浅基础设计的基本原理(1).ppt

基础工程设计原理,2-1,第二章 浅基础地基计算（1）,第一节. 概述 第二节 基础工程设计基本原理 第三节 浅基础的类型 第四节 基础的埋置深度 第五节 地基承载力的确定 第六节 地基承载力的验算及基础底面尺寸的确定 第七节 地基的变形验算 第八节 地基基础的稳定性验算 第九节 减轻不均匀沉降危害的措施,第二章 浅基础地基计算,第一节. 概述,1. 浅基础的定义 通常将基础的埋置深度小于基础最小宽度，且只需经过挖槽、排水等普通施工程序就可建造的基础称作浅基础。,2. 浅基础的荷载传递,上部结构,基础,应力和变形,地基,荷载,基底压力,3. 地基基础设计考虑的主要因素,基础设计时，除须保证基础结构本身具有足够的强度和刚度外，同时还须选择合理的基础尺寸和布置方案，使地基的反力和沉降在允许的范围之内。因此，基础设计包括地基与基础两部分，又常称为地基基础设计。,浅基础设计时应考虑的主要因素 (1) 建筑基础所用的材料及基础的结构型式； (2) 基础的埋置深度； (3) 地基土的承载力； (4)基础的形状和布置，以及与相邻基础、地下构筑物和地下管道的关系； (5) 上部结构类型、使用要求及对不均匀沉降的敏感性； (6) 施工期限、施工方法及所需的施工设备等。,在进行地基基础设计时，由于各种建筑物有不同的结构类型和不同的使用要求，同时建筑物地基的土质条件和建筑物对不均匀沉降的敏感性也不同，因此针对具体问题需要采取不同的解决方法。,地基基础设计是一项极其复杂且细致的工作，为了能找到最为合理和最为有利的设计方案，必须综合考虑这些相互关联的因素，才能做到精心设计。,永久荷载G，如结构自重、土压力等； 可变荷载Q，如桥梁路面(或屋面)人、车活荷载、风荷载等。 荷载效应S，SG,SQ ，如内力、变形、裂缝等； 设计基准期 为确定可变荷载代表值而选用的基准时间参数 (按结构的使用要求和重要性程度可以选为5、25、50、100年等) 。,第二节 基础工程设计基本原理,一、建筑结构荷载的有关概念,1、荷载的分类及有关定义,2、荷载的代表值,永久荷载G和可变荷载Q均可看成r.v.，但它们的pdf各不相同，应分别选用，一旦确定后即可选择荷载的代表值。在地基基础计算中常用的代表值有以下三种： 标准值 是荷载的基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值，可以取为均值或某个分位值。 准永久值 对于可变荷载而言，在设计基准期内，其超越总时间约为设计基准期一半的荷载值。即，对于某一可变荷载，若设计基准期为T，则在T内=准永久值的时间约为T/2。 永久值实际上考虑了可变荷载作用的时间间歇性和分布的不均匀性的一种折减。 准永久值等于标准值乘以准永久值系数q(1.0)。 组合值 对于可变荷载，使组合后的荷载效应在设计基准期内的超越概率，能与该荷载单独出现时的效应概率趋于一致的荷载值。 组合值等于标准值乘以组合值系数c(1.0)。,3、荷载的设计值,荷载代表值与荷载分项系数的乘积。,设计时，为保证结构的可靠性，需要确定同时作用在结构上的荷载以及每种荷载所采用的代表值，这一工作称为荷载(效应)组合。在地基基础设计中，一般有如下几种荷载组合：,4、荷载的组合,(1)正常使用极限状态下，标准组合SK,(2)正常使用极限状态下，准永久组合SK,(3)承载能力极限状态下，可变荷载控制的基本组合S,(4)承载能力极限状态下，永久荷载控制的基本组合S,建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)对结构在规定的设计使用年限内应满足下列功能要求:(1)在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种作用;(2)在正常使用时具有良好的工作性能;(3)在正常维护下具有足够的耐久性能;(4)在设计规定的偶然事件发生时及发生后仍能保持必需的整体稳定性。 地基设计时根据地基工作状态应考虑: (1)在长期荷载作用下，地基变形不致造成承重结构的损坏；(2)在最不利荷载作用下，地基不出现失稳定现象。 因此，地基基础设计必须满足的三个基本要求是：（1）地基强度要求；(2)地基变形要求；(3)基础结构的强度、刚度和耐久性要求。 按变形控制设计的原则是地基基础设计的总原则。在设计过程中要正确认识上部结构与地基基础共同作用的特点，以便于安全、可靠、合理地进行地基基础设计工作。,二、地基基础设计的技术要求及原则,1、地基的极限状态设计 (1)正常使用极限状态/变形极限状态 1）地基变形量 2）地基变形状态/容许承载力法 (2)承载能力极限状态/稳定极限状态,三、地基基础设计方法,2、结构的可靠度设计 国际标准结构可靠性总原则(ISO 2394-1998)对土木工程领域的设计采用了以概率理论和数理统计为基础的极限状态设计方法。我国于80年代开始引入使用，现行的建筑结构设计规范都是按这一方法的要求制订的。其基本思想是： 设S为荷载效应，R为结构抗力，均为r.v.，令Z=R-S为功能函数，则 Z0, 可靠 Z=0，极限(临界)状态 Z0, 失效 若R，S为正态变量，则可以失效概率pf和 可靠指标的概念可以结合右图给出。,的作用与极限状态设计中的K类 似，但二者概念有所区别,可见，用可靠指标评价结构的可靠性更加合理，但由于影响R，S的因素众多，直接应用概率方法计算可靠度存在困难，一般采用较为实用的计算方法，如分项系数法。,对于结构，现行设计规范采用的都是基于可靠度设计的分项系数法。对于地基计算，现有规范如公路桥涵地基与基础设计规范(JTG D63-2007)、建筑地基基础设计规范(GB 50007-2002)采用的都是容许承载力法。,1、地基基础的设计等级 根据地基复杂程度，建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使作的程度，将地基基础设计分为三个设计等级,设计时应根据具体情况,按下表选用。,四、建筑地基基础设计规范的基本规定,根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应符合下列规定： （1）所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定； （2）设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形规定；,（3）部分设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算： 1）地基承载力特征值小于130kpa，且体型复杂的建筑； 2）在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时； 3)软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时； 4)相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时； 5)地基内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。 （4）对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等，以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性； （5）基坑工程应进行稳定验算； （6）当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。,2、地基基础设计所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值规定： (1)按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础(或承台底面)上的荷载应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应抗力应采用地基(或单桩)承载力特征值。 (2)计算地基变形时传至基础底面上的荷载效应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。相应的限值应为地基变形允许值。 (3)计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时,荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合, 但分项系数均为1.0。 (4)在确定基础或桩台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。 当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。 (5)基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的规定采用，但结构重要性系数0不应小于1.0。,五、岩土工程勘察的要求,1. 岩土工程勘察报告应提供下列资料： 1)不良地质条件及其危害程度； 2)地层结构及其均匀性，以及各岩土层物理力学性质； 3)地下水埋藏类型和水位变化幅度及规律，以及对建筑材料的腐蚀性；4)在抗震设防区应划分场地土类型和场地类别，并对饱和砂土及粉土进行液化判别； 5)对可供采用的地基基础设计方案进行论证分析，提出经济合理的设计方案建议；提供与设计要求相对应的地基承载力及变形计算参数，并对设计与施工应注意的问题提出建议；6)当需要时,尚应提供：(a)深基坑开挖的边坡稳定计算和支护设计所需的岩土参数，论证其对周围已有建筑物和地下设施的影响；(b)基抗施工降水的有关技术参数及施工降水方法的建议；(c)提供用于计算地下水浮力的设计水位。 2. 地基评价宜采用钻探取样，室内土工试验,触探，并结合其它原位测试方法进行。不同设计等级的建筑物应提供相应的试验结果与土工试验资料。 3. 建筑物地基均应进行施工验槽。,六、浅基础设计步骤,(1) 阅读和分析建筑场地的地质勘察资料和建筑物的设计资料，进行相应的现场勘察和调查。 (2)选择基础的结构类型和建筑材料。 (3)选择持力层，决定合适的基础埋置深度。 (4)确定地基的承载力。 (5)根据(4)和作用于基础上的荷载组合，初步确定基础的尺寸。 (6)根据地基基础设计等级进行必要的地基验算，包括承载力验算和变形验算、稳定性验算，必要时还要进行抗浮验算。根据验算结果修改基础尺寸甚至埋置深度。 (7)进行基础结构设计及验算。 (8)编制基础的设计和施工图纸。,上述步骤中，(3)-(6)为地基计算；步骤(7)为结构计算。本章主要介绍地基计算。,第三节 浅基础的类型,一、无筋扩展基础(刚性基础),定义：通常由砖、块石、毛石、素混凝土、三合土(熟石灰、粘土和细砂的混合物)和灰土等材料建造的基础。,特点：抗压性能较好，但抗拉、抗剪强度不高。,设计要求：发生在基础内的拉应力和剪应力不超过其材料强度设计值。可通过限制基础外伸宽度与基础高度的比值来实现。,在宽高比的限制下，基础相对高度一般较大，几乎不会发生弯曲变形，此类基础习惯上称之为刚性基础。,应用范围：无筋扩展基础可用于六层和六层以下（三合土基础不宜超过四层）的民用建筑和砌体承重的厂房。,无筋扩展基础又可分为墙下条形基础和柱下独立基础。,（a）墙下条形基础；（b）柱下独立基础 图2-4 无筋扩展基础分类（d为柱中纵向钢筋直径）,在桥梁基础中，通常采用如图2-5所示的刚性扩大基础。,图2-5 桥梁工程中常用的刚性扩大基础,二、钢筋混凝土扩展基础）,当刚性基础的尺寸不能同时满足地基承载力和基础埋深的要求时，则需则需采用钢筋混凝土扩展基础。钢筋混凝土扩展基础具有较好的抗剪能力和抗弯能力，通常也称之为柔性基础或有限刚度基础。,特点：具有较好的抗剪能力和抗弯能力。,设计要求：采用扩大基础底面积的方法来满足地基承载力的要求，但不必增加基础的埋深；选择合适的基础材料、高度与配筋来满足基础抗剪和抗弯要求。,钢筋混凝土扩展基础种类：柱下独立基础、墙下条形基础、筏板基础、箱形基础和壳体基础等。,基础底面形状：轴心受压柱下一般为正方形，偏心受压柱下一般为矩形。,1. 柱下钢筋混凝土独立基础,钢筋混凝土独立基础主要是指柱下单独基础。常见于桥梁工程、工业厂房等。,截面形式： 现浇台阶形或锥形基础和预制柱杯口形基础。,图2-6,2. 钢筋混凝土条形基础,分为墙下条形基础、柱下条形基础和十字交叉条形基础。,墙下条形基础：横截面积根据受力条件又可分为不带肋和带肋两种。可看作是钢筋混凝土独立基础的特例，其计算属于平面应变问题，只考虑在基础横向受力发生破坏。,图2-7,柱下条形基础：当地基承载力较低且柱下钢筋混凝土独立基础的底面积不能承受上部结构荷载时，常把若干柱子的基础连成一条，构成柱下条形基础。目的是将承受的集中荷载较均匀地分布到条形基础底面积上，以减小地基反力，并通过形成的基础整体刚度来调整可能产生的不均匀沉降。 一个方向的单列柱基连在一起便成为单向条形基础。,图2-8,十字交叉条形基础：当单向条形基础的底面积仍不能承受上部结构荷载时，可将纵横柱基础均连在一起，构成十字交叉条形基础。十字交叉条形基础可承担10层以下民用住宅。,图2-9,图2-10,3. 筏板/形基础,当地基承载力低，而上部结构的荷重又较大，以至于十字交叉条形基础仍不能提供足够的底面积来满足地基承载力的要求时，或相邻基槽间距很小时，可采用钢筋混凝土满堂基础即筏板基础。,筏板基础有更大的整体刚度，有利于调整地基的不均匀沉降，较能适应上部结构荷载分布的变化。特别对于有地下室的房屋或大型贮液结构，如水池、油库等，筏板基础是一种比较理想的基础结构。 筏板基础分为平板式和梁板式两种类型。平板式筏基是一块等厚度（不得小于200mm）的钢混平板；梁板式筏基是在筏板上沿柱轴纵横向设置基础梁而形成。,筏板基础可在六层住宅中使用，也可在50层的高层建筑中使用。,图2-11,4箱形基础,箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板、侧墙、内隔墙组成，形成一个整体性好、空间刚度大的箱体。 箱形基础比筏板基础具有更大的抗弯刚度，可视为绝对刚性基础，产生的沉降通常较为均匀。适用于软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物。 与筏板基础比较，箱形基础的地下室被分割，空间较小，而筏板基础的地下室空间则较大。 箱形基础埋深较深，基础空腹，卸除了基底处原有的地基自重压力，因此大大地减小了作用于基础底面的附加应力，减少建筑物的沉降，这种基础又称之为补偿基础,箱形基础的材料消耗量较大，施工技术要求高，且还会遇到深基坑开挖带来的问题和困难，是否采用，应与其他可能的地基基础方案作技术经济比较后再确定。,常用于筒形构筑物（如烟囱、水塔、粮仓、中小型高炉等）的基础，主要有M型组合壳、正圆锥壳和内球外锥组合壳三种形式。,5、壳体基础,2-11,壳体结构的内力主要是轴向压力，这就充分利用了混凝土结构受压性能好的特点，因而具有材料省和造价低等优点。,根据工程实践统计，中小型筒形构筑物的壳体基础，可比一般梁、板式的钢筋混凝土基础节约混凝土50%左右，节省钢筋30%以上。,此外，一般情况下在壳体基础施工时不必支模，土方挖运量也较少。但是，施工技术则要求较高，目前主要用于筒形构筑物的基础。,除以上介绍的主要类型基础外，还有不少其它类型的基础，如不埋式薄板基础、无筋倒圆台基础、折板基础等。,第四节 基础的埋置深度,基础埋置深度(简称埋深): 基础底面到天然地面的垂直距离。,确定浅基础埋深的原则： 凡能浅埋的应尽量浅埋； 除岩石地基外(至少0.1m)，最小埋深不宜小于0.5m(主要是考虑到基础的稳定性、动植物的影响等因素)； 为保护基础，基础顶面一般不露出地面，要求基础顶面低于地面至少0.1m； 水下基础考虑到水流冲刷的影响(应将基础埋置在冲刷深度以下)； 要求满足地基稳定性和变形条件。 影响基础埋深的因素很多，应综合考虑以下几个方面：,一&二、建筑物的用途和荷载性质 基础埋深的选择取决于: 建筑物的用途，有无地下室、设备基础和地下设施，基础的形式和构造等。,对于高层建筑，为了满足稳定性要求，减少建筑物整体倾斜，防止倾覆和滑移，在地震区，基础埋深不宜小于建筑物高度1/15。 对于受有上拔力的结构（如输电塔）基础，也要求有较大的埋深以满足抗拔要求。 当管道与基础相交时，基础埋深应低于管道，并在基础上面预留足够间隙的孔洞，以防止基础沉降压坏管道。 与基础刚度也有关，如用砖石等脆性材料砌筑的刚性基础，为了防止基础本身材料的破坏，基础的构造高度往往很大，因此刚性基础埋深要大于钢筋混凝土柔性基础。 对于桥墩基础，其基础顶面应位于河流最低水位以下，其埋置深度还应考虑河床的冲刷深度。,如果有地下室，则基础埋置深度受地下室空间高度的控制，一般埋深较深；如有地下设施，基础埋置深度还决定于设施的空间要求。,三、工程地质和水文地质条件,我国沿海软土地区多为沉积土，沉积土在沉积过程中条件变化大，土层性质变异很大。软土的特点是：土层松软、孔隙比大、压缩性高、强度低，层厚大，属于不良地基。以下的软土地区应特别注意： 上海、福建、宁波、天津、连云港、温州等地区。 根据工程地质条件选择合适的土层作为基础的持力层是确定基础埋深的重要因素。 持力层：直接支撑基础的土层称为持力层。 下卧层：持力层以下的各土层称为下卧层。 软弱下卧层：其承载力明显小于持力层的下卧层。 地基持力层应尽可能选择承载力高而压缩性小的土层，当持力层下存在软弱下卧层时，应同时考虑软弱下卧层的强度和变形要求。,通常在选择基础埋深时大致会遇到以下几种情况： 1）在整个压缩层范围内均为承载能力良好的低压缩性土层，此时基础埋深可按满足建筑功能和结构构造要求的最小值选取。 2）地基上部为软弱土层而下部为良好土层情况，当软弱土层厚度较小(小于2m)时，宜选取下部良好土层作为地基持力层；当软弱土层厚度较大时，应从施工技术和工程造价等方面综合分析天然地基、人工地基或深基础形式的优劣，从中选出合适的基础形式和埋深。 3）浅层土为良好的地基持力层而其下为软弱下卧层(软土地区地表普遍存在23m的“硬壳层”)，此时基础应尽量浅埋，即采用所谓的“宽基浅埋”形式，软弱下卧层的强度及沉降控制要求对基础埋深的确定影响很大。,4）在整个压缩层范围内均为高压缩性的软弱土层，此时不宜采用天然地基作为持力层，可对天然地基进行地基处理后，再考虑建筑功能和结构构造要求选定基础埋深。 5）如果在持力层下埋藏有承压含水层时，选择基础埋深必须考虑承压水的作用，以免在开挖基坑时，坑底土被承压水冲破，从而引起突涌或流砂现象。 6）对于桥墩基础或受到水流冲刷影响的建筑物基础，埋置深度应考虑河床的冲刷深度，必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下一定的深度处。对于大中型桥梁基础的基底在设计洪水冲刷总深度以正反最小埋深，可根据桥梁的大小、技术的复杂性和重要性参照下表采用。,四、 考虑相邻建筑物基础埋深的影响,如果新建的建筑物与已有的相邻建筑物距离过近，为保证原有建筑物的安全和正常使用，新建建筑物的基础埋深不宜深于相邻原有建筑物的基础埋置深度。 如果新建的建筑物荷载很大，而基础埋深又深于相邻原有建筑物的基础埋深，解决的办法是：,五、考虑地基土冻胀和融陷的影响,在寒冷地区，地面下一定深度范围内的土会产生冻结，形成冻土。由于土在冻结时体积膨胀，产生冻胀现象。 细粒土层（粘土、粉土、粉砂）有冻胀的特点。,设计时考虑与原有建筑物之间保持一定的距离，其数值与荷载大小及土质条件有关，一般取相邻两基础底面高差的12倍。如不能满足上述要求，则必须采取其它可靠的加固和支护措施。,如基础埋置在冻结深度范围内，则在冬天因冻胀而上抬，造成门窗不能开启，严重的甚至引起墙体开裂。到了春夏季节，冻土溶化以后强度降低，产生融陷现象，基础下陷。为了防止产生上述不利的影响，必须将基础埋置在冻结深度以下。 季节性冻土层厚度一般在50cm以上，最厚达3m。 冻胀影响因素：土粒径大小、土中含水量以及地下水补给的可能性等。,对于结合水含量极少的粗颗粒土，因不发生水分迁移，故不存在冻胀问题。 在相同条件下，粘性土的冻胀性比粉砂严重得多。 细粒土的冻胀与含水量有关，如果冻胀前，土处于含水量很少的坚硬状