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土力学与基础工程 主讲教师 徐晓红教材 土力学与基础工程主编 华南理工大学等院校 第2章浅基础 本章教学目标1 掌握浅基础设计内容 方法 原则 了解浅基础类型 2 掌握基础埋置深度确定 了解地基承载力的确定方法 熟练掌握常用的计算方法 3 了解地基变形 稳定性计算原则 熟练掌握基础底面积的确定方法 4 熟练掌握无筋扩展基础 墙下砼条形基础 柱下砼独立基础设计 5 掌握联合基础设计 熟悉减轻不均匀沉降的措施 树立同学工程意识培养解决实际问题的能力 2 1概述 地基基础设计时 必须坚持因地制宜 就地取材 保护环境和节约资源的原则 根据岩土工程勘察资料 综合考虑结构类型 材料及施工条件等因素 精心设计 常见基础有 浅基础 深基础 深浅结合基础 天然地基上浅基础优点 便于施工 工期短 造价低 如能满足强度和变形要求 宜优先采用 本章主要讨论天然地基上浅基础 也适用于人工地基 但注意修正参数不同 2 1 1浅基设计内容 1 选择基础材料 类型 进行平面布置 2 确定地基持力层和基础深度 3 确定地基承载力 4 底面尺寸 变形稳定验算 5 基础结构设计 6 绘图 施工说明 浅基常规设计法 1 常规设计法 把上部结构 地基 基础三者分离开来 分别对三者进行计算 例框架结构图2 1 浅基设计存在问题 1 满足了静力平衡条件 但忽略了三者变形的连续性 地基础变形与沉降应相一致 满足变形协调条件 地基越软 计算与实际差距越大 合理分析应满足静力平衡 变形两个条件 复杂情况应采用上下结构相互作用 2 常规法应满足下列条件 沉降较小或较均匀 基础刚变较大 对连续基础荷载柱距均匀 2 1 3设计原则 1 对地基计算要求 基础设计分三个等级 甲 乙 丙符合下列相应规定 a 所有基础均应满足承载力计算规定 b 甲 乙级基础均应按地基变形设计 c 表2 2所列丙级可不做变形验算 但属下列情况之一 仍作变形验算 d 对高层 高耸 挡土墙尚验算稳定性 e 基坑工程验算稳定 f 地下水较浅时进行抗浮验算 2 关于荷载取值规定 a 按地基承载力确定基础底面积 埋深时 按正常使用极限状态下荷载效应标准组合 抗力采用特征值 b 计算地基变形时传至基础上荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应准永久组合 不计入风 地震作用 限值为地基变形允许值 c 计算挡土墙土压力 基础桩承台高度内力时 按承载力极限状态下基本组合 地基土工程特性指标的代表值应分别为标准值 平均值 特征值 抗剪取标准值 压缩取平均值 荷载特征值 2 2浅基础类型 扩展基础是把荷载侧向扩展到土中 使之满足地基承载力和变形的要求 扩展基础包括无筋扩展基础 图2 2 钢筋混凝土扩展基础 图2 3 图2 4 2 2 1扩展基础 2 2 2联合基础 相邻两柱距小或一柱在边图2 5 2 2 3柱下条基 地基较软弱 荷载分布不均 用扩展基础可能发生较大不均匀沉降时 将一方向上若干柱子的基础连成一体 图2 6 2 2 4交叉条形基础 两方调整不均沉降图 图2 7 2 8 2 2 5筏形基础 面积较大或使用要求抗弯刚度大 整体性好 2 2 6箱型基础 2 2 7壳体基础 发挥抗压性能好特点 2 3基础埋置深度选择 基础埋置深度 指基础底面至地面 设计地面 的距离 是基础设计重要一环 关系到地基基础方案的优劣 造价的高低 施工难易 2 3 1与建筑物有关的条件 1 建筑物用途 有无地下室 设备基础和地下设施 基础型式和构造 不宜小于0 5m 2 高层建筑应满足承载力变形 稳定性 箱基础埋深应满足抗滑要求 筏基 箱基不宜小于建筑高度的1 15 桩筏或桩箱基础不宜小于建筑高度的1 18 1 20 3 作用在地基上荷载大小和性质 2 3 2工程地质条件 1 持力层 直接承受基础的土层 其下的各土层称为下卧层 2 地基受力层 条基底面下深度3b 独基下1 5b 且厚度不小于5m范围 沉降计算深度 为满足承载力和变形要求 基础应埋在良好的土层上 在受力层内有下卧层时 下卧层承载力变形也应满足要求 3 良好土层 对小型建筑 粘土坚硬 硬塑 可塑状态粘土层 中密 1530 状态的砂土 碎石土及低 中压缩性土 4 软弱土层 压缩系数高 软塑 流塑粘土 松散状态砂土 未处理填土 高压缩性土层 5 基础埋深确定原则a 自上而下都是良好土层 埋深由其它条件和最小埋深确定 b 自上而下都是软弱土层 不满足承载力变形要求 则应采用连续基础 人工地基或深基础 小型a c 上为软弱土层 下部为良好土层 持力层选择取决于上部软弱土层厚度 2m就选下部良好土层为持力层 较厚时按b处理 d 上部为良好土层 下部为软弱土层 对低层建筑宜选上层为持力层尽量浅埋 加大基底到软弱层距离 应力扩散 需验算下弱层承载力 e 当地基持力层倾斜时 同一建筑基础可以采用不同埋深 由深到浅过渡 2 3 3水文地质条件 a 基础应埋在地下水位以上 对底面低于地下水位的基础 应考虑施工问题 地基保护 基坈降水 是否产生流砂 管涌等现象 对侵蚀性水 基础采用防蚀水泥 b 设计时应考虑上浮托力 如地下室 地下贮罐上浮 地下室防渗 c 基坑 坑底土的总覆盖压力大于承压含水层顶部静水压力 h w hw土不被承压水冲破 即流土 2 3 4地基冻融条件 1 冻土 当地基土的温度低于摄氏零度时 土中部分孔隙水将冻结形成冻土 由季节性冻土和多年冻土两类 2 冻胀现象 由细粒土组成 冻结前含水率较高 冻结其地下水位低于冻结深度1 5 2 0m 冻深处土成为冰晶体 未冻结深度区自由水和结合水会不断地向冻结区迁移 聚集 使晶体扩大 土发生膨胀 隆起 导致建筑物开裂 3 融陷 土层解冻 含水量增加 土体处于饱和软化状态 承载力降低 建筑下陷 称融陷 导致建筑物开裂 4 是否产生冻胀现象与下列因素有关 土粒径大小 含水量多少 地下水位高低有关 5 规范把土冻胀性分类 不冻胀 弱冻胀 冻胀 强冻胀 特强冻胀 6 可冻胀土中最小埋深 dmin Zd hmaxZd Z0 zs zw ze 设计冻深 Z0 标标准冻深hmax 允许残留冻土层厚度 zs 土类别对冻深影响系数 zw 土的冻胀性对冻深影响系数 Ze 环境对冻深影响系数 2 3 5场地环境条件 2 4浅基础的地基承载力 1 浅基础的地基承载力是指地基承受荷载的能力 2 地基承载力特征值 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特征值 以fa表示 fa pu K允许沉降的Sa的函数抗力采用承载力特征值 2 4 1地基承载力的概念 2 4 2地基承载力的特征值的确定 1 按土的抗剪强度指标确定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 1 按土的拉剪强度指标确定a 地基极限承载力fa Pu KK 安全系数K 2 3 取值与地基基础设计等级 荷载的性质 土的抗剪强度指标的可靠程度以及地基条件等因素有关 b 规范推荐的理论公式 fa MbYb MdYmd McCk c 按理论公式计算几点说明a 影响最大的是抗剪强度指标的取值 应选择原状土样以三轴压缩实验中的不固结不排水试验 每层土实验数量不得少于6组 b 地基承载力还与基础的大小 形状 埋深以及荷载情况有关 对饱和软土当 k 0 增大b可提高承载力 c 与埋深d有关 但对实体基础 增加的承载力将被基础和回填土重量的相应增加抵消 特别是饱和土Md 1 d 进行地基变形验算 e 内磨擦角标准值和粘聚力标准值 2 按地基载荷试验确定载荷试验包括浅层平板载荷试验 深层平板试验及螺旋板载荷试验 前者适用于浅基 后二者适用于深基 根据载荷试验成果p s曲线确定地基承载力特征值分二种情况 a 对密实砂土 硬塑粘土等低压缩性土 由强度安全控制 按规范规定以直线段末点把对应的压力p1 比例界限荷载 作为承载力特征值 对于呈脆性破坏的土 pl与pu很近 pu 2pl时 取pu 2作为特征值 b 对松砂 填土 可塑粘土 由允许沉降量控制 当压板面积为0 25 0 5平方米时 规范规定可取沉降s 0 01 0 015 b所对应的荷载作为承载力特征值 此值不大于最大加载量的一半 同一层土要有三个以上试验点 当极差不超过平均值30 时取平均值为fak 3 按规范承载力表确定规范给出了按野外鉴别结果 室内物理 力学指标 或现场动力触探试验锤击数 查取地基承载力特征值的表格 求得fak N 1 645 当基础宽度大于3m或埋置深度大于0 5m时 从载试验规范表格方法确定的承载力特征值 应修正 2 4 3地基变形验算 1 建筑物地基变形计算值 不应大于地基变形允许值 2 变形特征分四种 沉降量 独立基础中心点沉降值或基础沉降平均值沉降差 相邻两个柱基的沉降量之差 倾斜 倾斜方向两端点沉降差与其距离比值 局部倾斜 在6 10m内基础两点的沉降差与其距离的比值 地基变形允许值确定涉及许多因素 规范分析了国内外各类建筑物的有关资料 提出了建筑物地基变形的允许值 对表中未包括的建筑物 其地基变形允许值应根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上要求确定 3 在计算地基变形时应符合下列规定 a 由于建筑地基不均匀 荷载差异很大 体型复杂等因素 引起的地基变形 对于砌体承重结构应由局部倾斜值控制 0 002 0 003 对框架和单层排架结构应由相邻柱基沉降差控制 对于多层 高层 高耸结构应由倾斜值控制 必要时 应控制平均沉降量 b 必要时 需预估建筑物在施工期间和使用期间地基变形值 一般多层建筑在施工期间完成的沉降量对砂土完成80 低压缩性土50 80 中压缩性土20 50 高压缩性土5 20 c 计算地基变形最终沉降量为 地基变形计算深度 d 计算地基变形时 应考虑相邻荷载的影响 其值按应力叠加原理 采用角点法计算 e 当建筑物地下室基础埋置较深时 需要考虑开控基坑地基的回弹 回弹变形量 f 在同一整体大面基础上建有多栋高 低建筑 应该按上部结构 基础与地基的共同作用进行变形计算 2 5基础底面尺寸的确定 1 按承载力计算底面压力应符合下列要求 轴心荷载作用Pk faPk 相应于荷载效应标准组合时 基础底面处平均压力 Pk Fk Gk AA Fk fa rGd rwhw fa 修正后的地基承载力特征值 2 当偏心荷载作用时除满足Pk fa 还应符合pkmax 1 2fa 2 5 1按地基持力层承载力计算基底尺寸 2 5 2软弱下卧层承载力验算 当地基受力层范围内有软弱下卧层时应按下式验算 基底处附加应力 条形基础矩形基础 当软弱下卧层为压缩性高而且较厚的软粘土 或当上部结构对基础沉降有一定要求时 除承载力应满足上述要求外 还应验算包括软弱下卧层的基础沉降量 2 5 3按允许沉降差调整基础底面尺寸 1 基本概念同一建筑荷载不同的柱基础 如果只按统一的来确定底面尺寸各基础沉降是不同的 地基沉降弹性力学公式 2 调整基础底面值 减小到 基础尺寸为 2 5 4地基稳定性验算 1 地基稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算 2 位于稳定土坡坡顶上建筑 当基础b 3m时 基础外边距坡顶水平距离 2 6扩展基础设计 1 无筋扩展基础内容适用范围 指由砖 毛石 混凝土或毛石砼和三合土等材料组成的墙下条基或柱下独立基础 适用于多层民用建筑和轻型厂房 2 6 1无筋扩展基础设计 2 基础高度应符合下列要求 抗拉 抗剪强度较低 必须控制内拉剪应力 结构设计时通过控制材料强度等级和台阶高宽比来确定基础截面尺寸 不需要进行内力分析和强度计算 2 6 2墙下钢筋混凝土条形基础设计 截面设计包括确定基础高度和底板配筋 计算时以基础净反力P 取1m计算单元 1 构造要求 2 轴心荷载作用1 基础高度 由受剪承载力确定 h V 0 7ftV Pjb12 基础底板配筋 3 偏心荷载时 2 6 3柱下砼独立基础 1 构造要求 2 轴心荷载作用1 基础高度 按砼受冲切承载力确定 锥体落在基础底面之内设计时先假设ho代入公式计算 当时 2 底板配筋平行l方向 3 偏心荷载作用 以Pjmax代入上式 计算基础高度 底板配筋 2 7联合基础 2 7 1概述1 双柱联合基础分类矩形 用于柱矩较小时 为使基底压力均匀 底面形心应接近荷载合力作用点 矩形 梯形 连梁式 柱矩较大 加设阻止转动2 规定假定1 基础是刚性的 高度不小于柱矩1 6时 可视刚性 2 基底压力为线性分布 3 地基主要受力层范围土质均匀 4 不考虑上部结构刚度影响 联合基础 2 7 2矩形联合基础 设计步骤1 计算柱荷载合力作用点位置 对柱1中心取矩2 确定基础长度 使基底形心与荷载重心重 3 按地基土承载力确定基础底面宽度 荷载采用标准组合 4 按反力线性分布假定计算基底净反力设计值 用静定分析法计算基础内力 画弯矩 剪力图 5 根据受冲切和剪切承载力确定基础高度 一般假定h l1 6 验算取柱2冲切 FL 相应与荷载效应基本组合时的冲切力设计值 取柱轴心荷载设计值减去冲切破坏锥体范围内基底净反力 受剪计算 6 按弯矩图中最大正负弯矩进行纵向配筋 7 按等效梁概念进行横向配筋 对柱1 等效梁 2 7 3梯形联合基础 当较大荷载柱一侧空间受约束时 采用矩形时 基础形心无法与荷载重心重合 为使基底压力分布均匀 采用梯形 形心位置 梯形联合基础 2 7 4连梁式联合基础 随柱距增大 跨中基底净反力会使跨中负弯距增大 故采用连梁式基础合基底反力由两柱下扩展基础承担 连梁中弯距较小 1 连梁作用将偏小产生弯距传给另一侧柱基 使两基础基底反力较均匀 2 设计要点1 连梁刚性 宽不小于柱宽 2 底面