极限平衡理论与浅基础.ppt

第 3章 极限平衡理论与浅基础 1、天然地基上浅基础的设计原则 2、浅基础类型 3、基础埋置深度的选择 4、地基承载力的确定 5、浅基础的设计与计算 6、减轻不均匀沉降危害的措施 本章内容简介 第 3章 极限平衡理论与浅基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 1、天然地基上浅基础的设计原则 识记：建筑物安全等级的概念。 领会：对地基计算的要求 2、浅基础类型 识记：浅基础的类型与适用条件 3、基础埋置深度的选择 识记：有关基础埋置深度的确定的原则。 领会：影响基础埋置深度选择的因素。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 5、浅基础的设计与计算 识记：刚性基础台阶宽高比的概念。 领会：各类建筑物对地基变形验算的要求。 综合应用：按地基持力层承载力，确定墙下条形基础 和柱下单独基础的底面尺寸；进行基础结构设计； 软弱下卧层承载力的验算。 6、减轻不均匀沉降危害的措施。 领会：减轻不均匀沉降危害的建筑措施、结构措施和施工措施。 4、地基承载力的确定 识记：各级建筑物确定地基承载力的方法； 影响地基承载力的主要因素。 地基承载力特征值的深度、宽度修正方法。 领会：根据规范表格确定各类地基土承载力特征值的方法。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 学习目的和要求 通过本章的学习，了解浅基础的类型及其适用条件， 熟悉基础埋置深度的确定原则，掌握地基承载力特征值 的确定方法，熟练掌握按地基持力层承载力计算墙下 条形基础和柱下单独基础的底面尺寸，掌握软弱下卧层 承载力的验算方法，理解地基变形验算要求和减轻不均匀 沉降危害的措施。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3.1 地基基础设计原则 地基基础设计是土木工程结构设计的重要 组成部分。结构设计包含基础设计。在某种地 质条件下，基础设计的意义和要求，比上部结 构设计更重要、更难。 1、概述 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 地基基础分类： 地基 天然地基 是不经过对地基土的处理 人工地基 经过地基处理 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 浅基础 埋深小于5m，或者埋深大于5m，但是 小于基础宽度。两侧（四周）的摩阻力忽略不计。 所以不是简单的深浅概念。 基础 深基础：当基础埋置深度较大（一般大于5m或 大于基础最小宽度），须借助特殊的施工方法 和装备建造的基础。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 地基基础设计包括两方面的内容： 地基、基础 对基础的要求： 结构强度、刚度和耐久性 与上部结构相适应 对地基的要求： 承载力（强度） 沉降(变形） 地基及基础示意图 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 D D 地基与基 础的关系 地基与基础密切 相关，彼此制约 地基与基础设计 不能单方面考虑 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 地基基础 方案选择 建筑物的性质 工程地质条件 施工条件 包括建筑物的用途、结构布置 、结构类型、荷载性质及大小 等 包括场地土层分 布、组成、土性 及地下水等 包括当地施工技术力量、施工 设备、材料价格、工期等 优 选 天然地基 上的浅基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 地基基础设计等级 甲级 乙级 丙级 1）地基复杂程度 2）建筑物规模和功能特征 3）地基问题可能造成建筑物 破坏或影响正常使用程度 划分原则 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 计算要求 地基计计算内容 建筑物类类型 地基承载力计算 设计设计 等级为级为 甲、乙、丙级级的建筑物 地基变形计算 设计设计 等级为级为 甲、乙及部分丙级级建筑 物 地基稳定性计算 经经常受水平荷载载的高层层建筑物；高 耸结耸结 构、挡挡土墙墙；建造在斜坡上或 边边坡附近的建筑物或构筑物；基坑 工程 抗浮验算 当地下水埋藏较较浅，建筑物地下室 或地下构筑物存在上浮问题问题 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 计计算内容 荷载载效应应最不利组组合 相应应的抗 力及限值值 图图示 按地基承载载力确定基底 面积积及基础础埋深 正常使用极限状态态下荷载载 效应应的标标准组组合 地基承载载 力特征值值 fa ( kpa ) 计计算地基变变形 正常使用极限状态态下荷载载 效应应的准永久值组值组 合 （不计计入风风荷载载和地震作 用） 地基变变形 值值 S 计计算挡挡土墙墙土压压力、 地基和斜坡的稳稳定、滑 坡推力 承载载力极限状态态下荷载载效 应应的基本组组合，但分项项系 数均为为1； 确定基础础高度、支挡挡 结结构截面；计计算基础础 或支挡结挡结 构内力；确 定配筋或验验算材料强度 承载载力极限状态态下荷载载效 应应的基本组组合，采用相应应 的分项项系数； 荷载取值 F M e F+ G 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 建筑物的型式与功能 上部结构荷载资料 场地勘察与室内试验资料 场地施工技术条件 基础型式方案比较 拟定基础型式及平面布置 确定基础埋深 必要时的验算 （软弱下卧层强度、变形稳定、抗滑验算等） 确定地基承载力 确定基底平面尺 寸 计算地基承受荷 载 基础结构设计（基础剖面尺寸、配筋） 编制施工说明、绘施工 图 计算地基净反力 不 满 足 设 计 内 容 和 步 骤 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 浅基础的设计方法 建筑物设计 上部结构的自重及各 种荷载都是通过基础 传到地基中的。 上部结构 基础 地基 基底压力 附加应力 地基沉降变形 基底反力 基础结构的外荷载 基底压力接近直线 “刚性设计” 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3.2 浅基础的类型 浅基础的 分类方法 按基础材料 u无筋基础 u钢筋混凝土基础 按基础结构类型 u扩展基础 u柱下条形基础 u柱下交叉条形基 础 u筏形基础 u箱形基础 u壳体基础 按基础受力特点 u柔性基础 u刚性基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 1)扩展基础 基础材料 u无筋扩展基础(刚性基础) u钢筋混凝土基础(柔性基础) 结构型式 u柱下独立基础(单独基础) u墙下条形基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 无筋扩展基础(刚性基础） 材料：砖、石、灰土、三合土及混凝土 工作条件：犹如一倒置的承受地基反力 的两端外伸的悬臂梁 特点：砖、石、灰土，素混凝土材料 抗压强度较高，抗拉和抗剪强 度很低，受弯后易剪切破坏。 设计 采用限制基础外伸宽度与高 方法：度之比（台阶宽高比）不超 过允许值的构造措施。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 定义 刚性基础：用砖、石抗拉和抗剪强度较低的材料 建造，在构造上受刚性角限制，受力 后不发生挠曲变形的基础。 应用范围： 一般用于六层及 六层以下（三合土不超过四层 ）的民用建筑和轻型厂房。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 钢筋混凝土扩展基础(柔性基础) 材料: 钢筋混凝土 工作条件：倒置悬臂梁 特点：基础配置一定数量的钢筋，可 以承受拉应力，故不受刚性角 的限制，但要满足抗弯, 抗剪 和抗冲切等结构要求。 定义：柔性基础 - 用钢筋混 凝土建造，构造上不受刚性角 限制，受力后允许产生一定挠 曲变形的基础。 适用条件： 宽基浅埋 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 2)柱下条形基础 基础材料: 钢筋混凝土 结构型式 u单向条形基础: 同一轴线（或同一方向）上若干 柱下相连的钢筋混凝土条形基础。 u十字交叉条形基础: 柱网下沿纵横两向分别设 置 的钢筋混凝土条形基础。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 特点：1）抗弯刚度大，具有调 整不均匀沉降的能力。 2）能将集中柱荷载较均 匀地分布到整个基底。 工作条件：有别于钢筋混凝土 扩展基础，不仅在横截面方向 如倒置的悬臂梁，在纵向则如 倒置的以各柱为铰支的多跨连 续梁。 适用条件： 地基土较软弱，分布 不均；基底面积受相邻建 筑物或设备基础的限制无 法扩展时；柱荷载差异大 ，以致基底面积扩大使其 彼此接近或象相碰时。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3) 筏形基础 覆盖于建筑物地基上的整体钢筋混凝土板状基础。 基础材料: 钢筋混凝土 工作条件: 犹如倒置的楼盖结构 结 构 型 式 u墙下筏基 - 平板 式 u柱下筏基 平板式 梁板式 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3) 筏形基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 1）有较大基底面积，不仅易于满足软弱地基承载力的要求， 而且减少了地基的附加压力，并在与上部结构共同工作的 条件下使沉降比较均匀； 2）对上部结构刚度较好的多层房屋，能增加整体性能，减少 相对沉降，增强抗震性能； 3）可跨越土中浅层小洞穴和局部软弱层，防止因局部下沉造 成的房屋损坏； 4）可作为水池、油库等的防渗底板； 5）有地下室时，可提供较宽敞的使用空间； 6）有地下室或架空地板时，具有一定的补偿性效应。 筏基的功能 不足之处 1)无力调整过大的差异沉降 2)上下配筋，经济指标较高 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 4) 箱形基础 由钢筋混凝土底板、顶板和内外墙体组成的整体 空间结构基础。整体性更好 基础材料: 钢筋混凝土 适用条件： 软弱地基 上的高层、重型或 对不均匀沉降要求 严格的建筑物 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 底板 外墙 内墙 4) 箱形基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 特点 1）基础埋深大、中空形式，使开挖卸去的土重部分抵偿 了上部结构传来的荷载，能显著减小基底压力、降低 基础沉降量； 2）整体刚度大，只能产生大致的均匀沉降或整体倾斜， 抗震性能好； 3）具有较大地下空间可供各种使用功能，但因内墙分隔 而使使用受限； 4）经济指标高，施工技术复杂，对防水通风要求较高。 4) 箱形基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 5) 壳体基础 基础材料：钢筋混凝土 结构型式 u正圆锥壳体 uM形组合壳体 u内球外锥组合壳 体 特点：1）材料省、造价低， 2）施工技术要求高。 适用条件： 可用作柱 基础和筒形构 筑物基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 单独基础 柱下条形基础 箱形和筏形基础 基底面积越来越大、对上部结构荷载的扩散作用越来越强 在相同的上部结构荷载作用下，基底压力和基底附加压力越来越小， 刚度越来越大，可以适应更软弱的地基，可以减小地基的沉降变形 在相同的地基条件下，可以承受更大的上部结构荷载作用 设计计算方法越来越复杂，一般情况下工程造价越来越高 浅基础的特点： 小结 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3.3 基础埋置深度的选择 1、确定基础埋深的意义和原则 埋深定义 下卧层 持力层（受力层） F G d 设计地面 基础底面 基础埋深 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 选择埋深的意义 实质 选择合适的持力层 保证 1）地基的可靠性（强度、变形要求） 2）基础的稳定性（抗倾覆、滑动和侵蚀要求） 3）施工的难易性（埋深大施工难，反之则易） 4）造价的经济性（埋深大造价高，反之则低） 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 选择埋深的原则 1）在满足地基强度、稳定和变形要求的前提下，基础应 尽量浅埋； 2）除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。基础顶面一 般不露出地面，要求基础顶面低于地面不小于0.1m 。 浅埋可节约材料，方便施 工，缩短工期，降低造价 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 1）与建筑物有关的条件 2、选择基础埋深的影响因素 建 筑 物 的 功 能 用 途 1、考虑建筑物结构类型、使用功能和用途要求； 2、土质地基上高层建筑，应满足稳定性要求； 3、岩石地基上高层建筑，应满足抗滑要求； 4、受上拔力的基础，满足抗拔要求； 5、高耸构筑物，满足抗倾覆稳定性要求。 抗震区筏板、箱形基础不 宜小于建筑物高度1/15； 桩箱、桩筏基础 不宜小于 建筑物高度1/181/20 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 只有轻型建筑 可用，否则采 用连续基础、 人工处理或深 基础比较确定 上硬下软 尽量浅埋（宽 基浅埋），但 是如h1太小就 按情况考虑 上软下硬 h14 m 桩基或 人工处理 好土 软土 (很深) 好土 软土 软土 好土 I II III IV h1 基础条件 由其它条 件确定时 ，基础尽 可能浅埋 2）工程地质条件 h1 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3）水文地质条件 地基中有地下水时 1）基础应尽量置于地下水位以上； 2）当基础必须置于地下水位以下时，应考虑排水、围护 及扰动，地下水有无侵蚀性，设计时还应考虑地下室 防渗、抗浮等问题； 3）有承压水时，由避免基坑被承压水冲破的条件确定。 向上的承压水压力 向下的土压力 要求 . 有承压水时 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 4）地基冻融条件 冻土地基：地基土的温度低于摄氏零度时，土 中部分孔隙水将冻结而形成冻土。 冻土的类 型 季节性冻土-冬季冻结，夏季融化， 每年冻融交替一次。 多年冻土-连续冻结三年以上的冻土。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 土的冻胀与融陷 毛细水 土颗粒 结合水 冰 冻胀 土冻结后体积的膨胀 冻胀机理 融陷 冻土融化后引起建筑物沉陷的现象。 结冰时水的膨胀可达10% 左右，且膨胀力很大，达 2MPa量级，当膨胀力大于 基底压力时，基础被抬起 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 冻 深 毛细区 地下水位 冻结区 土冻胀的 影响因素 u土质：含弱结合水或有毛细水的细粒土 u含水量：含水量越大，冻胀性越强 u地下水位：离冻结区越近，水分补充越 快 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 冻胀的分类 u 不冻胀 u 特强冻胀 u 弱冻胀 u 冻胀 u 强冻胀 冻深对基础埋深的要求 Zd dmin 室内地面 hmax dmin = zd hmax 式中： zd 设计冻深； hmax 允许残留冻土 最大厚度。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 有地下室或半地下室的建筑， 其埋深必须结合地下部分设计 标高选定。地下管道（上下水， 煤气电缆）应在基底以上，且 应预留孔洞，孔径应大于管径 （1015mm），管道宜选柔材。 5）场地环境条件 同一建筑物基础可采用不 同的埋深，对土质地基上 的墙下无筋基础，应做成 台阶状，这是为解决基础 不均匀变形的构造措施。L/ H=12 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 新旧相邻建筑物新基础的 埋深不宜超过原有建筑物 基础底面，否则应有一定 间距，即：LH =12 若不能满足上述要求，则 应在施工期间对原有建筑 物采取保护措施。 L H 为了保护基础不受人 类和其他生物活动等 的影响，基础的顶面 宜低于室外设计地面 0.10m，同时又要便 于周围排水沟的布置。 d 大于10cm 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 浅基础的地基承载力3.4 1. 地基承载力的概念 地基承受荷载的能力 为了满足地基强度和稳定性的要求，设计时必须控制基 础底面最大压力不得大于某一界限值，这一界限值称为地基 承载力 。 u 极限承载力:地基即将丧失稳定性时的承载力 ; u 允许承载力:地基稳定有足够的安全度且变形 在允许范围内时的承载力。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 地基承载力特征值相 应于载荷试验时，地基土 的压力变形曲线线性变形 段内不超过比例界限点的 地基压力值。 s p s曲线 pcr pufa sa p 地基承载力特征值fa 在保证地基稳定的条件下, 使建筑物的沉降量不超过 允许值的地基承载力。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 2. 地基承载力确定的原则 1） 在最不利荷载作用下，地基不出现失稳现象； 2）在长期荷载作用下，地基变形不造成上部结构损坏。 特点： 1. 地基承载力特征值实质就是允许 承载力； 2. 按正常使用 极限状态原则确定； 3. 以地基的变形作为控制标准。 荷载增加 地基变形增长 地基承载力加大 地基承载力是 其变形的函数 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3. 地基承载力特征值确定的方法 u 根据土的抗剪强度指标，按理论公式计 算 u 按地基现场载荷试验确定 u 按规范承载力表确定 u 根据相邻条件相似的建筑经验确定 分类 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 1) 按地基载荷试验确定 - 适用于浅层地基u 浅层平板载荷试验 u 深层平板载荷试验 u 螺旋板载荷试验 适用于深层地基 千斤顶 荷载板 载荷板的测试范围：在现场通过 0.250.50m2的载荷板对扰动较 少的地基土体直接施荷，所测得 的成果一般能反映相当于12倍 荷载板宽度的深度以内土体的平 均性质。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 p s曲线“陡降型 ” 步骤： 1）当p s曲线上有明显的 比例界限 pb时，取pb对 应的荷载值为地基承载 力特征值； 2）当 pu l / 6: 出现拉应力区 e 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 计算偏心荷载作用下的基础底面尺寸逐次渐近试算法 计算步骤 1) 按中心受压初步计算基底尺寸： 2) 据偏心大小，增加基 底尺寸1040%，即： A1 =（1.11.4）A0 3) 初选 l 和 b，一般取l / b=12，得实际基底尺寸：A A1 承载力特征 值可先进行 深度修正 若b3，则对地基承载力进行宽度修正 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 其中：Mk = M0k + VkH0 上部结构 传来的力 矩标准值 pk pkmax 4) 计算基底应力： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 要求：1）应满足 e l (即pkmin0) 2）对重要建筑物：pkminpkmax1/4 1/3 以避免产生过大的不均匀沉降； 3）对个别情况可：e l6 (即pkmin 0） 此时： 5) 验算 ：pk fa pkmax 1.2fa 如不满足要求，应修改尺寸，重复 上述步骤，直到符合要求为止。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 【例2】 柱截面尺寸300mm400mm，作用在柱底的荷载标准值： 中心垂直荷载700kN，力矩80kN-m，水平荷载13kN。其它参数见下 图。试根据持力层地基承载力确定基础底面尺寸。 此题为偏心荷载作用下的基础，解题思路为:对地基承载力进 行深度修正，按中心荷载作用初定基础底面积，考虑偏心荷 载作用扩大基础面积，验算地基承载力，如不合适，调整基 底面积重复按上述步骤计算。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 【解】 1、求地基承载力特征值 根据粘性土e=0.7，IL=0.78查表7.10，得：b=0.3d=1.6 持力层承载力特征值fa（先只考虑对基础进行深度修正）： 2、初步选择基底尺寸计算基础和回填土重Gk时的基础埋深。 按中心受压计算基底面积： 由于偏心不大，基础底面积按20%增大，即： 初步选择基础底面积 因 不需再对fa进行宽度修正。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3、验算持力层地基承载力 基础和回填土重： 偏心距： 即 基底最大压力： 最后确定该柱基础底面长 L = 2.4m, 宽b = 1.6m。 基底平均压力： 满足要求。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 2. 地基软弱下卧层承载力验算 软弱下卧层是指在持力层下，成层土地基受力层范围 内，承载力显著低于持力层的高压缩性土层。 Fk Pk d z pcd 软土 Es1 Es2 Gk pcz 基底压力 软卧层顶面处自重应力 验算要求： 作用于下卧层顶面的全部压力 （自重应力和附加应力），不 超过软卧层的承载力。即： 当持力层下有软土时，可能在此层破坏，需要验算 软弱下卧层的地基承载力 基底处自重应力 pz + pcz faz 软卧层顶面处的 附加应力标准值 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 软弱下卧层顶面的附加应力简化计算 - 压力扩散角法 假设基底处的附加应力向下传递时按某一角度向外扩散，并均匀分布 于较大面积的软弱下卧土层上。 条件 矩形基础： 条形 基础 软卧层顶面处附加应力= 基底处附加应力 应力扩散后面积 注 扩散角 与Es1/ Es2及z/b有 意: 关，持力层太薄不起作用 Fk Pk d z 软土 Es1 Es2 Gk 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 软弱下卧层地基承载力特征值faz计算 faz = fak + dm（d + z 0.5） 对软弱下卧层地基 承载力只进行深度 修正，修正深度从 地面到软卧层顶面 pz + pcz faz Fk Pk d z pcd 软土 Es1 Es2 Gk pcz 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 当上述验算不能满足时可采取的措施 1) 采用“宽基浅埋”方案，尽量减少基础埋深，增 加基底至软弱下卧层的距离，使传至软弱下卧 层的附加应力减小； 2) 增大基础宽度，减小基底压力，使传至软卧层 的附加应力减小（但可能增加软弱卧层变形）; 3) 采用人工地基或采用深基础避开软弱下卧层 。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 【例3】某承重墙厚 ，传来轴力标准值 基础埋深 ，地基资料如下图所示，试确定基底尺寸并 验算软弱下卧层。 【解】 1、持力层承载力验算： 中心荷载作用，沿墙长方向取 。 埋深范围内土的加权平均重度 先进行深度修正： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 由于： 不须进行宽度修正。 基底平均压力标准值： 确定基底尺寸： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 淤泥质土承载力修正： 2、软弱下卧层验算： 软弱下卧层顶面处自重应力 则：满足要求 软弱下卧层顶面处的附加应力： 软弱下卧层顶面以上土的加权 平均重度： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3. 地基稳定性验算 验算对象 1) 承受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构物 2) 建在斜坡上或边坡附近的建(构)筑物。 验算内容 1) 整体滑动破坏 - 通常采用圆弧滑动面法 要求: K = MrMs 1.2 抗滑力矩 滑动力矩 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 验算内容 2) 斜坡上建(构)筑物 对稳定土坡(如图)上的基础 当b 3m，a 2.5m，且符合 要求: 可不进行稳定验算 对条形基础: 对矩形基础: 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 地基变形验算目的保证建筑物安全、正常使用和 外观。 变形验算的要求：建筑物的地基特征变形计算值，不 应大于地基特征变形允许值，即 地基特征变形计算值 变形特征允许值。 注： 传至基础上的荷载应按正常使用极限状态下荷 载效应的准永久组合（不应计入风荷载和地震作用） 。 地基变形验算3.6 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 地基变形特征： 对各种建筑物产生危害的不利沉降形式。 类型 u 沉降量 u 沉降差 u 倾斜 u 局部倾斜 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 (1) 沉降量 指基础某点的沉降值。 控制对象：对于单层排架结构，体型简单的高层建筑基础， 高耸结构基础的沉降量应注意验算。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 (2)沉降差 一般指相邻柱基中点的沉降量之差。 控制对象：是不均匀沉降的一种，框架结构 容易出现这种情况的破坏。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 （3）倾斜 指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离 的比值。 控制对象：高耸结构、长高比很小的高层建筑 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 （4）局部倾斜 指砌体承重结构沿纵向610m内基 础两点的沉降差与其距离的比值。 控制对象：一般砌体承重结构房屋的长高比不太大，易出现 这种不均匀沉降。它是砌体承重结构的主要变形特征。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 变变形 特征 定 义义 图图 示 控制对对象 沉降 量 基础中心点的沉降值单层排架结构，体型简 单的高层建筑基础，高 耸结构基础的沉降量应 注意验算。 沉降 差 相邻两个柱基的沉降量之 差。 框架结构、砌体墙填充 的边排柱等基础 倾倾斜 基础倾斜方向两端点的沉 降差与其距离的比值 多高层建筑物、高耸结 构、土层分布不均及相 邻建筑物影响 局部 倾倾斜 砌体承重结构沿纵墙610 米内基础两点的沉降差与 其距离的比值 砌体承重结构 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 变形验算的选择 （1）与柔性结构有关的地基变形特征 通常柔性结构指排架结构，一般在低、中压缩性地基上不会产生沉 降破坏，但在高压缩性地基上应注意下列变形特征： 砌体墙填充的边排柱（尤其是端部抗风柱）- 验算沉降差 单层排架柱基（尤其是多跨排架的中排柱基）验算沉降量 对有桥式吊车的厂房，应限制相邻柱基沉降差引起的吊车轨道 面的倾斜，以防导致吊车滑行或卡轨。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 （2）与敏感性结构有关的地基变形特征 所谓敏感性结构指对不均匀沉降敏感的框架结构和砌体承重结构 。由于一般砌体的抗拉、抗剪强度较低，在地基不均匀变形影响下，易沿 纵墙开裂破坏；而框架结构则主要是由于相邻柱基的不均匀沉降在上部结 构中产生较大次应力，使强度超过安全储备而破坏。因此： 砌体承重结构- 验算局部倾斜 框架结构-验算相邻柱基的沉降差 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 （3）与刚性结构有关的地基变形特征 所谓刚性结构指高层建筑和高耸结构物。 高耸结构和长高比很小的高层建筑，地基变形的主要特征 是建筑物的整体倾斜； 对地基较均匀、且无相邻荷载影响的高耸结构，则注意控 制沉降量。 高耸及高层建筑容易产生倾斜的主要原因是地基不均匀及相邻建 筑影响，此外这类结构受水平荷载大、重心高，容易重心偏移引起偏心力 矩而影响倾覆稳定性，故倾斜允许值随高度增加而递减。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 沉降观测与地基变形值的预估 沉降观测目的 u 通过对观测结果的分析 来验证计算方法； u 可预测沉降发展的趋势 及时采取处理措施。 预估 施工期间 使用期间 变形值 便于预留 建筑物有关部 分间净空 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 预估地基 变形值 考虑 土的 压缩性 多层建 筑在施 工期间 完成的 沉降量 u 砂土- 80%以上 u 低压缩性土 5080% u 中压缩性土 2050% u 高压缩性土 520% 变形不满足时的措施 1) 适当调整基底尺寸(改变基底附加压力); 2) 适当调整基础埋深; 3) 改用其它基础型式; 4) 采用人工地基处理方案; 5) 从建筑结构及施工等方面采取措施以防止地 基不均匀沉降对上部结构造成的损害。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 无筋扩展基础设计3.7 Fk b2 b H0 b1b0 d 适用范围：六层以及六层以下 （三合土基础不宜超过4层）的 民用建筑和墙承重 的厂房。 材料：由砖、毛石、素混凝土与 灰土等材料组成 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 Fk b2 b H0 b1b0 d 设计原理 采用增加基础高度H0，控制 基础外伸宽度b2与基础高度H0 的比值（台阶宽高比，又称刚 性角）来提高基础抗弯能力， 从而无需配筋就可保证基础结 构不发生破坏。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 设计方法 Fk b2 b H0 b1b0 d 通过控制材料强度等级和基础台阶的 宽高比来确定基础的截面尺寸，要求 台阶宽高比小于其允许值 设计公式 基础台阶宽 高比允许值 查表 7.1 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 一般先按地基承载力特征值确定基础底面尺寸， 然后根据刚性角要求按下式计算基础高度： Fk b2 b H0 b1b0 d 因 刚性角，大小取决于基础材料和pk 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 验算要求 1) 对阶梯形截面基础，除基础高度应符合要求外， 各级台阶的宽高比亦应满足刚性角要求 ； 2) 除墙下条基只在横截面方向进行台阶宽高比验算 外，单独基础则应在长、宽两个方面进行验算 ; 3) 若基础由二种或二种以上材料叠合而成，则应分 别满足不同材料的允许刚性角，并应对两种材料 接触部分进行局部受压验算。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 不满足刚性角要求时可采取的措施 1）增加基础高度H0 （增加埋深d）使 减小； （应注意若其下有软弱下卧层时，不宜采用） ； 2）改用钢筋混凝土扩展基础不受允许宽高比限 制，使H0 及d 减小 ; 3）采用人工地基提高地基承载力使b 减小 。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 构 造 要 求 1）基顶埋深d1 （1）必要性： 保护不受大气风化和外力破坏； 保持建筑物整体外观； 预留地坪结构层及埋设管线所需位置。 （2）最小构造尺寸： 民用建筑100mm 工业建筑500mm； 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 构 造 要 求 2)基顶宽度bt （1）必要性： 便于增加建筑物的稳定性； 便于施工，防止误差，上部结构有调整余地（ 2）最小构造尺寸：两侧超出墙、柱的尺寸原 则上应符合材料的模数。 砖b160mm 石b1100mm 砼b150mm 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 类型：独立基础和墙下条形基础 受力模型：倒置的悬臂梁。 主要问题：弯曲，剪切，冲切。 扩展基础（柔性基础）设计3.8 扩展基础适用范围 适用于上部结构荷载较大，有时为偏心荷载或承受弯矩、 水平荷载的建筑物基础。在地基表层土质较好、下层土质 软弱的情况，利用表层好土层设计浅埋基础，最适宜采用 扩展基础。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 一、扩展基础的构造要求： 1、一般要求： 底板钢筋的保护层，当有垫层时不小于40mm，无垫层 时不小于70mm。 砼强度等级不应低于C25。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 2、现浇柱下独立基础的构造要求 现浇钢筋砼柱基础剖面尺寸 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 现浇柱基础中应伸出插筋，插筋在基础内应符合下列要求： （1）插筋的数量、直径、以及钢筋种类应与柱内的纵向受力 钢筋相同。 （2）插筋锚入基础的长度等应满足有关规范要求。 （3）基础中插筋至少需分别在基础顶面下100mm和插筋下端设 置箍筋，且间距不大于800mm， 基础中箍筋直径与柱中同。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3、墙下条形基础的构造要求： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 二、扩展基础的设计计算 进行扩展基础结构计算，确定基础配筋和验算材料强 度时，上部结构传来的荷载效应组合应按承载能力极限状态 下荷载效应的基本组合；相应的基底反力为净反力。 确定基底面积时，传至基础底面上的荷载效应组合应 按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合； 比 较 不计基础及其上覆土自重时的基底反力 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 （一）墙下钢筋混凝土条形基础的结构计算 1、中心荷载作用 简化计算： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 2、偏心荷载作用 基底边缘处的最大和最小净反力 计算基底偏心距： 悬臂支座处1-1截面的地基净反力 1-1截面处的弯距M和剪力V： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 （二）柱下钢筋混凝土单独基础结构计算 （1）基础底板厚度 柱下钢筋混凝土单独基础的底板厚度（即基础高度） 主要由受冲切承载力计算决定。 1、中心荷载作用下： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱 与基础交接处以及基础变阶处的受冲 切承载力； 受冲切承载力应按下列公式验算： 冲切破坏锥体最不利 一侧计算长度 作用在冲切面上的地基净反力 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 （2）基础底板配筋 基础底板的配筋，应按受弯承载力确定。对于柱下单独内力 采用简化计算方法计算： 即将单独基础的底板视为嵌固在柱子边或基础变阶处（阶梯形基础） 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 2、偏心荷载作用： 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 上部结构、基础和地基共同作用3.9 一、地基、基础与上部结构相互作用的概念 常规设计法是把上部结构、基 础与地基三者作为彼此离散的 独立结构单元进行力学分析， 不难看出常规设计法有不合理 之处，因为地基、基础和上部 结构沿接触面分离后，虽然满足静 力平衡但却完全忽略了三者之间受 荷前后的变形连续性。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 共同作用主要体现在以下三个方面 一 、地基与基础的相互作用 二、地基变形对上部结构的影响 三、上部结构对基础受力状况的影响 上部结构基础 地基 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 其实，地基、基础和上部结构三者是相互联系成整体 来承担荷载而发生变形的。这时，三部分都将按各自的刚度对 变形产生相互制约的作用，从而使整个体系的内力（包括柱脚 和基底的反力）和变形（包括基础沉降）发生变化。显然，当 地基软弱、结构物对不均匀沉降敏感时，上述常规分析结果与 实际情况的差别就愈大。 由此可见，合理的分析方法，原则上应该以地基、基原则上应该以地基、基 础、上部结构之间必须同时满足静力平衡和变形协调两个条件础、上部结构之间必须同时满足静力平衡和变形协调两个条件 为前提。为前提。只有这样，才能揭示它们在外荷作作用下相互制约、 彼此影响的内在联系，从而达到安全、经济的设计目的。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 二、地基和基础的相互作用二、地基和基础的相互作用 （一）基础刚度对基底压力的影响（一）基础刚度对基底压力的影响 1.柔性基础 柔性基础的抗弯刚度很小。它好比 放在地上的柔软薄膜，可以随着地基 的变形而任意弯曲。基础上任意一点 的荷载传递到基底时不可能向旁边扩 散分布，象直接作用在地基上一样。 (a) (b) 特点：基础刚度小，基础可随地基 变形而弯曲；基底反力与作 用在基础上荷载分布一致。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 2、刚性基础 刚性基础具有非常大刚性基础具有非常大 的抗弯刚度，受荷后基础的抗弯刚度，受荷后基础 不挠曲，因此，原来是平不挠曲，因此，原来是平 面的基底，沉降后仍然保面的基底，沉降后仍然保 持持平面平面。此处把刚性基础。此处把刚性基础 能跨越基底中部，将所承能跨越基底中部，将所承 担的荷载相对集中地传至担的荷载相对集中地传至 基底边缘的现象叫做基础基底边缘的现象叫做基础 的的“ “架越作用架越作用” ”。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 3.基础相对刚度的影响 6-6 6-7 结论：基础相对刚度越大 ，架越作用越明显，基底 压力分布与上部荷载分布 越不一致。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 4、邻近荷载的影响使其受影响基础的基底反力呈中间大 两边小的拱形分布。设计时要考虑相邻建筑物之间的间距。 （二）地基压缩性不均匀的影响 荷载布置时应考虑地基的非均匀性，以减少地基土的不均匀 变形。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 结论及建议: 1、基础架越作用的强弱，取决于基础相对刚 度、土的压缩性及基底塑性区的大小。 2、加强基础刚度可以调整或减少不均匀沉降 ，但应注意同时会使基础内力加大，故基础方 案应作综合考虑。 3、对地基软弱不均（如石芽地基），可采用 连续基础；岩石或压缩性很低的地基，宜优先 采用扩展基础。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 (三)上部结构刚度对基础受力状况影响 以柱下条形基础为例 (2)完全柔性的上部结构基础梁在上部荷载和 基底反力作用下产生弯曲。上部结构不参与工作， 弯距图不均匀。 (1)绝对刚性的上部结构基础梁在基底反力作 用下产生弯曲。各柱只能均匀下沉，弯距图较均匀 。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 结论: 1、上部结构刚度对基础受力有约束作用。 2、应适度增大上部结构刚度，以减少基础挠 曲及内力，调整地基变形。 3、在软土地基上，当基础整体刚度有限时， 加强上部结构刚度才有效。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 减轻不均匀沉降危害的措施3.10 建筑物开裂、倾斜、甚至破坏 均匀沉降影响建筑物的功能和正常使用 不均匀沉降 主要危害对象 框架等超静定结构 砌体承重结构 结构产生次应力 门窗洞口部位开裂 裂缝位置和方向与不均匀沉降的状况有关 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 砌体结构开裂的规律 当中段沉降大，产生正向 挠曲（下凹）时，裂缝呈 正“八”字形开展，若两 翼沉降大，墙体反向挠曲 （上凸）时，裂缝呈“例 八”字形开展。总之斜裂 缝形态特征是：朝沉降大 的一方倾斜地向上延伸。 第 3 章 极限平衡理论与浅基础 如何解决不均匀沉降的问题？ 思考 解决途径 u 增强上部结构对不均匀沉降的适应能 力 u 减少不均匀沉降或总沉降 具体措施 u 选用条形、筏形或箱形等连续基础 u 采用桩基础或其它深基础 u 进行地基处理（采用人工地基） u 从地基、基础和上部结构共同工作的观点出 发，在建筑、结构和施工方面采取某些措施 第 3 章 极限平衡