教学材料《基础工程》-2

２.１基础工程概述２.１.１基础工程的设计内容基础工程设计包括基础设计与地基设计.基础设计包括基础形式的选择、基础埋置深度的选择及基底面积大小、基础内力和基础断面计算等内容;地基设计包括地基承载力的确定、地基变形计算、地基抗滑及抗倾覆等计算.基础工程设计应综合考虑上部结构形式、荷载大小及其分布情况,以及地基土的物理力学性质、土层分布、地下水位及其变化等情况,即包括基础结构设计和地基设计两部分内容,简称为地基基础设计.下一页返回２.１基础工程概述２.１.２基础工程的设计原则(１)建筑结构功能要求.为了保证建筑物的安全、稳定和正常使用,«建筑结构可靠度设计统一标准»(GB５００６８—２００１)规定,建筑结构应满足以下功能要求:①安全性.安全性是指能承受在正常施工和正常使用过程中可能出现的各种作用(结构荷载、施工荷载等).②适用性.适用性是指在使用过程中应具有良好的工作性能.③耐久性.耐久性是指在正常维护条件下应能满足使用年限的要求.④稳定性.上一页下一页返回２.１基础工程概述稳定性是指在偶然事件发生时及发生后,仍能保持必需的整体稳定.(２)基本设计计算原则.建筑物的地基基础和上部结构是共同作用的,基础作为建筑物的下部结构,显然必须满足上述要求.地基承受建筑物的全部荷载,一旦破坏,基础与上部结构都会发生不同程度的位移、变形甚至破坏,因而,地基也应适应建筑物的设计要求.因此,在进行基础工程设计时,首先必须有一个上部结构———基础、地基相互作用的整体观点.基础工程设计的目的是设计一个安全、经济和可行的地基与基础,以保证上部结构的安全和正常使用.基础工程的基本设计计算原则如下:上一页下一页返回２.１基础工程概述①地基应具有足够的强度,满足地基承载力的要求.这个原则的核心是通过基础传递给地基的平均压力(即基底压力)应小于或等于修正后地基承载力的特征值.这意味着地基经过一段时间的压缩变形后即可趋于稳定,能够保证结构的正常使用.相反,如果基底压力等于地基极限承载力,那就意味着地基处于破坏临界状态,没有足够的安全保证.②地基与基础的变形应满足建筑物正常使用的允许要求.这个原则是根据建筑物的破坏,多数是由于地基变形不均匀造成的事实提出的.上部结构除木结构外,砖石结构和混凝土结构等都只能适应较小的差异沉降,而地基的变形往往较大,可能从几厘米至几十厘米,并且难以准确计算.上一页下一页返回２.１基础工程概述一般来说,地基的变形越大,产生的差异变形也越大.在执行这个原则时,还应明确以下两个问题:地基变形计算是在未考虑上部结构刚度的情况下进行的,与实际情况会有相当大的误差;地基允许变形值是根据实际建筑物在不同类型地基上的长期观测资料提出来的,它是上部结构、基础、地基三者相互作用的结果.只有充分认识这两个问题后,才能灵活运用这个原则.否则,由于计算与实测存在基本条件方面的差别,易于引出错误的结论,造成浪费;另一方面,也会发生认为计算值不可靠,而忽视计算的倾向,其结果也将造成大量的浪费,甚至造成严重的工程事故.上一页下一页返回２.１基础工程概述③地基与基础的整体稳定性应有足够保证.这个原则的制定目的是使地基基础具有抗倾覆、抗滑的能力.④基础本身应有足够的强度、刚度和耐久性.⑤地基基础的设计,还必须坚持因地制宜、就地取材的原则.随着科学技术的发展,为与国际上建筑物及基础工程设计标准接轨,我国目前新制定的许多工程设计规范规定:“建筑物采用以概率理论为基础的极限状态设计方法”,以便在建筑设计上做到技术先进、经济合理和安全适用.上一页返回２.２基础工程的设计等级及基本要求２.２.１基础工程的设计等级建(构)筑物的安全和正常使用,不仅取决于上部结构的安全储备,还要求地基基础有一定的安全度.因为地基基础是隐蔽工程,所以不论地基或基础哪一方面出现问题或发生破坏都很难修复,轻者影响使用,重者导致建(构)筑物破坏,甚至酿成灾害.因此,地基基础设计在建(构)筑物设计中的地位举足轻重.根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征,以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度,«建筑地基基础设计规范»(GB５０００７—２０１１)将地基基础设计分为三个设计等级(表２.１),设计时应根据具体情况进行选用.下一页返回２.２基础工程的设计等级及基本要求«公路桥涵地基与基础设计规范»(JTGD６３—２００７)中虽然没有明确在基础设计中划分建(构)筑物安全等级,但在实际应用中是根据公路等级与桥涵跨径分类相结合的原则来区分建(构)筑物等级的.２.２.２基础工程的基本要求根据«建筑地基基础设计规范»(GB５０００７—２０１１)的规定,地基基础的设计与计算应满足承载力极限状态和正常使用极限状态的要求.根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度,地基基础设计应符合下列规定:(１)所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定.(２)设计等级为甲级、乙级的建筑物,均应按地基变形设计.上一页下一页返回２.２基础工程的设计等级及基本要求(３)表２.２所示范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算,按承载力进行设计,即只要求基底压力小于或等于地基承载力,不要求变形验算.认为承载力满足要求后,建筑物沉降就会满足允许变形值.这种方法最为简单,节省了设计计算工作量.但设计等级为丙级的建筑物,如有下列情况之一时,仍应作变形验算(以保证建筑物不因地基沉降影响正常使用):①地基承载力特征值小于１３０kPa,且体型复杂的建筑.②在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大,可能引起地基产生过大的不均匀沉降时.③软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时.上一页下一页返回２.２基础工程的设计等级及基本要求④相邻建筑距离过近,可能发生倾斜时.⑤地基内有厚度较大或厚薄不均的填土,其自重固结未完成时.(４)对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等,以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物,还应验算其稳定性.(５)基坑工程应进行稳定性验算.(６)当地下水埋藏较浅,建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时,还应进行抗浮验算.上一页返回２.３地基基础设计中的两种极限状态２.３.１建筑结构可靠度和极限状态设计为了在建筑设计上做到技术先进、经济合理、安全适用,建筑物宜采用以概率理论为基础的极限状态设计,简称为概率极限状态设计方法.这种方法以失效概率或结构可靠度指标代替以往的安全系数.结构的工作状态可以用荷载效应S(指荷载在结构或构件内引起的内力或位移等)和结构抗力R(指抵抗破坏或变形的能力)的关系描述.即由于影响荷载效应和结构抗力的因素很多,各个因素又有许多不确定性,都是随机变量,R和S自然也是随机变量.下一页返回２.３地基基础设计中的两种极限状态最简单的情况是假定R和S的概率分布为正态分布,则按概率理论,功能函数Z也是正态分布的随机变量,如图２.１所示.图２.１中,f(Z)为Z的概率密度函数,μz

为Z的平均值,σz为Z的标准差,pf为曲线下的阴影面积与总面积之比(称为失效概率),β值称为结构可靠性指标.如果能对荷载效应和结构抗力进行概率分析,从而确定功能函数的平均值μz

和标准差σz,就可求得概率密度函数f(Z),从而计算Z的失效概率pf

和结构可靠性指标β.用pf

或β来评价结构的可靠性比单一安全系数更为合理,无疑是今后努力的方向.上一页下一页返回２.３地基基础设计中的两种极限状态但是由于影响R和S的因素很多,且缺乏统计资料,当前直接用概率分析方法计算结构的可靠度还较困难,于是只能采用较为实用的极限状态设计方法.这种方法要求结构必须满足以下两种极限状态的要求:(１)承载能力极限状态.承载能力极限状态是结构的安全性功能要求,即使结构物发挥其最大限度的承载能力,荷载效应若超过此种限度,结构或构件即发生强度破坏,或者丧失稳定性.(２)正常使用极限状态.正常使用极限状态是结构物的使用功能要求,若变形超过某一限度,就会影响结构物的正常使用和建筑外观.上一页下一页返回２.３地基基础设计中的两种极限状态考虑可靠性的要求,在进行极限状态设计时,荷载效应中应以荷载乘以分项系数和组合系数作为设计值;抗力中应以强度的标准值乘以分项系数作为设计值.这些系数,一般都是分别考虑了各个参数的离散性,根据概率统计得出,所以这种极限状态设计是建立在概率理论基础上的极限状态设计.２.３.２地基基础设计的两种极限状态地基、基础和上部结构是一幢建筑物不可缺少的组成部分,显然应该在统一的原则下,用同一种方法进行设计.但是地基与基础和上部结构是两种性质完全不同的材料,各有其特殊性,自然在设计方法中应该得到反映.上一页下一页返回２.３地基基础设计中的两种极限状态地基的极限状态设计也必定要反映自身的这一特点.为了保证建筑物的安全使用,同时充分发挥地基的承载力,根据«建筑地基基础设计规范»(GB５０００７—２０１１)的规定,在地基基础设计中一般应满足以下两种极限状态:(１)承载能力极限状态,表示为为了保证地基具有足够的强度和稳定性,基底压力应小于或等于地基承载力.为了使地基不发生破坏,地基承载力一般应控制在界限荷载p１/４范围内,使大部分地基土仍处于压密状态.上一页下一页返回２.３地基基础设计中的两种极限状态当基底压力过大时,地基可能出现连续贯通的塑性破坏区,进入整体破坏阶段,导致地基承载能力丧失而失稳.另外,建造在斜坡上的建筑物会沿斜坡滑动,丧失稳定性;承受很大水平荷载的建筑物,也会在地基中出现滑动面,建筑物和滑动面以内土体发生滑动而失去稳定.(２)正常使用极限状态,表示为为了保证地基的变形值在允许范围内,地基在荷载及其他因素的影响下,应发生变形(均匀沉降或不均匀沉降),变形过大时可能危害到建筑物结构的安全(裂缝、倒塌或其他不允许的变形),或者影响建筑物的正常使用.上一页下一页返回２.３地基基础设计中的两种极限状态因此,对地基变形的控制,实质上是根据建筑物的要求而制定的.在工业与民用建筑工程中,地基的强度问题一般不大,常以变形作为控制条件.受有很大水平荷载或建在斜坡上的建筑物(构筑物),地基稳定性将会成为主要问题,要求具有足够的抗倾覆及抗滑的能力.上一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合２.４.１结构荷载的相关概念(１)永久荷载.在结构使用期间,其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可以忽略不计的荷载.(２)可变荷载.在结构使用期间,其值随时间变化,或其变化与平均值相比不可以忽略不计的荷载.(３)设计基准期.为确定可变荷载代表值而选用的时间参数.(４)荷载效应.由荷载引起的结构或构件的反应,例如,内力、变形和裂缝.(５)标准值.荷载的基本代表值,为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值.下一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合(６)组合值.对可变荷载,使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率(类似失效概率),能与该荷载单独出现时的相应概率趋于一致的荷载值,或使组合后的结构具有统一规定的可靠指标的荷载值.(７)准永久值.对可变荷载,在设计基准期内,其超越的总时间约为设计基准期一半的荷载值.(８)基本组合.承载能力极限状态计算时,永久作用与可变作用的组合.(９)标准组合.正常使用极限状态计算时,采用标准值或组合值为荷载代表值的组合.(１０)准永久组合.正常使用极限状态计算时,对可变荷载采用准永久值为代表值的组合.上一页下一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合(１１)荷载设计值.荷载代表值与荷载分项系数的乘积.荷载代表值为设计中用于验算极限状态所采用的荷载量值.例如,标准值、组合值和准永久值.２.４.２作用在基础上的荷载按地基承载力确定基础底面积及其埋置深度,必须分析传至基础底面上的各种荷载.作用在建筑物基础上的荷载,根据轴力N、水平力T和力矩M的组合情况分为四种情形,即中心竖向荷载、偏心竖向荷载、中心竖向荷载及水平荷载、偏心竖向荷载及水平荷载,如图２.２所示.轴向力、水平力和力矩又由静荷载和动荷载两部分组成.上一页下一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合静荷载包括建筑物和基础自重、固定设备的重力、土压力和正常稳定水位的水压力.由于静荷载长期作用在地基基础上,它是引起基础沉降的主要因素.可变荷载又分为普通可变荷载和特殊可变荷载(又称偶然荷载).特殊可变荷载(如地震作用、风荷载等)发生的机会不多,作用的时间短,故沉降计算只考虑普通可变荷载.但在进行地基稳定性验算时,则应考虑特殊可变荷载.在轴力作用下,基础发生沉降;在力矩作用下,基础作用在地基上的压力非均匀,基础将发生倾斜.另外,水平力对基础底面也产生力矩,使基础发生倾斜,并增加地基基础丧失稳定性的可能.所以,受水平力较大的建筑物(如挡土墙),除验算沉降外,还需进行沿地基与基础接触面的滑动、沿地基内部滑动和沿基础边缘倾覆等方面的验算.上一页下一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合２.４.３作用效应组合地基基础设计时,作用组合的效应设计值应符合下列规定:(１)在正常使用极限状态下,标准组合的效应设计值Sk

用下式确定:作用效应的准永久组合值Sk用下式表示:(２)在承载力极限状态下,由可变作用控制的基本组合效应设计值S用下式表示:上一页下一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合对由永久作用控制的基本组合,也可采用简化规则,作用基本组合的效应设计值Sd

按下式确定:２.４.４作用效应组合的规范规定地基基础设计时,荷载组合应符合«建筑结构荷载规范»(GB５０００９—２０１２)的规定,所采用的作用效应与相应的抗力限值应按下列规定:上一页下一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合(１)按地基承载力确定基础底面积及埋置深度,或按单桩承载力确定桩数时,传至基础或承台底面上的作用效应,应按正常使用极限状态下作用的标准组合.相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值.(２)计算地基变形时,传至基础底面上的作用效应,应按正常使用极限状态下作用的准永久组合,不应计入风作用和地震作用;相应的限值应为地基变形允许值.(３)计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及基础抗渗稳定时,作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合,但其分项系数均为１.０.上一页下一页返回２.４地基基础设计的作用效应组合(４)在确定基础或桩基承台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时,上部结构传来的作用效应和相应的基底反力、挡土墙土压力及滑坡推力,应按承载能力极限状态下作用的基本组合,采用相应的分项系数;当需要验算基础裂缝宽度时,应按正常使用极限状态下作用标准组合.(５)基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数,应按有关规范的规定采用,但结构重要性系数γ０不应小于１.０.上述地基基础设计中两种极限状态对应的作用组合及使用范围见表２.３.上一页返回２.５地基变形特征指标及其允许变形值２.５.１地基变形特征指标由于不同类型建筑物的变形特征不同,对地基变形的适应性也不同,因而计算变形时,应考虑不同建筑物采用不同的地基变形指标来比较和控制.«建筑地基基础设计规范»(GB５０００７—２０１１)将地基变形指标依其特征分为以下四种:(１)沉降量———基础中心点的沉降值(图２.３).沉降量S的计算方法参见«建筑地基基础设计规范»(GB５０００７—２０１１).在下列情况下需计算沉降量:①主要用于地基比较均匀时的单层排架结构的柱基,在满足允许沉降量后可不再验算相邻柱基的沉降差.下一页返回２.５地基变形特征指标及其允许变形值②在工艺上考虑沉降所预留建筑物有关部分之间净空、连接方法及施工顺序时也需用到沉降量,此时往往需要分别预估施工期间和使用期间的地基变形值.(２)沉降差———基础两点或两相邻单独基础沉降量之差(图２.４),即在下列情况下需计算沉降差:①地基不均匀、荷载差异大时,控制框架结构及单层排架结构的相邻柱基的沉降差.②存在相邻结构物的影响时,需计算其与相邻建筑物的沉降差.上一页下一页返回２.５地基变形特征指标及其允许变形值③在原有基础附近堆积重物时.④当必须考虑在使用过程中结构物本身及与之有联系部分的标高变动时.(３)倾斜———基础在倾斜方向上两端点的沉降差与其水平距离的比值(图２.５),即对有较大偏心荷载的基础和高耸构筑物基础,其地基不均匀或附近堆有地面荷载时,要验算倾斜值;在地基比较均匀且无相邻荷载影响时,高耸构筑物的沉降量在满足允许沉降量后,可不验算倾斜值.上一页下一页返回２.５地基变形特征指标及其允许变形值(４)局部倾斜———砖石砌体承重结构沿纵墙６~１０m内基础两点的沉降差与其水平距离的比值(图２.６),即:一般承重墙