基礎(chǔ)工程_王曉謀_第一章導論

1、基礎(chǔ)工程基礎(chǔ)工程舒志樂西華大學建筑與土木工程學院主要內(nèi)容第一章、前言第二章、天然地基上的淺基礎(chǔ)第三章、樁基礎(chǔ)第四章、樁基礎(chǔ)的設(shè)計計算第五章、沉井基礎(chǔ)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(chǔ)工程第一章、導論學科概況基礎(chǔ)工程學科的發(fā)展概況基礎(chǔ)工程設(shè)計和施工所需的資料基礎(chǔ)工程設(shè)計計算應(yīng)注意的事項基礎(chǔ)工程的發(fā)展方向土木工程是建造各類工程設(shè)施的科學技術(shù)的統(tǒng)稱。它既指工程建設(shè)的對象，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)備和所進行的勘測、設(shè)計、施工、保養(yǎng)、維修等技術(shù)活動。 土木工程科學技術(shù)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(shè)施反

2、映出各個歷史時期社會、經(jīng)濟、文化、科學、技術(shù)發(fā)展的面貌。 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的各類工程結(jié)構(gòu)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(shù)領(lǐng)域中占有非常重要的地位，它是人類生存、社會進步、經(jīng)濟發(fā)展所依賴的主要學科之一。隨著科學技術(shù)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(nèi)涵廣泛、門類眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的綜合體系。土木工程學科的發(fā)展需要借助于基礎(chǔ)科學、材料科學、管理科學和電子信息技術(shù)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(guān)學科以及高新技術(shù)的發(fā)展?；A(chǔ)

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(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、橋臺及其基礎(chǔ) 。v 基礎(chǔ)工程包括建筑物的地基地基與基礎(chǔ)基礎(chǔ)的設(shè)計與施工。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；5-橋墩；6-上部結(jié)構(gòu)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(軟弱) ：持力層下部的土層。結(jié)構(gòu)荷載結(jié)構(gòu)荷載基底壓力

4、基底壓力天然地基：天然地基：沒有經(jīng)過人為處理，直接修建。沒有經(jīng)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(chǔ)基礎(chǔ)深基礎(chǔ)深基礎(chǔ)剛性擴大基礎(chǔ)剛性擴大基礎(chǔ)單獨和聯(lián)合基礎(chǔ)單獨和聯(lián)合基礎(chǔ)條形基礎(chǔ)條形基礎(chǔ)筏板和箱形基礎(chǔ)筏板和箱形基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)沉井基礎(chǔ)（等）沉井基礎(chǔ)（等）淺基礎(chǔ)淺基礎(chǔ)深水基礎(chǔ)深水基礎(chǔ):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(shù)施工的橋梁基礎(chǔ)堰、木板樁圍堰等防水技術(shù)施工的橋梁基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)（荷載）、（荷載）、基礎(chǔ)基礎(chǔ)（壓力）、（壓力）、地基地基

5、（ 應(yīng)力、應(yīng)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(shè)計方法設(shè)計方法：簡化設(shè)計簡化設(shè)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(chǔ)在工程中的重要性地基基礎(chǔ)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(shè)計上應(yīng)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(chǎn)生強度破壞

6、產(chǎn)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(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(zhì)優(yōu)良，在塔身嚴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(chǔ)。設(shè)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(jù)對臨近建筑的調(diào)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(nèi)裝載谷物，至10月發(fā)現(xiàn)谷倉產(chǎn)生大量快速沉降，1小時內(nèi)的垂直沉降量竟達到30.5cm，在其后的24小時內(nèi)谷倉傾倒，傾倒后谷倉的西側(cè)下沉達7.32m，東側(cè)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(chǎn)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(chǔ)工程的重視與

8、研究，對有關(guān)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(chǔ)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(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世紀中葉利用氣壓沉箱法修建深水基礎(chǔ)。本世紀20年代，基礎(chǔ)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(chǔ)工程會議后，土力學與基礎(chǔ)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(xiàn)代科學新成就的滲入，使基礎(chǔ)工程技術(shù)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(xiàn)代學科。二、基礎(chǔ)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(chǔ)工程方面，也早就表現(xiàn)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(jié)構(gòu)上有獨特的技藝，而且在地基基礎(chǔ)的處理上也非常合理，該橋橋臺座落在較淺的密實粗砂土層上，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(chǔ)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(cè)，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(chǔ)工程設(shè)計和施工所需的資料v 橋梁的地基與基礎(chǔ)在設(shè)計及施工開始之前，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、墩臺結(jié)構(gòu)等及國家頒發(fā)的橋梁設(shè)計和施工技術(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。主要應(yīng)掌握各項地質(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、重要性及建橋地點工程地質(zhì)、水文條件的具體情況和設(shè)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(jié)構(gòu)及墩臺形式、總體構(gòu)造及有關(guān)設(shè)計資料v橋位工程地質(zhì)勘測報告及橋位地質(zhì)縱剖面圖v地基土質(zhì)調(diào)查試驗報告v河流水文調(diào)查資料（1）基礎(chǔ)工程設(shè)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(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力，或引起結(jié)構(gòu)外加變作用：施加在結(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力，或引起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物的自重、土重及土的自重產(chǎn)生的側(cè)向壓力、永久作用：結(jié)構(gòu)物的自重、土重及土的自重產(chǎn)生的側(cè)向壓力、水的浮力、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力、超靜定結(jié)構(gòu)中因混凝土收縮水的浮力、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力、超靜定結(jié)構(gòu)中因

12、混凝土收縮徐變和基礎(chǔ)變位而產(chǎn)生的影響力徐變和基礎(chǔ)變位而產(chǎn)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(cè)壓力、人群荷載。汽車引起的土側(cè)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(jié)構(gòu)中尚需考慮溫度變化的影響力座摩阻力，在超靜定結(jié)構(gòu)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(shè)計計算時，應(yīng)根據(jù)橋梁通用規(guī)范具體

13、規(guī)定，考慮可能同時出在設(shè)計計算時，應(yīng)根據(jù)橋梁通用規(guī)范具體規(guī)定，考慮可能同時出現(xiàn)的作用荷載進行組合?，F(xiàn)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(shè)計基準期（100年）內(nèi)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(jié)構(gòu)自重確定的永久作用標準值取結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計尺寸與材料的重力密度計算，可變作用的標準值按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范有關(guān)章節(jié)的規(guī)定采用。作用準永久值作用準永久值：在設(shè)計基準期內(nèi)（ 100年），可變作用的準永久值取其超越的總時間為設(shè)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(shè)計基準期95%的可變作用值。在設(shè)計計算時，應(yīng)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(chǔ)進行多種作用效應(yīng)組合。3、作用效應(yīng)組合與極限狀態(tài)設(shè)計 當結(jié)構(gòu)承受兩種或兩種以上的可變作用時，應(yīng)考慮多種作用效應(yīng)的相互疊加，即作用效應(yīng)組合。全面而合理的作用效應(yīng)組合是橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。 公路橋涵設(shè)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(yīng)的組合設(shè)計。（一）、承載能力極限狀態(tài)設(shè)計1、基本組合、基本組合 承載能力極限狀態(tài)：對應(yīng)于橋涵結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形或變位狀態(tài)。)()(21100211100QjdnjcdQmiGidudQjknjQjckQQmiGikGiudSSSSSSSS或 設(shè)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(shè)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(shè)計 正常使用極限狀態(tài)設(shè)計：對應(yīng)于橋涵結(jié)構(gòu)或其構(gòu)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(yīng)組合2、作用長期效應(yīng)組合QjknjjmiGikldQjknjjmiGiksdSSSSSS121111（三）、基礎(chǔ)工程相關(guān)驗算1、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(yīng)按正常使用極限狀態(tài)的短期效應(yīng)組合采用（頻遇值系數(shù)均取1.0），同時應(yīng)考慮作用相應(yīng)的偶然組合（不包括地震作用）。作

16、用效應(yīng)組合值小于或等于相應(yīng)抗力地基承載力容許值或單樁承載力容許值。3、基礎(chǔ)沉降計算基礎(chǔ)底面的作用效應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下作用長期效應(yīng)組合采用。該組合僅為直接施加于結(jié)構(gòu)上的永久作用標準值（不包括混凝土收縮及徐變作用、基礎(chǔ)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(yīng)。4、關(guān)于水浮力計算的相應(yīng)規(guī)定（1）基礎(chǔ)底面位于透水性地基上的浮力計算，當驗算穩(wěn)定性時，應(yīng)考慮設(shè)計水位的浮力，當驗算地基應(yīng)力時，可僅考慮低水位的浮力，或不考慮水的浮力。（2）基礎(chǔ)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(chǔ)，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(yīng)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(yīng)考慮樁的浮力，在計算承臺底面浮力時應(yīng)扣除樁的截面面積。（4）當不能肯定地基是否透水時，應(yīng)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(chǔ)工程設(shè)計計算應(yīng)注意的事項1、容許承載力設(shè)計方法：0NA 2、單一安全系數(shù)的極限狀態(tài)設(shè)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(jié)構(gòu)發(fā)生承載力極限狀態(tài)的原因之一。部結(jié)構(gòu)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(zhì)年代中形成的，是大自然的產(chǎn)物，其性質(zhì)十分復(fù)雜，不僅不同地點的土性可以差別很大，即使同一地點，同一土層的土，其性質(zhì)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(fù)雜性質(zhì)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(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，樣品測值與真實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(chǔ)工程極限狀態(tài)設(shè)計與結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)設(shè)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(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，還沒有成熟到可以用于設(shè)計標準的程度。地基設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)。地基的可靠性研究無法區(qū)分構(gòu)件與體系，從一開始就必須考慮半無限體的連續(xù)介質(zhì)，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(shù)方面都比單構(gòu)件的可靠性分析復(fù)雜的多。 在結(jié)構(gòu)設(shè)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(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。 我國基礎(chǔ)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(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(jīng)驗半概率的分項系數(shù)極限狀態(tài)標準。在我國，隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計使用了極限狀態(tài)設(shè)計方法，在地基設(shè)計中采用極限狀態(tài)設(shè)計工作也已提到議事日程上了。結(jié)論：基礎(chǔ)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