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基础工程
山东大学基础工程
张宏博版
1.建筑物的全部荷载均由其下的地层来承担。
受建筑物影响的那一部分地层称为地基;建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。
2.地基分为天然地基和人工地基。
天然地基:
地基土未经加固处理直接承受建筑物
人工地基:
天然地基不能满足设计要求,对其进行人工加固的。
3.基础:
将结构物所承受的各种作用传递到地基的结构组成部分。
基础按埋置深度可分为浅基础(荷载小,土质好)和深基础(荷载大,土质差)。
4.地基基础必须满足的基本条件:
建筑物的建造使地基中原有的应力状态发生变化,所以地基基础的设计必须满足:
a.作用于地基的荷载不超过地基的承载能力(地基土的强度问题);
b.控制基础沉降使之不超过允许值(地基土的变形问题)。
5.人工地基的加固方法:
重锤夯实加固,振动压实加固,基础旋喷桩加固,化学加固法,堆载预压法(排水固结法),换土垫层法。
6.人工地基的特点:
施工周期长,造价高,承载力相对提高少。
通过经济比较,尽可能使用天然地基。
7.浅基础有:
独立基础,条形基础,十字交叉基础
8.地基基础在工程中的重要性:
隐蔽工程,处理困难,事故危害大;工程造价高,占20%-25%;设计上应做方案比较。
9.极限状态分为:
承载能力极限状态和正常使用极限状态。
10.荷载的种类分为;永久荷载,可变荷载,偶然荷载。
第一章浅基础设计的基本原理
浅基础按材料分类:
毛石基础,矼及毛石矼基础,钢筋矼基础,灰土及三合土基础,砖基础。
按构造分为:
条形基础,单独基础,联合基础。
按受力性能分为刚性基础,柔性基础。
第2章天然地基上的浅基础
1.特点:
施工一般采用敞开挖基坑修筑基础的方法,故亦称为明挖基础。
设计计算时可以忽略基础侧面土体对基础的影响,基础结构形式和施工方法也较简单。
2.天然地基浅基础由于埋深浅,结构形式简单,施工方法简便,造价也较低,因此是建筑物(最)常用的基础类型。
3.浅基础按受力性能分为刚性基础和柔性基础。
按构造分类分为单独基础,联合基础,(十字交叉,箱型基础,阀板),条形基础。
按材料分类;砖基础,片石基础。
混凝土:
是修筑基础最常用的材料,它的优点是强度高、耐久性好,可浇筑成任意形状的砌体,混凝土强度等级一般不宜小于C15号。
片石混凝土:
对于大体积混凝土基础,为了节约水泥用量,可掺入不多于砌体体积25%的片石(称片石混凝土)但片石的强度等级不应低于MU25号,也不应低于混凝土的强度等级。
粗料石,要求石料外形大致方整,厚度约20cm~30cm,宽度和长度分别为厚度的1.0~1.5倍和2.5~4.0倍,石料强度等级不应小于MU25号,砌筑时应错缝,一般采用M5号水泥砂浆。
片石常用于小桥涵基础,石料厚度不小于15cm,强度不小于MU25号,一般采用M5号或M2.5号砂浆砌筑。
4.基础在外力(包括基础自重)作用下,基底的地基反力为σ,此时基础的悬出部分a-a断面左端,相当于承受着强度为σ的均布荷载的悬臂梁,在荷载作用下,a-a断面将产生弯曲拉应力和剪应力。
当基础圬工具有足够的截面使材料的容许应力大于由地基反力产生的弯曲拉应力和剪应力时,a-a断面不会出现裂缝,这时,基础内不需配置受力钢筋,这种基础称为刚性基础。
它是桥梁、涵洞和房屋等建筑物常用的基础类型。
5.形式:
刚性扩大基础,单独柱下刚性基础、条形基础等。
优点:
稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载,所以只要地基强度能满足要求,它是桥梁和涵洞等结构物首先考虑的基础形式。
缺点:
自重大,并且当持力层为软弱土时,由于扩大基础面积有一定限制,需要对地基进行处理或加固后才能采用,否则会因所受的荷载压力超过地基强度而影响建筑物的正常使用。
6.基础在基底反力作用下,在a-a断面产生弯曲拉应力和剪应力若超过了基础圬工的强度极限值,为了防止基础在a-a断面开裂甚至断裂,可将刚性基础尺寸重新设计,并在基础中配置足够数量的钢筋,这种基础称为柔性基础
7.形式:
柱下扩展基础、条形和十字形基础筏板及箱形基础。
优点:
其整体性能较好,抗弯刚度较大。
如筏板和箱形基础,在外力作用下只产生均匀沉降或整体倾斜,这样对上部结构产生的附加应力比较小,基本上消除了由于地基沉降不均匀引起的建筑物损坏。
所以在土质较差的地基上修建高层建筑物时,采用这种基础形式是适宜的。
缺点:
柔性基础,特别是箱形基础,钢筋和水泥的用量较大,施工技术的要求也较高,所以采用这种基础形式应与其它基础方案(如采用桩基础等)比较后再确定。
8.条形基础分为墙下和柱下条形基础,墙下条形基础是挡土墙下或涵洞下常用的基础形式。
其横剖面可以是矩形或将一侧筑成台阶形。
9.由于地基强度一般较墩台或墙柱圬工的强度低,因而需要将基础平面尺寸扩大以满足地基强度要求,这种刚性基础称刚性扩大基础。
它是桥涵及其它建筑物常用的基础形式
10.刚性角:
基础悬出总长度(包括襟边与台阶宽度之和)按前面刚性基础的定义,应使悬出部分在基底反力作用下,在a-a截面所产生的弯曲拉力和剪应力不超过基础圬工的强度限值。
所以满足上述要求时,就可得到自墩台身边缘处的垂线与基底边缘的联线间的最大夹max,称为刚性角。
11.有围护基坑:
板桩墙围护(木板桩,钢板桩,钢筋混凝土桩),喷射矼护壁,矼围护护壁
12.基坑排水;表面排水法,井点法降低地下水位。
类型:
分为轻型井点、喷射井点、电渗井点和深井泵井点等,可根据土的渗透系数,要求降低水位的深度及工程特点选用。
13.围堰分为:
土围堰,草袋围堰,钢板桩围堰,双臂钢围堰,地下连续墙围堰。
14.当基础最小边宽超过2m或基础埋深超过3m,且h/b≤4时,上述一般地基上(除冻土和岩石外)的容许承载力[]可按下式计算:
刚性扩大基础的设计与计算
1.基础埋置深度的确定
2.刚性扩大基础的尺寸拟定
3.地基承载力验算。
持力层是指直接与基底相接触的土层,持力层承载力验算要求荷载在基底产生的地基应力不超过持力层的地基容许承载力。
基底应力分布公式如下(由于浅基础埋置深度小,在计算中可不计基础四周土的摩阻力和弹性抗力的作用)。
当受压层范围内地基为多层土,且持力层以下有软弱下卧层,这时还应验算软弱下卧层的承载力,验算时先计算软弱下卧层顶面(在基底形心轴下)的应力(包括自重应力及附加力),不得大于该处地基土的容许承载力。
即:
4.基底合力偏心距验算
5.基础稳定性与地基稳定性验算
基础在水平推力作用下沿基础底面滑动的可能性即基础抗滑动安全度的大小,可用基底与土之间的摩擦阻力和水平推力的比值Kc来表示,Kc称为抗滑动稳定系数。
6.基础沉降验算。
板桩墙的作用是挡住基坑四周的土体,防止土体下滑和防止水从坑壁周围渗入或从坑底上涌,避免渗水过大或形成流砂而影响基坑开挖。
板桩墙计算内容应包括:
板桩墙侧向压力计算;
确定板桩插入土中深度的计算,以确保板桩墙有足够的稳定性;
计算板桩墙截面内力,验算板桩墙材料强度,确定板桩截面尺寸;
板桩支撑(锚撑)的计算;
基坑稳定性验算;
水下混凝土封底计算。
一般近似地假定土压力的分布图形如图2-17所示:
墙身前侧是被动土压力(bcd),其合力为,并考虑有一定的安全系数K(一般取K=2);在墙身后方为主动土压力(abe),合力为。
另外在桩下端还作用有被动土压力,由于的作用位置不易确定,计算时假定作用在桩端b点。
考虑到的实际作用位置应在桩端以上一段距离,因此,在最后求得板桩的入土深度t后,再适当增加10~20%。
第三章桩基础
一、桩基础的适用条件:
1.荷载较大,地基上部土层软弱,适宜的地基持力层位置较深。
采用浅基础或人工基础在技术上,经济上不合理。
2.河床冲刷大,河道不稳定或冲刷深度不宜计算正确,位于基础或结构物下面的土层有可能被侵蚀冲刷,如采用浅基础不能保证基础安全时。
3.当地基计算沉降量过大或建筑物对不均匀沉降敏感时,采用桩基础穿过松软层,将荷载传到较坚实的土层,以减少建筑物沉降并使沉降较均匀。
4.当建筑物承受较大的水平荷载,需要减少建筑物的水平位移和倾斜时。
5.当施工水位或地下水位较高时,采用其他深基础施工不便或经济上不合理时。
6.地震区,在可以液化地基中,采用桩基础可增加建筑物的抗震能力,桩基础穿越可液化土层并深入下层密实稳定土层,可消除或减少地震对建筑物的危害。
桩基础的特点:
承载力高,稳定性好,沉降量小而均匀,在深基础中具有耗用材料少,施工简便等特点。
在深水河道中,可避免或减少水下工程,简化施工设施和技术要求,加快施工速度并改善工作条件,桩基础具有较好的适应性。
二、桩按施工方法分类;沉桩(预制桩),灌注桩,管柱基础,钻埋空心桩。
三、根据桩土相互作用特点,基桩可分为竖向受荷桩,横向受荷桩和桩墩。
竖向受荷桩可分为摩擦桩,端承桩
四、何为摩擦桩?
桩穿过并支承在各种压缩性土层中,在竖向荷载作用下,基桩所发挥的承载力以侧摩阻力为主,统称为摩擦桩。
何为端承桩?
桩穿过较松软土层,桩底支承在坚实土层上,且桩的长径比不太大时,在竖向荷载作用下,基桩所发挥的承载力以桩底土层的抵抗力为主时,称为端承桩或柱桩。
五、摩擦桩的使用条件:
当桩端无坚实持力层且不扩底时
当桩的长径比很大时,即使桩端置于坚实持力层上,由于桩身直接压缩量过大,传递到桩端的荷载较小
当预制桩沉桩过程中由于桩距小,桩数多,沉桩速度快,使已沉入的桩上涌,桩端阻力明显降低。
6、桩墩是通过在地基中成孔后灌注混凝土形成的大断面柱形深基础,即以单个桩墩代替群桩及承台。
7、钻孔灌注桩的施工顺序:
1、准备工作;清理场地,埋置护筒,制备泥浆,安装钻机或钻架2、钻孔3、清孔及装吊钢筋骨架4、灌注水下混凝土5、质量检验
8、护筒的作用:
1、固定桩位,并作钻孔导向2、保护孔口,防止孔口土体坍塌3、隔离孔内外表层水,并保持钻孔内水位高度高于施工水位以稳定孔壁。
9、泥浆在钻孔中的作用:
1、在孔内产生较大的静水压力,防止塌孔2、泥浆向孔外土层渗透,在钻进过程中,由于钻头的作用,孔壁的表面形成一层胶泥具有护壁的作用,同时将孔内外水流隔离,能稳定孔内水流。
3.泥浆的相对密度比较大,具有携带钻渣的作用。
利于钻渣的排出,同时还有冷却机具和切土润滑的作用,降低机具的磨损和发热程度。
10、旋转钻机按泥浆的循环程度的不同分为:
正循环和反循环两种
11、正循环的特点;正循环成孔设备简单,操作方便,工艺成熟,当孔深不太深,孔径小于800mm时,钻进效率高。
当桩径较大时,返流速度低,排渣能力弱。
12、反循环的特点;由于钻孔内腔面积比钻杆与孔壁间的环状面积小的多,泥浆的上返速度大,一般可达2——3m/s,可以提高排渣能力,减少钻渣在孔底重复破碎的机会,能大大提高成孔效率。
但在接长钻杆时装卸比较麻烦,如钻渣的粒径超过钻杆内径,易阻塞管路,则不宜采用。
13、灌注水下混凝土的注意事项:
1、混凝土的拌合必须均匀,尽可能缩短运输距离和减少颠簸,防止混凝土离析而发生卡管现象。
2、灌注混凝土必须连续作业3、在灌注过程中,要随时测量和记录孔内混凝土的灌注标高和导管的入孔长度。
4、灌注的桩顶标高应比设计标高预加一定的高度。
14、打桩过程中遇到的问题:
1、桩顶、桩身被打坏可能由于桩头钢筋设计不合理,桩顶与桩的轴线不垂直,混凝土的强度不足,桩尖通过坚硬土层,锤的落距过大,桩锤过轻时容易发生此现象。
2、桩位偏斜桩顶不平,桩尖偏心,接桩不正,土中有障碍物3、桩打不下
15、单桩承载力是指单桩在荷载的作用下,地基和桩本身的强度和稳定性均能得到保障,变形也在容许的范围内,以保证结构物的正常使用所能承受的最大荷载。
16、桩侧摩阻力除了与桩土的相对位移有关,还与土的性质,桩的刚度,时间因素和土中应力状态及桩的施工有关
17、单桩在轴向受压荷载作用下的破坏模式;1、当桩底支撑在很坚硬的土层上,桩侧土为软土层时,其抗剪强度很低时,桩在轴向受压荷载作用下,如同一受压构件呈现纵向挠曲破坏。
2、当具有足够强度的桩穿过抗剪强度较低的土层而达到强度较高的土层时,桩在轴向受压荷载作用下,由于桩底的持力层以上的软弱土层不能阻止滑动土楔的形成,桩底土体将形成滑动面而出现整体剪切破坏,在P-S曲线上可见明显的破坏荷载,桩的承载力主要取决于桩底的支撑力,桩侧摩阻力也起一部分作用。
3、当具有足够强度的桩入土深度很大或者周围土层的抗剪强度较均匀时,桩在轴向受压荷载作用下,将出现刺入式破坏。
根据大小和土质的不同,期P-S曲线通常无明显的转折点。
桩所受荷载由桩侧摩阻力和桩底反力共同承担,一般摩擦桩或纯摩擦桩多为此类破坏。
且基桩承载力往往由桩顶所允许的沉降量控制。
18、单桩横向容许承载力的确定方法:
水平静载试验和分析计算法。
水平静载试验又分为单向多循环加卸载法与慢速连续加载法。
19、荷载传递过程:
当竖向荷载逐步施加于单桩桩顶,桩身上部受到压缩而产生相对于土的向下位移,与此同时,桩侧表面就会受到土的向上摩阻力。
桩顶荷载通过所发挥出来的桩侧摩阻力传递到周围土层中。
致使桩身轴力和桩身压缩变形随深度减少,在桩土相对位移等于零处,其摩阻力尚未发挥作用而等于零。
随着荷载增加,桩身压缩量和位移量增大,桩身下部的摩阻力随之逐步调动起来,桩底阻力也因受到压缩而产生桩端阻力。
桩端土层的压缩大大加大了桩土相对位移,从而使桩身摩阻力进一步发挥到极限值,而桩端极限阻力的发挥则需要比发生桩侧极限摩阻力大得多的位移值,这时总是桩侧摩阻力先充分发挥出来,当桩身摩阻力全部发挥出来达到极限后,若继续增加荷载,其荷载增量将全部由桩端阻力承担,由于桩端持力层的大量压缩和塑性挤出,位移增长速度显著加快,直至桩端阻力达到极限,位移速度增大而破坏,此时桩所承受的荷载就是桩的极限承载力。
第四章桩基础的设计计算
1、桩基础的荷载分类;轴向荷载,横轴向荷载,力矩
2、桩基础在荷载作用下产生位移,竖向位移引起桩侧土的摩阻力和桩底土的抵抗力。
3、桩身的水平位移及转角使桩挤压桩侧土体,桩侧土必然对桩产生一横向抵抗力,它起抵抗外力和稳定桩基础的作用,土的这种作用力称为土的弹性抗力。
4、土的弹性抗力大小取决于土体性质,桩身刚度,桩的入土深度,桩的截面形状,桩距及荷载等因素。
5、地基系数表示单位土体在弹性限度内产生单位变形所需要的力。
6、地基系数确定法:
m法,假定地基系数随深度呈线性增长c=mzm称为地基系数随深度变化的比例系数。
K值法,假定地基系数随深度呈折线变化,即在桩身第一挠曲变形零点以上,地基系数随深度呈凹形抛物线增加,该点以下,地基系数C=K,为常数。
C法,假定地基系数随深度呈抛物线增加,当无量纲入土深度达4后为常数。
常数法,假定地基系数C不随深度变化。
7、关于m值1)由于桩的水平荷载与位移是非线性的。
即m随荷载与位移增加而有所减少,因此,m值的确定要与桩的实际荷载相适应。
2)当基础侧面为几种不同土层时,将地面或局部冲刷线以下一定深度土层根据换算前后地基系数图形面积在深度内相等的原则,换算为一个当量m值,作为整个深度的m值。
30桩底地基竖向地基系数C0=M0h
8、所谓单桩、单排桩是指在与水平力作用面垂直的平面上,由单根或多根桩组成单根桩的桩基础。
多排桩,指在水平外力作用平面内有一根以上的桩的桩基础。
9、M法的基本假定1、认为桩侧土为温克尔离散线性弹簧2、不考虑桩土之间的粘着力和摩阻力3、桩作为弹性构件考虑4、当桩受到水平外力作用后,桩土协调变形5、任意深度z处所产生的桩侧土水平抗力与该点水平位移成正比。
且地基系数随深度成线性增长。
10、刚性桩与弹性桩的判别:
当桩的入土深度h>2.5/@时,桩的相对刚度小,必须考虑桩的实际刚度,按弹性桩计算,反之,桩的相对刚度大,可按刚性桩计算。
第五章沉井基础及地下连续墙
1、沉井基础的特点:
埋置深度可以很大,整体性强,稳定性好,有较大的承载面积,能承受较大的水平荷载和垂直荷载,沉井既是基础又是施工时的挡土墙和挡土墙围堰结构物,施工工艺并不复杂,因此在桥梁工程中得到较广泛的应用,同时,沉井施工时对邻近建筑物的影响小且内部空间可资利用,因而常用作工业建筑物尤其是软土中地下建筑物的基础,也常用作矿用竖井,地下油库等。
2、沉井的缺点:
施工期较长;对粉细砂类土在井内抽水易发生流砂现象,造成沉井倾斜;沉井下沉过程中,遇到大孤石,树干或井底岩层表面倾斜过大,均会给施工带来困难。
3、沉井适用条件:
上部荷载较大,而表层地基土的容许承载力不足,采用扩大基础开挖量大,以及支撑困难,但在一定深度下有好的持力层,采用沉井基础与其他深基础相比较,经济上较为合理。
在山区河流中,虽然土质较好,但是冲刷量比较大,或河中有较大卵石不便桩基础施工时。
岩层表面较平坦且覆盖层薄,但河流较深,采用扩大基础施工围堰比较困难。
4、刃脚作用是沉井自重作用下易于切土润滑。
沉井基础施工一般分为旱地施工,水中筑岛施工及浮运沉井施工三种。
5、沉井埋置较深其设计计算的基本假定是:
1.地基作为弹性变形介质,水平向地基系数随深度成正比例增加。
2.不考虑基础与土之间的粘着力和摩阻力。
3.沉井基础的刚度与土的刚度之比认为是无限大。
6、沉井施工中的结构计算:
沉井自重下沉验算,第一节沉井的竖向挠曲验算,沉井刃脚计算,井壁受力计算,混凝土封底及顶盖计算。
7、刃脚向外挠曲的最不利情况是刃脚斜面上土的抵抗力最大,而井壁外的土压力和水压力最小。
一般认为沉井下沉施工过程中,刃脚内侧切土深度约为1米,上节沉井已经接上,且沉井上部露出地面或水面约一节沉井高度时,为最不利情况。
刃脚高度范围内的外力有:
刃脚外侧的主动土压力和水压力,沉井自重,土对刃脚外侧的摩阻力,以及刃脚下土的抵抗力。
8、计算刃脚向内挠曲的最不利情况:
沉井已经下沉至设计标高,刃脚下的土已经挖空而尚未浇筑封底混凝土,这时将刃脚作为根部固定在井壁的悬臂梁计算最大的内弯矩。
9、固结度的计算:
1、假设条件2、太沙基一维固结3、分离变量法求解4、卡罗里定理对于多向渗流,孔压比等于单向孔压比的乘积。
5、固结度计算
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