土力学与地基基础最后版.ppt

,土力学与地基基础（授课学时：66学时）,河北联合大学建筑工程学院授课：徐建新尤志国时间:2012年10月11日至12月9日,授课时间安排,715周，星期一：10:1512:00，5B303教室。715周，星期二：10:1512:00，5B303教室。715周，星期三：10:1512:00，5B303教室。715周，星期五：08:0009:45，5B303教室。,本课程的参考教材(资料）,1、土力学地基基础（第4版）陈希哲主编清华大学出版社，2003年。2、地基及基础（第三版）华南理工大学、东南大学、浙江大学、湖南大学编，中国建筑工业出版社，1998年。3、相关的设计规范（规程）,（1）建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001（2）建筑工程抗震设防分类标准GB50223-2008(新)（3）岩土工程勘察规范GB50021-2001（4）建筑结构荷载规范GB50009-2001（2006年版）（5）建筑地基基础设计规范GB50007-2011(新)（6）建筑地基处理技术规范JGJ79-2002J220-2002（7）建筑桩基技术规范JGJ94-2008(新）（8）高层建筑箱形与筏形基础技术规范JGJ699（9）建筑抗震设计规范GB50011-2010(新）（10）混凝土结构设计规范GB50010-2010(新）,绪论一、土、土力学、地基及基础的有关概念1土：是岩石经风化、剥蚀、搬运、沉积等物理、化学、生物作用，在地壳表面形成的各种散粒堆积物。2土力学:研究土的应力、变形、强度和稳定以及土与结构物相互作用等规律的一门力学分支称为土力学。3地基:支撑建筑物荷载、且受建筑物影响的那一部分地层称为地基。4基础:建筑物向地基传递荷载的下部结构就是基础(参看图0-1)。,0-1地基、基础示意图,4地基基础设计的先决条件：在设计建筑物之前，必须进行建筑场地的地基勘察，充分了解、研究地基土(岩)层的成因及构造、它的物理力学性质、地下水情况以及是否存在(或可能发生)影响场地稳定性的不良地质现象(如滑坡、岩溶、地震等)，从而对场地件作出正确的评价。,5地基基础设计的两个基本条件：对于地基应满足：(1)要求作用于地基的荷载不超过地基的承载能力，保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备；(2)控制基础沉降使之不超过地基的变形允许值，保证建筑物不因地基变形而损坏或者影响其正常使用。(3)满足地基的稳定。对于基础应满足：还应满足对基础结构的强度，刚度和耐久性的要求。6基础结构的型式：7地基类型：按地质情况分：土基、岩基。按施工情况分：天然地基（浅基、深基）、人工地基。8地基基础设计方案的选取原则9地基及基础的重要性(工程实例),二、本课程的特点和学习要求1、课程的特点：（1）地基及基础课程涉及工程地质学、土力学、结构设计和施工几个学科领域，内容广泛、综合性强；（2）课程理论性和实践性均较强。2、学习要求：(1)学习和掌握土的应力、变形，强度和地基计算等土力学基本原理；(2)学习和掌握浅基础和桩基础的设计方法；(3)熟悉土的物理力学性质的原位测试技术以及室内土工试验方法；（4）重视工程地质基本知识的学习，了解工程地质勘察的程序和方法，注意阅读和使用工程地质勘察资料能力的培养。,三、本学科发展概况地基及基础既是一项古老的工程技术，又是一门年青的应用科学。追本溯源，世界文化古国的远古先民，在史前的建筑活动中，就已创造了自己的地基基础工艺。我国西安半坡村新石器时代遗址和殷墟遗址的考古发掘，都发现有土台和石础。这就是古代“堂高三尺、茅茨土阶”(语见韩非子)建筑的地基基础型式。作为本学科理论基础的土力学的发端，始于十八世纪兴起了工业革命的欧洲。那时，资本主义工业化的发展，工场手工业转变为近代大工业，建筑的规模扩大了。为了满足向国内外扩张市场的需要，陆上交通进入了所谓“铁路时代”。因此，最初有关土力学的个别理论多与解决铁路路基问题有关。,1773年，法国的库伦根据试验创立了著名的砂土抗剪强度公式，提出了计算挡土墙土压力的滑楔理论。九十余年后，1869年英国的朗肯又从不同途径提出了挡土墙土压力理论。这对后来土体强度理论的发展起了很大的作用。此外，1885年法国布辛奈斯克求得了弹性半空间在竖向集中力作用下的应力和变形的理论解答。1922年瑞典费兰纽斯为解决铁路坍方问题作出了土坡稳定分析法。这些古典的理论和方法，直到今天，仍不失其理论和实用的价值。在长达一个多世纪的发展过程中，许多研究者承继前人的研究，总结了实践经验，为孕育本学科的雏形而作出贡献。,1925年，太沙基归纳发展了以往的成就，发表了土力学一书，接着，于1929年又与其他作者一起发表了工程地质学这些比较系统完整的科学著作的出现，带动了各国学者对本学科各个方面的探索。从此，土力学及地基基础就作为独立的科学而取得不断的进展。时至今日，土建，水利、桥梁、隧道、道路、港口、海洋等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各专业岩土问题的共同性，已融合为一个自成体系的新专业“岩土工程”。它的工作方法就是：调查勘察、试验测定、分析计算、方案论证，监测控制、反演分析，修改定案；,它的研究方法是以三种相辅相成的基本手段，即数学模拟(建立岩土本构模型进行数值分析)、物理模拟(定性的模型试验，以离心机中的模型进行定量测试和其它物理模拟试验)和原体观测(对工程实体或建筑物的性状进行短期或长期观测)综合而成的。我国的地基及基础科学技术，作为岩土工程的一个重要组成部分，已经、也必将继续遵循现代岩土工程的工作方法和研究方法进行发展。,第一章土的物理性质及工程分类1-1概述1土的定义：土是连续，坚固的岩石在风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。2土的三相组成：土的物质成分包括有作为土骨架的固态矿物颗粒、孔隙中的水及其溶解物质以及气体。因此，土是由颗粒(固相)、水(液相)和气(气相)所组成的三相体系。1-2土的生成与特性一、地质作用的概念1、地球的圈层构造：,外圈层：大气圈、水圈、生物圈；内圈层：地壳、地幔、地核。构成天然地基的物质是地壳内的岩石和土。地壳的一厚度为3080km。2、地质作用：导致地壳成分变化和构造变化的作用。根据地质作用的能量来源的不同，可分为内力地质作用和外力地质作用。(1)内力地质作用：由于地球自转产生的旋转能和放射性元素蜕变产生的热能等，引起地壳物质成分、内部构造以及地表形态发生变化的地质作用。如岩浆作用、地壳运动(构造运动)和变质作用。1)岩浆作用：存在于地壳以下深处高温、高压的复杂硅酸盐熔融体(岩浆)，沿着地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表且冷凝后生成为岩浆岩的地质作用。2)地壳运动：地壳的升降运动和水平运动。升降运动表现,为地壳的上拱和下拗，形成大型的构造隆起和拗陷：水平运动表现为地壳岩层的水平移动，使岩层产生各种形态的褶皱和断裂地壳运动的结果，形成了各种类型的地质构造和地球表面的基本形态。3)变质作用：在岩浆活动和地壳运动过程中，原岩(原来生成的各种岩石)在高温、高压下及挥发性物质的渗入下，发生成分、结构、构造变化的地质作用。(2)外力地质作用：由于太阳辐射能和地球重力位能所引起的地质作用。它包括气温变化、雨雪、山洪、河流、湖泊、海洋、冰川、风、生物等的作用。1)风化作用：外力(包括大气、水、生物)对原岩发生机械破碎和化学变化的作用。2)沉积岩和土的生成：原岩风化产物（碎屑物质），在雨雪水流、山洪急流、河流、湖浪、海浪、冰川或风等,外力作用下，被剥蚀，搬运到大陆低洼处或海洋底部沉积下来，在漫长的地质年代里，沉积的物质逐渐加厚，在覆盖压力和含有碳酸钙、二氧化硅、氧化铁等胶结物的作用下，使起初沉积的松软碎屑物质逐渐压密、脱水、胶结、硬化生成新的岩石，称为沉积岩。未经成岩作用所生成的所谓沉积物，也就是通常所说的“土”。3）风化、剥蚀、搬运及沉积外力地质作用过程中的风化、剥蚀、搬运及沉积，是彼此密切联系的。风化作用为剥蚀作用创造了条件，而风化、剥蚀、搬运又为沉积作用提供了物质的来源。剥蚀作用与沉积作用在一定时间和空间范围内，以某一方面的作用为主导，例如:河流上游地区以剥蚀为主，下游地区以沉积为主，山地以剥蚀占优势，平原以沉积占优势。,4）风化作用的类型：风化作用根据其性质和影响因素的不同分为物理风化、化学风化和生物风化三种类型。(I)物理风化作用：地表岩石由于温度变化和裂隙中水的冻结以及盐类的结晶而逐渐破碎崩解，但其化学成分尚未发生变化，这种过程称为物理风化作用。例如:由于温度变化引起岩体膨胀所产生的压应力和收缩所产生的拉应力的频繁交替，遂使岩石表层产生裂缝而崩解。另一方面，岩石中的不同矿物各有其不同的膨胀系数，所以当温度反复变化时，岩石内部就会产生不均匀的胀缩变形，导致裂缝的产生，久而久之，坚硬完整的岩石就逐渐崩解成碎块了。特点：只改变颗粒的大小与形状，不改变原来的矿物成分。,(2)化学风化作用：地表岩石在水溶液、大气以及有机体的化学作用或生物化学作用下所引起的破坏过程称为化学风化作用。它不仅破坏岩石的结构，而且使其化学成分改变，而形成新的矿物(次生矿物)。化学风化的主要方式有下列几种：氧化作用、水化作用、水解作用、溶解作用。特点：改变原来的矿物成分，形成新的矿物成分。(3)生物风化作用：它是指在生物活动过程中对岩石产生的破坏作用。这种作用可以引起岩石的机械破坏，如树根生长时施加于周围岩石的压力可达1015kg/cm2，穴居地下的蚯蚓；鼠类等的活动，破坏性也很大。此外，在岩石表面的细菌、苔藓之类分泌出的有机酸溶液能分解岩石的成分，促使岩石破坏。,上述三种风化作用，实际上不是孤立进行的。例如:物理风化使岩石逐渐破碎，增大了岩石的孔隙率和表面积，为化学风化创造了有利的条件；反过来，化学风化则使所形成的碎屑发生质的变化，颗粒变得更小并使岩石松软、体积膨胀，从而促进物理风化的进行。但在某一地区的特定自然地理坏境下，通常以一种风化作用占主导地位。,二、土的工程特征1、固体颗粒、水、气体三相集合体；2、透水性；3、变形大（压缩性大）；4、固结性；5、具有弹性变形和不可恢复的残余变形。,三、矿物与岩石的概念岩石：一种或多种矿物的集合体。矿物：地壳中天然生成的自然元素或化合物，它具有一定的物理性质、化学成份和形态(一)造岩矿物组成岩石的矿物称为造岩矿物。矿物按生成条件可分为原生矿物和次生矿物两大类。区分矿物可以矿物的形状、颜色、光泽、硬度、解理、比重等特征为依据。（二）岩石岩石的主要特征包括矿物成分、结构和构造三方面。岩石的结构岩石中矿物颗粒的结晶程度、大小和形状、及其彼此之间的组合方式。岩石的构造-岩石中矿物的排列方式及填充方式。,岩浆岩、沉积岩、变质岩是按成因划分的三大岩类，其亚类划分列于表1-3、表1-4、表1-5。四、地质年代的概念地质年代：地壳发展历史与地壳运动，沉积环境及生物演化相对应的时代段落。相对地质年代：根据古生物的演化和岩层形成的顺序，所划分的地质年代。在地质学中，根据地层对比和古生物学方法把地质相对年代划分为五大代(太古代、元古代、古生代、中生代和新生代)，每代又分为若干纪，每纪又细分为若干世及期。在每一个地质年代中，都划分有相应的地层（参见表1-6）在新生代中最新近的一个纪称为第四纪，由原岩风化产物（碎屑物质），经各种外力地质作用(剥蚀、搬运、沉积)形成尚未胶结硬化的沉积物(层)，通称,“第四纪沉积物(层)”或“土”。五、第四纪沉积物(层)不同成因类型的第四纪沉积物，各具有一定的分布规律和工程地质特征，以下分别介绍其中主要的几种成因类型。(一)残积物、坡积物和洪积物1、残积物残积物是残留在原地未被搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物，而另一部分则被风和降水所带走。2、坡积物坡积物是雨雪水流的地质作用将高处岩石风化产物缓慢地洗刷剥蚀、顺着斜坡向下逐渐移动、沉积在较平缓的山坡上而形成的沉积物。,3、洪积物(Q”)由暴雨或大量融雪骤然集聚而成的暂时性山洪急流，具有很大的剥蚀和搬运能力。它冲刷地表，挟带着大量碎屑物质堆积于山谷冲沟出口或山前倾斜平原而形成洪积物(图14)。由相邻沟谷口的洪积扇组成洪积扇群b/6时(图7.27)，pkmax应按下式计算：式中l垂直于力矩作用方向的基础底面边长；a合力作用点至基础底面最大压力边缘的距离。,图7.27偏心荷载(eb/6)下基底压力计算示意图,五、地基承载力特征值,地基承载力特征值fak是由荷载试验直接测定或由其与原位试验相关关系间接确定和由此而累积的经验值。（11）它相于载荷试验时地基土压力变形曲线上线性变形段内某一规定变形所对应的压力值，其最大值不应超过该压力变形曲线上的比例界限值。1、地基承载力特征值的确定（1）、由载荷试验PS曲线确定：承载力特征值的确定应符合下列规定：（a）当PS曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；,（b）当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半；（c）当不能按上述二款要求确定时，当压板面积为0.250.50m2，可取s/b=0.010.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。地基承载力特征值的确定：同一土层参加统计的试验点不应少于三点，当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取此平均值作为该土层的地基承载力特征值fak。2、根据土的抗剪强度指标计算当偏心距e小于或等于0.033倍基础底面宽度时，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算，并应满足变形要求：,fa=Mbb+Mdmd+Mcckfa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，按表7.9确定；b基础底面宽度，大于6m时按6m取值，对于砂土小于3m时按3m取值；Ck基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值。3、当地经验法4、修正后的地基承载力特征值fa当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正：,式中fa修正后的地基承载力特征值；fak地基承载力特征值，按规范第5.2.3条的原则确定；b、d基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表7.10取值；基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b基础底面宽度(m)，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；m基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；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；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。,六、软弱下卧层承载力验算,当地基受力层范围内有软弱卧层时，应按下式验算：Pz+Pczfaz式中Pz相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值；Pcz软卧下卧层顶面处土的自重压力值；faz软卧下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值。对条形基础和矩形基础,式中的Pz值可按下列公式简化计算：,图7.29附加压力简化计算图,条形基础根据扩散前后各面积上的总压力相等的条件。对条形基础，仅考虑宽度方向的扩散，并沿基础纵向取单位长度为计算单元，于是可得矩形基础,b矩形基础或条形基础底边的宽度；l矩形基础底边的长度；Pc基础底面处土的自重压力值；Z基础底面至软弱下卧层顶面的距离。地基压力扩散线与垂直线的夹角，可按表7.11采用。七、地基变形验算1、地基变形验算满足的条件：建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形允许值。计算地基变形的某一特征值，验证其是否不超过相应的允许值，即要求满足下列条件,2、地基变形特征值（1）沉降量基础某点的沉降值。（2）沉降差基础两点或相邻柱基中点的沉降量之差，（3）倾斜基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。（4）局部倾斜砌体承重结构沿610m内基础两点的沉降差与其距离的比值。具体建筑物所需验算的地基变形特征取决于建筑物的结构类型、整体刚度和使用要求。3、地基变形允许值地基变形允许值应根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求确定。建筑物的地基变形允许值，见P132，表3.17取值。,66按地基承载力确定基础底面尺寸,一、确定基础底面尺寸的原则1、中心受压基础：满足Pkfa。2、偏心受压基础：满足Pkfa且Pkmax1.2fa。二、中心荷载下的基础尺寸1、独立基础基础底面积；正方形基础。2、条形基础对条形基础，为基础每米长度上的外荷载(kNm)，此时，沿基础长度方向取单位长度(1m)计算，,（7-16）,三、偏心荷载下的基础尺寸1、先按中心荷载作用下，初算基础底面积A1；2、偏心荷载下的基础面积A（1.11.4)A1；3、验算：Pkfa且Pkmax1.2fa。“偏心荷载基础的地基承载力可以提高20”错误。解释：将式改写成式中折减系数=1.2/(16eb)。当e=b/30时，,此时，表示可不考虑荷载偏心使地基承载力降低的影响；偏心距e取一般许可的最大值b6，则0.6，表示由于荷载偏心较大，应该限制基底平均压力P使之不超过未考虑偏心影响的地基承载力设计值的60。因此，不要只看式的形式，而得出：“偏心荷载基础的地基承载力可以提高20”的不恰当的概念。,67无筋扩展基础设计,1、材料：毛石、砼、毛石砼等2、特点：抗拉、抗剪强度低，抗压性能相对高。3、受力与破坏：倒置短悬臂梁弯拉破坏。4、强度保证：限制基础台阶宽高比，增大刚度。5、设计要求：基础台阶宽高比小于允许宽高比。允许宽高比：b2/H0=tan其值与基底压力、材料质量有关见（P283页表7.1）。基础设计高度：,图7.35无筋扩展基础构造图柱中纵向钢筋直径,无筋扩展基础设计方法与步骤,1、选择持力层、确定埋深；2、确定基底尺寸；3、选择材料类型；4、首先按允许宽高比要求确定基础理论要求的最小总高度；5、按构造要求由基底向上逐级缩小尺寸，确定每一级台阶的宽度与高度。（一般基础顶面应低于室外地面0.1m，否则应修改尺寸或埋深，允许情况下也可将基础上部做墙体处理。）,实例：二层砖混农村住宅砖条形基础,68扩展基础设计,特点：抗弯和抗剪性能好。一、扩展基础的构造要求：（一）现浇柱基础砼强度等级C20，受力钢筋直径：10，间距：100200。锥形基础构造尺寸如图示：,基础垫层：厚度70；砼强度等级C10钢筋保护层厚度：有垫层：40无垫层：70阶梯形基础构造尺寸：每阶高度：300500；500h900，宜两阶；h900，宜三阶；尺寸变化宜50倍数。,二、墙下钢筋砼条形基础,1、构造要求构造尺寸与形式基础高度250时采用锥形；基础高度250时采用平板式。横向受力钢筋：直径：816间距：100300纵向分布钢筋：68，100300保护层:有垫层时，40无垫层时，70,钢筋混凝土条形基础底板在T形及十字形交接处，底板横向受力钢筋仅沿一个主要受力方向通长布置，另一方向的横向受力钢筋可布置到主要受力方向底板宽度1/4处(图8.2.2b)。在拐角处底板横向受力钢筋应沿两个方向布置(图8.2.2c)。,2、墙下钢筋砼条形基础的底板厚度和配筋计算,（一）中心受压基础受力分析：倒置悬臂梁；受地基净反力作用；危险截面：墙根部-面弯矩与剪力最大。地基净反力pj：上部结构荷载设计值F在基底产生的反力。,1、当墙体材料为混凝土时，取a1=b1；2、如为砖墙且放脚不大于1/4砖长时，取a1=b1+1/4砖长。3、当扩展基础的混凝土强度等级小于柱的混凝土强度等级时，尚应验算柱下扩展基础顶面的局部受压承载力。,实例：滦县光明南园住宅小区101楼主体为6层砖混，钢筋混凝土条形基础采用天然地基,持力层为第2层粉土，承载力特征值170KPa。基础垫层为C10,基础为C30；,69柱下条形基础,一、柱下条形基础,柱下十字交叉基础,柱下条形基础：指布置成单向或双向的钢筋混凝土条状基础，也称基础梁；组成；肋梁、翼板，相当于倒置梁板柱结构；断面形式：倒T形；特点：抗弯抗剪能力大；目前常用的计算方法有：静定分析法、倒梁法、地基系数法、链杆法、有限元法等。,(一)柱下条形基础的构造,(1)、柱下条形基础梁的高度宜为柱距的1/41/8。翼板厚度不应小于200mm。当翼板厚度大于250mm时，宜采用变厚度翼板，其坡度宜小于或等于1:3；(2)、条形基础的端部宜向外伸出，其长度宜为第一跨距的0.25倍；(3)、现浇柱与条形基础梁的交接处，其平面尺寸不应小于图8.3.1的规定；,(4)、条形基础梁顶部和底部的纵向受力钢筋除满足计算要求外，顶部钢筋按计算配筋全部贯通，底部通长钢筋不应少于底部受力钢筋截面总面积的1/3；(5)、柱下条形基础的混凝土强度等级，不应低于C20。(6)、还应满足混凝土结构设计规范（GB50010-2002）的构造要求。(二)确定基础底面尺寸将柱下条形基础视为一狭长的矩形基础，长边由构造确定（只决定伸出边柱的长度），然后根据地基承载力计算基础底面的宽度。(三)地基反力的计算假定：地基反力为直线分布。,式中各竖向荷载（包括基础自重及覆土重）的总和（kN）；各外荷载对基底形心的偏心力矩的总和（kNm）；B、L分别为基础底面的宽度和长度（m）。(四)内力分析（1）静定分析法此法为近似简化方法，仍假定地基反力呈线性分布，用偏心受压公式便可确定地基反力值，见式69。,（69）,计算基础梁内力时，因为基础（包括覆土）的自重不引起内力，所以式（69）中各竖向荷载的总和中不包括基础自重及覆土重，所得结果即为基底净反力。求出净反力分布后，基础上所有的作用力都已确定，可按静力平衡条件计算出任一截面i上的弯矩和剪力，见图14-30，选取若干截面进行计算，然后绘制弯矩图、剪力图。,（2）倒梁法1、适用条件：在比较均匀的地基上，上部结构刚度较好，荷载分布较均匀，且条形基础梁的高度不小于1/6柱距时，地基反力可按直线分布，条形基础梁的内力可按连续梁计算，此时边跨跨中弯矩及第一内支座的弯矩值宜乘以1.2的系数。当不满足本条的要求时，宜按弹性地基梁计算。2、肋梁内力分析：以柱子作为条形基础的支座，地基净反力及柱位处集中压力以外的各种作用力为荷载（图1431），将基础梁视作倒置的多跨连续梁来计算各控制截面的内力(弯矩分配法)。用倒梁法计算所得的支座反力与上部柱传来的竖向荷载之间有较大的不平衡力，这个不平衡力主要是由于未考虑到基础梁挠度与地基变形协调条件而造成的。,为了解决这个矛盾，采用反力的局部调整法，即将支座反力与柱轴力间的差值（正或负的）均匀分布在相应支座两侧各13跨度范围内，作为地基反力的调整值，然后再进行一次连续梁分析。如果调整一次后的结果仍不满意，还可再次调整，使支座反力和柱轴力基本吻合。采用静定分析法与倒梁法分别计算，其结果往往会有较大差别，只有当倒梁法计算出的支座反力未经调整即恰好等于柱轴力时，两者的计算结果才会一致。在工程设计中，必要时可参考上述两种简化计算结果图1431倒梁法计算简图的内力包络图来进行截面设计。,(3)配筋计算翼板部分配筋计算几何尺寸：基础宽度b，主肋宽度b1，翼板从主肋外边缘处外挑长度翼板最不利截面内力计算,翼板最不利截面位置在主肋外边缘处，此处的内力：沿翼板纵向取1m配筋。按混凝土结构设计规范(GB50010-2002)进行正截面和斜截面计算。(参考墙下钢筋砼条形基础的底板厚度和配筋的计算）(2)主肋部分配筋计算由静定分析法、倒梁法求得的内力及，按混凝土结构设计规范(GB50010-2002)进行正截面和斜截面计算，并符合连续梁的构造要求。,二、十字交叉基础,作用在十字交叉基础的上部结构荷载，通常是由柱网传来的集中力，而且作用在十字交叉基础的节点处，因此，此类基础的计算主要是解决节点处竖向荷载在纵、横两个方向的分配，分配于纵、横两个方向条形基础上的荷载已知时，分别按单向条形基础设计，见图。(一)竖向荷载在节点处的分配原则：(1)静力平衡条件，分配在纵、横向梁上的两个力之和等于作用在节点处的竖向荷载；(2)变形协调条件，纵、横向梁在交叉节点处竖向变形与该处地基变形相等。,(二)节点荷载的分配,1、中柱节点纵横向基础断面相等时，2、边柱节点,纵横向基础断面相等时，3、角柱节点纵横向基础断面相等时，以上式中方向梁的底面宽度；方向梁的底面宽度；,方向梁的刚度特征值；方向梁的刚度特征值；方向梁的抗弯刚度；方向梁的抗弯刚度；地基系数。(产生单位沉降所需的反力),610筏板基础的计算,筏板基础内力计算，按不同的地基反力分布的假定，目前常用的有倒楼盖法、地基系数法、链杆法、有限元法等，这里仅介绍倒楼盖法。一、地基反力计算假定：地基反力在两个方向上都为直线分布。式中上部结构传来的所有各竖向荷载的总和(kN)；上部结构传来的荷载对基底形心在X方向上的偏心力矩的总和（kNm）；,上部结构传来的荷载对基底形心在Y方向上的偏心力矩的总和（kNm）；注意：地基承载力验算时包括基础自重及覆土重；内力计算时不包括基础自重及覆土重；B、L分别为筏基底面的宽度和长度（m）。包括基础底外挑的长度。（目的：为避免建筑物发生较大的倾斜，并改善基础的受力状态，必要时可调整各边的外挑长度，使基础接近中心受压状态。）二、梁板的内力计算基础反力确定后，将筏基视为倒楼盖，以柱为支座，地基的净反力为荷载，可按普通平面楼盖计算其内力。,(1)平板式筏板基础:按倒无梁楼盖计算基础板内力。即将板在纵横两向分别划分柱上板带和柱间板带，分别求其内力。(2)梁板式筏板基础:当柱网尺寸接近方形，且柱网单元内不布置次肋时，按井式楼盖计算，底板按多跨连续双向板计算，纵、横向肋按多跨连续梁计算。(3)梁板式筏板基础:当柱网尺寸呈矩形，且柱网单元内布置了次肋且次肋间距较小时，按平面肋形楼盖计算。底板按多跨连续单向板计算；次肋作为次梁，按多跨连续梁计算；纵、横向肋也按多跨连续梁计算。注意：按连续梁计算肋梁时，出现计算出的支座反力与柱轴力不相等的情况，可根据实际情况作些必要的调整，也可用前述静定分析方法计算肋梁的内力，在参考两种计算结果进行配筋。,第八章桩基础81概述如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求、而又不适宜采取地基处理措施时，就要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方案了。深基础主要有桩基础、沉井和地下连续墙等几种类型一、桩基础的适用性对下列情况可考虑选用桩基础方案：1、不允许地基有过大沉降和不均匀沉降的高层建筑或其它重要的建筑物；2、重型工业厂房和荷载过大的建筑物，如仓库、料仓等；,3、对烟囱、输电塔等高耸结构物，采用桩基以承受较大的上拔力和水平力，或用以防止结构物的倾斜时；4、对精密或大型的设备基础，需要减小基础振幅、减弱基础振动对结构的影响，或应控制基础沉降和沉降速率时；5、软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物，或以桩基作为地震区结构抗震措施时。当地基上部软弱而在桩端可达的深度处理藏有坚实地层时，最宜采用桩基。如果软弱土层很厚，桩端达不到良好地层，则应考虑桩基的沉降等问题。如以桩通过较好土层而将荷载传到下卧软弱层，则将使桩基沉降增加。总之，桩基设计也应注意满足地基承载力和变形这两项基本要求。,二、桩基设计内容桩基设计的基本内容包括下列各项：（l）选择桩的类型和几何尺寸；（2）确定单桩竖向（和水平向）承载力设计值；（3）确定桩的数量、间距和布置方式；（4）验算桩基的承载力和沉降；（5）桩身结构设计；（6）承台设计；（7）绘制桩基施工图。设计桩基应先根据建筑物的特点和有关要求，进行岩土工程勘察和场地施工条件等资料的搜集工作；设计时应考虑桩的设置方法及其影响。,三、桩基础的几个概念,1、桩基:由设置于岩土中的桩和与桩顶联结的承台共同组成的基础或由柱与桩直接联结的单桩基础。若桩身全部埋于土中，承台底面与土体接触，则称为低承台桩基；若桩身上部露出地面而承台底位于地面以上，则称为高承台桩基。建筑桩基通常为低承台桩基础。2、复合桩基:由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。3、复合基桩：单桩及其对应面积的承台下地基土组成的复合承载基桩。4、减沉复合疏桩基础：软土地基天然地基承载力基本满足要求的情况下，为减小沉降采用疏布摩擦型桩的复合桩基。,82桩及桩基础分类,一、按承载性状分类（1）摩擦型桩：摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩侧阻力承受，桩端阻力小到可忽略不计；端承摩擦桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩侧阻力承受。（2）端承型桩：端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载由桩端阻力承受，桩侧阻力小到可忽略不计；摩擦端承桩：在极限承载力状态下，桩顶荷载主要由桩端阻力承受。,按桩的使用功能分类（1）竖向抗压桩（抗压桩）；（2）竖向抗拔桩（抗拔桩）；（3）水平受荷桩（主要承受水平荷载）；（4）复合受荷桩（竖向、水平荷载均较大）。按桩身材料分类（1）混凝土桩；灌注桩、预制桩；（2）钢桩；（3）组合材料桩。按成桩方法分类（1）非挤土桩：干作业法钻（挖）孔灌注桩、泥浆护壁法钻（挖）孔灌注桩、套管护壁法钻（挖）孔灌注桩；（2）部分挤土桩：长螺旋压灌灌注桩、冲孔灌注桩、钻孔挤扩灌注桩、搅拌劲芯桩、预钻孔打入（静压）预制桩、打入（静压）式敞口钢管桩、敞口预应力混凝土空心桩和H型钢桩；（3）挤土桩：沉管灌注桩、沉管夯（挤）扩灌注桩、打入（静压）预制桩、闭口预应力混凝土空心桩和闭口钢管桩。,按桩径大小分类（1）小桩d250mm；（2）中等直径桩250mmd800mm；（3）大直径桩d800mm；d桩身设计直径。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，选择经济合理、安全适用的桩型和成桩工艺。选择时可参考建筑桩基技术规范附录A。,83设计原则,94桩基规范：建筑桩基采用以概率理论为基础的极限状态设计法,以可靠指标度量桩基的可靠度,采用以分项系数表达的极限状态设计表达式进行计算。07桩基规范：以综合安全系数K用代替荷载分项系数和抗力分项系数。3.1.1桩基础应按下列两类极限状态设计：1、承载能力极限状态:对应于桩基达到最大承载能力、整体失稳或发生不适于继续承载的变形；2、正常使用极限状态：桩基达到建筑物正常使用所规定的变形限值或达到耐久性要求的某项限值。,二、桩基设计等级3.1.2根据建筑规模、功能特征、对差异变形的适应性、场地地基和建筑物体型的复杂性以及由于桩基问题可能造成建筑破坏或影响正常使用的程度，应将桩基设计分为三个设计等级。甲级：（1）重要的建筑；（2）30层以上或高度超过100m的高层建筑；（3）体型复杂且层数相差超过10层的高低层(含纯地下室)连体建筑；（4）20层以上框架核心筒结构及其他对差异沉降有特殊要求的建筑；（5）场地和地基条件复杂的7层以上的一般建筑及坡地、岸边建筑；（6）对相邻既有工程影响较大的建筑；乙级：除甲级、丙级以外的建筑。丙级：场地和地基条件简单、荷载分布均匀的7层及7层以下的一般建筑。,3.1.3桩基应根据具体条件分别进行下列承载能力计算和稳定性验算：,1、应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的竖向承载力计算和水平承载力计算；2、应对桩身和承台结构承载力进行计算；对于桩侧土不排水抗剪强度小于10kPa、且长径比大于50的桩应进行桩身压屈验算；对于混凝土预制桩应按吊装、运输和锤击作用进行桩身承载力验算；对于钢管桩应进行局部压屈验算；3、当桩端平面以下存在软弱下卧层时，应进行软弱下卧层承载力验算；4、对位于坡地、岸边的桩基应进行整体稳定性验算；5、对于抗浮、抗拔桩基，应进行基桩和群桩的抗拔承载力计算；6、对于抗震设防区的桩基应进行抗震承载力验算。,3.1.4下列建筑桩基应进行沉降计算：1设计等级为甲级的非嵌岩桩和非深厚坚硬持力层的建筑桩基；2设计等级为乙级的体型复杂、荷载分布显著不均匀或桩端平面以下存在软弱土层的建筑桩基；3软土地基多层建筑减沉复合疏桩基础。,3.1.6应根据桩基所处的环境类别和相应的裂缝控制等级，验算桩和承台正截面的抗裂和裂缝宽度。3.1.7桩基设计时，所采用的作用效应组合与相应的抗力应符合下列规定：1、确定桩数和布桩时，应采用传至承台底面的荷载效应标准组合；相应的抗力应采用基桩或复合基桩承载力特征值。2、计算荷载作用下的桩基沉降和水平位移时，应采用荷载效应准永久组合；计算水平地震作用、风载作用下的桩基水平位移时，应采用水平地震作用、风载效应标准组合。,3、验算坡地、岸边建筑桩基的整体稳定性时，应采用荷载效应标准组合；抗震设防区，应采用地震作用效应和荷载效应的标准组合。4、在计算桩基结构承载力、确定尺寸和配筋时，应采用传至承台顶面的荷载效应基本组合。当进行承台和桩身裂缝控制验算时，应分别采用荷载效应标准组合和荷载效应准永久组合。5、桩基结构设计安全等级、结构设计使用年限和结构重要性系数r0应按现行有关建筑结构规范的规定采用，除临时性建筑外，重要性系数r0不应小于1.0。6、当桩基结构进行抗震验算时，其承载力调整系数rRE应按现行国家标准建筑抗震设计规范(GB50011)的规定采用。3.1.10对于本规范第3.1.4条规定应进行沉降计算的建筑桩基，在其施工过程及建成后使用期间，应进行系统的沉降观测直至沉降稳定。,3.5耐久性规定3.5.1桩基结构的耐久性应根据设计使用年限、现行国家标准混凝土结构设计规范（GB50010）的环境类别规定以及水、土对钢、混凝土腐蚀性的评价进行设计。3.5.2二类和三类环境中，设计使用年限为50年的桩基结构混凝土应符合表3.5.2的规定。,3.5.3桩身裂缝控制等级及最大裂缝宽度应根据环境类别和水、土介质腐蚀性等级按表3.5.3规定选用。,3.5.4四类、五类环境桩基结构耐久性设计可按国家现行标准港口工程混凝土结构设计规范JTJ267和工业建筑防腐蚀设计规范GB50046等执行。3.5.5对三、四、五类环境桩基结构，受力钢筋宜采用环氧树脂涂层带肋钢筋。,竖向荷载下单桩的工作性能,孤立的一根桩称为单桩，群桩中性能不受邻桩影响的一根桩可视为单桩，单桩的轴向力是如何传给地基土呢？,一、桩的荷载传递,结论：桩通过桩侧阻力和桩端阻力将荷载传递给土体的，换个角度：土对桩的支承力由桩侧阻力和桩端阻力两部分组成。,联想对比最佳记忆：141页地基的三种破坏型式整体剪切破坏局部剪切破坏冲剪破坏,4、桩侧负摩阻力,84桩的承载力,一、单桩竖向极限承载力(标准值)2.1.6单桩竖向极限承载力(标准值)：单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载，它取决于土对桩的支承阻力和桩身承载力。5.3.1设计采用的单桩竖向极限承载力标准值应符合下列规定：1设计等级为甲级的建筑桩基，应通过单桩静载试验确定；2设计等级为乙级的建筑桩基，当地质条件简单时，可参照地质条件相同的试桩资料，结合静力触探等原位测试和经验参数综合确定；其余均应通过单桩静载试验确定；3设计等级为丙级的建筑桩基，可根据原位测试和经验参数确定。,5.3.2单桩竖向极限承载力标准值、极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值应按下列规定确定：1单桩竖向静载试验应按现行行业标准建筑基桩检测技术规范JGJ106执行；2对于大直径端承型桩，也可通过深层平板（平板直径应与孔径一致）载荷试验确定极限端阻力；3对于嵌岩桩，可通过直径为0.3m岩基平板载荷试验确定极限端阻力标准值，也可通过直径为0.3m嵌岩短墩载荷试验确定极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值；4桩的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值宜通过埋设桩身轴力测试元件由静载试验确定。并通过测试结果建立极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值与土层物理指标、岩石饱和单轴抗压强度以及与静力触探等土的原位测试指标间的经验关系，以经验参数法确定单桩竖向极限承载力。,二、按静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值采用现场静载荷试验确定单桩竖向极限承载力标准值时，在同一条件下的试桩数量不宜小于总桩数的1，且不应小于3根，工程总桩数在50根以内时不应小于2根，试验及单桩竖向极限承载力取值按建筑桩基技术规范附录C方法进行(JGJ94-94)。(JGJ106-2003)1、试验目的：采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件的试验方法，确定单桩竖向（抗压）极限承载力，作为设计依据，或对工程桩的承载力进行抽样检验和评价。当埋设有桩底反力和桩身应力、应变测量元件时，尚可直接测定桩周各土层的极限侧阻力和极限端阻力。除对于以桩身承载力控制极限承载力的工程桩试验加载至承载力设计值的1.52倍外，其余试桩均应加载至破坏。,2、试验加荷装置试验装置主要包括加荷稳压部分、提供反力部分和沉降观测部分。静荷载一般由安装在桩顶的油压千斤顶提供。千斤顶的反力可通过锚桩承担（图8-12a），或借压重平台上的重物来平衡（图8-12b）。量测桩顶沉降的仪表主要有百分表或电子位移计等。根据试验记录，可绘制各种试验曲线，如：荷载桩顶沉降（QS）曲线。,(1)锚桩横梁反力装置：锚桩、反力梁装置能提供的反力应不小于预估最大试验荷载的1.21.5倍。采用工程桩作锚桩时，锚桩数量不得少于4根，并应对试验过程锚桩上拔量进行监测。(2)压重平台反力装置：压重量不得少于预估试桩破坏荷载的1.2倍；压重应在试验开始前一次加上，并均匀稳固放置于平台上；(3)锚桩压重联合反力装置：当试桩最大加载量超过锚桩的抗拔能力时，可在横梁上放置或悬挂一定重物，由锚桩和重物共同承受千斤顶加载反力。千斤顶平放于试桩中心，当采用2个以上千斤顶加载时，应将千斤顶并联同步工作，并使千斤顶的合力通过试桩中心。,(4)荷载与沉降的量测仪表：桩顶荷载的量测：可用放置于千斤顶上的应力环、应变式压力传感器直接测定，或采用联于千斤顶的压力表测定油压，根据千斤顶率定曲线换算荷载。试桩沉降的量测：一般采用百分表或电子位移计测量。对于大直径桩应在其2个正交直径方向对称安置4个位移测试仪表，中等和小直径桩径可安置2个或3个位移测试仪表。沉降测定平面离桩顶距离不应小于0.5倍桩径，固定和支承百分表的夹具和基准梁在构造上应确保不受气温、振动及其他外界因素影响而发生竖向变位。,3、试桩制作要求(1)试桩顶部一般应予加强，可在桩顶配置加密钢筋网23层，或以薄钢板圆筒作成加劲箍与桩顶混凝土浇成一体，用高标号砂浆将桩顶抹平。对于预制桩，若桩顶未破损可不另作处理。(2)为安置沉降测点和仪表，试桩顶部露出试坑地面的高度不宜小于600mm，试坑地面宜与桩承台底设计标高一致。(3)试桩的成桩工艺和质量控制标准应与工程桩一致。为缩短试桩养护时间，混凝土强度等级可适当提高，或掺入早强剂。(4)从成桩到开始试验的间歇时间：在桩身强度达到设计要求的前提下，对于砂类土，不应少于10d；对于粉土和粘性土，不应少于15d；对于淤泥或淤泥质土，不应少于25d。,4、静载荷试验要点(1)试验加载方式：采用慢速维持荷载法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载，直到试桩破坏，然后分级卸载到零。当考虑结合实际工程桩的荷载特征可采用多循环加、卸载法（每级荷载达到相对稳定后卸载到零）。当考虑缩短试验时间，对于工程桩的检验性试验，可采用快速维持荷载法，即一般每隔一小时加一级荷载。(2)加载分级：每级加载为预估极限荷载的1/101/15，第一级可按2倍分级荷载加荷；(3)沉降观测：每级加载后间隔5、10、15min各测读一次,以后每隔15min测读一次,累计1h后每隔30min测读一次。每次测读值记入试验记录表；,(4)沉降相对稳定标准：每一小时的沉降不超过0.1mm,并连续出现两次（由1.5h内连续三次观测值计算），认为已达到相对稳定，可加下一级荷载。(5)终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载：1）某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍；2）某级荷载作用下，桩的沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；3）已达到锚桩最大抗拔力或压重平台的最大重量时。,(6)卸载与卸载沉降观测：每级卸载值为每级加载值的2倍。每级卸载后隔15min测读一次残余沉降，读两次后，隔30min再读一次,即可卸下一级荷载，全部卸载后隔3-4h再读一次。(7)确定单桩竖向极限承载力:一般应绘QS,Slgt曲线，以及其他辅助分析所需曲线：(8)单桩竖向极限承载力可按下列方法综合分析确定：1)根据沉降随荷载的变化特征确定极限承载力：对于陡降型QS曲线取QS曲线发生明显陡降的起始点；,2)根据沉降量确定极限承载力：对于缓变型QS曲线一般可取s=4060mm对应的荷载,对于大直径桩可取s=0.030.06D(D为桩端直径,大桩径取低值,小桩径取高值)所对应的荷载值；对于细长桩（l/d80）可取s=6080mm对应的荷载；3)根据沉降随时间的变化特征确定极限承载力，取slgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值。(9)单桩竖向极限承载力标准值见教材P359360。,5、当根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值,(1)当桩径d0.8m时：单桩竖向极限承载力标准值；单桩总极限侧阻力标准值，KN；单桩总极限端阻力标准值，KN；桩身的周边长度，m；桩穿越第i层土的厚度，m；桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，Kpa。当无当地经验值时，可按表5.3.5-1取值；极限端阻力标准值，KPa当无当地经验值时，可按表5.3.5-2取值。,（2）当桩径d0.8m时（大直径桩）：单桩竖向极限承载力标准值，KN；单桩总极限侧阻力标准值，KN；单桩总极限端阻力标准值，KN；桩身周长，当人工挖孔桩桩周护壁为振捣密实的混凝土时，桩身周长可按护壁外直径计算。桩侧第i层土的极限侧阻力标准值，当无当地经验值时，可按本规范表5.3.5-1取值，对于扩底桩变截面以上2d长度范围不计侧阻力；桩径为800mm的极限端阻力标准值，对于干作业挖孔（清底干净）可采用深层载荷板试验确定；当不能进行深层载荷板试验时，可按表5.3.6-1取值；,大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数，按表5.3.6-2取值。对于混凝土护壁的大直径挖孔桩，计算单桩竖向承载力时，其设计桩径取护壁外直径。大直径桩的桩底持力层一般都呈渐进破坏，使其具有缓变型的QS曲线，因此其极限端阻随桩径的增大而减少，且以持力层为无粘性土时为甚；至于其极限侧阻本来与桩径无关，但因大直径桩一般为钻、冲、挖孔灌注桩，在无粘性土中成孔时，孔壁因应力解除而松弛，致使侧阻的降幅随孔径的增大而增大。大直径桩的极限承载力标准值应考虑尺寸效应。,其他类型单桩竖向极限承载力标准值1、钢管桩(第5.3.7条）；2、混凝土空心桩(第5.3.8条）；3、嵌岩桩(第5.3.9条）；4、后注浆灌注桩(第5.3.10条）；,5.2.2单桩竖向承载力特征值Ra应按下式确定：式中Quk单桩竖向极限承载力标准值；K安全系数，取