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普通高等教育”十一五”国家级规划教材 21世纪交通版高等学校教材 基 础 工 程,主编：王晓谋 编制：魏进 方磊 校核：王晓谋,本教材由七章组成,第一章 导论 第二章 天然地基上的浅基础 第三章 桩基础的基本知识及施工 第四章 桩基础的设计计算 第五章 沉井基础及地下连续墙 第六章 地基处理 第七章 几种特殊土地基上的基础工程,主要内容,第一节 概述,第一章 导论,任何建筑物都建造在一定的地层上，建筑物的全部荷载都由它下面的地层来承担。一般而言，将承受建筑物各种作用的地层称为地基，而将建筑物与地基接触的最下部分，也就是将建筑物的各种作用传递至地基的结构物称为基础。,基础工程的基本概念,可以认为：受建筑物影响的那一部分地层称为地基，建筑物与地基接触的部分称为基础。桥梁上部结构为桥跨结构，而下部结构包括桥墩、桥台及其基础 。 基础工程包括建筑物的地基与基础的设计与施工。,基本概念 第一章 导论,桥梁结构基本组成,桥梁结构,桥跨上部结构,桥跨下部结构,附属结构：引道、锥坡、导流护岸等调治构造物,基本概念 第一章 导论,桥跨上部结构,桥跨下部结构,桥跨结构：行车走人，跨越障碍（如江河、山谷或其他路线等）的结构物,支座系统：支承上部结构并将上部结构产生的各种作用传递至桥梁墩台,桥墩（墩身）：设在河中、岸上或地面上支承两侧桥跨上部结构的建筑物,桥台（台身）：设在桥的两端，支承上部结构并与路基衔接，承受台后土压力的建筑物,墩台基础：保证桥梁墩台安全并将各种作用传至地基的桥梁墩台的最下部分,基本概念 第一章 导论,图1-2 桥梁结构各部分立面示意图 1-下部结构；2-基础；3-地基；4-桥台； 5-桥墩；6-上部结构,基本概念 第一章 导论,地基：承受建筑物荷载应力与应变不能忽略的土层（有 一定深度和范围） 。,基础：埋入土层一定深度并将荷载传给地基的建筑物下部结构。,1-1 概述 第一章 导论,天然地基：未经过人为处理即可满足设计要求的 地基。,人工地基：经过人工加固或处理后的地基。,地基,基础,浅基础,深基础,深水基础,刚性扩大基础,柔性扩大基础,桩基础,沉箱基础,地下连续墙,沉井基础,1-1 概述 第一章 导论,地基基础在工程中的重要性,1-1 概述 第一章 导论,工程实践表明：建筑物地基与基础的设计和施工质量的优劣，对整个建筑物的质量和正常使用起着根本的作用。 基础工程是隐蔽工程，如有缺陷，较难发现，也较难弥补和修复，而这些缺陷往往直接影响整个建筑物的使用甚至安全。 基础工程的进度，经常控制整个建筑物的施工进度。 基础工程的造价，通常在整个建筑物造价中占相当大的比例，尤其是在复杂的地质条件下或深水中修建基础更是如此。 因此，对基础工程必须做到精心设计、精心施工。,加拿大的特朗斯康谷仓建于1913年，谷仓的平面为矩形，长59.44m,宽23.47m，高度为31m，由65个圆柱形筒仓组成，采用钢筋混凝土阀板基础。设计时对地基未作勘察，不了解基底下有厚达15m左右的软黏土层，仅根据对临近建筑的调查判定地基承载力。建成后于当年9月开始均匀地向谷仓内装载谷物，至10月发现谷仓产生大量快速沉降，1h内的垂直沉降量竟达到30.5cm，在其后的24h内谷仓倾倒，倾倒后谷仓的西侧下沉达7.32m，东侧则抬高了1.53m，整体倾斜达27°。因谷仓整体性很强，筒仓本身完好无损。,案例一：加拿大特朗斯康谷仓,1-1 概述 第一章 导论,案例一：加拿大特朗斯康谷仓,1-1 概述 第一章 导论,案例二：墨西哥城某建筑,1-1 概述 第一章 导论,案例三：灞河桥水毁,1-1 概述 第一章 导论,1-1 概述 第一章 导论,1-1 概述 第一章 导论,1-1 概述 第一章 导论,桥位（包括桥头引道）平面图及拟建上部结构及墩台形式、总体构造及有关设计资料 桥位工程地质勘测报告及桥位地质纵剖面图 地基土质调查试验报告 河流水文调查资料 其他调查资料（包括地震、建筑材料、气象、附近桥梁的调查及施工调查资料）,一、基础工程设计和施工所需的资料,1-2 基础工程设计和施工所需的资料 第一章 导论 及计算作用的确定,第二节 基础工程设计和施工所需的资料及计算 作用的确定,作用：要保证桥梁的地基与基础满足强度、刚度（变形）、稳定性和耐久性的要求，就需要对其在各种工况条件下的多项指标进行验算，而组成各种工况的基本要素就是作用。 作用代表值：从设计的安全性和经济性出发，有必要对各种作用进行分类，并针对不同设计目的采用不同的计算量值，即作用代表值。在现行公路桥涵设计通用规范（JTG D602004）中，将公路桥涵设计采用的作用分为永久作用、可变作用和偶然作用三类 。,二、作用的分类及代表值,1-2 基础工程设计和施工所需的资料 第一章 导论 及计算作用的确定,为了保证结构的可靠性，需要确定同时作用在结构上有几种作用，以及各种作用同时出现标准值的概率大小，因此当结构承受两种或两种以上的可变作用时，应考虑多种作用效应的相互叠加，即作用效应组合，并计入作用效应组合系数，显然，它是一个小于1.0的系数。,三、作用效应组合与极限状态设计,1-2 基础工程设计和施工所需的资料 第一章 导论 及计算作用的确定,承载能力极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形或变位状态。 基础结构自身承载力及稳定性应采用作用效应基本组合和偶然组合进行验算。 承载力验算时作用效应组合中各效应的分项系数、结构重要性系数及效应组合系数按下述规定取值；稳定性验算时，各项系数均取为1.0。,（一）承载能力极限状态设计,1-2 基础工程设计和施工所需的资料 第一章 导论 及计算作用的确定,正常使用极限状态：对应于桥涵结构或其构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态。 当基础结构需要进行正常使用极限状态设计时，应根据不同的设计要求，采用作用短期效应组合和作用长期效应组合两种效应组合。,（二）正常使用极限状态设计,1-2 基础工程设计和施工所需的资料 第一章 导论 及计算作用的确定,1.基础结构稳定性验算 2.地基竖向承载力验算 3.基础沉降计算 4.关于水浮力计算的相关规定,（三）基础工程相关验算,1-2 基础工程设计和施工所需的资料 第一章 导论 及计算作用的确定,1.基础底面的压力小于地基承载力容许值； 2.地基及基础的变形值小于建筑物要求的沉降值； 3.地基及基础的整体稳定性有足够保证； 4.基础本身的强度、耐久性满足要求。,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,第三节 基础工程设计计算原则、设计方法 一、基础工程设计计算的原则,（一）容许承载力设计方法,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,二、地基承载力确定方法,建筑物荷载通过基础传递到地基上，对于刚性扩大基础而言，作用在基础底面单位面积上的压力称为基底压力。设计中要求基底压力不能超过地基极限承载力，而且要有足够的安全度；同时所引起的地基变形不能超过建筑物容许变形值。满足这两项要求，地基单位面积上所能承受的最大压力就称为地基容许承载力。如果地基容许承载力确定了，则要求的基础底面积A就可用下式计算：,（1-7）,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,有了地基容许承载力，地基基础设计就很容易进行。地基容许承载力设计方法是我国20世纪最常用的方法，并集累了丰富的工程经验，目前还有一些规范使用此种方法，如铁路桥涵地基和基础设计规范（TB 10002.52005）。然而，由于地基容许承载力设计方法本身的局限性，安全度有多大，很难给出比较准确的答案。因此，这种方法需要改进。,（二）极限状态设计方法,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,地基承载力和变形容许是对地基的两种不同要求，要充分发挥地基承载作用，并不能简单地用一个容许承载力所能概括。更好的做法应该是分别验算，了解控制的因素，对薄弱环节采取必要的工程措施，才能真正充分发挥地基的承载能力，在保证安全可靠的前提下达到最为经济的目的，这也就是极限状态设计方法的本质。按极限状态设计方法，地基必须满足如下两种极限状态的要求。,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,1承载能力极限状态或稳定极限状态,其意是让地基土最大限度地发挥承载能力，荷载超过此种限度时，地基土即发生强度破坏而丧失稳定或发生其他任何形式的危及建筑物安全的破坏。表达式为,（1-8）,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,2正常使用极限状态或变形极限状态,其意是地基受载后的变形应该小于建筑物地基变形的允许值，表达式为,（1-9）,表面上看，地基的极限状态设计与结构的极限状态完全相同。首先满足承载力极限状态，保证地基稳定；然后满足正常使用极限状态，符合变形要求。但是，从已有大量地基工程事故资料表明，绝大多数地基事故都是由于变形过大而且不均匀造成的。根据地基载荷试验和地基承载力理论可知，随着荷载的增加，地基先产生压密，再产生局部剪切，最后产生整体剪切破坏。临塑荷载pcr远小于整体剪切破坏时的极限荷载pu。这就是说，地基在充分发挥其承载力以前，通常都产生较大的变形，影响建筑物正常使用，即地基设计实质上受变形控制。,（三）可靠度设计方法,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,前面所讲的两种设计方法，都是把荷载和抗力当成一个确定量；当然，衡量建筑物安全度的安全系数也是一个确定值。其实，无论是荷载或者抗力，都存在很大的不确定性，很难确定其准确地数值。 土的工程特性指标是这样；推而广之，其他材料的特性指标以至于作用在建筑物上的荷载以及很多的事物和现象也都是这样。,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,另一方面，工程上对安全系数数值的确定，仅是根据以往的工程经验，比较粗糙，而且不同方法之间，要求也不尽相同。 说明这种用确定数量的荷载和抗力以单一安全系数所表征的设计方法有不够科学之处。于是另一种新的分析方法，即可靠度分析方法就逐渐发展起来。,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,可靠度设计方法也称以概率理论为基础的极限状态设计方法。可靠度的的研究早在20世纪30年代就已开始，当时是围绕飞机失效所进行的研究。 大约20世纪40年代已应用于结构设计中。1983年我国颁布建筑结构设计统一标准（草案）就完全按国际上发展推行的建筑结构可靠度设计的基本原则，采用以概率统计理论为基础的极限状态设计方法。,1-3 基础工程设计计算原则、设计方法 第一章 导论,由于地基土是在漫长的地质年代中形成的，是大自然的产物，其性质十分复杂，所以地基土具有比任何人工材料大得多的变异性，它的复杂性质不仅难以人为控制，而且要清楚地认识它也很不容易。 地基可靠性分析的精度，在很大程度上取决于土性参数统计分析的精度。如何恰当地对地基土性参数进行概率统计分析，是基础工程最重要的问题。,国外在18世纪产业革命以后，城建、水利、道路建筑规模的扩大促使人们对基础工程的重视与研究，对有关问题开始寻求理论上的解答。此阶段在作为本学科的理论基础的土力学方面，如土压力理论、土的渗透理论等有局部的突破，基础工程也随着工业技术的发展而得到新的发展，如19世纪中叶利用气压沉箱法修建深水基础。20世纪20年代，基础工程有比较系统、比较完整的专著问世，1936年召开第一届国际土力学与基础工程会议后，土力学与基础工程作为一门独立的学科取得不断的发展。20世纪50年代起，现代科学新成就的渗入，使基础工程技术与理论得到更进一步的发展与充实，成为一门较成熟的独立的现代学科。,1-4 基础工程学科的发展概况 第一章 导论,第四节 基础工程学科发展概况,我国是一个具有悠久历史的文明古国，我国古代劳动人民在基础工程方面，也早就表现出高超的技艺和创造才能，许多宏伟壮丽的中国古代建筑逾千百年仍留存至今安然无恙的事实就充分说明了这一点。如隋代李春于公元595605年建造的河北赵州安济桥，是世界上首创的石砌敞肩平拱桥。其净跨为37.02m，宽9m，矢高7.23m，采用扩大基础，基础平面尺寸为5.5m×10m，高4.4m，建在较浅的密实粗砂地基上。反算拱的最大推力为24MN，即使按照现在的规范检算，地基承载力和基础后侧的被动土压力均能满足设计要求。,1-4 基础工程学科的发展概况 第一章 导论,中国古代案例：赵州桥,1-4 基础工程学科的发展概况 第一章 导论,1-4 基础工程学科的发展概况 第一章 导论,1-4 基础工程学科的发展概况 第一章 导论,桥梁基础工程发展前景,我国20世纪末路网规划表明，在大江大河和沿海修建规模更大的桥梁势在必行。这些工程中会遇到许多新的技术难题，需要进一步学习各国已有的深水基础的先进成果和技术，并结合我国实际情况和具体桥梁工程进行认真分析、研究，才能保证我国桥梁深水基础的技术水平持续发展。 另外，随着国际经济区域的建立和全球海洋资源的新开发，要求铺建跨洲、跨国的大通道，也给全世界跨海桥梁的建设提供了更大发展空间。,1-4 基础工程设计计算应注意的事项 第一章 导论,