建筑物工程地质勘察

ni iinncz hhhhh 1332211 1. 中 心 荷 载 下 的 基 底 压 力 中 心 荷 载 下 的 基 础 ， 其 所 受 荷 载 的 合 力 通 过 基 底 形心 。 基 底 压 力 假 定 为 均 匀 分 布 (图 25)， 此 时 基 底 平 均压 力 设 计 值 按 下 式 计 算 ： F Gp A AdG G 2.偏 心 荷 载 下 的 基 底 压 力 对 于 单 向 偏 心 荷 载 下 的 矩 形 基 础 如 图 26所 示 。 设 计时 ， 通 常 基 底 长 边 方 向 取 与 偏 心 方 向 一 致 ， 此 时 两 短 边 边缘 最 大 压 力 设 计 值 与 最 小 压 力 设 计 值 按 材 料 力 学 短 柱 偏 心受 压 公 式 计 算 ： minmaxpp WMlbGF maxminpp 61F G elb l = max 2( )3F Gp bkmax minpp yxx yMMF Glb W W 12pp yxx yMMF Glb W W 矩 形 基 础 在 双 向 偏 心 荷 载 作 用 下 ， 如 基 底 最 小 压力 ， 则 矩 形 基 底 边 缘 四 个 角 点 处 的 压 力0min p （ 三 ） 基 底 附 加 压 力 建 筑 物 建 造 前 ， 土 中 早 巳 存 在 着 自 重 应 力 。 如 果 基础 砌 置 在 天 然 地 面 上 ， 那 末 全 部 基 底 压 力 就 是 新 增 加 于地 基 表 面 的 基 底 附 加 压 力 。 一 般 天 然 土 层 在 自 重 作 用 下的 变 形 早 巳 结 束 ， 因 此 只 有 基 底 附 加 压 力 才 能 引 起 地 基的 附 加 应 力 和 变 形 。 实 际 上 ， 一 般 浅 基 础 总 是 埋 置 在 天 然 地 面 下 一 定 深度 处 ， 该 处 原 有 的 自 重 应 力 由 于 开 挖 基 坑 而 卸 除 。 因 此 ，由 建 筑 物 建 造 后 的 基 底 压 力 中 扣 除 基 底 标 高 处 原 有 的 土中 自 重 应 力 后 ， 才 是 基 底 平 面 处 新 增 加 于 地 基 的 基 底 附加 压 力 ， 基 底 平 均 附 加 压 力 值 按 下 式 计 算 (图 28)： 0 0 0p p p d 有 了 基 底 附 加 压 力 ， 即 可 把 它 作 为 作 用 在 弹 性 半空 间 表 面 上 的 局 部 荷 载 ， 由 此 根 据 弹 性 力 学 求 算 地基 中 的 附 加 应 力 。 建 筑 物 作 用 于 地 基 上 的 荷 载 ， 总 是 分 布 在 一 定 面 积 上的 局 部 荷 载 ， 因 此 理 论 上 的 集 中 力 实 际 是 没 有 的 。 但 是 ，根 据 弹 性 力 学 的 叠 加 原 理 利 用 布 辛 奈 斯 克 解 答 ， 可 以 通 过积 分 或 等 代 荷 载 法 求 得 各 种 局 部 荷 载 下 地 基 中 的 附 加 应 力 。 (二 )等 代 荷 载 法 如 果 地 基 中 某 点 M与 局 部 荷 载 的 距 离 比 荷 载 面 尺 寸 大很 多 时 ， 就 可 以 用 一 个 集 中 力 代 替 局 部 荷 载 ， 然 后 直 接 应用 式 (212c)计 算 该 点 的 。 z 3 5/2 5/2 222 23 3 12 2 / 1z p z pzr z r z 令 则 上 式 改 写 为 : 5/223 12 / 1K r z 2z pK z K-集 中 力 作 用 下 得 地 基 竖 向 附 加 应 力 系 数 ,简 称 集 中应 力 系 数 ,按 r/z值 由 表 2-1查 用 。 若 干 个 竖 向 集 中 力 作 用 在 地 基表 面 上 ， 按 叠 加 原 理 则 地 面 下 深 度 处 某 点 的 附 加 应 力 应 为各 集 中 力 单 独 作 用 时 在 点 所 引 起 的 附 加 应 力 之 和),2,1( nP i 2 21 11n niz i i ii ipK K Pz z 为均布矩形荷载角点下的竖向附加应力系数，简称角点应力系数，可按m及n值由表22查得。 CK 对 于 均 布 矩 形 荷 载 附 加 应 力 计 算 点 不 位 于 角 点 下 的情 况 ， 就 可 利 用 式 (220)以 角 点 法 求 得 。 图 212中 列出 计 算 点 不 位 于 矩 形 荷 载 面 角 点 下 的 四 种 情 况 (在 图 中 0点以 下 任 意 深 度 z处 )。 计 算 时 ， 通 过 0点 把 荷 载 面 分 成 若干 个 矩 形 面 积 ， 这 样 ,0点 就 必 然 是 划 分 出 的 各 个 矩 形 的 公共 角 点 ， 然 后 再 按 式 (2-20)计 算 每 个 矩 形 角 点 下 同 一 深 度z处 的 附 加 应 力 ， 并 求 其 代 数 和 。 四 种 情 况 的 算 式 分 别 如下 (a)o点 在 荷 载 面 边 缘式 中 ， 分 别 表 示 相 应 于 面 积 I和 的 角 点 应力 系 数 。 必 须 指 出 ， 查 表 2-2时 所 取 用 边 长 应 为 任 一 矩 形荷 载 面 的 长 度 ， 而 为 宽 度 ， 以 下 各 种 情 况 相 同 不 再 赘 述 。(b)o点 在 荷 载 面 内 1 2 0( )z c cK K p 21 cc KK和 1 2 3 4 0( )z c c c cK K K K p (c)o点在荷载面边缘外侧 此时荷载面abcd可看成是由I(ofbg)与(ofah)之差和(oecg)与(oedh)之差合成的，所以 1 2 3 4 0( )z c c c cK K K K p lb (d)o点 在 荷 载 面 角 点 外 侧 把 荷 载 面 看 成 由 I(ohce)、 (ogaf)两 个 面 积 中 扣 除 (ohbf)和 (ogde)而 成 的 ， 所 以 1 2 3 4 0( )z c c c cK K K K p 例 题 2-3 以 角 点 法 计 算 例 图 2-3所 示 矩 形 基 础 甲 的 基 底中 心 点 垂 线 下 不 同 深 度 处 的 地 基 附 加 应 力 的 分 布 ， 并 考虑 两 相 邻 基 础 乙 的 影 响 (两 相 邻 柱 距 为 6m， 荷 载 同 基 础 甲 )。解 (1)计 算 基 础 甲 的 基 底 平 均 附 加 压 力 标 准 值 如 下 ： 基 础 及 其 上 回 填 土 得 总 重基 底 平 均 附 加 压 力 设 计 值 基 底 处 的 土 中 自 重 压 力 标 准 值 基 底 平 均 压 力 设 计 值 20 5 4 1.5 600 GG Ad kN 1940 600 1275 4F Gp kPaA 0 18 1.5 27c d kPa 0 127 27 100cp p kPa (2)计 算 基 础 甲 中 心 点 o下 由 本 基 础 荷 载 引 起 的 ,基 底 中 心点 o可 看 成 是 四 个 相 等 小 矩 形 荷 载 （ oabc） 的 公 共 角点 其 长 宽 比 l/b 2.5/2=1.25， 取 深 度 z=0、 1、 2、 3、 4、5、 6、 7、 8、 10m各 计 算 点 ， 相 应 的 z/b=0、 0.5、 1、 1.5、2、 2.5、 3、 3.5、 4、 5,利 用 表 2 2即 可 查 得 地 基 附 加 应力 系 数 Kc1。 z的 计 算 列 于 例 表 2 3 1根 据 计 算 资 料 绘出 z分 布 图 ， 见 例 图 2 3 (二 )三 角 形 分 布 的 矩 形 荷 载 设 竖 向 荷 载 沿 矩 形 面 积 一 边 b方 向 上 呈 三 角 形 分 布 (沿另 一 边 的 荷 载 分 布 不 变 ),荷 载 的 最 大 值 为 取 荷 载 零 值边 的 角 点 1为 座 标 原 点 (图 2-13)则 可 将 荷 载 面 内 某 点 ( )处 所 取 微 面 积 上 的 分 布 荷 载 以 集 中 力 代 替 。 角 点 1下 深 度 处 的 M点 由 该 集 中 力 引 起 的 附 加 应力 ,按 式 (212c)为 ：在 整 个 矩 形 荷 载 面 积 进 行 积 分 后 得 角 点 1下 任 意 深 度 z处 竖向 附 加 应 力 : 式 中 0p yx,dydx, dxdypbx 0 zd 302 2 2 5/232 ( )z p xzd dxdyb x y z 1 0z tK p 2 1 2 2 2 2 212 1 1t mn nK m n n m n z 同 理 ， 还 可 求 得 荷 载 最 大 值 边 的 角 点 2下 任 意 深 度 z处 的 竖向 附 加 应 力 为 ： (223) 和 均 为 和 的 函 数 ， 可 由 表 23查 用 。 12 0 0( )tz t cK p K K p 1tK 2tK /m l b /n z bz (三 )均 布 的 圆 形 荷 载 设 圆 形 荷 载 面 积 的 半 径 为 ， 作 用 于 地 基 表 面 上 的 竖 向均 布 荷 载 为 ， 如 以 圆 形 荷 载 面 的 中 心 点 为 座 标 原 点o(图 214)， 并 在 荷 载 面 积 上 取 微 面 积 ， 以集 中 力 代 替 微 面 积 上 的 分 布 荷 载 ， 则 可 运 用 式 (212c)以积 分 法 求 得 均 布 圆 形 荷 载 中 点 下 任 意 深 度 z处 M点 的 如下 ， 0p drrddA z 023 30 02 2 5/2 2 2 3/200 03 12 ( ) ( )rz zA p z rd dr zd pr z r z 0 03/2 2 2011 1( 1)/ rp K pz r 三 、 条 形 荷 载 下 的 地 基 附 加 应 力设 在 地 基 表 面 上 作 用 有 无 限 长 及 条 形 荷 载 ， 且 荷 载 沿宽 度 可 按 任 何 形 式 分 布 ， 但 沿 长 度 方 向 则 不 变 ， 此 时 地 基中 产 生 的 应 力 状 态 属 于 平 面 问 题 。 在 工 程 建 筑 中 ， 当 然 没有 无 限 长 的 受 荷 面 积 ， 不 过 ， 当 荷 载 面 积 的 长 宽 比 l/b10时 ， 计 算 的 地 基 附 加 应 力 值 与 按 时 的 解 相 比 误 差甚 少 。 因 此 ， 对 于 条 形 基 础 ， 如 墙 基 、 挡 土 墙 基 础 、 路 基 、坝 基 等 ， 常 可 按 平 面 问 题 考 虑 。 条 形 荷 载 下 的 地 基 附 加 应力 为 ： bl 2 20 022 2 24 4 4 11 2 1 2arctan arctan2 2 4 4 1 16z szm n mp n n K pm m n m m 2 20 022 2 24 4 4 11 2 1 2arctan arctan2 2 4 4 1 16x sxm n mp n n K pm m n m m 20 022 2 2324 4 1 16 sxzp m n K pn m m xz zx 1、 薄 压 缩 土 层 的 沉 降 计 算 当 基 础 底 面 以 下 可 压 缩 土 层较 薄 且 其 下 为 不 可 压 缩 的 岩 层时 ， 般 当 可 压 缩 土 层 厚 度 H小于 基 底 宽 度 b的 1 2时 (图 234)， 由 于 基 底 摩 阻 力 和 岩 层 层面 摩 阻 力 对 可 压 缩 土 层 的 限 制作 用 ， 土 层 压 缩 时 只 出 现 很 少 的 侧 向 变 形 ， 因 而 认 为 它 与压 缩 仪 中 土 样 的 受 力 和 变 形 条 件 很 相 近 ， 地 基 的 最 终 沉 降量 S(m)就 可 直 接 利 用 式 (260b),以 S代 替 其 中 的 ，以 H代 替 ,即 得 ： 1 211e es He H1H 式 中 H 薄 可 压 缩 土 层 的 厚 度 ， m， 根 据 薄 土 层 顶 面 处 和 底 面 处 自 重 应 力 (即 初 始 压 力 ） 的 平 均 值 从 土 的 压 缩 曲 线 上 查 得 的 相应 的 孔 隙 比 ； 根 据 薄 土 层 的 顶 面 处 和 底 面 处 自 重 应 力 平均 值 与 附 加 应 力 平 均 值 (即 压 力 增 量 ， 此 处 近 似 等于 基 底 平 均 附 加 压 力 )之 和 (即 总 压 应 力 )，从 土 的 压 缩 曲 线 上 得 到 的 相 应 的 孔 隙 比 。 实 际 上 ， 大 多 数 地 基 的 可 压 缩 土 层 较 厚 而 且 是 成 层的 。 下 面 讨 论 较 厚 且 成 层 可 压 缩 土 层 的 沉 降 计 算 。1e 2e cz p0p zcp 2 c1p 2、 较 厚 且 成 层 可 压 缩 土 层 的 沉 降 计 算 方 法 与 步 骤（ 1） 按 比 例 尺 绘 制 地 基 土 层 剖 面 图 和 基 础 剖 面 图 （ 见 例图 2-6-1） ；（ 2） 地 基 土 的 分 层 。 分 层 厚 度 一 般 取 0.4b或 1-2m,此 外 ,成 层 土 的 界 面 和 地 下 水 面 是 当 然 的 分 层 面 ；（ 3） 地 基 竖 向 自 重 应 力 的 计 算 。 分 别 计 算 基 底 处 、 土 层层 面 处 及 地 下 水 位 面 处 的 自 重 应 力 ， 并 画 在 基 础 中 心 线的 左 侧 ；（ 4） 计 算 基 础 底 面 中 心 点 下 各 分 层 界 面 处 的 附 加 应 力 ， 并 画 在 基 础 中 心 线 的 右 侧 ；（ 5） 计 算 地 基 各 分 层 自 重 应 力 平 均 值 （ ） 和 自重 应 力 平 均 值 与 附 加 应 力 平 均 值 之 和（ ） ； z2 11 ciciip 22 112 ziziciciip （6）由 土 的 压 缩 曲 线 分 别 依 ；（ 7） 确 定 地 基 沉 降 计 算 深 度 （ 地 基 压 缩 层 深 度 ） 。 所 谓地 基 沉 降 计 算 深 度 是 指 自 基 础 底 面 向 下 需 要 计 算 压 缩 变形 所 到 达 的 深 度 ， 亦 称 地 基 压 缩 层 深 度 。 该 深 度 以 下 土层 的 压 缩 变 形 值 小 到 可 以 忽 略 不 计 。 地 基 沉 降 计 算 深 度的 下 限 ， 一 般 取 地 基 附 加 应 力 等 于 自 重 应 力 的 20%处 ，即 处 ， 在 该 深 度 以 下 如 有 高 压 缩 性 土 ， 则 应继 续 向 下 计 算 至 处 ： 计 算 精 度 均 为 5kPa(图 235)。（ 8） 计 算 地 基 各 分 层 的 沉 降 量 ：（ 9） 计 算 地 基 最 终 沉 降 量 ： iiii eepp 2121 ,确定 cz 2.0 cz 1.0 isiiii iiiii iiiii HEpHe ppaHeeeHs 1 1211 21 1 )(1 ni iss 1 二 、 按 规 范 方 法 计 算 建 筑 地 基 基 础 设 计 规 范 所 推 荐 的 地 基 最 终 沉 降 量 计 算方 法 是 另 一 种 形 式 的 分 层 总 和 法 。 它 也 采 用 侧 限 条 件 的压 缩 性 指 标 ， 并 运 用 了 平 均 附 加 应 力 系 数 计 算 ， 还 规 定 了地 基 沉 降 计 算 深 度 的 标 准 以 及 提 出 了 地 基 的 沉 降 计 算 经验 系 数 ， 使 得 计 算 成 果 接 近 于 实 测 值 。1、 第 分 层 压 缩 量 的 计 算 对 于 图 2-37所 示 的 第 分 层 ， 其 压 缩 量 为 )( 110 iiiisi zzEps 2、地 基 沉 降 计 算 深 度 地 基 沉 降 计 算 深 度 第 分 层 （ 最 底 层 ） 层 底 深 度 。 规 范 规 定 ： 由 深 度 处 向 上 取 按 表 2-8规 定 的 计 算 厚 度（ 见 图 2-37） 所 得 的 计 算 沉 降 量 应 满 足 ni in ss 1025.0按 上 式 所 确 定 的 沉 降 计 算 深 度 下 若 有 软 弱 土 层 时 ， 尚 应 向下 继 续 计 算 ， 直 至 软 弱 土 层 中 1厚 的 计 算 沉 降 量 满 足 上式 为 止 当 无 相 邻 荷 戴 影 响 ， 基 础 宽 度 在 l-50m范 围 内 时 ， 基 础中 点 的 地 基 沉 降 计 算 深 度 规 范 规 定 ， 也 可 按 下 列 简 化 公 式计 算 ： 2.5 0.4lnnz b b 3、规 范 推 荐 的 地 基 最 终 沉 降 量 的 计 算 公 式 如 下 ： 0 1 11ns s i i i ii sips s z zE 式 中 S按 分 层 总 和 法 计 算 的 地 基 沉 降 量 ： 沉 降 汁 算 经 验 系 数 ， 根 据 地 区 沉 降 观 测 资 料 及 经验 确 定 ， 也 可 采 用 表 的 数 值 ， 表 中 为 深 度 范 围 内 土的 压 缩 模 量 当 量 值 ： 其 余 参 量 意 义 同 前 。)( 1101 iiiisini zzEpss s sE nzszpE nns 0 2 2v u uc z t 地基变形特征可分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。沉降量是指基础中心的沉降量。如沉降量过大，会影响到建筑物的正常使用。例如，室内外上下水道联接可能折断，污水倒灌，雨水积聚等等。沉降差是指相邻两个基础沉降量的差值。沉降差过大，会使上部结构产生附加应力，超过限度，则建筑物会发生裂缝、倾斜，甚至破坏。倾斜是指单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。局部倾斜是指砖石承重结构沿纵墙610m长度内，基础两点的沉降差与其距离的比值。地基变形能否损坏建筑物或影响其正常使用，一方面取决于地基变形大小和不同地点变形的不均匀程度；另一方面与建筑物本身的结构特性和使用要求有关。不同建筑物要求地基变形量应限制在一定范围之内，这个范围的界限值叫地基变形允许值，它是保证建筑物安全稳定和正常使用的最大变形值。地基变形允许值采用建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）规定的数值，见表10-8。