建筑地基沉降控制与工程实例PPT课件

1、 目录第1章地基承载力浅谈第2章建筑地基变形控制第3章地基沉降计算第4章结构-地基基础共同作用分析第5章单桩承载力第6章独立基础与承台比较 杂谈第1页/共103页1.1引子 地基承载力特征值fak及其修正值fa是绝大多数工程师进行地基基础设计的核心参数，因此有必要了解其历史发展渊源，以便能合理使用。 1954 年12 月，我国翻译引进第一本前苏联地基规范6248，仅限于内部发行，命名为天然地基设计暂行规范(规结7 - 54) ，该规范的重点是：“地基土受到的压力不应超过地基土的容许承载力（大致相当于今天的“地基土承载力特征值fak”）”，并明确指出：当“基础宽度0.61.0m，基础埋深2.0m

2、”时，可查表得到容许承载力，同时给出了岩石、强风化岩石、大块碎石、砂土和第四系粘土的承载力表格。其中砂土根据湿度和密实度给出承载力，粘土根据孔隙比和稠度给出承载力。当基础宽度大于1.0m ， 基础埋深大于2.0m或小于2.0m时应进行深宽修正。第一本引进的地基规范奠定了“以地基土承载力控制”的设计思想，对我们各类工程中地基的设计产生了深远的影响。第2页/共103页 1955 年前苏联发布房屋与工业结构物天然地基设计标准与技术规范( 127255)。1956 年12 月，我国建委建议审慎推广。这里略作介绍。该规范的变化可用以下两方面概括：1）在地基土承载力方面。将原来的“承载力”改为地基土的“计

3、算强度表”，并对数据进行了调整。此外还规定了用土的抗剪强度指标c、计算临塑荷载PB/4 (中心荷载) 或PB/3 (偏心荷载) 的公式；2）在地基土沉降变形方面。第一次提出：地基应按沉降变形控制设计。在此基础上，将地基土竖向变形分为固结沉降和地基失稳陷落，并且提出了相应控制指标：绝对下沉、平均下沉、纵倾和横倾、相对弯曲。为了能计算出地基土的沉降，又规定了土的压缩模量宜由浅层、深层载荷试验确定；同时根据工程实测和建筑病害调查结果，规定了各种房屋和结构物地基沉降变形限值；为了方便工程师设计减少工作量，规定了可不进沉降变形计算的条件。计算方法采用了工程师熟悉的分层总和法，同时还提出“必要时考虑地基、

4、基础和上部结构协同作用”。第3页/共103页 1962 年前苏联发布了建筑法规, 其中第二卷第二篇第一章为房屋及建筑物地基设计标准(211 - 62)， 与127255 比, 没有大的原则性变化。1974 年，工业与民用建筑地基基础设计规范(试行，TJ 7274) 发布，这是我国第一本地基基础设计规范。无需否认的是，该规范在章节编排、承载力计算、沉降变形计算等方面吸收前苏联规范经验，并根据当时我国实情增加了“基础设计”一章，由此也将规范命名为“地基基础”。事实上，由于“地基土”和“混凝土”特性的巨大差异，世界上多数国家都将“基础或承台设计”作为结构构件列入“混凝土规范”范畴，我国路桥领域也是如

5、此，目前的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004即包含了桩承台的设计内容。第4页/共103页74规范1）在地基承载力方面。中国建筑科学院地基基础研究所在全国众多勘察设计单位的参与协助下，全面总结5070年代初大量厂房和多层砖混结构的地基设计经验，建立了13张地基容许承载力表：(1) 根据类别和风化程度确定岩石承载力；(2) 根据密实度确定碎石土承载力；(3) 根据密实度确定砂土承载力；(4) 根据含水比确定老粘性土承载力；(5) 根据物理性指标(孔隙比、液性指数) 确定一般粘性土承载力；(6) 根据含水量确定沿海淤泥和淤泥质土承载力；(7) 根据含水比确定红粘土承载力

6、；(8) 根据压缩模量确定粘性素填土承载力；(9) 根据标准贯入锤击数确定砂土承载力；(10) 根据标准贯入锤击数确定老粘性土和一般粘性土承载力；(11) 根据轻便触探锤击数确定一般粘性土承载力；(12) 根据轻便触探锤击数确定粘性素填土承载力；(13) 根据物理性指标确定新近沉积粘性土承载力。2）在地基沉降变形方面。收集了大量工业与民用建筑物沉降观测资料，在详细分析其病害原因的基础上，提出了“地基沉降变形限值”表格，成为地基设计的重要指标。第5页/共103页 1989 年，建筑地基基础设计规范(GBJ 7-89)修订发布，在地基承载力方面，规范组认为“鉴于我国幅员辽阔，同类土性质随地区差异较

7、大，仅通过搜集几十份或百余份载荷试验资料来包络全国是不现实的。因此，各地在使用这类表时，应取慎重态度。最好在本地区进行若干试验验证，取得经验后再行使用。且这类表仅限于一般建筑，对于重要的一级建筑物必须进行载荷试验”。将承载力表从正文移至附录。在地基沉降变形方面，继续收集沉降观测资料，对分层总和法进行改进，并对沉降经验系数做了进一步调整。2002年，建筑地基基础设计规范(GBJ 50007-2002)修订发布，在地基承载力方面，该规范取消了附录中的用土的物理性指标查地基承载力的表格；在地基沉降变形方面，继续收集沉降观测资料，改进分层总和法，调整沉降经验系数。第6页/共103页TJ 7274发布以

8、来，随着工程建设大量开工，各种工程问题层出不穷，为了解决这些问题，规范体系继续发展。如：湿陷性黄土、膨胀土、冻土等特殊土质分列出相应规范；桩基、基坑、边坡、锚杆等特殊应用功能编列相应规范；在土质较差不适合建设的场地发展出了地基处理及刚性桩复合地基（本书中的“刚性桩复合地基”等同于CFG桩）并编列相应规范。具体如图1.1-1。建筑地基基础设计规范建筑地基处理规范建筑桩基技术规范建筑基坑支护技术规程湿陷性黄土地区建筑规范建筑地基基础设计规范冻土地区建筑地基基础设计规范建筑基桩检测技术规范建筑边坡工程技术规范岩土锚杆（索）技术规范膨胀土地区建筑技术规范高层建筑箱形与筏形基础技术规范苏联规范1954年

9、12月 天然地基设计暂行规范1949年前后 6248(翻译)1955年1962年房屋及建筑物地基设计标准(211 - 62)1974年工业与民用建筑地基基础设计规范(TJ 7 74)1989年建筑地基基础设计规范(GBJ7289)2002年建筑地基基础设计规范(GB5007 - 2002)201x年建筑地基基础设计规范(GB5007 - 201x)(修订)(修订)(修订)房屋与工业结构物天然地基设计标准与技术规范( 127-55)建议推广第7页/共103页回顾“地基（基础）规范”发展变迁的历史，有几点值得重视：1）在地基承载力方面，规范逐渐将“按地基承载力控制”的设计思想弱化，从“最初13个承

10、载力表格”到“移至附录”，以至最终取消的过程表明，地基土的承载力指标的取值远非一个表格那么简单。 “按承载力计算较为准确”的传统观念恐怕并不“准确”。在地基沉降变形方面，规范则不断积累沉降观测资料，并在沉降计算深度的取值、沉降经验系数等方面不断深化、细化，可使估算结果更为准确。“预估沉降误差较大”的传统观念恐怕存在“较大误差”。2）技术规范是工程实践的总结，在应用中有其先进性，也有其局限性。如上世纪5070年代，我国大量建设厂房和多层砖混，由此遭遇的种种问题促使科学工作者研究并提出“按地基承载力控制”的解决方案，可见这类解决方案具有较强针对性。上世纪90年代开始建设大量高层建筑，埋深也超过3m

11、，仍按这个思想则遭遇新的困境。第8页/共103页当前建筑愈建愈高，荷载越来越大，基础增加不断埋深，数个高层带一个大底盘的建筑层出不穷，地下水埋深极浅，这些工程如果仍然按承载力设计则可能遭遇以下困难：（1）地基土承载力“计算埋置深度”d如何取值?工程师习惯使用的地基承载力计算式为：fa=fak+b(b-3)+dm(d-0.5)。对于主裙连体的裙房基础，工程师习惯用独立基础+抗水板，按照建筑地基基础设计规范GB50007-2002第5.2.4条，“对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起”，多数工程师按室内地面算起。实际工

12、程中，抗水板可能厚达600mm或以上，独立基础宽约4m厚约1m左右，即抗水板净距约4m，厚跨比约1/7，其抗弯刚度不可谓不大，如果将这种基础理解为“柱下局部加厚的筏基”，其地基承载力fa将大大提高，这样做可行么？第9页/共103页对于主裙连体的主楼基础，当前流行的做法是取“等效埋置深度”，即将裙房荷载等效为深度为d的土厚，如：某工程2层地下车库及上覆1m土总重54kPa，那么等效埋置深度为d=54/18=3m。值得注意的是，根据临界荷载确定fa时，其压重在水平方向上有一定的距离B（详见本书），如图1.1-1，当地下车库宽度B1大于B时，这样取值没有疑义；如果地下车库宽度B2小于B时，是否应取宽

13、度B范围内全部重量的“等效埋置深度”呢？。地上32层地下2层地下2层B1H1B2H2AABB第10页/共103页此外，在按上述方法计算“等效埋置深度”时，并未考虑地下水浮力的影响。当地下水浮力与车库自重相当时，还能不能按“等效埋置深度”计算fa呢？如：基底压力54kPa，无地下水时可等效3m厚土；当地下水浮力为54kPa时，能否还按3m等效呢？如果地下水位继续上升，裙房需要设置抗浮桩，桩对裙房土体提供一个向上的拔力，此时主楼的“等效埋置深度”能否成为“负数”呢？如：某工程作用于基底的荷载标准值pk为250kPa，不考虑地下水影响时计算天然地基承载力fa=270kPa；考虑地下水影响时计算天然地

14、基承载力fa=230kPa，这时该如何判断承载力时候满足安全性要求呢？第11页/共103页（2）地基土承载力“计算宽度”b如何取值?建筑地基基础设计规范GB50007-2002第5.2.4条规定：基础底面宽度b(m)，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值。小于3m时计算的承载力还要小一些，偏于安全，为何不能按实际值取用呢？当前大量使用的高层建筑筏基，宽度大于6m，为何不能按大于6m的宽度计算呢？如按实际宽度（如18m）取用后，又有何后果呢？建筑地基基础设计规范GB50007-2002第5.2.3条指出：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、并结合工程实践经验等方法综合确

15、定。软土地区有些工程用0.3m2的载荷板试验获得的fa较0.5m2载荷板试验获得的高，那么能否用较高的值呢？这里的0.5m2载荷板试验与上述基宽3m的限值有无关系呢？第12页/共103页（3）地下水对地基承载力的影响地下水对地基土黏聚力c和内摩擦角均有影响，地下水上升到基础底面以上时，地基承载力降低，这方面最为最为直观的地质现象是：多雨季节总伴随着较多的滑坡事故。建筑地基基础设计规范GB50007-2002在多项指标中反应了“土体随含水量增加则强度降低”的规律，其中第5.2.4条指出：地下水位以下取浮重度。如果地下水在基础底面以上则容易取值，当地下水紧邻基础底面也容易取值，当地下水在基底下1m

16、时，该如何取值呢？2m、3m呢？其间有何关系？第13页/共103页（4）地基处理与b、d的关系？天然地基土承载力的深宽修正系数b、d与土性有关。但是在采用刚性桩复合地基后，b=0，d=1；采用复合桩基后，b=0，d=0；为何有这些变化呢？这些变化之间有无联系呢？如：某工程作用于基底的荷载标准值pk为250kPa，天然地基承载力fa=230kPa，判断为地基承载力不足，采用刚性桩复合地基，但布置少量（比如100根）刚性桩之后，计算的地基承载力反而更低，这种现象该如何理解呢？第14页/共103页（5）地下水对基底荷载的影响如图1.1-2，分别为独立基础、独栋高层筏基、主裙连体建筑筏基。当地下水位上

17、升到地面时，一方面降低地基土承载力，另一方面也对建筑产生浮力，那么是否意味着基底压力也减小呢？换言之，在验算地基承载力时，基底压力标准值pk是否需要用上部结构总荷载减去水浮力呢？建筑地基基础设计规范GB50007-2002第5.2.1条指出：pk为相应于荷载效应标准组合时，（独立）基础底面处的平均压力值；高层建筑箱形与筏形基础技术规范JGJ 6-99第4.0.3条指出：()/，其中基础自重设计值和基础上的土重设计值之和，在计算地下水位以下部分时，应取土的有效重度。建筑桩基技术规范JGJ94-2008指出：k为桩基承台和承台上土自重标准值，对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力，归纳来看，宜扣除

18、水浮力。那么如图1.1-2（c），对于主裙连体建筑，验算主楼下地基承载力时，应如何扣除水浮力呢？第15页/共103页（6）不同地基上基础的沉降某单层框架剖面如图1.1-3，独立基础A搁置于黏性土上，独立基础B搁置于砂土上，二者均按承载力（地基承载力特征值按经验确定，这里所谓的经验即是查表）设计，A尺寸大于B尺寸。现在考察二者的变形，黏性土压缩模量小，荷载也小；砂土压缩模量大，荷载也大，那么究竟哪个基础的沉降大呢？A黏性土砂土B第16页/共103页下面是四个实际工程中的例子，这四个工程均为主裙连体的建筑综合体，主体框架核心筒结构，地上130m，共39层，15层为商业，639层为公寓；地下3层，总

19、高共13m，筏型基础厚度约2m。为简化讨论，这里仅就主楼涉及的问题展开。主楼平面尺寸为32mx42m。基底平均压力约为p1=18x39+20 x3+2x25=812kPa。基底附加压力p0=542kPa总荷载Nk=1091328kN。核心筒12mx16m，平均压力约为pc=1400kPa，附加压力pc0=1130kPa。前3个建筑基底均为10m厚密实细砂，fak=300kPa。第4个项目核心筒下为中风化灰岩，部分边框架下为30m中风化泥岩。第17页/共103页各个项目土层分布如图1.1-4。10 厚密砂1.0 厚淤泥10 厚老黏土中风化硬质岩15 埋深10 厚密砂5 厚一般黏性土卵石层15 埋

20、深10 厚密砂15 埋深中风化砂岩30 厚中风化泥岩15 埋深中风化灰岩fak=4500kPafak=1000kPa项目1项目2项目3项目4第18页/共103页项目1分析：（1）地基承载力 fa =300+2.0 x18x3+3.0 x18x14.5=1191kN812kN可见地基承载力满足建筑物荷载需求。（2）建筑物沉降计算（按建筑地基基础设计规范第5.3.5条计算） 最终沉降值 s= ss =0.22x542=120mm812kN可见地基承载力满足建筑物荷载需求。（2）建筑物沉降计算（按建筑地基基础设计规范第5.3.5条计算） 最终沉降值 s= ss =0.2x421=84mm812kN可

21、见地基承载力满足建筑物荷载需求。（2）建筑物沉降计算（按建筑地基基础设计规范第5.3.5条计算） 最终沉降值 s= ss =0.2x397=79.4mm200mm。可见预估总沉降满足建筑物需求。（3）核心筒沉降计算，最终沉降值 s= ss =0.2x397=79.4mm200mm。（4）核心筒地基承载力验算，fa =300+2.0 x18x3+3.0 x18x14.5=1191kN荷载，但是灰岩侧面分布着中风化泥岩，其承载力特征值仅仅为1000kPa，这对灰岩承载力有无影响呢？（2）边框架下地基承载力计算边框架下荷载效应标准值约为900kPa（柱荷载通过筏型基础分布在一个跨度9mx5m平面上）

22、，而中风化泥岩承载力特征值为1000kPa，表面上看承载力荷载，可以采用天然地基。但是中风化泥岩的沉降会否大于中风化灰岩？这部分差异沉降有多大呢？上部框支结构能否承受产生的差异沉降呢？如果预估天然地基差异沉降过大而选用桩基础，那桩端持力层选灰岩还是泥岩？如果桩端持力层取泥岩长，那桩长取多少？以上4个项目，从“按承载力设计”的思路开始，总不能最终解决问题，其落脚点还是要解决建筑物的总沉降和差异沉降，即是按“按变形控制”的思路。第22页/共103页项目4分析：（1）核心筒地基承载力验算核心筒下荷载效应标准值为2000kPa，而中风化灰岩承载力特征值为4500kPa，表面上看承载力荷载，但是灰岩侧面

23、分布着中风化泥岩，其承载力特征值仅仅为1000kPa，这对灰岩承载力有无影响呢？（2）边框架下地基承载力计算边框架下荷载效应标准值约为900kPa（柱荷载通过筏型基础分布在一个跨度9mx5m平面上），而中风化泥岩承载力特征值为1000kPa，表面上看承载力荷载，可以采用天然地基。但是中风化泥岩的沉降会否大于中风化灰岩？这部分差异沉降有多大呢？上部框支结构能否承受产生的差异沉降呢？如果预估天然地基差异沉降过大而选用桩基础，那桩端持力层选灰岩还是泥岩？如果桩端持力层取泥岩长，那桩长取多少？以上4个项目，从“按承载力设计”的思路开始，总不能最终解决问题，其落脚点还是要解决建筑物的总沉降和差异沉降，即

24、是按“按变形控制”的思路。第23页/共103页1.2地基承载力涵义探讨1.2.1地基承载力与上部结构的适应能力有关研究建筑工程岩土力学性能的目标是为了防止上部结构破坏或坍塌。一方面岩土性能有自身的独立性；另一方面，建筑物对于岩土不仅仅提供荷载、刚度，还提供“需求”。如果没有这些需求，岩体力学的研究就没有意义；建筑物特征不同，其“需求”也不同，对岩土性能要求也不同，因此岩体的相关指标的“限值”，不能脱离建筑物特征而独立存在。荷载、建筑物自重与刚度上部结构的应力和变形作用于地基上的荷载地表变形岩土应力岩土破坏超出允许值上部结构破坏或坍塌超出允许值第24页/共103页土的工程性能有力学性能、水理性能

25、、化学性能等。工程力学性能用地基承载力特征值表示。地基承载力确定方法：根据力学指标用理论公式计算；根据建筑经验给出一个概略的数值；用野外载荷试验确定。我国主要用野外载荷试验确定承载力特征值，压板面积为0.25m2或0.5m2，压板下23倍宽度范围内土层是匀质的。地基的允许承载力是指在建筑物独立基础荷载作用下，地基的强度（整体稳定性对应的强度）和变形（对于粘性土、淤泥质土等以变形控制）都能满足要求的承载能力。即是说：在保证建筑物地基的整体稳定性的同时，又不至于产生过大的沉降。换言之，这是一个双控的指标。第25页/共103页1.2.2岩石地基承载力与基础埋深1、岩石地基承载力岩土工程关注的是岩石的

26、强度。岩石的坚硬程度根据岩块的饱和单轴抗压强度frk分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。岩体完整程度可分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎。确定岩石承载力应确定岩石破坏模式，这与岩体节理、微裂隙、填充物、结构面倾斜方向等等密切相关，并不能一概确定某种极限破坏模式，这导致要统一确定岩石极限承载力称为不能完成的任务。为了方便工程师使用，89版建筑地基基础设计规范根据全国各地岩基平板载荷试验和岩样试验的资料统计回归，建议取第26页/共103页胡岱文、黄求顺在“岩石地基的承载力”一文中（重庆建筑大学学报，1995年12月，第17卷第4期），假定岩体为等效连续介质，极限承载力计算模式如图1.2-

27、4，Pb45 -/ 2该折减系数纳入了2002版建筑地基基础设计规范。第27页/共103页根据格里菲斯(A. A. Griffith)的理论解，在完整的岩质地基上，地基的极限承载力为单轴受压强度的3倍。根据混凝土局压模型，地基的极限承载力为单轴受压强度的4倍。实际上，破碎、极破碎岩体可用等效连续介质模型，失稳时破坏面呈曲线；而完整及较完整岩体呈现非连续介质特征，其破坏面为线性结构面，如图1.2-5，这是岩体与土体根本不同之处。破坏可能发生在两边每个土单元受力超出了强度岩石地基由非连续面切割而成的块体（a）等效连续介质 （b）非连续介质 对于岩石的承载力，从规范的角度为了使用简便，有意忽略了一些

28、因素的影响，同时为保障全国各地工程师使用后的安全性，折减系数取值偏低。事实上对于各地区岩石承载力，具体到某个工程，应进行野外地质调查，结合岩层的产状和构造等因素综合考虑。这样取得的岩石承载力参数方才合理，设计的地基基础方案才较为安全、经济。 岩石力学还在不断发展过程中，当前某些学者更倾向于用研究混凝土材料力学性能的方法来研究岩石力学性能。 第28页/共103页2、岩石地基上基础埋深山区地区基岩较浅且强度高，适合建设高层建筑，但基础埋深受施工难度限制，不便加深，难以满足1/15的要求，这时能否降低埋深呢？首先明确，高层建筑设置埋深主要是为了防止在水平荷载下整体倾覆（关于水平荷载下建筑物的整体倾覆

29、的计算详见本书1.3.2），其次才是承载力和变形要求。显然场地土越差，建筑物越易失稳；水平荷载（风荷载和地震作用）越大，建筑物越易失稳。因此基础埋置深度应与场地土性质和抗震设防烈度等指标有关。建筑地基基础设计规范GB50007-201x第5.1.4条指出：在抗震设防区，天然（土质）地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/18。岩石地基的埋置深度仅需满足抗滑要求。建筑地基基础设计规范GB50007-201x第5.1.3条指出：位于岩石地基上的高层建筑，其基础埋深应满足抗滑要求。第29页/共103页需要说明的是，软土

30、地基抗倾覆能力弱，宜适当加深埋置深度。高层建筑无地下室，通常基础搁置在基岩上，如图1.2-6，地震作用下，基底受到的水平力为P，根据经验结构剪重比=320%；基底产生的静摩擦力为P，岩石与混凝土之间的摩擦系数=4075%；即使考虑整体滑移的稳定系数为23，抗滑移也能满足要求，故在抗震设防区（风荷载不起控制的地区），基岩上的建筑物均不存在滑移失稳问题。P= P摩擦力=4075%剪重比系数=320%= P水平力第30页/共103页1. 2.3淤泥及淤泥质土地基承载力淤泥及淤泥质土是指在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用形成的软黏性土。其沉积环境在沿海地区为滨海相、泄湖相、溺谷相和三角

31、洲相，在内陆平原和山区则以湖、塘相为代表。上世纪70年代统计的全国各地的淤泥和淤泥质土的饱和度平均值如表1.2-1。淤泥及淤泥质土饱和度一般大于90%，天然含水量与天然孔隙比大致呈直线关系。W=36.668e-0.982，相关系数=0.9755。其特征为：（1）天然含水量大于液限。（2）天然孔隙比大于1.5称为淤泥；天然孔隙比大于1.0且小于1.5的称为淤泥质土。第31页/共103页根据经验，按照含水量得到的淤泥及淤泥质土承载力设计地基基础，单个条基的沉降则可达到95mm。对于整体建筑物，应考虑条基压力的相互影响，其可取的承载力仅为原取值的1/3。如果按照经验值设计基础宽度，那么其实际沉降量将

32、远大于100mm，一般均达到2030cm，已为近数十年软土场地建筑物沉降观测所证实。第32页/共103页1.2.4福建某住宅工程高有潮在“软基上住宅建筑的不均匀沉降”一文（岩土工程学报，1991年7月，第13卷第4期）中报道了福州火电厂软基上住宅工程的沉降观测资料，该场地表层为0.61.2m的可塑粘土层, 含水量为30.4%。其下为914m厚的淤泥层, 含水量为67.9%80.7%。淤泥层以下为可塑至硬塑的轻亚粘土层，具体如表1.2-4。建筑平面如图1.2-7。建筑总沉降与倾斜见表1.2-5。建筑平面第33页/共103页表1.2-4表1.2-5第34页/共103页1.2.5湛江某仓库湛江某单层

33、排架仓库，建于上世纪80年代，横向跨度21m，纵向跨度6m，柱高9m。该场地表层为1518m的淤泥质粘土层，含水量为60%75%，原地勘提供的承载力特征值为60kPa，其下为中风化基岩。采用预应力管桩基础，两桩承台。使用中，堆载控制在60kPa以内，如图1.2-8（a）。使用约5年后，地面即下沉约1m。由于管桩持力层置于中风化基岩上，柱未见沉降。可见桩基础有效保障了结构物的安全。随后将地面填平，继续使用。再过约5年，地面仍见约1m沉降，如此往复，持续20余年仍未见稳定，如图1.2-8（b）。1518m淤泥质黏土中风化基岩堆载1518m淤泥质黏土中风化基岩第35页/共103页1.3地基土承载力与

34、强度指标的关系第36页/共103页第37页/共103页第38页/共103页使用公式时应注意的问题：使用公式时应注意的问题：（1）公式来源于条形基础，但用于矩形基础时是偏于安全的。由于理论公式是按均布荷载推导，因此荷载偏心不宜过大，一般规定偏心距e6m时取b=6m计算。（5）基础宽度b较小时，公式计算值较经验值偏小，对于砂土尤其偏小过大，因此规定对于砂土bZmax(a)(b)(c)(d)(a)当地下水位处于所要确定的基底最大影响深度Zmax以下时，则不考虑地下水的影响。 (b) 当地下水位介于基底与Zmax之间时，则在Zmax以上取有效重度。(c) 当地下水位介于基底时，分取有效重度和天然重度。

35、(d) 当地下水位介于基底以上时，分取有效重度。第41页/共103页第42页/共103页1.4.2水稳定性土的水稳定性在土质学中包含的范围很广。（1）稍密的很湿到状态的饱和粉砂、细砂，地下水与土粒之间的相互作用，使得土粒间粘结力削弱，从而降低其强度。故其水稳性很差，当其处于地下水位以下时承载力很低，利用其作为天然地基容易发生问题，不能回避时，作为直接持力层应重视。涿州某工程，CFG桩施工完成后，露天搁置；附近水管爆裂粉砂被水浸泡，承载力急速降低。（2）填土因水作用其强度和变形模量发生显著变化。通过浸水与不浸水试验对比表明，浸水使填土的力学指标下降，特别在含水量和密实度较低时，其下降幅度更为明显

36、。当密实度逐渐增高，含水量虽然不同，其变形模量的降低值也逐渐减小，最后趋近于零，即变形模量不因浸水而下降。这说明填土的水稳性与渗透性有关。随着填土密实度增加，其透水性明显减小，从而提高填土的水稳性。这一结论对稍密的粉砂同样适用。第43页/共103页（3）泥岩。泥岩中的矿物颗粒在水的作用下，颗粒间的连结将逐渐破坏，使水分进入层状颗粒之间，从而在岩石内部产生不均匀内应力以及大量的微孔隙。这些微孔隙的出现及其吸附效应的影响，进一步破坏了岩石的内部结构体系，使泥岩在宏观上产生软化崩解的现象。（4）粘土质胶结粉砂岩崩解软化：该类岩石处于水饱和状态时的孔隙体积和孔隙表面积均将大幅增加，可能大孔径孔隙的增加

37、和岩石致密程度的下降是粘土质胶结粉砂岩遇水崩解软化的主要原因。（5）砂岩。风化后的砂岩遇水崩解，颗粒间的连结被破坏而生成砂土，随着含水量增加及崩解的发展，可能生成粉土；如果自然条件继续保持高含水量，那么可能生成黏性土。对于（3）（5）遇水宜软化的基岩，施工期间应防止水体与基岩接触。当基岩遭遇自然补给的水体，在表层形成薄层黏性土，阻止水体继续与基岩作用，保护基岩的力学性能，使其仍然能发挥天然湿度下的性能。第44页/共103页在合适的压力、温度和水文等条件下，即使是淤泥也可以转化为岩石；反之，岩石也可以转化为淤泥。工程设计面对的岩土在数百年时间里，显然难以经历巨大的压力和温度变化，但是经历剧烈的水

38、文变化是可能的，所以水对岩土性质的影响不可忽视。关于“淤泥可以转化为岩石”是一种极端的岩土变性现象，表明土体在受压情况下可能变硬，称之为“土体压硬性”，工程中也可应用这一特性。建筑地基基础设计规范第5.2.8条指出：对于沉降已经稳定的建筑或经过预压的地基，可适当提高地基承载力。第45页/共103页1.5各类地基的承载力比较在竖向荷载作用下，建筑地基可选用：天然地基、刚性桩复合地基、复合桩基、桩基承载力。天然地基指荷载完全由浅层土体承担，如图1.5-1（a）。复合地基与复合桩基，在竖向荷载作用下其本质是浅层土和深度土体，通过竖向增强构件（素混凝土刚性桩或者加钢筋笼的混凝土桩）的协调，一起发挥作用

39、，如图1.5-1（b）、（c）。桩基指竖向荷载完全由基桩承担，通过桩侧摩阻力和桩端阻力传递到深层土体，如图1.5-1（d）。(a)(b)(c)(d)第46页/共103页表1.5-1给出各类地基承载力计算的系数范围。比较这些计算式可以发现，浅层地基土的发挥率是其中的要点。刚性桩复合地基降低浅层土承载力发挥率，用CFG桩弥补承载力不足，这就表明，使用少量CFG桩不能提高地基承载力，可能会“降低”地基的“计算承载力”。对于粉砂、细砂（不包含很湿和饱和时的稍密状态），b=2.0，d=3.0；中砂、粗砂、砾石和碎石土,b=3.0，d=4.4，采用CFG处理后按现有规范计算,b=0，d=1.0，“计算承载

40、力”将严重偏低，为达到同等的承载力需要布置较多素混凝土桩。第47页/共103页复合地基与复合桩基，是浅层土和深度土体一起发挥作用。当浅层土体自身稳定性较差，则不能参与协同作用，因此也不能“复合”。这样的土体有：新近填土（未压实）、欠固结土、液化土、湿陷性土、高灵敏度软土、淤泥及淤泥质土等。工程中应避免在这类场地使用刚性桩复合地基。据笔者统计，已有多个淤泥及淤泥质土中的刚性桩复合地基项目，在施工中由于对土体扰动后，使淤泥土产生流动，从而推毁桩体，使得工程桩全部报废。在液化土中采用刚性桩复合地基，当前也存在不少。地震中液化土失效，竖向荷载将全部由CFG桩承担；此外液化土与非液化土界面处有水平位移突

41、增现象，使得素混凝土桩承受极大强迫变形，从而宜导致破坏。现有振动台试验表明即使非液化土中的CFG桩在大震下也不能保证处于弹性状态，那么在液化土中破坏则难以避免。第48页/共103页在湿陷性土中采用刚性桩复合地基，也屡见不鲜。传统的湿陷性地基土常采用浅层换填三七灰土（保留深层湿陷性土），并采取适当的（有组织）排水措施，可保障建筑物下地基土的水稳性。随着建筑物荷载增加，需要提高地基承载力。在诸多提高地基土承载力措施中，CFG桩并不能较好的达到这个目标。CFG上覆砂石褥垫层，是良好透水层，使湿陷性土极易遭遇降水而湿陷。湿陷后的土体不仅不能提供土反力，更不利的是反而要对桩体产生负摩阻力，使得桩体承受更

42、大的荷载，其结果（1）桩体压碎；（2）建筑物沉降加大，局部湿陷严重则差异沉降较大。第49页/共103页在欠固结土中采用强夯置换复合地基，也常被推荐。需要强调的是，强夯应首先解决土体的欠固结性质，然后才能通过置换提高其承载力；如果仅仅在夯坑位置强夯，并未对整个场地范围内的欠固结土进行加固，置换后的桩间土体仍然欠固结，那么“复合地基”的承载力是不可靠的，图1.5-2为某工程强夯漏夯引发的墙体倾斜和局部开裂。第50页/共103页1.6地基土承载力与地基沉降变形的统一性土力学中理论上对建筑物地基设计的有两个基本要求：（1）：整体稳定要求：荷载p0小于地基承载力fa，而地基承载力fa与土的强度(c、)有

43、关 ；平整场地上的整体稳定即为地基承载力问题；而边坡、挡墙和基坑的整体稳定则为抗滑移问题。二者在机理上一致。（2）沉降变形要求：沉降变形s小于“保障建筑物安全使用的”允许值 s， 与土的压缩性有关 ，当前多用用分层总和法计算沉降。在早期（19702000年）工程实践中，考虑到沉降计算较为复杂，如果所有工程都进行沉降计算，则可能给工程师带来较多工作量，因此在一定程度上赋予地基承载力特征值fak双重含义，一方面地基土不至于失稳破坏，再者建筑物沉降不至于过大。经过多年实践表明，这个做法基本合适。但是在“结构性软土”（淤泥及淤泥质土）场地，沉降过大。第51页/共103页多年地基基础设计及沉降观测实践表

44、明，按承载力计算主导地基基础设计可能导致某些性质较好的地基土过于保守，而对性质较差的地基土则偏于不安全；此外按地基土承载力进行设计基础的方法，不能解决差异沉降的有关问题，比如在同一建筑物下基础置于性质不同的地基土上，那么按承载力计算其基础尺寸不同，表面上看来承载力低的土其基础面积增加，可能沉降会稍小，实际上其沉降仍然可能偏大。当前对于工程师而言沉降计算过程并不复杂，因此笔者建议工程设计中应以总沉降计算和差异沉降分析为主，这样能更好的发挥某些好土质的潜力，同时通过沉降计算也能发现在软土中沉降过大从而避免将基础搁置于软土或填土上；经过实践、然后再总结的过程，对于建筑物的差异沉降工程师也能积累经验，

45、以便做出更好的地基基础设计。为达到这个目标，需要进行更多的建筑沉降观测以积累资料，便于进一步统计分析。因此地基基础设计可按下列次序进行：（1）建筑物应符合地基变形规定要求，软弱地基（可理解为淤泥及淤泥质土和一般黏性土）中应重点验算。（2）建筑物宜符合地基承载力要求。（3）经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等，以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物、基坑工程等应验算其稳定性。第52页/共103页1.8某工程实例 总结1）对于有深厚流塑状淤泥及淤泥质土的场地，按传统方法取的地基土承载力特征值fak与荷载平衡来计算基础尺寸，附加压力往往过大，导致沉降过大且不易稳定，有资料表明某些场地

46、在20年间处在不断沉降过程中，因此这类场地不宜用地基土承载力指标计算基础尺寸。2）深厚淤泥土中建筑物的沉降规律较为复杂，除了与淤泥土自身性质相关外，还和加载速度相关。现有沉降观测资料表明，流塑状淤泥及淤泥质土的实测沉降往往极大。这说明，按压缩模量Es计算的沉降不能反应其塑变性质，而这可能正是流塑状淤泥及淤泥质土产生变形的主要方面。因此，这类场地应按沉降控制设计地基基础。当采用天然地基时应计入较大的经验系数，如可取22.5。3）若采用复合地基或桩基础方案，应将竖向增强体穿透流塑状淤泥及淤泥质土，以减小建筑物沉降。桩基础可按减沉复合疏桩基础设计，在保障安全前提下可获得较好的经济指标。4）流塑状淤泥

47、及淤泥质土，通常天然含水量WS均大于液限含水量WL，液性指数IL大于0.75，在地震中宜震陷，因此不应将淤泥及淤泥质土作为天然地基持力层，故地基抗震承载力调整系数a对淤泥及淤泥质土也无意义。第53页/共103页1.8某工程实例 总结1）对于有深厚流塑状淤泥及淤泥质土的场地，按传统方法取的地基土承载力特征值fak与荷载平衡来计算基础尺寸，附加压力往往过大，导致沉降过大且不易稳定，有资料表明某些场地在20年间处在不断沉降过程中，因此这类场地不宜用地基土承载力指标计算基础尺寸。2）深厚淤泥土中建筑物的沉降规律较为复杂，除了与淤泥土自身性质相关外，还和加载速度相关。现有沉降观测资料表明，流塑状淤泥及淤

48、泥质土的实测沉降往往极大。这说明，按压缩模量Es计算的沉降不能反应其塑变性质，而这可能正是流塑状淤泥及淤泥质土产生变形的主要方面。因此，这类场地应按沉降控制设计地基基础。当采用天然地基时应计入较大的经验系数，如可取22.5。3）若采用复合地基或桩基础方案，应将竖向增强体穿透流塑状淤泥及淤泥质土，以减小建筑物沉降。桩基础可按减沉复合疏桩基础设计，在保障安全前提下可获得较好的经济指标。4）流塑状淤泥及淤泥质土，通常天然含水量WS均大于液限含水量WL，液性指数IL大于0.75，在地震中宜震陷，因此不应将淤泥及淤泥质土作为天然地基持力层，故地基抗震承载力调整系数a对淤泥及淤泥质土也无意义。第54页/共

49、103页第2章 建筑物地基变形控制地基和基础设计，从根本上来说应该是关于地基的变形设计，或者说是变形控制。当然，工程师普遍关注的“地基承载力”验算，应作为前提性的条件。从整体倾覆的建（构）筑物事故看，地基强度失效集中在淤泥及淤泥质土场地中，且荷载远远超过地基临界荷载p1/4，当前按地基土临界荷载p1/4计算出基础尺寸后，已避免了地基土强度失效的可能，因此工程师关注的重心应是建筑物沉降变形。再者，上部结构对地基的核心要求是“满足上部结构安全和正常使用的变形”，变形限值大体上分为两类：一是平均（绝对）沉降，按目前对地基最终总沉降的控制水平，smax=200mm，在这个前提下，地基整体失效概率极低；

50、二是沉降差，对于不同建筑物，沉降差体现为局部倾斜、相邻柱基沉降差、整体倾斜，在局部倾斜、相邻柱基沉降差的变形限定值条件下，在统计意义上，上部结构产生可承受的较小次内力，不至于产生局部破坏，而整体倾斜并不产生结构次内力。控制了地基变形，一方面能保障地基不致整体失稳，另一方面也能保障建筑物正常使用。不管是天然地基、复合地基还是复合桩基、常规桩基，只要能较为合理的控制（不是“计算”）地基变形，那么“按地基变形设计”较“按地基承载力设计”更为合理。第55页/共103页2.1地基沉降？还是基础沉降？基础搁置与地基上，二者变形必然协调。但分别从岩土工程和结构工程角度来看，却又有些不同。ssddsOO1OO

51、1O1O2ssd0（b）深埋基础（a）浅埋基础第56页/共103页2.2允许变形值指标的含义规范给出建构筑物在各类土上的【地基允许变形值】，实际为【建筑允许变形值】而非极限值，例如20m的高耸结构，其倾斜超过允许倾斜0.008时，并不代表着会整体倾覆，实际上某些构筑物倾斜达0.03仍未倾覆，但给使用造成了困难，直观上感觉危险。在进行地基变形计算时，应使变形计算值不超过地基允许变形值，以确保建筑物的正常使用及设备的正常运行。如变形计算值超过地基允许变形值时，一般应采取有效措施，如：当相邻荷载影响较大时应拉开相邻建筑物的距离；增强建筑物刚度；进行地基处理；采用桩基础等。由于不同建筑物的使用功能不同

52、，其整体抗弯刚度也有较大区别，因此对变形指标的需求也不同。第57页/共103页如工业建筑中的单层排架厂房，为保证吊车能正常使用，对相邻柱之间的沉降差要求很高，因此以此为控制指标。烟囱、水塔等高耸构筑物，自身抗弯刚度极大，应根据地质条件和荷载特征，以平均（绝对）沉降值和倾斜度指标控制，一般情况下以平均（绝对）沉降值控制。油罐、粮仓等构筑物，因直径多达3080m，基础底板抗弯刚度较差，较为符合柔性基础板特征，按角点法计算中心沉降和边角沉降，可得到中点和角点较大的沉降差，在软土场地，沉降差可达3040cm，因此软土场地的这类构筑物应以控制沉降差异为主。由于这类结构的沉降差不会对结构产生次内力，因此允

53、许沉降差可适当加大至0.005l，但应使得基础筏板不至于开裂渗漏。第58页/共103页如民用建筑中的砌体结构，荷载不大但自身整体抗弯刚度较大，一般不宜破坏，因此多数情况控制平均沉降即可；仅在地质条件有突变的情况下，为防止局部损坏，对局部沉降差要严格控制。对于钢筋混凝土结构的高层建筑，本身刚度极大，一般仅控制平均沉降量，仅在场地土不均匀或者风荷载极大时，才需要控制整体倾斜。框架结构常为多层，荷载不大但整体抗弯刚度较小，相邻柱沉降差过大时可能在超静定结构中产生较大次内力，因此控制相邻柱倾斜率是重点。不过实测表明除非至于软弱土中的框架结构，否则差异沉降均小于0.002l。近些年广泛应用的框架剪力墙结

54、构、框架核心筒结构，其重点是控制相邻柱（墙）之间的差异沉降，以减小结构次内力。由于这类结构常常高达100m，相邻（墙）沉降差往往过大而导致基础底板开裂渗水，此时无法提高结构整体抗弯能力，基础底板抗弯能力亦有限，而桩基础在控制沉降差方面则具有天然优势，因此此类结构常采用桩基础。第59页/共103页（1）民用高层建筑允许平均沉降值建筑物损坏的主要原因是由于建筑物的沉降差造成，而平均沉降不能确切反映这种特征。如建筑物在软硬地基交界处或荷载相差悬殊时，其沉降差往往最大，尽管此时整个建筑物的平均沉降不是很大，建筑物很可能在该处损坏。相反有的建筑物平均沉降很大但沉降均匀，建筑物仍为损坏并正常工作。另外，同

55、一建筑物在不用地基上的沉降值又有很大差别，这是由于坚硬土和软弱土的特性不同决定的。采用允许平均沉降值，是考虑到设备管线需要穿过建筑外墙进入室内，如果建筑物沉降过大，管线可能损坏。各类管线都是生活中不可或缺的，因此应得到确实的保障。此外软土地区建筑物沉降过大，可能造成散水倒倾，室内外高差偏小时，雨水可能入室，不便于使用。因此对于民用高层建筑提出平均沉降量限值为200mm。 第60页/共103页（2）允许绝对沉降值对多层砖石结构或多层框架结构，用绝对沉降值亦不可能作为合理的控制指标。但是对于建造在比较均匀地基上的单排排架结构，由于吊车荷载占总荷载比例大，设计时也难以估计相邻两柱之吊车荷载的差异，这

56、样也难以预估相邻柱基的沉降差。此时，用允许绝对沉降值作为控制指标，通过实测统计来获得与沉降差的相关关系，从而在统计经验上达到控制沉降差的目标。显然，在不同地基土上其指标会不同。如果要严格控制沉降差，那么则可通过严格控制单柱独立的绝对沉降来实现。因此对于柱距为6m的单层排架结构柱基的沉降量，在中、低压缩性土中，宜控制在120mm以内；在高压缩性土中，宜控制在200mm以内。实际上当前设计在高压缩性土中的地基，常采用桩基础。 第61页/共103页（3）单层排架结构的允许沉降差单层排架结构沉降差主要取决于是否影响吊车的使用。吊车使用期间可能产生较大差异沉降，某些设计时考虑了吊车轨道调整，某些设计则考

57、虑吊车轨道不调整，两种情况对排架柱差异沉降的要求极为不同，规范考虑最不利工况即不调整轨道，提出桥式吊车轨面的倾斜率限值在纵向为0.004，横向为0.003。（4）砌体结构允许局部倾斜度这是局部性损坏类型。例如，由于地基不均匀，局部荷载过大；或体型复杂或局部堆载等因素而引起的结构性损坏属于这种类型，此时依靠结构刚度来调整差异沉降，效果并不明显。因此有必要从设计上开始控制。由于影响范围仅仅是建筑物的一部分，所以定名为局部倾斜。局部倾斜可用两点之间沉降差来控制，沉降差是指两点之间的变形计算值，其长度一般取610m。第62页/共103页在低压缩性土地区收集到27栋45层的多层砖石承重结构的沉降观测资料

58、，全部未见开裂，最大局部倾斜在0.0017以内。在中压缩性土地区收集到34栋多层砖石承重结构的沉降观测资料，没有开裂的有30栋，其中26栋最大局部倾斜小于0.0025；已经开裂的有4栋，其中2栋的最大局部倾斜为0.002，其他2栋则大于此数。因此在中、低压缩性土上的多层砖石承重结构地基允许局部倾斜定为0.002。在高压缩性土地区收集到43栋多层砖石承重结构的沉降观测资料，建筑物没有开裂的有30栋，其中有25栋的最大局部倾斜0.004，占未开裂的83%；开裂的有13栋，其中仅有一栋最大局部倾斜为0.0018（微裂）其余12栋的最大局部倾斜大于0.00375，考虑一定的安全度，允许局部倾斜定为0.

59、003。虽然提出了控制指标，但计算局部倾斜相当困难，不过这并不影响工程建设。在中、低压缩性土上建造砌体结构，总沉降较低沉降差也较小，从观测资料看，局部倾斜造成的砌体结构开裂极少；在高压缩性土地区建造砌体结构，按现在建设质量的要求，当软土较薄时进行地基处理，软土较厚时则用桩基础，即使局部有土层厚薄不均的情况也处理的较为均匀了，此时难以发生建筑物局部倾斜的情况。事实上，建筑物能承受的沉降差与建筑物强度密切相关。近些年建设的砌体结构，大量设置圈梁和构造柱，对局部倾斜的承受能力大大提高；同时在存在局部土层较大差异的场地常用桩基础，安全度得到极大提高。第63页/共103页（5）高层建筑、高耸构筑物（烟囱

60、、水塔等等）的允许平均沉降值和整体倾斜对于一般的高耸构筑物，其自身整体抗弯刚度极大，允许变形主要考虑的是确定构筑物整体稳定。当地质条件复杂且不均匀时，以及在软弱场地必须考虑相邻建筑物影响和风荷载作用时，应将整体倾斜值作为控制指标。一般情况下，只要控制其平均沉降值即可。对收集到的73座不同类型的高耸构筑物的沉降资料统计分析，根据其规模大小分别定出不同的地基允许变形值。在坚硬地基（fak300kPa）地区收集21座高耸构筑物的沉降观测资料，其中有90120m高烟囱12座，高炉、热风炉7座，水泥塔、煤塔各1座。由于土质很好，地基变形很小，平均沉降最大为26mm，一般为10mm左右。最大倾斜为0.12