高層建筑基礎(chǔ)分析與設(shè)計(jì)-作者-袁聚云-5本科2011秋第五章-天然地基上的高層建筑基礎(chǔ)

2023/9/21在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)：教材其余課件及動畫素材請查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187

或者直接輸入下面地址：2023/9/22地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)基本原則要求：①基礎(chǔ)底面壓力應(yīng)小于地基容許承載力值；②建筑物的沉降應(yīng)小于容許變形值；③避免地基滑動，防止建筑物失穩(wěn)。

我國地域遼闊，已建高層建筑采用天然地基的箱基或筏基為數(shù)不少。實(shí)踐表明：天然地基上的箱基或筏基在高層建筑中有廣泛應(yīng)用的前景。第五章天然地基上的高層建筑基礎(chǔ)

2023/9/23一、地基承載力確定確定地基承載力的方法有經(jīng)驗(yàn)查表法、原位測試法和理論計(jì)算公式法。1.經(jīng)驗(yàn)查表確定承載力以載荷試驗(yàn)為依據(jù)，將大量室內(nèi)試驗(yàn)資料經(jīng)過對比統(tǒng)計(jì)分析，建立土的物理力學(xué)指標(biāo)與各類土的承載力基本值f0之間的關(guān)系，編制相應(yīng)的地基承載力基本值表(表5-1和表5-2)。第一節(jié)地基承載力與基礎(chǔ)埋置深度2023/9/242023/9/25地基土承載力基本值表是收集各地載荷試驗(yàn)資料，經(jīng)回歸分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)修正后編制的，使用時均以指標(biāo)的平均值查取，試驗(yàn)樣品的數(shù)量及試驗(yàn)結(jié)果的離散程度的影響均沒有反映。地基承載力基本值還應(yīng)通過概率統(tǒng)計(jì)來進(jìn)行修正，將從表中查出的地基承載力基本值f0乘以小于1的回歸修正系數(shù)。

2023/9/262.現(xiàn)場載荷試驗(yàn)確定地基承載力

載荷試驗(yàn)是原位測試中確定承載力最為常用的一種方法。載荷試驗(yàn)曲線特性明顯，典型的p-s曲線可分成三個階段(圖5-1)：Oa:壓密階段;ab:局部剪切階段;bc:整體剪切破壞階段。

2023/9/27在壓密階段內(nèi)，荷載與變形成正比，土中各點(diǎn)剪應(yīng)力均小于土的抗剪強(qiáng)度，土體處于彈性平衡狀態(tài)，a點(diǎn)相應(yīng)的荷載稱為臨塑荷載pcr。在局部剪切階段，p-s不再保持線性關(guān)系，基礎(chǔ)邊緣下地基土局部范圍內(nèi)的剪切應(yīng)力達(dá)到土的抗剪強(qiáng)度而出現(xiàn)塑性區(qū)；隨著荷載繼續(xù)增加，塑性區(qū)逐漸擴(kuò)大，直至土中形成連續(xù)的滑動面，b點(diǎn)所對應(yīng)的荷載稱為極限荷載pu。在整體破壞階段，即使荷載不再增加，荷載板也會急劇下沉，地基變形不斷開展，土體自底板四周隆起，地基失穩(wěn)而破壞。2023/9/28pcr和pu的量值存在尺寸效應(yīng)問題，荷載板尺寸愈大，變形愈大，而此時pcr，pu亦愈大。因此，根據(jù)載荷試驗(yàn)p-s曲線確定地基承載力不應(yīng)忽視尺寸效應(yīng)?，F(xiàn)場原位測試方法除靜載荷試驗(yàn)常用外，尚有其他方法，如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、旁壓儀測試、動力觸探試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等。2023/9/293.理論計(jì)算公式確定地基承載力

計(jì)算地基承載力的理論公式有很多種，主要可劃分為假定剛塑體計(jì)算極限承載力的公式和考慮彈塑性影響（即允許局部塑性區(qū)開展的）計(jì)算允許承載力的公式兩大類。

(1)地基極限承載力

地基土的破壞與基礎(chǔ)埋深、荷載施加的速率和土的壓縮性等有關(guān)。魏錫克提出地基破壞的三種基本類型(圖5-1)。2023/9/2102023/9/211現(xiàn)有理論公式都假設(shè)土為剛塑性體，按彈性-塑性平衡問題求解，考慮的都是整體剪切破壞。對于局部剪切破壞，一般在整體剪切破壞解答的基礎(chǔ)上，考慮由于壓縮性影響而引起的折減。2023/9/212

當(dāng)?shù)鼗羞_(dá)到極限平衡發(fā)生整體剪切破壞時，作用在地表上的荷載即為極限荷載。關(guān)于極限承載力的理論公式，首先是1920年由普朗特爾根據(jù)塑性理論推導(dǎo)出無重量介質(zhì)的極限承載力公式。太沙基考慮到基礎(chǔ)底面摩擦力對地基變形的約束作用，修正了普朗特爾解的滑動面形狀，推導(dǎo)出極限承載力公式。漢森研究了水平荷載對滑動面的影響，提出了傾斜荷載作用下滑動面的形狀及極限承載力公式。魏錫克對承載力公式又做了改進(jìn)。2023/9/213普朗特爾和太沙基公式推導(dǎo)的假定：

1.均質(zhì)地基中心荷載條件下條形基礎(chǔ)

2.假定滑動面的形狀

3.認(rèn)為在全部滑動面上土體均達(dá)到極限平衡分別考慮由于基礎(chǔ)底面下土的自重、土的粘聚力c和基礎(chǔ)兩側(cè)超載q的作用下所引起的土抗力，根據(jù)脫離體的靜力平衡條件，求解后疊加，可得出地基極限承載力理論值。其基本形式為：2023/9/214

極限承載力的通式包括有三項(xiàng)：第一項(xiàng)cNc，反映了土的粘聚力的作用；第二項(xiàng)qNq，反映了基礎(chǔ)兩側(cè)邊載（一般指基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)的土重）的作用；第三項(xiàng)γbNr反映了基礎(chǔ)底面下滑動土體深度范圍內(nèi)的土體重量的作用，具體反映為基礎(chǔ)的寬度與地基土的重度的作用。這三項(xiàng)中的承載力系數(shù)都是土的內(nèi)摩擦角的函數(shù)。上述這些因素的變動都會對地基承載力造成影響。

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計(jì)算所得的地基極限承載力必須除以安全系數(shù)才能作為地基設(shè)計(jì)中的地基承載力特征值fa。安全系數(shù)取值是一個較為復(fù)雜的問題，要和當(dāng)?shù)毓こ虒?shí)踐中采用該式所得到的經(jīng)驗(yàn)等綜合考慮后確定，一般在2~3，所得值的出入很大。

2023/9/216(2)容許狀態(tài)計(jì)算公式

臨塑荷載公式p1/4公式《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力特征值該公式是在條形基礎(chǔ)、均布荷載、均質(zhì)土條件下推導(dǎo)出的。2023/9/2172023/9/218二、基礎(chǔ)埋置深度確定

在確定高層建筑的基礎(chǔ)埋置深度時，應(yīng)考慮建筑物的高度、體型、土質(zhì)、抗震設(shè)防烈度等因素，并應(yīng)滿足抗傾覆和抗滑移的要求?？拐鹪O(shè)防區(qū)天然土質(zhì)地基上的箱形和筏形基礎(chǔ)，其埋深不宜小于建筑物高度的1/15；當(dāng)樁與箱基底板或筏板連接的構(gòu)造符合規(guī)定時，樁箱或樁筏基礎(chǔ)的埋置深度(不計(jì)樁長)不宜小于建筑物高度的1/18。2023/9/219三.基底壓力與承載力驗(yàn)算

1.箱形和筏形基礎(chǔ)底面的壓力值：(1)當(dāng)受軸心荷載作用時(2)當(dāng)受偏心荷載作用時

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2.基礎(chǔ)底面壓力應(yīng)符合下列公式的要求

(1)當(dāng)受軸心荷載作用時

p≤fa

(2)當(dāng)受偏心荷載作用時

pmax≤1.2fa

式中：fa——地基承載力特征值，按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。

(3)對于非抗震設(shè)防的高層建筑箱形和筏形基礎(chǔ)，尚應(yīng)符合下式要求：

pmin≥0(不出現(xiàn)拉應(yīng)力)2023/9/221

3.對于抗震設(shè)防的建筑，箱形和筏形基礎(chǔ)的基礎(chǔ)底面壓力除應(yīng)符合上面(1)及(2)的要求外，尚應(yīng)按下列公式進(jìn)行地基土抗震承載力的驗(yàn)算：

pz≤fSE

pE,max≤1.2fSE

fSE＝ξsfafSE——調(diào)整后的地基土抗震承載力特征值；pE,max——基礎(chǔ)底面地震效應(yīng)組合的邊緣最大壓力值；ξs——地基土抗震承載力調(diào)整系數(shù)，按表5-4取值。pz——基礎(chǔ)底面地震效應(yīng)組合的平均壓力值；2023/9/222當(dāng)基礎(chǔ)底面地震效應(yīng)組合的邊緣最小壓力出現(xiàn)零應(yīng)力時，零應(yīng)力區(qū)的面積不應(yīng)超過基礎(chǔ)底面面積的25％。2023/9/223第二節(jié)地基穩(wěn)定性驗(yàn)算

地基穩(wěn)定性問題地基承載力不足引起的地基失穩(wěn)；水平荷載引起建筑物基礎(chǔ)的傾覆和滑動失穩(wěn)；位于土坡坡頂?shù)慕ㄖ锏鼗Х€(wěn)。對應(yīng)的工程背景地基中存在軟弱土層；承受較大水平力或傾覆力矩的建筑物，如受風(fēng)和地震作用的高層建筑或高聳構(gòu)筑物；承受拉力的高壓線塔基礎(chǔ)；承受水壓力和土壓力的擋土墻、堤壩或橋臺；位于斜坡或坡頂上的建筑物，由于荷載或環(huán)境因素的影響，造成邊坡失穩(wěn)。2023/9/224《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》對箱基或筏基的構(gòu)造要求有：(1)基礎(chǔ)埋置深度；(2)荷載偏心率。

規(guī)范規(guī)定：當(dāng)建筑物基礎(chǔ)滿足抗滑移和抗傾覆的前提要求時，可按構(gòu)造要求滿足基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。2023/9/225

滿足下述構(gòu)造要求，一般能保證建筑物的穩(wěn)定性。(1)基礎(chǔ)埋置深度天然地基上的箱基或筏基埋深不宜小于建筑物高度的1/15，樁箱或樁筏基礎(chǔ)的埋深(不計(jì)樁長)不宜小于建筑物高度的1/18。(2)荷載偏心率建筑物的重心和基礎(chǔ)平面的形心應(yīng)盡量重合。當(dāng)不能重合時，偏心距不宜大于0.1ρ

。不能滿足上述要求時，則必須進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算！W為與偏心距方向一致的基底截面抵抗矩，A為面積。2023/9/226一、水平荷載作用下防止滑移

設(shè)作用于箱形或筏形基礎(chǔ)頂部的水平荷載（風(fēng)載、地震荷載或其他荷載）為Q，箱形或筏形基礎(chǔ)側(cè)壁填土能可靠的傳遞被動土壓力和摩擦力的高度h0≤D，計(jì)算簡圖如下。2023/9/227

水平剪力Q由垂直于剪力方向側(cè)壁的被動土壓力合力P、基底摩擦力合力F1，側(cè)壁（平行于剪力方向）摩擦力合力F2之和來平衡，于是應(yīng)滿足：

式中K為安全系數(shù)，取1.2~1.5。2023/9/228Al—基底面積；A2—平行于剪力方向的兩側(cè)壁有效面積(A2=2bh0)；S—地基土抗剪強(qiáng)度，對于飽和軟土S=0.5qu(qu為土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度)，對于一般土S=ccu+ptgfcu；(ccu、fcu

為固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)，p為基底平均壓力)；fh—土與混凝土之間摩擦系數(shù)，據(jù)試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)取值；sh—靜止土壓力。F1、F2按公式計(jì)算：2023/9/229二、偏心、水平荷載作用下防止建筑物傾覆

高層建筑的重心應(yīng)盡量與其基礎(chǔ)平面的形心重合，不能重合時設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使偏心距e≤0.1W/A，這樣有利于穩(wěn)定。當(dāng)承受有較大水平荷載時，為防止整體覆需按不同情況進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。在強(qiáng)震區(qū)、強(qiáng)風(fēng)區(qū)水平荷載多來自地震力或風(fēng)力，其施力方向并不能確定，當(dāng)豎向總荷載存在偏心情況，應(yīng)以不利的荷載組合情況驗(yàn)算。2023/9/2302023/9/2311.水平荷載作用下（豎向荷載偏心距e＝0）

2.偏心和水平荷載作用下Mr—抗傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)；Mc—傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值；P—豎向總荷載標(biāo)準(zhǔn)值（P＝F＋G）；Q—水平總荷載標(biāo)準(zhǔn)值?？箖A覆穩(wěn)定性安全系數(shù)k=Mr/Mc不宜小于1.5。2023/9/232三、防止地基整體滑動、建筑物傾覆地基整體滑動形成的滑裂面在空間通常形成一個弧形面，對于均質(zhì)土可簡化為平面問題的圓弧面。地基整體滑動穩(wěn)定性取決于最危險滑動面上諸力對滑動中心所產(chǎn)生的抗滑力矩Mr與滑動力矩M0的比值。喪失穩(wěn)定狀態(tài)M0＞Mr極限平衡狀態(tài)M0＝Mr穩(wěn)定狀態(tài)M0<Mr整體穩(wěn)定性的安全系數(shù)：k=Mr/M0

k一般取1.2~1.30。2023/9/233

地基整體滑動穩(wěn)定性驗(yàn)算方法，一般采用極限平衡理論的圓弧滑動條分法?；A(chǔ)受到的豎向荷載為P，水平荷載為Q，埋深為d。穩(wěn)定性分析步驟如下：

1.地面水平，假定最危險滑動圓弧通過基礎(chǔ)外側(cè)底邊，滑動的圓心位于將滑動土體平分的垂直線上。

2.將滑動土體劃分為等分土條，土條寬度為b，并忽略土條自重產(chǎn)生的滑動力和抗滑力對整體穩(wěn)定的影響。

3.滑動力矩計(jì)算滑動土體的附加荷載2023/9/2344.抗滑力矩計(jì)算抗滑力矩包括滑動面上摩阻力和粘聚力合力產(chǎn)生的力矩?；讐毫υ谙鄳?yīng)土條寬度bi范圍內(nèi)滑動面上法向力合力：此時摩阻力：地基整體滑動安全系數(shù)為：沿滑動面土的粘聚力發(fā)生的抗滑力為：則抗滑力矩：2023/9/235第三節(jié)地基變形計(jì)算與驗(yàn)算當(dāng)采用土的壓縮模量計(jì)算箱形和筏形基礎(chǔ)的最終沉降量ｓ時，可按下式計(jì)算：淺基礎(chǔ)一、最終沉降量第一種計(jì)算方法—壓縮模量2023/9/2362023/9/237為什么要考慮回彈變形？

建筑物從砌筑基礎(chǔ)以至建成使用期間，地基處于逐步加載受荷的過程；當(dāng)外荷小于或等于pc時，地基沉降變形s1是由地基回彈轉(zhuǎn)化為再壓縮的變形；當(dāng)外荷大于pc時，除上述s1外，還由于附加壓力p0=p-pc產(chǎn)生地基固結(jié)沉降變形s2，地基最終沉降變形為s=sl+s2；按分層總和法計(jì)算公式如前。

高層建筑施工開挖基坑相當(dāng)于卸除該深度土自重壓力pc的荷載，地基發(fā)生回彈變形；2023/9/238

回彈再壓縮模量E's和壓縮模量Es如何確定？Es可通過室內(nèi)回彈再壓縮試驗(yàn)確定，其壓力的施加應(yīng)模擬實(shí)際加卸荷的應(yīng)力狀態(tài)。2023/9/239Es通過室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)確定，所施加的最大壓力值應(yīng)大于土的自重壓力與預(yù)計(jì)的附加壓力之和。壓縮模量的計(jì)算應(yīng)取自重壓力至自重壓力與附加壓力之和的壓力段。地基沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定方法一般應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)采用；在缺乏地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時，可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007－2002）的規(guī)定取，與壓縮模量Es及基底附加壓力p0(或樁端土平面附加應(yīng)力)有關(guān)，如表5-5所示:2023/9/2402023/9/241如圖5-8所示，按地基土的天然分層面劃分計(jì)算土層，引入土層平均附加應(yīng)力的概念，通過平均附加應(yīng)力系數(shù)，將基底中心以下地基中zi,zi-1

深度范圍的附加應(yīng)力按等面積原則化為相同深度范圍內(nèi)矩形分布時的分布應(yīng)力大小，再按矩形分布應(yīng)力情況計(jì)算土層的壓縮量：土層的壓縮量計(jì)算方法(分層總和法)2023/9/2422023/9/243二、最終沉降量第二種計(jì)算方法—變形模量當(dāng)采用土的變形模量計(jì)算箱形和筏形基礎(chǔ)的最終沉降量ｓ時，可按下式計(jì)算2023/9/2442023/9/245關(guān)于計(jì)算荷載pk

一般地基沉降變形計(jì)算是以附加壓力作為計(jì)算荷載的，采用總荷載pk作為地基沉降計(jì)算壓力的建議，對大基礎(chǔ)是適宜的。對高層建筑箱形及筏形基礎(chǔ)地基沉降計(jì)算，采用總荷載作為計(jì)算壓力較采用附加壓力合理。這是因?yàn)椋航瓶紤]了深埋基礎(chǔ)（或補(bǔ)償基礎(chǔ)）計(jì)算中的復(fù)雜問題;近似解決了大面積開挖基坑坑底的回彈再壓縮問題。2023/9/246沉降計(jì)算深度znzn計(jì)算式β-調(diào)整系數(shù)，按下表取值2023/9/247變形模量E0采用野外載荷試驗(yàn)資料算得的變形模量Eo，基本上解決了試驗(yàn)土樣擾動的問題，土中應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際情況接近，因此原位載荷試驗(yàn)確定變形模量最理想。變形模量缺點(diǎn)是試驗(yàn)工作量大，時間較長。目前我國采用旁壓儀確定變形模量或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及觸探資料，間接推算與原位載荷試驗(yàn)建立關(guān)系，以確定變形模量，也是一種有前途的方法。2023/9/248三、兩種計(jì)算方法的比較與選用我國《高層建筑箱形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ6-80)的地基沉降變形計(jì)算方法采用分層總和法，并乘以沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由于高層建筑實(shí)測沉降觀測資料較