基础工程课件剖析

地基基础设计是建筑结构设计的重要内容之一，与建筑物的安全和正常使用有密切关系。设计时合理选择地基基础方案，因地制宜，精心设计。安全可靠、经济合理、技术先进和施工方便。 本章介绍了地基基础设计的基本原则和基本规定，叙述了常规设计方法和合理设计方法各自特点，介绍了地基及基础类别划分以及地基基础与上部结构共同工作的概念。主要内容包括：地基基础设计原则、地基类型、基础类型、地基基础与上部结构共同工作的概念。,第10章 地基基础的设计原则,本章提要,10.1地基基础的设计原则,基础的主要功能有以下几点： （1）通过扩大的基础底板或桩基础等形式将上部结构传来的荷载(如轴向力、水平力及弯矩等)传递到持力层和下卧土层，以满足地基土的承载力要求； （2）根据地基可能出现的变形及上部结构的特点，利用基础所具有的刚度与上部结构共同调整地基的不均匀变形，以满足上部结构对地基变形的要求； （3）当上部结构受到较大的水平力(如风力、水压力、土压力以及地震作用等)作用时，基础还起抗滑和抗倾覆的作用； （4）作为动力机器的基础还有减振的功能。,建筑物可分为地上部分（上部结构）和地下部分（下部结构）基础，而基础坐落在地基上。地基作为支撑建筑物的地层，如为自然状态则为天然地基，若为人工处理则为人工地基。 地基又分为浅基础和深基础两大类，通常按基础的埋置深度划分。一般埋深小于5m的为浅基础，大于5m的为深基础。,也有建议按施工方法来划分的，用普通基坑开挖和敞坑排水方法修建的基础（埋深小于5m）等，而用特殊施工方法将基础埋置于深层地基中的基础称深基础，如桩基、沉井、地下连续墙等。本章只讨论天然地基上的浅基础，人工地基及深基础将在以后的章节中讨论。,浅基础有多种形式，是随上部结构类型的增多，使用功能的要求、地基条件、建筑材料和施工方法的发展而演变的，形成了从独立的、条形的到交叉的、成片的乃至空间整体的基础系列。,一般应优选天然地基上浅基础，条件不允许时，可比较天然基础深基础和人工地基上浅基础两种方案，确定其一。,如多层民用建筑或轻型厂房，当地基为一般第四纪沉积层时，选择天然地基上浅基础为最理想；若浅基础有软弱下卧层则此方案不适宜，可考虑人工地基上浅基础或天然地基上深基础。,建筑物的上部结构，地基和基础三者间相互依存，相互制约，设计者应因地制宜，就地取材的原则，周密考虑，精心设计。尤其应注重工程实践经验。目前对地基基础上部结构工作的理论探讨还处于发展深化阶段，有较多的问题尚不能单纯靠理论解决，因此，积累工程实践资料有助于设计成功。 常见的浅基础体形不大，结构简单，在计算单个基础时一般不遵循上部与基础的变形协调条件，也不考虑地基与基础的相互作用，用隔离体法仅考虑静力平衡条件，这种简化方法称为常规设计。,大型复杂的基础必须考虑与上部的变形协调条件。 设计步骤 （1）.选择地基基础方案，确定基础类型 （2）.确定基础埋置深度和持力层的承载力。 （3）.根据持力层承载力计算基础底面尺寸。 （4）.根据需要进行变形验算。 （5）.进行基础的结构设计（剖面设计） （6）.绘制基础施工详图，提出施工说明。,由于影响地基基础设计的因素较多，方案难以一次确定，一般是先选定后计算，往往需要反复几次才能完成，设计者应该在安全可行的前提下，尽量挖掘地基潜力，充分发挥基础材料性能，强化经济观点，在设计和施工中注意节约尤为重要。 此外，还应注意基础工程的施工对周围环境的影响。如化学灌浆加固地基污染水源，强夯和打桩时噪声受影响的居民。基坑开挖排水时，会引起相邻建筑物的地基下沉。,§10.1.2概率极限设计方法与极限状态设计原则 国际标准结构可靠性总原则ISO2394对土木工程设计采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法。 以结构的可靠度指标（或者失效概率）来度量结构的可靠度，并且建立结构可靠度与结构极限状态方程关系，这种设计方法就是以概率论为基础的极限设计方法，简称概率极限设计方法。 整个结构或结构的一部分（构件）超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态，例如，构件即将开裂、倾覆、滑移、压屈、失稳等。,极限状态可分为二类： 1承载能力极限状态 结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。如：材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏，或产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；,2正常使用极限状态 结构或构件达到正常使用或耐久性能中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。例如，当结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动时，可认为结构或构件超过了正常使用极限状态。,基础的设计，应满足三个条件或三项原则： 1.强度和稳定性条件，即在使用荷载下，地基土体不发生剪切破坏和丧失稳定性。 Pfa P基底反力 fa地基容许承载力 2.变形条件，即地基沉降量不超过其允许值。 S 3.基础本身满足强度，刚度耐久性要求。,§10.1.3地基基础设计基本规定 1对地基计算的要求 地基与基础设计内容和建筑物的设计等级有关。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者影响正常使用的程度，建筑地基基础设计规范将地基基础设计分为三个设计等级（见表7-1），甲级 、乙级、丙级。 根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应符合下列规定：,（1）所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定； （2）设计等级为甲、乙级的建筑物，均应按地基变形设计； （3）表10-2所列出范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍可作变形验算： 1）地基承载力特征值小于130kPa，且体型复杂的建筑； 2）在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时； 3）软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时； 4）相邻建筑距离过近，可能发生倾倒时； 5）地基内有厚度较大或者厚薄不匀的填土，其自重固结未完成时。,（4）对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，尚应验算其稳定性； （5）基坑工程应进行稳定性验算； （6）当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。,2关于荷载取值的规定 地基基础设计时，所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定采用： （1）按地基承载力确定基础底面积及埋深时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值。 （2）计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应校正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形允许值。,（3）计算挡土墙土压力、地基和斜坡的稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效府的基本组合，但其分项系数均为1.0。 （4）在确定基础高度、支挡结构截面、计算基础或支档结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。 当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。 （5）由永久荷载效应控制的基本组合值可取标准组合值的1.35倍。,§10.2 地基、基础与上部结构相互作用的概念 一、基本概念 目前的地基基础设计方法是力学分析中的隔离体法，即将上部结构、基础、地基分别按隔离体对待，上部结构与基础接触处的内力作为外荷载（一般为支座反力）,作用于上部结构或基础上（方向相反）。,支座反力取决于基础与上部结构的连接方式，可按铰接或固接求解，地基反力一般按简化法直线分布计算。 这种使用方法存在缺陷，即只考虑了三者间的静力平衡条件，未考虑三者间的变形协调条件，即各部分接触面不一定满足变形协调条件。以基础为例，它与地基呈接触状态，其同一位置截面上的变形必然相等，但按上法计算的基础于地基同一截面处的变形不一定相等，这种理论促使人们研究探讨更为合理的方法,下图为假想的完全柔性的结构（a）为柔性墙体（未砌筑不搭接的砖跺），（b）为完全柔性的上部结构，它们的整体刚度几乎为零，其作用仅为传递荷载，不参与基础的工作，对地基的变形毫无约束作用，可以完全适应地基变形。实际上这种完全柔性的结构是不存在的，它没有实际意义。,图（c）为普通墙体，它具有一定的刚度，当地基的不均匀沉降引起墙体挠曲变形时，它的抗弯刚度将起一定的抵抗作用，可以调整一些挠曲变形，也就是说，上部结构，地基和基础共同工作发挥了效力。但是因为墙体的强度不够大，不均匀沉降引起的附加应力可使墙体有开裂现象。,(d)为钢筋混凝土墙，具有较大的强度和刚度，因此既可以调整不均匀沉降引起的挠曲变形，又能抵抗附加应力引起的开裂。墙体几乎没有挠曲，是因为共同作用的结果，使地基变形趋于均匀。 因此在设计时应该以地基、基础和上部结构之间必然满足静力平衡条件和变形协调条件，基于相互作用分析设计方法已被称为“合理设计”，但毕竟还处于研究阶段，一般基础设计仍然采用常规方法。,二.地基和基础的相互作用 建筑物基础的沉降，内力基底反力的分布，除了与地基因素有关外，还受基础及上部结构的制约，现在首先讨论基础本身刚度的影响。 （一）.柔性基础 其抗弯刚度很小，可以随地基的变形而任意弯曲，基础上任一点荷载传递到基底时不可能向旁扩散分布。所以柔性基础的基底反力分布与作用与基础上的荷载分布完全一致。,沉降为中间大，边缘小，所以为了调整柔性基础使其均匀下沉，只能调整荷载的分布。 （二）.刚性基础,刚性基础具有非常大的抗弯刚度，受压后基础不挠曲，当轴心受压时，则基底的沉降处处相等，可以推断，中心荷载下刚性基础基底反力的分布也应该是边缘大，中间小 。偏心荷载时，如图（b），可见具有刚度的基础在调整基底沉降的同时，也使基底压力由中部向边缘发生了转移。此处把刚性基础能跨越基底中部，将所承担的荷载相对集中的传递的基底边缘的现象叫做基础的“跨越作用”。,这种基底反力的分布形状叫马鞍形，可以用弹性力学的方法解出，随着外力的增大，塑性区的形成和开展，外加荷载必然向中心转移，基底反力呈抛物线形。 （三）.基础相对刚度的影响 归纳以上针对柔性基础和刚性基础的讨论，可以得出这样的结论，基础架越作用取决于基础与地基比较的相对刚度，土的压缩性以及基底下塑性区的大小。,a.图荷载小时，基础架越作用大，相对刚度大，随着荷载的增加，塑性区扩大，基底压力趋于均匀。 b.刚度中等，介于a、c之间 c.图岩土基础刚度相对小，荷载分布区域很小，基底反力几乎未扩散。,总之，当基础相对愈刚时，随着基础挠曲的减小，基底反力的分布与荷载的分布愈不一致。 (四).地基非匀质性的影响 地基条件的变化，将引起基础挠曲变形总的变化。实际工程中可能基础与荷载均相同，地基条件不同。如地基中部硬两头软。基础呈凸状挠曲；如果相反，地基中软，两边硬，则基础呈凹状挠曲。地基的压缩性均匀与否直接影响基础的剪力和变形，因此基础设计时，尽量避开不均匀地基。,常规设计时，假定基底反力均匀分布，基础弯矩图按静力法求得，这中方法适用于基础刚度很大，地基相对软弱的情况。,三.上部结构刚度的影响 上部结构的刚度，指的是整个上部结构对基础不均匀沉降或挠曲的抵抗能力，或称整体刚度，因此可将建筑结构分为三类,（一）、柔性结构 木结构、排架结构等属于柔性结构 柔性结构对基础的不均匀沉降有很大的顺从性，或对基础的不均匀沉降没有抵抗性，如静定结构属于这种情况。规范对这类结构的地基变形限制较宽。,（二）、敏感结构 指超静定结构，对基础不均匀沉降很敏感，如框架结构。刚度越大，敏感度就越大，对不均匀结构适应性越小。另一方面，上部结构刚度与基础刚度之比对地基受力如何，后面讲到。上部结构与基础刚度之比越大，调整不均匀能力更强。,（三）刚性结构 烟囱、水塔、锅炉等高耸结构物之下配置独立基础与上部结构浑然一体，使整个结构有很大的刚