基礎(chǔ)工程件PPT課件

1、第一章、導(dǎo)論 學(xué)科概況 基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)和施工所需的資料及計(jì)算作用的確定 基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)注意的事項(xiàng) 基礎(chǔ)工程學(xué)科的發(fā)展概況第1頁(yè)/共50頁(yè)土木工程是建造各類(lèi)工程設(shè)施的科學(xué)技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng)。它既指工程建設(shè)的對(duì)象，即建造在地上、地下或水中的各種工程設(shè)施；也指所應(yīng)用的材料、設(shè)備和所進(jìn)行的勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、保養(yǎng)、維修等技術(shù)活動(dòng)。 土木工程科學(xué)技術(shù)的發(fā)展有著悠久的歷史，它是伴隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的，人類(lèi)建造的工程設(shè)施反映出各個(gè)歷史時(shí)期社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、文化、科學(xué)、技術(shù)發(fā)展的面貌。 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的各類(lèi)工程結(jié)構(gòu)物，如房屋、隧道與地下工程、鐵路、公路和機(jī)場(chǎng)以及各項(xiàng)市政與交通運(yùn)輸工程等，都需要土木工程學(xué)科的理論及

2、其工程實(shí)踐方面的研究成果。一、學(xué)科概況第2頁(yè)/共50頁(yè) 土木工程學(xué)科屬于工學(xué)門(mén)類(lèi)，在整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中占有非常重要的地位，它是人類(lèi)生存、社會(huì)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展所依賴(lài)的主要學(xué)科之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工程實(shí)踐的發(fā)展，土木工程這個(gè)學(xué)科也已發(fā)展成為內(nèi)涵廣泛、門(mén)類(lèi)眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的綜合體系。土木工程學(xué)科的發(fā)展需要借助于基礎(chǔ)科學(xué)、材料科學(xué)、管理科學(xué)和電子信息技術(shù)等研究成果。同時(shí)，土木工程學(xué)科的發(fā)展也促進(jìn)了其它相關(guān)學(xué)科以及高新技術(shù)的發(fā)展。第3頁(yè)/共50頁(yè)土木工程學(xué)科有如下二級(jí)學(xué)科： （1）巖土工程 （2）結(jié)構(gòu)工程 （3）市政工程 （4）供熱、供燃?xì)?、通風(fēng)及空調(diào)工程 （5）橋梁與隧道工程 （6）防災(zāi)減災(zāi)工程及防

3、護(hù)工程第4頁(yè)/共50頁(yè)基礎(chǔ)工程的基本概念 任何建筑物都建造在一定的地層上，建筑物的全部荷載都由它下面的地層來(lái)承擔(dān)。受建筑物影響的那一部分地層稱(chēng)為地基，建筑物與地基接觸的最下部分稱(chēng)為基礎(chǔ)。橋梁上部結(jié)構(gòu)為橋跨結(jié)構(gòu)，而下部結(jié)構(gòu)包括橋墩、橋臺(tái)及其基礎(chǔ) 。 基礎(chǔ)工程包括建筑物的地基與基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工。第5頁(yè)/共50頁(yè)圖1-1 橋梁結(jié)構(gòu)各部分立面示意圖1-下部結(jié)構(gòu)；2-基礎(chǔ)；3-地基；4-橋臺(tái)；5-橋墩；6-上部結(jié)構(gòu)第6頁(yè)/共50頁(yè)l地基：承受建筑物荷載應(yīng)力與應(yīng)變不能忽略的土層。（有一定深度和范圍）l基礎(chǔ)：埋入土層一定深度并將荷載傳給地基的建筑物下部結(jié)構(gòu)。 持力層 ：直接支撐建筑物基礎(chǔ)的土層。 下臥層(軟

4、弱) ：持力層下部的土層。第7頁(yè)/共50頁(yè)結(jié)構(gòu)荷載基底壓力第8頁(yè)/共50頁(yè) 天然地基：沒(méi)有經(jīng)過(guò)人為處理，直接修建。人工地基：承載力低，高壓縮性地基，人工處理后才能修建。地基基礎(chǔ)深基礎(chǔ)-基礎(chǔ)埋深5m剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)單獨(dú)和聯(lián)合基礎(chǔ)條形基礎(chǔ)筏板和箱形基礎(chǔ)樁基礎(chǔ) 沉箱基礎(chǔ)沉井基礎(chǔ)地下連續(xù)墻淺基礎(chǔ)一一般基礎(chǔ)埋深5m但小于基礎(chǔ)寬度.柔性擴(kuò)大基礎(chǔ)深水基礎(chǔ)第9頁(yè)/共50頁(yè)地基基礎(chǔ)在工程中的重要性 隱蔽工程，處理困難，事故危害大； 工程造價(jià)高，占20-25%； 控制施工進(jìn)度 設(shè)計(jì)上應(yīng)做方案比較。 比薩斜塔、虎丘塔（地基不均勻沉降）； 加特朗斯康谷倉(cāng)（地基破壞）； 上海錦江飯店整體下沉;墨西哥市藝術(shù)宮特點(diǎn)實(shí)例第10頁(yè)

5、/共50頁(yè)軟弱地基 整體破壞地基土承載力低，產(chǎn)生強(qiáng)度破壞第11頁(yè)/共50頁(yè)地基不均勻沉降， 建筑傾斜基巖不均勻不均勻 軟土層軟土層第12頁(yè)/共50頁(yè)第13頁(yè)/共50頁(yè)案例一：比薩斜塔 世界著名的比薩斜塔于1173年動(dòng)工，1370年竣工，塔身高約55m，建成后因地基壓縮層產(chǎn)生不均勻沉降，使塔的北側(cè)下沉近1m，南側(cè)下沉近3m，塔身傾斜約5.5，塔頂離開(kāi)鉛垂線(xiàn)的距離已達(dá)5.27m，是我國(guó)虎丘塔的傾斜值的2.3倍。幸虧該塔使用的大理石材質(zhì)優(yōu)良，在塔身嚴(yán)重傾斜的情況下尚未出現(xiàn)裂縫。比薩斜塔建成后曾經(jīng)數(shù)次加固，但效果甚微，每年仍下沉約1mm，傾斜尚未有加速跡象，已成為一座名副其實(shí)的危塔。第14頁(yè)/共50頁(yè)

6、案例一：比薩斜塔第15頁(yè)/共50頁(yè) 加拿大的特朗斯康谷倉(cāng)建于1913年，谷倉(cāng)的平面為矩形，長(zhǎng)59.44m,寬23.47m，高度為31m，由65個(gè)圓柱形筒倉(cāng)組成，采用鋼筋混凝土閥板基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)地基未作勘察，不了解基底下有厚達(dá)15m左右的軟粘土層，僅根據(jù)對(duì)臨近建筑的調(diào)查判定地基承載力。建成后于當(dāng)年9月開(kāi)始均勻地向谷倉(cāng)內(nèi)裝載谷物，至10月發(fā)現(xiàn)谷倉(cāng)產(chǎn)生大量快速沉降，1小時(shí)內(nèi)的垂直沉降量竟達(dá)到30.5cm，在其后的24小時(shí)內(nèi)谷倉(cāng)傾倒，傾倒后谷倉(cāng)的西側(cè)下沉達(dá)7.32m，東側(cè)則抬高了1.53m，整體傾斜達(dá)盡27度。因谷倉(cāng)整體性很強(qiáng)，筒倉(cāng)本身完好無(wú)損。案例二：加拿大特朗斯康谷倉(cāng)第16頁(yè)/共50頁(yè)案例二：加拿

7、大特朗斯康谷倉(cāng)第17頁(yè)/共50頁(yè)案例三：墨西哥城某建筑 第18頁(yè)/共50頁(yè)案例四：日本新瀉地震 第19頁(yè)/共50頁(yè)案例五 汶川地震第20頁(yè)/共50頁(yè)二、基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)和施工所需的資料及計(jì)算作用的確定 橋梁的地基與基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)及施工開(kāi)始之前，除了應(yīng)掌握有關(guān)全橋的資料，包括上部結(jié)構(gòu)形式、跨徑、荷載、墩臺(tái)結(jié)構(gòu)等及國(guó)家頒發(fā)的橋梁設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范外，還應(yīng)注意地質(zhì)、水文資料的搜集和分析，重視土質(zhì)和建筑材料的調(diào)查與試驗(yàn)。主要應(yīng)掌握各項(xiàng)地質(zhì)、水文、地形等資料，資料內(nèi)容范圍可根據(jù)橋梁工程規(guī)模、重要性及建橋地點(diǎn)工程地質(zhì)、水文條件的具體情況和設(shè)計(jì)階段確定取舍。 第21頁(yè)/共50頁(yè) 橋位（包括橋頭引道）平面圖及擬建上部

8、結(jié)構(gòu)及墩臺(tái)形式、總體構(gòu)造及有關(guān)設(shè)計(jì)資料 橋位工程地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告及橋位地質(zhì)縱剖面圖 地基土質(zhì)調(diào)查試驗(yàn)報(bào)告 河流水文調(diào)查資料基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)和施工所需的資料：第22頁(yè)/共50頁(yè)作用的分類(lèi)及代表值 要保證橋梁的地基與基礎(chǔ)滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度（變形）、穩(wěn)定性和耐久性的要求，就要求對(duì)其在各種工況下的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算，組成各種工況的基本要素就是作用。 作用：施加在結(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力（直接作用、荷載），或引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因（間接作用）。第23頁(yè)/共50頁(yè)作用分類(lèi)及代表值 作用的分類(lèi)永久作用可變作用偶然作用第24頁(yè)/共50頁(yè)（一）承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 對(duì)應(yīng)于橋涵結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到最大承載力或出現(xiàn)不適于

9、繼續(xù)承載的變形或變位狀態(tài)。1 1、基本組合：永久作用的設(shè)計(jì)值效應(yīng)與可變作用設(shè)計(jì)值效應(yīng)相組合。2 2、偶然組合：永久作用的標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用某種代表值效應(yīng)、一種偶然作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)相組合。作用效應(yīng)組合與極限狀態(tài)設(shè)計(jì)第25頁(yè)/共50頁(yè) 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自身承載力及穩(wěn)定性應(yīng)采用作用效應(yīng)基本組合和偶然組合進(jìn)行驗(yàn)算。 承載力驗(yàn)算時(shí)作用效應(yīng)組合中各效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)及效應(yīng)組合系數(shù)按相應(yīng)規(guī)范中取值；穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，各項(xiàng)系數(shù)均取1.01.0。第26頁(yè)/共50頁(yè)（二）正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì) 對(duì)應(yīng)于橋涵結(jié)構(gòu)或其構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性的某項(xiàng)限值的狀態(tài)。1 1、作用短期效應(yīng)組合：永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用頻遇值效

10、應(yīng)相組合。2 2、作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合：永久作用的標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與可變作用準(zhǔn)永久值效應(yīng)相組合。第27頁(yè)/共50頁(yè)（三）基礎(chǔ)工程相關(guān)驗(yàn)算1.1.基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算2.2.地基豎向承載力驗(yàn)算 進(jìn)行地基豎向承載力驗(yàn)算時(shí)，傳至基底或承臺(tái)底面的作用效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)的短期效應(yīng)組合采用，同時(shí)應(yīng)考慮作用效應(yīng)的偶然組合（不包括地震作用）。skbkssk0第28頁(yè)/共50頁(yè)3.3.基礎(chǔ)沉降計(jì)算 計(jì)算基礎(chǔ)沉降時(shí)，傳至基礎(chǔ)底面的作用效應(yīng)應(yīng)按正常使用狀態(tài)下的作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合采用。該組合僅為直接施加于結(jié)構(gòu)上的永久作用標(biāo)準(zhǔn)值（不包括混凝土收縮徐變作用、基礎(chǔ)變位作用）和可變作用的準(zhǔn)永久值（僅指汽車(chē)荷載和人群荷載）引起的效應(yīng)。

11、4.4.關(guān)于水浮力計(jì)算的相關(guān)規(guī)定 第29頁(yè)/共50頁(yè)上部結(jié)構(gòu)（荷載）、基礎(chǔ)（壓力）、地基（ 應(yīng)力、變形 ），三者間相互制約協(xié)同工作。設(shè)計(jì)方法：簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)將三部分相對(duì)獨(dú)立分開(kāi)，按靜力平衡原則，采用不同的簡(jiǎn)化假定進(jìn)行分析計(jì)算。三、基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)計(jì)算原則及設(shè)計(jì)方法第30頁(yè)/共50頁(yè)第31頁(yè)/共50頁(yè) 第32頁(yè)/共50頁(yè)第33頁(yè)/共50頁(yè)第34頁(yè)/共50頁(yè)正常使用極限狀態(tài)正常使用極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或?qū)?yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載力或最大承載力或不適合于繼續(xù)不適合于繼續(xù)承載的變形承載的變形對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到正常構(gòu)構(gòu)

12、件達(dá)到正常使用或耐久性的使用或耐久性的某項(xiàng)規(guī)定的限值某項(xiàng)規(guī)定的限值即地基土的變形也可能是上部結(jié)構(gòu)發(fā)生承載力極限狀態(tài)的原因之一。第35頁(yè)/共50頁(yè) 由于地基土是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代中形成的，是大自然的產(chǎn)物，其性質(zhì)十分復(fù)雜，不僅不同地點(diǎn)的土性可以差別很大，即使同一地點(diǎn)，同一土層的土，其性質(zhì)也隨位置發(fā)生變化。所以地基土具有比任何人工材料大得多的變異性，它的復(fù)雜性質(zhì)不僅難以人為控制，而且要清楚地認(rèn)識(shí)它也很不容易。在進(jìn)行地基可靠性研究的過(guò)程中，取樣、代表性樣品選擇、試驗(yàn)、成果整理分析等各個(gè)環(huán)節(jié)都有可能帶來(lái)一系列的不確定性，增加測(cè)試數(shù)據(jù)的變異性，從而影響到最終分析結(jié)果。地基土因位置不同引起的固有可變性，樣品測(cè)

13、值與真實(shí)土性值之間的差異性，以及有限數(shù)量所造成誤差等，就構(gòu)成了地基土材料特性變異的主要來(lái)源。這種變異性比一般人工材料的變異性大。 地基可靠性分析的特點(diǎn)第36頁(yè)/共50頁(yè) 基礎(chǔ)工程極限狀態(tài)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)相比還具有物理和幾何方面的特點(diǎn) ： 地基是一個(gè)半無(wú)限體，與板梁柱組成的結(jié)構(gòu)體系完全不同。在結(jié)構(gòu)工程中，可靠性研究的第一步先解決單構(gòu)件的可靠度問(wèn)題，目前列入規(guī)范的亦僅僅是這一步，至于結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)可靠度分析還處在研究階段，還沒(méi)有成熟到可以用于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的程度。地基設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的地方在于無(wú)論是地基穩(wěn)定和強(qiáng)度問(wèn)題或者是變形問(wèn)題，求解的都是整個(gè)地基的綜合響應(yīng)。地基的可靠性研究無(wú)法區(qū)分構(gòu)件與體系

14、，從一開(kāi)始就必須考慮半無(wú)限體的連續(xù)介質(zhì)，或至少是一個(gè)大范圍連續(xù)體。顯然，這樣的驗(yàn)算不論是從計(jì)算模型還是涉及的參數(shù)方面都比單構(gòu)件的可靠性分析復(fù)雜的多。第37頁(yè)/共50頁(yè) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，所驗(yàn)算的截面尺寸與材料試樣尺寸之比并不很大。但在地基問(wèn)題中卻不然，地基受力影響范圍的體積與土樣體積之比非常大。這就引起了兩方面的問(wèn)題，一是小尺寸的試件如何代表實(shí)際工程的性狀，二是由于地基的范圍大，決定地基性狀的因素不僅是一點(diǎn)土的特性，而是取決于一定空間范圍內(nèi)平均土層特性，這是結(jié)構(gòu)工程與基礎(chǔ)工程在可靠度分析方面的最基本的區(qū)別所在。第38頁(yè)/共50頁(yè) 我國(guó)基礎(chǔ)工程可靠度研究始于20世紀(jì)80年代初，雖然起步較晚，但發(fā)展很

15、快，研究涉及的課題范圍較廣，有些課題的研究成果，已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。但由于研究對(duì)象的復(fù)雜性，基礎(chǔ)工程的可靠度研究落后于上部結(jié)構(gòu)可靠度的研究，而且要將基礎(chǔ)工程可靠度研究成果納入設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)入實(shí)用階段，還需要做大量的工作。國(guó)外有些國(guó)家已建立了地基按半經(jīng)驗(yàn)半概率的分項(xiàng)系數(shù)極限狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)，隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，在地基設(shè)計(jì)中采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)工作也已提到議事日程上了。結(jié)論：第39頁(yè)/共50頁(yè) 由于電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展與運(yùn)用，可研究應(yīng)用最優(yōu)化方法來(lái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，求得在技術(shù)上先進(jìn)可行，經(jīng)濟(jì)上合理，施工方便的設(shè)計(jì)方案。 結(jié)構(gòu)抗震理論當(dāng)前正在不斷發(fā)展，對(duì)建筑物抗震性能至關(guān)重要的地基基礎(chǔ)抗震理論現(xiàn)在還不太

16、成熟，落后于建設(shè)的需要。應(yīng)進(jìn)一步運(yùn)用現(xiàn)代化計(jì)算工具和測(cè)試手段開(kāi)展各類(lèi)基礎(chǔ)和地基土的動(dòng)力分析的理論和科學(xué)試驗(yàn)。第40頁(yè)/共50頁(yè) 國(guó)外在18世紀(jì)產(chǎn)業(yè)革命以后，城建、水利、道路建筑規(guī)模的擴(kuò)大促使人們對(duì)基礎(chǔ)工程的重視與研究，對(duì)有關(guān)問(wèn)題開(kāi)始尋求理論上的解答。此階段在作為本學(xué)科的理論基礎(chǔ)的土力學(xué)方面，如土壓力理論、土的滲透理論等有局部的突破，基礎(chǔ)工程也隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而得到新的發(fā)展，如19世紀(jì)中葉利用氣壓沉箱法修建深水基礎(chǔ)。本世紀(jì)20年代，基礎(chǔ)工程有比較系統(tǒng)、比較完整的專(zhuān)著問(wèn)世，1936年召開(kāi)第一屆國(guó)際土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議后，土力學(xué)與基礎(chǔ)工程作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科取得不斷的發(fā)展。上世紀(jì)50年代起，現(xiàn)代科學(xué)

17、新成就的滲入，使基礎(chǔ)工程技術(shù)與理論得到更進(jìn)一步的發(fā)展與充實(shí)，成為一門(mén)較成熟的獨(dú)立的現(xiàn)代學(xué)科。四、基礎(chǔ)工程學(xué)科的發(fā)展概況第41頁(yè)/共50頁(yè) 我國(guó)是一個(gè)具有悠久歷史的文明古國(guó)，我國(guó)古代勞動(dòng)人民在基礎(chǔ)工程方面，也早就表現(xiàn)出高超的技藝和創(chuàng)造才能，許多宏偉壯麗的中國(guó)古代建筑逾千百年仍留存至今安然無(wú)恙的事實(shí)就充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。例如，遠(yuǎn)在1300多年前隋朝時(shí)所修建的趙州安濟(jì)石拱橋，不僅在建筑結(jié)構(gòu)上有獨(dú)特的技藝，而且在地基基礎(chǔ)的處理上也非常合理，該橋橋臺(tái)座落在較淺的密實(shí)粗砂土層上，沉降很小，現(xiàn)反算其基底壓力約為500kPa600kPa，與現(xiàn)行的各設(shè)計(jì)規(guī)范中所采用的該土層容許承載力的數(shù)值（550kPa）極為接近。在當(dāng)時(shí)就能如此充分利用天然地基的承載力，真令人贊嘆不已。在樁基礎(chǔ)和地基加固方面，我國(guó)自古已有廣泛運(yùn)用，具有悠久