【毕业论文】第三讲地基承载力的确定及其工程实例.ppt

1,第三讲 浅基础,第一节 概述 第二节 浅基础的类型 第三节 浅基础设计基本要求和荷载,2,第一节 概述,其中地基又分为：,一、基本概念,基础,浅基础,深基础,地基,天然地基,人工地基,持力层：直接与基础接触并承担主要荷载的地基土层,下卧层：在持力层下方的地基土层，可能不只一层。,基 础,上部结构,下卧层,持力层,地基,3,基础具有承上启下的作用，当进行基础设计时，除了保证基础本身有足够的强度和稳定性以支承上部结构的荷载外，同时要考虑地基的强度、稳定性及变形必须在容许范围内。因而基础设计又称为地基基础设计。,二、地基基础设计应考虑的主要因素,进行地基基础设计时，应综合考虑建筑物使用要求、上部结构特点、地基土体条件、施工条件、工期条件和经济性等因素。,4,第二节 浅基础的类型,根据形状和大小：独立基础、条形基础（包括十字交叉条形基础）、筏板基础、箱形基础、及壳体基础等。 根据基础所用材料的性能：无筋扩展基础（刚性基础）和扩展基础（柔性基础）。 根据基础所用材料：砖基础、三合土基础、灰土基础、毛石基础、素砼或毛石砼基础、钢筋砼基础等。,一、浅基础的分类,5,无筋扩展基础：通常是由砖、块石、毛石、素砼、三合土和灰土等材料做成的墙下条形基础或柱下独立基础。,二、无筋扩展基础,优点：材料具有较好的抗压性能，稳定性好、施工简便、造价低、能承受较大的竖向荷载。,缺点：自重大、材料抗拉、抗剪强度低，受构造限制，一般基础的相对高度都比较大，基础埋深相对比较大，因此为节省材料和减轻自重，基础常做成台阶形。,适用范围：多用于6层和6层以下民用建筑和轻型厂房 。,基本要求：基础外伸宽度和基础高度的比值在一定的限度内，即宽高比不能超过规范规定的允许值，以免基础内拉应力和剪应力超过材料强度设计值。,6,钢筋砼扩展基础：主要有墙下钢筋砼独立基础、墙下钢筋砼条形基础、柱下钢筋砼独立基础、柱下钢筋砼条形基础、十字交叉条形基础、筏形基础和箱形基础等。,三、扩展基础,优点：材料具有较好的抗剪和抗弯能力，并具有耐久性和抗冻性好、构造形式多样、可满足不同的建筑和结构功能要求、能与上部结构结合成整体共同工作等。,缺点：需用较多钢筋，造价一般比无筋扩展基础高。,适用范围：一般在竖向荷载较大、地基承载力不高并受水平力和力矩作用、基础需要“宽基浅埋”，且无筋扩展基础不能满足要求的情况下使用 。,7,一、浅基础设计基本原则,建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)总则中指出，建筑结构应满足下列要求： （1）安全性：建筑结构应能承受在正常施工和正常使用过程中可能出现的各种情况，在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性； （2）适用性：建筑结构在使用过程中应具有良好的工作性能； （3）耐久性：建筑结构在正常维护条件下，应能完好地使用到设计所规定的年限。 建筑物地基承受上部结构及基础传来的全部荷载。因此，地基计算的基本原则应从保证上部结构的安全性、适用性和耐久性来考虑。,第三节 浅基础设计基本要求和荷载,8,二、地基基础设计的技术要求,地基基础设计应满足以下技术要求: (1)地基土抵抗剪切破坏和防止丧失稳定，应具有足够的安全度，其设计通式为： 式中： 作用于地基土上的平均总压力； 地基承载力特征值（允许值） (2)基础的沉降量 应小于地基的允许变形值 ： 基础的沉降量包括绝对沉降量和不均匀沉降量。 (3)基础结构应有足够的强度、刚度、耐久性及抗裂等。,9,三、地基基础设计的两种极限状态,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。 根据地基基础设计的基本原则，地基基础的极限状态通常可分为以下两种： 承载能力极限状态：以地基荷载超过其承载能力为依据各种失稳、结构破坏，包括在地基中形成了破坏；在结构中形成了破坏或由于地基变形导致结构物发生严重损坏两种情况。 正常使用极限状态：以正常使用时地基或结构的变形、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）,10,（1）上钢一厂二转炉车间：因地基变形过大的达到结构承载能力极限状态的一个工程实例。 该车间填土厚约1m，采用天然地基，基础尺寸4.5*5.5m，基底压力100120kPa，在3年内柱的平均沉降速率一直保持在0.3mm/d左右，柱间差异沉降很大，最大为7.5，导致出现滑车现象，所有柱基均向内侧转动，最大倾斜1.8 ，主跨内34%的柱身开裂，吊车卡轨，车轮磨损严重。,11,（2）意大利比萨斜塔：是地基差异沉降过大的达到结构承载能力极限状态典型工程实例。 比萨斜塔建于1173年，5年后停工(4层93MN),1272年继续,5年后停工(7层35MN),13601370竣工(142MN) .600多年来以每年倾斜1cm的速度增加,塔顶离开中线水平距离已达5m多。,12,四、地基基础设计等级,我国的建筑地基基础设计规范（GB50007- 2002）规定： 根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计分为甲、乙、丙三个设计等级，设计时应据具体情况，按照地基基础设计等级进行地基基础设计。 所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定； 设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计； 部分设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，但特殊情况下，仍应作变形验算； 对经常受水平荷载作用的建筑物及斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性。 基坑工程应进行稳定性验算 当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。,13,14,五、荷载及其效应组合的规定,1.作用在基础上的荷载,F M,F,F H,F M,H,基础上所受到的荷载一般为前两种情况，通常横向力不大，只做校核。,中心竖向荷载 偏心竖向荷载 中心竖向荷载及水平荷载 偏心竖向荷载及水平荷载,包括上部结构传至基础的荷载、土体体积力的作用和地下水作用，有时还要考虑环境变化对荷载的影响。,15,（1）上部结构传至基础的荷载,无论是轴向力，水平力和力矩，都可能由恒荷载和活荷载二部分组成 ： 恒荷载（永久作用）： 主要指在设计基准期内其量值不随时间变化或变化与均值比可忽略不计的作用，包括建筑物和基础自重、固定设备的重量等。 恒荷载（永久作用）是长期作用在地基基础上的，它是引起基础沉降的主要原因，其取值一般采用标准值(结构自重)作为代表值。,16,（1）上部结构传至基础的荷载,无论是轴向力，水平力和力矩，都可能由恒荷载和活荷载二部分组成 ： 活荷载： 又可分为以下两类： 可变荷载：主要指在设计基准期内其量值随时间变化与均值比不可忽略的作用：屋面、楼面、吊车、雪、风荷载； 偶然荷载 (特殊荷载) ：主要指在设计基准期内不一定出现，一旦出现其值很大，持续时间很短的作用，如地震、风力等。 一般沉降计算仅考虑可变荷载，但在进行稳定验算时需考虑偶然荷载。其取值根据设计要求采用标准值、组合值(标准值乘荷载组合值系数)或准永久值(标准值乘荷载准永久值系数)作为代表值。,17,（2）土体体积力的作用,土体体积力是地基基础设计中非常重要的一种荷载，一般具有以下几个特点 ： 在结构荷载施加以前就已经存在，与地质条件和环境条件变化密切相关； 土体体积力对地基基础的影响是多方面的，在不同条件下土体体积力可作为荷载考虑，但有时则是抗力的一部分，但在更多条件下表现为荷载和抗力的双重作用。 对挡土墙、堤坝等结构物，土体体积力是设计的主要荷载； 主要表现为一种恒荷载，但有时也可能成为一种偶然荷载，如泥石流等。,18,（3）水的作用,对于一般的地基基础工程，水通常是工程成败的控制因素 ，其作用一般表现为： 水的浮力，是一种体积力，在设计计算中的难点是如何正确确定地下水位及粘性土中浮力能否100%发挥的问题； 静水压力，特别应注意粘性土中静水压力的发挥问题； 动水力（渗透力），也是一种体积力，是土体发生渗透变形的原因，且影响作用于结构物上的水压力； 改变土体的性质，通常是土体性质恶化的根本原因之一,19,2. 荷载的代表值,（1）标准值：基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（如：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）,20,p,S：荷载,R：抗力,标准值,荷载与抗力的取值,21,荷载设计值S代表值分项系数（大于1） 抗力设计值R代表值/分项系数（大于1）,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··,荷载,荷载效应,22,3.荷载效应组合：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：承载能力极限状态设计时，永久作用与可变作用的组合； 偶然组合：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）的组合；（大于基本组合） 标准组合：正常使用极限状态设计时，采用标准值，（或组合值）为荷载代表的组合； （频遇组合）：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 准永久组合：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,23,3.荷载效应组合,地基基础设计所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定： 按地基承载力确定基础底面积及埋深时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值。,SQ1k: 在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,c：可变荷载的组合值系数,24,3.荷载效应组合,计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用。相应的限值应为地基变形允许值。,q：准永久值系数,25,3.荷载效应组合,在确定基础高度、计算基础内力、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，采用相应的分项系数。,基本组合由可变荷载控制时： SQ1k: 在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,组合值系数c,基本组合由恒荷载控制时： 组合值系数c,26,3.荷载效应组合,计算挡土墙的土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，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：,组合值系数c,27,4 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,28,六、地基基础设计的三种设计表达式,根据对荷载效应和地基承载力的取值方法不同，地基基础设计有三种设计表达式： (1)容许承载力法 取荷载标准值（组合），安全度用允许承载力值（承载力特征值）控制； (2)安全系数法 取荷载标准值（组合） ，地基承载力为极限承载力，安全度用安全系数控制； (3)分项系数法 取荷载设计值，地基承载力为极限承载力，安全度用分项系数控制。,29,1 容许承载力法,设计表达式为: 式中 基础底面处的平均压力标准值，kPa ; 地基容许承载力(特征值)，kPa 修正后的地基承载力特征值可以由载荷试验（比例界限或s/b=0.01-0.02）/理论公式（塑性区开展范围：临界荷载P1/3 ，P1/4）,或规范推荐的地基承载力表求得。 注意：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。,30,2 极限承载力安全系数法,设计表达式: 式中 基础底面处的平均压力标准值, ； 地基极限承载力, ； 安全系数。 地基极限承载力可由载荷试验和地基极限承载力理论公式求得。,注意：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。,31,3 极限承载力分项系数法,基本表达式： S即为荷载效应组合的设计值； 抗力的设计值R即为地基承载力的特征值，由地基极限承载力的极限值除以抗力分项系数 求得，或由抗剪强度指标 的设计值 直接代入极限荷载公式求得 。 的设计值计算公式如下： 式中： 抗剪强度指标的标准值 抗剪强度指标的分项系数,32,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,33,建筑物荷载通过基础作用于地基，建筑物因地基问题引起破坏，一般有两种情形：,A.强度和稳定性问题,建筑物荷载过大，超过了地基所能够承受的最大荷载而使地基失稳破坏。,B.变形问题,因建筑物荷载作用，地基基础产生过大的变形，而使建筑物产生结构性损坏或丧失使用功能。,地基承载力：地基在单位面积上所能承受荷载的能力，以kPa计。,第四节 地基承载力,34,1、地基变形的三个阶段,a.线性变形阶段(压密阶段),oa段，荷载小，荷载与沉降关系接近于直线，土中各点的f,地基处于弹性平衡状态，沉降主要因土的压密变形引起。,b.弹塑性变形阶段(剪切阶段),ab段，沉降的增长率随荷载的增大而增大，荷载与沉降关系呈曲线，地基局部产生剪切破坏，出现塑性变形区.,塑性变形区,在b点地基濒临破坏（即弹塑性变形阶段的终点）时，地基所承受的最大基底压力称为极限荷载pu。,在a点地基开始出现剪切破坏（即弹性变形阶段的终点）时，地基所承受的最大基底压力称为临塑荷载pcr（比例界限）,35,1、地基变形的三个阶段,塑性变形区,连续滑动面,c.破坏阶段,bc段，当荷载超过极限荷载后，塑性区发展成连续滑动面，即使荷载不增加，沉降也无法稳定，地基失稳破坏。,总之，从变形角度上讲，压密阶段主要是土体压密引起的弹性变形，剪切阶段主要是土体剪切引起的塑性区（即塑性变形）发生与发展阶段；破坏阶段主要是塑性区连成一个整体，土中形成一个连续滑动面后变形急剧发展阶段。,36,2、地基的破坏形式,（1）整体剪切破坏（general shear failure）,a. p-s曲线上有两个明显的转折点，可区分地基变形的三个阶段,b. 地基内产生塑性变形区，随着荷载增加塑性变形区发展成连续的滑动面。,c. 荷载达到极限荷载后，基础急剧下沉，并可能向一侧倾斜，基础两侧地面明显隆起。,37,（2）局部剪切破坏（local shear failure）,a. p-s曲线有转折点，但转折点不明显，没有明显的直线段。,b. 塑性变形区限制在地基内部某一区域内，土中滑动面并不延伸到地面。,c. 荷载达到极限荷载后，基础两侧地面微微隆起，附近地表没有明显的裂缝。,38,（3）冲剪破坏（punching shear failure）,b.地基不出现连续滑动面，基础附近土体发生竖向剪切破坏,c. 荷载达到极限荷载后，基础两侧地面不隆起，而是下陷。,a. p-s曲线没有明显的转折点,没有明显比例界限和极限荷载,39,主要取决于土的压缩性，一般密砂和坚硬粘土多发生整体剪切破坏，中密砂和一般粘性土多发生局部剪切破坏，而松砂和软粘土常发生局部剪切破坏或冲剪破坏。,此外，还与基础埋深、加荷速率等有关，埋深浅、荷载施加快时，地基趋于整体剪切破坏，埋深大、荷载施加较慢时，地基多发生局部剪切破坏或冲剪破坏。,（4）影响地基破坏型式的主要因素,40,3、确定地基承载力的方法,（1）理论公式计算法：主要包括两类，一类是根 据土体极限平衡条件推导的临塑荷载和临界 荷载计算公式；另一类是根据地基土刚塑性 假设而导得的极限承载力计算公式。 （2）现场原位试验法：主要有载荷试验、标准贯 入试验、静力触探试验等。 （3）根据工程经验与临近工程资料确定,41,（1)按塑性区开展深度确定地基承载力, 基本假定和推导思路,基本假定：地基为均质各向同性的半无限线弹性体，地基土的侧压力系数为1，基础为柔性条形基础，基础上作用的荷载为条形均布荷载。,推导思路：首先依据线弹性理论求出地基任意点自重应力和附加应力的表达式，再应用极限平衡条件推求塑性区边界方程，从而通过限定塑性开展区的最大深度获得相应的地基承载力理论计算公式。,42,（1)按塑性区开展深度确定地基承载力, 塑性区的发展范围,根据弹性理论，地基中任意点由条形均布压力所引起的附加大、小主应力,假定在极限平衡区土的静止侧压力系数K0=1，M点土的自重应力所引起的大小主应力均为 (dz),M点达到极限平衡状态，即位于塑性区边界，大、小主应力满足极限平衡条件,43,塑性区边界方程,塑性区最大深度zmax, 临塑荷载pcr和临界荷载,当zmax0(即地基中即将出现塑性区时)，地基所能承受的基底附加压力为临塑荷载,44,允许地基中塑性区开展深度在某一范围内所对应的荷载为临界荷载,中心荷载,偏心荷载, 上述理论公式的使用范围,适用于条形基础，当用于矩形基础时，结果偏安全；,计算土中由自重产生的主应力时，假定土的侧压力系数为1，且未考虑基础刚度的影响,与实际情况不符；,计算临界荷载时，土中已经出现塑性区，但公式仍用弹性理论计算土中应力，这在理论上是互相矛盾的。此种误差将随塑性区范围的扩大而增大。,地基承载力计算公式的普遍形式：,注意：第一项对应基底以下土重度；第二项对应基底以上土重度，地下水位以下一律取浮重度；第三项对应粘聚力。,45, 目前规范中承载力的确定,建筑地基基础设计规范（GB500072002）建议的计算地基承载力特征值理论公式法： fa=Mbb+Md md+Mcck fa :承载力特征值（允许值或设计值） 参照临界荷载p1/4=Nb /2+Nq d+Ncc，但地基承载力系数N在内摩擦角240时根据经验和载荷试验结果进行了修正（对于砂土p1/4计算结果偏小），当内摩擦角比较大时， 2Mb N。 注意：该公式仅适用于偏心距e不大于0.033倍基础底面宽度的情况，且应满足变形要求。,46,（2)按极限荷载确定地基承载力, 普朗特尔地基极限承载力理论,1920年，普朗特尔根据塑性理论，在研究刚性物体压入均匀、各向同性、较软的无重量介质时，导出达到破坏时的滑动面形状及极限承载力公式,将无限长，底面光滑的刚性荷载板至于无质量的土(0)的表面上，荷载板下土体处于塑性平衡状态时，塑性区分成五个区,区：主动朗肯区， 1竖直向，破裂面与水平面成45o / 2,区：普朗特尔区，边界是对数螺线,r=r0etg,区：被动朗肯区， 1水平向，破裂面与水平面成45o / 2,47,普朗特尔理论的极限承载力基本解,式中：,承载力系数,当基础有埋深d 时（忽略基础底面以上两侧土的抗剪强度,但仍不考虑基底下土自重）,式中承载力系数：,雷斯诺对普朗特尔公式的修正,泰勒对普朗特尔公式的补充,若考虑土体自重时,取：,式中承载力系数：,代入前面公式，整理后得：,48, 斯肯普顿地基极限承载力公式,对于饱和软粘土（0），连续滑动面II区由对数螺旋线蜕变成圆弧，取OCDI为隔离体，则OC面所受的主动土压力为：,DI面所受的被动土压力为：,考虑CD粘聚力c，各力对A点求矩，整理后有：,注意：斯肯普顿地基承载力公式一般只适用于饱和软粘土。,49, 太沙基地基极限承载力理论,基本假设：均质各向同性有质量刚塑性地基；条形刚性基础；中心荷载；地基破坏形式为整体剪切破坏；基础底面粗糙；只考虑基底两侧土的自重而不考虑其抗剪强度。,区：弹性压密区(弹性核),区：普朗特尔区，边界是对数螺线,区：被动朗肯区， 1水平向，破裂面与水平面成45o / 2,注意： 当基地完全光滑时450 / 2； 当基地完全粗糙时 ；,50,pu,D,被动区,过度区,刚性核,弹性楔体受力： 自重:W 基底上的极限荷载: Pu 两斜面上的粘聚力: C 两斜面上的反力: Pp,51,太沙基理论的极限承载力理论解,Nr、Nq、Nc均为承载力系数，均与内摩擦角有关，太沙基给出了其关系曲线，可以根据相关曲线得到,上式适用于条形基础整体剪切破坏情况，对于局部剪切破坏，将c和tan均降低1/3,方形基础,局部剪切破坏时地基极限承载力,Nr 、Nq 、Nc为局部剪切破坏时承载力系数，也可以根据相关曲线得到,对于方形和圆形基础，太沙基提出采用经验系数修正后的公式,圆形基础,52, 汉森极限承载力理论,对于均质各向同性地基、受中心倾斜荷载作用时,式中：,汉森公式,Sr、Sq、Sc 基础的形状系数 ir、iq、ic 荷载倾斜系数 dr、dq、dc 深度修正系数 gr、gq、gc 地面倾斜系数 br、bq、bc 基底倾斜系数 Nr、Nq、Nc 承载力系数,说明：相关系数均可以有相关公式进行计算,53,极限地基承载力pu的组成,pu,D,cNc,qNq, B/2 N,滑动土体自重产生的抗力 滑裂面上的粘聚力产生的抗力 基础两侧均布荷载D产生的抗力,54,（3)按原位测试成果确定地基承载力, 载荷试验法,由拐点得地基极限承载力pu，除以安全系数K得容许承载力p,p-s曲线确定地基承载力特征值（允许地基承载力）:,1. p-s曲线有明确的比例界限时，取比例界限所对应的荷载值,2.极限荷载能确定，且值小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半,3.不能按上述两点确定，且压板面积为0.250.5m2时，取s/b=0.010.015对应荷载值；但值不应大于最大加载量的一半。,55, 静力触探试验法,Qf,Qc,用静压力将装有探头的触探器压入土中，通过压力传感器及电阻应变仪测出土层对探头的贯入阻力。探头贯入阻力的大小直接反映了土的强度的大小，把贯入阻力与荷载试验所得到的地基容许承载力建立相关关系，从而即可按照实测的贯入阻力确定地基的容许承载力值。还可以把土的贯入阻力与土的变形模量及压缩模量建立相关关系，从而可以确定变形模量和压缩模量,方法介绍：,双桥探头阻力Q可分为两个部分,1.锥尖阻力Qc,2.侧壁摩阻力Qf,比贯入阻力：单桥探头单位截面积的阻力,56,静力触探试验过程示意图,57, 标准贯入试验法,试验时，先行钻孔，再把上端接有钻杆的标准贯入器放至孔底，然后用质量为63.5kg的锤，以76cm的高度自由下落将贯入器先击入土中15cm，然后测继续打30cm的所需要锤击数，该击数称为标准贯入击数,方法介绍：,建立标准贯入击数与地基承载力之间的对应关系，可以得到相应标准贯入击数下的地基承载力,58, 由原位试验得到的地基承载力特征值的修正,当基础宽度大于3m 或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式进行宽度和深度修正：,注意：由地基承载力理论公式计算的地基承载力特征值，由于已经考虑了基础宽度和埋深的影响，不需要再利用上式进行宽度和深度修正。,