基础工程-赵明华--绪论-第2章

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—pfa，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Boussinesq1922年，瑞典Fellenius1925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pfa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90m1.4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图1.12柔性基础刚性基础，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33绪论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υ—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);tanα—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刚性基础构造要求基础材料质量要求台阶宽高比允许值pk≤100100＜pk≤200200＜pk≤300混凝土基础C15混凝土1﹕1.001﹕1.001﹕1.25毛石混凝土基础C15混凝土1﹕1.001﹕1.251﹕1.50砖基础砖不低于MU10,M15砂浆1﹕1.501﹕1.501﹕1.50毛石基础M15砂浆1﹕1.251﹕1.50—灰土基础体积比为3﹕7或2﹕8的灰土，其最小干密度：粉土1.55t/m3；粉质粘土：1.50t/m3；粘土：1.45t/m31﹕1.251﹕1.50—三合土基础体积比为1﹕2﹕4～1﹕3﹕6（石灰﹕砂﹕骨料），每层约需铺220mm，夯至150mm1﹕1.501﹕1.20—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10mm,间距不宜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