第八章-基础工程

土木工程概论第八章基础工程28.1地基及基础的概念建筑物的全部荷载均由其下的地层来承担。受建筑物影响的那一部分地层称为地基；建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。建筑物上部结构--superstructure基础--foundation地基--base3基础上部结构地基建筑物三部分示意图4建筑物的上部结构、基础和地基三部分，功能不同，研究方法各异，但它们又是建筑物的有机组成部分，缺一不可、彼此联系、相互制约。依目前的理论水平，还很难做到这一点。尽管如此，我们在处理地基基础问题时，头脑里一定要有地基-基础-上部结构相互作用的整体概念，尽可能全面地加以考虑。5建筑物的地基和基础是建筑物的根本，它们一旦出现问题，建筑物的安全和正常使用必然受到影响。建筑物的事故，绝大多数都与地基和基础有关。组成地层的土或岩石是自然界的产物。建筑物建造在地层上面，所以建筑物场地的工程地质条件是决定地基基础设计和施工的先决条件。基础一般设置在天然地基上。当碰到软弱地基土时，有时候需要进行人工处理，成为人工地基。必要时设置桩基础。有时基础设计不当，产生过大的变形——沉降，尤其是不均匀沉降，使上部建筑产生裂缝、倾斜甚至倒塌实例并不少见。LeaningBellToweratPisa,Italy比萨斜塔Unqueal/Differentialsettlements不均匀沉降地质条件：30mofmarineclaysitsatadepthof10mbelowthesurfaceofthetower’sfoundations南北承载能力：50kPa负载：500kPaIn1998，TemporarycableLeadofcounterweight平衡重In1999，Soilextraction抽土41tubesquantityofsoiltoberemoved：50m3由于荷载的不均匀，对均匀地基也会产生不均匀沉降。但处理得当亦可以防止发生事故——实例：开封开宝寺木塔。还有地震产生的地基土液化而发生裂缝、倾斜倒塌事例：Effectsofliquefaction(液化)causedbythe1964Niigata（新泻）earthquakeonapartmentbuilding(震级)magintudeofearthquake=7.6Sandboil(沙涌)--resultofliquefactionSanderuptedupwardlikeeruptionofvolcanic2011ChristchurchearthquakeSandboilResultofliquefaction2011Christchurchearthquake土是连续介质，不仅结构基础对上部结构有影响，地基的沉降也能带来附近基础的沉降，使该基础上部建筑出现裂缝。甚至大面积堆料附近地基施工不妥善处理也会造成已建成建筑的损害。比如：开挖地基、打桩或抽水等。还有湿陷性土、多年冻土等对基础影响很大。20研究土体的应力、变形、强度、渗流及稳定性的一门力学分支学科称为土力学。土力学是基础工程的理论基础。土力学所要研究的两大基本问题是土体的变形和强度。21地基基础设计必须满足的基本条件建筑物的建造使地基中原有的应力状态发生变化，所以地基基础的设计必须满足：a.作用于地基的荷载不超过地基的承载能力（地基土的强度问题）；b.控制基础沉降使之不超过允许值（地基土的变形问题）。22在土建、水利、桥隧、道路、港口等有关工程中，以岩土体的利用、改造与整治问题为研究对象的科技领域，因其区别于结构工程的特殊性和各专业岩土问题的共同性，已发展融合成为一个自成体系的专业—“岩土工程”。它的研究方法是由三种基本手段（数学模拟、物理模拟和原位观测）综合而成。所谓岩土工程，即为土力学、工程地质学、水文地质学和岩体力学的结合。8.2基础的重要作用基础为传递上部结构荷载至地基上的结构。建筑物地基可分为天然地基和人工地基，基础可分为浅基础(Shallowfoundation)和深基础(Deepfoundation)。深基础埋深较大，其主要作用是把所承受的荷载相对集中地传递到地基深部；而浅基础则是通过基础底面、把荷载扩散分布于浅部地层。ShallowfoundationDeepfoundation8.3基础类型墙下条形基础(Stripfooting）柱下单个基础(Spreadfooting)柱下条形基础(Combinedfooting)筏板基础(Mat/Raftfooting)薄壳基础桩基础ShallowfoundationDeepfoundation6.3.1墙下条形基础(Stripfooting)有无筋和配筋式两种6.3.2柱下独立基础(Spreadfooting)其中需要注意偏心受压情况。厂房中也有做成杯口状6.3.3筏板基础(Mat/Raftfooting))(a)平板式Flatplate(b)柱下板加厚式platethickenedundercolumns（柱帽式）(c)梁板式beam-and-slab(d)板上基座式platewithpedestals(e)箱型基础basementwallsaspartofmat6.3.3筏板基础(Mat/Raftfooting))筏板基础Matfooting31第1节概述第2节桩的分类第3节单桩轴向荷载的传递第4节单桩竖向承载力的确定第5节桩基础设计8.3.4桩基础(Pilefoundation)32第1节概述如果建筑场地浅层的土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求、而又不宜采取地基处理措施时，就需要考虑以下部坚实土层或岩层作为持力层的深基础方案。桩基础是应用最为广泛的一类深基础。8.3.4桩基础(Pilefoundation)33※桩基础：是由基桩和连接于桩顶的承台共同组成。承台把桩联结起来并承受上部结构的荷载，然后通过桩传递到地基中去。※桩是垂直或微斜埋置于土中的受力杆件，它的横截面尺寸比长度小得多。其作用是将上部结构的荷载传递给土层或岩层。桩基础35※桩基础设计也应注意满足地基承载力和变形这两项基本要求。按行业标准《建筑桩基技术规范》（JGJ94－94），建筑桩基设计与建筑结构设计一样，应采用以概率理论为基础的极限状态设计法，并按极限状态设计表达式计算。桩基的极限状态分为下列两类：36(1).承载能力极限状态对应于桩基受荷达到最大承载能力导致整体失稳或发生不适于继续承载的变形；(2).正常使用极限状态对应于桩基变形达到为保证建筑物正常使用所规定的限值或桩基达到耐久性要求的某项限值。37第2节桩的分类一、按桩的使用功能分类1.竖向抗压桩主要承受竖向下压荷载（简称竖向荷载）的桩，应进行竖向承载力计算，必要时还需计算桩基沉降，验算软弱下卧层的承载力以及负摩阻力产生的下拉荷载。8.3.4桩基础(Pilefoundation)382.竖向抗拔桩主要承受竖向上拔荷载的桩，应进行桩身强度和抗裂计算以及抗拔承载力验算。3.水平受荷桩主要承受水平荷载的桩，应进行桩身强度和抗裂验算以及水平承载力和位移验算。394.复合受荷桩承受竖向、水平荷载均较大的桩，应按竖向抗压（或抗拔）桩及水平受荷桩的要求进行验算。40二、按桩承载性能分类1.摩擦桩（Skinfrictionpile）当软土层很厚，桩端达不到坚硬土层或岩层上时，则桩顶的极限荷载主要靠桩身与周围土层之间的摩擦力来支承，桩尖处土层反力很小，可忽略不计。第2节桩的分类412.端承桩(Endbearingpile)桩穿过软弱土层，桩端支承在坚硬土层或岩层上时，则桩顶极限荷载主要靠桩尖处坚硬岩土层提供的反力来支承，桩侧摩擦力很小，可以忽略不计。3.摩擦端承桩(Combinedpile)桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但主要由桩端阻力承受。424.端承摩擦桩(Combinedpile)桩顶的极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但主要由桩侧阻力承受。三、按桩身材料分类可分为木桩，混凝土桩，钢桩，组合桩等。43四、按设置效应分类1.非挤土桩包括干作业挖孔桩，泥浆护壁钻（冲）孔桩，套管护壁灌注桩等。这类在成桩过程中基本对桩相邻土不产生挤土效应的桩，称为非挤土桩。其设备噪音较挤土桩小，而废泥浆、弃土运输等可能会对周围环境造成影响。442.部分挤土桩当挤土桩无法施工时，可采用预钻小孔后打较大尺寸预制或灌注桩的施工方法，也可打入敞口桩。3.挤土桩挤土桩除施工噪音较大外，不存在泥浆及弃土污染问题，当施工质量好，方法得当时，其单方混凝土材料所提供的承载力较非挤土桩及部分挤土桩高。45五、按桩径大小分类1.小桩桩径d≤250mm。由于桩径小，施工机械，施工场地及施工方法一般较为简单。小桩多用于基础加固（树根桩或锚杆静压桩）及复合桩基础。2.中等直径桩250mmd800mm。这类桩长期以来在工业与民用建筑物中大量使用，成桩方法和工艺繁多。463.大直径桩桩径d≥800mm。近年来的发展较快，应用范围逐渐增大。因为桩径大且桩端还可以扩大，因此，单桩承载力较高。此类桩除大直径钢管桩外，多数为钻、冲、挖孔灌注桩。通常用于高层或重型建（构）筑物的基础，并可实现柱下单桩的结构型式。正因为如此，也决定了大直径桩施工质量的重要性。8.4地基处理(Groundimprovement)8.4.1概述8.4.2换填垫层法--Removalandreplacement8.4.3排水固结法--Drainagemethods8.4.4化学加固法--GroutingandInjection8.4.5密实法--In-situdensification8.4.6加筋土技术--Reinforcement8.4.1概述地基处理是指为提高地基承载力，改变其变形性质或渗透性质而采取的人工处理地基的方法。欧美国家称地基处理，亦有称地基加固。地基处理对象软弱地基特殊土地基软弱地基：淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等冲填土杂填土湿陷性黄土膨胀土盐渍土季节性冻土地基处理的目的：1.提高地基的抗剪强度，增加其稳定性;2.降低地基土的压缩性，减少地基的沉降变形;3.改善地基土的渗透特性，减少地基渗漏或加强其渗透稳定;4.改善地基土的动力特性，提高地基的抗震性能;5.改善特殊土地基的不良特性，满足工程设计要求.地基处理方法分类地基处理的分类方法多种多样，按时间可分为临时处理和永久处理；按处理深度分为浅层处理和深层处理；按处理土性对象分为砂性土处理和粘性土处理，饱和土处理和非饱和土处理；也可按地基处理的加固机理进行分类。因为现有的地基处理方法很多，新的地基处理方法还在不断发展，要对各种地基处理方法进行精确分类是困难的。常见的分类方法主要是按照地基处理的加固机理进行分类：地基处理方法换填法：换土垫层法、褥垫法密实法：浅层密实、深层密实排水法：堆载预压、砂井堆载预压、真空预压、井点降水预压固化法：灌浆法、喷拌法加筋法：土工聚合物加筋、锚杆、树根桩一、定义换填垫层法——是将基础底面下一定深度范围内不满足地基性能要求的土层（或局部岩石），全部或部分挖出，换填上符合地基性能要求的材料，然后分层夯实作为基础的持力层。换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。换填垫层法按其换填材料的功能不同，又分为垫层法和褥垫法。8.4.2换填垫层法--Removalandreplacement二、作用a.提高地基承载力b.减少沉降量c.加速软弱土层的排水固结d.防止冻胀e.消除地基的湿陷性和胀缩性垫层设计垫层材料工艺控制适用范围淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。垫层厚度，垫层宽度砂石、粉质粘土、灰土、粉煤灰、矿渣、工业废渣、土工合成材料分层夯实，控制含水量排水固结法又称预压法（Preloading），指直接在天然地基或在设置有袋状砂井、塑料排水带等竖向排水体的地基上，利用建筑物本身重量分级逐渐加载或在建筑物建造前在场地先行加载预压，使土体中孔隙水排出，提前完成土体固结沉降，逐步增加地基强度的一种软土地基加固方法。8.4.3排水固结法—