地基与基础建筑力学与结构

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1、港岛港岛港岛港岛19721972滑坡滑坡滑坡滑坡 (20,000 (20,000 mm3 3) )，( (6767死、死、死、死、2020伤伤伤伤) ) ) )楼房倒塌楼房倒塌楼房损坏楼房损坏 1954年兴建的上海年兴建的上海工业展览馆中央大厅，工业展览馆中央大厅，因地基约有因地基约有14m厚的淤泥厚的淤泥质软粘土，尽管采用了质软粘土，尽管采用了7.27m的箱形基础，的箱形基础，建成后当年下沉建成后当年下沉0.0.6m。目前目前展览馆大厅平均沉展览馆大厅平均沉降量为降量为1.6m。 1173年年9月月8日动工，日动工，1178年年到第到第4层中部，高度约层中部，高度约29m时，时，因塔明显倾斜

2、而停工。因塔明显倾斜而停工。94年后年后复工，复工，6年时间建完第年时间建完第7 7层，高层，高48m，再次停工，于，再次停工，于1360年复年复工至工至1370年竣工。全塔共年竣工。全塔共8层，层，高度高度55m，基础底面平均压力，基础底面平均压力约约50kPa。 该塔诞生了物理学中的该塔诞生了物理学中的自由落体定律。成为世界上最自由落体定律。成为世界上最珍贵的历史文物。珍贵的历史文物。 目前塔向南倾斜，南北两端沉降差目前塔向南倾斜，南北两端沉降差1.8m1.8m，塔顶离，塔顶离中心线中心线5.27m5.27m，倾斜，倾斜5.55.5。意意大大利利比比萨萨斜斜塔塔 塔身向东北方向严重倾斜，塔

3、顶离塔身向东北方向严重倾斜，塔顶离中心线已达中心线已达2.31m，底层塔身发生不少裂，底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑物而封闭。缝，成为危险建筑物而封闭。苏州虎丘苏州虎丘塔塔墨西哥城的土层为深厚的湖墨西哥城的土层为深厚的湖相沉积层，土的天然含水量相沉积层，土的天然含水量高达高达650 % ，液限液限500%，塑，塑性指数性指数350，孔隙比为，孔隙比为15，具，具有极高的压缩性。有极高的压缩性。图中可清晰地看图中可清晰地看见发生的沉降及见发生的沉降及不均匀沉降。不均匀沉降。该工程该工程1911年动工，年动工，1913年秋完工。年秋完工。事前不了解基础下事前不了解基础下埋藏厚达埋藏厚达16 m

4、的软粘土层。同年的软粘土层。同年9月开始向谷仓中装谷月开始向谷仓中装谷物，物，10月月17日谷仓日谷仓1小时内竖向沉降小时内竖向沉降30.5cm，西侧下陷，西侧下陷7.32m，东侧抬高，东侧抬高1.52m。后用。后用388个个50T千斤顶纠正后继千斤顶纠正后继续使用，在主体结构下做了续使用，在主体结构下做了70多个支承在基岩上的砼墩多个支承在基岩上的砼墩但位置较原先下降但位置较原先下降4m。加拿大特朗加拿大特朗斯康谷仓斯康谷仓日本关日本关西机场西机场1986年开工，年开工，1990年人工岛年人工岛完成，完成，1994年机场运营。年机场运营。面面积积43701250m2，平均厚度平均厚度33m设

5、计沉降：设计沉降：5.7-7.5 m完成时完成时( (1990年年) )实际沉降：实际沉降：8.1 m，5cm/月。月。沉降大且沉降大且不均匀不均匀1.6.1 地基基础的设计原则1.6.2 天然地基上浅基础1.6.3 桩基础 1.6 1.6 地基与基础地基与基础地基和基础的概念地基和基础的概念1.1.地基地基1 1）定义：基底以下的土体中因修建建筑物而引起的应力增加值）定义：基底以下的土体中因修建建筑物而引起的应力增加值（变形）所不可忽略的那部分土层。（变形）所不可忽略的那部分土层。 持力层：直接与基础接触，并承受压力的土层持力层：直接与基础接触，并承受压力的土层 下卧层：持力层下部的土层下卧

6、层：持力层下部的土层2 2）分类：天然地基：在天然土层上修建，土层要符合修建建筑物）分类：天然地基：在天然土层上修建，土层要符合修建建筑物的要求（强度条件、变形条件）的要求（强度条件、变形条件） 人工地基：经过人工处理或加固过的地基：人工地基：经过人工处理或加固过的地基：2.2.基础：基础：1 1）定义：建筑物的下部结构，将建筑物的荷载传给地基，起着中）定义：建筑物的下部结构，将建筑物的荷载传给地基，起着中间的连接作用。间的连接作用。2 2）分类：）分类：地基和基础的概念浅基浅基础(5m)(5m)：用一般方法、工：用一般方法、工艺施工。施工。 深基深基础( (桩基、沉井基、沉井) )：特殊工：

7、特殊工艺施工。施工。结构荷构荷载基底基底压力力地基和基础的概念1.6.1 1.6.1 地基土的基本知识地基土的基本知识 土：岩石经风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程形成的堆积土：岩石经风化、剥蚀、破碎、搬运、沉积等过程形成的堆积物，由固体颗粒、水和气体组成的三相分散体系。（形成了土自身物，由固体颗粒、水和气体组成的三相分散体系。（形成了土自身固有的特性）固有的特性） 一、一、 地基土的组成地基土的组成( (一一一一) )土中固体土中固体土中固体土中固体颗颗粒：粒：粒：粒： 土土颗粒构成土的骨架，其粒构成土的骨架，其大小、粗大小、粗大小、粗大小、粗细细、成分与、成分与、成分与、成分与组组成成成成

8、决定决定土的物理力学性土的物理力学性质。 粘粒粘粒 粉粒粉粒 砂粒砂粒 细粒细粒 砾粒砾粒 卵石卵石 漂石漂石 （粗粒）（粗粒） （碎石）（块石）（碎石）（块石）0.005 0.05 2 20 60 200（二）土中水：（二）土中水：（二）土中水：（二）土中水：分分为 固固态水（冰）水（冰） 气气态水（孔隙中水气）水（孔隙中水气） 液液态水水（有以下两种（有以下两种 存在方式，影响土性）。存在方式，影响土性）。土土颗粒粒自由水自由水弱弱结合水合水强强结合水合水结合水合水存于孔隙中存于孔隙中1.结合水结合水强结合水：强结合水：紧靠土粒表面（受电场作用力很大）近于固体特征。紧靠土粒表面（受电场作用

9、力很大）近于固体特征。 弱结合水：弱结合水：强结合水外，受电场作用减小，呈粘滞状态，强结合水外，受电场作用减小，呈粘滞状态，对粘性对粘性土物理力学性质影响大土物理力学性质影响大。2.自由水自由水（不受（不受电场吸引）吸引） 重力水重力水重力水重力水：地下水位以下土孔隙中，服从重力地下水位以下土孔隙中，服从重力规律，规律，传递水压力，传递水压力，对土粒有浮力。对土粒有浮力。 毛毛毛毛细细水水水水：存在于地下水位以上土孔隙中（表存在于地下水位以上土孔隙中（表面张力作用面张力作用产生，细粒土明显），产生，细粒土明显），注意防冻、防潮注意防冻、防潮。 （三）土中气体（三）土中气体（三）土中气体（三）土

10、中气体 与大气相通与大气相通时可排出，可排出，封闭气泡可使土产生压缩性和弹性。封闭气泡可使土产生压缩性和弹性。a.单粒粒结构构b.蜂蜂窝结构构c.絮状絮状结构构二、土的物理性质指标气气水水土粒土粒WWwWSVVSVvVaVwa-气体气体气体气体 s-土粒土粒土粒土粒 w-水水水水 v-孔隙孔隙孔隙孔隙 WW重量重量重量重量 VV体体体体积积（一）土的三相（一）土的三相（一）土的三相（一）土的三相组组成成成成简图简图： 可用烘干法可用烘干法测定，反定，反应土的干湿程度。同土的干湿程度。同类土，土，w越大，越大，土越土越软。提示：填土施工最提示：填土施工最提示：填土施工最提示：填土施工最优优含水量

11、（使土在同含水量（使土在同含水量（使土在同含水量（使土在同样样的的的的击实击实能情况能情况能情况能情况下下下下获获得最大密得最大密得最大密得最大密实实程度）。程度）。程度）。程度）。 （二）基本指（二）基本指（二）基本指（二）基本指标标（可由（可由（可由（可由试验试验直接直接直接直接测测得）得）得）得）1.土的重度土的重度(kN/m3)一般用一般用环刀法刀法测定，天然土定，天然土在在1622 kN/m3之之间。2.土的含水量土的含水量3.土粒相土粒相对密度（或称土粒比重）密度（或称土粒比重） 土粒重量与同体土粒重量与同体积4时水的重量之比。水的重量之比。 一般砂土：一般砂土：2.652.95，

12、粘土：，粘土：2.72.75。s土土颗粒重度粒重度 （二）基本指（二）基本指（二）基本指（二）基本指标标（可由（可由（可由（可由试验试验直接直接直接直接测测得）得）得）得）（三）（三）（三）（三）换换算指算指算指算指标标 （以下定（以下定（以下定（以下定义义指指指指标标可由上述三个指可由上述三个指可由上述三个指可由上述三个指标标推算推算推算推算得出）得出）得出）得出） 3.土的有效重度土的有效重度（地下水位以下水受浮力作用）（地下水位以下水受浮力作用）(kN/m3) 2.土的土的饱和重度和重度(kN/m3)(kN/m3)1.土的干重度土的干重度 4.土的孔隙比土的孔隙比 用于用于评价天然土价天

13、然土层的密的密实程度，程度， 一般一般e0.6为低低压缩性土，性土， e1为 疏松的高疏松的高压缩性土。性土。 6.土的土的饱和度和度 反映土中孔隙被水反映土中孔隙被水 充充满的程度。的程度。 Sr=0为干土，干土，Sr=1为饱和土。和土。 5.土的孔隙率土的孔隙率 亦反映土的密亦反映土的密实程度程度（三）（三）（三）（三）换换算指算指算指算指标标三、岩土的分类（一）岩石（一）岩石（一）岩石（一）岩石 指尚未指尚未指尚未指尚未变变成碎散成碎散成碎散成碎散颗颗粒集合体的微粒集合体的微粒集合体的微粒集合体的微风风化、中等化、中等化、中等化、中等风风化化化化或或或或强强强强风风化的岩石。化的岩石。化

14、的岩石。化的岩石。 作作作作为为建筑地基的岩土，可分建筑地基的岩土，可分建筑地基的岩土，可分建筑地基的岩土，可分为为岩石、碎石土、砂土、岩石、碎石土、砂土、岩石、碎石土、砂土、岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。粉土、黏性土和人工填土。粉土、黏性土和人工填土。粉土、黏性土和人工填土。（二）碎石土（二）碎石土（二）碎石土（二）碎石土 粒径大于粒径大于粒径大于粒径大于2mm2mm的的的的颗颗粒含量超粒含量超粒含量超粒含量超过过全重全重全重全重50%50%的土的土的土的土 分分分分为为：漂石：漂石：漂石：漂石块块石、卵石碎石、石、卵石碎石、石、卵石碎石、石、卵石碎石、圆砾圆砾角角角角砾砾。三

15、、岩土的分类（三）砂土（三）砂土（三）砂土（三）砂土 粒径大于粒径大于粒径大于粒径大于2mm2mm的的的的颗颗粒含量不超粒含量不超粒含量不超粒含量不超过过50%50%、粒径大于、粒径大于、粒径大于、粒径大于0.075mm0.075mm的的的的颗颗粒含量超粒含量超粒含量超粒含量超过过50%50%的土。的土。的土。的土。 分分分分为砾为砾砂、粗砂、中砂、砂、粗砂、中砂、砂、粗砂、中砂、砂、粗砂、中砂、细细砂和粉砂。砂和粉砂。砂和粉砂。砂和粉砂。（四）黏性土（四）黏性土（四）黏性土（四）黏性土 粘粒（粘粒（粘粒（粘粒（0.005mm30%30% ）三、岩土的分类（五）人工填土（五）人工填土（五）人工

16、填土（五）人工填土 人工回填土、垃圾、工人工回填土、垃圾、工人工回填土、垃圾、工人工回填土、垃圾、工业废业废料等。除人工碾料等。除人工碾料等。除人工碾料等。除人工碾压压或或或或夯夯夯夯实实的的的的压实压实填土外，均不宜作填土外，均不宜作填土外，均不宜作填土外，均不宜作为为建筑物的地基。建筑物的地基。建筑物的地基。建筑物的地基。地基承地基承地基承地基承载载力，力，力，力，指保指保指保指保证证地基地基地基地基稳稳定的条件下，使地定的条件下，使地定的条件下，使地定的条件下，使地基的基的基的基的变变形控制在建筑物所容形控制在建筑物所容形控制在建筑物所容形控制在建筑物所容许许的范的范的范的范围围内内内内

17、时时，地基，地基，地基，地基单单位位位位面面面面积积上所能承受的最大荷上所能承受的最大荷上所能承受的最大荷上所能承受的最大荷载载。四、工程特性指标包括强度指标、压缩性指标以及静力触探探头阻力，包括强度指标、压缩性指标以及静力触探探头阻力，标准贯入试验锤击数、载荷试验承载力等其他特性指标。标准贯入试验锤击数、载荷试验承载力等其他特性指标。1.6.2 1.6.2 地基与基础设计地基与基础设计一、一、 基本规定基本规定 地基基础设计的内容和要求与建筑物的安全等级有关。 根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计分为三个设计等级：甲级：

18、重要的、30层以上高层、体型复杂、高低层差超10、对沉降有特殊要求、场地与地质条件复杂等。乙级：除甲级丙级以外的工业与民用建筑物丙级：场地和地基条件简单，七层及以下（一）（一） 地基基础设计等级地基基础设计等级（二）地基基础设计一般规定（1）所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定；（2）设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计（3）设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，但特殊情况下，仍应作变形验算。二、地基计算1.基础的埋置深度，按下列条件确定： 1)建筑物的用途，有无地下室等，基础的形式和构造； 2)作用在地基上的荷载大小和性质； 3)工程地质和水文地质条件； 4)相邻建筑

19、物的基础埋深； 5)地基土冻胀和融陷的影响（一）基础的埋置深度二、地基计算2.基础宜浅埋，除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。3.高层建筑的埋置深度必需满足地基承载力、变形和稳定的要求。当采用天然地基时，埋置深度不小于建筑物高度的1/12。在抗震设防区，埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15。采用桩基础时，不小于建筑物高度的1/181/20。4.基础宜埋置在地下水位以上。5.新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑基础。大于时，两基础间应保持一定净距。6.确定基础埋深应考虑地基的冻胀性。二、地基计算地基设计的目的：确保房屋的稳定；不因地基产生过大不均匀变形而影响房屋的安全和正常使用。设计原则：

20、1)上部结构荷载所产生的压力不大于地基的承载力值； 2)房屋和构筑物的地基变形值不大于其允许值； 3)对经常受水平荷载作用的构筑物（如挡土墙）等，不致使其丧失稳定而破坏。 （二）地基设计的基本原则二、地基计算地基变形特征分为：沉降量、沉降差、倾斜或局部倾斜地基变形特征分为：沉降量、沉降差、倾斜或局部倾斜。 1)1)对于对于砌体砌体承重结构，应由承重结构，应由局部倾斜局部倾斜控制；控制； 2) 2)对于对于框架框架结构和单层排架结构，由结构和单层排架结构，由相邻柱基的沉降差相邻柱基的沉降差控制；控制； 3) 3)对于对于多层或高层建筑多层或高层建筑以及高耸结构，应由以及高耸结构，应由倾斜倾斜控制

21、。控制。 （三）地基变形控制三、地基承载力计算1 轴心荷载作用时相应于荷载效应组合时，基础底面处的平均压力值相应于荷载效应组合时，基础底面处的平均压力值修正后的地基承载力特征值修正后的地基承载力特征值独立基础独立基础条形基础条形基础2 偏心荷载作用时 除上式要求外，还应符合下式要求除上式要求外，还应符合下式要求三、地基承载力计算承承载力极限状力极限状态 荷荷载效效应标准准组合合b pkpkmax1.2fapkmaxpkminpkfa正常使用极限状正常使用极限状态 荷荷载效效应准永久准永久组合合b p0ss 三、地基承载力计算3 地基承载力修正 当基础宽度大于当基础宽度大于3m3m或埋置深度大于

22、或埋置深度大于0.5m0.5m时，从载荷试验或其他原时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，应修正：位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，应修正：三、地基承载力计算式中式中 修正后的地基承载力特征值修正后的地基承载力特征值 地基承载力特征值；地基承载力特征值； 基础宽度和埋深的地基承载力修正系数；基础宽度和埋深的地基承载力修正系数； 基础底面以下土的重度；基础底面以下土的重度； 基础底面宽度（基础底面宽度（3m3m6m6m）；）； 基础底面以上土的加权平均重度；基础底面以上土的加权平均重度； 基础埋置深度（基础埋置深度（m m），一般自室外地面标高算起。），一般

23、自室外地面标高算起。一、无筋扩展基础（刚性基础）1.6.3 1.6.3 天然地基上浅基础天然地基上浅基础1.1.由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料组成的由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料组成的墙下条形基础基础或住下独立基础。墙下条形基础基础或住下独立基础。 适用于多层民用建筑和轻型厂房。适用于多层民用建筑和轻型厂房。砖基础、毛石基础钢筋混凝土条形基础一、条形基础式中式中 基础底面宽度；基础底面宽度； 基础顶面的墙体宽度或柱角宽度；基础顶面的墙体宽度或柱角宽度； 基础高度；基础高度； 基础台阶宽度；基础台阶宽度； 基础台阶宽高比基础台阶宽高比 ，其允许值按规定选用

24、。，其允许值按规定选用。如：砖基础的台阶宽高比允许值为如：砖基础的台阶宽高比允许值为1:1.5。2.基础高度二、 扩展基础墙下钢筋混凝土条形基础和柱下钢筋混凝土独立基础。柱下钢筋混凝土独立基础三、 筏形基础分类平板式：在荷载不太大、柱网较均匀且柱距较小的情况下采用。梁板式：通常为有纵、横柱列方向的筏形顶面或底面的肋梁。筏板基础梁筏板基础示意图四、箱形基础组成箱形基础是由底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙构成的整体刚度较好的单层或多层钢筋混凝土基础。箱形基础适用于高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物。箱形基础示意图1.6.4 1.6.4 桩基础桩基础深基础主要有桩基础、沉井和地下连续墙等几

25、种类型桩基础的适用性 对下列情况可考虑选用桩基础方案： 1，不允许地基有过大沉降和不均匀沉降的高层建筑或其它重要的建筑物， 2重型工业厂房和荷载过大的建筑物，如仓库、料仓等， 3对烟囱、输电塔等高耸结构物，采用桩基以承受较大的上拔力和水平力，或用以防止结构物的倾斜时，一、 概述 4对精密或大型的设备基础，需要减小基础振幅、减弱基础振动对结构的影响，或应控制基础沉降和沉降速率时； 5软弱地基或某些特殊性土上的各类永久性建筑物，或以桩基作为地震区结构抗震措施时。不允许地基有过大沉降和不均匀沉降的高层建筑或其它重要的建筑物。一、 概述独立柱下桩基 地梁下桩基二、 桩基础的分类1.按桩的传力方式分类（

26、1）端承桩 其荷载主要依靠桩端处的硬层支承的桩。适用于软弱土层下不深处有坚实土层的情况。（2）摩擦桩 桩端未达到硬层，其荷载由桩侧摩擦力和桩端土的阻力共同承受的桩。适用于软弱土层较深的情况。二、 桩基础的分类端承桩 摩擦桩二、 桩基础的分类2.按制作工艺和材料分类（1）预制桩 可用钢筋混凝土、钢材或木料在现场或工厂制作后以锤击、振动打入、静压或旋入等方式放置。（2）灌注桩 直接在所设计桩位处开孔，然后在孔内加放钢筋笼再浇灌混凝土而成。 1)沉管灌注桩 2)钻（冲、磨）孔灌注桩三、 桩基础的设计1.确定桩的类型和几何尺寸，初步选择承台底面标高；2.确定单桩承载力；3.确定桩的数量及其在平面上的布置；4.确定群桩或带桩基础的承载力；5.桩基础中各桩的荷载验算；6.桩身结构设计；7.承台设计；8.绘制桩基础施工图