基础工程绪论第2章课件

1、 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6

2、5 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38

3、m，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 s200m）、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

4、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.

5、 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

6、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

7、.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90m1.4 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

8、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 图1.12 柔性基础刚性基础，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/m2s 相应于某点的竖向位移,mk 基床系数，kN/m3 图

9、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

10、)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

11、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 刚性基础构造要求基础材料质量要求台阶宽高比允许值pk100100pk200200pk300混凝土基础C15混凝土11.0011.0011.25毛石混凝土基础C15混凝土11.0011.2511.50砖基础砖不低于MU10,M15砂浆11.5011.5011.50毛石基础M15砂浆11.25

12、11.50灰土基础体积比为37或28的灰土，其最小干密度：粉土1.55 t/m3；粉质粘土：1.50 t/m3；粘土：1.45 t/m311.2511.50三合土基础体积比为124136（石灰砂骨料），每层约需铺220mm，夯至150mm11.5011.20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

13、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

14、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

15、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

16、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重点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

17、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 上部结构情况冲（洪）积土坡积土 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 Pcr、 P1/4、 Pu原则：不过分严格，也

18、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fakp-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fa

19、k=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fak2.3.2 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修正后得标准贯入击数N查表得：承载力标准值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

20、示意图GB50007(建规)推荐的公式(P1/4) 条件：荷载偏心距e3m, 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： 定名Dr、N 查

21、表得0 IL定态修正？前公式粘性土Ip砂类土（粒径级配）Y=0N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

22、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测试项目数 据样本数n平均值标准贯入试验N8.3，11.7，12.0，10.5，10.2，7.269.98轻型触探试验N10

23、26，56，49，39，53，47，45，43，72，26，33，37，33，35，491542.9孔隙比e0.466，0.602，0.773，0.796，0.671，0.80860.716液性指数IL0.47，0.58，0.72，0.78，0.66，0.7660.66承载力归总表 （多种方法综合确定）方 法依 据fak或fa (kPa)标准贯入试验修正后的锤击数N=6.83186轻型动力触探试验修正后的锤击数N10=23172物理性试验指标e=0.716, IL=0.66194理论公式jk=20，ck=8 kPafa =276.32.4 刚性基础与扩展基础 的设计计算 要点：地基承载力验算基

24、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，m3ex 、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 =（1.1

25、1.4） 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b2.4.1 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：

26、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

27、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

28、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 墙下钢筋混凝土条形基础的验算截面基础高度验算验算截面处的剪力： a验算截面-距基础边缘距离确定剪力后，基础有效高度h0由混凝土抗剪条件确定。基础底板配筋由验算截面处的弯矩M决定 p计算截面的地基净反力确定弯矩后，可计算基础底板的配筋面积。偏心荷载 柱下钢筋混凝土独立基础基

29、础底板厚度由抗冲切验算定中心荷载作用：图2.24 冲切破坏示意图Fj地基净反力设计值，Fj=PjAlam冲切破坏锥体最不利一侧计算长度偏心荷载作用时，将上式中的Pj换成Pjmax则可。2.4.4 钢筋混凝土扩展基础结构设计基础底板配筋由抗弯验算定轴心或偏心荷载作用下，对矩形基础，当满足： 台阶宽高比2.5 偏心距el/6 图2.25 矩形基础底板计算求出M后，由此可计算底板长、短边方向受力钢筋面积As和As。 柱下钢筋混凝土独立基础要求 s s s地基变形特征值，包括：沉降量、沉降差、倾 斜、局部倾斜。按土力学中的方法计算 s相应的允许地基变形特征值，根据建筑物的结构特征、使用条件和地基土的类别查规范确定2.