ch1地基基础设计原则

1、ch1地基基础设计原则第一页，共132页。本章学习目标Study Goal of the Chapter掌握基础工程设计的目的、任务、设计原则、基本规定。了解承受结构全部荷载的地基类别及其受荷后的力学特性。熟悉各种类型的浅基础与深基础及其适用范围。了解地基基础上部结构共同工作概念。第二页，共132页。111 基础工程设计目的Design Purposes of Foundation Engineering建筑工程结构安全等级：三等公路工程结构三个设计安全等级建筑地基基础设计规范（GB500072002）第3.01.条文：根据地基复杂程度建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影

2、响正常使用的程度将地基基础设计分为三个设计等级设计时应根据具体情况按表3.0.1 选用。第三页，共132页。第四页，共132页。112 基础工程设计任务Design Tasks of Foundation Engineering三种工况持久工况：在结构使用过程中一定出现，持续时间很长的状况，如：结构自重、车辆荷载。持续期一般与设计使用年限魏同一数量级短暂工况：在结构施工和使用过程出现概率较大，而与设计使用年限相比，持续时间很短的状况，如施工和维修等。偶然工况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续时间很短状况，如：火灾、爆炸、撞击等。承载能力极限状态：三种工况正常使用极限状态：持久工况（必须）

3、短暂工况（视需要而定） 偶然工况（不必）第五页，共132页。1-2 地基基础设计原则Design Principles of Subgrade and Foundation1-2-1概率极限状态设计法与极限状态设计原则Probability Limit Design Method and Limit State Design Principles 结构可靠度概念：结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。对于普通房屋，“规定时间”一般取为50年。结构功能函数Z=RS 结构可靠度：f(Z)功能函数Z的分布密度函数第六页，共132页。1-2 地基基础设计原则Design Princi

4、ples of Subgrade and Foundation1-2-1概率极限状态设计法与极限状态设计原则Probability Limit Design Method and Limit State Design Principles 极限状态分类：承载能力极限状态 正常使用极限状态承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力或不适合于继续承载的变形或变位。正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。第七页，共132页。1、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。基础工程设计的第一份资料就是按照相关规范计算的传递至基础

5、顶面和底面的荷载。结构分析步骤：上部结构、地基与地基三者分开独立进行。1-2-2地基基础设计资料Basic Design Information of Subgrade and Foundation第八页，共132页。第九页，共132页。2、岩土工程勘察资料 基础工程设计的第2份资料是反映有关地基抗力性能的岩土工程勘察报告。岩土工程勘察报告提供资料内容： P.10 建筑地基基础设计规范GB50007-2002）第条文：1-2-2地基基础设计资料Basic Design Information of Subgrade and Foundation第十页，共132页。1-2-2地基基础设计资料Ba

6、sic Design Information of Subgrade and Foundation第十一页，共132页。设计者应通过阅读岩土工程勘察报告书，熟悉建筑物场地的地层分布情况，每层土的厚度、均匀程度、物理力学性质指标，从而根据上部结构力系的特点（中心受压、偏心受压）和使用要求合理选择基础持力层（基础底面直接受力土层）。确定持力层的地基承载力时，大部分情况下可直接使用勘察报告书的结果。对于甲级建筑物并缺乏当地建筑经验物资料时，承载力值应以现场荷载试验为依据，以避免造成设计失误。对于地质条件复杂的地区，要全面细致地阅读报告及附件内容。例如场地的地质构造（断层、褶皱等），不良地质现象（泥石

7、流、滑坡、崩踏、岩溶、塌陷等），避开不稳定的区域，查清分布规律、危害程度，在确保场地稳定性的条件下进行结构设计。如不能改变场地区域，必须预先采取有力措施，防患于未然。对报告书中的结论和建议，应结合具体工程，判断其适用性，发现问题应及时与勘察部门联系解决。基础工程施工过程中，地基持力层、桩周土层均可肉眼直接观察或用简单仪器测试，此时是校核报告书成果可靠性的最佳时机，可以及时发现地基勘察中失真的数据与未发现的问题。第十二页，共132页。第十三页，共132页。第十四页，共132页。第十五页，共132页。2、岩土工程勘察资料 基础工程设计的第2份资料是反映有关地基抗力性能的岩土工程勘察报告。岩土工程勘

8、察报告提供资料内容： P.10地基评价宜采用钻探取样、室内土工试验、触探、结合其他原位试验进行。各级建筑物应进行施工验槽。3、原位测试资料 基础工程设计的第3份资料是地基承载力、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1-2-2地基基础设计资料Basic Design Information of Subgrade and Foundation第十六页，共132页。第十七页，共132页。第十八页，共132页。第十九页，共132页。第二十页，共132页。1-2-3 地基基础设计基本规定Basic Design Regulations of Subgrade and Foundat

9、ion基本规定（建筑地基基础设计规范GB50007-2002）第3 .0.2条文：第二十一页，共132页。第二十二页，共132页。第二十三页，共132页。第二十四页，共132页。第二十五页，共132页。1-3 地基类型Types of Subgrade1-3-1 天然地基 Natural Subgrade 1、土质地基 土按颗粒级配或塑性指数可以划分为:碎石土、砂土、粉土和粘性土。碎石土和粘性土的划分符合下表规定(规范条文)第二十六页，共132页。目前作为国家标准和应用较广的土的工程分类主要有建筑地基基础设计规范和岩土工程勘察规范的分类。该分类体系源于前苏联天然地基设计规范，结合我国土质条件和

10、50多年来实践经验，经改进补充而成。其主要特点是：在考虑划分标准时，注重土的天然结构连结的性质和强度，始终与土的主要工程性质变形和强度特征紧密联系。首先考虑了按堆积年代和地质成因的划分，同时将某些特殊形成条件和特殊工程性质的区域性特殊土与普通土区别开来。在以上基础上，总体再按照颗粒级配或塑性指数分为碎石土、砂土、粉土和粘性土四大类，并结合堆积年代、成因和某种特殊性质综合定名。土的地质成因：残积土、坡积土、洪积土、冲积土、湖积土、海积土、冰积土、冰水沉积土和风积土。第二十七页，共132页。（一）残积土岩石经风化后未被搬运而残留于原地的碎屑物质所组成的土体，它处于岩石风化壳的上部。第4章 地貌及第

11、四纪地质第二十八页，共132页。坡面片流短距离搬运松散堆积坡积层1.坡积土片流将山坡高处的风化碎屑物顺坡冲洗，堆积在较平缓的山坡脚处而形成。第4章 地貌及第四纪地质第二十九页，共132页。工程地质特征工程地质评价第4章 地貌及第四纪地质残坡积土第三十页，共132页。大学城残 坡积层堆积物第4章 地貌及第四纪地质第三十一页，共132页。大学城残坡积层小滑坡大学城残坡积层小滑坡第4章 地貌及第四纪地质第三十二页，共132页。大学城残坡积层滑坡 06级杜江同学拍第4章 地貌及第四纪地质第三十三页，共132页。贵州省三穗县台烈镇宏头村2003.5.11山体滑坡35人16间工棚第三十四页，共132页。山

12、洪急流冲刷搬运冲沟洪积层洪积扇洪积锥洪积裙或洪冲积平原 堆积地貌 2.洪积土由暴雨形成的暂时性山洪急流带来的碎屑物质在山沟出口处堆积而成。 第三十五页，共132页。洪积扇洪积锥第三十六页，共132页。喜马拉雅山前洪积扇图为藏南第4章 地貌及第四纪地质第三十七页，共132页。能量损失沉积冲积土河流搬运3.冲积土 明显的分选现象磨圆度较好产状：多具层理，并有尖灭、透镜体 1）冲积土的特征2）类型： 第4章 地貌及第四纪地质第三十八页，共132页。河床相冲积土： 在河流上游多是粗大的石块、砾石和粗砂，中下游或平原地区沉积物变细，磨圆度好，厚度很大。 古河床相土的压缩性低，强度高。 现代河床堆积物的密

13、实度差，透水性强，若作为水工建筑物的地基将引起坝下渗漏。饱水砂土还可能由于振动而引起液化。第三十九页，共132页。河漫滩相冲积土： 是在洪水期河水漫溢河床两侧，携带碎屑物质堆积而成。土粒较细，可以是粉土、粉质黏土或黏土，并夹有淤泥或泥炭等软弱土层，覆盖于河床相冲积土之上，形成上细下粗的“二元结构”。第四十页，共132页。河漫滩沉积第4章 地貌及第四纪地质第四十一页，共132页。 牛轭湖相冲积土： 是在废河道形成的牛轭湖中沉积的松软土，颗粒很细，常含大量有机质，有时形成泥炭。压缩性很高，承载力很低，不宜作为建筑物的天然地基。第4章 地貌及第四纪地质第四十二页，共132页。43/78 河口（海口）

14、三角洲相冲积土：通常是淤泥质土或典型淤泥。面积宽广而厚度极大。不宜作为建筑物的天然地基。但表层硬壳层，有时可用作低层建筑物的地基第4章 地貌及第四纪地质第四十三页，共132页。湖积土湖边沉积物是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质在湖边沉积而形成的。近岸带沉积的多是粗颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带则是细颗粒的砂土和黏性土。湖心沉积物是由河流携带的细小悬浮颗粒到达湖心后沉积形成，主要是黏土和淤泥，常夹有细砂、粉砂薄层，土的压缩性高，强度低。沼泽土主要由半腐烂的植物残体泥炭组成，含水量极高，承载力极低，不宜作天然地基。（三）其他类型的松散堆积物第4章 地貌及第四纪地质第四十四页，共132页。滨海沉积物主要由

15、卵石、圆砾和砂组成，承载力较高。浅海沉积物主要由细粒砂土、黏性土、淤泥和生物化学沉积物组成，有层理构造，较疏松，含水量高，压缩性大而强度低。深海沉积物主要是有机质软泥。海积土第4章 地貌及第四纪地质第四十五页，共132页。在干旱的气候条件下，岩石的风化碎屑物被风吹扬，搬运一段距离后，在有利的条件下堆积起来的一类土，最常见的是风成砂和风成黄土。风积土第4章 地貌及第四纪地质第四十六页，共132页。47/78 由冰川或冰水挟带搬运所形成的沉积物。分选性极差,石料占多数,冰水沉积物可有一定成层性、分选性。冰积土第4章 地貌及第四纪地质第四十七页，共132页。1-3 地基类型Types of Subg

16、rade碎石土为粒径大于2mm 的颗粒含量超过全重50%的土。砂土为粒径大于2mm 的颗粒含量不超过全重50% 粒径大于0.075mm 的颗粒超过全重50%的土。第四十八页，共132页。1-3 地基类型Types of Subgrade第四十九页，共132页。1-3 地基类型Types of Subgrade土的工程特性指标Engineering Index of Soil第五十页，共132页。1-3 地基类型Types of Subgrade第五十一页，共132页。1-3 地基类型Types of Subgrade2 岩石地基岩石按成因不同，分为：岩浆岩、沉积岩、变质岩 按风化程度不同，分为

17、：未风化、微风化、中等风化、强风化第五十二页，共132页。风化作用第五十三页，共132页。风化环境节理裂隙应力释放第五十四页，共132页。Physical Weathering物理风化是指岩石、矿物在地表自然环境中原地产生单纯的机械破碎，又称机械风化作用剥离作用结晶胀裂冰劈作用第五十五页，共132页。Chemical Weathering化学风化化学风化作用：由于岩石暴露于水和大气（二氧化碳和水蒸汽）中，岩石发生分解并形成新的化合物的作用。砂岩和页岩中的铁镁矿物经化学风化作用形成褐铁矿（氧化）正长石经与含CO2水的作用形成粘土（碳酸化）第五十六页，共132页。Biological Weathe

18、ring生物风化作用由于动物和植物的介入，导致的物理风化作用和化学风化作用。第五十七页，共132页。 岩石的风化一般是由表及里，从地表往地下逐渐减弱； 风化剖面自下而上分成四个风化带：微风化带、弱风化带、强风化带和全风化带。 （2）风化带 岩石风化带的界线，是一项重要的工程地质资料，也是确定岩基持力层、基坑开挖、挖方边坡坡度以及采取加固措施的依据之一。风化带第五十八页，共132页。第4章 地貌及第四纪地质第五十九页，共132页。第六十页，共132页。河流冲积平原、山前洪积冲积平原、湖积平原、风积平原和冰碛平原 第六十一页，共132页。第六十二页，共132页。1-3 地基类型Types of S

19、ubgrade3、特殊土地基湿陷性黄土地基：在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并发生显著附加下沉的黄土。膨胀土地基：土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀与失水收缩两种变形特性，其自由膨胀率大于或等于40%的粘性土。冻土地基：含有冰的土（岩）称为冻土。冻结状态持续两年或两年以上的土（岩）称为多年冻土。地表层冬季冻结，夏季全部融化的土称为季节冻土。冻土中易溶盐的含量超过规定限值称为盐渍化冻土。红粘土地基：红粘土为碳酸盐岩系的岩石经红土化作用形成的高塑性粘土其液限一般大于50 红粘土经再搬运后仍保留其基本特征其液限大于45 的土为次生红粘土。第六十三页，共132页。64/78

20、 由碳酸盐类岩石在湿热气候条件下，经强烈风化作用而形成的高塑性黏土。 分布: 云贵高原、四川东部、广西、粤北及鄂西、湘西。低山丘陵地带顶部和山间盆地、缓坡及坡脚地段。 红土与红黏土第六十四页，共132页。工程特性：高含水量、高塑性，硬塑或可塑状态。孔隙比大、低密度、孔隙饱水。压缩性低、强度高、地基承载力高。浸水后膨胀量小，但失水后收缩剧烈。第六十五页，共132页。红黏土的表层，为良好地基。可充分利用其作为天然地基持力层，基础宜尽量浅埋。红黏土的底层，接近下卧基岩面附近，尤其在基岩面低洼处，因地下水积聚，常呈软塑流塑状态，强度低，压缩性高，容易引起地基不均匀沉降。应注意查清基岩面起伏状况，并进行

21、必要的处理。对红黏土中的土洞，应查明其部位与大小，进行填充处理。红黏土地基评价：红黏土中的网状裂隙，对土坡和基础有不良影响，基槽应防止日晒雨淋。第六十六页，共132页。红粘土的干缩第六十七页，共132页。 是一种富含亲水性黏土矿物,且随含水量的增减体积发生显著胀缩变形的硬塑性黏土。 分布： 全国。云南、广西、贵州、湖北最具代表性。一般位于山前丘陵地区或河谷高阶地上。 因外墙基土收缩、基础向外扭转，墙体呈水平裂缝膨胀土第六十八页，共132页。特征： 1) 呈黄褐、灰白、花斑等颜色； 2) 黏粒含量高，且为亲水性很强的蒙脱石等黏 土矿物，土中可溶盐及有机质含量较低，常 含铁锰或钙质结核，结构致密；

22、 3) 表面有大量网状裂隙，裂面有腊状光泽的挤 压面。第六十九页，共132页。工程特性：低含水量，呈坚硬硬塑状态；孔隙比小，密度大；高塑性，含黏粒及粉粒为主；具膨胀力,自由膨胀量40%；天然状态下压缩性低，承载力高，但由于干缩裂隙发育,稳定性差。浸水后或被扰动时,强度骤然降低。第七十页，共132页。湖南某高架灌渠支墩因膨胀土地基而倾斜第七十一页，共132页。膨胀土对铁路的破坏及治理第七十二页，共132页。膨胀土边坡的失稳第七十三页，共132页。膨胀土边坡治理第七十四页，共132页。第七十五页，共132页。第七十六页，共132页。第七十七页，共132页。第七十八页，共132页。第七十九页，共13

23、2页。第八十页，共132页。第八十一页，共132页。第八十二页，共132页。膨胀土地基胀缩引起路面开裂第八十三页，共132页。1-3 地基类型Types of Subgrade1-3-2 人工地基 Artificial Subgrade 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。 土质地基中含水量大于液限，孔隙比e大于或等于1.5 或天然孔隙比小于1.5 但大于或等于1.0 的新近沉积粘性土为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥混砂、泥炭及泥炭质土。土的工程特性：强度低、压缩性高、透水性差、流变性差、灵敏度高地基处理方法：置换 夯实 挤密

24、 排水 胶结 加筋 化学处理第八十四页，共132页。袋装砂井第八十五页，共132页。多孔单一结构型塑料排水板 复合结构塑料排水板 第八十六页，共132页。塑料排水板施工第八十七页，共132页。施工后的塑料排水板第八十八页，共132页。强夯法第八十九页，共132页。深层搅拌桩施工现场第九十页，共132页。第九十一页，共132页。振冲桩方法第九十二页，共132页。振冲桩方法第九十三页，共132页。振冲桩方法第九十四页，共132页。振冲桩方法第九十五页，共132页。振冲桩方法第九十六页，共132页。振冲桩方法第九十七页，共132页。振冲桩方法第九十八页，共132页。长螺旋钻机第九十九页，共132页。

25、德州东站CFG施工第一百页，共132页。第一百零一页，共132页。邯郸东站CFG施工第一百零二页，共132页。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Types of Foundation箱形第一百零三页，共132页。141 浅基础Shallow Foundation1、单独基础：小跨度桥梁墩台下、单层工业厂房排架柱下或公共建筑框架柱下常常采用单独基础，或称为独立基础。1.4 基础类型Types of Foundation第一百零四页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation1

26、41 浅基础Shallow Foundation1、单独基础： 有时墙下采用单独基础，在基础顶面设置钢筋混凝土基础梁，并于墙上砌筑墙体。第一百零五页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation141 浅基础Shallow Foundation1、单独基础： 刚性基础：单独基础采用抗弯强度、抗剪强度低的砌体材料且满足刚度要求时，称为刚性基础(Rigid Foundation)。 扩展基础：采用抗弯、抗剪强度高的钢筋混凝土材料时，称为钢筋混凝土独立基础，简称扩展基础(Spread Foundation)。第一百零六页，共132页。1.4 基础类型Types of Found

27、ation141 浅基础Shallow Foundation2、条形基础 当柱子的荷载过大，地基承载能力不足时，可将单独基础底面联结成为柱下条形基础承受一排柱列的总荷载。第一百零七页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation141 浅基础Shallow Foundation3、十字交叉基础 柱下条形基础在柱网的双向布置，相交于柱位处形成交叉条形基础。当地基软弱，柱网的柱荷载不均匀，需要基础具有空间刚度以调整不均匀沉降时多采用此类型基础。第一百零八页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation141 浅基础Shallow Foundation4、

28、筏形和筏板基础片筏基础第一百零九页，共132页。箱形基础1.4 基础类型Types of Foundation141 浅基础Shallow Foundation5、箱形基础第一百一十页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation141 浅基础Shallow Foundation5、箱形基础箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和内外纵横墙体组成的格式空间结构。特点：埋深大、整体刚度好 补偿性基础，降低了基础沉降量缺点：施工技术复杂、工期长、造价高第一百一十一页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation141 浅基础Shallow Foundation

29、5、箱形基础第一百一十二页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation142 深基础Deep Foundation1、桩基础桩基础是将上部结构荷载通过桩穿过软弱土层传递给下部坚硬土层的基础形式。桩基础由若干根桩和承台两部分组成。第一百一十三页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation142 深基础Deep Foundation1、桩基础第一百一十四页，共132页。1.4 基础类型Types of Foundation142 深基础Deep Foundation2、沉井和沉箱基础沉井是井筒状的结构，它先在地面预定位置或在水中筑岛处预制井筒结构，然

30、后在井内挖土、依靠自重克服井壁摩阻力下沉至设计标高，经混凝土封底，并填塞井内部，使其成为建筑物深基础。图1.8 沉井基础第一百一十五页，共132页。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图1.8 沉井基础1.4 基础类型Types of Foundation142 深基础Deep Foundation第一百一十六页，共132页。1.5地基、基础与上部结构共同作用Interaction Between Subgrade, Foundation and SuperStructure151 共同工作概念Concept of Interaction砌体结构

31、的多层房屋由于地基不均匀沉降而产生开裂，如图所示。说明上部结构、基础、地基三者不仅在二者的接触面上保持静力平衡，而且三者相互联系成为一个整体共同承担荷载而发生变形。第一百一十七页，共132页。成功案例：法兰克福展览会大楼第一百一十八页，共132页。成功案例：法兰克福展览会大楼第一百一十九页，共132页。法兰克福展览会大楼基础结构法兰克福展览会大楼为筒中筒结构，共56层，高达256m。该大楼采用桩筏基础，桩基支撑于第四纪粘土上，属于摩擦桩。为减少沉降，运用补偿原理，厚筏（中部6m，周边3m）埋深达14m，三层地下室。设计中大胆地按筏底地基土承担67荷载考虑，余下33荷载由桩基础承担。64根直径1300的钻孔桩长度不等。大体按照环形布置。第一百二十页，共132页。法兰克福展览会大楼四角设28根桩，桩长26.9m ；边桩20根，长30.9m，内设16根桩，长4.9m。其意图式加大内环桩的支承反力，减少边、角桩的支承