关于地基基础设计的若干问题(李广信).pdf

李广信李广信 目录  1∙地基基础设计理论与荷载  2∙关于地基承载力  3∙桩的承载特性与群桩效应  4∙复合地基设计的三个原则  5∙基坑及其事故分析  6∙基坑的设计  7∙土中水及其渗流问题  8∙土工合成材料 地基基础设计理论与 荷载 满足如下要求满足如下要求 1、承载力 2、变形 3、稳定 4、基础本身（强度、 刚度、耐久性、抗 裂） fp  ][ss  设计基本原则设计基本原则 两种极限状态设计  承载能力极限状态承载能力极限状态以结构内力 （地基荷载）超过其承载能力为依据各 种失稳、结构破坏。  正常使用极限状态正常使用极限状态以结构（地 基）的变形、裂缝、振动参数（老化蠕变） 的限值为依据。有时间接通过应力控制 （例如最大塑性深度的限制容许承载力） 地基基础的设计思想  可靠度理论以概率理论未基础的 极限状态设计方法；是不确定性理 论方法因果关系的破缺；结果 是破坏的概率或者工程的可靠度。  定值设计法所有参数和条件是定 值，所有不确定性由一个安全系数K 包括。 一、地基基础承载力设计理论设计理论  1、容许承载力理 论  2、极限承载力理 论－安全系数法  3、极限承载力理 论－分项系数法 a fp  Kfp u / RSRR Rk  0 / 重要性系数分项系数 k SS 分项系数 1、容许承载力理论  承载力塑性区开展范围Pcr ， P1/4 ,，s/b0.01-0.02（载荷试验）、 计算公式  荷载标准值（组合） F 塑性区 1、容许承载力理论  在载荷试验中可以由其比例界限确定；  按一定沉降比人为规定，例如s/b0.002  在理论计算中可以由塑性区发展理论中的临塑荷 载pcr ＝p1/4 、 p1/3 确定。  按容许承载力理论确定的承载力，其沉降一般也 会满足要求，常常不需进行沉降验算。  在这种设计中，工程的安全性和可靠性是无定量 的概念的。因而是一种经验的设计方法。  其设计荷载可取为标准值或标准组合。 2、极限承载力理论安全系数法  承载力极限承载力公式、平板载荷试验 的极限值/安全系数（2－3）  荷载采用标准值（组合） 2、极限承载力理论安全系数法  在这一理论方法中，其安全程度用 单一的安全系数K表示，但这一安全 系数反映多大的失事概率是不得而 知的。 Kpp u / 对于地基承载力问题，单一安全系数 法的一般表达式为 定值设计法  长期的经验的积累  合理的综合判断  工程的类比  合理的反算 3、极限承载力理论－分项系数  承载力采用标准值除以承载力分 项系数  荷载荷载效应组合的代表值分 项系数－设计值S（基本组合） k SS RSRR Rk  0 / 3、极限承载力理论－分项系数  基于可靠度理论的分项系数设计方 法也是一种极限状态设计方法。  由于工程中的荷载和抗力都是随机 变量，有多少可能使荷载大于抗力 而失事是一个随机事件，  破坏的概率（可能性）决定于两个 随机变量的均值（众值，中值及某 个分位值）及其分布。 R ， S R， S fS fR R S R S 可靠度  其失事概率可用可靠度指标表示。例如，则 表示失效概率为万分之9.4。相应的设计公 式可简单表示为3.0  这种设计理论能够明确地给出安全与失效的 概率，然后通过经济、社会、技术的风险分 析，给出最合理的设计值。所以是一种最科 学合理的设计理论与方法，为国内外工程设 计所广泛采用。我国颁布的建筑结构可靠 度设计统一标准（GB50068-2001）规定， 对于各种结构设计应遵循该理论方法。 岩土工程的不确定性  土层剖面与边界的不确定性  现场与实验室岩土指标的不确定性  现场应力与孔隙水压力的不确定性  外加荷载及其分布的不确定性  计算理论和方法的不确定性  应力变形的机理不清楚。 三种设计理论  容许承载力法  单一安全系数  可靠度设计 二、 荷载计算二、 荷载计算  1 1∙ 极限状态极限状态结构或者结构的一部分 超过某一特定状态，而不能满足设计规定 的某一功能要求时，这一特定状态为结构 对于该功能的极限状态。  （1）承载能力极限状态（1）承载能力极限状态一般是结 构的内力超过其承载能力为依据；  （2）正常使用极限状态（2）正常使用极限状态一般是以 结构的变形、裂缝、振动参数等超过设计 允许的限值为依据。 2 荷载种类荷载种类  永久永久荷载（恒荷载） （1）不随时间变 化自重）；（2）变化与均值比可忽略（设 备）；（3）单调变化并趋于极值（正常水压力） 结构及基础自重、固定设备重量、土压力、正常 稳定水位的水压力  可变可变荷载（活荷载1） 变化与均值比不 可忽略屋面、楼面、吊车、雪、风荷载  偶然偶然荷载（特殊荷载、活荷载2） 在 结构使用期间不一定出现，一旦出现其值很大， 持续时间很短地震、撞击、爆炸、 3荷载的代表值荷载的代表值  （1）标准值基本代表值，为设计基准期 基准期 内最大荷载统计分布的特征值特征值（如均值均值、众值、 中值∙∙）  （2）组合值对于可变荷载，组合超越概 率与其出现概率相同（等于标准值）如1％台 风＋设防地震＋最大楼面荷载∙∙∙∙∙∙∙∙  （3）频遇值对于可变荷载，超越概率为 规定的较小比率；  （4）准永久值对于可变可变荷载，在设计基 准期内，其超越的总时间为设计基准期一半的荷 载值。（人群活荷载－沉降） p S荷载 R抗力 标准值 荷载与抗力的取值 4荷载与承载力的设计值荷载与承载力的设计值  荷载S＝代表值分项系数（大于1）  抗力R＝代表值/分项系数（大于1）  5 5∙ 荷载效应荷载效应指在一定的外荷载作用下，在一定 设计对象中的作用轴力、水平力、力矩∙∙ 基础上荷载及荷载效应基础上荷载及荷载效应  上部结构F、M、H结构自重 屋面 荷载 楼面荷载 活荷载 上部结构F、M、H结构自重 屋面 荷载 楼面荷载 活荷载  基础自重G设计地面高程（内外地 面平均值） 基础自重G设计地面高程（内外地 面平均值） F M F F H F M H 一般为前两种情况，横向力不大，只做校核 基础上荷载及荷载效应基础上荷载及荷载效应基础上荷载及荷载效应基础上荷载及荷载效应 6 荷载组合荷载组合按极限状态设计时，为保证结构的 可靠性对于同时出现的各种荷载设计值的规定。  基本组合基本组合承载能力极限状态承载能力极限状态设计时，永久作用与可变 作用的组合；（分项系数）  偶然组合承载能力极限状态承载能力极限状态设计时，（永久作用）＋ （可变作用）＋（一个偶然作用）一个偶然作用）的组合；（大于基本组 合）  标准组合标准组合正常使用正常使用极限状态设计时，采用标准值标准值， （或组合值）为荷载代表的组合；  （频遇组合）正常使用正常使用极限状态设计时，对于可变荷 载，采用频遇值（或准永久值）为荷载代表的组合（永 久组合标准值）＋（主导可变荷载频遇值）＋（伴随可变 荷载的准永久值）  准永久组合准永久组合正常使用正常使用极限状态设计时，对于可变荷 载，采用准永久值为荷载代表的组合 （（1）基本组合）基本组合－ 荷载效应组合的设计值  （1）由可变荷载控制时 SQ1k 在所有 可变荷载中产生最不利荷载效应的一个    n i QikciQikQQGkG SSSS 2 11  （2）由永久荷载控制时    n i QikciQiGkG SSS 1  组合值系数c （（2）标准组合）标准组合－ 荷载效应组合的设计值    n i QikcikQGk SSSS 2 1  SQ1k 在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个 组合值系数c （（3）准永久组合）准永久组合－ 荷载效应组合的设计值    n i QikqiGk SSS 1  准永久值系数q 民用建筑楼面均布活荷载的各种代 表值 类别 标准值 kN/m2 组合值系 数c 频遇值系 数f 准永久值 系数q 住宅、宿舍、办公楼 教室、实验室、会议室 2.00.70.5 0.6 0.4 0.5 食堂、餐厅2.50.70.60.5 礼堂、剧场、影院3.00.70.50.5 商店、车站、机场大厅3.50.70.60.3 健身房、舞厅 4.00.70.60.5 书库、档案库 5.00.90.90.8 规范GB5007-2002中的规定 （一）按地基承载力承载力确定基础底面 积及埋深，传至基础底面上的荷载 应按正常使用正常使用极限状态下荷载效应 的标准组合 荷载效应 的标准组合 。承载力采用特征值。    n i QikcikQGkk SSSS 2 1  组合值系数c （二）计算地基变形变形时，传至基础底面上的 荷载效应应按正常使用极限状态下的荷载效 应的准永久组合。不应计入风荷载和地震荷 载。相应的限值应为地基变形的允许值。    n i QikqiGk SSS 1  准永久值系数q （三）在确定基础或承台高度、支挡 结构高度、计算它们的内力内力、确定配 筋和验算材料强度时，上部结构传来 的荷载效应组合和相应的基底反力， 采用承载能力极限状态下荷载效应的 基本组合基本组合，采用相应的分项系数。 （1）由可变荷载控制时    n i QikciQikQQGkG SSSS 2 11  组合值系数c （2）由永久荷载控制时    n i QikciQiGkG SSS 1  组合值系数c （3）对于由永久荷载控制的基本组 合，也可采用简化规则  R结构构件抗力的设计值  Sk 荷载效应的标准组合值 RSS k 35 . 1    n i QikciQiGkG SSS 1  （四）计算挡土墙、地基或斜坡稳定基滑坡 推力时，荷载效应，按承载能力极限状态下 荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1    n i QikciQikQQGkG SSSS 2 11     n i QikciQiGkG SSS 1  1 QiG  组合值系数c GB50007-2002的设计理论应用  地基承载力－容许承载力  稳定分析－单一安全系数  结构计算－可靠度的分项系数 几种荷载组合的应用  地基承载力－标准组合  稳定分析基本组合，分项系数＝1， （单一安全系数法）  结构设计－基本组合  沉降计算－准永久组合 承载力 一、地基基础设计的基本要求 p f 强度 S [S]变形 承载力既满足强度，也满足变形要求。 1. 强度要求 1. 强度（稳定）要求稳定）要求 荷载小于承载力（抗力） p pu /Fs f 2. 变形要求变形要求 2变形小于设计允许值 S [S] （1） 沉降量 （2）沉降差 （3）倾斜 （4）局部倾斜 二. 竖直荷载下建筑物地基（强度） 破坏的形式 整体破坏 局部剪切破坏 冲剪破坏 地基的液化 1.整体破坏 2.局部剪切 3.冲剪破坏 1.整体破坏 土质坚实，基础 埋深较浅时； 曲线开始近直 线，随后沉降陡 增，两侧土体隆 起。 S P P S P S 2.局部剪切 松软地基， 埋深较大时； 曲线开始就 是非线性， 没有明显的骤 降段 2.局部剪切 3.冲剪破坏 松软地基， 埋深较大； 荷载板几乎是 垂直下切， 两侧无土体隆起。 3.冲剪破坏 整体破坏、局部剪切破坏与冲剪破坏 模型试验 1 3 2 某谷仓的地基整体破坏 1940年在软粘土地基上的某水泥仓的 整体破坏 水泥仓地基的整体破坏 在软粘土上的密砂 地基的冲剪破坏 密砂上由于动力荷载 引起的冲剪破坏 3.冲剪破坏 地基液化引起的建筑物破坏 三.建筑物的变形问题 绝对沉降 沉降差 倾斜 局部倾斜 墨西哥 某艺术 宫，左 部分建 于1709 年；右 部分建 于1622 年。沉 降达2.2 米，存 在明显 的沉降 差。 比萨斜塔-不均匀沉降 始建于1173年， 60米高。 1271年建成 平均沉降2米， 最大沉降4米。 倾斜5.5， 顶部偏心2.1米 相邻建筑物引起的不均匀沉降 膨胀土地基上的建筑物 四、 确定地基承载力的方法 1. 现场试验法载荷试验、标准贯入试 验、静力触探等。 2. 公式计算法理论公式、半经验公式。 3. 根据经验与临近工程资料确定 1载荷试验 现场载荷试验 P s Pu Pcr lg t si si si 载荷试验的结果 平板载荷试验要点 0.5m 0.5m, 0.71 m 0.71m, 1.0m 1.0m B3b3d 不少于点，极差30 8-10级 每级稳定的标准 承载力的标准（特征）值 承载力的特征值fk 比例界限 极限承载力一半 s/b0.010.015 平板载荷试验确定承载力与模量 s pb IE db mdbk ff 1 05 3 2 00       I0形状影响系数。圆079；方088 2理论计算－ 太沙基 （Terzaghi承载力公式 1.基本条件 2. 假设的滑裂面形状 3. 极限承载力公式 基本条件 （1）考虑地基土的自重 （2）基础底可以是粗糙的 （3）忽略基底以上部分土本身的阻力 （3）忽略基底以上部分土本身的阻力 D  D 2. 假设的滑裂面形状 pu D 被动区 过度区 刚性核 qcu qNcNN B p   2       2 3 2 2 2 1 1 2 Cos k N tg Cos k N Cos k tg N p p p q c    极限承载力的三部分 q c qN cN N B   2 滑动土体自重产生的抗力 滑裂面上的粘聚力产生的抗力 侧荷载D产生的抗力 qcu qNcNN B p   2 极限承载力pu的组成 pu D cNc qNq B/2 N 深宽修正系数 5 . 0 3dbff m dbk （ 0 . 10 db  d A w w AdfA df     W 0 . 1 W 水的承载力 按塑性区的发展确定承载力 塑性区 1. 弹性阶段-临塑荷载 2.局部塑性区 设计承载力 3. 极限承载力 地基承受荷载的不同阶段 S P 1 23 临塑荷载 极限荷载 荷载沉降曲线上的各阶段 承载力公式 Pcr p1/4 , p1/3 N B /2Nq dNc c （对于三个荷载，三个系数不同。） 各种临界荷载的承载力系数 Nq Nc N Pcr 1 /ctg- /2 1- Nq ctg 0 p1/4 1 /ctg- /2 1- Nq ctg Nq-1/2 p1/3 1 /ctg- /2 1- Nq ctg 2Nq-1/3 目前规范中设计承载力的确定 2. 承载力 公式法 faMbbMd  mdMcck fa 承载力特征值（设计值） 相当与 p1/4NB /2Nq  dNcc 但当内摩擦角比较大时， 2Mb N 3. 经验类比法 “从其他原位试验、经验值等方法” 特征值fak －深宽修正的特征值fa fa fak b b-3dm d-0.5 fak 静载荷试验确定的特征值 fa 深宽修正后的承载力特征值 b ，d 宽度、深度修正系数 ，m地基以下、以上的土（平均）容重 （地下水位以下   、m） （二） 软弱下卧层承载力验算 当持力层下有软土时，可能在此层破 坏，需要验算 1. 基底压力 pk Fk Gk /A 中心荷载 2. pc d 3. 扩散压力pk -pc 4. 扩散角 与Es1 / Es2及z/b有关 F pk d z  pc d pcz 软土软土 Es1 Es2 d z pk -pc Fk Gk z p 22 ztglztgb pplb p ck z    pc cz p 软弱下卧层附加应力计算 A GF p kk k   dpc 22 ztgbztgl pplb p ck z    azczz fpp 软弱下卧层 d z pcz d F 经深度dz修正后的承载力， 宽度不修正 （条基无后一项） 4.软弱下卧层承载力验算 基底的附加 压力 Es1 /Es2Z/b 0.250.5 3623  510 25 1020 30  扩散角 扩散角与z/b 荷载扩散 泥潭 基础宽度b对承载力和沉降的影 响-增加沉降量 2bb 同样荷载强度时， 基础宽度大，沉降也大 两种极限状态 承载能力按地基强度设计 正常使用按变形设计 桩与群桩 一、桩的类型及各类桩的适用 条件； 一 桩的分类 （一） 按承载性状 （二）按桩的使用功能 （三）按桩身材料 （四）按成桩方法 （五）按桩径大小 一 按承载性状 端承桩、摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩 Q Qp Qs 端承桩 主要由桩端承受极限荷载, 桩不长, 桩端土坚硬 摩擦桩 主要由桩侧壁与土的摩擦力 承受极限荷载, 桩端无坚硬土层， 或者桩非常长。 端承型桩 摩擦型桩 （二）按桩的使用功能  抗压  抗拔（抗浮桩、锚固桩）  水平（抗滑桩被动桩）  复合  复合竖直水平荷载；拔力水平荷载 低承台 桩 斜桩 叉桩 横断面 （三）按桩身材料 木桩 混凝土 钢筋混 凝土 钢管桩 型钢 混合 （四）按成桩方法 非挤土（钻（挖）孔灌注桩、栽管桩注浆） 部分挤土（沉管灌注桩、引孔沉桩预制桩、管桩） 挤土（沉桩预制桩） 1 预制桩 （离心,预应力,） （工厂,现场） 2 现场灌注桩 气锤打入 振动沉桩 静压桩 引孔、钢管部分挤 土, 不引孔,挤土桩大面 积地面隆起 成孔方法 人工挖孔 螺旋钻 反循环地下水以下泥浆护壁 冲击,夯扩,爆破 沉管灌注 浇注法 泥皮泥皮,虚土虚土,断 桩 断 桩 水上 水下 其他 汽锤沉桩 人工挖孔桩 螺旋钻 螺旋钻 爆破扩底桩 软土地基振扩、压扩桩 内夯式扩底桩 钻扩桩 钻扩桩 挤扩桩 （支盘桩） 影响土体 加固层 持力层 桩身 夯实填充料 干硬混凝土 挤密土体 夯扩桩示意图 （五）按桩径大小小、中、大  按断面直径）的大小  大直径 d80cm;  小直径 d  25 cm  中直径 25cm0.90 0.75e