高层3.天然地基承载力和沉降

高层建筑地基基础,3天然地基承载力和沉降,3.1概述,3.2承载力,3.2.1概述,3.2.2浅基的破坏模式,地基破坏主要是由于基础下持力层抗剪强度不够，土体产生剪切破坏所致，地基的破坏模式可分为：1.整体剪切破坏（密实砂土，坚硬粘土）2.局部剪切破坏（土质较软）3.冲剪破坏（软粘土，深埋）,3.2.3地基承载力验算内容,地基抗震验算,步骤：,1.根据静力设计的要求确定基础尺寸对地基进行强度和沉降量的核算,2.地基抗震强度验算：,（荷载组合；基础底面的压力取为直线分布）,基础底面地震作用效应标准组合的平均压力值,基础边缘地震作用效应标准组合的最大压力值,3.2.4地基承载力的确定,确定地基承载力的方法,（1）理论公式法。不做宽度深度修正（2）现场试验法：载荷试验、标准贯入试验、静力触探等。要进行修正（3）规范公式计算法，不做宽度深度修正（4）根据经验确定容许承载力，做宽度深度修正,fa=fak+b(b-3)+dm(d-0.5),进行深度和宽度修正：,fak：承载力特征值（标准值）,fa：深宽修正后的承载力特征值（设计值）,b、d：宽度和深度修正系数,：基底下土的重度，地下水位以下取浮重度,m：基底以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度,b：基底宽度(m)，大于6m按6m取值，小于3m按3m取值,d：基础埋深(m),根据规范推荐的理论公式确定承载力特征值采用建筑地基基础设计规范（GB500072002）推荐的、以浅基础地基的临界荷载为基础的理论公式，计算地基承载力特征值，其计算公式为：,式中：fa地基承载力特征值，kPa；Mb、Md、Mc承载力系数，查表；b基底宽度，m，大于6m时按6m取值，小于3m时按3m取值；k土的内摩擦角标准值，度；ck土的粘聚力标准值，kPa；基底以下土的重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；m基底以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；d基础埋深，m。同样，根据规范推荐的理论公式确定的承载力特征值，可直接作为地基允许承载力。,3.2.5影响地基承载力因素的讨论,3.3沉降,1.普通分层总和法假定：无侧向变形。故可用室内压缩试验得到的指标计算沉降；取基底中心轴线上的附加应力计算沉降。假定将使沉降偏小，假定则使沉降偏大。两者相互补充。沉降计算公式如下：式中si第i层土的压缩量；i第i层土的侧限压缩应变；Hi第i层土的厚度;n地基沉降计算深度（压缩层厚度）范围内所划分的土层数,根据所采用的土体压缩性指标，上式也可改写成下述几种形式。(1)直接采用压缩试验曲线:考虑，可改写为：式中e1i根据第i层土的自重应力平均值（即p1i）从土的压缩曲线上得到的相应土体孔隙比。和第i层土底面处和顶面处自重应力；e2i根据第i层土的自重应力平均值和附加应力平均值之和（即p2i=p1ipi）从压缩曲线上得到的相应土体孔隙比。和第i层土底面和顶面处的附加应力。,（2）采用压缩系数计算，可改写成：式中ai第i层土的压缩系数；其他符号意义同前。（3）采用压缩模量计算，可改写成：式中Esi第i层土的压缩模量；（4）采用体积压缩系数计算，还可以改写为：式中mvi第i层土的体积压缩系数。,分层总和法的计算步骤：,（1）计算基底附加压力p0；（2）分层：地下水位面和各土层交界面；层厚取0.4b（b为基底宽度）或12m；（3）计算自重应力（基底、各分层处）；（4）计算附加应力（基底中心线与各分层交界点处）；（5）计算和；（6）由和值在ep曲线上查对应的孔隙比；（7）确定地基沉降计算深度（即地基压缩层厚度）：一直往下算，直至（如其下有高压缩性土，须算至）；（8）计算各分层沉降：；（9）计算总沉降：,规范推荐的分层总和法与传统的分层总和法相同之处：也采用单向压缩条件下的压缩性指标;与传统的分层总和法不同之处：1.采用平均附加应力系数；2.规定了地基沉降计算深度的标准，考虑了基础大小这一因素，比应力比法更为合理；3.提出了地基的沉降计算经验系数，使得计算结果接近于实测值。,建筑地基基础设计规范法指建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）推荐的沉降计算方法（以下简称规范法）。在规范法中，采用侧限条件下的压缩性指标，并应用平均附加应力系数计算，对分层求和值采用沉降计算经验系数进行修正，使计算结果更接近实测值。,图6-6平均附加应力系数意义,平均附加应力系数意义如图所示。将地基视为半无限各向同性弹性体，假设土体侧限条件下压缩模量Es不随深度改变，于是从基底至地基任意深度z范围内的压缩量为式中A深度为z范围内附加应力面积。,附加应力面积A也可用附加应力系数K来表示，式中p0对应于荷载效应永久组合时的基底附加压力，即荷载作用密度。为了方便计算，引进平均附加应力系数，值可查表，表6-6给出均布矩形荷载下平均竖向附加应力系数值，其他情况可参阅有关规范。于是压缩量计算公式可改写为,第i层土体压缩量为：式中p0对应于荷载效应永久组合时的基底附加压力（kPa);Esi基础底面下第i层土的压缩模量（MPa），应取土的自重应力至土的自重应力与附加应力之和的应力段计算；zi，zi-1分别为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离。，分别为基础底面至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，可查表。,为了提高计算精确度，规范法规定地基总沉降按上式采用分层总和法得到各层土体压缩量之和后尚需乘以一沉降计算经验系数。于是得到沉降计算表达式为：式中按分层总和法计算出的地基变形量；沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，也可采用表6-7推荐的数值；,表6-7沉降计算经验系数,注：fak为地基承载力特征值；为沉降计算范围（压缩层）内的压缩模量的当量值，即，其中,第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值，故,压缩层厚度的确定采用分层总和法计算时，需要确定（地基变形）计算深度。地基变形计算深度又称压缩层厚度。压缩层厚度通常根据荷载作用下地基中位移场分布情况，或应力场分布情况确定：建筑地基基础设计规范规定地基变形计算深度zn的计算方法为：（1）由深度zn处向上取表6-8中规定的计算厚度z所得的压缩量不大于zn范围内总的压缩量的2.5，即应满足下式要求（包括考虑相邻荷载影响）：若由上式确定的计算深度zn以下还有软土层，尚应向下继续计算，直至软土层中按规定厚度z计算的压缩量满足上式为止。,表6-8计算厚度z,（2）当无相邻荷载影响，基础宽度在130m范围以内时，基础中点地基变形计算深度也可按下式计算：式中b基础宽度。（3）遇到基岩，zn取至基岩面。上述规定是从位移场角度考虑的，也有从应力场角度考虑，如有的地区习惯上常用附加应力（poz为土的自重应力）的方法确定沉降计算深度。,双曲线公式,式中：SOO待定的基础最终沉降量，mm；st在时间t(从施工期一半起算)时的实测沉降量，mm；a待定的经验参数。,实测沉降与时间关系曲线,双曲线法,3.3.4地基的沉降特性,Cv反映土的固结特性：孔压消散的快慢固结速度Cv与渗透系数k成正比，与压缩系数a成反比；单位：cm2/s；m2/year，粘性土一般在10-4cm2/s量级,固结系数:,数学模型,微分方程：,初始条件和边界条件,为无量纲数，称为时间因数，反映超静孔压消散的程度也即固结的程度,方程的解：,方程求解方程的解,双面排水的情况,上半部和单面排水的解完全相同下半部和上半部对称,方程求解固结过程,固结度的概念,一点M的固结度：其有效应力zt对总应力z的比值,Uz,t=01：表征一点超静孔压的消散程度,Ut=01：表征一层土超静孔压的消散程度,一层土的平均固结度,平均固结度Ut与沉降量St之间的关系,t时刻：,确定沉降过程也即St的关键是确定Ut确定Ut的核心问题是确定uz.t,固结度等于t时刻的沉降