工业与民用建筑地基岩土体变形及稳定性分析

1、4 工业与民用建筑地基岩土体变形及稳定性分析,本章学习要求,（1）理解地基与基础的概念及类型和特点，了解工业与民用建筑的主要工程地质问题。 （2）理解并掌握应力、自重应力、基底压力和地基中附加应力的概念及其简单的应用。 （3）了解地基的最终沉降量和固结度的概念，并了解它们的具体应用。 （4）了解地基强度的概念，理解并掌握地基承载力的含义、分类及其确定方法。,4.1 概述,工业建筑是指供工业生产用的建筑物。包括车间、仓库、热电站、水塔、烟囱和栈桥等。 民用建筑是居住建筑和公共建筑的总称。 居住建筑是指供生活起居用的建筑物，例如住宅、宿舍等。 公共建筑是指供进行社会活动的非生产性建筑物，例如办公楼

2、、图书馆、学校、医院、剧院、体育馆、展览馆、商店、车站等。,世界排名第一的佩重纳斯大厦，高452m,建筑工程,世界排名第三的上海金茂大厦，高420m,上海东方电视塔,纽约世贸中心，高417m,第四,舟山市新城大桥,（东海飞燕）,4.1.1 地基与基础,（1）地基 由于建筑物的兴建，导致岩土体中某一范围内原来的应力状态发生了变化。这部分由建筑物荷载引起应力变化的岩土体叫地基。即承受建筑物全部荷载的那部分岩土体。 地基又分持力层及下卧层两部分，直接与基础接触的岩土体叫持力层。持力层下部的岩土体叫下卧层。 地基可分为天然地基与人工地基两大类 人工地基，可分为人工土基和桩基两种。,4.1.1 地基与基

3、础,（2）基础 建筑物的基础也可叫建筑物的下部结构，是建筑物在地面以下的那一部分。它的作用是承受整个建筑物的重量及作用在建筑物上的所有荷载，并将它们传递给地基。,4.1.2 主要工程地质问题,区域稳定性问题 斜坡稳定性问题 地基稳定性问题 建筑物配置的工程地质论证问题 地下水的侵蚀性问题 地基的施工条件问题 主要的工程地质问题是地基稳定性问题,中国东部丘陵，平原地面变形为主，采矿、过量开采地下水是主要诱发因素,中国北部大兴安岭北段山区岩土冻融为主,中国北部内陆高原、盆地沙漠化、盐渍化,中国西南、中南部地区，崩滑流为主，降雨是主要诱发因素,西部青藏高原岩土冻融为主,西安地裂缝,西安地裂缝破坏道路

4、桥梁,苏锡常地区地面沉降范围不断扩大,嘉兴年沉降率50mm,苏州、常州20mm左右，上海小于10mm,1986年,1991年,1999年,上海地面沉降：使城市防洪设施标准降低， 外滩防洪挡水墙越筑越高,上海地面不均匀沉降： 给地铁与磁悬浮列车运行安全造成威胁,天津市地面沉降不断加深,天津塘沽沉降中心最大沉降量超过3米,3米,天津市地面沉降,两种效应：一是产生垂向沉降与水平位移，这属于变形问题；二是土体是否发生破坏或失去稳定性，这属于强度问题。 应力是指土中单位面积上所承受的力，单位为kPa或MPa。 在实际工程中，土中的应力有自重应力、附加应力、渗透压力和构造应力等。,4.2 地基中的应力,意

5、大利比萨斜塔,苏州市虎丘塔,此塔建于宋太祖建隆二年，距今已有1036年历史。塔高47.5m。80年代，塔身已向东北方向严重倾斜，不仅塔顶离中心线已达2.31m，而且底层塔身发生不少裂缝，采取在塔四周建造一圈桩排式地下连续墙，并对塔周围与塔基进行钻孔注浆和树根桩加固塔身，获得成功。,加拿大特朗斯康谷仓,该谷仓由65个圆柱筒仓组成，长59.4m，宽23.5m，高31.0m，钢筋混泥土片筏基础，厚2m，埋置深度3.6m。谷仓于1913年秋建成，10月初贮存谷物2.7万t时发现谷仓明显下沉，谷仓西端下沉8.8m，东端上抬1.5m，最后，整个谷仓倾斜27。由于谷仓整体刚度较强，在地基破坏后，筒仓完整，无

6、明显裂缝。,1 自重应力,由于土层本身重量产生的应力，称之为土的自重应力。,2 基底压力,建筑物荷重是通过建筑物基础底面传给地基的，基础底面与地基之间的法向压力，称为基底压力。 除与基础所受荷载大小及基础的形状、尺寸和埋深有关外，还与基础本身与地基土的相对刚度及地基土的性质等有关。,中心荷载作用下基底压力,2 基底压力,偏心荷载作用下基底压力,2 基底压力,建筑物荷载作用下在地基中产生的应力。其分布形式与建筑物荷载方式，特征基础形式，地基性质等有关。 （1）集中铅直荷载作用下,3 地基中的附加应力,（2）矩形均布铅直荷载作用下,3 地基中的附加应力,（3）条形均布铅直荷载作用下 当矩形基础长宽

7、比很大，即A/B10时，称为条形基础。,3 地基中的附加应力,（4）三角形均布铅直荷载作用下,3 地基中的附加应力,（5）铅直附加应力分布图,3 地基中的附加应力,4.3 地基变形及沉降预测,地基承受建筑物荷载之后，通常都要发生变形。地基变形能否损坏建筑物或影响其正常使用，则需要根据建筑物的结构特性和使用要求，对地基变形量大小或不均匀变形限制在一定范围内。这个范围的界限值叫地基变形允许值。,1 地基最终沉降量计算,一、分层总和法,地基最终沉降量地基变形稳定后基础底面的沉降量,1.基本假设 地基是均质、各向同性的半无限线性变形体，可按弹性理论计算土中应力 在压力作用下，地基土不产生侧向变形，可采

8、用侧限条件下的压缩性指标,2.单一压缩土层的沉降计算 在一定均匀厚度土层上施加连续均布荷载，竖向应力增加，孔隙比相应减小，土层产生压缩变形，没有侧向变形。,研究土在不同压力作用下，孔隙比变化规律,Vve0,Vs1,H0/(1+e0),H0,Vve,Vs1,H1/(1+e),p,H1,s,土样在压缩前后变形量为s，整个过程中土粒体积和底面积不变,土粒高度在受压前后不变,整理,根据不同压力p作用下，达到稳定的孔隙比e，绘制e-p曲线，为压缩曲线,可压缩土层,土层竖向应力由p1增加到p2，引起孔隙比从e1减小到e2，竖向应力增量为p,由于,所以,3.单向压缩分层总和法 分别计算基础中心点下地基中各个

9、分层土的压缩变形量si,基础的平均沉降量s等于si的总和,ei第i层土的压缩应变,4.单向压缩分层总和法计算步骤,e1i由第i层的自重应力均值从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比 e2i由第i层的自重应力均值与附加应力均值之和从土的压缩曲线上得到的相应孔隙比,ei土的压缩应变,1.绘制基础中心点下地基中自重应力和附加应力分布曲线 2.确定地基沉降计算深度 3.确定沉降计算深度范围内的分层界面 4.计算各分层沉降量 5.计算基础最终沉降量,绘制基础中心点下地基中自重应力和附加应力分布曲线,确定基础沉降计算深度,一般取附加应力与自重应力的比值为20处，即z=0.2c处的深度作为沉降计算深度的下限,确定

10、地基分层,1.不同土层的分界面与地下水位面为天然层面 2.每层厚度hi 0.4b,计算各分层沉降量,根据自重应力、附加应力曲线、e-p压缩曲线计算任一分层沉降量,对于软土，应该取z=0.2c处，若沉降深度范围内存在基岩时，计算至基岩表面为止,计算基础最终沉降量,二、规范法,由建筑地基基础设计规范（GB500072002）提出 分层总和法的另一种形式 沿用分层总和法的假设，并引入平均附加应力系数和地基沉降计算经验系数,均质地基土，在侧限条件下，压缩模量Es不随深度而变，从基底至深度z的压缩量为,附加应力面积,深度z范围内的附加应力面积,附加应力通式z=K p0,引入平均附加应力系数,因此附加应力

11、面积表示为,因此,利用附加应力面积A的等代值计算地基任意深度范围内的沉降量，因此第i层沉降量为,根据分层总和法基本原理可得成层地基最终沉降量的基本公式,第n层,第i层,Ai,Ai-1,建筑地基基础设计规范(GBJ7-89),四、例题分析,【例】某厂房柱下单独方形基础，已知基础底面积尺寸为4m4m，埋深d1.0m，地基为粉质粘土，地下水位距天然地面3.4m。上部荷重传至基础顶面F1440kN,土的天然重度16.0kN/m,饱和重度 sat17.2kN/m，有关计算资料如下图。试分别用分层总和法和规范法计算基础最终沉降（已知fk=94kPa）,【解答】,A.分层总和法计算,1.计算分层厚度,每层厚

12、度hi 0.4b=1.6m，地下水位以上分两层，各1.2m，地下水位以下按1.6m分层,2.计算地基土的自重应力,自重应力从天然地面起算，z的取值从基底面起算,3.计算基底压力,4.计算基底附加压力,自重应力曲线,附加应力曲线,5.计算基础中点下地基中附加应力,用角点法计算，过基底中点将荷载面四等分，计算边长l=b=2m， z=4Kcp0,Kc由表确定,6.确定沉降计算深度zn,根据z = 0.2c的确定原则，由计算结果，取zn=7.2m,7.最终沉降计算,根据e-曲线，计算各层的沉降量,按分层总和法求得基础最终沉降量为s=si =54.7mm,B.规范法计算,1. c 、z分布及p0计算值见

13、分层总和法计算过程,2. 确定沉降计算深度,zn=b(2.50.4lnb)=7.8m,3. 确定各层Esi,4. 根据计算尺寸，查表得到平均附加应力系数,5.列表计算各层沉降量si,根据计算表所示z=0.6m, sn =0.9mm 0.025 si =55.6mm,满足规范要求, ,6.沉降修正系数j s,7.基础最终沉降量,s= ys s =61.2mm,2 地基沉降与时间关系,细粒土体在建筑物荷载作用下，一般需经较长时间才能达到沉降稳定。 工程实际中，有时不仅需要估计最终沉降量，而且需要估计达到某一沉降量所需要的时间或建筑完工后某一时间产生的沉降量。,2 地基沉降与时间关系,关于沉降量与时

14、间的关系，目前的计算一般以单向固结理论为基础。 单向渗透固结理论假设士体是均质、饱和的，固结过程中渗透系数和压缩系数均为常量，土中排水和压缩只限垂直单向，孔隙水的流动服从达西定律，外荷一次瞬时施加且在固结过程中保持不变。,2 地基沉降与时间关系,地基土在固结过程中某一世间t的固结沉降量St与固结稳定的最终沉降量S的比值，即： 固结度：就是指在某一固结应力作用下，经某一时间t后，土体发生固结或孔隙水应力消散的程度。,2 地基沉降与时间关系,另一表达式： 该式含义：地基土在固结过程中某一时间t的固结沉降量St与固结稳定时的最终沉降量S的比值。 推导公式：,4.4 地基强度及承载力确定,1 地基强度

15、及承载力的含义 地基在建筑物荷载的作用下，内部应力发生变化，表现在两方面： 一种是由于地基土在建筑物荷载作用下产生压缩变形，引起基础过大的沉降量或沉降差，使上部结构倾斜，造成建筑物沉降； 另一种是由于建筑物的荷载过大，超过了基础下持力层所能承受荷载的能力而使地基产生剪切滑动破坏。,1 地基强度及承载力的含义 在设计建筑物基础时，必须满足下列条件： 强度承载力容许承载力 变形变形量（沉降量）容许沉降量 地基强度是指地基在建筑物荷重作用下抵抗破坏的能力。,1 地基强度及承载力的含义 地基在同时满足变形和强度两个条件下，单位面积所能承受的最大荷载，称为地基承载力。 可分为：基本值f0、标准值fk、设

16、计值f 基本值：由单项试验指标所确定的。 标准值：按标准方法试验并经统计处理后的。 设计值：经基础宽度和深度修正后用于设计的。,2 地基承载力的确定方法,按查表法确定地基承载力 建筑地基基础设计规范（GBJ7-89） 1）根据野外鉴别结果确定承载力标准值,2）根据室内土的物理、力学指标平均值确定地基承载力基本值，乘以回归修正系数获得标准值,3）根据标准贯入击数N、轻便触探锤击数N10确定承载力标准值,按原位试验确定地基承载力 工程实际中，常按原位试验所获得的参数来确定地基承载力，其优点在于试验时能保持岩土体的天然结构和含水率，得到的参数与实际情况接近，可靠性较高。 可用来确定地基承载力的原位测

17、试有：现场载荷试验、触探试验、旁压试验等。,按理论公式确定地基承载力 当前，国内外用于计算地基承载力的理论公式较多。均基于土的强度理论，在一定假设条件下，根据地基中塑性变形区发展范围以及整体剪切破坏等不同情况，推导出的计算公式。 有三大类：临塑荷载计算公式、临界荷载计算公式、极限承载力计算公式。,按理论公式确定地基承载力 临塑荷载：基础受中心荷载作用，地基土刚出现剪切破坏（即开始由弹性变形进入塑性变形）时的临界压力。,按理论公式确定地基承载力 建筑地基基础设计规范(GBJ7-89)推荐采用地基中塑性变形区的最大深度达到基础宽度的1/4时的荷载（即临界荷载）作为地基承载力的设计值临界荷载计算。,

18、按理论公式确定地基承载力 极限状态计算：基本假设是把土体作为刚塑性体，在剪切破坏前不显示任何变形，破坏后则在恒值压力下产生塑流。按条形基础简化： （1）略去了基底以上土的抗剪强度； （2）略去了上覆土层与基础之间的摩擦力及上覆土层与持力层之间的摩擦力； （3）与基础宽度B相比，基础的长度很大。,地基承载力的确定方法 一级建筑物应采用载荷试验、理论公式计算及其它原位试验等方面综合确定； 二级建筑物可按规范查表法或其它原位试验（除载荷试验之外）确定； 三级建筑物则可根据临近建筑物的经验确定。,4.5 基础类型及其特点,1 按基础刚度分类 分为：刚性基础与扩展基础 刚性基础：由砖、石、素混凝土或灰土

19、等材料做成的基础。,1 按基础刚度分类 扩展基础：当刚性基础不能满足力学要求时，可以做成钢筋混凝土基础，称为扩展基础。,2 按砌置深度分类 浅基础: 砌置深度小于5m者为浅基础。 深基础: 砌置深度大于5m者为深基础。 浅基础 分为四类：单独基础 、条形基础 、筏板基础和箱形基础 、壳体基础 。 （1）单独基础在建筑中，柱的基础一般都是单独基础。,（2）条形基础 墙的基础通常连续设置成长条形，称为条形基础。,墙下条形基础,（3）筏板基础和箱形基础 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

20、土板，作为房屋的基础，称为筏板基础。 为了增加基础板的刚度，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。,筏板基础（a）、（b）平板式；（c）、（d）肋梁式墙下条形基础,箱形基础,（4）壳体基础 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。,正、倒锥组合壳基础,深基础 有沉井、沉箱、桩基础、墩基和地下连续墙等。 （1）桩基础,（1）桩基础 1）桩的特点 承载力高，沉降速度缓慢，沉降量小而均匀，又能抵抗上拔力、机器震动力或机械动力，而且不存在基坑边坡稳定性和施工排水等

21、问题。 2）适应性 适用于上伏较厚软弱土层的地基，或地基上部为季节变化的冻胀性或膨胀性等土层，而其下在适宜的深度处有承载力较大的持力层。,3）桩的分类 桩可根据桩身材料、施工方法、成桩过程中挤土效应、承载性状及使用功能等进行分类。 按桩身材料分类 可将桩划分为木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢桩、其它组合材料桩。,按施工方法分类 可分为预制桩、灌注桩、爆扩桩等。,混凝土灌注桩,按成桩过程中挤土效应分类随着桩的设置方法（打入或钻孔成桩等）的不同，桩周土所受的排挤作用也很不相同。挤土作用会引起桩周土天然结构、应力状态和性质的变化，从而影响土的性质和桩的承载力。对桩按设置效应分为三类：挤土桩、小量挤土

22、桩和非挤土桩。,按承载力性状分类 轴向荷载作用下的竖直桩，按达到承载力极限状态时的荷载传递主要方式，可分为端承型桩和摩擦型桩两大类。,（2）地下连续墙,（2）地下连续墙 1）特点 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。 2）施工过程 利用专用的挖槽机械在泥浆护壁下开挖一定长度（一个单元槽段）挖至设计深度并清除沉渣插入接头管吊入钢筋笼导管浇注混凝土待混凝土初凝后拔出接头管逐段施工。,（3）墩基础 埋深大于3m、直径不小于800mm、且埋深与墩身直径的比小于6或埋深与扩底直径的比小于4的独立刚性基础，可按墩基进行设计。墩身有效长度不宜超过5m。,大直径人工挖孔桩桩长小于6米时

23、按墩基础设计. 详细的见全国民用建筑设计技术措施、地基基础设计规范及桩基础设计技术规范。,（4）沉井基础,4.6 地基处理措施,1 地基处理的技术发展 地基处理的历史可追溯到古代，我国劳动人民在地基处理方面有着极其宝贵的丰富经验，许多现代的地基处理技术都可在古代找到它的雏型。 据历史记载，早在二千年前就已采用了软土中夯入碎石等压密土层的夯实法；灰土和三合土的垫层法，也是我国古代传统的建筑技术之一；,我国古代在沿海地区极其软弱的地基上修建海塘时，采用每年农闲时逐年填筑，即现代堆载预压法中称为分期填筑的方法，利用前期荷载使地基逐年固结，从而提高土的抗剪强度，以适应下一期荷载的施加，这就是我国古代劳

24、动人民在软土地基上从实践中积累的宝贵经验。,北宋李诚所著营造法式记载的古代地基处理的某些具体做法,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。,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

25、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”。,2 地基处理的对象 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（GBJ50072002）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 地基处理的目的 地基处理的目的是采用各种地基处理方法以改善地基条件，这些措施包括以下五个方面的内容。 （1） 改善剪切特性地基的剪切破坏表现在建筑物的地基承载力不够；使结构失稳或土方开挖时边坡失稳；使临近地基产生隆起或基坑开挖时坑底

26、隆起。因此，为了防止剪切破坏，就需要采取增加地基土的抗剪强度的措施。,（2）改善压缩特性地基的高压缩性表现在建筑物的沉降和差异沉降大，因此需要采取措施提高地基土的压缩模量。 （3）改善透水特性地基的透水性表现在堤坝、房屋等基础产生的地基渗漏；基坑开挖过程中产生流沙和管涌。因此需要研究和采取使地基土变成不透水或减少其水压力的措施。,（4）改善动力特性地基的动力特性表现在地震时粉、砂土将会产生液化；由于交通荷载或打桩等原因，使邻近地基产生振动下沉。因此需要研究和采取使地基土防止液化，并改善振动特性以提高地基抗震性能的措施。 （5）改善特殊土的不良地基的特性主要是指消除或减少黄土的湿陷性和膨胀土的胀

27、缩性等地基处理的措施。,4 地基处理的主要措施 按作用机理： （1）机械压实法 利用机械将含水率在一定范围内的疏松地基土压实，使其透水性和空隙比减小，强度提高。 重锤压实法 利用起重机机械将重锤提升到一定高度，让重锤自由下落，重复夯打，击实地基。 适用于处理地下水位低于有效夯实深度的各种稍湿的细粒土、砂土、湿陷性黄土、分层填土和杂填土地基。不适于软粘土及地下水位以下的细粒土。,分层碾压法 用压路机、推土机或羊足碾或其他碾压机在土层上来回碾压，把土压实。 振动压实法 在地基表面施加振动力以振实浅层松散土。 强力夯实法（强夯法） 用大吨位的起重机，把4-40t的巨型锤提升至空中，从8-25m高处自由下落，利用夯锤自由下落的巨大冲击能和产生的冲击波反复夯实地基土。,（2）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）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。,堆载预压法,天津