基礎工程_王曉謀_第一章導論

1、基礎工程基礎工程舒志樂西華大學建筑與土木工程學院主要內容第一章、前言第二章、天然地基上的淺基礎第三章、樁基礎第四章、樁基礎的設計計算第五章、沉井基礎及地下連續(xù)墻第六章、地基處理第七章、幾種特殊地基上的基礎工程第一章、導論學科概況基礎工程學科的發(fā)展概況基礎工程設計和施工所需的資料基礎工程設計計算應注意的事項基礎工程的發(fā)展方向土木工程是建造各類工程設施的科學技術的統(tǒng)稱。它既指工程建設的對象，即建造在地上、地下或水中的各種工程設施；也指所應用的材料、設備和所進行的勘測、設計、施工、保養(yǎng)、維修等技術活動。 土木工程科學技術的發(fā)展有著悠久的歷史，它是伴隨著人類社會的進步而發(fā)展起來的，人類建造的工程設施反

2、映出各個歷史時期社會、經濟、文化、科學、技術發(fā)展的面貌。 基礎設施建設中的各類工程結構物，如房屋、隧道與地下工程、鐵路、公路和機場以及各項市政與交通運輸工程等，都需要土木工程學科的理論及其工程實踐方面的研究成果。一、學科概況 土木工程學科屬于工學門類，在整個科學技術領域中占有非常重要的地位，它是人類生存、社會進步、經濟發(fā)展所依賴的主要學科之一。隨著科學技術的進步和工程實踐的發(fā)展，土木工程這個學科也已發(fā)展成為內涵廣泛、門類眾多、結構復雜的綜合體系。土木工程學科的發(fā)展需要借助于基礎科學、材料科學、管理科學和電子信息技術等研究成果。同時，土木工程學科的發(fā)展也促進了其它相關學科以及高新技術的發(fā)展?；A

3、工程的基本概念v 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承擔。受建筑物影響的那一部分地層稱為地基，建筑物與地基接觸的部分稱為基礎。橋梁上部結構為橋跨結構，而下部結構包括橋墩、橋臺及其基礎 。v 基礎工程包括建筑物的地基地基與基礎基礎的設計與施工。圖1-1 橋梁結構各部分立面示意圖1-下部結構；2-基礎；3-地基；4-橋臺；5-橋墩；6-上部結構l地基：承受建筑物荷載應力與應變不能忽略的土層。（有一定深度和范圍）l基礎：埋入土層一定深度并將荷載傳給地基的建筑物下部結構。 持力層 ：直接支撐建筑物基礎的土層。 下臥層(軟弱) ：持力層下部的土層。結構荷載結構荷載基底壓力

4、基底壓力天然地基：天然地基：沒有經過人為處理，直接修建。沒有經過人為處理，直接修建。 人工地基：人工地基：承載力低，高壓縮性地基，人工處承載力低，高壓縮性地基，人工處理后才能修建。理后才能修建。地基地基基礎基礎深基礎深基礎剛性擴大基礎剛性擴大基礎單獨和聯(lián)合基礎單獨和聯(lián)合基礎條形基礎條形基礎筏板和箱形基礎筏板和箱形基礎樁基礎樁基礎沉井基礎（等）沉井基礎（等）淺基礎淺基礎深水基礎深水基礎:水深超過水深超過5m，且不能采用一般的土圍，且不能采用一般的土圍堰、木板樁圍堰等防水技術施工的橋梁基礎堰、木板樁圍堰等防水技術施工的橋梁基礎上部結構上部結構（荷載）、（荷載）、基礎基礎（壓力）、（壓力）、地基地基

5、（ 應力、應力、變形變形 ），），三者間相互制約協(xié)同工作三者間相互制約協(xié)同工作。設計方法設計方法：簡化設計簡化設計將三部分相對獨立分開，按靜力平衡原則，采用不將三部分相對獨立分開，按靜力平衡原則，采用不同的簡化假定進行分析計算同的簡化假定進行分析計算.地基基礎在工程中的重要性地基基礎在工程中的重要性v隱蔽工程，處理困難，事故危害大； v工程造價高，占20-25%； v設計上應做方案比較。v比薩斜塔、虎丘塔（地基不均勻沉降）； v特朗斯康谷倉、巴樁基大廈（地基破壞）； v上海錦江飯店整體下沉、香港寶成大廈失穩(wěn)。特點實例軟弱地基軟弱地基 整體破壞整體破壞地基土承載力低，地基土承載力低，產生強度破壞

6、產生強度破壞地基不均勻沉降， 建筑傾斜基巖基巖不均勻不均勻 軟土層軟土層案例一：比薩斜塔 世界著名的比薩斜塔于1173年動工，1370年竣工，塔身高約55m，建成后因地基壓縮層產生不均勻沉降，使塔的北側下沉近1m，南側下沉近3m，塔身傾斜約5.5，塔頂離開鉛垂線的距離已達5.27m，是我國虎丘塔的傾斜值的2.3倍。幸虧該塔使用的大理石材質優(yōu)良，在塔身嚴重傾斜的情況下尚未出現裂縫。比薩斜塔建成后曾經數次加固，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的危塔。案例一：比薩斜塔 加拿大的特朗斯康谷倉建于1913年，谷倉的平面為矩形，長59.44m,寬23.47m，高度為3

7、1m，由65個圓柱形筒倉組成，采用鋼筋混凝土閥板基礎。設計時對地基未作勘察，不了解基底下有厚達15m左右的軟粘土層，僅根據對臨近建筑的調查判定地基承載力。建成后于當年9月開始均勻地向谷倉內裝載谷物，至10月發(fā)現谷倉產生大量快速沉降，1小時內的垂直沉降量竟達到30.5cm，在其后的24小時內谷倉傾倒，傾倒后谷倉的西側下沉達7.32m，東側則抬高了1.53m，整體傾斜達盡27度。因谷倉整體性很強，筒倉本身完好無損。案例二：加拿大特朗斯康谷倉案例二：加拿大特朗斯康谷倉案例三：墨西哥城某建筑 案例四：日本新瀉地震 v 國外在18世紀產業(yè)革命以后，城建、水利、道路建筑規(guī)模的擴大促使人們對基礎工程的重視與

8、研究，對有關問題開始尋求理論上的解答。此階段在作為本學科的理論基礎的土力學方面，如土壓力理論、土的滲透理論等有局部的突破，基礎工程也隨著工業(yè)技術的發(fā)展而得到新的發(fā)展，如19世紀中葉利用氣壓沉箱法修建深水基礎。本世紀20年代，基礎工程有比較系統(tǒng)、比較完整的專著問世，1936年召開第一屆國際土力學與基礎工程會議后，土力學與基礎工程作為一門獨立的學科取得不斷的發(fā)展。上世紀50年代起，現代科學新成就的滲入，使基礎工程技術與理論得到更進一步的發(fā)展與充實，成為一門較成熟的獨立的現代學科。二、基礎工程學科的發(fā)展概況 我國是一個具有悠久歷史的文明古國，我國古代勞動人民在基礎工程方面，也早就表現出高超的技藝和創(chuàng)

9、造才能，許多宏偉壯麗的中國古代建筑逾千百年仍留存至今安然無恙的事實就充分說明了這一點。例如，遠在1300多年前隋朝時所修建的趙州安濟石拱橋，不僅在建筑結構上有獨特的技藝，而且在地基基礎的處理上也非常合理，該橋橋臺座落在較淺的密實粗砂土層上，沉降很小，現反算其基底壓力約為500kPa600kPa，與現行的各設計規(guī)范中所采用的該土層容許承載力的數值（550kPa）極為接近。在當時就能如此充分利用天然地基的承載力，真令人贊嘆不已。在樁基礎和地基加固方面，我國自古已有廣泛運用，具有悠久的歷史。中國古代案例：趙州橋 中國古代案例二：上海龍華古塔 位于上海市龍華公園南側，直徑8.0m，7層，高40.40m

10、.該塔建于北宋（公元997年），距今已有1000多年歷史。塔基使用了大量的木樁，值得稱道的是建塔者用三合土對木樁進行了很好的隔離防腐處理，木樁因之保存千年而不腐，使龍華古塔至今風光依然。中國古代案例三：蘇州虎丘塔三、基礎工程設計和施工所需的資料v 橋梁的地基與基礎在設計及施工開始之前，除了應掌握有關全橋的資料，包括上部結構形式、跨徑、荷載、墩臺結構等及國家頒發(fā)的橋梁設計和施工技術規(guī)范外，還應注意地質、水文資料的搜集和分析，重視土質和建筑材料的調查與試驗。主要應掌握各項地質、水文、地形等資料，資料內容范圍可根據橋梁工程規(guī)模、重要性及建橋地點工程地質、水文條件的具體情況和設計階段確定取舍。 v橋位

11、（包括橋頭引道）平面圖及擬建上部結構及墩臺形式、總體構造及有關設計資料v橋位工程地質勘測報告及橋位地質縱剖面圖v地基土質調查試驗報告v河流水文調查資料（1）基礎工程設計和施工所需的資料：（2 2）作用的分類及代表值）作用的分類及代表值作用：施加在結構上的一組集中力或分布力，或引起結構外加變作用：施加在結構上的一組集中力或分布力，或引起結構外加變形或約束變形的原因。形或約束變形的原因。1、永久作用：結構物的自重、土重及土的自重產生的側向壓力、永久作用：結構物的自重、土重及土的自重產生的側向壓力、水的浮力、預應力結構中的預應力、超靜定結構中因混凝土收縮水的浮力、預應力結構中的預應力、超靜定結構中因

12、混凝土收縮徐變和基礎變位而產生的影響力徐變和基礎變位而產生的影響力 2、基本可變荷載（活載）、基本可變荷載（活載）: 汽車荷載、汽車沖擊力、離心力、汽車荷載、汽車沖擊力、離心力、汽車引起的土側壓力、人群荷載。汽車引起的土側壓力、人群荷載。3、其他可變荷載、其他可變荷載 : 風力、汽車制動力、流水壓力、冰壓力、支風力、汽車制動力、流水壓力、冰壓力、支座摩阻力，在超靜定結構中尚需考慮溫度變化的影響力座摩阻力，在超靜定結構中尚需考慮溫度變化的影響力 4、偶然荷載有船只或漂流物撞擊力、汽車撞擊作用和地震作用。、偶然荷載有船只或漂流物撞擊力、汽車撞擊作用和地震作用。 在設計計算時，應根據橋梁通用規(guī)范具體

13、規(guī)定，考慮可能同時出在設計計算時，應根據橋梁通用規(guī)范具體規(guī)定，考慮可能同時出現的作用荷載進行組合?，F的作用荷載進行組合。作用標準值作用標準值：作用的基本代表值，相當于設計基準期（100年）內年最大荷載統(tǒng)計分布的特征值，可以取均值或某個分位值。對于由結構自重確定的永久作用標準值取結構構件的設計尺寸與材料的重力密度計算，可變作用的標準值按現行公路橋涵設計通用規(guī)范有關章節(jié)的規(guī)定采用。作用準永久值作用準永久值：在設計基準期內（ 100年），可變作用的準永久值取其超越的總時間為設計基準期一半的作用值。頻遇值頻遇值：取其超越的總時間為設計基準期95%的可變作用值。在設計計算時，應視驗算目標與驗算項目的不同

14、，以各種作用代表值為基礎進行多種作用效應組合。3、作用效應組合與極限狀態(tài)設計 當結構承受兩種或兩種以上的可變作用時，應考慮多種作用效應的相互疊加，即作用效應組合。全面而合理的作用效應組合是橋梁結構設計的關鍵。 公路橋涵設計通用規(guī)范規(guī)定按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行效應的組合設計。（一）、承載能力極限狀態(tài)設計1、基本組合、基本組合 承載能力極限狀態(tài)：對應于橋涵結構或構件達到最大承載能力或出現不適于繼續(xù)承載的變形或變位狀態(tài)。)()(21100211100QjdnjcdQmiGidudQjknjQjckQQmiGikGiudSSSSSSSS或 設計彎橋時，當離心力與制動力同時參與組合時，制

15、動力標準值或設計值按70%取用。2、偶然組合、偶然組合)(22111100QjknjjkQakamiGikGiadSSSSSGi其中：a、取值為1.0（二）、正常使用極限狀態(tài)設計 正常使用極限狀態(tài)設計：對應于橋涵結構或其構件達到正常使用或耐久性的某項限值的狀態(tài)1、作用短期效應組合2、作用長期效應組合QjknjjmiGikldQjknjjmiGiksdSSSSSS121111（三）、基礎工程相關驗算1、基礎結構穩(wěn)定性驗算skbkSSk02、地基豎向承載力驗算 傳至基底或承臺底面的作用應按正常使用極限狀態(tài)的短期效應組合采用（頻遇值系數均取1.0），同時應考慮作用相應的偶然組合（不包括地震作用）。作

16、用效應組合值小于或等于相應抗力地基承載力容許值或單樁承載力容許值。3、基礎沉降計算基礎底面的作用效應按正常使用極限狀態(tài)下作用長期效應組合采用。該組合僅為直接施加于結構上的永久作用標準值（不包括混凝土收縮及徐變作用、基礎變位作用）和可變作用準永久值（僅指汽車荷載和人群荷載）引起的效應。4、關于水浮力計算的相應規(guī)定（1）基礎底面位于透水性地基上的浮力計算，當驗算穩(wěn)定性時，應考慮設計水位的浮力，當驗算地基應力時，可僅考慮低水位的浮力，或不考慮水的浮力。（2）基礎嵌入不透水地基（密實粘性土地基，較完整、裂隙較少的巖石地基）上，且基底與地基接觸良好的橋梁墩臺基礎，可不考慮水的浮力。（3）作用在樁基樁基承

17、臺底面的浮力，應考慮全部底面積。對樁嵌入不透水地基并灌注混凝土封閉者，不應考慮樁的浮力，在計算承臺底面浮力時應扣除樁的截面面積。（4）當不能肯定地基是否透水時，應以透水和不透水兩種情況與其他作用組合，取其最不利者。四、基礎工程設計計算應注意的事項1、容許承載力設計方法：0NA 2、單一安全系數的極限狀態(tài)設計方法： ssKppANu即地基土的變形也可能是上即地基土的變形也可能是上部結構發(fā)生承載力極限狀態(tài)的原因之一。部結構發(fā)生承載力極限狀態(tài)的原因之一。 由于地基土是在漫長的地質年代中形成的，是大自然的產物，其性質十分復雜，不僅不同地點的土性可以差別很大，即使同一地點，同一土層的土，其性質也隨位置發(fā)

18、生變化。所以地基土具有比任何人工材料大得多的變異性，它的復雜性質不僅難以人為控制，而且要清楚地認識它也很不容易。在進行地基可靠性研究的過程中，取樣、代表性樣品選擇、試驗、成果整理分析等各個環(huán)節(jié)都有可能帶來一系列的不確定性，增加測試數據的變異性，從而影響到最終分析結果。地基土因位置不同引起的固有可變性，樣品測值與真實土性值之間的差異性，以及有限數量所造成誤差等，就構成了地基土材料特性變異的主要來源。這種變異性比一般人工材料的變異性大。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 基礎工程極限狀態(tài)設計與結構極限狀態(tài)設計相比還具有物理和幾何方面的特點 ： 地基是一個半無限體，與板梁柱組

19、成的結構體系完全不同。在結構工程中，可靠性研究的第一步先解決單構件的可靠度問題，目前列入規(guī)范的亦僅僅是這一步，至于結構體系的系統(tǒng)可靠度分析還處在研究階段，還沒有成熟到可以用于設計標準的程度。地基設計與結構設計不同的地方在于無論是地基穩(wěn)定和強度問題或者是變形問題，求解的都是整個地基的綜合響應。地基的可靠性研究無法區(qū)分構件與體系，從一開始就必須考慮半無限體的連續(xù)介質，或至少是一個大范圍連續(xù)體。顯然，這樣的驗算不論是從計算模型還是涉及的參數方面都比單構件的可靠性分析復雜的多。 在結構設計時，所驗算的截面尺寸與材料試樣尺寸之比并不很大。但在地基問題中卻不然，地基受力影響范圍的體積與土樣體積之比非常大。

20、這就引起了兩方面的問題，一是小尺寸的試件如何代表實際工程的性狀，二是由于地基的范圍大，決定地基性狀的因素不僅是一點土的特性，而是取決于一定空間范圍內平均土層特性，這是結構工程與基礎工程在可靠度分析方面的最基本的區(qū)別所在。 我國基礎工程可靠度研究始于20世紀80年代初，雖然起步較晚，但發(fā)展很快，研究涉及的課題范圍較廣，有些課題的研究成果，已達國際先進水平。但由于研究對象的復雜性，基礎工程的可靠度研究落后于上部結構可靠度的研究，而且要將基礎工程可靠度研究成果納入設計規(guī)范，進入實用階段，還需要做大量的工作。國外有些國家已建立了地基按半經驗半概率的分項系數極限狀態(tài)標準。在我國，隨著結構設計使用了極限狀態(tài)設計方法，在地基設計中采用極限狀態(tài)設計工作也已提到議事日程上了。結論：基礎工程的發(fā)展方向（一）開展地基的強度、變形特性的基本理論研究 由于天然地基中