基础工程#2 26/10/09
《基础工程》第二讲 · 地基模型深化与浅基础设计导入 2026-10-09 课程笔记 0 本讲定位 第一章地基模型在本讲收尾:模型分类、弹性参数、Winkler、弹性半空间体、分层总合法、非线性弹性(邓肯-张)、模型选用。第一讲 §7 只在本构层面点到为止,本讲是正式展开。 下课前开启第二章 浅基础:设计内容、设计步骤、设计等级、极限状态与荷载组合、基础类型。 第二章后半部分与第三章起,由新任教师法语授课。 【考点】Winkler 地基模型与弹性半空间体模型可能出填空:两者恰好代表线性弹性地基模型的两个极端。 【考点】地基变形条件的三个物理量——沉降量、沉降差、倾斜——在后面章节和考核中会反复出现。 1 地基与基础的设计要求(贯穿全书的三条主线) 条件 含义 对应验算 强度条件 基底压力不超过地基承载力 承载力验算、稳定验算 变形条件 沉降在允许范围内 沉降量、沉降差、倾斜 基础自身 基础材料的强度与刚度 截面尺寸、配筋、构造 地基的承载力直接决定其破坏模式(整体剪切 / 局部剪切 / 冲切刺入)。 变形条件里,沉降差与倾斜往往比总沉降量更控制设计(第一讲事故案例的共同教训)。 选用何种地基模型,取决于:建筑物荷载大小与基底压力、地基性质、基础设计形式,以及能否用已有数学方法求解、参数能否确定。 2 地基的应力状态与平面简化 问题类型 典型对象 简化 空间问题 矩形基础、圆形基础 三维应力状态 平面问题 条形基础(长度≫宽度) 简化为平面应变问题 平面应变的取法: 变形只发生在 x–z 平面内 y 方向应变 εy = 0 → 一切与 y 有关的应力、应变项置零 二维单元体(x–z 面)即可描述全部受力变形 条形基础沿墙长方向各截面受力几乎相同,故取 1 m 长度作计算单元(此思路在后面的条形基础例题中反复使用)。 严格意义的平面应变要求截面不沿长度变化;验槽、原位试验得到的参数用于这种简化。 3 地基模型的分类(按应力—应变关系) 模型 加载曲线 卸载路径 残余变形 用途 线弹性 直线 沿原直线返回 无 手算、弹性理论解 非线性弹性 曲线(如双曲线) 沿原曲线返回 无 邓肯-张等,反映压硬性 弹塑性 超过屈服后曲线 不沿原路返回 有 更接近真实土,分析复杂 非线性弹性模型本身不含塑性;弹塑性模型兼具塑性与卸载回弹,最真实但参数最多。 描述的对象:土体在应力水平、应力历史、加荷速度、时间、温度作用下的应力—应变关系(第一讲影响因素的延续)。 4 弹性模型的参数:E、μ、G、K 与刚度/柔度矩阵 4.1 三个模量各司其职 参数 描述的对象 弹性模量 E 杆件拉压(单向)变形 剪切模量 G 单元体畸变(形状改变) 体积模量 K 单元体体积改变(蓬松/压缩) 泊松比 μ 横向应变与纵向应变之比,联系上述三者 E = 2G(1 + μ) = 3K(1 − 2μ) 计算分析软件里参数总是成组给出:给 (E, μ) 或给 (K, G),二者可互推;单独给 E、μ 时也要会换算。 土的 E、μ 不是常数,取值随应力水平变化——这正是非线性模型的入口。 4.2 刚度矩阵与柔度矩阵 {σ} = [D]{ε} → [D] 刚度矩阵:由应变求应力 {ε} = [C]{σ} → [C] 柔度矩阵:由应力求应变 [C] = [D]⁻¹ 本构关系写成矩阵形式后,弹性地基上梁板、有限元等都从这里出发;Winkler 模型也可以写成矩阵(基床系数矩阵)形式。 5 Winkler(文克勒)地基模型 5.1 基本假定与表达式 p = k·s p —— 基底压力;s —— 该处地基变形;k —— 基床系数(modulus of subgrade reaction) 把地基视为一层互不相连的弹簧:只有受荷范围压缩,弹簧之间不传剪、无应力扩散;压力作用处变形,旁边一点变形为零。 k 的物理意义:单位变形所需的压力(量纲 kN/m³),地基越硬 k 越大。 ...