基础工程_浅基础设计

2020 4 5 1 浅基础 第2章 本章内容 2 1概述2 2浅基础的类型2 3基础埋置深度的选择2 4浅基础的地基承载力2 5基础底面尺寸的确定2 6扩展基础设计2 7联合基础设计2 8减轻不均匀沉降危害的措施 1天然地基上的浅基础 2人工地基上的浅基础 3深基础 换土垫层 水泥土桩 碎石桩复合地基等 人工地基 埋深 5m 特殊方法施工 考虑侧壁阻力作用 沉井基础沉箱基础 桩基础也属深基础 浅基础 埋深小于5m 或者埋深大于5m 但是小于基础宽度 两侧 四周 的摩阻力忽略不计 所以不是简单的深浅概念 2 1概述 主要受力层 持力层 受力层 下卧层 条形基础 3b独立基础 1 5b且 5m 二层以下民用建筑除外 主要受力层深度 常规设计法 考虑地基 基础 上部结构相互作用的设计法 将上部结构 地基和基础分离开来 分别计算 满足静力平衡条件 但不满足变形协调条件 适用于沉降较小或较均匀 基础刚度较大的情况 满足静力平衡和变形协调条件 但计算相对复杂 1浅基础设计方法 2 2浅基础的设计方法及步骤 常规设计法 条基上的框架结构 将框架柱底端简化为固定支座 以图 b 的计算简图计算框架内力 将求得的柱脚支座反力作为基础荷载反向作用在基础上 按线性分布计算基底反力并作用在基础上 以图 c 的计算简图计算基础内力 将基底反力作为柔性荷载反向作用于地基上 验算地基承载力和地基沉降 不足点适用条件 地质勘察及建筑设计资料分析选择基础的材料 类型 进行基础平面布置 确定地基持力层和基础埋置深度 确定地基承载力 确定基础底面尺寸 必要时进行地基变形与稳定性验算 进行基础结构设计 绘制基础施工图 提出施工说明 2浅基础设计的基本步骤 集资料选类型拟尺寸做检算选方案 浅基础设计的基本流程图 3地基基础设计原则 设计依据 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 地基基础设计等级1 甲级2 乙级3 丙级 地基基础的设计要求 按基础刚度分 无筋扩展基础 刚性基础 单独基础 独立基础 条形基础 筏形基础 箱形基础 壳形基础 按结构形式分 扩展基础 柔性基础 2 2浅基础的类型 按基础刚度分 无筋扩展基础 扩展基础 柔性基础 1 1 0 1 2 0与材料和荷载有关 砖 石 灰土 素混凝土材料抗拉强度很低要求基础台阶宽高比 刚性角 符合一定条件 钢筋混凝土要满足抗弯 抗剪和抗冲切等结构要求 二皮一收 砌法 二 一间隔收 砌法 砖基础 按基础结构形式分 单独基础 适用条件 地基土层性质较好时 常配制于柱式 塔式及筒式构筑物之下 柱下单独基础 墙下单独基础 适用条件 墙下条形基础广泛应用于砌体结构 柱下条形基础用于框架结构中的柱荷载过大 地基承载力不足情况 墙下条形基础 条形基础 适用条件 土质更差 柱下荷载很大或分布不均匀 十字交叉基础 适用条件 地基软弱而荷载较大 采用十字交叉基础不能满足地基承载力要求 采用筏形基础 用于多种结构 如框架 框剪 剪力墙结构及砌体结构 筏形基础 钢筋混凝土板式或梁板式基础 筏形 筏板 基础 箱形基础 由底板 墙和顶板形成箱 整体性更好 顶板 适用条件 地基软弱且分布不均 荷载较大或分布不均时 多用于高层建筑基础 技术复杂 工程造价高 且工期长 应与其它基础方案比较后采用 补偿基础 建在地面下足够深度 使结构物重量不超过或略超过挖出的地基土重 减少附加应力引起的地基沉降的整体基础 壳体基础 筒形构筑物 材料省 造价低 小结 设计要求 满足 承载力 变形要求 设计内容 确定 埋深 型式 结构尺寸 长宽高 材料 验算 承载力 变形 结构本身强度 设计规范 1 建筑地基基础设计规范 GBJ7 89 2 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 原则 在满足承载力的条件下尽量浅埋 基本要求 除岩石以外 d不宜小于50cm 表土扰动 植物 冻融 冲蚀 基础顶距离设计地面不小于10cm桥梁或近水建筑基础要求在冲刷深度以下 其它控制因素 2 3基础埋置深度的选择 1建筑物的用途 结构类型及荷载性质与大小 地震区 除岩石地基外 天然地基的筏形和箱形基础埋深不宜小于建筑物高度的1 15 桩筏或桩箱基础的埋深 不计桩长 不宜小于建筑物高度的1 18 1 20 土质地基上的建筑物 基础埋深应随建筑物高度适当增大 岩石上的高层建筑 基础埋深应满足抗滑要求 受上拔力的基础埋深要满足抗拔要求 烟囱 水塔等高耸结构 应满足抗倾覆稳定性要求 受温度影响的建筑物 基础埋深要考虑对地基的冻胀或干缩效应 在满足其他要求下尽量浅埋 只有低层房屋可用 否则处理 尽量浅埋 但是如h1太小就为II h15m桩基或处理 2工程地质条件 硬壳层 台阶形 基础应尽可能埋置在良好的持力层上 存在软弱下卧层时 软弱下卧层也要满足承载力和地基变形的要求 倾斜地基可采用不同基础埋深 3水文地质条件 尽量在地下水位以上 否则开挖降水 费用大 有承压水时 防止承压水顶破基底 对于尺寸较大的基础 应有不小于1 1的安全系数 还应注意防侵蚀 抗浮及防渗问题 4地基冻融条件 冻土 多年冻土 冻结时间 3年 季节性冻土 发生冻胀的条件 1 土的条件一般是细颗粒土 2 温度条件低于冻结温度 3 水力条件含水量 具有开放性条件 如粉土冻胀最严重 外因 内因 土的冻胀性 4地基冻融条件 土的冻胀性 衡量指标 冻胀性分类 平均冻胀率 不冻胀 1 弱冻胀1 12 注意 碎石 砂等中粒径小于0 075mm的颗粒含量太高也会导致冻胀 规范附录G 考虑冻胀的基础埋深 dmin zd hmax zd 设计冻深hmax 容许残留冻土层最大厚度 查表 zd z0 zs zw ze 标准冻深 土类别 冻胀性 环境 影响系数 Z0标准冻深 北京0 8 1 0m哈尔滨2 0m满洲里2 8m 10年的实测最大冻深平均值 标准冻深 当存在相邻建筑物时 新建建筑物的基础埋深不宜大于原有的建筑物基础 当埋深大于原有建筑物基础时 两基础间应保持一定净距 1 2倍基底高差 其数值应根据原有建筑荷载大小 基础形式和土质情况确定 当上述条件不能满足时 应分段施工 设置临时加固支撑等或加固原有建筑物基础 基础底面一般低于管沟等地下设施的底面 5场地环境条件 极限承载力pu 承载力 容许承载力fa 设计承载力 通常所说的承载力指容许承载力即地基承载力特征值fa 2 4浅基础的地基承载力 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 fa pu K 按土的抗剪强度指标确定 根据现场载荷试验的曲线或其它原位试验结果确定 根据当地工程实践经验或按规范查表确定 以上三类方法各有所长 互为补充 必要时可按多种方法综合确定 确定的精度宜按建筑物安全等级以及地质条件并结合当地经验适当选择 地基承载力特征值的确定方法 理论公式计算承载力 总结 临界荷载P1 4 P1 3 临塑荷载Pcr 极限荷载Pu 极限承载力 普朗特尔 雷斯诺公式 太沙基公式 斯开普顿公式 汉森公式 fa pu K K 2 3 我国规范规定 fa Mb b Md md Mcck 以临界荷载P1 4为理论基础 1通过公式计算 2通过载荷试验确定 3通过经验确定 GBJ7 89规范 推荐查表方法 GB50007 2002规范 取消了相关表格 1承载力公式计算 fa Mb b Md md Mcck fa 由抗剪强度指标确定的承载力特征值 Mb Md Mc 承载力系数 由 k查表 b 基底宽度 大于6m按6m考虑对于砂土 小于3m按3m考虑 ck 基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力 e 0 033b时 2载荷试验确定 堆重 千斤顶式 地锚 千斤顶式 试验装置一般由加荷稳压装置 反力装置和观测装置三部分组成 试验一般在试坑内进行 试坑宽度不小于3倍承载板宽度或直径 承载板底面积一般为0 25 0 50m2 常采用方形或圆形 承载力特征值的确定 当p s曲线上有比例界限p1时 取p1当pu 2p1时 取pu 2当不能按上述要求确定时 当承压板面积为0 25 0 50m2 可取s b 0 01 0 015所对应的荷载 但其值不应大于最大加载量的一半 pu p s曲线 s 陡降型 缓变型 p1 3查表确定 GBJ7 89规范或地区规范 fk ff0 fk 承载力标准值 f0 承载力基本值 查表 f 承载力修正系数 变异系数 粘性土e IL粉土e w砂土N63 5淤泥w fa fak b b 3 d m d 0 5 进行深度和宽度修正 fak 公式计算或载荷试验等确定的承载力特征值 fa 修正后的承载力特征值 设计值 b d 宽度和埋深修正系数 基础底面以下土的重度 m 基础底面以上土的加权平均重度 b 大于6m按6m考虑 小于3m按3m考虑 例题2 1 2020 4 5 44 作业 2 1 2 2 2 3 基础尺寸初步确定 F 作用在顶面的荷载 kN G 基础及台阶上填土总重 kN A 基底面积 m2 A l b 一般l b 1 0 2 0 条基取l 1m G 平均重度 一般取20kN m3 d 基础埋深 m fa fak d m d 0 5 暂不做宽度修正 单独基础 中心荷载 2 5基础底面尺寸的确定 条形基础 中心荷载 偏心荷载时 将上面计算的A或b扩大至1 1 1 4倍 根据A可初步确定b和l 一般l b 1 2 2 0 2 5基础底面尺寸的确定 地基承载力验算 1持力层承载力验算 根据初步确定的埋深d与b 确定fa 承载力验算 中心荷载时 例题2 2 偏心荷载时 pmax 1 2fapmin 0或e l 6考虑地震可能出现e l 6 此时允许pmin 0 但0应力区不能超过l 4 l b F G 要求 以条形面积为例 e l 6 梯形 e l 6 三角形 偏心荷载时 偏心荷载时 增加面积AA不变 改变b和l 具体看偏心方向采用不对称柱 若不满足承载力要求 则考虑 例题2 3 2软弱下卧层承载力验算 注意 下卧层承载力faz只做深度修正 深度取至下卧层顶面 条基只有宽度方向的应力扩散 扩散角可查表2 7 计算位置 pz 平均压力 建筑物需满足地基变形要求 计算原理 分层总和法 部分建筑物可不做变形验算 沉降量 沉降差 倾斜 局部倾斜 3地基变形验算 计算方法 规范推荐 平均附加应力系数 方法 很多书中将其称为 应力面积法 S s 表2 4 地基变形特征 3地基的变形验算 沉降不满足时 需要 增大尺寸 减少p0 增加埋深 减少p0 尤其增加地下室 补偿性基础地基处理调整荷载 自学相关规定 4按允许沉降差调整基底尺寸 基本概念若两基础的沉降差超过允许值 可通过增大或减小其中一个基础的底面积来调整 沉降大的基础增大基底面积 沉降小的基础在满足地基承载力的要求下 减小基底面积 调整原理以弹性力学方法计算实际沉降差 调整某一基底尺寸 使调整后的沉降差公式等于允许沉降差 通过计算相关系数即可得到调整后的基底尺寸 调整方法 假定 为沉降系数或地基柔度系数 可用弹性力学公式2 32求解 为调整尺寸后的沉降系数或地基柔度系数 为沉降影响系数 可查表2 8 例题2 6 5地基稳定性验算 水平荷载较大时 稳定验算 建筑在斜坡上时 稳定验算 当b 3m时 a 2 5m 且要求 若不满足要求 可根据基底平均压力按圆弧滑动法进行验算 设计荷载取值规定 地基基础设计时 所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定 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 传至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 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 计算挡土墙土压力 地基或斜坡稳定及滑坡推力时 荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合 但其分项系数均为1 0 fa fak b b 3 d d 0 5 式中fa 修正后的地基承载力特征值 kPa fak 地基承载力特征值 kPa 基底以下土的天然容重 地下水位以下用浮容重 kN m3 b 基础宽度 当宽度小于3m时按3m计 大于6m时按6m计 d 基础埋置深度m 一般基础自室外地面标高起算 在填方整平地区 可自填土面标高算起 但填土在上部结构施工完成后进行 应从天然地面标高算起 对于地下室 如采用箱形基础或筏基时 基础埋置深度自室外地面标高算起 当采用独立基础或条形基础时应从室内地面标高算起 地下室的外墙基础埋深 可按下式计算d d1 d2 2 在其他情况下 从室内地面标高起算 b d 基础宽度和埋置深度的承载力修正系数 地基承载力设计值的确定 地基承载力特征值的修正 设计荷载取值规定 地基基础设计时 所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定 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 采用相应的分项系数 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 基础设计安全等级 结构设计使用年限 结构重要性系数应按有关规范的规定采用 但结构重要性系数 0不应小于1 0 算例 某厂房柱截面为600mm 400mm 基础受竖向荷载Fk 1100kN 水平荷载Qk 50kN 弯矩M 100kN m 地基土层剖面如图所示 基础埋深2 0m 基础材料选用C15混凝土 试设计该柱下刚性基础 设计地面 1 20m 杂填土 16 5kN m3 粉质粘土 19 2kN m3 fak 212KPae 0 78 IL 0 45 ES1 9 6MPa 00 5 00m 淤泥质土 16 5kN m3 fak 100KPaES2 3 2MPa 地下水 解 1 基础埋深2m 先对地基承载力特征值做深度修正 由e 0 78 IL 0 45 查表 教材或规范 得 d 1 6 b 0 3fa fak d m d 0 5 212 1 6 16 5 1 2 9 2 0 8 2 2 0 0 5 244 6KPa 深度修正 2 按中心荷载初步估计基底面积 A0 FK fa Gd 1100 244 6 20 1 2 10 0 8 2 2 5 2m2 3 考虑偏心荷载作用 将基础面积扩大到1 3倍 A1 1 3 5 2 6 8取基底边l b 1 5 则b 2 1m l 3 2m 4 验算持力层地基承载力基础及上覆土重 Gk GAd 20 1 2 10 0 8 2 1 3 2 215kN 竖向中心荷载标准值Fk 1100KN 基底所受力矩Mk M Qk d 100 100 2 300kN m基底抵抗矩W bl2 6 2 1 3 22 6 3 6m3基底平均压力 Pk Fk Gk A 1100 215 6 8 195 70Pkmax Fk Gk A1 Mk w 195 7 300 3 6 279 0 1 2fa 293 5kPa 深度和宽度修正 可见满足持力层承载力要求 但基底尺寸过大 不经济 4 重新调整基底尺寸A2 1 25A0 6 5m2取基底边l b 1 5 则b 2 08m l 3 12m 基底平均压力 Pk Fk Gk A 201 2Ka0 压应力 满足地基承载力要求 基础底面尺寸合适 5 验算软弱下卧层地基承载力淤泥质土承载力特征值深度修正 查表 d 1 0 m 16 5 1 2 9 2 3 8 5 10 95kN m3作用在下卧层顶面处土的自重压力 pcz m d z 10 95 5 54 7kPa 作用在下卧层顶面处的附加压力 pk pc 201 2 54 7 174 0kPa Es1 Es2 9 6 3 2 3 0 z b 1 4 查表得 23 Pz bl pk pc b 2ztan l 2ztan 6 5 174 0 2 08 2 3tan23 3 12 2 3tan23 43 3kPapcz pz 54 7 43 3 98kPa faz 100kPa 深度修正 可见 软弱下卧层承载力满足要求 一 无筋扩展基础 刚性基础 通常由砖石 素混凝土 三合土和灰土等材料建造 材料具有抗压强度高而抗拉 抗剪强度低的特点 刚性基础设计主要承受压应力 并保证基础内产生的拉应力和剪应力都不超过材料强度 具体设计中主要通过对基础的外伸宽度与基础高度的比值 刚性角 进行验算来实现 基础宽度还应满足地基承载力的要求 2 6扩展基础设计 刚性基础 无筋扩展基础 1 1 0 1 2 0 满足刚性角要求 规范或表2 9 1 初步选定基础高度H 2 确定 验算 基础宽度b 砼基础H 200mm 灰土等基础为150mm的倍数 砖基础符合砖的模数 安全 不经济 如何解决 刚性基础 无筋扩展基础 基础的构造砖基础 素混凝土基础 砌石基础每台阶至少有两层砌石 每个台阶的高度要求不小于300mm 为了保证上一层砌石的边能压紧下一层砌石的边块 每个台阶伸出的长度不应大于150mm 实际的刚性角小于允许的刚性角 因此往往要求基础要有比较大的高度 为了减少基础的高度 可以把断面做成梯形 砌石基础 灰土基础一般与砖 砌石 混凝土等材料配合使用 厚度通常用300至450mm 2步或3步 台阶宽高比为1 1 5 由于基槽边角处灰土不容易夯实 所以用灰土基础时 实际的施工宽度应该比计算宽度每边各放出50mm以上 灰土基础 钢筋混凝土柱下基础 二柔性基础 扩展基础 墙下条形基础柱下独立基础 二 扩展基础 钢筋砼基础 1 墙下钢筋砼条形基础设计 主要构造要求 1 墙下钢筋砼条形基础设计 基础底板厚度和配筋计算 墙下条型基础受中心荷载作用 1 中心荷载作用 地基净反力 I I截面V M最大 底板厚度抗剪条件 底板配筋 1 墙下钢筋砼条形基础设计 基础底板厚度和配筋计算 2 偏心荷载作用 偏心距 基础边缘处净反力 I I截面处净反力 底板厚度和配筋 I I截面处V M最大 二 扩展基础 钢筋砼基础 2 柱下钢筋砼独立基础设计 主要构造要求 对危险部位进行冲切验算 目的 冲切验算控制扩展基础的高度 M 2柱下钢筋砼独立基础设计 抗弯验算 抗弯验算控制扩展基础的配筋 2柱下钢筋砼独立基础设计 抗冲切验算与基础高度确定 h0 h0 ac l pj为地基净反力A1为红色阴影面积am冲切锥 绿色 的中线 Fl V Fl pjA1 V 0 7 hpftamh0 其中 中心荷载 1 中心荷载作用 h0 h0 ac pj 抗冲切验算与基础高度确定 h0 h0 ac l pj为地基净反力A1为红色阴影面积am bc b 2 Fl V Fl pjA1 V 0 7 hpftamh0 其中 中心荷载 1中心荷载作用 h0 h0 ac bc h0 h0 b pj 抗冲切验算与基础高度确定 1中心荷载作用 h01 a1 b1 当基础剖面为阶梯形时 还应验算变台阶处的有效高度h01 验算方法 与上述基本相同 仅需将上述公式中的bc和ac分别换成变形阶处台阶尺寸b1和a1即可 若基础底面落在破坏锥体底边以内时 则不需进行冲切验算 1 中心荷载作用 基础底板配筋 两个方向都要配受力钢筋钢筋面积按两个方向的最大弯矩分别计算 截面 截面 偏心受荷时 偏心荷载 原理同中心受压 M 1 基础底板厚度 基底净反力以pjmax代替pj 2 基础底板配筋 基底净反力以 pjmax pjI 2或 pjmax pjII 2代替pj 例题2 7 2 8 6 确定基础高度基础采用C15混凝土 台阶宽高比为1 1 0长边l方向基础高度H l l0 2tan 3 1 0 6 2 1 75m 长边b方向基础高度H b b0 2tan 2 08 0 4 2 0 84m同时基础高度还需满足H d 0 1 2 0 1 1 9m 取基础高度H为1 8m 8 基础构造设计 并绘图取基础高度H为1 8m 据素混凝土基础构造要求设4个台阶 每个台阶高度为0 45m b边方向上台阶宽度为 b b0 2 4 0 41m l边方向上台阶宽度为 l l0 2 4 0 44m 2020 4 5 89 作业 2 6 2 7 2 8 本章内容 2 1概述2 2浅基础的类型2 3基础埋置深度的选择2 4浅基础的地基承载力2 5基础底面尺寸的确定2 6扩展基础设计2 7联合基础设计2 8减轻不均匀沉降危害的措施 2 7联合基础设计 要解决的问题 当相邻二柱分别设计独立基础时 如果一柱靠近建筑界限或两柱间距较小时 会出现基底面积不足或荷载偏心过大的情况 解决的办法 双柱联合基础设计要求 基底压力分布较均匀设计原则 基底形心接近合力作用点 2 7联合基础设计 基本假定基础是刚性的 基底压力为线性分布 地基主要受力层内土质均匀 不考虑上部结构刚度的影响 矩形联合基础梯形联合基础连梁式联合基础 2 7 1矩形联合基础 设计步骤计算柱荷载的合力作用点位置 确定基础长度 使基础底面形心尽可能与柱荷载重心重合 按地基土承载力确定基础底面宽度 按反力线性分布假定计算基底净反力设计值 并用静定分析法计算基础内力 根据受冲切和受剪承载力确定基础高度 一般先假定 后验算 按最大正负弯矩进行纵向配筋计算 按等效梁概念进行横向配筋计算 2 7 1矩形联合基础 冲切承载力验算 Fl 0 7 hpftumh0 Fl 荷载基本组合时冲切力的设计值 取柱轴心荷载设计值减去冲切破坏锥体范围内的基底净反力 um 临界截面的周长 取距离柱周边h0 2处板垂直截面的最不利周长 单面冲切取该截面单边长度 即am 2 7 1矩形联合基础 受剪承载力验算 V 0 7 hftbh0 V 荷载基本组合时截面剪力设计值 验算截面按梁宽可取在冲切破坏锥体底面边缘处 h 截面高度影响系数 当h02000mm时 取2000mm 2 7 1矩形联合基础 按等效梁概念进行横向配筋计算 例题2 9 波勒斯建议 柱边以外各取等于0 75h0的宽度与柱宽合计作为等效梁宽度 基础横向受力钢筋按横向等效梁的柱边截面弯矩计算并配置在该截面内 等效梁以外区段按构造配筋 基底净反力取相应等效梁上的柱荷载计算 2 7 2梯形联合基础 适用范围 l 3 x l 2 a b 注意 纵向净反力为梯形分布 内力最大截面不一定是最不利截面 等效梁该段取平均长度 例题2 10 2 7 3连梁式联合基础 适用条件 两柱间距较大的情况设计目的 减小柱距过大在基底跨中引起的较大弯矩设计方法 通过采用不着地的连梁 把某一侧基础由于偏心产生的负弯矩传递给另一侧的柱基 使两个基础的基底反力都均匀分布 2