基础工程绪论-第2章.ppt

基础工程 电子教案 绪论 内容提要 地基 基础的基本概念本学科发展概况课程学习要求与方法课程教材与参考书 1地基 基础的基本概念 基础工程 地基基础 图0 1地基基础示意图 地基 深基础 埋深h 5m 如桩基 沉井 沉箱等 1937 钱塘江大桥 浅基础 一般h 5m 扩大基础等 1地基 基础的基本概念 基础 天然地基 未经加固处理的天然地基 有土质 岩石及特殊土地基 人工地基 用换土 夯实 化学加固 加筋技术等方法处治的地基 基础工程的特点因地制宜 常无标准图可套隐蔽工程 事故多 处理难施工困难 受地下水影响大理论与实践性强 建筑物地基破坏实例 图0 2加拿大特朗斯康谷仓 上部结构 由65个圆柱形筒仓组成基础 筏形基础地基 厚达16m的软粘土层 1地基 基础的基本概念 建筑物倾斜实例 图0 3意大利比萨斜塔 初建1173年 至1178年到第4层时 因塔明显倾斜停工 94年后复工 建至7层再次停工中断82年 于1360年再复工 至1370年竣工 塔高55m 共8层 目前塔向南倾斜 南北端沉降差1 80m 塔顶偏离中心达5 27m 倾斜5 5 成为危险建筑 1990年再次封闭加固 现限制每次上塔参观人数 1地基 基础的基本概念 1地基 基础的基本概念 图0 4上海人民广场220kv地下变电站深基坑降水工程 上部 园筒体结构 井筒直径62 4m基坑 地下连续墙支护 墙深38m 基坑开挖深24m问题 坑底12m厚左右的承压含水层 突涌问题 周围环境条件复杂 施工过程沉降控制要求极高 建筑基坑实例 1地基 基础的基本概念 地基基础设计必须满足强度要求 p fa 即作用于地基上的荷载效应 基底压应力 不得超过地基承载力 特征值或容许值 变形要求 s s 控制地基的变形 使之不超过建筑物的地基变形允许值稳定要求 挡土墙 边坡以及地基基础保证具有足够防止失稳破坏的安全储备 2本学科发展概况 我国远古时期新石器时代西安半坡村土台及石础 春秋至秦各种地基处理方法 例灰土垫层 水撼砂垫层 石灰桩等 近代世界上 18世纪欧洲工业革命 1773年 法国库伦1869年 英国朗金1885年 法国Boussinesq1922年 瑞典Fellenius1925年 美国Tezager 太沙基 现代 世界各国超高土坝 200m 超高层建筑 桥梁与石油开采平台采用的超长或超大直径桩基础土的本构关系 土的弹塑性与粘弹性理论和土的动力特性工程勘察 土工试验与地基处理的新设备 新方法 2本学科发展概况 3本课程学习要求与学习方法 学习要求 掌握地基基础设计计算及地基处理的基本原理和方法对一般工程的地基基础具有设计和施工管理能力对常见的基础工程事故作出合理的分析和评价学习方法 理论联系实际课堂教学注意掌握基本原理和计算方法 淡化具体规范 规程 课程设计中要求熟悉和掌握各专业方向的行业规范 本课程教材及参考书 授课教材 赵明华 徐学燕 基础工程 高等教育出版社 修订版列入国家十一 五规划教材 参考书目 华南理工大学 东南大学 浙江大学 湖南大学 地基及基础 第三版 北京 中国建筑工 业出版社 1998凌治平等 基础工程 人民交通出版社 1998周景星 王洪瑾等 基础工程 清华大学出版社 1996赵明华 俞晓 土力学与基础工程 武汉理工大学出版社 2003建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 建筑桩基技术规范 JGJ94 94 1 地基基础的设计原则 内容提要 地基基础设计原则地基常见类型常用基础类型地基 基础 上部结构共同工作概念 设计等级 安全 等 设计状况 持久 短暂 及偶然 设计任务基础结构作用效应分析基础结构抗力及其他性能分析 按两种极限状态 最不利荷载组合 1 1概述 概率极限设计法与极限状态设计原则极限状态承载能力极限状态正常使用极限状态地基基础设计原则p fa原则 承载力验算 s s 原则 变形验算 基础结构强度 刚度和耐久性的要求经常承受水平荷载的高层建筑 构筑物以及基坑工程的稳定性验算等 1 2地基基础设计原则 地基基础设计资料上部结构资料设计时所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力或限值应符合相应规范的有关规定岩土工程勘察资料原位测试资料地基承载力 单桩竖向承载力以及地基压缩模量和变形模量的原位测试报告等 1 2地基基础设计原则 1 3地基类型 天然地基土质地基岩石地基特殊土地基人工地基 若天然地基软弱 承载力和变形不能满足设计要求时 需对其进行加固处理的 如排水固结法等处理 地基 复合地基 由两种不同强度的介质 如软土中加入水泥 组成的人工地基 柱下单独基础墙下单独基础 十字交叉梁基础 梁板或平板式筏形基础 柱下条形基础墙下条形基础 桩基础沉井基础沉箱基础 1 4基础类型 箱形基础 图1 1柱下单独基础 1 4基础类型 图1 2墙下单独基础 1 4基础类型 图1 3柱下条形基础 1 4基础类型 图1 4墙下无筋扩展条形基础 1 4基础类型 图1 5十字交叉梁基础 1 4基础类型 图1 6箱形基础 由顶 底板与内 外墙等组成 并由钢筋砼整浇而成空间整体结构 1 4基础类型 基桩直径2 2m 长度80m 钻孔长度近90m 1 4基础类型 图1 7某公路大桥主桥南塔的桩基础 井筒状的结构物在井壁的围护下从井内挖土在自重作用下逐渐下沉封底封顶形成的深基础 1 4基础类型 图1 8沉井基础 图1 9共同工作概念 地基基础上部结构 图1 9不均匀沉降引起砌体开裂 1 5地基 基础与上部结构共同工作 图1 10地基 基础 上部结构的常规分析简图 1 5 1共同工作的概念 上部结构刚度的影响 上部结构为绝对刚性 将约束基础变形 仅在支座间发生局部弯曲 上部结构为完全柔性 对基础变形约束作用很小 基础产生整体弯曲 图1 11上部结构刚度影响示意图 1 5 2地基与基础的相互作用 柔性基础 随地基变形而任意弯曲 基底反力分布与基础上荷载分布相同 无力调整基底的不均匀沉降 刚性基础 在荷载作用下基础不产生挠曲 基底平面沉降后仍保持平面 基底反力分布有多种形态 1 5 3线性变形体的地基计算模型 文克勒地基模型地基任一点所受的压力强度与该点的地基沉降成正比的假设即 p 土体表面某点单位面积上的压力 kN m2s 相应于某点的竖向位移 mk 基床系数 kN m3 图1 14文克勒地基模型 a 弹簧模型 b 文克勒地基上的刚性基础 弹性半空间地基模型 r 集中力到计算点的距离E 弹性材料的弹性模量 弹性材料的泊桑比 将地基土体视为均质弹性半空间体 当其表面作用一集中力P时 其表面任一点的竖向位移 图1 15弹性半空间体表面的竖向位移计算 a 集中荷载 b 矩形面积均布荷载 1 5 3线性变形体的地基计算模型 分层地基模型根据土力学中分层总和法计算地基沉降 也可采用数值法计算 图1 16 第i土层的平均附加应力 kN m2 Hi 第i土层的厚度 m Esi 第i土层的压缩模量 kN m2n 压缩层深度范围内的土层数 图1 16分层地基模型 a 基底网格 b 地基土的计算分层 1 5 3线性变形体的地基计算模型 2 刚性基础与扩展基础 基础结构构造要求基础埋置深度的选择地基承载力的确定方法浅基础的设计计算 地基承载力与变形验算 内容提要 无筋扩展基础 或刚性基础 由素混凝土 砖 毛石 灰土和三合土等抗压性能好 而抗弯抗剪性能差的材料砌筑而成 通常由台阶的容许宽高比或刚性角控制设计 钢筋混凝土扩展基础 或柔性基础 当不便于采用刚性基础或采用刚性基础不经济时采用钢筋混凝土材料做成的基础 如柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础 2 1概述 2 1 1刚性基础构造要求 图2 1 图2 1刚性基础构造示意d 柱中纵向钢筋直径 砖基础毛石基础素混凝土基础上述基础材料都要符合强度等级要求灰土基础石灰和土 粘性土 按其体积比3 7或2 8构成三合土基础由石灰 砂 碎砖 或碎石 按1 2 4 1 3 6配成 刚性角 宽高比 bi 任一台阶宽度 m Hi 相应台阶高度 m tan 台阶宽高比的允许值 参照下述规范表格经验值选用 2 1 1刚性基础构造要求 刚性基础台阶宽高比允许值 图2 2砖基础剖面图 a 两皮一收 砌法 b 二一间隔收 砌法 2 1 1刚性基础构造要求 刚性基础的特点稳定性好 施工简便用于 6层的民用建筑 荷载较小的桥梁基础及涵洞等 刚性基础的局限性当基础承受荷载较大时 用料多 自重大 埋深也加大 2 1 1刚性基础构造要求 2 1 2钢筋混凝土扩展基础 墙下钢筋混凝土条形基础砌体承重墙体及挡土墙 涵洞下常采用的基础形式 柱下钢筋混凝土独立基础建筑物中的柱 桥梁中的墩常用基础形式 图2 3墙下钢筋混凝土扩展基础 a 无肋 b 有肋 2 1 2钢筋混凝土扩展基础构造要求 锥形基础边缘高不宜 200mm 坡度i 1 3 小于250mm时可做成等厚板 阶梯形基础每阶高宜为300 500mm 垫层厚度一般为100mm 底板受力钢筋最小直径不宜200mm和 100mm 有垫层时混凝土的净保护层厚不宜 40mm 无垫层时不宜 70mm 纵向分布筋直径 8mm 间距 300mm 混凝土强度等级不宜低于C20 当地基软弱或承受差异荷载时 为增强基础的整体性和抗弯能力 可采用带肋基础 肋部纵向筋和箍筋按经验确定 根据经验 初选时基础的高度一般大于或等于b 8 2 1 2钢筋混凝土扩展基础构造要求 图2 4柱下钢筋混凝土单独基础 a 台阶型 b 锥台型 c 杯口型 2 1 2钢筋混凝土扩展基础构造要求 2 2基础埋置深度的选择 持力层直接支撑基础的土层下卧层持力层以下的各土层选择基础埋置深度也就是选择合适的地基持力层 持力层 下卧层 图2 5基础埋置深度示意 应考虑因素 建筑结构条件与场地环境条件工程地质条件水文地质条件地基冻融条件 2 2基础埋置深度的选择 结构条件荷载大小荷载性质场地环境 图2 6相邻基础埋深 2 2基础埋置深度的选择 建筑结构条件与场地环境条件 2 2基础埋置深度的选择 场地环境条件 若满足图示 b 3m a 2 5m 则条形基础矩形基础不满足要求时 应进行地基稳定性验算 d 图2 7土坡坡顶处基础的埋深 地基由多层土组成 上好下软 基础应尽量浅埋地基上软下好 应具体分析 进行方案比较地基在水平方向倾斜较大时 基础埋深如图处理 2 2基础埋置深度的选择 工程地质条件 图2 8台阶形过渡处理 2 2基础埋置深度的选择 水文地质条件 遇水时 基底应尽量放在地下水位以上基底低于潜水面时 要考虑基坑排水 支护和地下水水质问题若遇承压水时 应验算基坑的稳定性桥墩基础应埋置在最大冲刷线下一定深度 图2 9基坑下埋藏有承压含水层的情况 2 2基础埋置深度的选择 水文地质条件 冻胀机理冻胀现象影响冻胀的因素 土类 地下水位及气温 冻融条件考虑先按规范进行地基土冻胀性的划分 五类 后再进行最小埋深dmin的计算式中hmax 基底下允许残留冻土层的最大厚度zd 设计冻深 2 2基础埋置深度的选择 地基冻融条件 2 3地基承载力 定义 地基土单位面积上承受荷载的能力称为地基承载力三个问题地基承载力的基本概念及基本验算影响地基承载力大小的因素确定地基承载力的方法 2 3地基承载力 建筑物因地基问题引起破坏的两种主要原因 基础过大的沉降或沉降差地基产生滑动破坏 地基承载力设计原则 总安全系数设计原则容许承载力设计原则 同时满足强度 p s 条件概率极限状态设计原则 fa 特征值 建筑地基基础设计规范 要求 pk 相应于荷载效应标准组合时基底平均压力pkmax 相应于荷载效应标准组合时基底边缘最大压力fa 修正后的地基承载力特征值 公路桥涵地基与基础设计规范 要求 max 基底最大压应力 修正后的地基承载力容许值 2 3地基承载力 基本验算 影响因素 地基土的成因与堆积年代地基土的物理力学性质地下水上部结构情况 2 3地基承载力 确定地基承载力的常用方法 按土的抗剪强度指标以理论公式计算按现场载荷试验或其它原位试验确定按有关规范提供的承载力或经验公式确定 原则 不过分严格 也不随意简化 2 3地基承载力 2 3 1按土的抗剪强度指标确定 公式来由pu 地基极限承载力 按魏锡克或汉森等理论公式计算A 与土接触的有效基底面积A 基底面积 魏锡克公式 2 3 1按土的抗剪强度指标确定 2 3 1按土的抗剪强度指标确定 汉森公式 图2 10 2 3 2按地基载荷试验确定 图2 11载荷试验示意图 堆载 规范规定甲级必须进行该法优点 成果可靠该法缺点 费时 耗资 2 3 2按地基载荷试验确定 同一土层参加统计的试验点不应少于三点 符合要求后 取该平均值作为地基承载力特征值fak p s线有明显比例界限时 密砂 硬土 fak p1极限荷载能确定 且pu 2 0p1时 取fak 0 5pu当不能按上述两点确定 中 高压缩性土的缓变型曲线 取s b 0 01 0 015时对应荷载作为fak 2 3 2按地基载荷试验确定 图2 12按载荷试验确定地基承载力 a 低压缩性土 b 高压缩性土 方法 1 钻孔 贯入器放入孔底 2 63 5kg重锤以76cm高度自由下落将贯入器击入土中15cm 3 记录继续打入30cm的锤击数N 标贯试验得标贯击数N 其他原位测试方法 标准贯入试验 图2 13标准贯入器构造图 其他原位测试 按静力触探试验确定地基承载力 比贯入阻力 根据比贯入阻力查经验表格或由经验公式计算确定承载力特征值 图2 14静力触探示意图 GB50007 建规 推荐的公式 P1 4 条件 荷载偏心距e 0 033b b为偏心方向基础边长 fa 由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值 Mb Md Mc 承载力系数 由jk查规范表 b 基础底面宽度 jk ck 基底下一倍短边宽深度范围内土的内摩擦角及粘聚力标准值 g 基础底面以下土的重度 水下取浮重度 gm 基础埋深范围内各层土的加权平均重度 2 3 3按地基规范承载力公式确定 宽度与深度修正条件 b 3m d 0 5m 修正后的地基承载力特征值fa为 fak 从载荷试验或其他原位测试 经验值等方法确定的地基承载力特征值hb hd 分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数 查规范表格 承载力的修正 建规 2 3 3按地基规范承载力公式确定 当b 2m d 3m 且h b 4 则容许承载力为 0 当基础宽度b 2m 埋深h 3m时的容许承载力 查规范表确定 见下述步骤 k1 k2 分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数 查规范表 2 3 3按地基规范承载力公式确定 承载力的修正 桥规 桥规 查表确定 0 的步骤 Dr N 查表得 0 IL 定态 前公式 Y 各种地基规范承载力公式区别 建筑地基规范 与 公路桥涵地基规范 的区别 前者无表 但容许制定地方性经验表格或规范 后者仍然保留全国统一的承载力表格 港口工程地基规范 采用极限承载力除以抗力分项系数的方法 2 3 3按地基规范承载力公式确定 Fk 地基极限承载力的竖向分力标准值 R 抗力分项系数 例题1 某桥梁基础 基础埋置深度 一般冲刷线以下 h 5 2m 基础底面短边尺寸b 2 6m 地基土为一般粘性土 天然孔隙比e 0 85 液性指数IL 0 7 土在水面以下的重度 饱和状态 0 27kN m3 要求按 公路桥涵地基规范 查表确定地基土的容许承载力 计算对基础宽度 埋深修正后的地基容许承载力 例题2 某大学4幢教职工住宅楼 均为6层建筑 经岩土工程勘察结果 该住宅楼地基分为下列4层 表层为人工填土 层厚1 0m 2 7m 第 层为粉土层 层厚0m 2 7m 第 层为粉砂层 层厚1 3m 2 9m 第 层为粉质粘土 层厚超过6m 对此粉质粘土层进行了标准贯入试验与轻型动力触探试验等原位测试 并取原状土进行了物理力学性试验 有关试验数据如下表所示要求 计算此粉质粘土的地基承载力 粉质粘土层测试数据表 承载力归总表 多种方法综合确定 2 4刚性基础与扩展基础的设计计算 要点 地基承载力验算基底合力偏心距验算地基与基础稳定性验算基础变形验算 沉降量 沉降差 倾斜 局部倾斜 2 4 1地基承载力验算 按地基承载力计算基底尺寸A 中心受荷基础 图2 15中心荷载作用下的基础 要求 方形基础矩形基础 需先选定b或l 一般取l b 1 0 2 0 条形基础沿长度方向取lm计算 则 2 4 1地基承载力验算 偏心受荷基础 2 4 1地基承载力验算 Wx Wy 基底对x和y轴的截面抵抗矩 m3ex ey 荷载对x轴和y轴的偏心距 m 要求 图2 16偏心荷载作用下的基础 偏心荷载下逐次渐近试算法求A 思路 先试算 后验算步骤 先按中心荷载作用下的公式预估A中取A偏 1 1 1 4 A中据A偏初选边长l和b验算偏心距e和基底边缘最大压力 调整l和b 2 4 1地基承载力验算 例2 1 柱截面300mm 400mm 作用在柱底的荷载标准值 中心垂直荷载700kN 力矩80kN m 水平荷载13kN 其他参数见图2 17 试根据持力层地基承载力确定基础底面尺寸 2 4 1地基承载力验算 图2 17例题题图 解 求地基承载力特征值根据粘性土e 0 7 IL 0 78 查规范表得 b 0 3 d 1 6 持力层承载力特征值fa 先不考虑对基础宽度进行修正 初步选择基底尺寸计算基础和回填土重Gk时的基础埋深d 1 2 1 0 1 3 1 15m由公式 由于偏心不大 基础底面积按20 增大 即初步选择基底尺寸A l b 2 4 1 6 3 84m2 3 88m2 且b 1 6m 3m 不需再对fa进行修正 验算持力层地基承载力基础和回填土重偏心距满足 基底最大压应力 满足 最后 确定该柱基础底面长l 2 4m 宽b 1 6m 验算思路 传递到软弱下卧层顶面处的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层的承载力 即 pz 软弱下卧层顶面处的附加应力值pcz 软弱下卧层顶面处土的自重应力值fa 软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值 2 4 2软弱下卧层的验算 2 4 2软弱下卧层的验算 图2 18软弱下卧层顶面附加应力计算 Pz计算 压力扩散角法 矩形基础 条形基础 地基压力扩散角 查规范表确定 例2 2 图中柱基础荷载标准值 若基础底面寸 试根据图中资料验算基础底面是否满足地基承载力要求 2 4 2软弱下卧层的验算 图2 19例题题图 2 4 3基础与地基的稳定性验算 抗水平滑动的稳定性验算 整体滑动稳定验算 图2 20地基抗水平滑动 图2 21贯入软土层深处的圆弧滑动面 安全系数 轴心荷载下基础结构设计 1 地基净反力pj仅由基顶荷载设计值所产生的地基反力 沿墙长取1m计算 图2 22墙下钢筋混凝土条基受力 pj作用下 图中 截面弯矩与剪力 V图 M图 2 4 4钢筋混凝土扩展基础结构设计 墙下钢筋混凝土条形基础 2 基础底板高度由于基础内不配箍筋和弯筋 故基础底板高度由砼的抗剪切条件确定 3 基础底板配筋每米墙长的受力钢筋截面面积 fy 钢筋抗拉强度设计值 h0 基础有效高度 0 9h0为截面内力臂的近似值 ft 砼轴心抗拉强度设计值 h 截面高度影响系数 2 4 4钢筋混凝土扩展基础结构设计 图2 23墙下钢筋混凝土条形基