不均匀沉降不会造成上部结构的次应力 桁架结构也是静定的 由杆件系统通过三角形的稳定结构形成静定的体系 可以做成大跨度结构 桥梁 屋架都可以用 桁架式支撑 超静定结构 约束条件多于3个的平面力系 就构成了超静定结构 框架结构 连续梁 刚架结构都是超静定结构 单支撑围护结构的简化计算 等值梁法 二 浅基础设计的地基承载力问题 1 地基承载力与土的抗剪强度指标存在什么关系 2 怎样估计地基承载力的安全系数 3 怎样校核地基承载力的地方经验 4 土的自重压力对承载力有什么影响 5 基础的宽度该怎么取 6 基础的埋置深度该怎么取 7 怎样验算软弱下卧层强度 8 弯矩计算公式为什么不同 1 地基承载力与土的抗剪强度指标存在什么关系 地基承载力怎么与基础宽度 埋置深度无关了 在 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002的表5 2 5中 可以按不同的内摩擦角标准值查到地基承载力系数 内摩擦角的数值从0 40 但根据规范4 2 4条的规定 土的抗剪强度指标的试验应采用三轴不固结不排水剪试验 试验得到的内摩擦角接近于零 计算得到的地基承载力特征值与基础的宽度 埋置深度都没有关系 规范的这两部分规定是否存在矛盾 为什么会产生这样的矛盾 这位网友确实发现了这本规范在逻辑上的矛盾 这本规范的以往版本中 不存在这样的逻辑矛盾 但在2002版的 建造地基基础设计规范 中却出现了这个问题 为什么会产生这样的矛盾 这是由于 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002不区分土类 不区分排水条件 一概都采用不固结不排水试验的缘故 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002条文说明第4 2 4条是这样解释为什么要规定采用不固结不排水剪试验的理由的 鉴于多数工程施工速度快 较接近于不固结不排水条件故本规范推荐UU试验 而且 用UU试验成果计算 一般比较安全 1 这说明了2002版规范对土的抗剪强度指标取值的基本观点 但从这个基本观点出发 所得到的结果是什么呢 三轴不固结不排水剪试验得到的内摩擦角接近于零 按内摩擦角等于零查规范的表5 2 5 差得承载力系数为Mb 0 Md 1 0 Mc 3 14 代入公式 5 2 5 求得的地基承载力的大小与基础的宽度和埋置深度都没有任何关系 这是根据2002版 建筑地基基础设计规范 特有的规定所得到的结果 但从这本规范的表5 2 4中 我们看到 许多土类都可以查到比较大的宽度修正系数和深度修正系数 可以计算得到地基承载力随基础宽度 埋置深度的增大而提高的结果 这是 建筑地基基础设计规范 历次版本所共有的规定所得到的结果 也许有的网友会这样解释 表中的淤泥和淤泥质土的宽度修正系数为零 深度修正系数为1 0 不是和按试验结果得到的系数一样吗 这并没有错 但还有不少的土类 这两个系数都是比较大的 对于这些土类 如何用规范的地基承载力公式计算呢 按照第4 2 4条的规定 没有区分土类 没有区分排水条件 如果都采用不固结不排水剪试验 即使是砂土 也得到接近于零的内摩擦角 按照这样的试验结果只能得到Mb 0 Md 1 0 Mc 3 14的承载力系数 计算的结果与基础宽度及基础埋置深度都没有什么关系 2 怎样估计地基承载力的安全系数 在 高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72 2004的附录A给出了天然地基极限承载力公式 而在 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002中给出了地基承载力特征值的计算公式 我的问题是对于同样的土 采用这两个公式计算的结果的比值是否就是安全系数 从原理上说 极限承载力除以安全系数就是地基承载力特征值 或者说 用同一土层的强度指标 分别计算得到的极限承载力除以地基承载力特征值 就是取用这个容许承载力的计算安全系数 下面用计算的方法进行校核 土的抗剪强度指标为 固结不排水剪内摩擦角 18 黏聚力c 20kPa 不固结不排水剪强度cu 55kPa 土体的重度 18kN m3 如果条形基础宽度b 3m 埋置深度d 2m 分别用 高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72 2004的附录A的公式和 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002的公式计算地基承载力 用 高层建筑岩土工程勘察规程 JGJ72 2004的附录A的公式计算 查表得承载力系数N 4 07 Nq 5 26 Nc 13 1 条形基础的形状系数均为1 0 则地基极限承载力的计算结果为 2 用 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002的公式计算 查表得承载力系数Mb 0 41 Md 2 72 Mc 5 31 则地基承载力特征值的计算结果为 计算的安全系数K 2 48 如果用不固结不排水强度计算 极限承载力为756 5kPa 地基承载力特征值为208 7kPa 则计算的安全系数为K 3 62 3 怎样校核地基承载力的地方经验 我是上海地区的 请问 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002的地基承载力特征值的计算公式在上海是否适用 国家标准的地基承载力计算公式在原则上应当适用于全国各地 但如果地区已有地方规范 应该进行必要的试算比较 以确定是否符合地方经验 在比较计算时 要注意计算公式和抗剪强度指标试验方法的配套使用 上海两个土层的土工试验资料 表给出了上海地区两个土层的土工试验资料 如作用于基础顶面由恒载产生的竖向力标准值120kN m 由可变荷载产生的竖向力标准值30kN m 持力层为第 层土 条形基础的埋置深度1 0m 分别按照国家标准和地方标准的规定进行地基承载力的计算 由于这两本标准所采用的设计原则不同 国家标准采用容许承载力 上海规范采用极限承载力 因此不能直接比较计算得到的地基承载力值 而用相同的荷载标准值 比较计算得到的基础宽度 根据 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002的规定 土的抗剪强度指标采用不固结不排水剪试验结果 按 建筑地基基础设计规范 5 2 5条计算 得地基承载力特征值 fa 18 1 0 1 0 3 14 55 190 7kPa 按 建筑地基基础设计规范 式 5 2 1 1 计算 荷载标准组合的竖向力为Nk 150kN 则基础宽度由下式计算 根据上海地基基础设计规范式 4 2 3 1 计算 得地基承载力设计值 3 fd 1 14 0 5 8 1 5 0 39 18 1 0 2 5 8 35 7 120 2kPa 按上海地基基础设计规范式 4 2 1 1 计算 竖向力的设计值为 为了比较 还按1989年的上海地基基础设计规范进行了对比计算 这个版本的规范采用临塑荷载公式地基承载力计算 地基容许承载力p0 0 23 8 1 5 1 99 18 1 0 4 49 14 98 68kPa 得基础宽度为 分析意见 在相同的工程条件 相同的地基条件下 用 建筑地基基础设计规范 规定的抗剪强度指标的试验方法和计算公式求得的地基承载力特征值 过高地估计了上海软土的地基承载力 验算得到的基础宽度仅为用上海地基规范公式计算结果的一半 不符合上海几十年积累的工程经验 说明如在上海地区强制采用全国规范的方法 将是非常危险的 由于各地的地质条件和工程经验不同 其实作为全国性的规范 不可能也不需要规定得如此的具体 如果要作非常具体的规定 必须进行各种情况的对比计算分析 有足够的把握可以控制得住 才能在规范中具体规定 上面的对比计算所用的抗剪强度指标是不同的 还不能完全说明这些计算公式之间的差别 能否对上海规范的公式用不固结不排水强度计算 而对全国规范的公式能否用固结快剪指标计算 如果可以计算 则其对比计算的结果又如何 地基承载力可以选用不同的公式进行计算 可以用极限承载力公式 也可以用界限荷载公式 在界限荷载公式中 可以选用临塑荷载公式 也可以选用p1 4公式 但问题不完全在于选用什么公式 更重要的是要与抗剪强度指标的选择配套使用 下面用临塑荷载公式和p1 4公式 也就是 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002的地基承载力公式 的计算结果与上海 地基基础设计规范 DGJ08 11 1999 的极限承载力公式计算的结果进行比较 指标分别采用三轴不固结不排水剪指标和直剪固结快剪指标 由于这3个公式的性质不同计算得到的地基承载力的性质也不相同 因此也不能进行承载力数值的直接比较 因此采用在相同假定计算条件下的基础宽度进行比较 假定的计算条件为 持力层为第 层土 条形基础的埋置深度1 0m 作用于基础顶面由恒载产生的竖向力标准值120kN m 由可变荷载产生的竖向力标准值30kN m 用上海 地基基础设计规范 的极限承载力公式进行计算 1 用直剪固结快剪指标按上海地基基础设计规范式 4 2 3 1 计算 得地基承载力设计值 fd 1 14 0 5 8 1 5 0 39 18 1 0 2 5 8 35 7 120 2kPa 按上海 地基基础设计规范 式 4 2 1 1 计算 竖向力的设计值为 则求得基础的宽度为 2 用三轴不固结不排水剪指标按上海地基基础设计规范式 4 2 3 1 计算 得地基承载力设计值 则求得基础的宽度为 用临塑荷载公式计算1 用直剪固结快剪指标根据上海的工程经验 对直剪固快指标打7折计算 地基容许承载力p0 2 01 18 1 0 4 51 14 99 32kPa则求得基础宽度为 如不打7折 则用峰值强度指标计算的结果为 地基容许承载力p0 2 72 18 1 0 5 31 20 155 16kPa基础的宽度为 2 用三轴不固结不排水剪指标根据上海的工程经验 对抗剪强度指标打7折计算 地基容许承载力p0 1 0 18 1 0 3 14 55 0 7 138 89kPa则求得基础的宽度为 如不打7折 则用峰值强度指标计算的结果为 地基容许承载力p0 1 0 18 1 0 3 14 55 190 7kPa 用p1 4公式计算1 用直剪固结快剪指标根据上海地区的工程经验 对抗剪强度指标的峰值打7折后计算 地基容许承载力p1 4 0 25 8 1 5 2 01 18 1 0 4 51 14 102 32kPa 则基础宽度为 如抗剪强度指标不打7折 则用峰值强度指标计算的结果为 地基容许承载力p1 4 0 43 8 1 5 2 72 18 1 0 5 31 20 160 32kPa则基础宽度为 2 用三轴不固结不排水剪指标根据上海地区的工程经验 对抗剪强度指标的峰值打7折后计算的结果为 p1 4 18 1 0 1 0 3 14 55 0 7 138 89kPa则求得基础的宽度为 如抗剪强度指标不打7折 则用峰值强度指标计算的结果为 p1 4 18 1 0 1 0 3 14 55 190 7kPa 则基础宽度为 分析和讨论 从表列计算数据可以看出 各种不同的计算公式 不同的抗剪强度试验方法和不同的指标处理方法 计算得到的地基承载力可能会有一定的出入 分析这些差别以及引起差别的原因 可以深刻地理解计算公式和抗剪强度指标之间匹配的重要性 从对比计算的结果可以得出如下几点认识 根据上海地区几十年的工程经验 用直剪固快指标峰值打7折的抗剪强度进行计算 不论采用什么公式 得到的基础宽度是非常接近的 这是因为在编制上海 地基基础设计规范 DGJ08 11 1999 时将安全水准控制在与1989年版本的规范相同的水平 而原有规范用的就是临塑荷载公式 但如果采用三轴不固结不排水指标计算 即使指标打了7折 用极限承载力公式计算的结果和用界限荷载公式计算的结果有比较大的差别 但这并不表明在上海地区就一定不能使用三轴不固结不排水强度指标计算地基承载力 问题是在上海 地基基础设计规范 DGJ08 11 1999 编制时还没有对三轴不固结不排水指标进行过系统的校核工作 因此出现了比较大的差别 说明至少目前在上海地区尚不能用三轴不固结不排水指标计算地基承载力 比较用不同方法处理的指标进行计算得到的基础宽度值可以发现 用峰值计算的宽度比用打7折指标计算的宽度减少了30 40 但在上海地区尚缺乏使用这种方法的经验 对其安全度没有确切的把握 可能是比较冒险的 将全国其他地区的经验用到上海地区时应充分注意地方已有的工程经验 不然可能会导致工程事故 4 土的自重压力对承载力有什么影响 4 1在用地基承载力公式计算承载力时需要考虑土的自重压力的影响 对地基承载力进行深宽修正时也要考虑土的自重压力的影响 压缩软弱下卧层时还需要考虑土的自重压力的影响 但为什么自重压力力的计算结果会不同呢 1 计算时垫层底部的自重应力是按原土的容重计算呢还是垫层以上按原土的容重 垫层部分按垫土的容重计算 2 垫层下的软土层承载力修正时 深度修正的容重也是按原土容重计算呢还是原土与垫土的平均容重计算呢 3 不同的参考书有不同的计算 虽然最后Pz Pcz是相同的 但fa的数值却有差别 对于土的自重应力 过去曾经有个术语还是很能表达物理意义的 上个世纪50年代在陈梁生先生的土力学中称为 常驻应力 即在施工以前就已经长期存在的应力 附加应力就是总应力减去常驻应力 即与施工前的应力状态比较 应力的增量 即使在施工 筑垫层 以后 垫层两侧的土层还是没有改变 对垫层以下土层的承载力起超载作用的还是两侧的天然土层 因此 无论从计算附加应力还是承载力的深度修正 都应该用原来土层的重度计算 这些都是最基本的物理概念 并不是经验处理 你对各种参考书上的不同计算方法 就可以用这个概念分析孰是孰非 说起考试 就是要考这种最基本的力学概念 4 2在实际工作中 常常会遇到5m以下 甚至10m以下的土层 需要采用c 值按公式计算承载力特征值 但不知基础宽度b及埋深d如何取值 这时 有人提出 公式 当基础宽度及埋深分别为3m 0 5m时 fa fak 就可以用公式并选取b 3m d 0 5m计算 所得的值便是某层地基土的承载力特征值 这种思路对吗 地基规范的承载力公式是浅基础的公式 不能用于深基础 对于5m 10m以下的土层 你不知道基础的实际埋深是多少 宽度是多少 如果建筑物的设计还没有做 在前期工作中 似乎没有必要一定要提那些土层的承载力 只要提供了抗剪强度指标 等基础条件明确了再根据实际条件用地基规范的公式直接计算地基承载力也还不迟 真的要计算时 如果符合浅基础条件 设计时可以用规范的地基承载力公式计算 深度应当采用实际的深度 宽度按规范的经验规则取用 即大于6m用6m 不必用小基础算了再修正 这个公式是地基承载力深宽修正的公式 公式中的3m和0 5m是将小压板 零埋深的条件得到的载荷试验结果用于实际工程的一种安全储备 即把小压板当作3m 将零埋深当作0 5m的埋深使用 这和地基承载力计算公式没有什么关系 不能将这个3m和0 5m作为假定的计算条件 5 基础的宽度该怎么取 看了高老主编的 2003年同济大学出版社出的 注册土木工程师 岩土 专业考试辅导教程 书中第136页例2 4和第141页例2 6中的基础断面表示形式一样 但是计算中的b即基础宽却取的不一样 例2 4中基础宽取1 5m 例2 6中计算基底最大压力时基础宽取的是3 5m 可在往下例2 7中确定扩散角时基础宽又用3m 这让我一头雾水 不知如何来确定基础宽度了 另外例2 7验算软弱下卧层的承载力时我认为应该按最大基底压力验算吧 这三道题目是对不同题型的解题训练 都是在题干中给出了基础的埋置深度和平面尺寸 对不同的情景 给出不同的数据 不能仅看其符号是不是b 要从物理意义上去理解和把握 这位网友所看出的 问题 具有一定的代表性 说明他对浅基础设计计算的概念还不是很清楚 值得我们仔细地加以分析 以帮助网友理解地基基础设计计算中的一些关键问题 下面 我们先引述这位网友讲到的这三道题目 书中每个题目都给出了容易犯错误的地方 但写得比较简单 这里 我加了若干分析 把为什么是错误的道理讲清楚了 读者仔细看看 想想 把这个道理想通了 可以终身受用 应用 建筑地基基础设计规范 理论公式确定地基承载力的例题 某粉质粘土地基上的矩形基础剖面如图14 1所示 试按 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 理论公式确定地基承载力特征值 本算例中容易出现的错误 1 基础宽度b取为2 5m或取为3m 这个基础是1 5m 2 5m的矩形基础 计算地基承载力时 应该用短边的尺寸1 5m 不能用长边的尺寸2 5m 规范规定对砂土 基础宽度小于3m取3m 但这里并非砂土 2 对水下的未采用有效重度 平均重度采用了基底持力层土的重度 3 进行了深 宽修正 用规范的理论公式计算的结果是不能进行深宽修正的 2 持力层地基承载力验算的例题某柱基础 作用在设计地面处的柱荷载设计值 基础尺寸 埋深及地基条件如图14 2所示 验算持力层承载力 例1是用规范公式计算地基承载力的题目 当然必须要给出基础的埋置深度和平面尺寸 不然无法计算 但在这一道题中没有给出荷载 所以是没有闭合的题目 不需要检验基础的平面尺寸 基础的长边2 5m的尺寸就没有用到 计算地基承载力的大小 只需要用到基础短边的尺寸b 1 5m 例2是已经知道荷载和地基承载力 给出了基础平面尺寸 需要检验地基承载力是否满足要求的题目 题意和2 4完全不一样 基础的尺寸也和例2 4不同 不知道你怎么会产生与例2 4去比较的想法 在例2 6中 地基承载力深宽修正是用的是短边尺寸b 3m 而在计算基础底面截面抵抗矩时必须用长边尺寸b 3 5m 例3是用例2的数据验算软弱下卧层的题目 计算基底压力扩散时 对矩形基础是向两个方向扩散 因此基础的长边和短边的尺寸都用上了 验算软弱下卧层当然用平均压力扩散 规范不要求验算最大压力扩散以后是否满足软弱下卧层承载力的要求 怎么会用到最大压力呢 6 基础的埋置深度该怎么取 当室内外地坪不一致时 基础埋深怎么确定 如果没有地下室 就要按室外地面进行修正 这样算出来的地基承载力高 可以满足设计要求 但如果有地下室的情况 地基承载力按室内地坪计算 地基承载力反而低了 这是什么道理 建筑地基基础设计规范 的规定 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 当采用独立基础或条形基础时 应从室内地面标高算起 这里讲了三种情况 一是在一般情况下 自室外地面标高算起 二是对于填土的情况 按照施工条件分别采取二种不同的方法 先填土再建筑 从填土面算起 先建筑再填土 从天然地面算起 三是有地下室时按是否是整体基础 分别采取二种不同的方法 整体基础 室外地面标高 非整体基础 即由独立基础或条形基础将建筑物荷载传至地基 地下室底板不传力 则从室内地面标高算起 一般迷糊的是 不注意句号的作用 不区分三种不同的条件 不看前提 断章取义地说 当采用独立基础或条形基础时 应从室内地面标高算起 那就错了 其实如果不是地下室的独立基础或条形基础 都应从室外地面标高算起 规范为什么这样规定 道理是什么 请大家根据土力学的基本概念来解读 可以发表大家的观点 7 怎样验算软弱下卧层强度 长江口北岸的启东 如东地区 高老师2001年曾来过启东 广泛分布着双层土的地基 上部硬土层为粘质粉土或粉质粘土层承载力特征值较高 达90 110kPa 压缩模量为7 8MPa 厚度有2 4 5米厚左右 其下分布一层相对较软的土层 灰色粉质粘土或淤泥质粉质粘土 夹薄层粉土 厚度约1 0 2 0m左右 承载力特征值只有70kPa左右 压缩模量为3 4MPa 现在根据 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002表5 2 7的规定 压缩模量比值 3 我们这儿的好多工程师均认为 地基扩散角取0 那么地基承载力的特征值取下卧层的值 只有70kPa左右 这样下来好多的多层住宅和两层车间因承载力不够而进行地基处理 我觉得这个有点保守 但是想不出理论的支持 请高老师指教 验算软弱下卧层强度时 关键问题是需要了解软弱下卧层顶面处的附加应力 对于压缩模量的比值小于3的情况 说明持力层与下卧层的刚度相差不太大 可以用均质土的应力分布的计算方法计算软弱下卧层顶面处的附加应力 应力系数就可以用 建筑地基基础设计规范 附录K 0 1的表查用 为什么要控制压缩模量比的条件 这是考虑到上硬下软的情况 硬层可以起扩散应力的作用 使软弱下卧层顶面的附加应力小一些 而采用双层地基的理论计算又太复杂 才有规范的这种扩散角的近似计算的方法 可以按双层地基的不同变形性质直接求解软弱层顶面的压力 理论解的结果如图14 4所示 图中的m为双层地基的变形特征系数 由下式计算 压力扩散角法是一种简化的方法 当上层为硬土 下层为软土时 国外一般取扩散角为30 根据我国的工程实践中经常遇到的双层地基 基本上有两种类型 一 淤泥及淤泥质土上的硬层为一般黏性土 双层体系的m值在2 3左右 二 上层为砂类土 m值在10左右 图14 5给出了条形荷载下 不同方法得到的压力分布 当模量比小于3时 双层地基的压力分布与均质地基的结果比较接近了 就可以按均质地基的附加应力计算的方法计算软弱下卧层顶面的附加应力 因此 你们那里的工程师认为用扩散角取0的看法是不对的 既然按均质土计算就不用扩散角的方法了 可以直接用压力系数计算 在 建筑地基基础设计规范 里表5 2 7中 地基压力扩散角能不能得出这样的结论 压力扩散角随Es1 Es2的增大而增大 随着z b的增大不是一直增大的 结合理论和这个表格压力扩散角又有什么规律呢 压力扩散角是一种近似的计算方法 是将弹性理论应力计算的结果 用相当于总荷载不变条件下 假定均匀分布在不断扩大的虚拟面积上的压力来描述基础中轴线上的竖向均布应力 深度越深 这个虚拟面积越大 土中应力就越小 对于均质土 也可以用应力扩散角的方法近似计算 根据比较计算的研究证明 用 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002表5 2 7中的扩散角数值 比值等于3的扩散角计算的结果和均质土的应力计算结果接近 对于双层土 上硬下软 则硬层底部的应力比均质土小 这称为应力扩散的作用 反之 上软下硬 则有应力集中的作用 硬层的刚度越大 刚度比越大 应力的扩散作用也就越强 所以规范用模量比来描述刚度比对扩散角的影响 软弱下卧层验算的条件是上硬下软 所以模量比越大 扩散角就越大 这是土层的刚度比对应力分布的作用 是刚度效应 但压力扩散角并不随z b的变化而变化 由于应力分布是和计算点的相对埋深z b有关的 软弱下卧层验算时计算点在持力层底部 硬层就用持力层的厚度和基础宽度的比值来描述尺寸效应 仅是一种几何的关系 当z b小于0 25时应力不扩散 当z b大于0 50时 扩散角不变 其间变化时 假定扩散角比例内插 在进行软弱下卧层验算时 我认为所谓下卧层是指 ES1 ES2大于3的 相反可不认为是软弱层可不进行下卧层验算 对吗 软弱下卧层是指承载力小于持力层的下卧层 凡是软弱下卧层就有可能强度不满足要求 但不一定 所以要经过验算 作软弱下卧层验算时 要考虑附加应力的扩散 附加应力的扩散当然也可以用弹性理论的方法计算 那是假定地基为均质的 实际上是层状地基 上层土的刚度比下层土大得越多 对应力的扩散作用越大 即传至软弱下卧层顶面的附加应力越小 但层状地基的应力计算非常复杂 一般用扩散角的简化方法计算 规范采用的就是这种扩散角的简化计算方法 规范用模量比的方法来反映上 下层土的刚度比 比值越大 扩散角就越大 规范给出了比值3 5 10三个数值的扩散角 中间可以内插 研究证明 用表5 2 7中 比值等于3的扩散角计算的结果和均质土的应力计算结果接近 所以当模量比小于3时 仍用模量比等于3的扩散角计算 由此可见 你的理解是不正确的 8 弯矩计算公式为什么不同 在 土力学与基础工程 1998年9月版第213页的公式 9 50 发现与 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002中有关柱边截面弯矩计算公式 即第63页公式 8 2 7 4 有所不同 两式相差 pmax p l 这一项 为什么不同 土力学与基础工程 一书中的公式是和1989年颁布的 地基基础设计规范 BG50007 89的公式一致的 但2002年版的 地基基础设计规范 的公式有了改变 这个公式是考虑了反力分布的不均匀性推导出来的 而老的公式推导时假定合力作用于梯形面积的形心 这个假定是存在误差的 实际上反力的重心与梯形面积的形心是并不重合的 设pjmax pjmin相应于荷载效应基本组合时基础底面边缘最大和最小净反力设计值 pj为截面 处地基净反力设计值 pjx为 x a1处的净反力设计值 其值由下式计算 微分面积 微分面积上作用的力对截面 处的微弯矩由下式计算 分布的反力对截面 处的总弯矩由微弯矩积分求得 由净反力与总反力的关系得 因此得到下式 三 地基基础设计的变形控制方法 讨论建筑物和基础的刚度与地基沉降的关系 包括刚度对计算沉降的影响及建筑物对地基变形的承受能力 1 变形控制与地基承载力控制2 如何使用规范的允许变形值 3 土层条件对沉降计算的影响4 基础刚度对沉降分布有什么影响 5 如何调整荷载的偏心 6 浅基础的事故分析 1 变形控制与地基承载力控制 从一位网友的帖子引出设计程序的讨论 从中理解变形控制与承载力控制的内在联系和正确理解设计程序的重要性 在利用变形控制思想做基础设计时 首先计算基础的沉降是否满足建筑物使用的要求 在沉降满足要求的前提下 再验算基础的强度是否满足上部建筑物的荷载要求 如果按照强度控制思想进行设计 对于软土地区来讲 最后的设计结果往往是强度远远富裕了 沉降才满足要求 同样对于土质比较好的地区来讲 最后的设计结果往往是强度满足要求了 基础的沉降比建筑物的要求小很多 这两种情况 无论那一种 都在某种程度上造成不必要的浪费 所以 合理的基础设计追求的是基础强度和变形的和谐统一 按照变形控制的原则 用某个变形量作为控制条件 再利用变形计算公式反求附加压力p0 将p0作为承载力特征值 上面的说法对不对 为什么对 为什么不对 问题在什么地方 1 设计的程序并不是先计算沉降 再验算地基承载力 而是相反 由承载力计算基础的尺寸 才能验算沉降 如果先计算沉降 如何确定基础底面的附加压力 2 什么是和谐统一的设计 设计是一种可用解 可控解 而不是最优解 楼主提出了对于地基设计问题比较系统的看法 提出了一个值得讨论的问题 这个问题涉及了土力学基础工程的最基本的课题 是目前在工程界比较关心的问题 但也是比较糊涂的一个问题 讨论的意义可以在最基本的层面上 弄清楚地基承载力控制和变形控制之间的区别和联系 按照地基基础设计原理 承载能力极限状态和正常使用极限状态是地基基础设计必须同时满足的两个基本要求 缺一不可 地基设计时必须同时进行地基承载力的控制与地基变形的控制 地基承载力控制与变形控制所考虑的问题是不同的 其侧重面不同 控制的条件也就不同 这需要作具体分析 无论如何 只强调一个方面而忽略另一个方面都是不合适的 地基承载力控制的方法比较简单 可以用一个承载力设计表达式表示 而且荷载条件一般是比较明确的 影响地基承载力控制的主要因素是持力层和软弱下卧层的地基承载力的估计是否恰当 这可以通过对地基土的稳定分析 估计地基所处的是什么状态 或采取控制性的工程措施 以控制安全系数而不使发生承载能力极限状态 变形控制时 作用是沉降计算的结果 抗力是建筑物抵抗变形的能力 要求计算的变形小于建筑物的容许变形 问题是计算什么样的变形 变形计算中有许多不确定性因素 特别是差异沉降的计算 最为困难的是对建筑物承受变形能力的估计 怎么看待与取用现行规范的允许变形值 建筑物承受变形能力随结构类型与施工质量而异 这种差别难以在规范提出的允许变形值中加以考虑 因此规范的允许变形值仅是一种很粗略的概率估计 由此可见 人们对于变形控制的能力比对于地基承载力控制要低得多 变形控制在很多情况下并不能用一个确定性的表达式来表示 而只是一种概念设计与概率意义的控制 整个地基设计是由地基承载力计算和变形计算两个相互制约的过程来完成的 它们之间虽然有密切的联系 但不可能相互替代或者组合成一个过程 用一个设计表达式来完成 2 如何使用规范的允许变形值 不同结构对沉降的敏感程度可以从允许变形的统计分析中看出 对不同的结构 控制性的变形指标是不相同的 这是沉降控制的复杂性所在 地基规范的允许变形值 是在1950 1960年代的经验和教训的总结 是一定规模的建筑物沉降实测和分析的结果 各种不同结构的建筑物对不均匀沉降的敏感程度有什么不同 1 多层住宅 条形基础 的变形应如何计算 计算点是放在建筑物的四个角点还是放在建筑物的中点 我觉得都不合适 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002规定砌体承重结构应由局部倾斜控制 局部倾斜是指砌体承重结构沿纵向6 10米内基础两点的沉降差与其距离的比值 对于多层建筑勘探孔间距为30米左右时 此时应如何计算局部倾斜 2砌体承重结构 框架结构 排架结构 框剪和剪力墙承重结构各对不均匀沉降的敏感程度有何不同 核心筒和剪力墙的大量用是在74规范之后 人们尚缺乏对其控制变形的规律性总结 关于按沉降控制设计的问题 从概念上已经讨论得很多了 但对于工程实践中如何计算沉降和如何控制沉降却还有许多问题不是非常明确 而且也很难明确 你提出的这两个问题也是属于这一类的 影响建筑物的安全和正常使用的变形是不均匀沉降 而不是均匀沉降 只要是均匀的沉降 即使大一些也不会威胁建筑物的安全 如果能采取预先提高标高的方法 那也不会影响使用 但能在设计时进行计算和控制的不均匀沉降是非常有限的 只有框架结构和排架的相邻柱之间的沉降差可以计算得出来 分别计算两个柱基础中点的沉降 然后相减得沉降差 再除以柱距 其他的一些变形指标是难以在设计时计算的 例如 你提到的砌体承重结构应由局部倾斜控制 除非在这个开间的两端存在明显的荷载差或者平面转折引起应力叠加 否则局部倾斜是计算不出来的 那么规范为什么对砌体结构采用局部倾斜这样的变形控制指标呢 在编制 工业与民用建筑地基基础设计规范 TJ7 74时 收集了大量建筑调查的资料进行分析 企图找到建筑物损坏与建筑物变形之间的关系 根据沉降观测的资料可以计算每幢建筑物的平均沉降 同时也掌握了每幢建筑物的开裂和损坏的资料 资料分析发现 建筑物是否损坏开裂与建筑物的平均沉降量的关系不密切 只要沉降比较均匀 即使平均沉降量比较大 也不会对建筑物造成伤害 进而发现墙体开裂的部位往往与沉降急剧变化的部位有关 常常在建筑物高度变化或者平面转折处发现墙体开裂 而在开裂部位的墙体往往局部的变形比较大 这就形成了用局部倾斜来评价砌体结构变形的方法 局部倾斜与建筑物的损坏之间就有比较好的相关性 但这种从事后分析得出的指标 在设计时不一定能正确地计算出来 多层住宅 条形基础 的变形应如何计算 按照目前一般的方法是计算建筑物中部条形基础中点的沉降 计算时将相邻基础的荷载影响考虑进去 如果条形基础的宽度比较宽 那么为了简化计算 可以采用等效的计算方法 基础的净面积与基础外包总面积之比称为基础面积系数 当基础面积系数大于0 6时 可将建筑物的总荷载分布在基础外包总面积上计算 基础外包总面积底面的附加压力等于实际基础底面附加压力乘以面积系数 计算沉降时 除非特殊地质条件 一般假定土层是均匀的 用平均的压缩曲线或压缩模量的平均值计算 影响沉降计算的几何参数只与建筑物尺寸及基础的尺寸有关 而与勘探孔的间距没有任何关系 框架结构的受力条件比较明确 也是对不均匀沉降比较敏感的一种结构类型 当相邻柱基的沉降差过大时 可以产生构件的次应力 引起柱和梁的开裂 框架结构开裂 排架结构是静定结构 沉降差不产生结构的次应力 但过大的沉降差 会使行车梁倾斜过大 会产生行车的滑轨和卡轨 不仅影响使用 而且也会产生安全问题 排架结构行车滑轨 框剪和剪力墙承重结构的情况是不同的 剪力墙的刚度非常大 不均匀沉降引起其倾斜 当剪力墙之间产生不均匀沉降时 会危害梁板系统的安全 框剪结构在抵抗不均匀沉降能力方面具有框架和剪力墙两种结构的缺点 砌体承重结构在不均匀沉降的作用下 墙体会产生开裂 裂缝的形态与不均匀沉降的特征有关 根据 裂缝向上发展的方向就是沉降大的方向 的原理 可以很快判断引起开裂的原因 长高比过大 正八字缝 层高变化处易出现裂缝 3 土层条件对沉降计算的影响 3 1浮力对附加应力的影响3 2用应变比控制沉降计算深度3 3沉降与基础的面积大小有什么关系 浮力对附加应力的影响 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002在基础底面附加压力计算的公式中没有涉及水位和浮力问题 是不是不用考虑水位和浮力的影响呢 如果不考虑的话 与实际不符 基础在水位以下采用浮重度 某筏基面积为30 25 板厚2 45m 竖向荷重300000kN 基础埋深6m 地下水位 5m 混凝土重度取24 5kN m3 土层0 2m为填土 重度15kN m3 2 10m为粉质粘土 重度17kN m3 试求基底压力和附加压力 1 按国标计算 Pk F G A 300000 30 25 2 45 24 5 460kPa P0 Pk Pc 460 2 15 3 17 7 1 372kPa 这是标准答案 2 如果考虑浮力的的话 Pk F G A 300000 30 25 1 45 24 5 1 14 5 450kPa P0 Pk Pc 450 2 15 3 17 7 1 362kPa 这里又是涉及最基本的概念问题 地下水位以下扣浮力是天经地义的事情 不是规范里说明不说明的问题 规范里没有说明白 就没有方向了 那怎么行呢 其实规范里讲清楚的仅是一部分 还有更多的问题都没有讲 需要依靠工程师的判断和经验来处理 就拿附加应力来说 规范里确实是没有一个专门计算附加应力的公式 也没有专门说怎么考虑浮力的问题 遇到这类问题就不知道怎么办了 这位网友讲出来是好的 精神是应当表扬的 但考虑问题的方法不行 缺乏用基本概念来分析判断的勇气 总是不大相信自己的判断 对于一些材料上的错误 也缺乏判断分析的能力 其实你的这两种方法计算的结果应该是完全一样的 如果扣浮力 基底压力和土的自重压力都应该扣 如果不扣浮力 基底压力和土的自重都不扣浮力 这样计算的结果应该是相同的 但在你的所谓按国标计算中 Pk没有扣浮力 但Pc中扣了浮力 两者怎么能相减呢 如果Pc也不扣浮力 得Pc 98kPa P0 460 98 362kPa 就与你的所谓扣浮力计算的结果完全一致了 1 在实际工作中 当上部土层的压缩模量较小而下部土层的压缩模量较大时 计算深度较小 反之则计算深度较大 这是不是有点问题 具体的问题我也想不明白 2 现行的地基规范还说 当满足应变比原则的条件下 若下部出现 较软弱 土层 则应继续计算变形量 这个 较软弱 土层的概念是什么 3 2用应变比控制沉降计算深度 3 在实际计算时 我遇到过持力层下为2米粘土 qc 2 3MPa fs 100kP 10多米厚的砂土 qc 12MPa 粉质粘土qc 2 0MPa fs 75MPa 12层的建筑 12米基宽 天然地基 可是计算深度要超过砂土 我不明白 这么好的砂土 刚性足够了吧 4 在实际计算时 我还发现 经常会计算到应力比小于5 的情况 尤其是出现上部土层模量显著大于下部土层的模量的情况 而下部土层的力学性质也不错 可塑偏硬的土层 勘察审图还有一条规定 估算建筑物的变形 必须采用单孔逐样进行计算 我也不明白 这样的话 我们还要分层做什么 那么这个静探孔的变形如何计算 变形估算 为什么不能用层的模量 变形比方法与应力比方法都是确定压缩层厚度 或者称为沉降计算深度 的方法 都是一种近似的假定 可以一般地比较它们的优缺点 但都是可以用的方法 变形比的方法更能反映土层的条件对变形计算结果的影响 因为变形比方法是以最下面的一个薄层土的变形与以上土层的总变形之比小于0 025为准 因此采用变形比方法时对于深层有好的土层时 比较容易满足这个标准的要求 所以得到的压缩层厚度会比较薄一些 反之则要厚些 这是符合基本概念的 是十分正常的 你这个例子是12m宽的基础 压缩层厚度与基础宽度有关 按规范的经验公式估算压缩层厚度就要18m 怎么不到砂层下面呢 你说是你么那里的审图关于按单孔计算沉降的规定 真有点荒唐 单孔逐样算出来是什么东西 与建筑物有什么关系 3 3沉降与基础的面积大小有什么关系 有人说 基础的面积大小与沉降呈反相关关系 以前也没太注意这个问题 想请教高老师及各位同行 如果在同一建筑物中的独立承台基础面积不一样时 如何量化其沉降的差异 当沉降差可能对建筑物影响大时 应采取怎样的措施 这种没有前提的说法是似是而非的 实际上 影响沉降的因素非常多 拿一个单因素出来分析就需要明确其他的条件 才能有个说法 如果对相同的总荷载 基础面积增大了 基础底面的平均反力是减小了 但影响的深度是增大了 两者抵消的结果要看土层的构造 如果在深部存在软弱土层 则扩大了基础面积使软弱土层的应力水平提高 就会增大沉降量 在上海地区 相同的多层建筑 采用满堂筏基的建筑物 与条基相比较 沉降都明显地增大 这就是一个例证 4 基础刚度对沉降分布有什么影响 4 1什么是平均沉降量 4 2平均沉降与中点沉降之比4 3基础刚度的影响 1 假设地层均匀 基础形式为筏板基础 基础中心的沉降量最大 角点的沉降量最小 那么平均沉降量是指什么值 是简单的中心点与角点的平均吗 4 1什么是平均沉降量 2 如果地层不均匀 基础形式为筏板基础 按照地质剖面图 每个孔的地层都有较大差异 按每个钻孔位置计算都不一样 是按每个钻孔位置计算的沉降值来平均吗 你说 假设地层均匀 基础形式为筏板基础 基础中心的沉降量最大 角点的沉降量最小 从条件来说 还应该加 基底压力分布均匀或荷载重心与基础的形心重合 那么基础底板的实际变形是中心最大 角点最小 不均匀程度与底板的刚度有关 如果底板的刚度非常大 那么两者相差不大 变形比较均匀 如