【土力学与地基基础】第七章 浅基础设计.ppt

第七章浅基础的常规设计 1概述一 几个概念上部结构 指地表以上的建筑物基础 指地表以下的结构地基 受到上部结构和基础荷载影响的土 岩 层地基分类 天然地基 未经加工处理的地层人工地基 经过加工处理的地层基础分类 浅基础 基础的埋置深度小于基础宽度深基础 基础的埋置深度大于基础宽度地基基础方案 1 天然地基 人工地基 上的浅基础2 深基础 天然地基 主要介绍桩基础3 深浅结合基础 桩 筏基础 桩 箱基础 浅基础的特点 1 施工角度 开挖基坑过程中 降低地下水位和维护坑壁稳定的问题易于解决2 设计角度 设计过程中 只考虑基础底面以下土层的承载能力 而忽略基础侧面土的竖向承载能力3 经济角度 基础埋深小 工程量小 易于施工 最为经济 如满足要求 宜优先考虑二 地基基础设计的内容与步骤1 选择基础的材料 类型 进行基础平面布置2 选择基础持力层和基础埋置深度3 确定地基承载力特征值4 按地基承载力确定基础底面尺寸5 必要时进行地基变形与稳定性验算6 进行基础结构和构造设计7 绘制基础施工图 提出施工说明 三 地基基础设计方法作为简化的常规设计法 在工程设计中 通常把上部结构 基础和地基三者分离开来 分别对三者进行计算 视上部结构底端为固定支座或固定铰支座 作用在基础顶面 不考虑荷载作用下各墙 柱端部的相对位移 基础底部的地基反力呈直线分布 并按此进行基础内力分析 地基土上部作用线性分布的基底压力 按此进行地基土承载力和沉降验算四 地基基础设计基本规定 原则 我国现行 建筑地基基础设计规范 中 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用的程度 将地基基础设计分为三个等级 见p154表7 1 基本规定 1 各级建筑物均应满足地基承载力计算要求 满足对基础结构的强度 刚度和耐久性的要求 2 设计等级为甲级 乙级的建筑物 均应进行地基变形设计验算3 p154表7 2所列范围内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 仍应作变形验算 1 地基承载力特征值小于130kpa 且体型复杂的建筑物 2 在地基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 3 软弱地基上的建筑物存在偏心荷载 4 相邻建筑距离过近 可能发生倾斜引起地基产生过大变形 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 以及边坡附近的建筑物和构造物 尚应验算其稳定性5 基坑工程应进行稳定性验算6 当地下水埋藏较浅 建筑地下室内或地下构造物存在上浮问题时 应进行抗浮验算 为保证建筑物的安全 地基基础必须满足下列要求 1 承载力要求 Pk faPk 基础底面的平均压力值 计算时采用荷载效应标准组合fa 修正后的地基承载力特征值2 正常使用要求 S s S 建筑物地基的变形值 s 建筑物地基的允许变形值五 地基基础实际所需资料1 建筑场地的地形图2 岩土工程勘察成果报告3 建筑物平面图 立面图 荷载 特殊结构物布置与标高4 建筑场地环境 相邻建筑物基础类型与埋深 地下管线分布5 工程总投资与当地建筑材料供应情况6 施工队伍技术力量与工期的要求六 荷载规定 作用在基础顶面上的荷载中心竖向荷载 偏心竖向荷载 中心竖向及水平向荷载 偏心竖向荷载和水平荷载荷载类型 一 静荷载 长期作用在基础上 是引起基础沉降的主要因素1 建筑物和基础自重2 固定设备重量3 土压力4 水压力 二 活荷载1 普通活荷载 只影响沉降 常见动力荷载 车辆荷载2 特殊活载 影响地基稳定性 常见有地震 风载 2浅基础的类型一 按基础材料分类 一 刚性基础特点 抗拉抗剪强度不高为了使基础内产生的拉应力 剪应力不大 需要限制基础沿柱或墙边挑出的宽度无筋扩展基础台阶宽高比的允许值 见p156表7 3 1 砖基础砖砌体具有一定的抗压强度 但抗拉抗剪强度低 一般基础底面以下先做10cm厚的混凝土垫层 一般可用作六层及六层以下的民用建筑和墙承重的厂房2 毛石基础毛石指未经加工凿平的未风化石料 由于毛石之间间隙较大 如果砂浆粘结的性能较差 则不能用于多层建筑物 且不宜用于地下水位以下 但毛石抗冻性较好 北方地区可用于七层以下的建筑物基础3 灰土基础灰土是用石灰和土料配制而成的 体积比3 7或2 8 在槽坑内分层夯实 灰土基础宜在计较干燥的土层中使用 其本身具有一定的抗冻性 在我国华北和西北地区 广泛用于五层及以下的民用房屋 4 三合土基础三合土是由石灰 砂骨料 矿渣 碎砖 碎石 加水混合而成 体积比1 2 4或1 3 6 均匀铺入坑槽内 分层夯实 三合土强度较低 一般只用于四层及以下的民用建筑5 混凝土基础混凝土基础抗压强度 耐久性和抗冻性比较好 常用于荷载较大的墙柱处 如在混凝土基础中埋入体积占25 30 的毛石 即成毛石混凝土结构 可节省水泥用量 二 柔性基础特点 承受力矩和剪力的能力较好常在荷载较大或地基较差的情况下使用钢筋混凝土基础 是良好的材料 其强度 耐久性和抗冻性都较好 以钢筋受拉 混凝土受压为特点 二 按结构形式分类1 独立基础 1 柱下独立基础所用材料 刚性材料 钢筋混凝土剖面形状 矩形 台阶状 锥形 杯口形平面形状 正方形 矩形 2 墙下独立基础相邻独立基础 用过梁连接 过梁承受上部墙荷载2 条形基础指基础的长度远大于宽度的基础形式 1 墙下条基所用材料 刚性材料 钢筋混凝土横剖面形状 矩形 台阶状 锥形 2 柱下条基柱下独立基础联成一条形成 3 十字交叉基础纵横柱下独立基础连在一起形成3 筏板基础当柱下十字交叉基础底面积占建筑物平面面积的比例较大时 或建筑物在使用上有要求 可在建筑物的柱 墙下方做成一块满堂板基础 筏板基础由于其底面积大 故可减小地基上单位面积的压力 提高地基承载力 并能更有效地增强基础的整体性 调整不均匀沉降4 箱型基础 补偿基础 由钢筋混凝土底板 顶板和纵横内外隔墙组成 形成一只刚度极大的箱体三 浅基础型式的选择1 地基承载力要求尽可能选择简单的基础型式 2 变形要求3 建筑物使用要求 3基础埋置深度的选择埋置深度 基础底面至设计地面的垂直距离浅基础埋深的原则 凡能浅埋的尽量浅埋 除岩石地基外 基础最小埋深不宜小于0 5m 影响基础埋深的因素 一 建筑物的用途 基础的形式和构造1 具有地下室或半地下室的建筑物 其基础埋深必须结合建筑物地下部分的设计标高来选定2 在基础影响范围内有地下管线分布时 基础埋深应低于这些设施的底面3 为保护基础不受人类和生物活动的影响 基础应埋置在地表以下 一般基础顶面应低于设计地面0 1m 同时又要便于建筑物周围排水沟的布置二 作用在基础上的荷载特征1 荷载大 埋深加大2 长期作用有较大水平荷载和位于坡顶 坡面的基础 应有一定的埋深 以确保基础的稳定性dmin b a tan 3 承受上拔力的结构 要求有一定的埋深 以提供足够的抗拔阻力 三 工程地质水文地质条件 一 工程地质条件基础应尽可能埋置在良好的持力层上 以满足建筑物对地基承载力和地基允许变形值的要求 当地基受力层范围内存在软弱下卧层时 软弱下卧层的承载力和地基变形也应满足要求在工程地质勘察报告中 已经说明了建筑场地的岩土体分布规律 性质 为持力层选择提供了依据 1 在建筑物影响范围内 自上而下均为良好土层 尽量浅埋2 自上而下都是软弱土层 基础难以找到良好的持力层 这时考虑人工地基或深基础3 上部为软弱土层 下部为良好土层 一般情况 软弱土层厚度小于2m 应选取下部土层 软弱土层厚度大 宜考虑人工地基或深基础4 上部为良好土层 下部为软弱土层 此时基础应尽量浅埋 二 水文地质条件 1 基础尽量埋置地下水位以上 以避免地下水对基坑开挖 基础施工和使用期间的影响2 基础埋深低于地下水位 则应考虑施工期间的降水 坑壁的支护以及是否可能产生流砂 涌土等问题对于具有侵蚀性的地下水 应采用抗侵蚀的水泥品种和相应的措施四 相邻建筑物基础埋深的影响1 靠近原有建筑物修建新基础 为了不影响原有基础的安全 新基础埋深最好不低于原有的基础2 如必须超过时 设计时应与原基础保持一定净距L 1 2 h3 如不能满足L 则施工期间应采取措施 如分段施工 设临时支撑等五 地基土冻胀和融陷的影响最小埋置深度 dmin zd hmaxZd 设计冻深hmax 基础下允许残留冻土的最大深度 4地基承载力特征值确定地基承载力特征值的方法 一 静载荷试验法确定地基承载力 一 某点上地基承载力特征值由现场载荷试验得到荷载p与沉降s的关系曲线 由此来确定地基承载力特征值 1 对于密实砂土 硬塑粘土等低压缩性土 1 取p s曲线上的比例界限荷载 作为承载力特征值 2 当极限荷载小于对应比例荷载值的2倍时 取极限荷载的一半作为承载力的特征值2 对于有一定强度的中 高压缩性土取s b 1 01 0 015所对应的荷载 作为承载力特征值 二 地基承载力特征值同一土层参加统计的试验点数不应少于3 当试验实测值的最大值与最小值的极差不超过平均值的30 取平均值作为地基承载力特征值 二 理论公式法确定地基承载力 一 规范推荐公式规范规定 当荷载偏心距小于或等于0 033倍基础宽度时 根据浅基础地基的临界荷载公式 确定地基承载力 fa Mbrb Mdrmd McCkfa 由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值Mb Md Mc 承载力系数 均为土的内摩擦角的函数 查表b 基础宽度 当基础宽度大于6m时按6m取值 对于砂土 小于3m时按3m取值d 基础埋置深度r 基础底面以下土的重度 地下水位以下取有效重度rm 基础底面以上土的加权平均重度Ck 基底下一倍宽深度内土的粘聚力标准值 二 极限承载力公式 三 按地基规范承载力表确定fak fo四 当地经验法确定地基承载力根据当地经验 进行类比判断承载力的方法五 修正后的地基承载力特征值从载荷试验或其它现场试验 经验值等方法确定的地基承载力特征值 应根据基础的埋深和基础宽度进行修正 fa fak br b 3 dro d 0 5 fa 修正后的地基承载力特征值fak 地基承载力特征值 b d 基础宽度和埋深的地基承载力修正系数 查p167表7 10b 基础宽度 当基础宽度大于6m时按6m取值 小于3m时按3m取值d 基础埋置深度r 基础底面以下土的重度 地下水位以下取有效重度ro 基础底面以上土的加权平均重度 5基础地面尺寸的确定一 按地基持力层的承载力计算基底尺寸 一 中心受荷基础根据规范要求 p fa基底压力 得到 对于方形基础 A bL b2对于矩形基础 A bL nb2 n L b 对于条基 A b 1 二 偏心受荷基础1 先按照中心荷载作用 计算基底初步尺寸Ao2 根据偏心距的大小 扩大Ao至A 1 1 1 4 Ao二 地基承载力验算 一 持力层承载力验算1 中心荷载作用下P fa2 偏心荷载作用下P faPmax 1 2faPmin 0 二 软弱下卧层承载力验算规范要求 软弱下卧层顶面处 自重应力 cz 附加应力 z 软弱下卧层承载力特征值fa下1 软弱下卧层顶面自重应力 cz cz rod rz2 软弱下卧层顶面附加应力 z按应力扩散原理进行计算 zA poA z p rod A A 1 对于矩形基础 2 对于条形基础 L 1m 3 软弱下卧层承载力特征值fa下fa下 fak下 dro d z 0 5 ro 软弱下卧层顶以上土层加权平均重度 例 某土层分布及物理性质指标如图示 现修一框架结构外柱基础 柱截面为300 400mm2 作用在基础顶面处的荷载设计值为 轴心荷载700kn 力矩80kn m 水平荷载13kn 基础埋深1 0m 自室外地面起算 室内地面高于室外0 3m 试确定基础底面尺寸解 1 确定持力层承载力根据规范查表 fo 240kpa b 0 3 d 1 6fak 0 91 240 218kpafa 218 1 6 17 5 1 0 5 232kpafa 1 1 218 240kpa取f 240kpa2 确定基底尺寸1 按轴心荷载确定基底初始尺寸1 8m2 扩大基底尺寸10 淤泥质粘土w 40 s 0 89Es2 3 2Mpa 1Es1 9 6Mpa 1 取L b 1 5L 1 5bA 1 5b2 1 1Ao 1 1 3 23 3 55m2b 1 54m取b 1 6mL 1 5 1 62 2 4mA 1 6 2 4 3 84m23 承载力验算1 持力层承载力验算持力层承载力满足要求 2 下卧软层承载力验算根据规范查表 fo 90kpa b 0 d 1 1fk 0 89 90 80kpaf 80 1 1 17 5 1 8 1 0 0 5 124 2kpa cz 17 5 1 8 1 0 49kpaEs1 Es2 9 6 3 2 3 0z 1 8m 0 5b 0 8m取 23 cz z 49 58 7 107 7kpa f 124 2kpa下卧软层承载力满足要求 6地基变形验算与稳定性验算一 地基变形的特征值1 沉降量 一般指基础中点的沉降量2 沉降差 指相邻两基础的沉降量之差3 倾斜 指基础倾斜方向两端的沉降差与其距离之比4 局部倾斜 承重砌体沿纵墙6 10m内基础两点的沉降差与其距离之比二 地基变形验算规范要求 S s S 地基变形特征值不同的建筑物对不同的地基变形特征值的敏感程度不同 因此 设计中针对上部结构特点 整体刚度和使用要求的不同 计算地基沉降的某一特征值 进行验算控制各类建筑物地基变形的变形特征值及地基变形允许值 s 见p178表7 20 三 防止有害地基变形的措施 一 减小建筑物的沉降1 外因方面减小基底压力 增大基底面积 采用轻型材料减小基底附加压力 增大基础埋深 采用补偿基础2 内因方面 通过地基处理 减小地基的压缩性能 二 增强上部结构对地基变形的适应能力1 建筑措施 布局 尽量使上部荷载均匀分布 即建筑平面布置要简单 高差不要太大 相邻建筑要有合适的净距2 结构措施增加均衡作用 即降低建筑物长高比 可把建筑分成几个独立体 在适当的位置设置沉降缝 加强上部结构的刚度 增加对沉降差的适应程度 加强上部结构的整体性3 施工措施调整施工顺序 加强基坑开挖时基底的保护 对基底土进行处理 四 地基稳定性验算1 抗倾覆稳定性验算2 抗滑移稳定性验算3 地基稳定性验算按边坡稳定性分析方法验算 7无筋扩展基础设计无筋扩展基础 刚性基础 指由砖 毛石 混凝土 灰土 三合土等材料组成的墙下条基或柱下独立基础特点 抗压强度高 抗拉强度和抗剪强度较低 因此必须控制基础内的拉应力和剪应力 使其不超过材料强度 基础台阶宽高比允许值 查表p156表7 3 8扩展基础设计扩展基础 柔性基础 指由钢筋混凝土材料构成的墙下条基或柱下独立基础特点 材料强度高 能够承受弯矩和剪力一 扩展基础构造要求 1 基础断面一般采用台阶形 锥形和矩形 基础高度大于900mm 分三阶 高度在300 900mm 分二阶 锥形基础边缘高度一般不小于200mm2 基础混凝土等级不宜低于C153 基础受力钢筋的最小直径不宜小于 10 100 200 分布钢筋最小直径不宜小于 8 3004 基础下通常铺设低标号 C5 C10 混凝土垫层 垫层厚度为100mm 二 扩展基础计算 一 柱下独立基础1 中心荷载作用 1 确定柱下独立基础的高度 冲切验算当基础高度不足时 将沿着柱周围或变阶处产生冲切破坏 形成45 斜裂面的角锥体 冲切验算是在冲切角锥体以外的地基净反力引起的冲切荷载Fl应小于基础冲切可能破坏面上的混凝土的抗冲切强度 即有 Fl 0 7 hpftamhoam at ab 2Fl pjAl Fl 荷载效应基本组合时作用在Al上的地基净反力产生的冲切荷载 hp 受冲切承载力截面高度影响系数 当h 800mm时 取1 0 当h 2000mm时 取0 9 其间按线形内插法取用ft 混凝土轴心抗拉强度设计值ho 基础冲切破坏角锥体的有效高度am 冲切破坏锥体最不利一侧计算长度at 冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长ab 冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长pj 地基净反力 pj F AAl 冲切验算时取用的部分基底面积当b at 2ho时 当b at 2ho时 解方程 求得ho 则基础高度h为 有垫层时 h ho 40mm无垫层时 h ho 70mm 2 基础配筋计算 基础抗弯验算在地基净反力作用下 基础沿柱的四周向上弯曲 一般