土木工程概论基础工程课.ppt

第3章 基础工程 土力学发展岩土工程勘察 浅基础深基础 教学目的 要求 掌握浅基础和深基础的类型 如刚性基础 柔性基础 桩基础 板筏基础等 教学重点 1 地基 基础的作用 2 刚性基础 柔性基础的区别 3 独立基础 条形基础 桩基础的形式 4 地基处理常见方法 土力学学科发展简介 1 1 前古典期即18世纪 其代表是基于 天然坡度 及填土单位重量的经验土压力理论 2 古典土力学的第一阶段从大约1800年人们普遍接受Coulomb的研究成果到1862年Rankine的著作的出版为止 其特点是 假设c 内聚力 0 同时认为 内摩擦角 是松散填方的天然坡度 从19世纪30年代开始 又被认为是开挖粘土的长期稳定表面坡度 Collin 1864 单独把粘聚力看做是粘土在破坏瞬间的强度 AlexandreCollin 1808 1890 法国人 毕业于Ecole理工大学 1833年被任命为勃艮第 Bourgogne 运河的桥梁公路工程局工程师 1855年之后 担任在奥尔良 Orleans 和卢瓦尔 Loire 担任主任工程师 在水文和灌浆技术等工程领域著述颇丰 1736 6 14生于法国Angoul 1806 8 23卒于法国巴黎 Coulomb对土木工程 结构 水力学 岩土工程 以及自然科学和物理学 包括力学 电学和磁学 等都有重要的贡献 1774年当选为法国科学院院士 被称为 土力学之始祖 库仑CharlesAugustindeCoulomb 1736 1806 土力学学科发展简介 2 1820 7 2生于苏格兰爱丁堡 1872 12 24卒于苏格兰格拉斯哥 Rankine被后人誉为那个时代的天才 他在热力学 流体力学及土力学等领域均有杰出的贡献 1855年后 Rankine在格拉斯哥大学担任土木工程和力学系主任 1853年当选为英国皇家学会会员 他一生论著颇丰 共发表学术论文154篇 并编写了大量的教科书及手册 其中一些直到20世纪还在作为标准教科书使用 朗肯WilliamJohnMaquornRankine 1820 1872 土力学学科发展简介 3 3 古典土力学的第二阶段其特征是 一系列对砂土的重要实验研究 该阶段是从Darcy 1856 在印度对管涌和过滤的实验开始 其后 Darwin和Boussinesq 1883 通过土压力实验及分析 得出 是土的摩擦角的定义 天然坡度是其特例 并且Reynolds在1886年论证了剪胀性和负孔隙压力 GeorgeHowardDarwin 1845 1912 爵士是剑桥大学天文学和经验哲学的教授 主要从事地球物理学研究 上述砂的试验是在他1877年在伦敦三一 Trinity 学院完成的 OsborneReynolds 1842 1912 1868年 1905年之间任曼彻斯特大学工程学教授 英国皇家学会会员 在水力学研究方面尤为突出 土力学学科发展简介 4 HenryDarcy1803 6 10出生于法国第戎 Dijon Darcy的一项杰出成就是第戎供水系统的建造 19世纪上半叶 大多数城市都没有供水和排水系统 1839 1840年 Darcy设计和主持建造了第戎镇的供水系统 它比巴黎的供水系统早了20年 为了感谢Darcy对家乡的贡献 人们将该镇的中心广场以他的名字命名 Darcy拒绝了镇上欲付给他的高额补偿 他最终得到的好处是他本人及亲属可免费用水 1856年 发表了他对孔隙介质中水流的研究成果 Darcy定律 达西HenryPhilibertGaspxardDarcy 1803 1858 土力学学科发展简介 5 Boussinesq是法国著名的物理学家和数学家 1867年获得博士学位 1886年当选法国科学院院士 Boussinesq一生对数学物理中的所有分支 除电磁学外 都有重要的贡献 在流体力学方面 他主要研究涡流 波动 固体物对液体流动的阻力 粉状介质的力学机理 流动液体的冷却作用等方面 他在紊流方面的成就深得著名科学家SaintVenant的赞赏 而在弹性理论方面的研究成就受到了Love的称赞 布辛奈斯克ValentinJosephBoussinesq 1842 1929 土力学学科发展简介 6 4 现代土力学的第一阶段 1901 1927 该阶段对粘土性质的认识有了重大突破 其中最重要的是Terzaghi的有效应力原理 包括 分类试验 Atterberg 1910 第一次实际的剪切盒实验及对它的应用 Bell 1915 Fellenius和他的瑞典同事进行的滑动圆弧分析和强度实验 1916 1926 以及Terzaghi对固结抗剪强度的基础性研究 1921 1927 AlbertMautitzAtterberg 1846 1916 瑞士化学家和土壤科学家 从1877年开始担任位于卡尔马 Kalmar 的瑞士农业研究所所长 ArthurLangtryBell 1874 1956 1901 1934和1940 1946年间 作为土木工程师在海军中服役 他的论文曾被英国土木工程师学会授予天福 Telford 金奖 WolmarFellenius 1867 1953 铁路工程师出身 1905 1911年间任哥德堡 Gothenburg 设计部门的负责人 随后在斯德哥尔摩担任水力工程的主席 直到1942年退休 他是岩土工程协会的成员 从1919后任主席 土力学学科发展简介 7 Terzaghi于1883年10月2日出生于捷克的首都布拉格 1904年毕业于奥地利的格拉茨 Graz 技术大学 1925年在维也纳出版了举世闻名的 Erdbaumechanik 土力学 该书介绍了他所提出的固结理论以及土压力 承载力 稳定性分析等理论 标志着土力学这门学科的诞生 1938年德国占领奥地利后 Terzaghi前往美国 并在哈佛大学任教 直到1956年退休 1963年10月25日 Terzaghi在马萨诸塞州的温彻斯特逝世 Terzaghi被誉为土力学之父 太沙基KarlvonTerzaghi 1883 1963 土力学学科发展简介 8 3 1 岩土工程勘察 3 1岩土工程勘察 工程地质勘察的目的主要是查明工程地质条件 分析存在的地质问题 对建筑地区作出工程地质评价 工程地质勘察的任务是按照不同勘察阶段的要求 正确反映场地的工程地质条件及岩土体性状的影响 并结合工程设计 施工条件 以及地基处理等工程的具体要求 进行技术论证和评价 提出岩土工程问题及解决问题的决策性具体建议 并提出基础 边坡等工程的设计准则和岩土工程施工的指导性意见 为设计 施工提供依据 服务于工程建设的全过程 工程地质勘察三阶段1 可行性研究勘察 选址勘察 2 初步勘察3 详细勘察 岩土工程勘察的方法或技术手段 有以下几种 1 工程地质测绘 2 勘探与取样 3 原位测试与室内试验 4 现场检验与监测 3 1 1工程地质测绘工程地质测绘是工程地质勘察中一项最重要最基本的勘察方法 也是诸勘察工作中走在前面的一项勘察工作 它是运用地质 工程地质理论对与工程建设有关的各种地质现象进行详细观察和描述 以查明拟定建筑区内工程地质条件的空间分布和各要素之间的内在联系 并按照精度要求将它们如实地反映在一定比例尺的地形设计图上 配合工程地质勘探 试验等所取得的资料编制成工程地质图 作为工程地质勘察的重要成果提供给建筑物规划 设计和施工部门参考 3 1岩土工程勘查 各种测量仪器的使用 经纬仪 主要用于测量水平角和竖向角 水准仪 主要作用为提供一条水平视线 照水准尺进行读数 量得并算出高程 测距仪 用于测量距离 其它 平板仪 钢卷尺 水准尺 测钎 标杆等 DJ2光学经纬仪 3 1岩土工程勘察 DJ6光学经纬仪 Dzs3水准仪 3 1岩土工程勘察 3 1 2岩土工程勘探方法勘探的方法包括钻探 井探 槽探 洞探 地球物理勘探等3 1 3原位测试原位测试与室内试验的主要目的 是为岩土工程问题分析评价提供所需的技术参数 包括岩土的物性指标 强度参数 固结变形特性参数 渗透性参数和应力 应变时间关系的参数等 原位测试一般都藉助于勘探工程进行 是详细勘察阶段主要的一种勘察方法 3 1岩土工程勘查 进行房屋结构设计时 为了保证地基安全可靠 使房屋的沉降量在规定的容许范围内 还要做到以下几点 对建设场地的地质情况 认真进行勘察 通过钻孔取样了解土层 岩层的分布 3 1岩土工程勘查 3 1岩土工程勘查 确定建设场地地基的地基承载力 对场地有代表性的土层试样进行土工实验 测定土的物理力学性质指标或在场地进行原位试验 载荷试验 3 1岩土工程勘查 3 1岩土工程勘查 工程地质勘察报告的整理及阅读 重要性 整理的依据 勘察报告的内容场地地形图勘探点的平面布置图工程地质剖面图地基各土层的物理力学性质总表提出有关地基基础设计参数如基础埋置深度 地基承载力 地下水位 根据场地地质资料进行综合分析 提出多种地基基础设计方案比较 为房屋结构设计和施工提供重要依据 3 1岩土工程勘查 3 2 浅基础 土力学利用力学原理 研究土的应力变形 强度 稳定和渗透性及其随时间变化规律的科学 基础将埋入土层一定深度的建筑物下部承重结构称基础 地基把土层中附加应力与变形所不能忽略的那部分土 岩 层称为地基 地基的范围 正常情况下卧层土自然压密状态强度高于持力层 持力层 埋置基础的土层即位于基础底面第一层土 下卧层 在地基范围内持力层以下的土层 软弱下卧层 强度低于持力层的下卧层 基础埋置的土层 应埋置在良好的持力层上 基础知识 3 2浅基础 1 地基 直接支承建筑物的天然土 不是建筑物的组成部分 天然地基 本身具有足够的强度 能直接承受建筑物荷载 人工地基 本身的承载能力弱 或建筑物上部荷载较大 须预先对土壤层进行人工加工或加固处理 压实法 换土法 打桩法以及化学加固法等 后才能承受建筑物荷载 3 2浅基础 2 地基土的工程分类 这里指的土包括岩石 岩石是广义的土 岩石 指颗粒间牢固联结的整体的或具有节理 裂隙的岩体 其承载能力视岩石风化程度而异 一般在200 4000kpa 碎石土 按粗细程度又分为块石 碎石 角砾等 其承载力约在200 1000kpa 砂土 按粗细程度分砾砂 粗砂 中砂 细砂 粉砂 地基承载力在140 500kpa 粉土 其工程性质介于粘性土和上述无粘性土之间的土 粘性土 具有明显的粘性 可塑性 压缩性 地基承载力在105 410kpa 人工填土 包括素填土 杂填土 冲填土 成分 工程性质复杂 3 2浅基础 3 土的基本工程特性 土具有压缩性 这是由土的三相组成决定的 固相 固体颗粒 岩石碎屑 矿物颗粒 液相 孔隙中的水气相 孔隙中的气体 S为地基沉降量即建筑物沉降量 见土的三相图 3 2浅基础 4 关于地基承载力的概念 指保证在地基稳定条件下 地基压缩变形在房屋容许范围内时 地基单位面积上所能承受的最大荷载 地基的强度条件要求是 3 2浅基础 根据基础材料的受力性能和构造形式分为 独立基础 条形基础 筏形基础和箱形基础 3 3浅基础 浅基础 当基础埋置深度不大 一般浅于5m或小于基础最小宽度 只须经过普通施工方法就可以建造起来的基础 3 2 1 刚性基础 无筋扩展基础 材料 砖 块石 毛石 素混凝土 三合土和灰土等 材料性能特点 抗压强度高 抗拉强度 抗剪强度低 构造要求 基础的外伸宽度和基础高度的比值 台阶宽高比 不超过规定的允许值 适用范围 6层和6层以下的 三合土基础不超过4层 一般民用建筑和墙承重的厂房 3 3浅基础 砖基础 石基础 素混凝土基础 二 扩展基础 柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础 3 3浅基础 受力特点 在基础内配置足够的钢筋来承受拉应力和弯矩 使基础在受弯时不致破坏 因而不受台阶宽高比的限制 可以做成扁平形状 基础材料 钢筋混凝土 3 3浅基础 柱下独立基础 墙下条形基础 扩展基础和无筋扩展基础又有柱下独立基础和墙下条形基础两种形式 3 3浅基础 3 3浅基础 1 独立基础 独立基础 柱下基础的基本形式 3 2 3 浅基础的结构形式 3 3浅基础 上部荷载较大 地基承载力较低时 独立基础底面积不能满足设计要求 这时可把若干柱子的基础连成一条构成柱下条形基础 以扩大基底面积 减小地基反力 并可以通过形成整体刚度来调整可能产生的不均匀沉降 单向条形基础 2 条形基础 十字交叉条形基础 双向条形基础 交梁基础 3 3浅基础 墙下条基墙下条基素砼垫层混合结构墙下条基 柱下条基 可形成井格形 框架结构基础梁框架结构柱下条基 梁板式筏形基础板式筏形基础 3 筏形基础 当柱子或墙传来的荷载很大 地基土较软弱 用单独基础或条形基础都不能满足地基承载力要求时 往往需要把整个房屋底面 或地下室部分 做成一片连续的钢筋混凝土板 作为房屋的基础 称为筏形基础 3 3浅基础 筏形基础 4 箱形基础 3 3浅基础 为了对筏板基础进行加强 增加基础板的刚度 以减小不均匀沉降 高层建筑往往把地下室的底板 顶板 侧墙及一定数量的内隔墙一起构成一个整体刚度很强的钢筋混凝土箱形结构 称为箱形基础 箱形基础 箱形式基础 左上图 利用箱型基础的内部空间 右上图 3 3浅基础 5 壳体基础 3 3浅基础 为改善基础的受力性能 基础的形式可不做成台阶状 而做成各种形式的壳体 称做壳体基础 根据基础的作用和受力分析 要理解基础设计的基本思路 基础设计要满足的一个基本前提 思考 为什么基础底部与土体接触处的尺寸要比墙 柱尺寸大得多 3 3浅基础 正是由于地基土质较差 基础埋置较浅 仅3 05米 在建到第三层时 基础发生不均匀沉降 塔顶中心点偏离中心线2 1米 现已偏离5 2米 终成斜塔 3 3浅基础 3 3深基础 一 深基础定义位于地基深处承载力较高的土层上 埋置深度大于5m或大于基础宽度的基础 称为深基础 桩 墩 基础 沉井沉箱 锚拉基础 板桩墙及地下连续墙一类的支挡结构 则常被统称为深基础 桩基础 左上图 桩基承台 左下图 基坑局部 打桩完成后 右上图 基础底板局部浇捣完毕 右下图 二 深基础的类型 桩基础的分类 1 按桩身材料分类 木桩 混凝土桩 钢筋混凝土桩 钢桩 其它组合材料桩 1 桩基础 2 按施工方法分类 预制桩 灌注桩两大类 3 按承载性状分类 端承型桩和摩擦型桩 桩的选型桩型与工艺选择应根据建筑结构类型 荷载性质 桩的使用功能 穿越土层 桩端持力层土类 地下水位 施工设备 施工环境 施工经验 制桩材料供应条件等情况 选择经济合理 安全适用的桩型和成桩工艺 2 地下连续墙 地下连续墙技术起源于欧洲 它是根据凿井和石油钻井所用膨润土泥浆护壁和浇灌水下混凝土工艺应用于工程而发展起来的 1950年正式在意大利米兰工程中应用 我国70年代起用于建筑工程 近几年在地下等工程应用已十分普遍 地下连续墙的优点是刚度大 既挡土又挡水 施工时无振动 噪音低 可用于任何土质 沉井基础动画 4 沉井基础 沉井施工过程 基坑开挖 铺砂垫层和承垫木 沉井制作 抽取承垫木 挖土下沉 封底回填 浇筑其它部分结构 5 沉箱基础 3 4不均匀沉降 一 定义1 一般是指同一结构体中 相邻的两个基础沉降量的差值是反映土木工程结构地基的变形特征的重要指标 2 差异沉降过大 就会使相应的上部结构产生额外应力 3 差异沉降将会产生裂缝 倾斜甚至破坏 地基的不均匀沉降会造成建筑物的开裂 影响其使用功能的发挥 因此 设计中必须考虑如何防止或减轻不均匀沉降造成的危害 3 5不均匀沉降 二 减小地差异沉降的主要措施1 在设计时尽量使上部荷载中心受压 均匀分布 2 遇到高低相差悬殊或地基软硬突变时 要合理设置沉降缝 3 增加上部结构对地基不均匀对地基协调作用 如在砌体结构中设置圈梁以增强结构得整体性 4 合理安排施工工序和采用合理的施工方法 3 5不均匀沉降 建筑物高差太大 建筑物的长高比 3 5地基处理 3 6地基处理 地基处理的对象是软弱地基和特殊土地基 我国的 建筑地基基础设计规范 GBJ7 89 中明确规定 软弱地基系指主要由淤泥 淤泥质土 冲填土 杂填土或其它高压缩性土层构成的地基 特殊土地基带有地区性的特点 它包括软土 湿陷性黄土 膨胀土 红粘土和冻土等地基 3 6地基处理 近40年来 国外在地基处理技术方面发展十分迅速 老方法得到改进 新方法不断涌现 在20世纪60年代中期 从如何提高土的抗拉强度这一思路中 发展了土的 加筋法 从如何有利于土的排水和排水固结这一基本观点出发 发展了土工合成材料 砂井预压和塑料排水带 从如何进行深层密实处理的方法考虑 采用加大击实功的措施 发展了 强夯法 和 振动水冲法 等 另外 现代工业的发展对地基工程提供了强大的生产手段 如能制造重达几十吨的强夯起重机械 潜水电机的出现 带来了振动水冲法中振冲器的施工机械 真空泵的问世 才能建立真空预压法 生产了大于200个大气压的压缩空气机 从而产生了 高压喷射注浆法 3 6地基处理 3 6地基处理 换填法当建筑物基础下的持力层比较软弱 不能满足上部结构荷载对地基的要求时 常采用换土垫层来处理软弱地基 即将基础下一定范围内的土层挖去 然后回填以强度较大的砂 碎石或灰土等 并夯实至密实 地基用换填法处理 3 6地基处理 预压法预压法是一种有效的软土地基处理方法 该方法的实质是 在建筑物或构筑物建造前 先在拟建场地上施加或分级施加与其相当的荷载 使土体中孔隙水排出 孔隙体积变小 土体密实 提高地基承载力和稳定性 堆载预压法处理深度一般达10m左右 真空预压法处理深度可达15m左右 3 6地基处理 强夯法强夯法是法国L 梅纳 Menard 1969年首创的一种地基加固方法 即用几十吨重锤从高处落下 反复多次夯击地面 对地基进行强力夯实 实践证明 经夯击后的地基承载力可提高2 5倍 压缩性可降低200 500 影响深度在10m以上 振冲法振冲法是振动水冲击法的简称 按不同土类可分为振冲置换法和振冲密实法两类 振冲法在粘性土中主要起振冲置换作用 置换后填料形成的桩体与土组成复合地基 在砂土中主要起振动挤密和振动液化作用 振冲法的处理深度可达10m左右 3 6地基处理 深层搅拌法深层搅拌法系利用水泥或其它固化剂通过特制的搅拌机械 在地基中将水泥和土体强制拌和 使软弱土硬结成整体 形成具有水稳性和足够强度的水泥土桩或地下连续墙 处理深度可达8 12m 施工过程 定位 沉入到底部 喷浆搅拌 上升 重复搅拌 下沉 重复搅拌 上升 完毕 地基与基础在工程中的重要性 1 地基基础处理不当 影响建筑物的正常使用与安全 如 建筑物倾斜 意大利比萨 Pisa 斜塔自1173年9月8日动工 至1178年建至第4层中部 高度29m时 因塔明显倾斜而停工 94年后 1272年复工 经6年时间建完第7层 高48m 再次停工中断82年 1360年再次复工 至1370年竣工 前后历经近200年 该塔共8层 高55m 全塔总荷重145MN 相应的地基平均压力约为50kPa 地基持力层为粉砂 下面为粉土和粘土层 由于地基的不均匀下沉 塔向南倾斜 南北两端沉降差1 8m 塔顶离中心线已达5 27m 倾斜5 5 成为危险建筑 示意图中所示为通过在塔北侧下部钻孔取土的方法对塔纠偏的技术方案 地基与基础在工程中的重要性 2 地基与基础在工程中的重要性 3 苏州虎丘塔 建于五代周显德六年至北宋建隆二年 公元959 961 7级八角形砖塔 塔底直径13 66m 高47 5m 重63000kN 其地基土层由上至下依次为杂填土 块石填土 亚粘土夹块石 风化岩石 基岩等 由于地基土压缩层厚度不均及砖砌体偏心受压等原因 造成该塔向东北方向倾斜 1956 1957年间对上部结构进行修缮 但使塔重增加了2000kN 加速了塔体的不均匀沉降 1957年 塔顶位移为1 7m 到1978年发展到2 3m 重心偏离基础轴线0 924m 砌体多处出现纵向裂缝 部分砖墩应力已接近极限状态 后在塔周建造一圈桩排式地下连续墙 并采用注浆法和树根桩加固塔基 基本遏制了塔的继续沉降和倾斜 地基与基础在工程中的重要性 4 装谷物 至31822m3时 发现谷仓1小时内竖向沉降达30 5cm 并向西倾斜 24小时后倾倒 西侧下陷7 32m 东侧抬高1 52m 倾斜27 地基虽破坏 但钢筋混凝土筒仓却安然无恙 后用388个50t千斤顶纠正后继续使用 但位置较原先下降4m 事故的原因是 设计时未对谷仓地基承载力进行调查研究 而采用了邻近建筑地基352kPa的承载力 事后1952年的勘察试验与计算表明 该地基的实际承载力为193 8 276 6kPa 远小于谷仓地基破坏时329 4kPa的地基压力 地基因超载而发生强度破坏 加拿大Transcona谷仓 南北长59 44m 东西宽23 47m 高31 00m 基础为钢筋混凝土筏板基础 厚61cm 埋深3 66m 谷仓1911年动工 1913年秋完成 谷仓自重20000t 相当于装满谷物后总重的42 5 1913年9月 地基与基础在工程中的重要性 5 加拿大某