基础工程复习

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这是根据同济大学版的《基础工程设计原理》整理的复习提纲。

绪论

  1. 建筑物三要素：上部结构、基础、地基

  2. 地基
    地基是承受建筑物荷载的地层
    所以增加基础材料的强度并不能提高地基的极限承载力
    地基可分为持力层和下卧层

第一章 地基模型

  1. 地基模型：描述地基土应力和应变关系的数学表达式

  2. 最常用的线性弹性地基模型：文克勒地基模型、弹性半空间地基模型、分层地基模型

  3. 文克勒地基模型：
    假定地基有许多独立且互不影响的弹簧组成，因此地基任一点的压强p之和该点地基变形s成正比，即$ p = ks $，其中k是地基基床系数，表示产生单位变形所需要的压力强度（$ kN/m^3 $）。
    这忽略了地基中的剪应力，是一个近似模型，地基越软，土的抗剪强度越低，越接近实际。
    地基基床系数可由载荷板实验、室内三轴试验、固结试验获得。

  4. 弹性半空间模型：
    将地基视作均匀的、各项同性的弹性半空间体。
    由此可以使用Boussinesq解：$ s = \frac{Q(1 - v^2)}{\pi E r} $
    实际计算沉降偏大，一般认为是地基压缩层厚度是有限的且地基是分层的，即使同一种土，变形模量随深度增加。

  5. 分层地基模型：
    我国地基基础规范。地基最终沉降等于压缩层范围内各计算分层在完全侧限条件下的压缩量之和。

  6. 地基模型的选择：

    • 主要原则：
      1. 土的变形特征，外荷载在地基中引起的应力水平
      2. 荷载的种类和施加方式
      3. 土层的分布
      4. 基础和上部结构的刚度和形成过程
      5. 基础的埋置深度
      6. 施工过程
      7. 时效（考虑到土的固结）
    • 常见形式
      沙土、无粘性土、基础柔软、局部集中荷载：文克勒
      基础埋深大、土质紧密：分层
      粘性土：弹性空间地基模型、分层地基模型

  7. 文克勒模型的柔度矩阵：
    将地基的面积分成m个$ a \times b $大小的矩形。，假设在j网格中点作用集中力Rj，那么当且仅当$ i = j $时，$ s_{ij} = \frac{R_i}{k_i \times a \times b} $。因而文克勒地基模型的柔度矩阵是个对角矩阵。

第二章 浅基础设计原理

  1. 地基基础设计需要考虑的因素：
    1. 基础所用材料和结构形式
    2. 基础埋深
    3. 地基土的承载力
    4. 基础的形状和布置，与相邻地下（基础、构筑物、管道）的关系
    5. 上部结构的类型、使用要求、对不均匀沉降的敏感性
    6. 施工期限、方法、设备
    7. 抗震要求
  2. 浅基础的类型：
    按照所用基础材料的性能：无筋扩展基础、扩展基础、柱下钢筋混凝土条形基础
    按照形状和大小：独立基础、条形/十字交叉条形基础、筏板基础、箱形基础、壳体基础
    按照刚度：刚性基础（无筋扩展基础）、柔性（扩展基础）
    1. 无筋扩展基础
      自重大、抗拉抗剪强度不高，一般相对高度较大，不会发生弯曲变形，因此被称为刚性基础
      对于荷载大、沉降敏感建筑物，持力层土质差不适宜
    2. 钢筋混凝土扩展基础
      抗拉抗剪强度较高，因此在扩大基础底面积（为了满足地基承载力要求）不需要增加埋深；又称为柔性基础或有限刚度基础。
      可分为柱下钢筋混凝土独立基础和柱下钢筋混凝土条形基础和十字交叉条形基础。
    3. 筏板基础
      比十字交叉条形基础具有更大的整体刚度，有利于调整不均匀沉降。
      分为平板式和梁板式。
    4. 箱形基础
      在使用十字交叉基础不能满足承载力要求又不能采用桩基时。比筏板基础有更大的抗弯刚度，可视作绝对刚性基础。
      箱形基础是补偿基础。
      箱型基础材料消耗大，还会遇到深基坑开挖带来的困难。
  3. 基础埋深：
    基础地面到天然地面的垂直距离
    影响因素：
    1. 建筑物用途和荷载大小性质
      对于地下室：承载力、变形、补偿基础的要求
      对于高层：稳定性
      对于承受水平荷载：满足抗滑要求
    2. 工程地质和水位地质
      直接支撑基础的土层成为持力层，以下各土层成为下卧层。持力层必须强度足够稳定可靠。
      当上层土承载力较低，应将基础埋置在下层较好的土层之中。如果需要深埋，需要和加固上层土或者短桩基础进行比较决定
      例如上海某些地方，软土为不良持力层，但表面有2-3m硬壳层，六层以下民居可以利用
      易于风化软岩，开挖后立即铺设垫层防止风化
      地下水存在时，尽量在地下水位以上；否则要考虑基坑排水，坑壁支护等措施
      若持力层下存在承压水，要控制基坑开挖深度，避免引起突涌或者流砂现象
    3. 相邻地下（基础、构筑物、管道）的关系
      新建筑物埋深不宜深于旧的。否则要保证间距或者采用地连墙、分段施工、加固原有地基等措施。
    4. 地基土冻胀和融陷的影响
      冻结危害：地面不均匀隆起，土体膨胀，使墙体开裂，门窗不能开启
      化冻危害：土体松软，融陷，强度降低，沉降
  4. 补偿基础：
    为了减小拟建建筑物的沉降量，除去地基处理或桩基础，还可以选用补偿基础。
    箱形基础和筏板基础是补偿基础。由于地下室的存在基础具有大量空间，免去大量的回填土，可以用来补偿上部结构的全部或部分压力。基底附加应力p0公式为：$ p_0 = p - σ_c = \frac{N}{A} - γ_0 \times d $。其中N为作用在基地的荷载（$ kN $），A为基础底面积，d为基础埋深，$ γ_0 $为埋置深度内土重度的加权平均值。
    定义当$ p_0 $时候的基础为全补偿基础，也就是建筑物的重力等于基坑挖去的总土量；否则是部分补偿基础。
  5. 无筋扩展基础和钢筋混凝土扩展地基的区别
    无筋扩展基础是刚性基础，抗压高，拉剪弱
    钢筋混凝土基础是柔性基础，抗拉、抗剪强度较高
  6. 减小不均匀沉降的措施
    1. 建筑措施
      1. 建筑物的体型力求简单
      2. 增强结构的整体刚度
      3. 设置沉降缝
      4. 相邻建筑物基础间要有合适净距
      5. 调整某些设计标高
    2. 结构措施
      1. 设计圈梁增强刚度
      2. 使用合适的结构形式
      3. 减轻建筑物和基础自重
      4. 减小调正基地附加压力
      5. 增强基础刚度
    3. 施工措施
      1. 先高后低
      2. 施工前使地基预先沉降
      3. 注意沉桩、降水对邻近建筑物的影响
      4. 基坑开挖保护坑底土
        尽可能不扰动土的原状结构
  7. 确定地基承载力方法
    地基承载力：地基土在同时满足强度和变形两个条件时，单位面积上所能承受的最大荷载的能力
    1. 承载力理论公式
    2. 现场载荷试验
      浅层平板载荷和深层平板载荷实验。
    3. 经验方法
  8. 计算地基承载力
    包含地基持力层承载力验算和软弱下卧层承载力验算。
  9. 天然地基上浅基础设计的内容
    1. 选择基础的材料、类型，进行基础平面布置
    2. 选择基础的埋置深度
    3. 确定地基承载力设计值
    4. 确定基础的底面尺寸
    5. 必要时进行地基变形与稳定性验算
    6. 进行基础结构设计（按基础布置进行内力分析、截面计算和满足构造要求）
    7. 绘制基础施工图，提出施工说明

第三章 浅基础结构设计

  1. 地基反力分布假设

    1. 墙下条形基础、柱下独立基础、筏板基础等（持力层土质均匀、上部结构刚度较好、各柱距相差不大、柱荷载分布均匀）：直线分布
    2. 弹性地基梁

  2. 基础结构设计主要内容

  3. 无限长和有限长梁的区分

  4. 文克勒模型上有限长和无限长梁内力求解

  5. 偏向受压独立基础、条形基础设计

第四章 桩基础

桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成

  1. 桩的种类和优缺点

    1. 预制桩（挤土桩）
      1. 包含预制钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、钢桩
      2. 噪音大
    2. 灌注桩
      1. 钻孔灌注桩（非挤土桩）
      2. 人工挖孔灌注桩（非挤土桩）
      3. 沉管灌注桩（挤土桩）
        噪音大
        跳打：待混凝土强度足够时再在新桩的近旁施打相邻桩

  2. 轴向荷载沿桩身传递方式

    1. 开始加荷于桩顶，桩身压缩，桩侧受土的向上摩阻力
    2. 桩身荷载和压缩变形随深度递减
    3. 荷载增加，桩身压缩量增大，桩下部的摩阻力随之增加，产生桩端阻力
    4. 桩端土层压缩加大桩土相对位移，使桩身摩阻力进一步增大
    5. 桩身摩阻力达极限，继续加荷，荷载增量将全部由桩端阻力承担。桩端持力层大量压缩并塑性变形，直至桩端阻力达到极限，位移迅速增大至破坏。此时，桩达到其极限承载力。

  3. 影响桩侧桩端阻力的因素（荷载传递函数）
    与土层性质、埋深、桩径等有关
    桩侧桩端分担比还与桩土相对刚度、长径比l/d有关。桩土相对刚度越大，长径比l/d越小，桩端传递的荷载就越大
    主特征参数：极限摩阻力$ q_su $ 和极限位移 $ s_u $

  4. 单桩破坏形式

    1. Q-s曲线（桩顶荷载/沉降曲线）
      1. 0-1阶段，
      2. 1-2阶段，桩侧土弹塑性阶段
        当桩顶侧摩阻力达极限时（1点），桩侧进入塑性状态，随荷载增大，桩侧土塑性范围由浅到深发展，直至均达到塑性状态（2点）
      3. 2-3阶段，桩侧土完全塑性阶段
        新增荷载全部由桩端承担，直至持力层破坏（$ k_s s_l \geq q_bu $），其中$ k_s, s_l, q_bu $ 分别是垂直方向地基反力系数、桩的沉降量和桩端承载力
    2. 摩擦型桩
      2-3段近似直线，陡降，2点现明显拐点
    3. 端承型桩
      端阻占比大，2点不现明显拐点，破坏需较大位移，曲线呈缓变型

  5. 深度效应

  6. 沉桩效应

  7. 单桩承载力确定方法

    1. 经验参数法
    2. 静载荷试验法
    3. 静力计算法
    4. 静力触探法
    5. 高应变动测法

  8. 负摩阻力及产生原因
    当桩周土体发生下沉切沉降速率大于桩的下沉时，土对桩产生向下的摩阻力，称为负摩阻力。
    负摩阻力产生原因有：

    1. 桩基附近地面大面堆载，引起地面沉降，产生负摩阻力。如大面积堆放重物的车间、仓库建筑桩基础。
    2. 因黄土湿陷、冻土融化产生地面下沉。
    3. 打桩，桩周土产生超空隙水压力，停止后桩周土的再固结作用引起下沉；
    4. 桩穿过欠固结土层（如填土）进入硬持力层，自重固结下沉；
    5. 土层中抽取地下水或其他原因，因自重固结下沉

  9. 群桩效应
    群桩中任意一根基桩的工作性状都不同于孤立的单桩，群桩承载力不等于各单桩承载力之和，群桩沉降明显大于单桩。
    定义群桩效率系数 $ \eta = \frac{P_u}{n Q_u} $。其中$ P_u, Q_u, n $ 分别为群桩竖向极限承载力、单桩竖向极限承载力和桩数。定义沉降比 $ \zeta = \frac{s_n}{s} $。$ n $和$ \zeta $主要取决于桩距和桩数，其次与土质和土层构造、桩径、桩的类型及排列方式等因素有关。

    1. 由端承桩组成的群桩，工作性状于独立单桩相近
    2. 由摩擦桩组成的群桩，桩顶荷载主要有桩侧摩阻力传到土层中，在桩端平面产生应力重叠。因此在粘性土中的群桩随着桩数增多，群桩效率系数η明显下降。

  10. 控制沉桩挤土效应方法：设置防振沟、挤土井、预钻孔、排水砂井、控制沉桩速度以及调整打桩流水

  11. 计算题：桩顶荷载和桩身最大弯矩计算

第五章 沉井基础

  1. 定义及特点

    沉井是井筒状的结构物。它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计标高，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为结构物的基础。

    • 沉井优点：
      1. 埋置深度大，整体性强、稳定性好
      2. 可作为挡土和挡土围堰结构物
      3. 施工工艺不复杂
      4. 施工时对邻近建筑物影响小
    • 沉井的缺点：
      1. 施工周期长
      2. 易发生流砂现象，造成沉井倾斜（粉细砂）
      3. 大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，给施工造成困难

  2. 沉井基础下沉困难的原因和解决措施

    • 原因：

      1. 开挖面深度不够，正面阻力大
      2. 偏斜或刃脚下遇到障碍物、坚硬岩层和土层
      3. 井壁摩阻力大于沉井自重
      4. 井壁无减阻措施或泥浆套、空气幕等减阻构件遭到破坏

    • 解决方案：

      • 增加压重
      1. 提前接筑下节沉井
      2. 在井顶加压砂袋、钢轨等重物
      3. 不排水下沉时，可井内抽水
      • 减小井壁摩阻力
      1. 井壁内埋设高压射水管组，射水辅助下沉
      2. 利用泥浆套或空气幕辅助下沉
      3. 增大开挖范围和深度
      4. 必要时还可采用0.1∼0.2kg炸药起爆助沉

  3. 沉井下沉突沉的原因和解决方案

    • 原因：

      1. 井壁摩阻力较小，当刃脚下土被挖除时，沉井支承削弱
      2. 排水过多
      3. 挖土太深
      4. 出现塑流

    • 解决方案：

      1. 控制均匀挖土，减小刃脚处挖土深度
      2. 在设计时可采用增大刃脚踏面宽度或增设底梁的措施提高刃脚阻力

  4. 流砂出现原因和解决方案

    • 原因：土中动水压力的水头梯度大于临界值

    • 解决方案：

      1. 排水下沉时发生流砂，可采取向井内灌水
      2. 不排水除土下沉时，减小水头梯度
      3. 采用井点，或深井和深井泵降水

  5. 沉井基础的施工工序（旱地）

    1. 整平场地
    2. 制造第一节沉井
      制造沉井前，应先在刃脚处对称铺满垫木，以支承第一节沉井的重量
    3. 拆模及抽垫
    4. 挖土下沉
    5. 接高沉井
    6. 筑井顶围墙
    7. 地基检验和处理
    8. 封底、充填井孔及浇筑顶盖

  6. 水中沉井基础施工方法

    1. 筑岛法
    2. 浮运沉井施工

  7. 沉井下沉倾斜的原因和解决措施

    • 原因：

      1. 土岛表面松软，河底土质软硬不匀
      2. 井壁与刃脚中线不重合
      3. 抽垫方法欠妥，回填不及时
      4. 除土不均匀对称
      5. 刃脚遇障碍物顶住而未及时发现
      6. 排土堆放不合理，或单侧受水流冲击淘空等导致沉井承受不对称外力作用

    • 解决方案：

      1. 在沉井高的一侧集中挖土，在低的一侧回填砂石
      2. 在沉井高的一侧加重物或用高压射水冲松土层
      3. 在沉井顶面施加水平力扶正

  8. 沉井设计基本内容