地基基础综合问题

地基基础设计禁忌讲座刘金波博士中国建筑科学研究院地基基础研究所电话：[phone]邮箱：[e-mail]讲课方法：1、强调概念；2、联系规范；3、列举实例；4、前后串联。5、很容易理解的不讲讲课要求手机静音时间安排禁忌1.1对地基和基础的概念认识不全面我们常说的地基基础细分为地基和基础两部分，地基和基础各自功能不同，具体概念如下:1地基的基本概念1）地基是支承基础的土体或岩体，建筑物的全部荷载均由基础下的地基来承担，需满足承载力、变形和稳定性的要求；2）地基变形的大小和均匀程度影响建筑物的正常使用和结构安全；注：地基基础设计规范5.3.1，7.2.7条。3）地基分天然地基和人工地基，天然地基是指天然土层具有足够的承载能力，不需经过人工加固便可作为基础的承载体，如岩土、砂土、黏土等。人工地基是指天然土层的承载力、变形不能满足荷载要求，经过人工加固、处理的土层。2基础的基本概念建筑物“直接”向地基传递荷载的结构部分称为基础，一般材料采用钢筋混凝土。常用的如独立基础、条形基础、筏板基础、箱形基础、桩基础等。对于基础应明确以下几方面概念：（1）基础的刚度的大小对地基变形有很大影响，刚度越大，地基变形越均匀；（2）基础应有适当的埋深，为满足高层建筑的抗倾覆和抗滑移稳定性，一般情况下，天然地基和复合地基埋深不小于建筑物高度的1/15，桩基础不小于1/18～1/20，位于岩石地基上的高层建筑，其基础埋深应满足抗滑要求。（3）由于地基变形对基础内力有很大影响，特别是不均匀变形，因此基础设计应考虑地基变形的影响，且满足构造要求。（4）基础一般用沉降表述，对比地基设计规范5.3.1、8.5.13、10.3.8.3设计中应注意的问题地基基础设计问题，不宜单纯着眼于地基基础本身，应把地基、基础与上部结构视为一个统一的整体，从三者相互作用的概念出发考虑地基基础方案，有关上部结构、基础和地基的共同作用问题，见本章禁忌1.7。注：地基是整个建筑物的载体，核心是变形,地基的产生变形的深度一般1~1.5B,地基规范5.3.8条；基础是传递上部结构荷载的构件，表征是沉降量。基础计算弯、剪、冲切、局部受压。不好掌握的是地基变形对基础内力的影响,特别是筏板基础；1.墙下布桩和防水板；2.基础注意刚度突变问题；地基基础设计规范8.4.1条；3.对结构影响问题；地基基础设计规范8.4.5条；基础的沉降形状实例;4.结构对地基变形的影响，8.4.25条及条文说明。砖混结构5.地基变形不一定等于基础沉降。禁忌1.2对地基按承载力和变形控制设计之间的关系不清楚地基的承载力和变形是地基基础设计的两个主要内容，《建筑地基设计规范》GB50007-2011在3.0.2条规定：‘所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的规定；设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计’。规范中上面两条为强制性条文，从中看出，关于承载力设计要求是满足‘承载力计算规定’，而地基变形则是‘按地基变形设计’，从规范的用词，我们看出二者的重要程度和复杂程度，前者只需满足规定，后者需要设计。关于承载力和变形设计的关系，可从以下几方面理解：1承载力的特性《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011中5.2.3条规定‘地基承载力特征值可由载荷试验或其它原位测试、公式计算，并结合工程经验等方法综合确定’，5.2.8条规定：‘对于沉降已稳定的建筑或经过预压的地基，可适当提高地基的承载力’。对于承载力的检测方法，在附录C、附录D、附录H、附录Q、附录S、附录T中都做了非常具体的规定。从规范的这些规定中，综合其它规范，我们可分析出地基或桩基的承载力具有以下特性：1）承载力需要综合判断，不是简单的载荷试验最终确定的；注：可解释为不是绝对的2）地基的承载力是可以提高的，如规范5.2.8的规定。这不同于混凝土的抗压强度和钢筋的抗拉强度；3）承载力的检测结果和检测的具体规定有关，如检测方法规定的载荷板尺寸、沉降量、上下级的沉降差等，如具体规定进行调整，则相同地质条件下，承载力的检测结果也不同；附录D4）桩基承载力设计值的取值可以不一致。如《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008规定，桩的承载力特征值是极限值除以2，而上海地方标准《地基基础设计规范》DGJ08-11-2010规定，对于经静载试验得出的桩的极限承载力，预制桩除以1.8、灌注桩除以1.9为桩承载力设计。上海规范虽然用承载力设计值表示，但其分项系数取1，从数值上等同于特征值。其它规范如港口桩基规范设计、欧洲规范的取值也不一样。5）承载力可以进行深宽修正，相同条件下，基础埋深不一样、宽度不一样，承载力的取值不一样。2地基变形的特性地基的变形是附加应力作用在地基土上产生的，地基变形具有以下特性：1）影响地基变形的因素众多，本章禁忌3做了介绍，准确计算存在一定难度；2）相同基底压力作用下，地基变形不一定相同，这和钢筋的受拉时产生的变形明显不同；注:基底压力相同,附加应力不一定相同；附加应力相同，基础尺寸不同；地基变形不同。3）一般地基的变形是不可逆的；注：特例，西安大雁塔4）既有工程的地基基础事故多为地基基础变形过大或不均匀造成，对于工程中的稳定性问题，实质也是大变形问题。5）相对于地基承载力，变形是绝对的。3变形控制设计是建筑物正常使用和上部结构设计的唯一要求建筑物的正常使用和上部结构，对任何地基基础形式的唯一要求是满足上部结构安全使用的地基变形限定。注：地基规范5.3.4、桩基5.5.5条。此变形限定须满足建筑物的正常使用要求，并考虑对上部结构附加应力的影响进行结构设计，亦即上部结构的安全，除上部结构本身的承载力设计安全外，还对地基变形有一定的要求。只要使上部结构与地基连接的基础整体及差异变形控制在上部结构安全要求所限定的范围内，一般情况下，这个变形条件下的地基不会出现强度破坏。因此，变形控制设计是建筑物正常使用和上部结构设计的唯一要求，天然地基、复合地基、桩基及任何一种地基形式，如能精确的计算变形，则变形控制设计必能满足建筑物的正常使用和结构安全。4承载力控制设计是为变形控制设计服务的在目前情况下，表面上，承载力控制设计是主要的、直观的，变形控制设计是辅助的。但承载力控制设计应以变形控制设计为基础，是为变形控制设计服务的。注：解释地基规范P23页，关于深度修正承载力和变形的关系当根据计算和已有的经验变形不满足要求时，承载力取值应较实际适当降低（如扩大基础底面积）或采取其它措施（如减沉桩），直至满足变形要求。对此，《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011中，7.4.1节4条规定：‘对于不均匀沉降要求严格的建筑物，可选用较小的基底压力’。本书第三章禁忌15，在介绍广义变刚度调平设计时，也介绍了类似的方法。根据已有的经验，在大部分情况下，满足承载力要求的情况下，变形基本能满足了变形要求。在一些特殊情况下，承载力可能满足要求，但变形不一定满足要求，这在设计中应重视。在具体设计中，对于相关规范中对地基变形计算的规定应严格遵循。注：对自己的保护伞，既有工程出事绝大部分是变形问题。5承载力控制设计精度大于变形控制设计精度由于影响地基变形的因素众多，准确计算存在很大困难，而承载力是可直接检测综合判定，因此地基变形计算精度小于地基承载力计算精度。6设计既要满足承载力的规定也要满足变形的要求在具体设计中，关于承载力和变形相关的规范都有规定，如《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011中5.3节对变形要求做了详细的规定，具体设计均应遵守规范的相关规定。注：地震产生的瞬间附件荷载，靠地基承载能力。禁忌1.3对影响地基变形的因素了解不全面影响地基变形的因素众多，不完全总结有以下因素：1地质条件，包括土层分布、性质地基土是地基变形的主体，因此，土层分布、厚度、性质等，是影响地基变形的关键指标之一。2上部结构形式、竖向刚度、荷载分布、荷载大小上部结构形式、竖向刚度、荷载分布、荷载大小等，影响地基的变形特征，具体见本书第三章禁忌53基础刚度基础的刚度越大，基础下地基的变形越均匀。4基础的形状和尺寸基础的形状越复杂，地基土的相互影响越复杂，造成局部应力过大，越容易出现不均匀沉降；相同基底压力情况下，基础尺寸越大，影响深度越深，相应的变形越大。注：天津工程事故5基础埋深在相同条件下，基础埋深越大，附加应力降低，地基变形越小。6地基处理方法不同的地基处理方法对地基土的加固效果不同，土的压缩模量提高幅度不同，影响地基变形。7施工因素施工因素对地基变形的影响，主要体现在施工顺序对地基变形的影响。如场地大范围填土对地基变形的影响、主裙楼连体的高低层的施工顺序对地基变形的影响。对此《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011在7.5.2条规定：‘地面堆载应均衡，并应根据使用要求、堆载特点、结构类型和地质条件确定允许堆载量和范围。堆载不宜压在基础上。大面积的填土，宜在基础施工前三个月完成。’。7.1.4条规定：‘荷载差异较大的建筑物，宜先建重、高部分，后建轻、低部分。’注：东营工程事故；桩基规范沉降计算经验系数。8地下水位变化的影响；地下水位变化可能会引起地基变形增大，对于特殊土，如湿陷性黄土、膨胀土，地下水位上升可能造成地基的破坏。具体地下水位对地基基础变形的影响参见本章禁忌1.209周围环境的影响如周围降水、堆载（上海倒楼）、基坑支护（邯郸项目）、地基处理施工、地下空间施工等，都可能影响建筑物地基的变形。10时间因素一般地基变形和时间有关，时间越长，地基变形越大，直至地基变形稳定。禁忌1.4不注重基础沉降资料的经验积累由于影响地基变形的因素众多，目前准确计算存在困难。相关规范在进行地基变形计算时，均需在计算结果基础上，根据经验系数进行修正。这些经验系数是根据规范编制组收集的资料统计分析出来的。随着资料的收集的增多，这些经验系数会随规范的修订而调整。因此，要求地基基础设计者注重自己的工程，自己所在地区的地基基础沉降资料的积累。为增加沉降资料的收集广度，提高地基变形计算精度，《建筑地基基础设计规范》GB5007-2011中10.3.8条规定下列情况必须沉降变形观测：1地基设计等级为甲级建筑物；2软弱地基上的地基基础设计等级为乙级的建筑；3处理地基上的建筑物；4加层、扩建建筑物；5受邻近深基坑开挖影响或受场地地下水位等环境因素变化影响的建筑物；6采用新型基础或新型结构的建筑物。规范10.3.8条为强制性条文，因此，工程设计人员应根据规范的规定，在图纸上明确说明，并根据可能的沉降变形特征，设置沉降观测点。禁忌1.5对减小地基变形的原理和方法不清楚1减小地基变形的基本原理地基变形的本质是地基土在附加应力的作用产生的，外因是附加应力，内因是地基土自身的特性。因此，减小地基变形的基本原理就是减小地基土的附加应力和提高地基土的刚度。2常用方法1）减小附加应力基底附加压力p0是上部结构传下来的压力p减去基底处原先存在于土中的自重压力，计算公式如下：dpppmcz0式中：p0——基底附加压力；p——基底处外荷载F和基础自重G引起的基底压力；σcz——基底处土的自重压力；γm——基底标高以上土的加权平均重度；d——基础埋深。从以上公式可看出，减小附加应力的方法有以下几种：（1）增加基础底面积在相同荷载作用下，底面积越大基底压力p越小。具体设计中，可合理利用裙房增大基础底面积，减小基底附加压力，从而减小地基变形。本章禁忌1.8介绍的多塔楼大底盘基础设计就是利用了此方法。（2）增大埋深埋深增大，也就是公式中的d增大，附加压力降低；（3）增加桩或加强体的长度桩基或加强体的作用是将荷载向深部传递和扩散，如图1.5.1所示。在相同荷载作用下，地基中的附加应力随着传递范围的增大，即加强体长度的增加而降低，即1212,ZZLL。因此，短桩沉降量大于长桩。L2L1σZ1σ图1.5.1不同桩长附加应力影响大小示意图2）采用减沉桩对于软土地基上的多层、单层建筑，如果邻近地表的地层具有一定厚度的所谓“硬壳层”,由于采用浅基础时的地基变形过大，因而需采用桩基