第一章 基础工程导论

基础工程贵州大学土木建筑工程学院岩土工程教研室1主要内容第一章、前言第二章、天然地基上的浅基础第三章、桩基础第四章、桩基础的设计计算第五章、沉井基础及地下连续墙第六章、地基处理第七章、几种特殊地基上的基础工程2第一章、前言基础工程学科的发展概况基础工程设计和施工所需的资料基础工程设计计算应注意的事项基础工程的发展方向3基础工程的基本概念

任何建筑物都建造在一定的地层上，建筑物的全部荷载都由它下面的地层来承担。受建筑物影响的那一部分地层称为地基，建筑物与地基接触的部分称为基础。桥梁上部结构为桥跨结构，而下部结构包括桥墩、桥台及其基础。

基础工程包括建筑物的地基与基础的设计与施工。4图1-1桥梁结构各部分立面示意图1-下部结构；2-基础；3-地基；4-桥台；5-桥墩；6-上部结构5基础上部结构地基建筑物三部分示意图6地基：承受建筑物荷载应力与应变不能忽略的土层。（有一定深度和范围）基础：埋入土层一定深度并将荷载传给地基的建筑物下部结构。持力层：直接支撑建筑物基础的土层。下卧层(软弱)

：持力层下部的土层。7结构荷载基底压力8天然地基：没有经过人为处理，直接修建。

人工地基：承载力低，高压缩性地基，人工处理后才能修建。地基基础深基础刚性扩大基础单独和联合基础条形基础筏板和箱形基础桩基础沉井基础浅基础9上部结构、基础、地基间的关系：

上部结构（荷载）、基础（压力）、地基（应力、变形），三者间相互制约协同工作。设计方法：简化设计将三部分相对独立分开，按静力平衡原则，采用不同的简化假定进行分析计算.10地基基础在工程中的重要性隐蔽工程，处理困难，事故危害大；工程造价高，占20-25%；设计上应做方案比较。比萨斜塔、虎丘塔（地基不均匀沉降）；加特朗斯康谷仓;上海锦江饭店整体下沉、香港宝成大厦失稳。特点实例11软弱地基整体破坏地基土承载力低，产生强度破坏12地基不均匀沉降，建筑倾斜基岩不均匀软土层13均质软弱地基整体下沉14案例一：比萨斜塔世界著名的比萨斜塔于1173年动工，1370年竣工，塔身高约55m，建成后因地基压缩层产生不均匀沉降，使塔的北侧下沉近1m，南侧下沉近3m，塔身倾斜约5.5°，塔顶离开铅垂线的距离已达5.27m，是我国虎丘塔的倾斜值的2.3倍。幸亏该塔使用的大理石材质优良，在塔身严重倾斜的情况下尚未出现裂缝。比萨斜塔建成后曾经数次加固，但效果甚微，每年仍下沉约1mm，倾斜尚未有加速迹象，已成为一座名副其实的危塔。15案例一：比萨斜塔1617加拿大的特朗斯康谷仓建于1913年，谷仓的平面为矩形，长59.44m,宽23.47m，高度为31m，由65个圆柱形筒仓组成，采用钢筋混凝土阀板基础。设计时对地基未作勘察，不了解基底下有厚达15m左右的软粘土层，仅根据对临近建筑的调查判定地基承载力。建成后于当年9月开始均匀地向谷仓内装载谷物，至10月发现谷仓产生大量快速沉降，1小时内的垂直沉降量竟达到30.5cm，在其后的24小时内谷仓倾倒，倾倒后谷仓的西侧下沉达7.32m，东侧则抬高了1.53m，整体倾斜达尽27度。因谷仓整体性很强，筒仓本身完好无损。案例二：加拿大特朗斯康谷仓18案例二：加拿大特朗斯康谷仓19案例三：墨西哥城某建筑20案例四：日本新泻地震21上海锦江饭店上海锦江饭店上海锦江饭店位于上海市中心淮海中路以北，瑞金路以西，长乐路南侧。此饭店高15层，是上海市早期的高层建筑，为接待外宾用的高级饭店。地基是深厚的淤泥质土，压缩性大。

解放初期，锦江饭店大门朝北，由长乐路进入饭店要上几个台阶，1979年9月一层的室内地坪比长乐路室外地面反而低5台阶，地基沉降量达150cm,目前沉降已达2米

由于锦江饭店上部结构采用钢结构，虽然地基严重下沉，未发现开裂事故。但是一层的门窗约一半沉入地面下，一层房间变成半地下室，无法正常使用。222.建筑地基严重下沉

造成建筑地基严重下沉的因素很多，就地基而言，多为高压缩性软弱土。会造成室内外连接困难及交通不便，内外网管道也会造成破坏。23243.建筑物墙体开裂持力层土质压缩性相差悬殊或不同类型基础基底压力相差较大，引起不均匀沉降，导致墙体开裂。相邻荷载影响亦可引起附加应力增加，导致地基下沉，墙体开裂。254.建筑物基础开裂地基压缩性相差悬殊，导致基础底板断裂。5.建筑物地基熔蚀引起地基塌陷266唐山地震

液化“砂火山”口27液化喷水冒砂后景象28液化造成地基沉陷,房屋严重裂缝29液化造成地基沉陷,

房屋严重裂缝30液化后汽车陷入土中317.

土坡滑动断层所造成的边坡滑动使民宅横向移动10m,垂直落差约6m3233巴东崖崩造成房屋墙体开裂34姊归县边坡治理35国外在18世纪产业革命以后，城建、水利、道路建筑规模的扩大促使人们对基础工程的重视与研究，对有关问题开始寻求理论上的解答。此阶段在作为本学科的理论基础的土力学方面，如土压力理论、土的渗透理论等有局部的突破，基础工程也随着工业技术的发展而得到新的发展，如19世纪中叶利用气压沉箱法修建深水基础。本世纪20年代，基础工程有比较系统、比较完整的专著问世，1936年召开第一届国际土力学与基础工程会议后，土力学与基础工程作为一门独立的学科取得不断的发展。上世纪50年代起，现代科学新成就的渗入，使基础工程技术与理论得到更进一步的发展与充实，成为一门较成熟的独立的现代学科。二、基础工程学科的发展概况36371870年1月布鲁克林大桥修建时的沉箱.38我国是一个具有悠久历史的文明古国，我国古代劳动人民在基础工程方面，也早就表现出高超的技艺和创造才能，许多宏伟壮丽的中国古代建筑逾千百年仍留存至今安然无恙的事实就充分说明了这一点。例如，远在1300多年前隋朝时所修建的赵州安济石拱桥，不仅在建筑结构上有独特的技艺，而且在地基基础的处理上也非常合理，该桥桥台座落在较浅的密实粗砂土层上，沉降很小，现反算其基底压力约为500kPa～600kPa，与现行的各设计规范中所采用的该土层容许承载力的数值（550kPa）极为接近。在当时就能如此充分利用天然地基的承载力，真令人赞叹不已。在桩基础和地基加固方面，我国自古已有广泛运用，具有悠久的历史。39中国古代案例－：赵州桥

404142中国古代案例二：河姆渡木桩

43中国古代案例三：上海龙华古塔

位于上海市龙华公园南侧，直径8.0m，7层，高40.40m.该塔建于北宋（公元997年），距今已有1000多年历史。塔基使用了大量的木桩，值得称道的是建塔者用三合土对木桩进行了很好的隔离防腐处理，木桩因之保存千年而不腐，使龙华古塔至今风光依然。44圣母殿

4546中国古代案例四：苏州虎丘塔苏州虎丘塔

此塔位于苏州市虎丘公园山顶，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1036。全塔7层，高47.5米。平面呈八角形。青砖砌筑。

目前，塔身已向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达2.34米。底层塔身出现不少裂缝。

宝塔倾斜为地基覆盖层相差悬殊,导致地基不均匀沉降等原因造成。47三、基础工程设计和施工所需的资料地基与基础在设计及施工开始之前，除了应掌握有关建筑结构物的资料，包括上部结构形式、跨径、荷载、墩台结构等及国家颁发的相关设计和施工技术规范外，还应注意地质、水文资料的搜集和分析，重视土质和建筑材料的调查与试验。主要应掌握各项地质、水文、地形等资料，资料内容范围可根据工程规模、重要性及建筑地点工程地质、水文条件的具体情况和设计阶段确定取舍。48建筑平面图及拟建上部结构建筑结构形式、总体构造及有关设计资料工程地质勘测报告及地质纵剖面图地基土质调查试验报告基础工程设计和施工所需的资料：49四、基础工程设计计算应注意的事项

（一）基础工程设计计算的原则

1．基础底面的压力小于地基的容许承载力；2．地基及基础的变形值小于建筑物要求的沉降值；3．地基及基础的整体稳定性有足够保证；4．基础本身的强度满足要求。50地基与基础方案的确定主要取决于地基土层的工程性质与水文地质条件、荷载特性、上部结构的结构形式及使用要求，以及材料的供应和施工技术等因素，方案选择的原则是：力求使用上安全可靠、施工技术上简便可行和经济上合理。因此，必要时应作不同方案的比较，从中选出较为适宜与合理的设计方案和施工方案。51（二）考虑地基、基础、上部结构整体作用建筑物是一个整体，地基、基础和上部结构是共同工作且相互影响的，地基的任何变形都必定引起基础和上部结构的变形；不同类型的基础会影响上部结构的受力和工作；上部结构的力学特征也必然对基础的类型与地基的强度、变形和稳定条件提出相应的要求，同时恰当的上部结构型式也具有调整地基基础受力条件，改善位移情况的能力。因此，基础工程应紧密结合上部结构和要求进行；上部结构的设计也应充分考虑地基的特点，把整个结构物作为一个整体，考虑其整体作用和各个组成部分的共同作用。52(三)基础工程极限状态设计应用可靠度理论进行工程结构设计是当前国际上一种共同发展的趋势，是工程结构设计领域一次带有根本性的变革。可靠性分析设计又称概率极限状态设计。

可靠性含义就是指系统在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的概率。系统不能完成预定功能的概率即是失效概率。这种以统计分析确定的失效概率来度量系统可靠性的方法即为概率极限状态设计方法。53

结构设计的极限状态一般分为承载力极限状态和正常使用极限状态，承载力极限状态指结构失稳或强度不足，正常使用极限状态指结构变形或局部损坏使其不能满足正常使用和耐久性的情况。地基基础设计中的承载力极限状态不仅包含了地基整体失稳所引起的极限状态，也包含了由于地基土的变形或局部破坏使上部结构发生严重破坏的情况，即地基土的变形也可能是上部结构发生承载力极限状态的原因之一。

54由于地基土是在漫长的地质年代中形成的，是大自然的产物，其性质十分复杂，不仅不同地点的土性可以差别很大，即使同一地点，同一土层的土，其性质也随位置发生变化。所以地基土具有比任何人工材料大得多的变异性，它的复杂性质不仅难以人为控制，而且要清楚地认识它也很不容易。在进行地基可靠性研究的过程中，取样、代表性样品选择、试验、成果整理分析等各个环节都有可能带来一系列的不确定性，增加测试数据的变异性，从而影响到最终分析结果。地基土因位置不同引起的固有可变性，样品测值与真实土性值之间的差异性，以及有限数量所造成误差等，就构成了地基土材料特性变异的主要来源。这种变异性比一般人工材料的变异性大。地基可靠性分析的特点55基础工程极限状态设计与结构极限状态设计相比还具有物理和几何方面的特点：地基是一个半无限体，与板梁柱组成的结构体系完全不同。在结构工程中，可靠性研究的第一步先解决单构件的可靠度问题，目前列入规范的亦仅仅是这一步，至于结构体系的系统可靠度分析还处在研究阶段，还没有成熟到可以用于设计标准的程度。地基设计与结构设计不同的地方在于无论是地基稳定和强度问题或者是变形问题，求解的都是整个地基的综合响应。地基的可靠性研究无法区分构件与体系，从一开始就必须考虑半无限体的连续介质，或至少是一个大范围连续体。显然，这样的验算不论是从计算模型还是涉及的参数方面都比单构件的可靠性分析复杂的多。56在结构设计时，所验算的截面尺寸与材料试样尺寸之比并不很大。但在地基问题中却不然，地基受力影响范围的体积与土样体积之比非常大。这就引起了两方面的问题，一是小尺寸的试件如何代表实际工程的性状，二是由于地基的范围大，决定地基性状的因素不仅是一点土的特性，而是取决于一定空间范围内平均土层特性，这是结构工程与基础工程在可靠度分析方面的最基本的区别所在。57我国基础工程可靠度研究始于20世纪80年代初，虽然起步较晚，但发展很快，研究涉及的课题范围较广，有些课题的研究成果，已达国际先进水平。但由于研究对象的复杂性，基础工程的可靠度研究落后于上部结构可靠度的研究，而且要将基础工程可靠度研究成果纳入设计规范，进入实用阶段，还需要做大量的工作。国外有些国家已建立了地基按半经验半概率的分项系数极限状态标准。在我国，随着结构设计使用了极限状态设计方法，在地基设计中采用极限状态设计工作也已提到议事日程上了。结论：58基础工程的发展方向

（一）开展地基的强度、变形特性的基本理论研究由于天然地基中土层较复杂，具有明显的非线性和各向异性，粘性土更具有回滞性及时间效应，因此，地基土的强度、变形的基本理论及计算方法