基础工程电子教案培训课件.ppt

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h5m，如桩基、沉井、沉箱等（1937，钱塘江大桥） 浅基础：一般h5m，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 p fa ，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 ss，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（GB 50007-2002） 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 p fa 原则（承载力验算） ss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90m,1.4 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,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,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/m2 s 相应于某点的竖向位移,m k 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 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/m2 n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1：2：41：3：6配成,刚性角(宽高比)： bi 任一台阶宽度(m); Hi 相应台阶高度(m); tan 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,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i1:3；小于250mm时可做成等厚板。阶梯形基础每阶高宜为300500mm。,垫层厚度一般为100mm。,底板受力钢筋最小直径不宜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（b3m，a2.5m ）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 地基承载力的基本概念及基本验算 影响地基承载力大小的因素 确定地基承载力的方法,2.3 地基承载力,建筑物因地基问题引起破坏的两种主要原因： 基础过大的沉降或沉降差 地基产生滑动破坏,地基承载力设计原则,总安全系数设计原则 容许承载力设计原则，同时满足强度（ps）条件 概率极限状态设计原则,fa（特征值）,建筑地基基础设计规范要求:,pk相应于荷载效应标准组合时基底平均压力 pkmax相应于荷载效应标准组合时基底边缘最大压力 fa 修正后的地基承载力特征值,公路桥涵地基与基础设计规范要求： max基底最大压应力 修正后的地基承载力容许值,2.3 地基承载力基本验算,影响因素：,地基土的成因与堆积年代 地基土的物理力学性质 地下水 上部结构情况,2.3 地基承载力,确定地基承载力的常用方法：,按土的抗剪强度指标以理论公式计算 按现场载荷试验或其它原位试验确定 按有关规范提供的承载力或经验公式确定,原则：不过分严格，也不随意简化,2.3 地基承载力,2.3.1 按土的抗剪强度指标确定,公式 来由 pu地基极限承载力，按魏锡克或汉森等理论公式计算 A与土接触的有效基底面积 A 基底面积,魏锡克公式：,2.3.1 按土的抗剪强度指标确定,2.3.1 按土的抗剪强度指标确定,汉森 公式：,图2.10,2.3.2 按地基载荷试验确定,图2.11 载荷试验示意图（堆载）,规范规定甲级必须进行 该法优点：成果可靠 该法缺点：费时、耗资,2.3.2 按地基载荷试验确定,同一土层参加统计的试验点不应少于三点，符合要求后，取该平均值作为地基承载力特征值fak,p-s线有明显比例界限时(密砂、硬土) fak=p1 极限荷载能确定，且pu2.0p1时, 取fak=0.5pu 当不能按上述两点确定(中、高压缩性土的缓变型曲线)，取s/b=0.010.015时对应荷载作为fak,2.3.2 按地基载荷试验确定,图2.12 按载荷试验确定地基承载力 (a)低压缩性土；（b）高压缩性土,方法：(1)钻孔，贯入器放入孔底；(2)63.5kg重锤以76cm高度自由下落将贯入器击入土中15cm;(3)记录继续打入30cm的锤击数N,标贯试验得标贯击数N,其他原位测试方法标准贯入试验,图2.13 标准贯入器构造图,其他原位测试 按静力触探试验确定地基承载力,比贯入阻力：,根据比贯入阻力查经验表格或由经验公式计算 确定承载力特征值,图2.14 静力触探示意图,GB50007(建规)推荐的公式(P1/4) 条件：荷载偏心距e0.033b(b为偏心方向基础边长) fa 由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值； Mb、Md、Mc承载力系数，由jk查规范表； b 基础底面宽度； jk、ck基底下一倍短边宽深度范围内土的内摩擦角 及粘聚力标准值； g 基础底面以下土的重度，水下取浮重度； gm基础埋深范围内各层土的加权平均重度。,2.3.3 按地基规范承载力公式确定,宽度与深度修正条件：b3m, d0.5m； 修正后的地基承载力特征值fa为： fak从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值 hb、hd分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，查规范表格,承载力的修正（建规）：,2.3.3 按地基规范承载力公式确定,当b2m, d3m，且h/b4，则容许承载力为： 0当基础宽度b2m，埋深h3m时的容许承载力，查规范表确定（见下述步骤） k1、k2分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，查规范表,2.3.3 按地基规范承载力公式确定,承载力的修正（桥规）：,桥规查表确定0的步骤：,Dr、N,查表得0,IL,定态,前公式,Y,各种地基规范承载力公式区别：,建筑地基规范与公路桥涵地基规范的区别：前者无表，但容许制定地方性经验表格或规范；后者仍然保留全国统一的承载力表格 港口工程地基规范采用极限承载力除以抗力分项系数的方法,2.3.3 按地基规范承载力公式确定,Fk地基极限承载力的竖向分力标准值 R抗力分项系数,【 例 题 1 】,某桥梁基础，基础埋置深度(一般冲刷线以下)h5.2m，基础底面短边尺寸b2.6m。地基土为一般粘性土，天然孔隙比e0.85，液性指数IL0.7，土在水面以下的重度(饱和状态)027kNm3。 要求按公路桥涵地基规范： 查表确定地基土的容许承载力； 计算对基础宽度、埋深修正后的地基容许承载力。,【 例 题 2 】,某大学4幢教职工住宅楼，均为6层建筑。经岩土工程勘察结果，该住宅楼地基分为下列4层： 表层为人工填土，层厚1.0m2.7m； 第层为粉土层，层厚0m2.7m； 第层为粉砂层，层厚1.3m2.9m； 第层为粉质粘土，层厚超过6m。 对此粉质粘土层进行了标准贯入试验与轻型动力触探试验等原位测试，并取原状土进行了物理力学性试验。有关试验数据如下表所示 要求：计算此粉质粘土的地基承载力。,粉质粘土层测试数据表,承载力归总表 （多种方法综合确定）,2.4 刚性基础与扩展基础 的设计计算,要点： 地基承载力验算 基底合力偏心距验算 地基与基础稳定性验算 基础变形验算（沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜）,2.4.1 地基承载力验算,按地基承载力计算基底尺寸A,中心受荷基础,图2.15 中心荷载作用下的基础,要求：,方形基础 矩形基础 （需先选定b或l，一般取l/ b 1.02.0 ） 条形基础 沿长度方向取l m计算，则：,2.4.1 地基承载力验算,偏心受荷基础,2.4.1 地基承载力验算,Wx、Wy基底对x和y轴的截面抵抗矩，m3 ex 、ey荷载对x轴和y轴的偏心距，m,要求：,图2.16 偏心荷载作用下的基础,偏心荷载下逐次渐近试算法求A,思路：先试算，后验算 步骤： 先按中心荷载作用下的公式预估A中 取A偏 =（1.11.4） A中 据A偏初选边长l和b 验算偏心距e和基底边缘最大压力； 调整l 和b,2.4.1 地基承载力验算,【例2.1】柱截面300mm400mm，作用在柱底的荷载标准值：中心垂直荷载700kN，力矩80kNm，水平荷载13kN。其他参数见图2.17 。 试根据持力层地基承载力确定基础底面尺寸。,2.4.1 地基承载力验算,图2.17 例 题 题 图,【 解】 求地基承载力特征值 根据粘性土e0.7， IL0.78,查规范表得：b0.3，d1.6 。 持力层承载力特征值fa(先不考虑对基础宽度进行修正)：, 初步选择基底尺寸 计算基础和回填土重Gk时的基础埋深 d=1/2(1.0+1.3)=1.15m 由公式： 由于偏心不大，基础底面积按20%增大，即 初步选择基底尺寸 A=lb=2.41.6=3.84m2(3.88m2)，且 b=1.6m3m，不需再对fa进行修正。, 验算持力层地基承载力 基础和回填土重 偏心距 满足。,基底最大压应力 ： （满足） 最后，确定该柱基础底面长l=2.4m ，宽b=1.6m。,验算思路：传递到软弱下卧层顶面处的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层的承载力，即： pz软弱下卧层顶面处的附加应力值 pcz软弱下卧层顶面处土的自重应力值 fa软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基 承载力特征值,2.4.2 软弱下卧层的验算,2.4.2 软弱下卧层的验算,图2.18 软弱下卧层顶面附加应力计算,Pz计算压力扩散角法,矩形基础：,条形基础：,地基压力扩散角，查规范表确定,【例2.2】图中柱基础荷载标准值， 若基础底面寸， 。试根据图中资料验算基础底面是否满足地基承载力要求。,2.4.2 软弱下卧层的验算,图2.19 例题题图,2.4.3 基础与地基的稳定性验算,抗水平滑动的稳定性验算,整体滑动稳定验算,图2.20 地基抗水平滑动,图2.21 贯入软土层深处的圆弧滑动面,安全系数：,轴心荷载下基础结构设计,(1) 地基净反力pj 仅由基顶荷载设计值所产生的地基反力，沿墙长取1m计算,图2.22 墙下钢筋混凝土条基受力,pj作用下，图中-截面弯矩与剪力：,V 图,M 图,2.4.4 钢筋混凝土扩展基础结构设计,墙下钢筋混凝土条形基础,(2) 基础底板高度 由于基础内不配箍筋和弯筋，故基础底板高度由砼的抗剪切条件确定：,(3) 基础底板配筋 每米墙长的受力钢筋截面 面积： fy 钢筋抗拉强度设计值； h0基础有效高度,0.9h0为截面内力臂的近似值。,ft砼轴心抗拉强度设计值 h截面高度影响系数,2.4.4 钢筋混凝土扩展基础结构设计,图2.23 墙下钢