浅基础PPT课件.ppt

第二章浅基础地基计算 3 21 2020 1 授课内容2 1概述2 2基础的埋置深度2 3地基承载力的确定2 4地基承载力的验算和基础底面尺寸的确定2 5地基的变形验算2 6地基基础的稳定性验算2 7减轻不均匀沉降危害的措施 3 21 2020 2 2 1概述 3 21 2020 3 两个概念须区分 不加处理直接用作建筑物地基的天然土层 经过地基处理后才满足建筑物地基要求的土层 3 21 2020 4 持力层是直接承托基础底面的地层 强度较高 下卧层是位于持力层以下的地层 可分为软弱下卧层和刚性下卧层 持力层和下卧层都应满足地基设计的要求 3 21 2020 5 地基的类型 能用天然地基的尽量用天然地基 天然地基不能满足要求的需进行人工处理 使之达到要求 即人工地基 3 21 2020 6 深基础 考虑基础侧面抗力 工序复杂 埋深较深 浅基础 只需挖槽 排水等简单工序 埋深浅 不考虑侧面摩阻力 埋深小于5m 或者埋深大于5m 但是小于基础宽度 基础 建筑物最底下的构件或部分结构 建筑物在地面下的结构部分 其功能是将上部结构所承担的荷载传递到支承它们的地基上 基础选择原则 能用浅基础尽量选用浅基础 3 21 2020 7 基础 浅基础 地下连续墙基础 深基础 基础的分类 桩基础 沉井和沉箱基础 壳体基础 箱型基础 筏板基础 十字交叉基础 条形基础 独立基础 3 21 2020 8 天然地基上的浅基础 人工地基上的浅基础 桩基础 沉井基础 3 21 2020 9 柱下独立基础 墙下独立基础 3 21 2020 10 柱下条形基础 墙下条形基础 3 21 2020 11 十字交叉基础 3 21 2020 12 筏板基础 板式 梁板式 3 21 2020 13 箱形基础 3 21 2020 14 壳体基础是指烟囱 水塔 中小型高炉等各类筒形构筑物基础的平面尺寸较一般独立基础大 为节约材料 同时使基础结构有较好的受力特性 常将基础做成壳体形式 3 21 2020 15 桩基础 3 21 2020 16 沉井基础 3 21 2020 17 沉箱基础 3 21 2020 18 地下连续墙 3 21 2020 19 2 2基础工程设计基本原理 3 21 2020 20 荷载的有关定义永久荷载 结构物的自重 土重及土的自重产生的侧向压力 水的浮力 预应力结构中的预应力 超静定结构中因混凝土收缩徐变和基础变位而产生的影响力 基本可变荷载 活载 汽车荷载 汽车冲击力 离心力 汽车引起的土侧压力 人群荷载 平板挂车或履带车荷载引起的土侧压力 其他可变荷载 风力 汽车制动力 流水压力 冰压力 支座摩阻力 在超静定结构中尚需考虑温度变化的影响力 偶然荷载有船只或漂流物撞击力 施工荷载和地震力 在设计计算时 应根据工程实际情况 考虑可能出现的作用荷载组合 3 21 2020 21 正常使用极限状态 对于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值 如影响建筑物正常使用或外观的地基变形 标准组合和准永久组合 承载能力极限状态 对于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载大变形 如地基失稳而破坏 基本组合和简化基本组合 3 21 2020 22 3 21 2020 23 S 1 35SK 永久荷载控制的基本组合值取标准组合值的1 35倍 3 21 2020 24 天然地基上的浅基础由于埋深浅 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 3 21 2020 25 2 3浅基础的类型 3 21 2020 26 浅基础分类 按材料分类按受力性能分类 按材料分类 砖基础片石基础砼及片石砼基础灰土及三合土基础钢筋砼基础 混凝土 是修筑基础最常用的材料 强度高 耐久性好 混凝土强度等级不宜小于C15 3 21 2020 27 片石混凝土 对于大体积混凝土基础 为了节约水泥用量 可掺入不多于砌体体积25 的片石 称片石混凝土 但片石的强度等级不应低于MU25号 也不应低于混凝土的强度等级 3 21 2020 28 灰土路基施工 灰土换填垫层法 灰土基础由石灰 土和水按比例配合 三七分和二八分为主 经分层夯实而成 灰土强度在一定范围内随含灰量的增加而增加 但超过限度后 灰土的强度反而会降低 这是因为消石灰在钙化过程中会析水 增加了消石灰的塑性 它的抗冻 耐水性能差 潮湿地基上不宜采用 灰土基础适合于5层和5层以下 地下水位较低的砌体结构房屋和墙体承重的工业厂房 3 21 2020 29 三合土是我国古代一项伟大的发明 称为古代的水泥 主要有河底泥 红泥巴 贝壳粉 就是石灰 三合土性能极佳 用三合土做的土楼据载在军阀进攻时 经受了加农炮的直射 未受损伤 现代版的三合土为泥土 熟石灰和沙子混合而成 这种基础在我国南方地区应用很广 它的造价低廉 施工简单 但强度较低 所以只能用于四层以下的房屋的基础 坚固的永定土楼 三合土施工 3 21 2020 30 砖 强度等级不低于MU10 砂浆 不低于M5 在地下水位以下或当地基土潮湿时 应采用水泥砂浆砌筑 适用于6层及6层以下的民用建筑和砖墙承重的厂房 砖基础 3 21 2020 31 砖基础 低层建筑墙下基础 砌筑方便 强度低 抗冻性差 砌法 二一间隔收 1 4砖 大放脚 3 21 2020 32 钢筋混凝土基础 3 21 2020 33 按受力性能分类 刚性基础 无筋扩展基础 柔性基础 在基础中配置足够数量的钢筋 来抵抗产生的弯曲拉应力 抗弯 抗剪性能较好 钢筋混凝土基础 3 21 2020 34 使发生在基础内的拉应力和剪应力不超过强度设计值 3 21 2020 35 3 21 2020 36 常见浅基础特点总结 独立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 3 21 2020 37 浅基础设计步骤 No 结构 地质和环境资料 基础结构类型 建筑材料 地基承载力 荷载和基础初步尺寸 基础的结构和构造设计 基础设计图 施工图 预算书 确定持力层 基础埋深 基坑设计 3 21 2020 38 2 2基础埋置深度的选择 基础的埋置深度是指基础的底面至室外设计地面的距离 确定基础埋深时 除了要考虑持力层的情况外 还应考虑使用功能 地下室 地下设施 基础形式 荷载 地质水文条件 相邻建筑物以及冻胀 冲刷等因素 确定基础埋深的意义 选择了基础埋置深度就选择了地基持力层 3 21 2020 39 基础埋深的确定原则 在满足承载力的前提下尽量浅埋 基础埋深的基本要求 1 D大于50cm 表土扰动 植物 冻融 冲蚀2 基础顶面距离表土大于10cm 保护作用3 桥基要求在冲刷深度以下4 同一建筑物下面各部分的基础埋深可以不一致 3 21 2020 40 与建筑物有关的条件 1 建筑物在使用功能和用途方面的要求 2 考虑建筑物的高度和荷载大小的影响 3 考虑相邻建筑物的影响 4 基础埋深不同的情况 3 21 2020 41 1 建筑物在使用功能和用途方面的要求 2 电梯缓冲坑 自地面向下至少1 4m 举例 1 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 地下管道应在基底以上 便于维修 F 3 21 2020 42 2 考虑建筑物的高度和荷载大小的影响 承载力变形 高层建筑基础 筏形基础和箱形基础 1 15 1 18 1 20 桩箱或桩筏基础 不计桩长 输电塔基础 要求较大的埋深来提供足够的抗拔阻力 以上规定不包括岩石地基 岩石地基上的高层主要考虑抗滑要求 3 21 2020 43 3 考虑相邻建筑物的影响基础理设深度宜浅于或等于相邻建筑物的埋置深度 如果基础深于原有建筑物基础时 要使二基础之间保持一定距离 其净距L一般为相邻两基础底面高差 H的1 2倍 以免开挖基坑时 坑壁塌落 影响原有建筑物地基的稳定 如不能满足这一要求时 应采取施工措施 如分段施工 设临时加固支撑或板桩支撑等 3 21 2020 44 4 基础埋深不同时 1 主楼与裙房高度不同 分期施工设置后浇带 2 台阶式相连重要设备的基础需加大埋深地下室与非地下室交界处的基础山坡上的房屋 台北国际金融中心 3 21 2020 45 工程地质条件 持力层下卧层软弱下卧层 3 21 2020 46 良好土层 埋深由其他条件和最小埋深确定 浅埋 一般取d 0 5 1 5m 软弱土层 1 2层 按情况 1 处理3 5层 可采用连续基础方案 或人工地基方案 6层以上 桩基方案 软弱土层 良好土层 h 当h 2m时 按情况 2 处理 当h 2m时 选良好土层为持力层 垫层 做法二 做法一 1 2 3 3 21 2020 47 2 3m厚的 硬壳层 持力层顶面倾斜时将基础做成台阶形逐步过渡 台阶的宽高比为1 2 每阶高度不超过500mm 柱下独立基础 对于中小型建筑物 宜尽量选硬壳层为持力层 采用 宽基浅埋 方案 4 3 21 2020 48 水文地质条件 对有侵蚀性的地下水 还应考虑 地下结构防渗 地下结构抗浮 例如设置抗浮锚杆 基础应尽量埋置在地下水位以上 否则开挖降水 费用大 3 21 2020 49 冻胀危害及机理 冻胀及冻拔多年冻土季节性冻土地面隆起 不均匀 融陷 强度降低 地下冰 地基冻融条件 考虑冻胀性基础最小埋置深度dmin zd hmaxhmax残留冻土层厚度 设计冻结深度zd z0 zs zw ze 3 21 2020 50 3 21 2020 51 补偿基础 补偿基础是用以减少由建筑物荷载引起的地基沉降 而以岩土自重大致相当于建筑荷载的原则而砌筑于地下相应深度处的整体基础 问题 那种建筑物基础可以称之为补偿基础 3 21 2020 52 2 3浅基础地基承载力的确定 地基承载力是指地基承受荷载的能力 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称为地基承载力的特征值fa 地基承载力是一个定值 对吗 K与建筑物的安全等级 荷载性质 强度指标的可靠度以及地基条件等有关 对于长期承载力K 2 3 3 21 2020 53 工程中通常以两个指标来表示地基承载力 即地基的容许承载力和极限承载力 地基规范 所称的地基承载力特征值相当于通常所说的地基容许承载力 地基规范 规定 浅基础的基底压力应满足下列要求 3 21 2020 54 单次试验 一个试验点 基本值f0 同一土层 几个试验点 平均后得特征值fak 经深度 宽度修正后的特征值fa 2020 3 21 55 承载力基本值 特征值 修正值的关系 重点理解 地基承载力特征值确定的四类方法 1 按土的抗剪强度指标以理论公式计算 2 按地基载荷试验确定 3 按规范承载力表确定 4 按建筑经验确定 3 21 2020 56 1 按土的抗剪强度指标以理论公式计算地基极限承载力理论公式 建筑地基基础设计规范 fa Mb b Md md Mcck 该方法不常用 主要原因 1 c 的取值可靠度较低 2 不同公式的计算结果相差较大 b 基础底面宽度 大于6m时按6m考虑 对于砂土 小于3m时按3m考虑 课本P30 31页 理解 记忆公式 3 21 2020 57 1 一般至室外标高算起 2 在填方整平地区 可至填土地面标高算起 但填土在上部结构施工完成以后 应从天然地面标高算起 3 对于地下室 如采用箱形或筏形基础时 至室外标高算起 当采用独立基础或条形基础时 应从室内地面标高算起 注 天然地面设计地面室外标高室内标高 基础埋深d的取值 3 21 2020 58 2 按地基载荷试验确定 最可靠 浅层平板载荷试验 深层平板载荷试验 3 21 2020 59 载荷板的测试范围 在现场通过0 25 0 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1 2倍荷载板宽度的深度以内土体的平均性质 平板载荷试验装置示意图 3 21 2020 60 载荷板试验的主要优缺点 载荷试验可靠性高 费时 耗资 试验只能反映浅层地基的承载力 a 载荷试验 b 实际基础图载荷板与实际基础对地基的影响深度比较 3 21 2020 61 3 21 2020 62 p s曲线 陡降型 p s曲线 缓变型 3 21 2020 63 3 21 2020 64 1 当p s曲线上有比例界限p1时 取fak p1 确定地基承载力实测值 2 当pu 2p1时 取fak pu 2 3 当不能按上述二款要求确定时 可取s b 0 01 0 015所对应的荷载作为fak 但其值不应大于最大加载量的一半 对同一土层 应选择三个以上的试验点 当试验实测值的极差 最大值与最小值之差 不超过其平均值的30 时 取其平均值作为该土层的地基承载力特征值fak 确定地基承载力特征值 3 21 2020 65 3 按规范承载力表确定 野外鉴别结果室内物理力学指标现场动力触探试验锤击数 fak 课本P33的表2 10和表2 11分别列出了一般粘性土和砂土地基容许承载力值 3 21 2020 66 1 公式中包含了基础宽度和埋深的影响 2 公式中的b是指基础的短边 地基容许承载力的修正 修正原因 增加基础宽度和埋置深度时 地基承载力也将随之提高 所以 应将地基承载力对不同的基础宽度和埋置深度进行修正 才能供设计使用 3 21 2020 67 3 21 2020 68 4 按建筑经验确定 在基槽挖至接近槽底时 应由设计 施工和勘察人员对槽底土层进行检查 即所谓 验槽 对没有地基勘察资料的轻型建筑物 地基浅层情况只能凭验槽了解 有地基勘察报告的工程 主要是核实勘察资料是否符合实际 验槽以细致的观察为主 辅以轻便简易的勘探方法 如轻便触探和夯击听音等 通过验槽 可以判断持力层的承载力 地基的均匀程度是否满足设计要求 以防止产生过量的不均匀沉降 3 21 2020 69 内容回顾 1 补偿基础补偿基础是用以减少由建筑物荷载引起的地基沉降 而以岩土自重大致相当于建筑荷载的原则而砌筑于地下相应深度处的整体基础 问题1 明确附加应力的概念 问题2 那种建筑物基础可以称之为补偿基础 问题3 全补偿和半补偿 全补偿基础理论上沉降为零 实际上基底土的扰动和回弹产生微量沉降 3 21 2020 70 1 当p s曲线上有比例界限p1时 取fak p1 2 当pu 2p1时 取fak pu 2 3 当不能按上述二款要求确定时 可取s b 0 01 0 015所对应的荷载作为fak 但其值不应大于最大加载量的一半 2 确定地基承载力实测值 3 21 2020 71 3 地基承载力计算地基承载力特征值理论公式 建筑地基基础设计规范 fa Mb b Md md Mcck 地基承载力特征值修正公式 根据土的内摩擦角标准值查表2 8确定承载力系数Mb Md Mc fak为平板载荷试验确定的地基承载力特征值 地基承载力修正系数根据基底土的类别查表2 9确定 建筑地基基础设计规范 两个公式中关于基底宽度b的限制条件不同 3 21 2020 72 正常使用极限状态 对于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值 如影响建筑物正常使用或外观的地基变形 标准组合和准永久组合 承载能力极限状态 对于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载大变形 如地基失稳而破坏 基本组合和简化基本组合 4 荷载组合选取 课本P14公式 2 1 至公式 2 4 3 21 2020 73 3 21 2020 74 浅基础设计步骤 No 结构 地质和环境资料 基础结构类型 建筑材料 地基承载力 荷载和基础初步尺寸 基础的结构和构造设计 基础设计图 施工图 预算书 确定持力层 基础埋深 基坑设计 3 21 2020 75 2 4地基承载力的验算和基础底面尺寸的确定 1 作用在基础上的荷载 标准组合 室外设计地面 天然地面 室内设计地面 Fk Fk 屋面 恒载 活载 各层结构 恒载 活载 墙柱自重 基础自重 简化至平均标高 室内外平均标高 3 21 2020 76 2 中心荷载作用下的基础 pk pk fa Fk l Gk 基础底面 要求 基底面积 Gk 基础自重和基础上的土重 对条形基础 沿基础长度方向取1m作为计算单元 A b 3 21 2020 77 3 21 2020 78 中心荷载作用下基础面积的确定步骤 2 计算A0 确定b l 1 先进行承载力深度修正确定fa 3 重新计算fa 4 验算 条形基础 取l 1m为计算单元 矩形基础 取l b n 1 5 2 0 l n b 方形基础 l b 3 21 2020 80 某粘性土重度 m为18 2kN m3 孔隙比e 0 7 液性指数IL 0 75 地基承载力特征值fak为220kPa 现修建一外柱基础 作用在基础顶面的轴心荷载Fk 830kN 基础埋深 自室外地面起算 为1 0m 室内地面高出室外地面0 3m 试确定方形基础底面宽度 解 先进行地基承载力深度修正 自室外地面起算的基础埋深d 1 0m 查表得 d 1 6 得修正后的地基承载力特征值为 fa fak d m d 0 5 220 1 6 18 2 1 0 0 5 235kPa 例题2 1 3 21 2020 81 取b 2m 因b 3m 不必进行承载力宽度修正 计算基础及其上土的重力Gk时的基础埋深为 d 1 0 1 3 2 1 15m 由于埋深范围内没有地下水 hw 0 由式 2 19 得基础底面宽度为 3 21 2020 82 3 当偏心荷载作用时 需满足 设计上通常要求Pkmin 0 e L 6 以控制基底压力呈梯形分布 防止基础过分倾斜 3 21 2020 83 偏心荷载下基础底面积确定步骤 试算法 假定基础底宽b 3m进行承载力修正 初步确定承载力特征值 2 按中心受压估算基底面积A0 考虑偏心影响将A0扩大10 40 3 承载力验算 取l b n 1 5 2 0 pk fa pkmax 1 2fa Pkmin 0 3 21 2020 84 偏心荷载作用下的难点 pkmax和pkmin的计算 截面模量W的理解和应用 课本P36页 3 21 2020 85 同例题2 1 但作用在基础顶面处的荷载还有力矩200kN m和水平荷载20kN 试确定矩形基础底面尺寸 解 1 初步确定基础底面尺寸考虑荷载偏心 将基底面积初步增大20 例题2 2 取基底长短边之比n l b 2 于是 因b 1 5m 3m 故fa无需作宽度修正 3 21 2020 86 2 验算基底最大压力pkmax 1 2fa 282kPa 不行 3 调整底面尺寸再验算取b 1 6m l 3 2m 则Fk Gk 830 20 1 6 3 2 1 15 947 8kN 所以确定基底尺寸为1 6m 3 2m 注意调整底面尺寸的技巧 3 21 2020 87 其埋深应取从地面到软弱下卧层顶面的距离 传递到软弱下卧层顶面处的附加应力与土的自重应力之和不超过下卧层的承载力 地基软弱下卧层承载力验算 88 附加应力按简化的 压力扩散角法 根据基底处总附加应力等于扩散后面积上的总应力求出 矩形基础 条形基础 注意 扩散角 与Es1 Es2及z b有关 注 z 0 25b时取 0 必要时 宜由试验确定 z 0 50b时 值不变 3 21 2020 89 柱下矩形基础底面尺寸为5 4m 2 7m 试根据图中各项资料验算持力层和软弱下卧层的承载力是否满足要求 例题2 3 3 21 2020 90 解 持力层承载力验算 b 0 d 1 0 fa 209 1 0 18 0 1 8 0 5 232 4kPa Fk Gk 1800 220 20 2 7 5 4 1 8 2545kNMk 950 180 1 2 220 0 62 13302kN m 3 21 2020 91 软弱下卧层承载力验算 由Es1 Es2 7 5 2 5 3 z b 2 5 2 7 0 50 查表2 13得 23 tan 0 424 cz 18 0 1 8 18 7 10 2 5 54 2kPa faz 75 1 0 12 6 4 3 0 5 122 9kPa cz z 54 2 57 2 111 4kPa faz 可以 3 21 2020 92 2 5地基变形验算 建筑物的地基变形计算值 应不大于地基变形允许值 即要求满足下列条件 2 36 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 3 21 2020 93 沉降量沉降差倾斜局部倾斜 地基变形特征 对各种建筑物产生危害的不利沉降形式 地基变形特征的四种类型 3 21 2020 94 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 排架结构 柱底与基础刚接 梁和柱顶铰接 钢架结构 柱底与基础刚接 梁和柱顶刚接 3 21 2020 95 2 沉降差 相邻柱基中点的沉降量之差 控制对象 不均匀沉降的一种 框架结构容易出现这种情况的破坏 框架结构 全部力都有混凝土梁板柱承担 砖墙只起填充作用 写字楼大多采用玻璃幕墙替代砖墙 还包含钢框架结构 砖混结构 3 21 2020 96 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 3 21 2020 97 4 局部倾斜 指砌体承重结构沿纵向6 10m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 3 21 2020 98 不同结构类型需验算的地基变形 砌体承重结构 由局部倾斜控制 框架结构和单层排架结构 由沉降差控制 高耸结构和高层建筑 由建筑物的整体倾斜 特别是横向整体倾斜 控制 必要时应控制平均沉降量 3 21 2020 99 2 6地基基础的稳定性验算 即滑动稳定性和抗倾覆稳定性验算针对承受水平荷载作用的基础或建在斜坡上建筑物的基础 验算在水平荷载作用下基础是否会发生沿基底滑动 倾覆或与地基一起滑动的不稳定性 3 21 2020 100 在建筑设计中 为防止不均匀沉降造成的危害 可单从加强上部结构 或单从加固地基来达到目的 但往往不最经济合理 上部结构和地基是紧密联系在一起的 既相互联系 又相互影响 按上部结构和地基共同工作的观点来采取消除不均匀沉降的措施 才能达到经济合理的效果 既适当增强上部结构的刚度 提高结构的抗裂性 同时将地基变形控制在容许范围内 做到安全 经济 合理 2 7减少建筑物不均匀沉降的工程措施 3 21 2020 101 建筑措施 1 建筑物体形力求简单 2 设置沉降缝 3 相邻建筑物的间隔距离 4 建筑物标高的控制结构措施 1 增强砖石承重结构建筑物刚度和强度 2 减轻和调整荷载施工措施 3 21 2020 102 1 建筑物的体形力求简单建筑物的体形是指建筑物的平面及立面形状平面形状复杂的建筑物 如 H L T 字形 在其纵横相交处 基础密集 地基中应力重叠 该处沉降量大于其他部位 其附近墙体常出现裂缝 当平面形状复杂时 建筑物还会因扭曲产生附加应力 建筑措施 3 21 2020 103 立面上有高差 荷载差 的建筑物 由于作用在地基上的荷载突变 建筑物高低相交处出现过大的差异沉降 造成建筑物的轻 低部分倾斜或开裂损坏 裂缝向重 高部分倾斜 3 21 2020 104 2 设置沉降缝定义 为防止建筑物各部分由于地基不均匀沉降引起房屋破坏所设置的垂直缝称为沉降缝 设置沉降缝是减少地基不均匀沉降对建筑物危害的有效措施之一 沉降缝将建筑物分成若干个长高比小 整体刚度好 自成沉降体系的单元 具有调节地基不均匀沉降的能力 3 21 2020 105 设置沉降缝的位置a 地基土压缩性有明显差异处b 地基基础处理方法不同处c 平面形状复杂的建筑物转折部位d