力学与结构课件幻灯片T17

第17章

地基与基础

目录.ppt土的工程性质及分类土中应力及地基计算基础的类型及选用柱下钢筋混凝土独立基础设计桩基础设计习题本章内容

教学要求：了解土的组成及基本性能、土的工程特性指标、地基承载力、安全使用地基的概念；了解基础的类型与选用；了解浅基础类型、浅基础设计的一般要求、设计步骤和方法；重点掌握柱下钢筋混凝土独立基础设计；了解桩的分类、单桩承载力的确定、桩基础设计、承台的设计及构造要点。

建筑结构都是由埋在地面以下一定深度的基础和支承于其上的上部结构组成的，基础又坐落在称为地基的地层(土或岩石)上，地基与基础示意图如图17.1所示。作为地基的地层无论是土或岩石，均是自然界的产物。由于自然环境和条件的复杂性，决定了天然地层在成分、性质、分布和构造上的多样性。除了一般的土类和构造形态之外，还有许多特殊的土类和不良地质现象。在建筑物设计之前，必须进行工程地质勘察和评价，充分了解地层的成因和构造，分析岩土的工程特性，提供设计计算参数。这是搞好地基基础工程设计与施工的前提。图17.1地基与基础示意图基础是建筑结构的重要受力构件，上部结构所承受的荷载都要通过基础传至地基。地基与基础对建筑结构的重要性是显而易见的，它们埋在地下，一旦发生质量事故，不光开始难以察觉其修补工作也要比上部结构困难得多，事故后果又往往是灾难性的，实际上建筑结构的事故绝大多数是由地基和基础引起的。基础是建筑结构的一部分，和上部结构相同，基础应有足够的强度、刚度和耐久性。基础虽然有很多种型式，但可概括分为两大类，即浅基础和深基础。深、浅基础没有一个明确的分界线，一般将埋置深度不大，只需开挖基坑及排水等普通施工工艺建造的基础称为浅基础；反之，埋置深度较大，需借助于特殊的施工方法建造的基础称为深基础。前面各章研究的是建筑结构的上部结构，本章研究与建筑结构的地基基础设计有关的主要问题。包括土的工程性质及地基计算、常用基础的类型与选用、浅基础设计、桩基础设计等基本内容。土的工程性质及分类一、土的三相组成、物理性质指标1.土的三相组成土一般由固体颗粒(固相)、水(液相)和空气(气相)组成。其中固体颗粒是土的骨架，气体、水及溶解物质填充孔隙，故土为三相体系。土中三相成分之间的比例和土中固体颗粒的大小、成分的不同，决定了土的不同性质，如干湿、轻重、软硬、松密、粘聚和离散性能。孔隙完全被水充满时为饱和土；孔隙完全被气体充满时为干土；含气体的土称为非饱和土。2.土的物理性质指标将土中原本相互分散交错的固体颗粒、气体和水分别集中起来，绘制出土的三相图。土的三相图分别按体积和质量表示了土中气体、水、固体颗粒间的比例关系，如图17.2所示。它是影响土的物理性质指标的主要原因，用它可计算土的各项基本物理性能指标。Va—土中气体体积；Vw—土中水体积；Vv—土中空隙体积，Vv=Vw+Va；Vs—土中颗粒体积；V—土的总体积；V=Vs+Vw+Va；ma—土中气体的质量，ma≈0；mw—土中水质量；ms—土中颗粒质量；m—土的总质量，m=mw+ms。图17.2土的三相组成示意图土的工程性质及分类1)土的密度(1)土在天然状态下即保持土原来的成分、结构和含水量不变的情况下，单位体积内土的质量称为土的天然密度ρ，即天然状态下土的密度变化范围很大，一般为ρ=(1.6～2.2)g/m3，通常采用“环刀法”测定。除土的天然密度外，还有土粒的相对密度(比重)ds、土的干密度ρd、土的饱和密度ρsat、土的浮密度ρ’。(2)土粒质量与同体积的4℃时水的质量之比，称为土粒相对密度(比重)ds，即(17-1)(17-2)式中，ρw——水在4℃时的密度，ρw=1g/cm3。一般土的土粒相对密度常为(2.65～2.76)g/cm3之间，对同一种类的土，其值变化不大，一般在试验室内用“比重瓶法”测定。(3)土单位体积中固体颗粒部分的质量，称为土的干密度ρd，即土的工程性质及分类土的干密度一般为(1.3～1.8)g/cm3，工程上常用土的干密度来评价填土的填压密实程度以控制工程质量。(4)土孔隙中充满水时单位体积的质量，称为土的饱和密度ρsat，即(5)土的浮密度是地下水位以下土的有效密度，等于单位体积中土粒的质量扣出同体积水的质量，即2)土的重度γ单位体积内土的重量称为土的重力密度，简称重度，即(17-3)(17-6)(17-5)(17-4)土的工程性质及分类在计算自重应力时，要采用土的重力密度γ，土的干重度γd、饱和重度γsat、浮重度γ’分别按下式计算：γd=ρdg、γsat=ρsatg、γ’=ρ’g，式中g为重力加速度。3)土的含水量ω土中水的质量与土粒质量之比，称为土的含水量ω，通常以百分比表示，即含水量是标志土的湿度的重要指标。土越湿则含水量越大，其工程性质就越差。土的含水量一般用“烘干法”测定。4)土的孔隙比e与孔隙率e(1)土中孔隙的体积与土粒的体积之比称为孔隙比e，即(2)土中孔隙体积与土总体积之比称为土的孔隙率n，用百分数表示，即(17-9)(17-8)(17-7)土的工程性质及分类土的孔隙比和孔隙率都是反映土体密实程度的重要物理性质指标。一般情况下，它们愈大，土愈疏松；反之土愈密实。5)土的饱和度Sr土中水的体积与孔隙体积之比称为土的饱和度Sp，用百分数表示，即土的饱和度反映了土中孔隙被水充满的程度。当Sr=1时，土孔隙内全被水充满；当Sr=0时，土是完全干燥的，通常可根据Sr的大小来区分土的潮湿状态。对于砂性土：当Sr小于50时，土是稍潮湿的；当Sr在50～80之间时，土是很潮湿的；当Sr大于80时，土是饱和的。以上土的各项三相物理性质指标中，密度ρ、土粒相对密度ds、含水量ω可通过土工试验测定，称为基本指标，由它们可导出其他各项指标，相应的换算公式见表17-1所示。(17-10)土的工工程性性质及及分类类表17-1土的三三相比比例指指标换换算公公式土的工工程性性质及及分类类【例17.1】】某原状状土样样的体体积为为70cm，湿土土质量量0.126kg，干土土质量量为0.1043kg，土粒粒的相相对密密度为为2.68。求土土样的的密度度、重重度、、干土土密度度、干干土重重度、、含水水量、、孔隙隙比、、饱和和土重重度及及有效效重度度。解(1)土的密密度：：ρ=0.126/70=0.0018kg/cm3=1.8t/m3。(2)土的重重度：：γ=ρg=1.810=18kN/m3。(3)干土密密度：：ρd=0.1043/70=0.00149kN/cm3=1.49t/m3。(4)干土重重度：：γd=ρdg=1.49××10=14.9kN/cm3。(5)土的含含水量量：ω=(0.126-0.1043)/0.1043=0.2081=20.81%。(6)土的孔孔隙比比：－－1=(2.681)/1.49-1=0.8。(7)饱和土土重度度：=(2.68+0.8)/(1+0.8)10=19.33kN/m3。(8)有效重重度：：γ’=γsat－γw=19.33-10=9.33kN/m3。6)塑限ωp、液限限ωL、塑性性指数数Ip及液性性指数数IL对于粘粘性土土，还还有塑塑限ωp、液限限ωL、塑性性指数数Ip及液性性指数数IL等物理理性质质指标标。(1)粘性土土由固固体状状态变变化到到可塑塑状态态的界界限含含水量量称为为塑限限ωp。一般般用““搓条条法””测定定。土的工工程性性质及及分类类(2)粘性土土由可可塑状状态变变化到到流动动状态态的界界限含含水量量称为为液限限ωL，一般般用锥锥式液液限仪仪测。(3)液限与与塑限限的差差值，，称为为塑性性指数数Ip，即Ip=ωL－ωp。塑性指指数习习惯上上用不不带“％”的的百分分数表表示。。由定定义知知Ip正好是是土处处于可可塑状状态的的上限限和下下限含含水量量。Ip越大表表明土土的颗颗粒愈愈细、、比表表面积积愈大大、土土的粘粘性或或亲水水矿物物(如蒙脱脱石)含量愈愈高、、土处处在可可塑状状态的的含水水量变变化范范围就就愈大大。塑塑性指指数能能综合合反映映粘土土的矿矿物亲亲水性性成分分和颗颗粒大大小等等影响响粘性性土特特征的的各种种重要要因素素的影影响，，常作作为工工程上上对粘粘性土土分类类的重重要指指标。。粘性性土的的分类类如表表17-2所示。。表17-2粘性土土的分分类(4)土的天天然含含水量量对粘粘性土土的状状态有有很大大影响响，但但对于于不同同的土土，即即使含含水量量相同同，若若它们们的塑塑限、、液限限不同同，所所处的的状态态(固体体状状态态、、塑塑性性状状态态、、流流动动状状态态)也不不同同。。液液性性指指数数L是判判断断粘粘性性土土软软硬硬(或稀稀稠稠)程度度的的指指标标，，由由下下式式确确定定，，一一般般用用小小数数表表示示。。(17-11)土的的工工程程性性质质及及分分类类《建筑筑地地基基基基础础设设计计规规范范》(GB50007——2002)，以以下下简简称称规规范范，，根根据据IL的大大小小将将粘粘性性土土的的软软硬硬状状态态分分为为五五类类，，如如表表17-3所示示。。表17-3粘性性土土的的状状态态【例17.2】】某原原状状土土样样处处于于完完全全饱饱和和状状态态，，测测得得其其含含水水量量ω=32.45%，密密度度ρ=1.8t/m3。土土粒粒的的相相对对密密度度ds=2.65，液液限限ωL=36.4%，塑塑限限ωP=18.9%。试试求求：：(1)土样样的的名名称称及及其其物物理理状状态态；；(2)将土土样样压压密密，，使使其其干干土土密密度度达达到到1.58t/m，此此时时土土的的孔孔隙隙比比将将减减小小多多少少？？解(1)土样样的的塑塑性性指指数数IP=ωL－ωP=36.4-18.9=17.5由表表17-2可知知，，该该土土样样为为粘粘土土。。(2)土样样的的液液性性指指数数(0.3245-0.189)/0.175=0.77，由由表表17-3可知知，，该该土土处处于于软软塑塑状状态态。。(3)原状状土土样样的的孔孔隙隙比比为为：：土的的工工程程性性质质及及分分类类(4)压密密后后土土的的孔孔隙隙比比为为：：(5)压密密后后的的土土的的孔孔隙隙比比减减小小为为：：△e=e－e’’=0.95－0.68=0.27以上上介介绍绍了了一一般般土土最最基基本本的的物物理理性性质质指指标标，，依依据据它它们们可可对对地地基基土土有有一一个个初初步步了了解解和和进进行行简简单单评评价价。。如如通通过过天天然然土土的的密密度度和和重重度度可可知知它它的的轻轻重重；；通通过过孔孔隙隙比比可可判判断断土土的的压压缩缩程程度度；；通通过过饱饱和和度度可可判判断断地地基基土土的的潮潮湿湿程程度度；；通通过过塑塑性性指指数数和和液液性性指指数数所所处处的的范范围围能能判判定定粘粘性性土土的的属属性性和和坚坚硬硬程程度度。。仅仅了了解解以以上上的的地地基基土土的的简简单单情情况况还还很很不不够够，，还还要要综综合合分分析析地地基基土土更更多多的的各各种种工工程程特特性性指指标标，，研研究究其其分分类类的的方方法法，，才才能能确确定定地地基基土土的的承承载载能能力力和和沉沉降降情情况况，，以以此此作作为为基基础础设设计计的的重重要要依依据据。。土的工程性质质及分类二、地基土(岩)的工程分类地基土(岩)分类的方法很很多。建筑结结构中，土作作为地基承受受上部结构通通过基础传来来的荷载。从从工程的角度度，即着眼于于土的工程性性质(特别是各种强强度和变形特特性)及其与地基土土的地质成因因之间的关系系来分类是合合理而必要的的。地基土分分类的主要依依据是三相的的组成、粒径径级配、土粒粒的形状和矿矿物成分等。。我国现行规规范将地基土土(岩)分为岩石、碎碎石土、砂土土、粉土、粘粘性土、人工工填土等。(1)岩石。岩石应应为颗粒间牢牢固联结，呈呈整体或具有有节理裂隙的的岩体。作为为建筑结构的的地基，除应应确定岩石的的地质名称外外，还应分别别按表17-4、表17-5划分其坚硬程程度和完整程程度。岩石的的坚硬程度应应根据岩块的的饱和单轴抗抗压强度frk分为坚硬岩、、较硬岩、较较软岩、软岩岩和极软岩。。当缺乏饱和和单轴抗压强强度资料或不不能进行该项项试验时，可可在现场通过过观察定性划划分，划分标标准可按《建筑地基基础础设计》执行。岩石的的风化程度可可分为未风化化、微风化、、中风化、强强风化和全风风化。表17-4岩石坚硬程度度的划分土的工程性质质及分类表17-5岩石完整程度度的划分(2)碎石土。碎石石土为粒径大大于2mm的颗粒含量超超过全重50%的土。碎石土土可按粒组含含量和颗粒形形状分为漂石石、块石、卵卵石、碎石、、圆砾和角砾砾，如表17-6所示。表17-6碎石土的分类类土的工程性质质及分类碎石土的密实实度，可分为为松散、稍密密、中密、密密实。碎石土土的密实度按按表17-7确定。表17-7碎石土的密实实度(3)砂土。砂土为为粒径大于2mm的颗粒含量不不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全全重50%的土。砂土可可分为砾砂、、粗砂、中砂砂、细砂和粉粉砂。砂土按按表17-8所示分类。表17-8砂土的分类土的工程性质质及分类砂土的密实度度，可分为松松散、稍密、、中密、密实实。砂土的密密实度按表17-9所示确定。表17-9砂土的密实度度(4)粉土。粉土为为塑性指数Ip≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不不超过全重50%的土，它介于于砂土与粘性性土之间。(5)粘性土。粘性性土是塑性指指数Ip大于10的土，可按表表17-2分为粘土、粉粉质粘土。粘粘性土的状状态，可按表表17-3分为坚硬、硬硬塑、可塑、、软塑、流塑塑。工程实践表明明，土的沉积积年代对土的的工程性质影影响很大，《岩土工程勘察察规范》(GB50021)按土的沉积年年代将粘性土土分为老粘性性土、一般粘粘性土和新沉沉积的粘性土土。砂土的密实度度，可分为松松散、稍密、、中密、密实实。砂土的密密实度按表17-9所示确定。土的工程性质质及分类(6)人工填土。人人工填土是指指由于人类活活动堆积的土土。其物质成成分杂乱且均均匀性较差，，堆积时间也也各不相同，，故用作地基基时应特别慎慎重。人工填填土根据其组组成和成因可可分为素填土土、压实填土土、杂填土、、冲填土。素素填土为由碎碎石、砂土、、粘性土、粉粉土等组成的的填土；经分分层压实者统统称为压实填填土；杂填土土为含有建筑筑垃圾、工业业废物、生活活垃圾等杂物物的填土；冲冲填土为由水水力冲填泥砂砂形成的填土土。(7)特殊土。特殊殊土指具有一一定分布区域域或工程意义义上具有特殊殊成分、状态态和结构特征征的土。大体体可分为软土土、红粘土、、黄土、膨胀胀土、多年冻冻土、湿陷性性土、盐渍土土等。三、土的工程特性性指标1.土的工程特性性指标及其代代表值土的工程特性性指标应包括括强度指标、、压缩性指标标及静力触探探探头阻力、、标准贯入试试验锤击数、、载荷试验承承载力等和其其他特性指标标。地基土工工程特性指标标的代表值应应分别为标准准值、平均值值及特征值。。其中，抗剪剪强度指标应应取标准值；；压缩性指标标应取平均值值；载荷试验验承载力应取取特征值。土的工程性质质及分类2.土的抗剪强度度指标(1)土的的抗剪强度。。土的抗剪强强度是指土体体抵抗剪切破破坏的极限能能力。当土体体内某点的剪剪应力达到土土体的抗剪强强度时，该点点即发生剪切切破坏。土的的抗剪强度是是土最重要工工程特性指标标之一，在计计算挡土墙及及地下结构的的土压力、确确定建筑物地地基的承载力力和各类边坡坡的稳定分析析中，均由土土的抗剪强度度控制。(2)测定定土的抗剪强强度。土的抗抗剪强度可用用室内原状土土直接剪切试试验、无侧限限抗压强度试试验、三轴压压缩试验；现现场原位测试试、十字板剪剪切试验等方方法测定。采采用室内剪切切试验时，应应选择三轴压压缩试验中的的不固结不排排水试验。已已经预压固结结的地基可采采用固结不排排水试验，每每层土的试验验数量不能少少于六组。验验算土坡体的的稳定性时，，对于已有剪剪切破裂面或或其他软弱结结构面土的抗抗剪强度，应应进行野外大大型剪切试验验。(3)土的的抗剪强度指指标。土的抗抗剪强度有两两种表达方法法，相应有两两种强度指标标：土的c和和φ统称为土的总总应力强度指指标；土的c’和φ’统称为土的有有效应力强度度指标。其中中c、φ分别为土的粘粘聚力和内摩摩擦角；c’、φ’分别为土的有有效粘聚力和和有效内摩擦擦角。工程中中往往选用最最接近实际条条件的试验方方法取得土的的总应力强度度指标。土的工程性质质及分类3.土的压缩性指指标土的压缩性指指标是建筑物物沉降计算的的依据。(1)土的的压缩系数a和压缩模量量Es。土的的压缩系数a和压缩模量量Es是评价价土体压缩性性能的指标，，分别用下式式计算：式中，a———土的压缩系系数()；；Es——土的压缩缩模量(MPa)；p1、p2——土的固结结应力，kPa或MPa；e1、e2——对应于p1、p2时的孔隙比。。地基土的压缩缩性可按p1为100kPa、为为200kPa时相对应应的压缩系数数a1－2划划分，按以下下标准评价：：当①a1－2＜0.1MPa-1时，为低压缩缩性土。②0.1MPa-1≤a1－2＜0.5MPa-1时，为中压缩缩性土。③a1－2≥0.5MPa-1时，为高压缩缩性土。(17-12)(17-13)土的工程性质质及分类压缩模量Es与土的压缩系系数α成反比，故也也能评价土的的压缩性的高高低。一般认认为，Es＜4MPa时时为高压缩性性土；Es=(4～15)MPa时时为中压缩性性土；Es＞15MPa时时为低压缩性性土。(2)土的的压缩性指标标可采用室内内原状土压缩缩试验、原位位浅层或深层层平板载荷试试验、旁压试试验、触探试试验确定。4.标准贯入试验验锤击数标准贯入试验验锤击数N值值，可对砂土土、粉土、粘粘性土的物理理状态，土的的强度、变形形参数、地基基承载力、单单桩承载力，，砂土和粉土土的液化，成成桩的可能性性等做出评价价。5.载荷试验承载载力载荷试验是确确定岩土承载载力的主要方方法，包括浅浅层平板载荷荷试验和深层层平板载荷试试验。浅层平平板载荷试验验适用于浅层层地基；深层层平板载荷试试验适用于深深层地基。土中应力及地地基计算一、土中应力计算算1.土中自重应力力为了计算基础础沉降以及对对地基进行强强度与稳定性性分析，必须须知道土中应应力的分布。。土中应力包包括土的自重重应力和附加加应力。土的的自重应力是是在未建造基基础前，由土土体本身受重重力作用引起起的应力。附附加应力则是是由于建筑物物荷载在土中中引起的应力力。土中应力计算算通常利用弹弹性理论求得得，即假定地地基土是均匀匀、连续、各各向同性的半半无限弹性体体。这样的假假定使计算比比较简单适用用，但与土的的实际情况不不尽相符。实实践表明，当当基底压力不不超过土体的的比例界限时时，土中应力力与应变的关关系近似呈直直线关系。这这时，应用弹弹性理论计算算土中应力还还是容许的。。在计算土中自自重应力时，，假定地基土土为半无限弹弹性体。对于地表水平的的均质土地面面以下任一深深度处竖向自自重应力都是是在水平面上均匀匀无限分布的的，所以在自自重应力作用用下地基土只只产生竖向变形，，而无侧向位位移及剪切变变形。若土的的天然重度为为γ，地面以下深度度为z(m)处的自重应应力σcz与深度z成正正比，如图17.3所示示。图17.3匀质土中竖向向自重应力土中应力及地地基计算必须指出在重重力作用下，，地基中除有有受竖向应力力作用外，还还受水平应力力σcx和σcy作用而剪应力力均为零。根根据弹性力学学原理式中，k0——土的侧压压力系数。地基土一般由由不同的土层层组成，如图图17.4所所示，深度z处分层土的的竖向自重应应力为：式中，n———从天然地面面起到深度z处的土层数数；γi——第i层土土的重度；若若是地下水位位以下的土层，由于受到到水的浮力，，取浮重度；；hi——第i层土土的厚度(m)。图17.4成层土的自重重应力曲线(17-14)(17-15)(17-16)(17-17)土中应力及地地基计算可按式(17-17)计算出各土层层分界处的自自重应力，然然后在所计算算竖直线的一一侧用水平线线段按一定比比例表示各点点的自重应力力值，再用直直线加以连接接，如图17.4所示，所得折折线称为土的的自重应力曲曲线。必须指出，这这里所讨论的的土中自重应应力是指土颗颗粒之间接触触点传递的应应力，故称有有效自重应力力。本节所讨讨论的自重应应力都是有效效自重应力，，简称自重应应力。自然界中的土土层，一般从从形成至今已已有很长的地地质年代，在在自重应力作作用下引起的的压缩变形早早已完成，因因此自重应力力不会引起天天然土层上建建筑物的沉降降。但对于近近期沉积或堆堆积的土层，，应考虑在自自重应力作用用下的变形。。2.基底压力分布布与简化计算算计算土中的附附加应力，须须先知道基底底压力分布，，这是建筑物物荷载通过基基础传给地基基的压力，也也是地基作用用于基础底面面的反力，是是计算地基和和基础设计的的依据。基底底压力分布很很复杂，它不不仅与基础的的刚度、平面面形状、尺寸寸大小和埋置置深度有关，，而且还与作作用在基础上上的荷载大小小与分布、地地基土的性质质等有关。当基础尺寸较较小时，如柱柱下独立基础础及墙下条形形基础，基底底压力可当作作直线分布按按材料力学公公式简化计算算。对于较复复杂的基础，，如柱下条形形基础、筏形形基础和箱形形基础，要考考虑上部结构构和基础的刚刚度以及地基基土力学性质质的影响，用用弹性地基梁梁的方法计算算。土中应力及地地基计算此处仅介绍计计算中心受压压和偏心受压压基础的基底底压力的简化化方法。1)中心受压基础础作用在基底上上的荷载合力力通过基底形形心时，基底底压力可假定定为均匀分布布，如图17.5所示，可按下下式计算：式中，p——基底平均压力力，单位为kPa；F——作用在基础上上的竖向荷载载，单位为kN；G——基础及其台阶阶上回填土的的总重，单位位为kN，，，其中γG为基础及回填填土的平均重重度，一般取取20kN/m3，但地下水位以下应取浮浮重度；——基础平均埋深深，单位为m；A——基底面积，单单位为m2；对条形基础础，通常沿基基础长度方向向取1m计算。2)偏心受压基础础在单向偏心荷荷载作用下，，设计时通常常将基础长边边方向定在偏偏心方向，如如图17.6所示。此时，，基底边缘压压力可按材料料力学偏心受受压公式计算算：图17.5按简化法计算算中心受压基础基底反反力(17-18)土中应力及地地基计算(17-19)式中，pmax、pmin——基底最大、最最小边缘压力力，单位为kPa；M——作用在基底形形心上的力矩矩，单位为kNm；W——基础底面的抵抵抗矩，W=，单位为m3；e——偏心矩，单位位为m。将弯矩和抵抗抗矩代入式(17-19)，得由式(17-20)和图17.6可见：当e＜l/6时，基底压力力呈梯形分布布。e＝l/6时，基底压力力呈三角形分分布。当e＞l/6时，按式(17-20)计算结果，pmin为负值，即pmin＜0，此时基底与与地基局部脱脱开，由于基基底与地基之之间承受拉力力的能力很小小，使基底应应力重新分布布。根据偏心心荷载与基底底反力平衡的的条件，荷载载合力F+G应通过三角形形反力分布图图的形心，图17.6按简化法计算算偏心受压基基础基底反力力(17-20)土中应力及地地基计算由此可得基础础边缘的最大大应力为：式中，k——单向偏心荷载载合力作用点点至基底最大大受压边缘的的距离，单位位为m。3)基底附加压力力如上所述，一一般的天然土土层，在自重重应力的长期期作用下，变变形早已完成成，只有新增增加于基底上上的压力(即附加压力)才能引起地基基土产生附加加应力和变形形。一般基础础都埋于地面面以下一定深深度处。建筑筑物建造后，，作用于基底底上的平均压压力减去基底底处原先存在在于土中的自自重应力才是是新增加的压压力，此压力力称为基底附附加压力，按按式(17-22)计算：式中，p0——基底平均附加加压力，单位位为kPa；σcd——基底处土的自自重应力，单单位为kPa；γ0——基底标高以上上土的加权平平均重度，其其中地下水位位以下取浮重重度，单位为为kN/m3；d——从天然地面算算起的基础埋埋深，单位为为m。(17-22)(17-21)土中应力及地地基计算地基计算包括括基础埋置深深度、地基承承载力、地基基变形和地基基稳定性等内内容。地基计计算要求与地地基基础设计计等级有关，，地基基础设设计等级见表表17-10。表17-10地基基础设计计等级土中应力及地地基计算二、基础埋置深度度1.建筑物的用途途基础的埋置深深度是指室外外设计地面至至基础底面的的竖向距离。。基础埋置深深度对建筑物物的安全及正正常使用、施施工工期和造造价有很大影影响，合理确确定基础的埋埋置深度是很很重要的问题题，应综合考考虑以下几个个方面的因素素。建筑物的各种种用途、有无无地下室、设设备基础和地地下设施，基基础的形式和和构造对基础础埋深影响很很大。如有地地下管道和设设备基础要求求时，还应满满足建筑物使使用功能上提提出的埋深要要求将基础局局部或整体加加深。2.作用在地基上上的荷载大小小和性质不同的荷载的的大小对基础础埋深的要求求不同；承受受动力或较大大水平荷载的的建筑物与一一般以承受竖竖向荷载为主主的建筑物对对基础埋深的的要求也不同同。高层建筑筏形形和箱形基础础的埋置深度度应满足地基基承载力、变变形和稳定性性要求。在抗抗震设防区，，除岩石地基基外，天然地地基上的箱形形和筏形基础础其埋置深度度不宜小于建建筑物高度的的1/15；；桩箱或桩筏筏基础的埋置置深度(不计计桩长)不宜宜小于建筑物物高度的1/18~1/20。位位于岩石地基基上的高层建建筑，其基础础埋深应满足足抗滑要求。。注意可能承承受上拔力的的建筑物基础础，如输电塔塔和大跨度悬悬索桥的锚碇碇会要求较大大或很大的埋埋深。土中应力及地地基计算在满足地基承承载力、稳定定和变形要求求的前提下，，基础应尽量量浅埋，当上上层地基土的的承载力大于于下层土时，，宜利用上层层土作持力层层。如果承载载力比较高的的土层在地基基土的下部时时，则持力层层宜进行地基基处理后才能能浅埋。基础础浅埋的深度度，除岩石地地基外，不宜宜小于0.5m，为保护护基础，基础础顶面低于室室外地面不小小于0.1m。基础宜宜埋置置在地地下水水位以以上，，以避避免施施工时时排水水带来来的困困难，，并可可减轻轻地基基上的的冻害害。当当必须须埋在在地下下水位位以下下时，，应采采取地地基土土在施施工时时不受受扰动动的措措施。。当基基础埋埋置在在易风风化的的岩层层上，，施工工时应应在基基坑开开挖后后立即即铺筑筑垫层层。当地下下水有有侵蚀蚀性时时，还还应对对基础础采取取防护护措施施。3.工程地地质和和水文文地质质条件件2.作用在在地基基上的的荷载载大小小和性性质新建筑筑物靠靠近原原有建建筑物物时，，其基基础埋埋置深深度不不宜大大于原原有建建筑物物基础础。如如新基基础埋埋深大大于原原有建建筑基基础时时，为为保证证相邻邻建筑筑物的的安全全和正正常使使用，，两基基础间间应保保持一一定净净距，，其数数值应应视原原有建建筑荷荷载大大小、、基础础形式式和土土质情情况而而定。。当上上述要要求不不能满满足时时，施施工时时应采采取措措施，，如分分段施施工、、设临临时加加固支支撑、、打板板桩、、构筑筑地下下连续续墙或或加固固原有有建筑筑物的的地基基。土中应应力及及地基基计算算土中水水分冻冻结后后体积积变大大形成成冰晶晶，使使土中中孔隙隙体积积增大大使土土变得得疏松松的现现象称称为冻冻胀；；冻土土融化化后使使土变变软、、含水水量增增大、、强度度降低低产生生的附附加沉沉陷称称为融融陷。。季节节性冻冻土在在冻融融过程程中，，反复复地产产生冻冻胀和和融陷陷使土土的强强度降降低，，沉陷陷增大大会对对建筑筑物产产生不不良影影响，，可能能引起起开裂裂甚至至破坏坏。土的冻冻胀性性大小小与土土粒大大小、、含水水量和和地下下水位位高低低有密密切关关系。。《建建筑地地基基基础设设计规规范》》根据据土的的类别别、含含水量量、地地下水水位和和平均均冻胀胀率将将地基基土分分为不不冻胀胀、弱弱冻胀胀、冻冻胀、、强冻冻胀和和特强强冻胀胀土五五类。。对于于埋置置于不不冻胀胀土中中的基基础，，其埋埋深可可不考考虑冻冻胀的的影响响；对对埋置置于冻冻胀土土中的的基础础，其其最小小埋深深要考考虑冻冻胀的的影响响，由由规范范按公公式确确定。。5.地基土土冻胀胀和融融陷的的影响响地基承承载力力系指指在保保证地地基强强度和和稳定定的条条件下下，建建筑物物不产产生过过大沉沉降和和不均均匀沉沉降而而安全全承受受荷载载的能能力。。地基基承载载力的的确定定在地地基基基础设设计中中是一一个非非常重重要而而又十十分复复杂的的问题题，它它不仅仅与土土的物物理力力学性性质有有关，，而且且还与与建筑筑类型型、结结构特特点、、基础础型式式、基基础的的底面面尺寸寸、基基础埋埋深、、施工工速度度等因因素有有关。。确定定地基基承载载力的的基础础是确确定地地基承承载力力特征征值。。三、地基承承载力力计算算土中应应力及及地基基计算算地基承承载力力特征征值可可由野野外鉴鉴别、、载荷荷试验验或其其他原原位测测试、、土样样试验验与公公式计计算、、并结结合工工程实实践经经验等等方法法综合合确定定。当基础础宽度度大于于3m或埋置置深度度大于于0.5m时，从从载荷荷试验验或其其他原原位测测试、、经验验值等等方法法确定定的地地基承承载力力特征征值，，尚应应按式式(17-23)修正为为：1.地基承承载力力特征征值的的宽度度及深深度修修正式中，，fa——修修正后后的地地基承承载力力特征征值，，单位位为kPa；fak——地地基承承载力力特征征值，，可由由载荷荷试验验或其其他原原位测测试、、公式式计算算并结结合工工程实实践经经验等方方法综综合确确定，，单位位为kPa；ηb、ηd——基基础宽宽度和和埋深深的地地基承承载力力修正正系数数，按按基底底下土土的类类别查查表17-11取值；γ——基基础底底面以以下土土的重重度，，地下下水位位以下下取浮浮重度度，单单位为为kN/m3；b———基础础底面面宽度度，单单位为为m。。当基基础宽宽度小小于3m按按3m取值值，大大于6m按按6m取值值；γm——基基础底底面以以上土土的加加权平平均重重度，，地下下水位位以下下取浮浮重度度，单单位为为kN/m3；(17-23)土中应应力及及地基基计算算d———基础埋埋置深深度，，单位位为m。一般般自室室外地地面标标高算算起。。在填填方整整平地地区，，可自自填土土地面标高算起起，但填土土在上部结结构施工后后完成时，，应从天然然地面标高高算起。对对于地下室，如采用用箱形基础础或筏基时时，基础埋埋置深度自自室外地面面标高算起起；当采用用独立基础础或条形基础础时，应从从室内地面面标高算起起。表17-11地基承载力力修正系数数土中应力及及地基计算算(1)当偏心距e小于或等于于0.033倍基础底面面宽度时，，根据土的的抗剪强度度指标确定定地基承载载力特征值值可按规范范(5.2.5)式计算，并并应满足变变形要求。。(2)岩石地基承承载力特征征值，可按按规范附录录H岩基载荷试试验方法确确定。对完完整、较完完整和较破破碎的岩石石地基承载载力特征值值，可根据据室内饱和和单轴抗压压强度按规规范(5.2.6)式计算。(3)当地基受力力层范围内内有软弱卧卧层时，应应按规范(5.2.7-1)式验算。(4)对于沉降已已经稳定的的建筑或经经过预压的的地基，可可适当提高高地基承载载力。基础础底面的压压力的确定定和应符合合的要求详详见17.4节柱下独立立基础设计计的相关内内容。四、地基变形计计算1.地基变形特特征地基变形特特征可分为为沉降量、、沉降差、、倾斜、局局部倾斜四四种，如图图17.7所示。图17.7基础沉降分分类土中应力及及地基计算算(1)沉降量：指指基础中心心点的沉降降量。(2)沉降差：指指相邻两单单独基础沉沉降量之差差。(3)倾斜：指单单独基础倾倾斜方向两两端点的沉沉降差与其其距离的比比值。(4)局部倾斜：：指砌体承承重结构沿沿纵向6m～10m内基础两点点的沉降差差与其距离离的比值。。由于建筑地地基不均匀匀、荷载差差异很大、、体型复杂杂等因素引引起的地基基变形，对对于砌体承承重结构应应用局部倾倾斜控制；；对于框架架结构和单单层排架结结构应由相相邻地基的的沉降差控控制；对于于多层或高高层建筑和和高耸构筑筑物应用倾倾斜控制。。对于建筑筑在软弱地地区上的建建筑物，必必要时尚应应控制平均均沉降量。。2.地基变形计计算1)地基变形计计算深度地基变形计计算深度应应符合规范范第5.3.6条要求；当当无相邻荷荷载影响，，基础宽度度在1m～30m范围内时，，基础中点点的地基变变形计算深深度也可按按规范第5.3.7条的简化公公式计算；；计算地基基变形时，，应考虑相相邻荷载的的影响，其其值可按应应力叠加原原理，采用用角点法计计算；当建建筑物地下下室基础埋埋置较深时时，需要考考虑开挖基基坑地基土土的回弹变变形量；在在同一整体体大面积基基础上建有有多栋高层层和低层建建筑，应该该按照上部部结构、基基础与地基基的共同作作用进行变变形计算。。土中应力及及地基计算算2)地基最终变变形量的计计算(1)计算地基变变形时，地地基内的应应力分布，，可采用各各向同性均均质线性变变形体理论论，其最终终变形量可可按规范第第5.3.5条用分层总总和法计算算。(2)地基变形与与时间有关关，地基变变形所需时时间随土的的渗透性大大小和排水水条件而定定。在必要要情况下，，需要分别别预估建筑筑物在施工工期间和使使用期间的的地基变形形值，以便便预留建筑筑物有关部部分之间的的净空，考考虑连接方方法和施工工顺序。一一般多层建建筑物在施施工期间完完成的沉降降量：砂土土由于渗透透性强可认认为其最终终沉降量已已完成80%以上；对于于其他低压压缩性土可可认为已完完成最终沉沉降量的50%～80%；对于中压压缩性土可可认为已完完成20%～50%；对高压缩缩性的饱和和粘性土，，压缩变形形过程可达达几十年，，施工完毕毕时仅完成成总变形量量的5%～20%。3.地基验算的的范围和要要求对表17-12所列的建筑筑物，按地地基承载力力计算一般般已能满足足地基变形形要求，不不必进行沉沉降计算；；如有下列列情况之一一时，仍应应作地基变变形验算。。土中应力及及地基计算算表17-12可不作地基基变形计算算设计等级级为丙级的的建筑物范范围土中应力及及地基计算算①地基承载力力特征值小小于130kPa，且体形复复杂的建筑筑；②在基基础上及其其附近有地地面堆载或或相邻基础础荷载差异异较大，可可能引起地地基产生过过大的不均均匀沉降时时；③软弱弱地基上的的建筑物受受有偏心荷荷载时；④④相邻建筑筑物距离过过近，可能能发生倾斜斜时；⑤地地基内有厚厚度较大或或厚薄不均均匀的填土土，自重固固结未完成成时。但对于甲甲级、乙乙级和此此表以外外的丙级级建筑物物，除需需满足承承载力要要求外，，还要做做地基变变形验算算。若变变形条件件不能满满足，则则应调整整基础底底面尺寸寸或采取取其他措措施。地基验算算的要求求是：建建筑物的的地基变变形计算算值不应应大于建建筑物地地基变形形允许值值，即式式(17-24)。建筑物物的地基基变形允允许值按按规范表表5.3.4采用。地地基变形形容许值值的确定定是一项项十分复复杂的工工作、涉涉及的因因素很多多，除了了要考虑虑使用要要求外，，还与建建筑物的的结构型型式、不不均匀沉沉降对结结构的影影响以及及结构的的可靠度度等问题题有关。。规范中中规定的的建筑物物的地基基变形允允许值是是对各类类建筑物物沉降观观测资料料的综合合分析、、对某些些结构附附加内力力的计算算、以及及参考一一些国外外资料提提出的。。对表表中中未未包包括括的的建建筑筑物物，，其其地地基基变变形形允允许许值值应应根根据据上上部部结结构构对对地地基基变变形形的的适适应应能能力力和和使使用用上上的的要要求求确确定定。。式中中，，△△———地基基变变形形计计算算特特征征值值；；[△△]————地基基变变形形容容许许值值，，按按规规范范表表5.3.4取值值。。(17-24)土中中应应力力及及地地基基计计算算4.减轻轻基基础础不不均均匀匀沉沉降降损损害害的的措措施施一般般来来说说，，建建筑筑物物出出现现沉沉降降是是难难以以避避免免的的，，但但是是，，过过大大的的地地基基变变形形将将使使建建筑筑物物损损坏坏或或影影响响它它的的使使用用功功能能。。如如何何防防止止和和减减轻轻基基础础不不均均匀匀沉沉降降引引起起的的损损害害是是建建筑筑设设计计中中必必须须考考虑虑的的问问题题。。我我们们可可以以从从地地基基、、基基础础和和上上部部结结构构相相互互作作用用的的观观点点出出发发，，综综合合选选择择合合理理的的建建筑筑、、结结构构设设计计及及施施工工方方案案和和采采取取相相应应的的措措施施，，以以减减轻轻不不均均匀匀沉沉降降对对建建筑筑物物的的危危害害。1)建筑措措施(1)建筑体体形力力求简简单、、高差差不宜宜过大大。建建筑平平面简简单、、高度度一致致的建建筑物物，基基底应应力较较均匀匀，整整体刚刚度好好，即即使沉沉降较较大，，建筑筑物也也不易易产生生裂缝缝和损损坏。。例如如平面面呈““一””字形形的建建筑物物整体体性好好，建建筑物物体型型(平面及及剖面面)复杂，，往往往削弱弱建筑筑物的的整体体刚度度。建建筑物物立面面体形形变化化也不不要太太大。(2)控制建建筑物物的长长高比比及合合理布布置纵纵横墙墙。砖砖石承承重的的建筑筑物，，当其其长度度与高高度之之比较较小时时，建建筑物物的刚刚度好好。即即使沉沉降较较大，，也不不至于于引起起建筑筑物开开裂。。相反反，长长高比比大的的建筑筑物其其整体体刚度度小，，纵墙墙很容容易因因挠曲曲变形形过大大而开开裂。。根据据建筑筑实践践经验验，当当基础础计算算沉降降量大大于120mm时，建建筑物物的长长高比比不宜宜大于于2.5；对于于平面面简单单，内内、外外墙贯贯通，，横墙墙间隔隔较小小的房房屋，，长高高比可可适当当放宽宽，但但一般般不宜宜大于于3.0。土中应应力及及地基基计算算合理布布置纵纵横墙墙是增增强建建筑物物刚度度的重重要措措施之之—，因为纵纵横墙墙构成成了建建筑物物的空空间刚刚度，，所以以适当当加密密横墙墙的间间距，，就可可增强强建筑筑物的的整体体刚度度，纵纵横墙墙转折折会削削弱建建筑物物的整整体性性，所所以建建造在在软弱弱地基基上的的建筑筑物，，纵横横墙最最好不不转折折或少少转折折。(3)设置沉沉降缝缝。当当地基基很不不均匀匀且建建筑物物体形形复杂杂又不不可避避免时时，用沉降降缝将将建筑筑物从从屋面面到基基础分分割为为若干干个独独立的的单元元，使使建筑筑平面面变得得简单单可有有效地地减轻轻地基基不均均匀沉沉降。。沉降降缝通通常设设置在在如下下部位位：平平而形形状复复杂的的建筑筑物转转折处处；建建筑物物高差差或荷荷载差差别很很大处处；长长高比比过大大的建建筑物物的适适当部部位；；地基基土压压缩性性有显显著变变化处处；建建筑物物结构构或基基础类类型不不同处处；分分期建建筑的的交接接处。沉降缝缝应留留有足足够的的的宽宽度，，缝内内一般般不填填塞材材料，，以保保证沉沉降缝缝上端端不致致因相相邻单单元内内倾而而顶住住。沉沉降缝缝的宽宽度与与建筑筑物的的层数数有关关。(4)控制建建筑物物基础础间距距。相相邻建建筑物物太近近，由由于地地基应应力扩扩散作作用，，会互互相影影响，，引起起相邻邻建筑筑物产产生附附加沉沉降。。建造造在软软弱地地基上上的建建筑物物，应应将高高低悬悬殊部部分(或新老老建筑筑物)离开一一定距距离。。如离离开距距离后后的两两个单单元之之间需需要连连接时时，应应设置置能自自由沉沉降的的独立立连接接体或或采用用简支支、悬悬臂结结构。2)结构措措施(1)减轻建建筑物物自重重。基基底压压力中中，建建筑物物自重重所占占比例例很大大。采采用高高强轻轻型砌砌体材材料、、选用用轻型型结构构、减减少基基础和和回填填土重重量能能大大大减少少建筑筑物沉沉降量量。土中应应力及及地基基计算算(2)设置圈圈梁。。不均均匀沉沉降会会引起起砌体体房屋屋墙体体开裂裂，圈圈梁的的设置置可增增大建建筑物物的整整体性性、刚刚度和和承载载力。。(3)减少和和调整整基底底附加加压力力。改改变基基础型型式及及基底底尺寸寸、增增设地地下室室等架架空层层可减减少和和调整整基底底附加加压力力。(4)将上部部结构构作成成静定定体系系。当当发生生不均均匀沉沉降时时采用用静定定结构构体系系不致致引起起很大大的附附加应应力，，故在在软弱弱地基基上建建造的的公共共建筑筑、单单层工工业厂厂房、、仓库库等，，可考考虑采采用静静定结结构体体系，，以适适应不不均匀匀沉降降的要要求。。3)施工措措施合理安安排施施工顺顺序和和注意意选用用施工工方法法可减减少或或调整整不均均匀沉沉降。。当建建筑物物存在在高低低或轻轻重不不同部部分时时，应应先施施工高高层及及重的的部分分，后后建轻轻的及及低层层部分分。如如果在在高低低层之之间使使用连连接体体时，，应最最后修修建连连接体体，以以调整整高低低层之之间部部分沉沉降差差异。。不要扰扰动基基底土土的原原来结结构，，通常常在坑坑底保保留约约200mm厚的土土层，，如发发现坑坑底土土已被被扰动动，应应将已已扰动动土挖挖去，，再用用砂、、碎石石等回回填夯夯实。。在软弱弱地基基土上上、已已建和和在建建房屋屋外围围应避避免大大量、、长时时间堆堆放，，以免免引起起新老老房屋屋的附附加沉沉降。。土中应应力及及地基基计算算五、地基稳稳定性性验算算地基稳稳定性性可采采用圆圆弧滑滑动面面法进进行验验算。。位于于稳定定土坡坡坡顶顶上的的建筑筑，当当垂直直于坡坡顶边边缘线线的基基础底底面边边长小小于或或等于于3m时，其其基础础底面面外边边缘线线至坡坡顶的的水平平距符符合规规范要要求，，但不不得小小于2.5m。基础的的类型型及选选用1.按基础础埋置置深度度分类类按其埋埋置深深度和和施工工方法法的不不同，，可分分为浅浅基础础和深深基础础两大大类。。埋置置深度度不大大，用用一般般方法法施工工的基基础属属于浅浅基础础；埋埋置深深度较较大施施工较较为复复杂的的属于于深基基础。。如桩桩基础础、箱箱形基基础、、沉井井和地地下连连续墙墙等。。2.按材料料分类类基础按按使用用的材材料分分为砖砖基础础、毛毛石基基础、、灰土土基础础、三三合土土基础础、毛毛石混混凝土土基础础、混混凝土土基础础、钢钢筋混混凝土土基础础等。。(1)砖砖基础础。砖砖基础础取材材容易易、施施工简简便、、价格格低廉廉，广广泛应应用于于六层及及六层层以下下的民民用房房屋中中。砖砖基础础具有有一定定的抗抗压强强度但但抗拉拉和抗剪强强度较较低，，抗冻冻性能能也较较差。。《砌砌体结结构设设计规规范》》(GB5003—2001)规规定了了砖石石砌块块基础础地面面以下下或防防潮层层以下下及潮潮湿房房间墙墙体所所有材料料的最最低强强度等等级，，如表表17-13所所示。。砖基基础的的剖面面呈阶阶梯状状，这这个阶梯梯称为为大放放脚。。大放放脚从从垫层层上开开始砌砌筑，，为保保证其其刚度度应为为两皮砖一一收，，具体体构造造要求求如图图17.8所示示。图17.8砖基础础基础的的类型型及选选用表17-13地面以以下或或防潮潮层以以下及及潮湿湿房间间墙体体所有有材料料的最最低强强度等等级(2)毛石基基础。。毛石石基础础用于于石料料取材材容易易、价价格相相对便便宜的的地方方。毛石基基础用用强度度较高高又未未风化化的毛毛石砌砌筑。。毛石石是指指未经经加工工整理理的石石料，其其石料料及砌砌筑砂砂浆的的最低低强度度等级级应满满足表表17-13的要求求。毛毛石基基础的宽宽度和和每阶阶台阶阶高度度不宜宜小于于400mm；为保保证锁锁结力力，每每一阶阶梯宜宜用两排排或三三排块块石砌砌筑且且每个个台阶阶外伸伸宽度度不宜宜大于于200mm，具体体构造造要求如如图17.9所示。。基础础应竖竖砌、、错缝缝、缝缝内砂砂浆饱饱满。。图17.9毛石基基础(3)灰土基基础。。灰土土基础础适用用于五五层和和五层层以下下，地地下水水位较较低的的民用用混合合结构构房屋屋和用用墙承承重的的轻型型厂房房。灰灰土是是用经经过熟熟化后后的石石灰粉粉和粘粘性土土(以粉质质粘土土为宜宜)按一定定比例例加适适量的的水拌拌合分分层夯夯实而而成的的。其其配合合比为为3∶7或2∶8。一般般多采采用三三步灰灰土，，即分分三步步夯实实，夯夯实后后总厚厚度为为450mm。(4)三合土土基础础。三三合土土基础础在我我国南南方地地区应应用较较为广广泛，，它的的优点点是施施工简简单，，造价价低廉廉；但但其强强度较较低，，故这这种基基础只只宜用用于地地下水水位较较低、、不超超过四四层的的民用用混合合结构构房屋屋。三三合土土基础础是用用石灰灰、砂砂与骨骨料(碎石、、碎砖砖、矿矿渣)加入适适当的的水经经充分分拌合合后，，均匀匀铺入入基槽槽内，，并分分层