第二講基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)原則2012

基礎(chǔ)工程?hào)|南大學(xué)主講教師：童立元電話-mail:atmu@第2講安全傳遞結(jié)構(gòu)荷載至地基的過渡結(jié)構(gòu)，使得作用在地基上的荷載效應(yīng)值相對地基承載能力有足夠的安全儲(chǔ)備；產(chǎn)生的地基變形在容許范圍內(nèi)；確保結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定和使用。第二節(jié).地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則2.1概念設(shè)計(jì)計(jì)算基本原則3個(gè)根據(jù)——結(jié)構(gòu)傳力體系、地下空間使用功能、地基土物理力學(xué)性質(zhì)

1個(gè)結(jié)合——施工設(shè)備能力

1個(gè)堅(jiān)持——保護(hù)環(huán)境

1個(gè)努力——費(fèi)用最小化結(jié)構(gòu)破壞后果

地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)3個(gè)等級

建筑工程結(jié)構(gòu)3個(gè)等級

公路工程結(jié)構(gòu)3個(gè)等級

建筑結(jié)構(gòu)4個(gè)防震設(shè)防類別

支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞后果3個(gè)安全等級破壞等級標(biāo)準(zhǔn)危及人員的生命造成經(jīng)濟(jì)的損失

產(chǎn)生社會(huì)的影響方案選擇基本原則基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)安全等級安全等級破壞后果建筑物類型一級很嚴(yán)重重要的建筑二級嚴(yán)重一般的建筑三級不嚴(yán)重次要的建筑建筑結(jié)構(gòu)的安全等級安全等級路面結(jié)構(gòu)橋涵結(jié)構(gòu)一級高速公路路面特大橋、重要大橋二級一級公路路面大橋、中橋、重要小橋三級二級公路路面小橋、涵洞公路工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級建筑抗震設(shè)防分類抗震設(shè)防類別抗震建筑類型甲類地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑乙類地震時(shí)使用功能不能中斷或需盡快恢復(fù)的建筑丙類除甲、乙、丁類以外的建筑丁類抗震次要建筑基坑側(cè)壁安全等級安全等級破壞后果一級支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下工程結(jié)構(gòu)施工影響很嚴(yán)重二級一般三級不嚴(yán)重地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級設(shè)計(jì)等級建筑和地基類型甲級重要的工業(yè)與民用建筑；30層以上的高層建筑；體型復(fù)雜，層數(shù)相差超過10層的高低層連體建筑物；大面積的多層地下建筑物（地下車庫、商場、運(yùn)動(dòng)場等）；對地基變形有特殊要求的建筑物；復(fù)雜地基條件下的坡上建筑物（包括高邊坡）；對原有工程影響較大的新建建筑物；場地和地基條件復(fù)雜的一般建筑物；位于復(fù)雜地質(zhì)條件及軟土地區(qū)的2層及2層以上地下室的基坑工程乙級除甲級、丙級以外的工業(yè)與民用建筑丙級場地和地基條件簡單、荷載分布均勻的7層及7層以下民用建筑及一般工業(yè)建筑；次要的輕型建筑物使用期出現(xiàn)概率很小，且持續(xù)時(shí)間很短。如火災(zāi)、爆炸、撞擊等。設(shè)計(jì)年限和設(shè)計(jì)狀況設(shè)計(jì)狀況結(jié)構(gòu)或構(gòu)件只需進(jìn)行正常維護(hù)，即可按其預(yù)期目的使用的年限。設(shè)計(jì)年限持久狀況結(jié)構(gòu)使用期一定出現(xiàn)、持續(xù)期長（與設(shè)計(jì)使用年限同一量級）的狀況。如結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載短暫狀況結(jié)構(gòu)施工與使用期出現(xiàn)概率較大，相對設(shè)計(jì)年限持續(xù)時(shí)間很短的狀況。如施工和維修等偶爾狀況1）持久狀況：橋涵建成后承受自重、車輛荷載等持續(xù)時(shí)間很長的狀況。該狀況橋涵應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；2）短暫狀況：橋涵施工過程中承受臨時(shí)性作用的狀況。該狀況下的橋涵一般僅作承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，必要時(shí)才作正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)；3）偶然狀況：在橋涵使用過程中偶然出現(xiàn)的如罕遇地震的狀況。該狀況下的橋涵僅作承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)使用年限分類類別設(shè)計(jì)使用年限/年舉例11～5臨時(shí)性結(jié)構(gòu)225易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件350普通房屋和構(gòu)筑物4100紀(jì)念性建筑和特別重要的建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析是基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。包括，2.2結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析與極限狀態(tài)（LimitState）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)分析地基基礎(chǔ)抗力及其他分析結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析作用(action)：所有引起結(jié)構(gòu)反應(yīng)的原因按作用的性質(zhì)，可為兩類：一類是直接施加于結(jié)構(gòu)上的外力，如結(jié)構(gòu)重力、車輛、人群等，稱為“荷載”(Load)；另一類不是以力的形式施加于結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的效果與結(jié)構(gòu)本身的特性及結(jié)構(gòu)所處環(huán)境等有關(guān)，如基礎(chǔ)變位、混凝土收縮和徐變，溫度變化等,以前習(xí)慣上也稱其為“荷載”，但這種叫法并不確切.作用效應(yīng)(effectofanaction):

結(jié)構(gòu)對所受作用的反應(yīng)，如構(gòu)件承受的彎矩、剪力，結(jié)構(gòu)的位移等，稱為作用效應(yīng)。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)分析上部荷載作用效應(yīng)分析確定基底荷載效應(yīng)地基基礎(chǔ)抗力及其他分析基頂荷載地基反力作用效應(yīng)分析基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)內(nèi)力軸力、剪力、彎矩地基、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承受能力和性能基礎(chǔ)材料結(jié)構(gòu)形式截面尺寸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建筑性質(zhì)地基沉降地基性質(zhì)承載能力驗(yàn)算沉降驗(yàn)算基礎(chǔ)內(nèi)力驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合預(yù)期的可靠度要求

不同結(jié)構(gòu)可靠度的相對可比性極限狀態(tài)設(shè)計(jì)分析——概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法(LimitStateApproach)原理特點(diǎn)從結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)（或失效概率）來度量結(jié)構(gòu)的可靠度，并且建立了結(jié)構(gòu)可靠度與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程關(guān)系，以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。以失效概率或結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)代替以往的安全系數(shù)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件超過某一特定狀態(tài)，就不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的某一功能要求，此特定狀態(tài)稱為該功能的極限狀態(tài)。功能極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到正常使用或耐久性能的某項(xiàng)規(guī)定限值。極限狀態(tài)分類承載能力極限狀態(tài)ULTUltimateLimitState）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力，或不適用繼續(xù)承載的變形或變位。正常使用極限狀態(tài)SLSServiceabilityLimitState承載能力極限狀態(tài)－情況：

整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡（如傾覆等）；結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞（包括疲勞破壞），或因過度塑性變形而不適于繼續(xù)承載；結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系；結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定（如壓屈等）；地基喪失承載能力而破壞（如滑動(dòng)失穩(wěn)等）

正常使用極限狀態(tài)情況：

影響正常使用或外觀的變形；影響正常使用或耐久性能的局部破壞（包括裂縫）；影響正常使用的振動(dòng)；影響正常使用的其他狀態(tài)。設(shè)計(jì)狀況與極限狀態(tài)設(shè)計(jì)根據(jù)材料和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對作用的反應(yīng)，采用線性理論計(jì)算，必要時(shí)采用非線性理論進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)效應(yīng)分析與極限狀態(tài)設(shè)計(jì)根據(jù)材料和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對作用的反應(yīng)，采用線性、非線性或塑性理論進(jìn)行分析。分析方法承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)工程極限狀態(tài)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀個(gè)別采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，如建筑樁基技術(shù)規(guī)范；橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范等均未采用產(chǎn)生地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在荷載計(jì)算、材料強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)安全度等不協(xié)調(diào)的情況巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的概率特性比上部結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多需要大量的測試與分析工作需要積累足夠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)原因地基承載力

地基穩(wěn)定性

地基變形地基承載力、穩(wěn)定和變形

強(qiáng)度、剛度和耐久性

災(zāi)害荷載作用損失最小2.3地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)地基2.4地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工需要資料結(jié)構(gòu)荷載資料基礎(chǔ)頂面和底面荷載

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)軸力、水平剪力和彎矩

多種荷載共同作用

承載能力極限狀態(tài)和正常使用

極限狀態(tài)分別組合

取各自不同極限狀態(tài)的最不利

荷載組合上部荷載組合荷載資料根據(jù)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gk和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik，一般荷載效應(yīng)組合規(guī)定（GB50009-2001）《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》

正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合值Sk

承載能力極限狀態(tài)荷載效應(yīng)基本組合設(shè)計(jì)值S

永久荷載效應(yīng)控制的基本組合設(shè)計(jì)值S

，簡化為

S=1.35SkR

上部荷載組合荷載效應(yīng)最不利組合與相應(yīng)抗力或限值規(guī)定承載力地基驗(yàn)算變形值穩(wěn)定性基礎(chǔ)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)造截面材料地基基礎(chǔ)部分（地基）的荷載組合有自己的特殊之處，目前地基基礎(chǔ)的相關(guān)計(jì)算是建立在變形控制的總前提下，地基承載力的計(jì)算是按正常使用極限狀態(tài)的荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，這不同于荷載規(guī)范中一般意義上的荷載組合。但是，地基基礎(chǔ)（地基）設(shè)計(jì)與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在概念與設(shè)計(jì)方法上都有一定差異，在設(shè)計(jì)原則上也不統(tǒng)一，導(dǎo)致地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載組合和荷載取值這兩個(gè)方面中的某些部分與上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的習(xí)慣并不完全一致。地基基礎(chǔ)（基礎(chǔ)）設(shè)計(jì)的荷載是上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載必須和上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載組合與取值一致。相應(yīng)限值為地基變形容許值。沉降變形傳于基礎(chǔ)底面荷載效應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久荷載組合，不計(jì)入風(fēng)荷載和地震荷載。相應(yīng)抗力采用土的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，采用整體穩(wěn)定分析計(jì)算方法計(jì)算。穩(wěn)定性荷載作用效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，分項(xiàng)修正系數(shù)為1.0。相應(yīng)抗力地基承載力特征值，單樁承載力特征值。按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積及基礎(chǔ)埋深時(shí)，或按單樁承載力確定樁數(shù)時(shí)，傳于基礎(chǔ)底面的荷載效應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。地基承載力

相應(yīng)抗力采用對應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法確定?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)，基礎(chǔ)底面的荷載效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，采用相應(yīng)分項(xiàng)修正系數(shù)?；A(chǔ)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載規(guī)定地基承載力計(jì)算按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，荷載取標(biāo)準(zhǔn)組合。按《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的設(shè)計(jì)原則，抗力應(yīng)稱為標(biāo)準(zhǔn)值，但在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中稱為特征值，此處的地基承載力特征值或單樁承載力特征值在土力學(xué)的概念上就是地基容許承載力和單樁容許承載力。該容許承載力就是由極限承載力除以安全系數(shù)得到。用容許承載力設(shè)計(jì)時(shí)，其荷載應(yīng)當(dāng)取標(biāo)準(zhǔn)值。地基承載力驗(yàn)算變形驗(yàn)算的荷載組合應(yīng)考慮長期效應(yīng)組合，荷載取值采用準(zhǔn)永久組合，這是由于地基變形主要是由于土層的固結(jié)引起，而土的固結(jié)常常延續(xù)很長時(shí)間，因而計(jì)算沉降時(shí)不計(jì)風(fēng)荷載和地震荷載。地基變形驗(yàn)算總之，地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載組合同一般的荷載組合存在較大的差別。穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)當(dāng)屬于承載力極限狀態(tài)的范疇，因而荷載組合取基本組合,荷載取設(shè)計(jì)值。但又規(guī)定分項(xiàng)系數(shù)取1.0，說明實(shí)際的荷載還是取的標(biāo)準(zhǔn)值。但是當(dāng)計(jì)算得到的土壓力或滑坡推力用于計(jì)算抗滑樁的截面與配筋時(shí)，必須乘以1.35的分項(xiàng)系數(shù)。在驗(yàn)算樁的水平承載力時(shí)則取為1.0。完全遵從上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，承載力極限狀態(tài)下的基本組合，并采用相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)，抗力采用材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。地基穩(wěn)定性驗(yàn)算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

不良地質(zhì)條件的評定及其危害程度；

地層結(jié)構(gòu)、均勻性、以及各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)；

地下水埋藏情況、類型和水位變化幅度、規(guī)律和腐蝕性；

地震設(shè)防區(qū)，場地土類型和場地類別，并進(jìn)行液化判別；

深基坑開挖施工與支護(hù)設(shè)計(jì)所需巖土技術(shù)資料。巖土工程勘查資料巖土工程勘查資料反映地基抗力、變形等性能，主要指巖土工程勘查報(bào)告。內(nèi)容鉆探取樣

土工試驗(yàn)

原位觸探

現(xiàn)場坑探

原位試驗(yàn)地基評價(jià)方法巖土資料TheVersatileandDigitalPiezoconeTest

施工過程中，對地基持力層（基礎(chǔ)底面直接受力土層）、樁周土層的肉眼直接觀測或簡單儀器測試，是校驗(yàn)勘察報(bào)告成果可靠性的最佳時(shí)機(jī)。

施工驗(yàn)槽如發(fā)現(xiàn)地基條件與原巖土工程勘查報(bào)告不符時(shí)，因補(bǔ)充施工勘察。施工驗(yàn)槽主要是指土體和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的原位測試，主要指現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，即：原位試驗(yàn)資料地基承載力靜載荷試驗(yàn)單樁承載力靜載荷試驗(yàn)土體力學(xué)行為和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載能力正確（可靠）認(rèn)識(shí)，幾乎大部分來源于靜載荷試驗(yàn)。測試方法作用地位土體力學(xué)行為和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載力、變形規(guī)律及相應(yīng)計(jì)算參數(shù)復(fù)合地基錨樁靜載荷試驗(yàn)江蘇廣電城工地3840噸樁基靜載檢測現(xiàn)場原位觸探指標(biāo)

必要鉆探（抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、變形指標(biāo)）靜載荷試驗(yàn)指標(biāo)

鉆探（抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、變形指標(biāo)）

原位觸探指標(biāo)鉆探（抗剪強(qiáng)度指標(biāo)、變形指標(biāo)）

原位觸探指標(biāo)工程應(yīng)用甲級乙級丙級2.4橋梁基礎(chǔ)工程所需資料及計(jì)算荷載的確定計(jì)算荷載的確定偶然荷載：地震荷載、船只或漂浮物撞擊力，施工荷載恒載（永久荷載）:結(jié)構(gòu)物自重、土重、土自重產(chǎn)生的側(cè)向壓力、靜水壓力與浮力，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力，超靜定結(jié)構(gòu)中因混凝土收縮徐變和基礎(chǔ)變位產(chǎn)生的影響力可變荷載：基本可變荷載（活載），汽車荷載及其引起的沖擊力、離心力、土側(cè)壓力，人群荷載，平板掛車或履帶車及其引起的土側(cè)壓力；其它可變荷載，汽車制動(dòng)力、風(fēng)力、冰壓力、流水壓力及支座摩阻力荷載分類分別在各種組合的荷載作用下，進(jìn)行各項(xiàng)驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果均應(yīng)分別滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的要求。按各種荷載特性及出現(xiàn)的幾率組合組合ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ，比如，組合Ⅰ由恒載中的一種，與一種或幾種活載（平板掛車或履帶車除外）相組合，稱主要組合；其它稱附加組合荷載組合原則按最不利荷載組合情況進(jìn)行驗(yàn)算，即組合起來的荷載，應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的最大力學(xué)效應(yīng)，如用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生的最大應(yīng)力，最小滑動(dòng)安全系數(shù)。不同的驗(yàn)算內(nèi)容由不同的最不利荷載組合控制設(shè)計(jì)。縱橋向、橫橋向控制設(shè)計(jì)

承載力應(yīng)滿足要求

甲、乙級建筑按地基變形設(shè)計(jì)

丙級可不作變形驗(yàn)算，但是特殊情況需要進(jìn)行變形驗(yàn)算

部分建筑物或構(gòu)筑物的穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算

部分地下室上浮驗(yàn)算2.5地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一般規(guī)定根據(jù)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級和長期荷載作用地基沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響補(bǔ)充－概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法簡介為了在建筑設(shè)計(jì)上做到技術(shù)先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)合理、安全適用．《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑物采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法。

結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)可以用荷載效應(yīng)S(指荷載在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)引起的內(nèi)力或位移等)和結(jié)構(gòu)抗力R(指抵抗破壞或變形的能力)的關(guān)系描述，定義功能函數(shù)Z:

Z=R–S

當(dāng)Z>0,或R>S，可靠狀態(tài)；

Z<0,或R<S,失效狀態(tài)；

Z=0,或R=S,極限狀態(tài)。

R和S－隨機(jī)變量；假定R和S的概率分布為正態(tài)分布，則Z亦為正態(tài)分布，如圖所示。

功能函數(shù)Z的概率分布圖注：?(z)為Z的概率密度函數(shù)；z為Z的平均值；Pf為曲線下的陰影面積與總面積之比，即失效概率；值稱為結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)。過程簡介

對荷載效應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行概率分析，確定功能函數(shù)的平均值z和標(biāo)準(zhǔn)差z，求得概率密度函數(shù)?(z)，從而計(jì)算Z的失效概率Pf和結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)。用Pf或來評價(jià)結(jié)構(gòu)的可靠性比單一安全系數(shù)更為合理,。但是由于影響R和S的因素很多，且缺乏統(tǒng)計(jì)資料，當(dāng)前直接用概率分析方法來計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠度還較困難，于是只