地基基础的设计原则.ppt

1,地基基础的设计原则,2,1.地基基础设计原则,内容提要,1.1 概 述 1.2 地基基础设计原则 1.3 地基常见类型 1.4 常用基础类型 1.5 地基-基础-上部结构共同工作 概念,3,1.地基基础设计原则,1、掌握基础工程设计的目的、任务、 设计原则、基本规定 2、了解天然地基与人工地基 3、初步掌握基础类型及其选取原则 4、基本理解地基基础上部结构 共同作用概念,教学目的要求,4,1.地基基础设计原则,重点 地基基础设计基本规定，各种地基特点、各基础类型选取原则 难点 涉及规范多、表格多, 地基基础上部结构共同作用概念 疑点 1、概率极限状态设计法与极限状态设计原则 2、荷载组合牵涉到的承载能力极限状态和正 常使用极限状态,5,1.地基基础设计原则,基础工程设计目的 设计等级 设计状况 基础工程设计任务 基础结构作用效应分析 基础结构抗力及其他性能分析,1.1 概 述,6,1.地基基础设计原则,设计等级（安全等） 土木工程结构设计时，根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命，造成经济损失，产生社会影响等）的严重性 ，采用不同的安全等级，见书P6-7相关表格，其中地基基础设计分甲、乙、丙三个等级 。,1.1 概 述,7,地基基础设计等级,建筑地基基础设计规范GB50007-2002,8,1.地基基础设计原则,设计状况 设计工作寿命 ：在设计规定的期限内，结构或结构构件只需进行正常的维护便可按其预定的目的使用，而不需进行修理加固，（见表1-6）。 设计状况：根据具体的基础安全等级，结构设计工作寿命分类。 持久状况：在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况。持续期一般与设计工作寿命为同一数量级。需承载能力极限和正常使用极限状态设计。 短暂状况：在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计工作寿命相比，持续期很短的状况，如施工和维修等。需承载能力极限可正常使用极限状态设计。 偶然状况：在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾，爆炸、撞击等。需承载能力极限可不按正常使用极限状态设计。,1.1 概 述,基础工程设计目的？,9,1.地基基础设计原则,设计任务 基础结构作用效应分析 确定由于地基反力、上部结构荷载作用在基础结构上的作用效应。即基础结构内力：弯矩、剪力、轴力等 。 基础结构抗力及其他性能分析 根据拟定的基础截面进行基础结构抗力及其它性能的分析，确定基础结构截面的承受能力及其性能。（按两种极限状态、最不利荷载组合）。,1.1 概 述,10,1.地基基础设计原则,概率极限设计法与极限状态设计原则 概率极限设计法 极限状态 地基基础设计原则 地基基础设计资料 地基基础设计基本规定,1.2 地基基础设计原则,11,1.地基基础设计原则,概率极限设计法与极限状态设计原则 概率极限设计法 概率极限设计法：又称可靠性分析设计。 可靠性含义：就是指系统在规定的时间内,在规定的条件下完成预定功能的概率。系统不能完成预定功能的概率即是失效概率。这种以统计分析确定的失效概率来度量系统可靠性的方法即为概率极限设计方法。,1.2 地基基础设计原则,12,1.地基基础设计原则,概率极限设计法与极限状态设计原则 极限状态：整个结构或结构构件超过某一特定状态不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态称为该功能的极限状态。分两类:详见p8 承载能力极限状态 ：这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形或变位的状态。指结构强度不足或失稳。 正常使用极限状态 ：这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项限值的状态。,1.2 地基基础设计原则,13,1.地基基础设计原则,概率极限设计法与极限状态设计原则 地基基础设计原则 p fa 原则（承载力验算基础底面的压力小于地基的承载力特征值）， 各级建筑均应进行承载力计算，防止地基土体剪切破坏；经常承受水平荷载的高层建筑、构筑物以及基坑工程的稳定性验算 ss原则（变形验算地基及基础的变形值小于建筑物要求的沉降值） 需按基本规定验算 基础结构强度、刚度和耐久性满足要求 另外力求灾害荷载（地震，风载等）时，经济损失最少。,1.2 地基基础设计原则,14,1.地基基础设计原则,地基基础设计资料 上部结构资料 ：按行业相关规范计算的传至基础顶面的荷载（包括轴力、剪力和弯矩）。 岩土工程勘察资料(见书)：重视验槽工作。 原位测试资料 :地基承载力、单桩竖向承载力以及地基压缩模量和变形模量的原位测试报告等。,1.2 地基基础设计原则,15,地基、基础、上部结构的常规分析简图,上部结构(墙、柱)与基础相连系，基础底面直接与地基相接触，三者组成一个完整的体系，在接触处传递荷载， 若将三者在界面处分开，满足静力平衡条件，,16,1.地基基础设计原则,地基基础设计基本规定（按照基本规定遵循原则设计） 所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定； 甲级、乙级建筑物、均应按地基变形设计； 表1-8所列范围内的丙级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薄不均的填土，其自重固结未完成时。 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建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性； 基坑工程应进行稳定性验算； 当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在地下室上浮问题时，尚应进行抗浮验算。,1.2 地基基础设计原则,17,1.地基基础设计原则,基础工程设计 基础工程设计前：根据前述“地基基础设计基本规定”，对地基的强度、变形、稳定性进行验算。 基础内力计算：是根据基础顶面作用的荷载，基础底面土体的反力作为外荷载，运用静力学、结构力学的方法求解而进行 。 基础顶面作用的荷载分析：要考虑多种荷载同时作用在基础顶面的荷载组合，又要按承载力极限状态和正常使用状态分别进行组合，并取各自的最不利组合进行设计计算。设计时所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力或限值应符合前述相应规范的有关规定。 荷载效应组合的规定：（见书p14）,1.2 地基基础设计原则,18,1.地基基础设计原则,1.2 地基基础设计原则,荷载效应组合补充 1）基本组合是属于承载力极限状态设计的荷载效应组合，它包括以永久荷载效应控制组合和可变荷载效应控制组合，荷载效应设计值取两者的大者，两者中的分项系数()取值不同。 2）标准组合（c）是属于正常使用极限状态设计的荷载效应组合。标准组合在某种意义上与过去的短期效应组合相同，主要用来验算一般情况下构件的挠度、裂缝等使用极限状态问题。（ 5左右） 3) 准永久组合（q）也是属于正常使用极限状态设计的荷载效应组合。在某种意义上与过去的长期效应组合相同，其值等于荷载的标准值乘以准永久值系数。它考虑了可变荷载对结构作用的长期性。在设计基准期内，可变荷载超越荷载准永久值的概率在50左右。准永久组合常用于考虑荷载长期效应对结构构件正常使用状态影响的分析中。最为典型的是：对于裂缝控制等级为2级的构件，要求按照标准组合时，构件受拉边缘混凝土的应力不超过混凝土的抗拉强度标准值，在按照准永久组合时，要求不出现拉应力。,19,可变荷载Qi的组合值系数，按现行建 筑结构荷载规范GB50009规定取值。,正常使用极限状态下荷载效应的标准组合Sk为：,式中 SGk按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值； SQi k按可变荷载标准值Qi k计算的荷载效应值；,荷载效应的准永久组合值Sk应用下式表示:,准永久值系数按现行建筑结构荷载规范GB50009的规定取值。,荷载效应组合一般规定,1.2 地基基础设计原则,20,永久荷载的分项系数按GB50009的规定取值；,对由永久荷载效应控制的基本组合，也可采用简化规则，荷载效应基本组合的设计值按下式确定：,承载能力极限状态下由可变荷载效应控制的基本组合设计值应用下式表达,式中 R 结构构件抗力的设计值按有关建筑结构设计 规范的规定确定； Sk 荷载效应的标准组合值。,第i个可变荷载分项系数按GB50009的规定取,0,荷载效应组合一般规定,1.2 地基基础设计原则,21,1.地基基础设计原则,1.2 地基基础设计原则,基础顶面作用的最不利荷载组合 柱控制截面上最不利内力的类型为 + Mmax及相应的N、V； - Mmax及相应的N、V Nmax及相应的M、V； Nmin 及相应的M、V 对于大偏心受压的情况，当弯矩M相等或相近时，轴力愈小所需配筋愈多，对于小偏心受压的情况，当弯矩M相等或相近时，轴力愈大所需配筋愈多；不论是大偏心受压还是小偏心受压的情况，当轴力N相等或相近时，弯矩M愈大所需配筋愈多 ； 为了施工的简便以及为了避免施工过程中可能出现的错误起见，框架柱通常采用对称配筋。此时，第（l）、（2）两组最不利内力组合可合并为弯矩绝对值最大的内力|Mmax|及相应的轴力N 、V 。,22,1.地基基础设计原则,(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，传于基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值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，荷载效应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其荷载分项系数为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，采用相应的荷载分项系数。 (5)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。 (6) 结构重要性系数0取值不应小于1.0。,1.2 地基基础设计原则,设计时所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力或限值应符合相应规范的有关规定：,23,23,1.地基基础设计原则,1.3 地基类型,天然地基 土质地基 岩石地基 特殊土地基 人工地基 复合地基,24,1.地基基础设计原则,1.3 地基类型,天然地基 土质地基 ：土质地基一般是指成层岩石以外的各类土 ，基本分为碎石土、砂土、粉土和粘性土几大类。 碎石土和砂土：划分应符合表1-9、表1-10的规定。 粉土：粒径大于0.075mm的颗粒不超过全部质量50，且塑性指数等于或小于10的土。 粘性土：当塑性指数大于10，且小于或等于17时，应定为粉质粘土；当塑性指数大于17时，应定为粘土。 土质地基下限值 ：竖向压应力值等于0.1cz时某一深度。 土质地基优点：处于地壳的表层，施工方便，基础工程造价较经济，是房屋建筑，中、小型桥梁、涵洞、水库、水坝等构筑物基础经常选用的持力层。,25,1.地基基础设计原则,1.3 地基类型,天然地基 岩石地基：当岩层距地表很近，或构筑物荷载通过基础底面传给土质地基，地基土体承载力、变形验算不能满足相关规范要求时，则必需选择岩石作为基础的持力层，就称该地基为岩质地基。例如我国南京长江大桥的桥墩基础，三峡水库大坝的坝基基础等。 分类：根据风化程度岩石分为未风化、微风化、中等风化、强风化、全风化。不等的风化等级对应不同的承载能力。 优点；它们具有足够的抗压强度，颗粒间有较强的连接，基本属于连续介质。它较土粒堆积而成的松散介质的力学性能优越许多。硬质岩石的饱和单轴极限抗压强度可高达60MPa以上，软质岩石的数值也在5MPa不等。其数量级与土质地基的kPa单位相比，可认为扩大10倍以上，当岩层埋深浅，施工方便时，它应是最先首选的基础工程持力层。 主要不良地质现象： 1、岩溶 2、滑坡 3、危岩和崩塌 4、泥石流 5、采空区 6、地面沉降 7、地震效应 8、活动断裂。,26,1.地基基础设计原则,1.3 地基类型,天然地基 特殊土地基：由于生成时不同的地理环境、气候条件、地质成因以及次生变化等原因，使一些土类具有特殊的成分、结构和工程性质。通常把这些具有特殊工程性质的土类称为特殊土。特殊土种类很多，大部分都具有地区特点，故又有区域性特殊土之称 。 分类 ：p16-18湿陷性黄土 、膨胀土地基、冻土地基（有的伴有盐渍冻土）、红粘土 。 工程特性：触变性、流变性、高压缩性、低强度、低透水性、不均匀性。,27,1.地基基础设计原则,1.3 地基类型,人工地基若天然地基软弱，一般指软土地基,承载力和变形不能满足设计要求时，需对其进行加固处理的(如置换、夯实、挤密、排水固结、加筋和化学处理等方法等处理) 地基。 软粘土:土质地基中含水量大于液限，孔隙比e1.5或1.0e1.5的新近沉积粘性土,为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土、淤泥混砂、泥炭及泥炭质土，具有强度低、压缩性高、透水性差、流变性明显和灵敏度高等特点，都称之为软粘土.,28,1.地基基础设计原则,1.3 地基类型,复合地基在软土地基或松散地基（回填土、杂填土、松软砂）中设置由散体材料（土、砂、碎石）等或弱胶结材料（石灰土、水泥土等）构成加固桩柱体（亦称增强体），与桩间土一起共同承受外荷载，这类由两种不同强度的介质组成的人工地基，称为复合地基。 复合地基的桩柱体与桩基础的桩区别:前者是人工地基的组成部分，起加固地基的作用,桩柱体与土协调变形，共同受力，两者是彼此不可分割的整体。后者将结构荷载传递给深部地基土层，桩可单独承受外荷载，由刚度大的材料组成且与承台或上部结构作刚性连接。 置换作用:桩柱体通过排水、挤土或原位搅拌等方式，使一部分地基土被置换为或转变成具有较高强度和刚度的增强体，这种作用称为置换作用。 挤密作用：在成桩过程中砂石桩的排水作用，石灰桩的膨胀吸水作用对桩间土形成侧向挤压作用使土质得以改善，这种作用称之为挤密作用。,29,1.4 基础类型,30,1.4 基础类型,浅基础：5m，施工一般采用敞开挖基坑修筑基础的方法，故亦称为明挖基础。设计计算时可以忽略基础侧面土体对基础的影响，基础结构形式和施工方法也较简单。天然地基浅基础由于埋深浅，结构形式简单，施工方法简便，造价也较低，因此是建筑物(最)常用的基础类型。 深基础： 5m考虑侧面土体对基础的影响，需要特殊工艺施工技术。,31,浅基础分类,32,1.地基基础设计原则,柱下单独基础 墙下单独基础,十字 交叉梁基础,梁板或平板 式筏形基础,柱下条形基础 墙下条形基础,桩基础 沉井基础 沉箱基础,1.4 基础类型,箱形 基础,33,1.地基基础设计原则,图1.1 柱下单独基础,1.4 基础类型,柱下单独基础:是柱基础的最经济型式,有无筋和配筋两种,34,墩下刚性扩大基础,墩下单独基础:是墩基础的最经济型式,有无筋和配筋两种,35,1.地基基础设计原则,图1.2 墙下单独基础,1.4 基础类型,36,1.地基基础设计原则,图1.3 柱下条形基础,1.4 基础类型,特点：抗弯刚度大，具有调整不均匀沉降的能力。 适用条件：地基较软，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相碰时。,37,1.地基基础设计原则,图1.4 墙下无筋扩展条形基础,1.4 基础类型,墙下条形基础是墙基础的最经济型式：有无筋和配筋两种，设于砖墙或剪力墙下。,38,挡土墙下条形基础,柱下加腋条形基础,1.4 基础类型,在桥梁条形基础中，一般是做成刚性基础，个别的也可做成柔性基础。,39,1.地基基础设计原则,图1.5 十字交叉梁基础,1.4 基础类型,特点：抗弯刚度大，具有调整不均匀沉降的能力。 适用条件：地基较软，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相碰时。,40,筏形基础是指在建筑物的所有柱墙下面用钢筋混凝土做一块连续的整片基础，也称筏板基础，俗称“满堂红基础”。有平板式和梁板式。,特点：基底面积大。整体性好，调整不均匀沉降能力强，抗震性好 适用条件：“硬壳层“持力层，较均匀软弱地基上6层及其以下承重横墙密集的民用建筑。,1.4 基础类型,41,1.地基基础设计原则,图1.6 箱形基础 （由顶、底板与内、外墙等组成、并由钢筋砼整浇而成空间整体结构）,1.4 基础类型,特点：显著减少基底压力，降低基础沉降，抗震性能好，钢筋水泥用量较大，工期长，造价高，基坑施工及护壁，对周围环境影响 适用条件：高层建筑,42,1.地基基础设计原则,基桩直径2.2m,长度80m,钻孔长度近90m,1.4 基础类型,图1.7 某公路大桥主桥南塔的桩基础,43,43,1.地基基础设计原则,井筒状的结构物 在井壁的围护下从井内挖土 在自重作用下逐渐下沉 封底封顶形成的深基础,1.4 基础类型,图1.8 沉井基础,44,沉井施工主要程序示意图,45,地下连续墙施工过程示意图,沉箱基础现在应用不多，自己看书,46,回 顾,天然地基：没有经过人为加固处理的地基,人工地基：需人工加固的软弱地基,浅基础：5m，用一般方法、工艺施工,深基础：(桩基、沉井)，特殊工艺施工,方案组合,天然地基,人工地基,浅基础,深基础,方案选择,造价低 易施工 安全合理 技术先进,47,1.地基基础设计原则,1.4 基础类型,常见浅基础特点总结,单独基础 柱下条形基础 筏形和箱形基础,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,48,建筑物地点的土质条件和建筑物对不均匀沉降的敏感性不同，需要采取的地基基础方案不同。(天然的或人工地基、不同类型的基础）。如对于单层装配式工业厂房和油罐等，可采用柔性基础；对于混合结构和框架结构等，可采用有限刚度基础；对于筒仓结构、高层建筑和桥梁墩台等，可采用刚性基础。,基础方案与考虑因素,地基基础设计一般要考虑以下因素(下一章学习) ： (1)建筑基础所用的材料及基础的结构形式； (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、地下管道的关系 (5)上部结构的类型、使用要求及其对不均匀沉降的敏感性。,49,1.地基基础设计原则,图1-9 共 同 工 作 概 念,地基 基础 上部结构,图1.9不均匀沉降引起砌体开裂,1.5 地基、基础与上部结构共同工作,50,上部结构、基础和地基 共同作用的概念 上部结构(墙、柱)与基础相连系，基础底面直接与地基相接触，三者组成一个完整的体系，在接触处既传递荷载，又相互约束和相互作用。 若将三者在界面处分开，则不仅各自要满足静力平衡条件，还必须在界面处满足变形协调、位移连续条件。,51,1.地基基础设计原则,1.5.1 共同工作的概念 上部结构刚度的影响,上部结构为绝对刚性，将约束基础变形，这种情况，基础犹如支承在把柱端视为不动铰支座上的倒置连续梁，以基底反力为荷载，仅在支座间产生局部弯曲。,上部结构为完全柔性，对基础变形约束作用很小，基础产生整体弯曲,图1.11 上部结构刚度影响示意图,52,1.地基基础设计原则,1.5.2 地基与基础的相互作用,柔性基础:随地基变形而任意弯曲，基底反力分布与基础上荷载分布相同，无力调整基底的不均匀沉降。当荷载均匀分布时，反力也均匀分布，而地基变形不均匀，呈中间大两侧递减的凹曲变形。显然，要使基础沉降均匀则荷载与地基反力必须按中间小两侧大的抛物线分布。,图1.12 柔性基础,53,1.地基基础设计原则,1.5.2 地基与基础的相互作用,刚性基础:在荷载作用下基础不产生挠曲，基底平面沉降后仍保持平面，基底反力分布有多种形态: 当把地基土视为完全弹性体时，基底的反力分布将呈的分布形式。 实际的地基土仅具有很有限的强度，基础边缘处的应力太大，土要屈服以至发生破坏，部分应力将向中间转移，于是反力的分布呈即马鞍形的分布。 就承受剪应力的能力而言，基础下中间部位的土体高于边缘处的土体、因此当荷载继续增加时，基础下面边缘处土体的破坏范围不断扩大，反力进一步从边缘向中间转移。其分布形式就成为即钟形的分布。 如果地基土是无粘性土，没有粘结强度，且基础埋深很浅，边缘处土体所受的压力几乎可以不计，该处土不具有强度，也就不能承受任何荷载，因此反力的分布就可能成为即抛物线的分布。,图1.13 刚性基础,54,有限刚性体：如果基础不是绝对刚性体而是有限刚性体，在上部结构传来荷载和地基反力共同作用下，基础要产生一定程度的挠曲，地基土在基底压力作用下产生相应的变形。基底反力的分布形状取决于基础与地基的相对刚度，基础的刚度愈大，地基的刚度愈小，则基底反力向边缘集中的程度愈高。,考虑上部结构基础地基共同作用分析法基本原则：要求考虑上部结构、基础和地基的共同作用，使三者之间不仅要满足静力平衡条件，而且必须满足变形协调条件，以保证建筑物和地基变形的连续。但这样的设计方法非常复杂。,55,按静力平衡条件将上部结构与基础分割开，用结构力学方法求出柱端作用力，并反向作用加于基础上，并选用合适地基土模型。基础成为放在地基模型上的承载结构。基础地基共同作用必须满足两者变形协调的要求。这类方法的计算结果与实际情况仍然有所差别： 不考虑上部结构的刚度贡献，导致地基变形量偏大，因而基础内力也偏高，这是偏于安全方面； 没有考虑基础的变形会引起上部结构产生附加应力与变形，这是偏于不安全方面。因此这类方法较适用于上部结构刚性较小而基础刚度较大的情况。,考虑基础地基共同作用分析法,56,假定基础底面反力呈直线分布的结构力学方法，分析时将上部结构、基础与地基按静力平衡条件分割成三个独立部分求解。只满足静力平衡条件，常用的分析方法有静定分析法、倒梁法和倒楼盖法等。适用于地基刚度很大、变形量很小，或结构刚度很大、基础的挠度很小等情况。,不考虑共同作用分析法 常规设计方法,57,图 1.10 地基、基础、上部结构的常规分析简图,58,1.地基基础设计原则,1.5.3 线性变形体的地基计算模型,文克勒地基模型,文克尔(Cwinkler，1867)地基模型假定地基土界面上任意一点的沉降s与该点所