基础及土力学的基本概念典尚设计

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1、1 绪论1.1 地基、基础及土力学的基本概念1.1.1 地基定义及分类建筑物的全部荷载最终由其下的地层来承担，承受建筑物全部荷载的那一部分地层称为地基（见图1-1）。地基分为天然地基和人工地基。1、天然地基力学性能满足建筑物的承载和变形能力要求的地层称为天然地基。建筑物的基础可直接设置在该天然地层上。承载能力和抗变形能力是地层能否作为天然地基的基本要求。承载能力要求是指该地层必须具有足够的强度和稳定性以及相应的安全储备；抗变形能力要求是指该地层承受建筑物荷载后不能产生过量的沉降和过大的不均匀沉降。2、人工地基当天然地层无法满足承受建筑物全部荷载的承载能力和变形能力基本要求时,可对一定深度范围内

2、的天然地层进行加固处理使其能发挥持力层作用，这部分地层经过人工改造后成为的地基称为人工地基。1.1.2 基础的定义由于地层土的压缩性大，强度低而不能直接承担通过墙和柱等竖向传力构件传来的建筑物的上部结构荷载，所以只能在竖向传力构件（墙和柱等）等直接与地基的接触处设置一层尺寸大于墙或柱断面的结构来将荷载扩散后安全地传递给地基，这种起到扩散墙柱等竖向传力构件荷载的建筑物最下部的结构称为基础（见图1-1）。基础是连接上部结构与地基的结构构件，基础结构应符合上部结构使用要求。技术上合理以及施工方便，满足地基的承载能力和抗变形能力要求。基础按埋置深度和传力方式可分为浅基础和深基础。1、浅基础相对埋深（基

3、础埋深与基础宽度之比）不大，采用普通方法与设备即可施工的基础称为浅基础。浅基础按结构形式分为：独立基础、条形基础、板式基础、筏式基础、箱形基础、壳体基础等。2、深基础当建筑物荷载较大且上层土质较差，采用浅基础无法承担建筑物荷载时需将基础埋置于较深的土层上，通过特殊的施工方法将建筑物荷载传递到较深土层的基础称为深基础。深基础可分为：桩基础、墩基础、沉井基础和地下连续墙等。1.1.3 土力学的定义和研究对象建筑物的荷载使地基中原有的应力状态发生变化，这就需要运用力学的方法来研究。利用力学的基本原理和土工测试技术来研究土的物理性质和土受力后的应力、强度、变形、稳定、渗透性及其随时间的变化规律的学科称

4、为土力学，土力学是工程力学的一个分支。由于土力学研究的对象“土”是散粒体属于三相体系，其力学性质与一般材料不同，在解决土工问题时，土力学很难像其它力学学科一样具备系统的理论和严密的数学公式，土力学常常要借助于工程实践经验的积累、现场试验以及室内土工实验来分析，所以，土力学是一门依赖于实践、理论与实际紧密结合的学科。1.2 地基基础在工程中的地位及重要性地基和基础是建筑物的根基。地基的选择或处理是否正确，基础的设计与施工质量的好坏均直接影响到建筑物的安全性、经济性和合理性。从安全性来分析，地基与基础的质量好坏对建筑物安全性的影响是巨大的。一旦发生地基与基础质量事故，对其补救和处理十分困难，有时甚

5、至无法补救。因地基基础质量问题造成的建筑物倾斜或倒塌的工程实例非常之多。我国的虎丘斜塔、意大利的比萨斜塔是典型的建筑物倾斜例子；加拿大的特朗斯康谷仓整体失稳事故，我国武汉的某高层建筑因地基问题造成建筑物严重倾斜并最终拆除，均是地基失效的例子。从经济性来分析，基础工程占整个建筑的建设费用的比例相当大。一般采用浅基础的多层建筑的基础造价占建筑造价的15%20%左右，采用深基础的高层建筑基础工程造价占总建筑费用的比例为20%30%左右。从合理性来分析，建筑物基础形式的合理选择是保证基础安全性和经济性的关键。但是，如何做到合理选择基础形式还有许多工作要做。近20年来的研究国内外提出了许多新型的基础形式

6、，这些工作为合理选择基础形式提供了技术支持。1.3 本课程的特点和学习方法1.3.1 本课程的特点地基基础是一门理论性和实践性均较强的课程。不同地区的地质条件各不相同，不同地区均有许多适应于该地区地质条件的基础形式。换句话说，一个好的地基基础设计方案应是在充分了解地质资料，对地基土的特性进行仔细分析并结合土力学知识、基础设计方法和各地区的实践经验后才能得出。本课程具有如下基本特点：1、在规划、勘探、设计、施工及使用阶段，地基基础问题是一个最基本的，需要分析和解决好的问题；2、地基基础属于隐蔽工程，其质量直接影响到结构安全，一旦发生质量问题，处理起来相当复杂和困难；3、地基土的条件千变万化，建筑

7、场地一旦确定，均要根据该场地的地质条件来设计基础，所以通过地质勘探来了解地质条件是必不可少的工作；4、地基基础涉及的内容广泛，要有综合的知识。同时，理论知识与实践经验的结合是地基基础课程的又一大特点。地基基础课程与工程力学，建筑材料、建筑结构设计、施工技术、工程地质与土的力学性能等有着密切的关系，应充分掌握上述学科的基本原理和相关关系，做好地基基础的设计与施工工作；5、本课程的知识更新周期较短。随着科技的发展，涌现了大量新的基础形式和地基基础新技术，这就要求不断学习，求真务实。1.3.2 学习方法和建议1、掌握基本理论和方法学会运用土力学等基本原理和概念，结合结构设计方法和施工技术，提高分析问

8、题和解决能力；2、采用综合的思维方式来学习要注意到地基基础学科与其它学科的联系，特别是结构设计、抗震设计等。这些学科中有许多概念和方法在地基基础设计时必须用到； 3、理论与实践必须相结合教学环节要分理论教学和实践教学，必要时可组织现场教学，参观施工现场。只有通过理论与实践的比较才能逐步提高认识、提高地基基础的设计与施工能力。5.1 概述本章开始将介绍基础设计的方法和步骤。地基基础设计是整个建筑结构设计的一个主要的部分，地基基础的设计质量涉及到建筑物的安全和正常使用。基础设计必须根据建筑物的安全等级和用途、上部结构的条件（包括上部结构的形式、结构的整体刚度、荷载的大小和性质等）、结构基础和场地的

9、条件（包括场地类别、工程地质和水文条件）以及施工方法、造价等因素来合理地确定地基基础方案。地基基础设计的基本原则为：因地制宜，认真计算，精心设计。所设计的基础要技术先进、经济合理、施工方便和安全可行。地基基础设计必须执行建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）（以下简称地基基础设计规范）的规定，特别是要严格执行强制性条文的规定。5.2 基本规定5.2.1 地基基础设计等级地基基础设计规范根据地基的复杂程度、建筑物的规模和功能特征，考虑到地基问题可能会造成建筑破坏的程度和影响建筑物正常使用的程度，将地基基础设计分为甲级、乙级、丙级三个等级（见表5-1）。设计时应按表5-1中的规定确定地基

10、基础的设计等级。地基基础设计等级 表5-1设 计 等 级建 筑 和 地 基 类 型甲级重要的工业与民用建筑物30层以上的高层建筑体形复杂、层数相差超过10层的高低层连成一体建筑物大面积的多层地下建筑物（如地下车库、商场、运动场等）对地基变形有特殊要求的建筑物复杂地质条件下的坡上建筑物（包括高边坡）对原有工程影响较大的新建建筑物场地和地基条件复杂的一般建筑物位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的基坑工程乙级除甲级、丙级以外的工业与民用建筑丙级场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下民用建筑及一般工业建筑物；次要的轻型建筑物5.2.2 地基基础设计的基本要求为了保证建筑物的正常

11、和安全使用，根据长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度和建筑物的地基基础设计等级，地基基础设计应符合下列基本要求：1、承载力基本条件所有建筑物的地基基础设计均应满足承载力设计的有关规定。 2、地基变形条件1）设计等级为甲、乙级的建筑物均应按地基变形设计。SS （5-1）式中： S地基变形值，计算方法见本书3.3节；S地基允许变形值，见表5-2。 建筑物的地基变形允许值 表5-2变 形 特 征地 基 土 类 别中、低压缩性土高压缩性土砌体承重结构基础的局部倾斜0.0020.003工业与民用建筑相邻柱基的沉降差（1）框架结构（2）砌体墙填充的边排柱（3）当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0

12、.0020.00070.0050.0030.0010.005单层排架结构（柱距为6m）柱基的沉降量（mm）（120）200桥式吊车轨面的倾斜（按不调整轨道考虑）纵向横向0.0040.003多层和高层建筑的整体倾斜 Hg2424Hg6060Hg100Hg1000.0040.0030.00250.002体形简单的高层建筑基础的平均沉降量（）200高耸结构基础的倾斜 Hg2020Hg5050Hg100100Hg150150Hg200200Hg2500.0080.0060.0050.0040.0030.002高耸结构基础的沉降量（） Hg100100Hg200200Hg250400300200注：（1

13、）本表数值为建筑物地基实际最终变形允许值； （2）有括号者仅适用于中压缩性土； （3）为相邻柱基的中心距离（mm）；Hg为自室外地面起算的建筑物高度（m）； （4）倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值； （5）局部倾斜指砌体承重结构沿纵向610m内基础两点的沉降差与其距离的比值2）设计等级为丙级的建筑物，若满足表5-3的条件时可不作变形验算。 可不作地基变形计算设计等级为丙级的建筑物范围 表5-3地基主要受力层情况地基承载力特征值fak（KPa）60fak8080fak100100fak130130fak160160fak200200fak300各土层坡度（%）5510101010建

14、筑类型砌体承重结构、框架结构（层数）555667单层排架结构（6m柱距）单 跨吊车额定起重量（t）510101515202030305050100厂房跨度（m）121824303030多 跨吊车额定起重量（t）355101015152020303075厂房跨度（m）121824303030 烟囱高度（m）30405075100水塔高度（m）1520303030容积（m3）50501001002002003003005005001000注： （1）地基主要受力层系指条形基础底面下深度为3b（b为基础底面宽度），独立基础下为1.5b，且厚度均不小于5m的范围（二层以下一般的民用建筑除外）；（2）地基主要受力层中如有承载力特征值小于130KPa的土层时，表中砌体承重结构的设计，应符合地基基础规范第七章的有关要求；（3）表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑，对于工业建筑可按厂房高度、荷载情况折合成与其相当的民用建筑层数；（4）表中吊车额定起重量、烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值。