基础工程学(绪论及浅基础2014).

1基础工程FoundationEngineering陈仁朋浙江大学岩土工程研究所地址：安中大楼A431手机：[phone]办公室：88208769电子邮件：[e-mail]浙江省精品课程•助教：亓帅•15700077619•[e-mail]3一、绪论二、浅基础三、桩基工程四、地基处理五、基坑工程目录4土木工程结构桥梁大坝隧道高层建筑土木工程结构都通过基础支承于岩土体上土木工程结构对基础应该有什么要求？5土木工程结构荷载传递方式以常见的房屋建筑为例，建筑物上部结构→基础→地基。P基础（Foundation）：支撑上部结构，并将上部结构荷载向地基传递的地下结构。（钢筋混凝土结构）地基（FoundationGround）：受基础荷载影响的岩土体（附加应力影响范围内的岩土体）基础地基室外地面室内地面墙或柱（上部结构）0.00附加应力等值线问题：不同的岩土体（例如软土和粘土），附加应力影响范围是否一样？6基础类型浅基础（ShallowFoundation）：独立基础，条形基础，筏板基础深基础（DeepFoundation）：桩基础，沉井，沉箱，地下连续墙7地基土的特性土：固体颗粒组成土骨架，土骨架之间的孔隙充满水和空气。非饱和土：固体颗粒、水、气饱和土：固体颗粒，水土的三大基本特性：压缩性，渗透性，碎散性粘土颗粒的双电层电镜下的粘土颗粒土的结构8地基土的压缩性压缩性：附加应力作用下，土孔隙逐渐减小，体积缩小。压缩系数a：压缩模量Es：压缩指数Cc：e-p曲线e-logp曲线1221deeeeadpppp12212121loglog()/logceeCpppeepaeEs11基础沉降、侧向变形9地基土的渗透性渗透性：土中的自由水在压力梯度作用下在土孔隙中流动的现象。达西定律：地基沉降随时间变化的过程渗透破坏：管涌、流砂hvkkiL粘土的v-i曲线10地基土的碎散性（抗剪强度）抗剪强度：土体抵抗由于荷载作用产生的土颗粒间相互滑动而导致土体破坏的极限能力，也就是指土体对于外荷载所产生的剪应力的抵抗能力。地基承载力，边坡稳定性，基坑开挖土压力，挡土墙土压力tancf不固结不排水指标：,0uuc固结不排水总应力指标：,cucuc固结不排水有效应力指标：,c固结排水指标：,ddc11基础工程（FoundationEngineering）基础工程：解决地下结构与岩土体相互作用，共同承担上部结构所产生的各种变形和稳定问题。基础地基地面基础的内力（弯矩、剪力）基础变形（沉降、侧向变形）基础稳定（地基承载力）12基础变形（Deformation）变形种类：竖向变形——总沉降（totalsettlement）不均匀沉降（differentialsettlement）倾斜（inclination）侧向变形（horizontaldisplacement）容许变形（tolerabledeformation）：（1）上部结构受力对基础变形的要求；（2）结构物正常使用对基础变形的要求。高耸结构的倾斜010203040500510152025水平变形（cm）深度（m）地面堆载引起的地基水平变形13基础变形（Deformation）高层建筑的倾斜14基础稳定性基础稳定性：地基承载力，边坡稳定性，基坑稳定性加拿大特朗斯康谷仓杭州地铁湘湖车站失稳破坏边坡失稳我国高速交通发展迅速高速铁路：未来十年中将有18,000Km新建线路截止2010年，高速公路总里程达6.5万公里，居世界第二位高速铁路高速交通对线路沉降要求十分严格高速公路一般路段沉降不能大于30cm，路桥过渡段沉降不能大于5cm高速铁路沉降不能大于15mm，路桥过渡段沉降不能大于5mm16高速铁路是车辆与周围环境（轨、网、空气、路基）高度耦合的动力系统。车-轨-路基耦合动力学是研究弓网耦合动力学、轮轨耦合动力学、车辆运行稳定性、乘客舒适性等的基础，处于是耦合大系统中的核心位置。轮轨耦合动力学弓网耦合输电弓车体转向架车轮轨道路基车-轨-路基耦合动力学电网012345-15-10-50510竖向振动位移(mm)时间(s)现场测试结果数值模拟结果高速列车耦合系统动力学系统传递体系高速铁路线路沉降严重影响车辆运行稳定性及安全性高速铁路线路沉降模式高速列车运行控制指标平稳性标准：车体垂向加速度小于1.3m/s2安全性指标：轮轨接触力减载率小于0.6xy1jAt11At钢轨转向架车体轮轴地基扣件支撑混凝土底座CA砂浆1ntAt轨道板2jAt21At2ntAtnsjAt1nsAtnsntAt轮轨线弹性接触支撑力hcl沉降分布长度沉降幅值0hcu10015020025030035040004080120160200减载率标准为0.6虚线以下不满足轮轨接触力最值（kN）列车运行速度（km/h）lhc=5m,uhc0=15mmlhc=15m,uhc0=15mmlhc=15m,uhc0=25mm控制标准lhc=20m,uhc0=15mm无沉降变形1001502002503003504000.00.51.01.52.02.5车体加速度最值（m/s2）列车运行速度（km/h）lhc=5m,uhc0=15mmlhc=15m,uhc0=15mmlhc=15m,uhc0=25mm控制标准lhc=20m,uhc0=15mm车体加速度标准1.3m/s2车-轨-路动力相互作用模型高速交通密集的沿海地区广泛分布深厚软弱土地基软弱土处理费用高占土建造价1/3～1/4强度低一次性堆填3m会产生滑坡结构性强扰动引起工程性质弱化强度降低90%固结系数降低90~95%抗液化强度降低1/2~2/33m填土引起1m最终沉降压缩性高分布深厚难以全断面处理处理区下卧层mh100~100m高速铁路日本Ariake粘土路基6年工后固结沉降45cm，运行后累积沉降50cm上海地铁1号线开通后累积沉降4年内达14cm秦沈客运专线试验段运行2年，路基沉降速率1.06cm/年(638个观测点)日本Ariake粘土路基上海地铁1号线已建成的许多重要交通基础设施出现了显著沉降高速铁路20岩土工程问题解决方法外荷载（应力、变形、水力场等）土工程特性土工构筑物试验土力学基本理论设计方法施工技术岩土工程问题解决方法：基本理论+试验＋工程实践（设计方法、施工技术）21多尺度认识土的特性微观结构单元特性宏观现象22岩土工程的多尺度试验23基础工程课程基础工程特点：地下隐蔽工程，建筑物的根本。大量的例子表明，建筑物发生事故，很多与基础问题有关。基础一旦发生事故，很难补救。基础工程造价约占工程总造价的百分之几到百分之几十之间，软弱土地基上基础工程造价可达到总造价的50%以上。基础工程课程特点：属于岩土工程学科，建立在土力学基础之上，涉及工程地质学、弹性力学、材料力学、塑性力学、钢筋混凝土结构等学科，内容广泛，综合性强。基础工程工作特点：（1）确定建筑物对基础功能的要求；（2）地质勘探，了解岩土层分布及工程性质等；（3）运用土力学原理，分析基础类型、沉降、承载力等；（4）提出基础方案及建造施工技术；（5）原位试验验证设计方案，或者进行原位观测，优化设计施工方案。课程要求：（1）熟练掌握土力学基本原理；（2）学会分析基础与岩土体的相互作用规律及引起的变形和稳定性问题，并提出解决措施。24基础工程课程成绩组成，100%：期末试卷成绩：60%平时作业：15%，以是否全部按时完成作业为依据桩基础设计：25%25基础工程课程杭州湘湖地铁车站深基坑倒塌或者上海莲花港池楼房倒塌案例分析：全班分成4个小组，每个工程案例由2个小组负责，分别代表施工和设计单位撰写案例分析报告，调查事故原因；小组自由组合，自主分工：资料收集，计算分析，报告撰写，PPT制作，汇报等准备10分钟PPT汇报，准备1份分析报告评分：老师打分，学生组成的评委打分桩基础设计：5个同学一组共同完成作业，自由组合,自主分工准备10分钟PPT汇报准备1份计算书及若干设计图纸26一、绪论二、浅基础三、桩基工程四、地基处理五、基坑工程目录272.1概述浅基础将上部结构荷载传递到地基浅层持力层，要求地基必须具有较高的地基承载力及较低的压缩性，以满足承载力和变形要求。浅基础特点：施工方便、工期短、造价低，在满足地基强度和变形要求情况下，优先选用。P持力层（硬土层）软弱土P持力层（硬土层）（a）无软弱下卧层（b）有软弱下卧层P持力层软弱土（c）桩基础28上部结构-基础-地基共同作用上部结构-基础-地基共同作用：上部结构、基础、地基之间满足力和变形的协调KM1,Kz1,Kx1KM2,Kz2,Kx2KM3,Kz3,Kx3P1,M1P2,M2P3,M3KM,Kz,Kx——上部结构凝聚到基础顶面的抗弯，抗压和抗水平变形刚度P，M——上部结构传递到基础顶面的轴力，弯矩等29柔性基础和刚性基础基底反力柔性基础基底反力分布：柔性基础抗弯刚度很小，不能抵抗弯矩，基础不能扩散应力。基础底面的反力分布与荷载分布完全一致。刚性基础基底反力分布：刚性基础抗弯刚度很大，基础不发生出平面变形（挠曲变形）。基础具有调节地基反力分布的能力，基础底面反力分布与荷载分布不一致。30不同荷载水平下刚性基础基底反力刚性基础基底反力分布的架越作用：刚性基础能够跨越基底中部，将荷载相对集中地传至基底边缘的现象。砂土地基基础边缘的反力为何为零？有一定埋深时，砂土地基基础边缘反力为何不为零？粘土地基基础边缘的反力为何不为零？31基础相对刚度对基底反力分布影响基础相对刚度越大，架越作用越明显（基础边缘反力大，中间反力小）。相同基础刚度情况下，荷载水平越大，基础反力分布越接近线性；荷载水平越小，基础边缘反力与中心反力分布越不均匀。基底反力分布与基础刚度（包括上部结构刚度）、地基刚度（压缩性）、地基土种类（粘土，砂土）、埋深、荷载水平有关。32浅基础的常规设计方法上部结构-基础-地基共同作用：上部结构、基础、地基之间满足力和变形的协调常规设计方法：将结构分离出上部结构、基础、地基，分别进行计算上部结构：假定上部结构柱（墙）脚为固接。采用结构力学、弹性力学方法计算上部结构内力，以及柱（墙）脚的反力（轴力、剪力、弯矩等）基础：假定基底反力线性分布（直线分布）。将柱（墙）脚的反力作为荷载作用于基础上，根据基础上的荷载与基底反力力的平衡条件（合力相同，作用力相同），获得基底反力分布。按照材料力学或者弹性力学方法计算基础的内力及变形。并进行基础的配筋设计。地基：假定基础为柔性。将基底反力作用于地基上（大小相等，方向相反），计算地基沉降，验算地基承载力。=+上部结构基础地基柱荷载P，M基底反力p上部结构荷载+33浅基础的常规设计方法常规设计方法：满足了上部结构、基础、地基三者之间力的平衡；不满足三者之间变形协调。所获得的上部结构、基础和地基的反力及变形与实际情况有差异。计算方法简单，可以采用手工计算。常规设计方法的适用条件：（1）沉降较小或者较均匀。如果地基不均匀沉降较大，就会在上部结构中引起很大附加内力，导致结构设计不安全。（2）基础刚度较大。基础刚度大，基础不均匀沉降小，对上部结构的影响小。（3）上部结构布置均匀，对沉降要求不敏感。34在同一整体大面积基础上建有多栋高层和低层建筑，应该考虑上部结构、基础与地基的共同作用。——《建筑地基基础设计规范》上部结构-基础-地基共同作用杭州市民中心大底盘基础（6座高层建筑坐落在同一个筏板基础）35浅基础设计内容浅基础设计内容：（1）选择基础的材料、类型，进行基础平面布置；（2）确定地基持力层和基础埋置深度；（3）确定地基承载力；（4）确定基础的底面尺寸，必要时进行地基变形与稳定性验算；（5）进行基础结构设计（对基础进行内力分析、截面计算并满足构造要求）；（6）绘制基础施工图，提