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1、五 基础工程Foundation Engineering,为什么学习基础工程知识？,问题:,2009年6月27日，上海闵行区一幢13层在建楼房，在结构未产生较大破坏的情况下，突然发生整体倒塌。这种在未发生严重的自然地质灾害或其它不可抗力因素下产生的建筑整体倒塌事故是十分罕见的。,国内外与地基基础工程相关的工程事故案例,Italy 比萨(Pisa)斜塔,意大利比萨斜塔自1173年9月8日动工，至1178年建至第4层中部，高度29m时，因塔明显倾斜而停工。94年后，1272年复工，经6年时间建完第7层，高 48m，再次停工中断82年。1360年再次复工，至1370年竣工，前后历经近200年。,塔身
2、呈圆筒形，1-6层由优质大理石砌成，顶部7-8层采用砖和轻石料塔身每层都有精美的圆柱与花纹图案，是一座宏伟而精致的艺术品。1590年伽利略曾在此塔做落体实验，创建了物理学上著名的落体定律。斜塔成为世界上最珍贵的历史文物，吸引了无数世界各地的游客。,该塔共8层，高 55m，全塔总荷重145MN，相应的地基平均压力约为50kPa。地基持力层为粉砂，下面为粉土和粘土层。由于地基的不均匀下沉，塔向南倾斜，南北两端沉降差 1.8m，塔顶离中心线已达 5.27m，倾斜5.5o，成为危险建筑。1990年被封闭。,苏州虎丘塔,苏州虎丘塔位于苏州市虎丘公园山顶，建于五代周显德六年至北宋建隆二年（公元959961
3、）期间，距今已有1036年的历史，全塔共7层，塔底直径 13.66m，高 47.5m，重63MN，塔的平面呈八角形，由外壁、回廊与塔心三部分组成。塔身全部用青砖砌筑，外形仿楼阁式木塔，每层都有八个壶门，拐角处的砖特制成圆弧形，建筑精美。,1980年的进行的一项现场调查发现，塔身已向东北方向严重倾斜，不仅塔顶离中心线已达2.31m，而且底层塔身发生不少裂缝，成为危险建筑而封闭。塔身的裂缝东北方向为竖直向，西南方向为水平向。勘察结果表明宝塔倾斜是由于地基覆盖层相差悬殊等原因造成的。,典型的建筑物倾斜工程案例,为什么会倾斜？,塔的倾斜与塔下土层有怎样的关系？,典型的建筑物地基严重下沉的案例,上海展览
4、中心馆,上海展览中心馆原称上海工业展览馆，位于上海市区延安中路北侧。展览馆中央大厅为框架结构，箱形基础；展览馆两翼采用条形基础。箱形基础为两层，埋深7.27m。箱基顶面至中央大厅顶部塔尖，总高96.63m。地基为高压缩性淤泥质软土。展览馆于1954年5月开工，当年年底实测地基平均沉降量为60cm。1957年6月，中央大厅四周的沉降量最大达146.55cm，最小为122.8cm。,1957年7月，在仔细观察展览馆内严重的裂缝情况，分析沉降观测资料并研究展览馆勘察报告和设计图纸后，专家们作出展览馆将裂缝修补后可以继续使用的结论。1979年9月，展览馆中央大厅累计平均沉降量为160cm。从1957年
5、到1979年共22年的沉降量仅二十多厘米，不及1954年下半年沉降量的一半，说明沉降已趋向稳定，展览馆开放使用情况良好。,但由于地基严重下沉，不仅使散水倒坡，而且建筑物内外连接，内外网之间的水、暖、电管道断裂，都需付出相当的代价。,墨西哥城的下沉,墨西哥城约自1850年开始抽取地下水，在19401974年间达到高峰，共有3000眼浅水井和200眼深水井（100m），抽水速度约为12m3/s。由于过度抽水而且墨西哥城的墨西哥粘土是一种高压缩性土，至使自18911973年，整个老城下沉达8.7m，并造成地面道路、建筑及其它基础设施的破坏。1951年后，当地政府开始采取措施控制地下水的抽取，使沉降速
6、度由 460mm/年（1950）降到了5070mm/年。,墨西哥城的下沉,左图所示为地球资源卫星拍摄并经分析处理后得到的墨西哥城的下沉情况。图中每个颜色循环一次代表 5cm/年的沉降速度，可见最大下沉速度约为 40cm/年，与其它方法得到的结果相吻合。,墨西哥城的下沉,图示为该城的一座圣母教堂，因地表不均匀下沉使其发生严重倾斜，并成为危房。,墨西哥城的下沉,墨西哥市艺术宫,地基土为超高压缩性土,天然孔隙比712,天然含水量150 600,为世界罕见的软弱土，层厚 25m。下沉达4m,旁边的道路下沉2m。,墨西哥城的下沉,图示为墨西哥城的一幢建筑，可清晰地看见其发生的沉降及不均匀沉降。该地的土层
7、为深厚的湖相沉积层，土的天然含水量高达 650，液限 500%，塑性指数 350，孔隙比为 15，具有极高的压缩性。,地基为什么会产生沉降？,问题:,开采地下水怎么会影响地基沉降的？,建筑物地基滑动的案例,加拿大某农场容量为 2500t 的饲料筒仓，建于粘土地基。在首次使用时，由于装填过快，地基土层无法充分固结，至使地基发生破坏。,地震引起的砂土液化,1964年6月16日,日本新瀉发生7.5级地震后，因地基土发生液化所造成的破坏，注意到虽然因地基破坏而使得建筑物严重倾斜甚至倒下，但结构本身并未破坏。,饱和的粉、细砂在动荷载作用下易发生砂土液化，使地基失去承载力。,地基发生强度破坏是怎样破坏的？
8、有什么特征？什么原因引起地基强度破坏的？,问题:,1996 年发生在美国加州的 La Conchita，因居民已提前撤离，固未造成人员伤亡。,La Conchita 滑坡,2001年1月13日，萨尔瓦多发生了里氏7.6级的强震，震中位于San Miguel 西南 60 英里。并因此在 Santa Tecla 造成山体滑坡，最终导致 700 多人遇难。,Santa Tecla 滑坡,为什么学习地基基础工程知识,问题:,保证各类建筑物既安全又经济，使用正常，不发生上述各类地基基础工程事故！,基础工程,岩土工程勘察,浅基础,深基础,不均匀沉降,地基处理,学习内容,地基与基础,将上部结构荷载传递给地基
9、土、连接上部结构与地基土的下部结构称为基础。地基是指承托土木工程基础的场地,是建筑物基础底部下方一定深度与范围内的土层，承受由基础传来的建筑物荷载。,3.1 岩土工程勘察,一、勘察与测绘的目的,1、查明地貌和地质条件2、对场地的稳定性和适宜性做出评价3、为勘察方案的布置提供依据,二、工程地质勘察三阶段,1、可行性研究勘察（选址勘察）2、初步勘察3、详细勘察,3.1 岩土工程勘察,三、勘察与测绘的仪器,3.1 岩土工程勘察,像片成图法,航空摄影测量,3.1 岩土工程勘察,四、各种条件下的勘测,3.1 岩土工程勘察,3.2 浅基础,一、浅基础的定义,通常把位于天然地基上、埋置深度小于5m的一般基础
10、（柱基或墙基）以及埋置深度虽超过5m，但小于基础宽度的大尺寸基础（如箱形基础），统称为天然地基上的浅基础。,扩展基础,刚性基础（无筋）,柔性基础（有筋）,联合基础,条形基础,箱形基础,独立基础,筏板基础,十字交叉梁基础,壳体基础,按构造类型,二、浅基础的类型,1.刚性基础由砖、砌石、素混凝土和灰土等材料做成满足刚性角要求的基础称为刚性基础。应用范围刚性基础用于6层和6层以下的一般民用建筑和承重墙的轻型厂房，超过此范围时，必须验算基础强度，三合土的基础不宜用于4层以上的建筑。,（一）、刚性基础和扩展基础,2.扩展基础 当基础的高度不能满足刚性角要求时，可以做成钢筋混凝土基础。柱下钢筋混凝土独立基
11、础和墙下钢筋混凝土条形基础，统称为扩展基础。,基础埋在土中、经常受潮，容易受侵蚀，而且它是建筑物的隐蔽部分，破坏了不容易发发现，也不容易修复，所以必须保证基础的材料有足够的强度。1.砖 基础所用的砖和砂浆的标号，根据地基土的潮湿程度和地区的寒冷程度而有不同的要求。用石灰及砂所制成的灰砂砖和其他轻质砖均不得用于基础。,三、基础材料,2.石料 料石(经过加工，形状规则的石块)、毛石和大漂石有相当高的强度和抗冻性，是基础的良好材料。3.混凝土 混凝土的耐久性、抗冻性和强度都比砖好，且便于机械化施工和预制，可建造比砖和砌石有较大的刚性角的基础。因此，同样的基础宽度，用混凝土时，基础的高度可以小一些。但
12、是混凝上基础造价稍高，耗水泥量较大，较多用于地下水位以下的基础及垫层。标号一般采用C7.5C10。为节约水泥用量，可以在混凝上中掺入2030毛石，称为毛石混凝土。,4.钢筋混凝土 钢筋混凝土具有较强的抗弯、抗剪能力，是质量很好的基础材料。用于荷载大、土质软弱的情况或地下水位以下的扩展基础、筏形基础、箱形基础和壳体基础。对于一般的钢筋混凝土基础，混凝土的标号应不低于C15。壳体基础的混凝土标号应不低于C20。,5.灰土 我国在1000多年以前就采用灰土作为基础垫层，效果很好。基础砌体下部受力不大时，也可以利用灰土代替砖、石或混凝土。作为基础材料用的灰土，一般为三七灰土，即用三分石灰和七分粘性土(
13、休积比)拌匀后分层夯实。若在灰土中加入适量的水泥做成三合土，可以有更高的强度和抗水性。,1、砖基础,砖的尺寸规则容易砌成各种形状的基础。砖基础大放脚的砌法有两种，一种按台阶的宽高比为1/1.5；另种按台阶的宽高比为l/2。在槽底可先浇注100200mm厚的素混凝土垫层。对于低层房屋也可在槽底打两步(300mm)三七灰土，代替混凝土垫层。,1、砖基础,1、砖基础,为防止土中水分沿砖基础上升，可在砖基础中，在室内地面以下50mm左右处铺设防潮层。防潮层可以是掺有防水剂的 l:3水泥砂浆，厚2030mm；也可以铺设沥青油毡。,2、石基础（工造3班）,砌石基础每台阶至少有两层砌石，每个台阶的高度要求不
14、小于 300 mm。为了保证上一层砌石的边能压紧下一层砌石的边块，每个台阶伸出的长度不应大于150mm，实际的刚性角小于允许的刚性角。因此往往要求基础要有比较大的高度。为了减少基础的高度，可以把断面做成梯形。,3、素混凝土基础,素混凝土基础可以做成台阶形或梯形断面。做成台阶形时，总高度在350 mm 以内作一层台阶；总高度为350mmH900mm时，作成二层台阶；总高度大于 900mm时、作成三层台阶。每个台阶的高度不宜大于500mm。,4、灰土基础,灰土基础一般与砖、砌石、混凝土等材料配合使用，厚度通常用300至450 mm(2步或3步)，台阶宽高比为1/1.5。由于基槽边角处灰土不容易夯实
15、。所以用灰土基础时，实际的施工宽度应该比计算宽度每边各放出50mm以上。,基础的作用就是把建筑物的荷载安全可靠地传给地基，保证地基不会发生强度破坏或者产生过大变形，同时还要充分发挥地基的承载能力；因此，基础的结构类型必须根据建筑物的持点(结构型式荷载性质和大小等)和地基土层的情况来选定，浅基础的基本结构类型分下列四种：,四、浅基础的结构类型,1.单独基础：柱的基础一般都是单独基础。2.条形基础：墙的基础通常是连续设置成长条形，称为条形基础；,四、浅基础的结构类型,如果柱子的荷载较大而土层的承载能力又较低，做单独基础需要很大的面积，在这种情况也可采用柱下条形基础，甚至柱下的交叉梁基础。相反当建筑
16、物较轻，作用于墙上的荷载不大，基础又需要做在较深处的好土层上时，做条形基础可能不经济，这时可以在墙下加一根过梁，将过梁支在单独基础上，称为墙下单独基础。,3.筏形基础和箱形基础 当柱子或墙传来的荷载很大，地基土较软弱，用单独基础或条形基础都不能满足地基承载力的要求时，或者地下水位常年在地下室的地坪以上，为了防止地下水渗入室内时，往往需要把整个房屋底面(或地下室部分)做成一片连续的钢筋混凝土板，作为房屋的基础、称为筏形基础。为了增加基础板的刚度，以减小不均匀沉降，高层建筑物往往把地下室的底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙一起构成一个整体刚度很强的钢筋混凝土箱形结构，称为箱形基础。,4.壳体基础
17、为改善基础的受力性能，而做成各种形式的壳体，称为壳体基础。壳体结构内主要是轴向压力，可以充分发挥钢筋和混凝土材料的受力特点，具有节省材料、降低造价、加快施工速度等优点。高耸建筑物，如烟囱、水塔、电视塔等基础常做成壳体基础。,3.3 深基础,一、深基础定义 位于地基深处承载力较高的土层上，埋置深度大于5m或大于基础宽度的基础，称为深基础。,二、深基础的类型,桩基础地下连续墙墩基础沉井基础沉箱基础,3.3 深基础,桩基础组成：若干个沉入土中的桩和连接桩顶的承台或承台梁。桩的作用：1）传递荷载 2）挤密土层,一、概 论,1、桩基础,桩的分类：按受力情况分为端承桩和摩擦桩两种(图2.1)；,1、桩基础
18、,按制作方法分为预制桩和灌注桩；预制桩按沉桩方法不同分为：打入桩、水冲沉桩、振动沉桩、静力压桩等；灌注桩按成孔方法不同分为：钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔灌注桩、爆扩成孔灌注桩等；按桩体形状不同分为：方桩和圆桩；按构造不同分为：实心桩和空心桩。,1、桩基础,二、钢筋混疑土预制桩,特点：坚固耐久，不受地下水或潮湿环境影响，能承受较大荷载，施工机械化程度高，进度快，能适应不同土层施工。是我国目前广泛采用的一种桩型。有方形实心断面桩和圆柱体空心断面桩。,1、桩基础,2、地下连续墙一般地下连续墙可以定义为：利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注适当的材料而形成一
19、道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。,返回,3.3 深基础,3、墩基础,在人工或机械成孔的大直径孔中浇筑混凝土（钢筋混凝土）而成，我国多用人工开挖，亦称大直径人工挖孔桩。,返回,墩基础,3.3 深基础,4、沉井基础,返回,沉井基础,3.3 深基础,5、沉箱基础,沉箱基础,返回,3.3 深基础,3.4 地基不均匀沉降,一、定义1、一般是指同一结构体中，相邻的两个基础沉降量的差值 是反映土木工程结构地基的变形特征的重要指标；2、差异沉降过大，就会使相应的上部结构产生额外应力差异沉降将会产生裂缝，倾斜甚至破坏一般来说，地基产生均匀沉降，对建筑物本身影响不大，可以预留沉降标高加以解决。但
20、对地基不均匀沉降，应当引起注意，当不均匀沉降超过建筑物承受的限度时，即产生开裂破坏，严重倾斜，影响建筑使用，危及安全。,3.4 地基不均匀沉降,一、定义 一般是指同一结构体中，相邻的两个基础沉降量的差值 是反映土木工程结构地基的变形特征的重要指标；一般来说，地基产生均匀沉降，对建筑物本身影响不大，可以预留沉降标高加以解决。但对地基不均匀沉降，应当引起注意，当不均匀沉降超过建筑物承受的限度时，即产生开裂破坏，严重倾斜，影响建筑使用，危及安全。,3.4 地基不均匀沉降,二、原因 上部荷载突变，高低交界处产生不均匀沉降；地基土的压缩性质相差悬殊，土层水平方向软硬突变处产生不均匀沉降；地基土压缩层相差
21、悬殊，软弱土层厚度变化大,防止和减轻不均匀沉降的危害，常用的方法有 对地基某一深度内或局部进行人工处理；采用桩基或其它深基础方案；在建筑设计、结构设计和施工方面采取某些工程措施。,3.4 地基不均匀沉降,三、防止和减轻不均匀沉降的危害，常用的方法有 对地基某一深度内或局部进行人工处理；采用桩基或其它深基础方案；在建筑设计、结构设计和施工方面采取工程措施。,3.4 地基不均匀沉降,3.4 地基不均匀沉降,1.建筑措施 平面形状简单，如用“一”字形建筑物；立面上建筑物紧接高差不超过一层；控制长高比在2.53.0以内；内外纵墙避免中断、转折，缩小横墙间距，以增强整体刚度。,3.4 地基不均匀沉降,b
22、.结构措施减轻建筑物自重。2.设置圈梁和钢筋混凝土构造柱。3.减小或调整基础底面的附加压力。4.设置连系梁5.采用联合基础或连续基础。6.使用能适当不均匀沉降的结构。,3.4 地基不均匀沉降,c.施工措施保持原状结构，细的粘性土如淤泥和淤泥质土具有一定的结构强度，在开挖基槽时，暂不挖到基底标高，保留20cm左右的原土，等基础施工时在挖除，如基槽底已扰动，可先铺一层中粗砂，再铺碎砖、片石块不进行处理。2.适当安排施工顺序，先盖重的、高的部分、后盖轻的、低的部分；先主体建筑，后附属建筑等。,3.4 地基不均匀沉降,3.4 地基不均匀沉降,3.4 地基不均匀沉降,3.5 地基处理,大型填海工程地基处
23、理,地基处理的主要目的是指提高软弱地基的强度、保证地基的稳定性；降低软弱地基的压缩性、减少基础的沉降；防止地震时地基土的振动液化；消除特殊土的湿陷性、胀缩性和冻胀性。,一、软弱土地基处理 所谓软弱土地基指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂质土或其他高压缩性土层构成的地基，也称软弱地基。该地基土的特点是强度低、压缩性高、透水性小，通常无法满足建筑物对地基强度和变形条件的要求，因此工程中常需对此类地基进行加固处理。,3.5 地基处理,二、特殊土地基 是指具有特殊工程性质的土类。特殊土种类较多，主要有软粘土、湿陷性黄土、膨胀土、红粘土及冻土，这些土由于形成的自然地理环境、气候条件、地质成因等因素不同，
24、具有很强的区域性，故亦称作区域性特殊土。地基的主要处理方法有垫层法、夯实法、挤密法、振冲法、预压法、化学加固法等。,3.5 地基处理,是将基础底面下一定深度范围内的软弱土层挖去，然后分层回填强度较大的砂、碎石、素土或灰土等材料，并加以夯实或振密的一种地基处理方法。此法适用于淤泥、淤泥质土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层地基处理。垫层法的作用表现在以下三个方面，1、提高浅基础下地基的承载力；2、减少地基的沉降量；3、加速软弱土层的排水固结。,一、垫层法（换土垫层法）,垫层的设计要在满足强度、变形两个方面的要求下，确定合理的厚度h和垫层宽度b如图1。,一、垫层法（换土垫层法）,1、重锤夯实
25、法 该法是将重约1530KN的夯锤提升到4m以上的高度，使其脱钩自由落下，反复击实地基，达到加固效果。此法适用于地下水位低于重锤夯实法有效加固深度的粘性土、砂土、杂填土等地基，不适用于饱和软粘土或地下水位以下的粘性土。,二、夯实法,2、强夯法 是用特别重的夯锤（100300KN）从高处（640m）自由落下，对地基进行强有力夯击，达到深层加固的效果，其影响深度可达10m以上，巨大的冲击能量在地基中产生很大的冲击波和动应力，引起地基土的压缩和振密，从而提高地基土的强度并降低其压缩性，还可改善地基土抵抗振动液化能力和消除湿陷性黄土的湿陷性等作用。,二、夯实法,一般用于处理松散的碎石土、杂填土、砂土，
26、低饱和度的粉土、粘土、湿陷性黄土；在高饱和度的细粒土地基上应慎重使用。,二、夯实法,该法均是通过冲击和振动在地基中成孔，然后填筑砂、碎石等形成较大直径的砂、碎石桩，以对地基起到加固作用。1、挤密法 主要是先将套管打入或振入地基成孔，再将砂、碎石等土料灌入孔中而形成挤密桩，对软土产生横向挤密作用，使土的压缩性减小，抗剪强度提高。它适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基。,三、挤密法与振冲法,2、振冲法振冲法与挤密法的作用相同,只是成桩工艺存在差别。振冲法是利用振冲器边振动边水冲，使松砂地基密实，或在粘性土地基中成孔，填入碎石后形成复合地基。前者称振冲密实法；后者称振冲置换法振冲置
27、换法适用于处理不排水剪强度20KPa粘性土、粉土、饱和黄 土和人工填土等地基。振冲密实法适用于处理砂土和粉土地基。,三、挤密法与振冲法,预压加固法是在修建建筑物之前，在建筑场地堆放土石等预压荷载使地基固结待地基固结达到要求的程度后，卸除预压荷载再修建建筑物，这样可以消除或大大减小建筑物建成后的沉降，同时也可提高地基承载力。该法适用于淤泥质土、淤泥和冲填土等饱和粘性土地基。,四、预压加固法,化学加固法系指通过高压喷射、机械搅拌等方法，将各种化学浆液注入土中，浆液与土粒胶结硬化后，形成含化学浆液的加固体，从而改善地基土的物理力学性质，达到加固地基的目的。化学浆液一般分化学类和水泥类两大系列。化学类
28、浆液大部分有毒，成本较高，建筑工程中较少采用。因此常用水泥类浆液加固地基。水泥类浆液加固地基常见的方法有：深层搅拌法；高压喷射注浆法,五、化学加固法,1、深层搅拌法 深层搅拌法系利用水泥粉、石灰粉或水泥浆等材料作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制拌和，固化剂和软土产生物理化学反应后，硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土加固体，加固体与原地基组成复合地基，共同承担上部建筑荷载。,五、化学加固法,此法适用于处理淤泥、淤泥质土、粉土和含水率较高且地基承载力120 KPa的粘性土等地基。当用于处理泥炭土或具有侵蚀性地下水时，宜通过试验确定其适用性，冬季施工时应注意低温影响。,五、化学加固法,2、高压喷射注浆法 高压喷射注浆法是通过高压喷射的水泥浆与土混合搅拌，来加固地基的。适用于处理淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。地下水流速过大和已涌水的防水工程，应慎重使用。,五、化学加固法,
