地基与基础课堂幻灯3.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012345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 1P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 4m 2m 求基底压力 解 20 2 4 2 0 5 0 3 2 20 9 8 2 4 2 0 5 86 88kN 143 1kN 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 s p0 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 oedh p0图3 13 d z ofbh ofag oech oedg p0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6 10m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e p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 cC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m n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 b 0 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4 10a 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 b 0 01 0 015所对应的荷载值 对中 高压缩性土可取s b 0 02对应的荷载值p0 02为承载力基本值 图4 10b 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K 1 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 c 0 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 0c 0 3 被动土压力c 0c 0 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10 20m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tn 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XZ 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 基础的埋置深度不应小于500mm 决