建筑结构原理及设计教学课件PPT地基和基础.ppt

1 建筑结构原理及设计 第八章地基和基础结构 制作 重庆南方翻译学院邹定祺 2 建筑结构原理及设计 第八章地基和基础结构 制作 重庆南方翻译学院邹定祺 3 建筑物的全部荷载均由其下的地层来承担 受建筑物影响的那一部分地层称为地基 建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础 建筑物 上部结构 基础 地基 地基及基础的概念 4 地基及基础的重要性 组成地层的土或岩石是自然界产物 建筑物建造在地层上面 所以建筑物场地的工程地质条件是决定地基基础设计和施工的先决条件 建筑物的地基和基础是建筑物的根本 它们一旦出现问题 建筑物的安全和正常使用必然受到影响 建筑物的事故 绝大多数都与地基和基础有关 5 第八章地基和基础结构 8 1地基土的分类和工程特性土是由矿物颗粒 固相 水 液相 和空气 气相 三部分组成的三相体系 1 基本物理指标土的相对密度ds 含水量w和重度 由实验室直接测定 2 换算指标 可由基本物理量换算得到土的干密度 d 饱和密度 sat 有效密度 孔隙比e 饱和度st 物理指标 6 7 3 反映粘性土塑性性质的指标0缩限ws塑限wp液限wl含水量w固态半固态可塑状态流动状态塑想指数 lp wl wp 8 1 1 液性指数 ll w wp wl wp w wp lp 8 1 2 4 渗透系数k8 1 2地基土的工程分类按 建筑地基基础设计规范 土划分为 碎石土 砂土 粉土 粘性土四大类 1 碎石土 碎石土为粒径大于2mm的颗粒含量超过全重50 的土 碎石土可按粒组含量和颗粒形状分为漂石 块石 卵石 碎石 圆砾和角砾 2 砂土 砂土为粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50 粒径大于0 075mm的颗粒超过全重50 的土 砂土可分为砾砂 粗砂 中砂 细砂和粉砂 3 粉土 粉土为塑性指数ip 10且粒径大于0 075mm的颗粒含量不超过全重50 的土 它介于砂土与粘性土之间 4 粘性土 粘性土是塑性指数ip大于10的土 按表17 2分为粘土 粉质粘土 8 8 1 3土的工程特性指标1 压缩性指标土的压缩性高低 常用压缩性指标定量表示 压缩性指标 通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样 进行室内压缩试验测定 9 10 e p压缩曲线 压缩系数a e 为空隙比值 为了便于比较 通常采用压力段由p1 100kpa增加到p2 200kpa时的压缩系数a1 2来评定土的压缩性如下 p 压应力 11 2 抗剪强度 1 粘性土的抗剪强度 其抗剪强度 由凝聚力c和c 内摩擦角 两部分组成 粘性土的内摩擦角值因粘粒含量增多而减少 另外 浸水后粘性土的抗剪强度降低 例如 土质边坡在雨季时经常失去稳定 发生大面积滑坡 2 无粘性土的抗剪强度 无粘性土的透水性强 颗粒间无凝聚力 0 12 3 地基承载力地基承载力是指地基上单位面积承受荷载的能力 荷载的增加使地基变形相应增大 同时地基承载力也逐渐增大 这是地基土的重要特性 由于建筑物的使用功能要求 不允许发生过大的沉降或沉降差变形 但往往是当变形达到或超过正常使用的限值时 地基土抗剪强度仍有富余 所以 地基承载力是地基按正常使用极限状态设计时单位面积所能承受的最大荷载值 地基承载力即地基允许承载力 13 14 15 16 8 1 4软弱地基处理软弱地基是指主要由淤泥 淤泥质土 填土 杂质土或其他高压缩土土层构成的地基 软弱土含水量高 孔隙比较大 抗剪强度低 压缩性较高 渗透系数很小等工程特性 主要处理方法有 换垫层法 预压法 强夯法 深层密实法和深层搅拌法 8 2地基基础设计基本规定1 建筑地基基础设计等级建筑地基基础设计等级分为甲 乙 丙三级 如书中表8 2 1所列 17 2 地基设计原则 1 地基承载力计算 2 变形验算 3 稳定性验算3 荷载效应组合和抗力取值8 3地基计算1 地基承载力计算 1 基础埋置深度 2 地基承载力计算1 荷载效应组合和抗力取值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标准组合值sk p62 公式4 3 8 计算 抗力计算应采用地基承载力特征值fak或修正后的地基承载力特征值fa 基础的埋深 18 2 承载力计算nk 轴心荷载作用时认为基础底面的压应力均匀分布 pk承载力计算公式为 pk fa 8 3 1 nk 偏心荷载作用时vkmk认为基础底面的压应力值为非均匀的线性分布 承载力计算公式为 pk max pk min 2 fa 8 3 2 pk maxpk minpk max 1 2fa 8 3 3 19 2 变形验算 1 建筑物地基的变形特征分四种主要类型 沉降量 沉降差 倾斜和局部倾斜 2 地基变形允许值 表8 3 1 3 变形验算计算沉降等变形时 传至基础底面的荷载效应值应按正常使用极限状态下荷载效应准永久值sq计算 不应计入风荷载和地震作用 计算地基的最终变形量 是把地基沉降计算范围内的土层划分为若干分层 计算各分层的压缩量后求其总和 20 有时要分别预估建筑物地基在施工期间和使用期间的变形值 3 稳定性验算有两类建筑物需要验算稳定性 经常承受水平荷载的建筑和高耸结构物 建造在斜坡上的建筑物和构筑物 8 4基础结构型式及应用8 4 1浅基础浅基础按结构型式可分为 独立基础 条形基础 筏形基础 箱形基础等 根据材料又可分无筋扩展基础 扩展基础 21 22 扩展基础 钢筋混凝土基础 23 墙下条基 柱下条基 可形成井格形 24 施工中的柱下条形基础 25 框架柱下条形基础 26 独立柱式基础 27 28 片筏基础 29 箱型基础 壳体基础 30 8 4 2桩基础桩基础承载原理 一是桩身和侧向土体的摩擦作用向周围土体扩散荷载 二是通过桩端阻力把荷载传至坚硬的土层 按承载作用机理桩可分为摩擦型桩和端承型桩 按受力状态 桩基可分为抗压桩 抗拔桩 水平受荷桩和复合受荷桩等 桩基中的桩型有预制钢筋混凝土桩 预应力混凝土管桩 钢管桩及混凝土灌注桩等 31 32 桩承基平台 33 8 5无筋扩展基础无筋扩展基础通常是指由砖 石 混凝土或毛石混凝土 灰土 三合土等材料建造的基础 也称刚性基础或大放脚基础 适用于六层和六层以下的房屋建筑和砖墙承重的厂房 设计无筋扩展基础时 先根据地基承载力要求 式8 3 1 确定基础的底面尺寸 再按构造要求 其底面宽度应满足下式要求 b b0 2h0tan 8 5 1 混凝土基础底面处的平均压应力超过300kpa时 应进行抗剪验算 v 0 7fta 8 5 2 34 8 6扩展基础1 一般构造要求 2 扩展基础设计计算 1 墙下条形基础可取条形基础长度方向l 1m的范围作为计算单元 1 底板宽度b基础顶面的竖向力为fk 基础和基础上方回填土的平均重度为 一般取20kn m3 基础埋深为d 底面积为a lb 取l 1m 则基础自重和基础上方的土自重标准值 gk ad修正后的地基承载力的特征值为fa 一般假定轴心受 35 36 压基础底面的压应力pk均匀分布 则应满足 pk fk gk a fa 8 6 1 故b fk fa d 8 6 2 b1 f纵向分布钢筋2 基础高度h0受力钢筋上部传至基础顶面的竖向力为fh0h0则地基土单位面积净反力 aspj bpj f b 8 6 3 a1 底板最大剪力 v pjb1 2 8 6 4 pj设计时一般先确定基础高度h0 pja1 2再按下式验算vv 0 7fth0 8 6 5 mpja12 2 3 底板受力钢筋的计算m pja12 2每米长度基础板内的受力钢筋截面面积为 as m 0 9h0fy 8 6 7 例8 6 1 某教学楼墙下条形基础埋深d 0 9米 设置混凝土垫层 已知砖墙厚370mm 墙身传至基础顶面的可变荷载标准值qk 30kn m 永久荷载标准值gk 115kn m 修正后的地基承载力特征值fa 110kn m2 试设计该基础 不设肋梁 解 根据构造要求 墙身放脚60mm 采用c20混凝土 ft 1 1n mm2 hpb235级钢筋 fy 210n mm2 基础及填土重度 20kn m3 37 3700 0000 0200 6 250700900300100200b1 10 120b 1800 1 基础宽度fk qk gk 30 115 kn m 145kn mb fk fa d 145 110 20 0 9 1 58m取b 1 8m 38 2 基础高度按构造要求 基础高度不宜小于300mm 现取h0 300mm 边缘高度200mm 轴心压力设计值f 1 2gk 1 4qk 1 2 115 1 4 30 180kn m基础底面净压应力pj f b 180 1 8 100kn m2b1 1 8 0 37 2 0 72m设计剪力值v pjb1 2 100 0 72 2 36kn 39 基础有效高度h0 v 0 7bft 36 103n 0 7 1800mm 1 10n mm2 26mm基础板高度 p343混凝土保护层厚度 h0 h0 c 26mm 40mm 66mm 300mm设定的h0值满足要求 h0 300 40 5 mm 255mm 3 基础底板配筋设计弯矩值a1 b1 0 06m 0 72 0 06 m 0 78mm pja12 2 100kn m2 0 78m 2 2 30 4kn m每米长度基础底板所需受力钢筋 40 41 as m 0 9h0fy 30 4 106 0 9 250 210 631mm2查附录a 1选用 10 120 as 654mm2 分布钢筋选用 6 250 2 独立柱基础一般 基础承受偏心受压荷载 fk gk基础底面积a b l mk1 基础底面尺寸b偏心受压基础底面土压力为fk gkeb 6截面模量 偏心距e mk fk gk 3a 42 当e b 6时 pk min取为0 同时pk max按下式计算 pk max 2 fk gk 3la 8 6 9 偏心受压基础底面尺寸的确定 利用试算法 先用fk gk按轴心受压基础计算底面面积a 然后取它的1 2 1 4倍作为偏心受压基础的底面积估算值 基础长边与短边之比b l的值不应大于2 0 一般可取1 2 1 5 然后计算基础底面土的压应力 并检验是否同时符合式 8 3 2 和式 8 3 3 的要求 若不符合 须调整底面尺寸重新验算 2 基础高度h0如果独立柱基础高度不足 将发生冲切破坏 冲切破坏锥体有四个梯形斜向冲切面 43 nnmmh0h045o45o45opjpjh0h0bbb1bbb1h045oh0设计时 可仅对地基净反力较大 受冲切面积最小的一侧冲切面进行冲切承载力验算 验算公式如下 f1 0 7 bftbmh0 8 6 10 44 bm b1 bb 2 8 6 11 f1 p1a 8 6 12 a 上图中阴影面积相应于荷载效应基本组合的基础底面边缘最大 最小地基反力设计值pj max pj min按下式计算 pj max f a m w 8 6 13a pj min f a m w 8 6 13b 3 基础底板配筋在土反力的作用下 独立基础底板的两个方向都发生弯矩 受力钢筋应沿双向按计算配筋 沿基础长边方向的钢筋应放置在短边钢筋的下层 底板弯矩的计算可以简化 按柱与基础底板交接处或变阶处挑出的倒置悬臂板计算 当台阶的高宽比不大于2 5和偏心距不大于1 6基础宽度时 基础板任意截面的弯矩可按下式计算m a12 2l a pj max pj pj max p l 12 8 6 14 fm l a 2b b pmax pj 48m 8 6 15 a1 as m 0 9h0 fy 8 6 16 pj max pj minas m 0 9h0 fy 8 6 16 lb 45 b a h a 例8 6 2 设计现浇柱下独立基础 基础埋深d 1 3m 设置混凝土垫层 c15 柱上传来轴向压力fk 715kn f 960kn 力矩mk 208kn m m 285kn m 剪力vk 26kn v 35kn 柱截面尺寸400 600mm2 混凝土强度等级c25 hrb335钢筋 修正后的地基承载力特征值fa 195kn m2 解 1 根据埋置深度和构造要求 初步确定基础高度h0 800mm 底板边缘高度200mm 2 确定基础底面尺寸先按轴心受压计算基础底面面积a fk fa d 715kn 195kn m2 20kn m3 1 3m 4 23m2 46 预估基础底面面积为其1 2 1 5倍 大致为5 1 5 9m2 现选b 3 0m l 2 0m 则a 3 0 2 0 6米m2 所以gk ad 20kn m3 6 0m2 1 3m 156knw lb2 6 2 0m 3 0m 2 6 3 0m3基础底面边缘最大 最小压应力pk max fk gk a mk vkh0 w 715kn 156kn 6 0m2 208kn m 26kn 0 8m 3 0m3 221 5kn m2 1 2fa 234kn m2pk min fk gk a mk vkh0 w 68 9kn m2 fa 195kn m2满足要求 47 1150a600a1ab1150 255003002753508504009502002000 200 10015001500 1003000100425500300150027530009251500525fmv250200012350800h04501000 1500150050200h16 1013 12264 3kn m255 7kn m23000200180 9kn m2 48 3 验算基础高度该基础可能形成冲切破坏的锥体面有变阶处锥体斜面1 高度550mm 柱边锥体斜面2 高度800mm 地基净反力pj max f a m vh0 w 960 6 0 285 35 0 8 3 0 264 3kn m2pj min f a m vh0 w 55 7kn mm2按比例可算得相应于柱边 变阶处的地基净压应力值如图中所示 分别为180 9kn m2 200kn m2 49 1 变阶处高度验算h0 550mm 40 10 mm 500mm 保护层厚40mm 钢筋直径10mm al 400mm 2 275mm 950mmab 950mm 2 500mm 1950mmam al ab 2 1450mm考虑冲切荷载基础底面多边形面积aa 2 0m 0 425m 2 0 025m 2 2 0 85m2冲切荷载lfl pja 264 3kn m2 0 85m2 224 7kn h 1 0 ft 1 27n mm2 则由公式8 6 100 7 hftamh0 0 7 1 0 1 27 1450 500 644 5kn fl 224 7kn满足要求 50 2 柱边缘基础高度验算 51 5045o750a4