第一章 基礎工程導論

1、1基礎工程基礎工程貴州大學土木建筑工程學院貴州大學土木建筑工程學院巖土工程教研室?guī)r土工程教研室2主要內容第一章、前言第二章、天然地基上的淺基礎第三章、樁基礎第四章、樁基礎的設計計算第五章、沉井基礎及地下連續(xù)墻第六章、地基處理第七章、幾種特殊地基上的基礎工程3第一章、前言基礎工程學科的發(fā)展概況基礎工程設計和施工所需的資料基礎工程設計計算應注意的事項基礎工程的發(fā)展方向4基礎工程的基本概念 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。橋梁上部結構為橋跨結構，而下部結構包括橋墩、橋臺及其基礎 。 基礎工程包

2、括建筑物的地基與基礎的設計與施工。5圖1-1 橋梁結構各部分立面示意圖1-下部結構；2-基礎；3-地基；4-橋臺；5-橋墩；6-上部結構6基基 礎礎上部結構上部結構地地 基基建筑物三部分示意圖建筑物三部分示意圖7l地基：承受建筑物荷載應力與應變不能忽略的土層。（有一定深度和范圍）l基礎：埋入土層一定深度并將荷載傳給地基的建筑物下部結構。 持力層 ：直接支撐建筑物基礎的土層。 下臥層(軟弱) ：持力層下部的土層。8結構荷載結構荷載基底壓力基底壓力9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

3、，人工處理后才能修建。理后才能修建。地基地基基礎基礎深基礎深基礎剛性擴大基礎剛性擴大基礎單獨和聯(lián)合基礎單獨和聯(lián)合基礎條形基礎條形基礎筏板和箱形基礎筏板和箱形基礎樁基礎樁基礎沉井基礎沉井基礎淺基礎淺基礎10上部結構上部結構（荷載）、（荷載）、基礎基礎（壓力）、（壓力）、地基地基（ 應力、應力、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。設計方法設計方法：簡化設計簡化設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.11地基基礎在工程中的重要性地基基礎在工程中的重要性 隱蔽工程，處理困難

4、，事故危害大； 工程造價高，占20-25%； 設計上應做方案比較。 比薩斜塔、虎丘塔（地基不均勻沉降）； 加特朗斯康谷倉; 上海錦江飯店整體下沉、香港寶成大廈失穩(wěn)。特點實例12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，產生強度破壞產生強度破壞13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1415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生不均勻沉降，使塔的北側下沉近1m，南側下沉近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

5、石材質優(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。16案例一：比薩斜塔1718 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31m，由65個圓柱形筒倉組成，采用鋼筋混凝土閥板基礎。設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裝載谷物，至10月發(fā)現(xiàn)谷倉產生大量快速沉降，1小時內的垂直沉降量竟達到30.5cm，在其后的24小時內谷倉傾倒，傾倒后谷倉的西側下沉達

6、7.32m，東側則抬高了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19案例二：加拿大特朗斯康谷倉20案例三：墨西哥城某建筑 21案例四：日本新瀉地震 22上海錦江飯店上海錦江飯店上海錦江飯上海錦江飯店 上海錦江飯店位于上海市中心淮海中路以北，瑞金路以西，長樂路南側。此飯店高15層，是上海市早期的高層建筑，為接待外賓用的高級飯店。地基是深厚的淤泥質土，壓縮性大。解放初期，錦江飯店大門朝北，由長樂路進入飯店要上幾個臺階，1979年9月一層的室內地坪比長樂路室外地面反而低5臺階，地基沉降量達150cm,目前沉降已達2米由于錦江飯店上部結構采用鋼結構

7、，雖然地基嚴重下沉，未發(fā)現(xiàn)開裂事故。但是一層的門窗約一半沉入地面下，一層房間變成半地下室，無法正常使用。 23 造成建筑地基嚴重下沉的因素很多，就地基而言，多造成建筑地基嚴重下沉的因素很多，就地基而言，多為高壓縮性軟弱土。為高壓縮性軟弱土。 會造成室內外連接困難及交通不便，內外網(wǎng)管道也會會造成室內外連接困難及交通不便，內外網(wǎng)管道也會造成破壞。造成破壞。2425 持力層土質持力層土質壓縮性相差懸殊壓縮性相差懸殊或不同類型基礎或不同類型基礎基底壓力相差較基底壓力相差較大，引起不均勻大，引起不均勻沉降，導致墻體沉降，導致墻體開裂。開裂。 相鄰荷載影相鄰荷載影響亦可引起附加響亦可引起附加應力增加，導致

8、應力增加，導致地基下沉，墻體地基下沉，墻體開裂。開裂。26地基壓縮性相差懸殊，地基壓縮性相差懸殊，導致基礎底板斷裂。導致基礎底板斷裂。引起地基塌陷引起地基塌陷27 液化液化“砂火山砂火山”口口28液化噴水冒砂后景象液化噴水冒砂后景象29液化造成地基沉陷液化造成地基沉陷, 房屋嚴重裂縫房屋嚴重裂縫30液化造成地基沉陷液化造成地基沉陷, 房屋嚴重裂縫房屋嚴重裂縫31液化后汽車陷入土中液化后汽車陷入土中32斷層所造成的邊坡滑動使民宅橫向移動斷層所造成的邊坡滑動使民宅橫向移動10m,垂直落差約垂直落差約6m3334巴東崖崩造成房屋墻體開裂巴東崖崩造成房屋墻體開裂35姊歸縣邊坡治理姊歸縣邊坡治理36 國

9、外在18世紀產業(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工程的重視與研究，對有關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，基礎工程也隨著工業(yè)技術的發(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。本世紀20年代，基礎工程有比較系統(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工程會議后，土力學與基礎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，使基礎工程技術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、基礎工程學科的發(fā)展概況3738 1

10、870年1月布魯克林大橋修建時的沉箱.39 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工程方面，也早就表現(xiàn)出高超的技藝和創(chuàng)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，不僅在建筑結構上有獨特的技藝，而且在地基基礎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。在樁基礎和地基加固方面，我國自古已有

11、廣泛運用，具有悠久的歷史。40中國古代案例：趙州橋 414243中國古代案例二：河姆渡木樁 44中國古代案例三：上海龍華古塔 位于上海市龍華公園南側，直徑8.0m，7層，高40.40m.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。45圣母殿 4647中國古代案例四：蘇州虎丘塔蘇州虎丘塔蘇州虎丘塔 此塔位于蘇州市虎此塔位于蘇州市虎丘公園山頂，落成于宋太丘公園山頂，落成于宋太祖建隆二年（公元祖建隆二年（公元961年），距今已有年），距今已有1036。全塔全塔7

12、層，高層，高47.5米。平米。平面呈八角形。青磚砌筑。面呈八角形。青磚砌筑。 目前，塔身已向東目前，塔身已向東北方向嚴重傾斜，塔頂離北方向嚴重傾斜，塔頂離中心線已達中心線已達2.34米。底層米。底層塔身出現(xiàn)不少裂縫。塔身出現(xiàn)不少裂縫。 寶塔傾斜為地基覆寶塔傾斜為地基覆蓋層相差懸殊蓋層相差懸殊,導致地基導致地基不均勻沉降等原因造成。不均勻沉降等原因造成。48三、基礎工程設計和施工所需的資料 地基與基礎在設計及施工開始之前，除了應掌握有關建筑結構物的資料，包括上部結構形式、跨徑、荷載、墩臺結構等及國家頒發(fā)的相關設計和施工技術規(guī)范外，還應注意地質、水文資料的搜集和分析，重視土質和建筑材料的調查與試驗

13、。主要應掌握各項地質、水文、地形等資料，資料內容范圍可根據(jù)工程規(guī)模、重要性及建筑地點工程地質、水文條件的具體情況和設計階段確定取舍。 49 建筑平面圖及擬建上部結構建筑結構形式、總體構造及有關設計資料 工程地質勘測報告及地質縱剖面圖 地基土質調查試驗報告基礎工程設計和施工所需的資料：50四、基礎工程設計計算應注意的事項51525354即地基土的變形也可能是上部結構發(fā)生承載力極限狀即地基土的變形也可能是上部結構發(fā)生承載力極限狀態(tài)的原因之一。態(tài)的原因之一。55 由于地基土是在漫長的地質年代中形成的，是大自然的產物，其性質十分復雜，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，其性質也

14、隨位置發(fā)生變化。所以地基土具有比任何人工材料大得多的變異性，它的復雜性質不僅難以人為控制，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，就構成了地基土材料特性變異的主要來源。這這種變異性比一般人工材料的變異性大。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56 基礎工程極限狀態(tài)設計與結構極限狀態(tài)設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

15、，與板梁柱組成的結構體系完全不同。在結構工程中，可靠性研究的第一步先解決單構件的可靠度問題，目前列入規(guī)范的亦僅僅是這一步，至于結構體系的系統(tǒng)可靠度分析還處在研究階段，還沒有成熟到可以用于設計標準的程度。地基設計與結構設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。地基的可靠性研究無法區(qū)分構件與體系，從一開始就必須考慮半無限體的連續(xù)介質，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)方面都比單構件的可靠性分析復雜的多。57 在結構設計時，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

16、體積之比非常大。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平均土層特性，這是結構工程與基礎工程在可靠度分析方面的最基本的區(qū)別所在。58 我國基礎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雜性，基礎工程的可靠度研究落后于上部結構可靠度的研究，而且要將基礎工程可靠度研究成果納入設計規(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

17、結構設計使用了極限狀態(tài)設計方法，在地基設計中采用極限狀態(tài)設計工作也已提到議事日程上了。結論：59基礎工程的發(fā)展方向（一）開展地基的強度、變形特性的基本理論研究 由于天然地基中土層較復雜，具有明顯的非線性和各向異性，粘性土更具有回滯性及時間效應，因此，地基土的強度、變形的基本理論及計算方法的研究，應結合巖土力學的新成果、現(xiàn)代計算方法和計算工具的發(fā)展而提高。同時要加強地基土的試驗研究，尤其是原位測試的研究?？紤]土的不均勻性，采用數(shù)理統(tǒng)計的分析方法，具有較大的實用價值。 我國土地遼闊，幅員廣大，地基土的種類繁多，性質相差懸殊，很多土具有區(qū)域性特性，因此，應加強對軟土、黃土、膨脹土和多年凍土等區(qū)域性特殊土的基本理論、特性和處理措施的研究。60（二）進一步開展各類基礎型式設計理論和施工方法的研究 樁基礎是我國采用較多的深基礎型式，其結構輕巧且形式多樣，便于因地制宜，適應性較強，也便于機械化施工。因此，應大力發(fā)展樁基礎技術，進一步發(fā)展各種樁基礎結構型式、通過試驗和理論研究進一步明確各種條件下荷載傳遞機理，樁土共同作用關系荷載傳遞機理，樁土共同作用關系，樁基礎沉降計算