西南交通大学基础工程学

基础工程学岩土工程系课程主要内容1.基础工程概述2.浅基础的地基计算3.柱下条形基础计算4.筏形基础计算5.箱形基础结构计算6.桩基础7.深基坑工程简介1.基础工程概述1.1基础的作用和特点1.3对基础的要求1.2基础的分类1.1基础的作用和特点基础的作用是将结构所受外力传入地基，并保证地基不发生破坏和产生过大的变形。上部结构基础地基（1）上部结构-基础-地基系统中的重要组成部分。（2）与地基直接接触而使其行为十分复杂，与岩、土的联系密切。（3）对整个工程的工期和造价可产生较大的影响。（4）属隐蔽性工程，出现问题难以补救。桥梁基础1.2基础分类明挖基础桩基础沉井基础房建基础独立基础条形基础筏形基础箱形基础桩基础沉井基础地下连续墙基础壳形基础（1）相比之下，房建基础的类型更为丰富。（2）无论是桥梁还是房建，桩基础因承载力高，沉降小，因此应用十分广泛，尤其是在大型建筑结构中。独立基础墙下条形基础柱下条形基础十字交叉基础筏形基础（梁板式）箱形基础壳体基础（正圆锥壳）桩基础沉井基础地下连续墙基础沉井平面长69m，宽51m，下沉深度为58m，相当于9个半篮球场大的20层高楼埋进地下。世界上昀大的沉井——江阴长江公路大桥锚碇。强度：保证基础结构不发生破坏。刚度：保证荷载的良好传递、分配，降低地基沉降的不均刀性。1.3对基础的要求一是满足地基承载和变形的要求，二是基础自身强度和刚度的要求。承载力：地基不发生破坏。变形：地基不能产生过大的变形（如沉降、不均刀沉降、倾斜等）。稳定性：不会在外荷载作用下发生浅层和深层滑移。1．地基2．基础参考书：（1）陈仲颐，叶书麟.基础工程学.北京：中国建筑工业出版社，1990（2）钱力航.高层建筑箱形与筏形基础的设计计算.北京：中国建筑工业出版社，2003（3）郑刚，高等基础工程学.北京：机械工业出版社，2007（3）董建国，赵锡宏.高层建筑地基基础.上海：同济大学出版社，1997（4）宰金珉，宰金璋.高层建筑基础分析与设计.北京：中国建筑工业出版社，1993（5）《桩基工程手册》编写委员会.桩基工程手册.北京：中国建筑工业出版社，1995（6）H.G.Poulos&E.H.Davis.PileFoundationAnalysisAndDesign.JohnWiley&Sons.Inc,1976(卢世深，林亚超.桩基础的计算和分析.北京:人民交通出版社,1987)2.浅基础的地基计算2.1地基承载力的确定2.2地基承载力验算2.3地基稳定性验算2.4地基变形计算2.1地基承载力的确定间接法：旁压仪试验、标准贯入试验、静力及动力触探试验等其中载荷试验是昀常用和可靠的方法。1．现场试验直接法：载荷试验。2．经验法3．理论法Rankine(1857)Prandtl(1920)Reissner(1924)Terzaghi(40年代)Meyerhof(50年代)Hansen(60年代)Vesic(70年代)通过对大量实测数据进行整理、分析、归纳等得到的计算公式，如规范中的经验公式。zPrandtl公式uc0qfcNDNγ=+⋅tan2qtan()42Neπϕπϕ=+cq(1)cotNNϕ=−假设：地基材料为刚塑性，无重量，基础与地基之间光滑。出现的问题：置于砂土表面的基础（c=0，D=0）承载力为0。ukc0qγ0.5fcNDNbNγγ=++ktan2kqtan()42Neπϕϕπ=+cqk(1)cotNNϕ=−γqk2(1)tanNNϕ=+zVesic公式假设：地基材料为刚塑性，基础与地基之间无摩擦（光滑），但地基有重量。uc0qγ0.5fcNDNbNγγ=++uc0qγ1.30.4fcNDNbNγγ=++uc0qγ1.30.6fcNDNrNγγ=++(3/2)tanq2(1)cot2cos(/4/2)eNπϕϕϕπϕ−=−+cq(1)cotNNϕ=−zTerzaghi公式假设：地基材料为刚塑性，考虑重度，基础与地基之间完全粗糙（或光滑）。（矩形基础）（圆形基础）（条形基础）pγγ21(1)tan2coskNϕϕ=−2.2.1持力层承载力验算2.2地基承载力验算kapf≤kmaxa1.2pf≤kmin0p≥中心荷载偏心荷载（小偏心）kapf≤dpFk+GkMkb±0.00kmaxkminpb×lae3abpkmaxFk+Gk大偏心kkkmax2()3FGpla+=/2abe=−cazzzppf+≤kc()(2tan)zppbpbzθ−=+kc()(2tan)(2tan)zppblpbzlzθθ−=++±0.00dzbztanθθθztanθc−pk=pp0pz持力层软弱下卧层Fk+Gk2.2.2软弱下卧层承载力验算矩形基础条形基础2.3地基稳定性验算1．水平荷载作用下的滑移2．偏心、水平荷载作用下的建筑物倾斜3．地基整体滑动、建筑物倾覆2.4地基变形计算2.4.1土的压缩及地基变形计算epelgpcC1sC1cp（1）土的压缩的特点加载卸载→再加载（2）地基沉降计算的特点基坑开挖不同的压缩量基础及上部结构施工沉降全部为再压缩量。（ppc）再压缩量不能忽略。基底昀终压力再压缩量可忽略不计。（ppc）（3）深基坑（p≤pc）（1）浅基坑（2）中深基坑自重压力1iα−iαnα1i−第层i第层//lbzbα（,）lb×i-1zzinzΔzn第层±0.001.利用压缩模量、回弹再压缩模量计算地基沉降（《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》）c01abs11ss()()niiiiiiippssszzEEψψαα−−=′=+=+−′∑1a11s()niiiiiipsszzEψαα−−=′==−′∑01bc11s()niiiiiipsszzEψαα−−===−∑（1）ppc=γd时（部分补偿）（2）p≤pc时（全补偿或超补偿）•对独立基础和条形基础，忽略回弹再压缩《建筑地基基础设计规范》2.4.2地基沉降计算方法压缩模量再压缩模量c0c10clg1niiiiiiihppsCep=+=+∑elgp0ecCc0pp+eΔcp2．利用压缩指数、回弹指数计算沉降(《高层建筑岩土工程勘察规程》)（1）正常固结土（OCR=1）c0ciiippp′+≤c0ms10clg1miiiiiiihppsCep=+=+∑c0ciiippp′+cc0nsc10cc(lglg)1niiiiiiiiiihpppsCCepp=′+=+′+∑cpcp′elgpsC0ecC1eΔ2eΔc0pp+c0pp+（2）超固结土（OCR1）（m层土）（n层土）mnsss=+附加应力自重应力先期固结压力elgp0ecCc0pp+cp′1eΔ2eΔcpc0c10clg1niiiiiiihppsCep=+=′+∑（3）欠固结土3．由载荷试验变形模量用于地基变形计算（《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》）源于叶果罗夫（Егоров）法，假设基础为刚性，按弹性理论推得。1k10niiiispbEδδη−=−=∑•与分层总和法的比较“规范”法中，假设基础为刚性，采用总压力按弹性力学方法计算位移；分层总和法中，荷载均刀作用在地表，采用基底附加应力按弹性力学方法计算应力，再假设土层无侧向变形来计算沉降。3.柱下条形基础计算3.1上部结构－基础－地基相互作用的概念3.2不考虑相互作用（变形协调）的计算方法3.3地基模型3.4考虑地基-基础相互作用的计算方法3.1上部结构－基础－地基相互作用的概念（2）上部结构－基础、基础－地基之间的变形协调方程由于上部结构、基础、地基的受力变形相互影响，故合理的计算方法是将其一同考虑。即满足：（1）上部结构、基础、地基各自的平衡方程•3种不同的计算方法（1）不考虑结构、基础、地基之间的相互作用仅满足各自的平衡方程，但相互之间的变形协调条件不满足。（2）仅考虑基础－地基之间的相互作用满足地基－基础变形协调条件，但不满足上部结构－基础变形协调条件。（3）考虑上部结构－基础－地基之间的相互作用满足结构－基础、基础－地基变形协调方程。昀合理但计算也昀复杂。•不同方法计算结果的比较3.2不考虑相互作用（变形协调）的计算方法1．静定法2．倒梁法以上两种方法可见本科《基础工程》教材。(,)(,)pxyksxy=⋅假定地基土界面上任一点处的沉降与该点所承受的压力成正比。3.3地基模型3.3.1Winkler模型及其改进形式1．Winkler模型（1867）将实际的地基土层简化为便于计算分析的模型。•Winkler模型及其改进形式•弹性半空间模型•有限压缩层模型•地基实体模型基底压力-基底沉降之间的关系。{}[]{}SPδ=1()0()ijijkabijδ⎧=⎪=⎨⎪≠⎩缺陷：忽略了地基中的剪应力，因而无法考虑应力的扩散。优点：计算方便，常可得到直接使用的解析解。适用范围：厚度较小的软土。基础底面沉降压力柔度矩阵基底压力-沉降关系2(,)(,)(,)pxykwxyTwxy=−∇（1）费罗年柯-鲍罗基契（Филоненко-Бородич,1940,1945）模型相当于用薄膜将独立的弹簧联系起来，因此有2．双参数模型目的：弥补Winkler模型不考虑应力及变形扩散的缺点。以抗弯刚度为D的薄板将独立的弹簧联系起来，因此有4(,)(,)(,)pxykwxyDwxy=−∇（2）海腾尼（Hetenyi，1946）模型4p(,)(,)(,)pxykwxyGwxy=−∇（3）巴斯捷纳克(Пастернак，1954)模型以只能产生横向剪切变形而不可压缩的剪切层将独立的弹簧联系起来，因此有()(1)(,)[1](,)mpxykewxyαξηβ−−−=⋅+⋅2xlξ=2ybη=bml=3.三参数模型（利夫金模型，Ривкин，1967）——广义Winkler模型3.3.2地基模型参数的确定3.3.3弹性半空间模型对均刀的各向同性弹性半无限空间，由Boussinesq解，集中力P作用下地表r点的沉降为2(1)PsErμπ−=2(1)iiiiiPsFEaμπ−=i网格内均刀荷载作用下，中心点的沉降为222{lnln[()1]ln[1()1]}iiaabaaaFbbabbb=−++++++j网格集中力作用下，i网格中心点的沉降为2(1)jijijPsErμπ−=故柔度矩阵为221()11()iiijijFijEaijErμπδμπ⎧−⋅=⎪⎪=⎨−⎪⋅≠⎪⎩优点：地基变形不仅与该点所受的力有关，而且与其它点作用力有关，较Winkler模型合理。缺点：没有考虑到地基土的塑性，导致基础边缘下地基反力过大。{}[]{}SPδ=3.3.4有限压缩层地基模型按分层总和法计算地基竖向变形，计算时假设压缩过程中地基土无侧向膨胀，昀终下沉量为基础底面下压缩层范围内各土层压缩量的总和。柔度矩阵为z1smijkikijkikHEσδ=Δ=∑能较好地反映出基底下土层的变化，但计算工作量大。{}[]{}SPδ=3.3.5地基土的非线性本构模型将地基作为实体进行计算，采用相应的计算模型模拟土的受力变形性质，即本构关系（应力－应变关系）。（1）双线性与多段线性模型1．线弹性模型2．非线性弹性模型（广义Hooke定律）（2）E-μ模型（双曲线模型，Duncan-Chang模型，1970）1131εεσσba+=−11εσσεba+=−31应力-应变关系为双曲线关系或应力-应变曲线的切线模量为f2313taa31sin12cos2sinnRcEppkϕσσσϕσϕ−−=⋅⋅⋅−⋅+⋅()()()[]3132cos2sin1sincϕσϕσσϕ⋅+⋅−=−f()133(1sin)12cos2sincϕσσϕσϕ−−≤⋅+⋅f()根据Mohr-Coulomb准则，土样破坏时，应有因此，必有fRϕc需由三轴试验确定的参数nk3at2lg(1)FpAGσμ−=−133f13aa31sin()12cos2sinnARkppcdσσσϕσσϕσϕ−=−−−⋅+⋅().()()[]泊松比的计算公式为需由三轴试验确定的参数G、F、d（2）剑桥模型（Roscoe，1968）及修正剑桥模型（3）K-G模型3．弹塑性模型（1）Lad