第一章 基礎(chǔ)工程導論

基礎(chǔ)工程貴州大學土木建筑工程學院巖土工程教研室1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2第一章、前言基礎(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3基礎(chǔ)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(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)。

基礎(chǔ)工程包括建筑物的地基與基礎(chǔ)的設(shè)計與施工。4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)5基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)地基建筑物三部分示意圖6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）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。7結(jié)構(gòu)荷載基底壓力8天然地基：沒有經(jīng)過人為處理，直接修建。

人工地基：承載力低，高壓縮性地基，人工處理后才能修建。地基基礎(chǔ)深基礎(chǔ)剛性擴大基礎(chǔ)單獨和聯(lián)合基礎(chǔ)條形基礎(chǔ)筏板和箱形基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)沉井基礎(chǔ)淺基礎(chǔ)9上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基間的關(guān)系：

上部結(jié)構(gòu)（荷載）、基礎(chǔ)（壓力）、地基（應(yīng)力、變形），三者間相互制約協(xié)同工作。設(shè)計方法：簡化設(shè)計將三部分相對獨立分開，按靜力平衡原則，采用不同的簡化假定進行分析計算.10地基基礎(chǔ)在工程中的重要性隱蔽工程，處理困難，事故危害大；工程造價高，占20-25%；設(shè)計上應(yīng)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11軟弱地基整體破壞地基土承載力低，產(chǎn)生強度破壞12地基不均勻沉降，建筑傾斜基巖不均勻軟土層13均質(zhì)軟弱地基整體下沉14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。15案例一：比薩斜塔1617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(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18案例二：加拿大特朗斯康谷倉19案例三：墨西哥城某建筑20案例四：日本新瀉地震21上海錦江飯店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(cè)。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(zhì)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(nèi)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(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，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。222.建筑地基嚴重下沉

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。會造成室內(nèi)外連接困難及交通不便，內(nèi)外網(wǎng)管道也會造成破壞。23243.建筑物墻體開裂持力層土質(zhì)壓縮性相差懸殊或不同類型基礎(chǔ)基底壓力相差較大，引起不均勻沉降，導致墻體開裂。相鄰荷載影響亦可引起附加應(yīng)力增加，導致地基下沉，墻體開裂。254.建筑物基礎(chǔ)開裂地基壓縮性相差懸殊，導致基礎(chǔ)底板斷裂。5.建筑物地基熔蝕引起地基塌陷266唐山地震

液化“砂火山”口27液化噴水冒砂后景象28液化造成地基沉陷,房屋嚴重裂縫29液化造成地基沉陷,

房屋嚴重裂縫30液化后汽車陷入土中317.

土坡滑動斷層所造成的邊坡滑動使民宅橫向移動10m,垂直落差約6m3233巴東崖崩造成房屋墻體開裂34姊歸縣邊坡治理35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36371870年1月布魯克林大橋修建時的沉箱.38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)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500kPa～600kPa，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。39中國古代案例－：趙州橋

404142中國古代案例二：河姆渡木樁

43中國古代案例三：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.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。44圣母殿

4546中國古代案例四：蘇州虎丘塔蘇州虎丘塔

此塔位于蘇州市虎丘公園山頂，落成于宋太祖建隆二年（公元961年），距今已有1036。全塔7層，高47.5米。平面呈八角形。青磚砌筑。

目前，塔身已向東北方向嚴重傾斜，塔頂離中心線已達2.34米。底層塔身出現(xiàn)不少裂縫。

寶塔傾斜為地基覆蓋層相差懸殊,導致地基不均勻沉降等原因造成。47三、基礎(chǔ)工程設(shè)計和施工所需的資料地基與基礎(chǔ)在設(shè)計及施工開始之前，除了應(yīng)掌握有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)物的資料，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)的相關(guān)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)工程規(guī)模、重要性及建筑地點工程地質(zhì)、水文條件的具體情況和設(shè)計階段確定取舍。48建筑平面圖及擬建上部結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)形式、總體構(gòu)造及有關(guān)設(shè)計資料工程地質(zhì)勘測報告及地質(zhì)縱剖面圖地基土質(zhì)調(diào)查試驗報告基礎(chǔ)工程設(shè)計和施工所需的資料：49四、基礎(chǔ)工程設(shè)計計算應(yīng)注意的事項

（一）基礎(chǔ)工程設(shè)計計算的原則

1．基礎(chǔ)底面的壓力小于地基的容許承載力；2．地基及基礎(chǔ)的變形值小于建筑物要求的沉降值；3．地基及基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性有足夠保證；4．基礎(chǔ)本身的強度滿足要求。50地基與基礎(chǔ)方案的確定主要取決于地基土層的工程性質(zhì)與水文地質(zhì)條件、荷載特性、上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及使用要求，以及材料的供應(yīng)和施工技術(shù)等因素，方案選擇的原則是：力求使用上安全可靠、施工技術(shù)上簡便可行和經(jīng)濟上合理。因此，必要時應(yīng)作不同方案的比較，從中選出較為適宜與合理的設(shè)計方案和施工方案。51（二）考慮地基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)整體作用建筑物是一個整體，地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)是共同工作且相互影響的，地基的任何變形都必定引起基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的變形；不同類型的基礎(chǔ)會影響上部結(jié)構(gòu)的受力和工作；上部結(jié)構(gòu)的力學特征也必然對基礎(chǔ)的類型與地基的強度、變形和穩(wěn)定條件提出相應(yīng)的要求，同時恰當?shù)纳喜拷Y(jié)構(gòu)型式也具有調(diào)整地基基礎(chǔ)受力條件，改善位移情況的能力。因此，基礎(chǔ)工程應(yīng)緊密結(jié)合上部結(jié)構(gòu)和要求進行；上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計也應(yīng)充分考慮地基的特點，把整個結(jié)構(gòu)物作為一個整體，考慮其整體作用和各個組成部分的共同作用。52(三)基礎(chǔ)工程極限狀態(tài)設(shè)計應(yīng)用可靠度理論進行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計是當前國際上一種共同發(fā)展的趨勢，是工程結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域一次帶有根本性的變革?？煽啃苑治鲈O(shè)計又稱概率極限狀態(tài)設(shè)計。

可靠性含義就是指系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)在規(guī)定的條件下完成預定功能的概率。系統(tǒng)不能完成預定功能的概率即是失效概率。這種以統(tǒng)計分析確定的失效概率來度量系統(tǒng)可靠性的方法即為概率極限狀態(tài)設(shè)計方法。53

結(jié)構(gòu)設(shè)計的極限狀態(tài)一般分為承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，承載力極限狀態(tài)指結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或強度不足，正常使用極限狀態(tài)指結(jié)構(gòu)變形或局部損壞使其不能滿足正常使用和耐久性的情況。地基基礎(chǔ)設(shè)計中的承載力極限狀態(tài)不僅包含了地基整體失穩(wěn)所引起的極限狀態(tài)，也包含了由于地基土的變形或局部破壞使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴重破壞的情況，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。

54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)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(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。地基可靠性分析的特點55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)件的可靠性分析復雜的多。56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。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。57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：58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(yīng)，因此，地基土的強度、變形的基本理論及計算方法