高层结构--ch9--基础设计-2011

9 1概述 9 2筏形基础设计 9 3箱形基础设计 9 4桩基础设计 第9章高层建筑结构基础设计 2011 12 5 Ver 1 50 9 1概述 9 1 3基础的分类与构造 9 1 4地下室的构造 9 1 1地基 基础与荷载的关系 9 1 5高层部分基础与裙房基础的连接 9 1 6地基承载力 9 1 7单桩承载力 9 1 2基础的埋置深度 返回 思考题 1 地基 基础的概念 9 1 1地基 基础与荷载的关系 基础 foundation 在建筑工程中 位于建筑的最下部位 直接作用于土层的承重构件 地基 subbase ground 基础下面支承建筑总荷载的那部分土层 基础是建筑物的组成部分 地基则不是 返回 地基 foundationsoil subgrade subbase ground 2 地基承载力与基础底面积的关系 地基承载力 每平方米地基所能承受的最大垂直压力 基础底面的平均压力不得超过地基承载力 以f表示地基承载力 N代表建筑的总荷载 A代表基础的底面积 则 3 地基的分类 按土层性质不同 分为 天然地基 具有足够的承载力 可以直接在其上建造基础的天然土层 人工地基 必须预先对土层进行人工加固后才能承受建筑物荷载的地基 加固地基的方法 压实法 利用人工方法挤压土壤 排走土中的空气 提高土的密实性 如重锤夯实法 机械碾压法换土法 将地基中的软弱土全部或部分挖除 换以承载力高的好土 打桩法 将钢筋混凝土桩打入或灌注入土中 把土挤实 由桩和桩间土一起组成复合地基 化学加固法 水泥硅化加固法 4 对地基和基础的要求 一 地基应具有较高的承载能力且分布均匀建筑物的建造地址应尽量选在地基承载力较高且分布均匀的地段 二 基础应具有足够的强度且满足耐久性要求基础所用的材料和构造的选择应与上部结构的耐久性相适应 三 基础工程应注意经济效益基础工程约占建筑总造价的10 40 基底压力不超过地基承载力或桩基承载力 基础总沉降量和差异沉降量控制在允许范围内 满足建筑物地下室部分的防水要求 基础施工应避免和减轻对相邻建筑物的影响和干挠 考虑综合经济技术指标 设计应考虑使用条件 施工条件和施工工期 5 基础设计的要求 砌体结构 局部倾斜框架与排架 沉降差多高层整体倾斜体型简单的高层平均沉降量200mm高耸结构 倾斜与沉降量 各类结构地基变形控制 注 具体控制值详规范GB50007 2002 基础埋置深度是指室外设计地面到基础底面的距离 根据基础埋置深度不同 基础分为 浅基础 埋置深度不超过4m 深基础 埋置深度超过4m 不埋基础 基础直接做在地表面上 9 1 2基础的埋置深度 返回 比萨斜塔 正是由于地基土质较差 基础埋置较浅 仅3 05米 在建到第三层时 基础发生不均匀沉降 塔顶中心点偏离中心线2 1米 现已偏离5 2米 终成斜塔 确定基础埋置深度要考虑的因素 工程地质与水文地质情况基础应尽量埋置得浅些 但不能小于0 5米 基础埋深尽可能设在地下水位以上 地基土冻胀和融陷的影响季节性冻土是一年内冻结和解冻交替出现的土层 基础埋置的深度一般应大于冻结深度 房屋的使用情况如有无地下室 地下设施 基础的形式和构造等 相邻建筑物和构筑物的基础埋深当深于原有建筑物或构筑物的基础时 两基础间应保持一定距离 当新建筑物荷重大 楼层高 基础埋深要求大于原有建筑物基础埋深时 新旧两基础之间应有一定的净距 图 根据荷载大小 土质情况和基础形成确定 一般可取相邻基础底面高差的1 2倍 即L 1 2 h 当不能满足净距方面的要求时 应采取分段施工 或设临时支撑 打板桩 地下连续墙等措施 或加固原有建筑物地基 新建与原有建筑基础的问题 新建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑物基础的埋深 确定高层结构基础埋置深度要考虑的因素 1 防止在水平力作用下基础发生滑移和倾斜 提高基础的稳定性 2 增大埋深 可以提高地基的承载力 减少基础的沉降量 3 增大埋深后 由于外侧墙的土压力 摩擦力 限制了基础的倾斜 基底下土反力的分布能趋于平缓 减少集中程度 4 增大埋深后 地面运动时阻尼增大 输入加速度减小 震害可以减轻 基础埋置深度及基础型式与低层和多层建筑相比 高层建筑的基础埋深应当大一些 这是因为 1 一般情况较深的土壤承载力大而压缩性小 稳定性较好 2 高层建筑的水平剪力较大 要求基础周围的土壤有一定的嵌固作用 能提供部分水平反力 3 地震作用下 地震波通过地基传到建筑物上 根据实测可知 通常在较深处的地震波幅较小 接近地面幅值增大 因此 高层建筑基础埋深大一些 可减小地震反应 第一章 确定高层结构基础埋置深度的取值 1 天然地基或复合地基 可取房屋高度的1 15 2 桩基础 可取房屋高度的1 18 桩长不计在内 3 当建筑物采用岩石地基或采取有效措施进 埋深的限值可适当放宽 关于基础埋深的说明 基础埋深自室外地坪起算 天然地基算至箱形基础 筏形基础的底板下皮标高 桩基算至承台的下皮标高 当室外地坪不等高时 应按较低的一侧起计 9 1 3基础的分类与构造 返回 基础可分为浅基础和深基础 深基础埋深较大 其主要作用是把所承受的荷载相对集中地传递到地基深部 而浅基础则是通过基础底面 把荷载扩散分布于浅部地层 1 浅基础的定义 2 浅基础的荷载传递 上部结构 基础 应力和变形 地基 荷载 基底压力 3 地基基础设计考虑的主要因素 基础设计时 除须保证基础结构本身具有足够的强度和刚度外 同时还须选择合理的基础尺寸和布置方案 使地基的反力和沉降在允许的范围之内 因此 基础设计包括地基与基础两部分 又常称为地基基础设计 只需经过挖槽 排水等普通施工程序就可建造的基础称作浅基础 埋深 3 4m 浅基础不同于深基础主要表现在 1 从施工角度看 开挖基坑过程中降低地下水位 当地下水位较高时 和保证坑壁 或边坡 稳定的问题比较容易解决 2 从设计角度来看 浅基础的埋置深度一般较浅 因此可以只考虑基础底面以下土的承载力 而忽略基础侧面土提供的竖向承载力 浅基础的设计 不能离开地基条件孤立地进行 故常称为地基基础设计 地基基础设计是建筑物结构设计的重要组成部分 基础的型式和布置 要合理地配合上部结构的设计 满足建筑物整体的要求 同时要做到便于施工 降低造价 天然地基上结构较简单的浅基础 最为经济 如能满足要求 宜优先选用 天然地基 人工地基上浅基础设计的原则和方法基本相同 只是采用人工地基上的浅基础方案时 尚需对选择的地基处理方法进行设计 并处理好人工地基与浅基础的相互影响 2天然地基上浅基础的设计 包括下述各项内容 2 选择基础的埋置深度 3 确定地基承载力 4 确定基础尺寸 5 进行地基变形与稳定性验算 6 进行基础结构设计 7 施工期限 施工方法及所需的施工设备等 8 绘制基础施工图 提出施工说明 1 选择基础的材料 基础的结构型式和平面布置 在选择基础类型时 应考虑上部结构类型 使用要求及对不均匀沉降的敏感性 在进行基础的形状和布置设计时 应注意与相邻基础 地下构筑物和地下管道的关系 上述浅基础设计的各项内容是相互关联的 设计时可按上述顺序 首先选择基础材料 类型和埋深 然后逐项进行计算 如果发现前面的选择不妥 则需修改设计 直至各项计算均符合要求 各数据前后一致为止 必须强调的是 地基基础问题的解决 不宜单纯着眼于地基基础本身 按常规设计时 更应把地基 基础与上部结构视为一个统一的整体 从三者相互作用的概念出发考虑地基基础方案 在进行地基基础设计时 由于各种建筑物有不同的结构类型和不同的使用要求 同时建筑物地基的土质条件和建筑物对不均匀沉降的敏感性也不同 因此针对具体问题需要采取不同的解决方法 独立基础条形基础 十字交叉条形基础 筏板基础箱形基础壳体基础桩基础 按基础形状和大小分类 3浅基础的类型 刚性基础 rigidfoundation 定义 通常由砖 块石 毛石 素混凝土 三合土和灰土等材料建造的基础 特点 抗压性能较好 但抗拉 抗剪强度不高 设计要求 发生在基础内的拉应力和剪应力不超过其材料强度设计值 可通过限制基础外伸宽度与基础高度的比值来实现 定义 由刚性角控制的基础为刚性基础 设计要求 在宽高比的限制下 基础相对高度一般较大 几乎不会发生弯曲变形 此类基础习惯上称之为刚性基础 应用范围 刚性基础可用于六层和六层以下 三合土基础不宜超过四层 的民用建筑和砌体承重的厂房 刚性基础又可分为墙下刚性条形基础和柱下刚性独立基础 刚性基础 凡受刚性角限制的基础称为刚性基础 刚性基础台阶宽高比的允许值 刚性基础思考题 1 砖基础 主要材料为普通粘土砖 多用于地基土质好 地下水位较低 五层以下的砖混结构建筑中 2 灰土基础与三合土基础 在地下水位比较低的地区 常在砖基础下做灰土垫层 该灰土层的厚度不小于100mm 由于灰土垫层按基础计算 故称灰土基础 灰土基础是由粉状石灰与粘土加适量水拌合夯实而成的 石灰与粘土的体积比为3 7或2 8 灰土每层均虚铺220mm 夯实后厚度为150mm左右 三合土基础 石灰 砂 集料 碎砖 碎石或矿渣 按体积比1 3 6或1 2 4加水拌合夯实而成的 通常其总厚度H0 300mm 宽度b 600mm 三合土基础适用于四层以下建筑 3 毛石基础 由未经加工的石材和砂浆砌筑而成的 用于地下水位较高 冻结深度较深的低层和多层民用建筑中 剖面形式多呈阶梯形 基础的顶面要比墙或柱每边宽出100mm 基础的宽度 每个台阶的高度均不宜小于400mm 每个台阶挑出的宽度不应当大于200mm 4 混凝土基础 混凝土基础的断面可以做成矩形 阶梯形和锥形 当基础宽度小于350mm时 多做成矩形 大于350mm时 多做成阶梯形 常在混凝土中加入粒径不超过300mm的毛石 这种混凝土称为毛石混凝土 当刚性基础的尺寸不能同时满足地基承载力和基础埋深的要求时 则需采用柔性基础 即钢筋混凝土基础 特点 具有较好的抗剪能力和抗弯能力 设计要求 采用扩大基础底面积的方法来满足地基承载力的要求 但不必增加基础的埋深 选择合适的基础材料 高度与配筋来满足基础抗剪和抗弯要求 柔性基础种类 独立基础 条形基础 筏板基础 箱形基础和壳体基础等 柔性基础 柔性基础与刚性基础的比较 钢筋混凝土基础称为非刚性基础或称为柔性基础 钢筋混凝土基础的形式 柱下和墙下钢筋混凝土基础一般做成锥形和台阶形 对于墙下钢筋混凝土基础 当地基不均匀时 还要考虑墙体纵向弯曲的影响 这种情况下 为了增加基础的整体性和加强基础纵向抗弯能力 墙下钢筋混凝土基础可采用有肋的基础形式 锥形 台阶形 有肋的扩展基础 有梁 1 钢筋混凝土独立基础 钢筋混凝土独立基础主要是指柱下单独基础 常见于桥梁工程 工业厂房等 截面形式 现浇台阶形或锥形基础和预制柱杯口形基础 基础底面形状 轴心受压柱下一般为正方形 偏心受压柱下一般为矩形 2 钢筋混凝土条形基础 分为墙下条形基础 柱下条形基础和十字交叉条形基础 墙下条形基础 横截面积根据受力条件又可分为不带肋和带肋两种 可看作是钢筋混凝土独立基础的特例 其计算属于平面应变问题 只考虑在基础横向受力发生破坏 柱下条形基础 当地基承载力较低且柱下钢筋混凝土独立基础的底面积不能承受上部结构荷载时 常把若干柱子的基础连成一条 构成柱下条形基础 目的是将承受的集中荷载较均匀地分布到条形基础底面积上 以减小地基反力 并通过形成的基础整体刚度来调整可能产生的不均匀沉降 一个方向的单列柱基连在一起便成为单向条形基础 十字交叉条形基础 当单向条形基础的底面积仍不能承受上部结构荷载时 可将纵横柱基础均连在一起 构成十字交叉条形基础 十字交叉条形基础可承担10层以下民用住宅 按基础的构造形式分类 基础的构造形式主要取决于 建筑物上部结构形式荷载的大小地基土壤性质在一般情况下 上部结构形式直接影响基础的形式 但当上部荷载大且地基承载能力有变化时 基础的形式也随之变化 基础按构造形式可分为六种基本类型 1 条形基础 2 独立基础 4 筏板 式 基础 3 井格式基础 5 箱形基础 6 桩基础 1 条形基础 stripfoundation 当建筑物上部结构为墙承重结构时 基础沿墙身设置 多做成长条形 这种基础称为条形基础或带形基础 该类基础多用于砖混结构 其基础常选用砖 石 灰土 三合土等材料 也可采用钢筋混凝土条形基础 2 独立基础 singlefoundation 当建筑物上部采用框架结构或单层排架结构承重时 基础常采用方形或矩形的单独基础 这种基础称为独立基础或柱式基础 独立基础是柱下基础的基本形式 常用的断面形式 阶梯形 锥形 杯形 优点 减少土方工程量 节约基础材料 缺点 基础之间无构件连接件 整体刚度较差 柱下独立基础示意图 柱下独立基础 3 井格式基础 将柱下基础沿纵 横方向连接起来 做成十字交叉的井格基础 故又称十字带形基础 4 筏板 式 基础 RaftFoundation 用整片的筏板承受建筑物的荷载 这种基础形似筏子 筏式基础按结构形式可分为板式结构和梁板式结构两类 当地基承载力低 而上部结构的荷重又较大 以至于十字交叉条形基础仍不能提供足够的底面积来满足地基承载力的要求时 或相邻基槽间距很小时 可采用钢筋混凝土满堂基础即筏板基础 筏板基础的特点 筏板基础有更大的整体刚度 有利于调整地基的不均匀沉降 较能适应上部结构荷载分布的变化 特别对于有地下室的房屋或大型贮液结构 如水池 油库等 筏板基础是一种比较理想的基础结构 筏板基础的适用条件 筏板基础可在六层住宅中使用 也可在50层的高层建筑中使用 如美国休斯敦市的52层壳体广场大楼就是采用天然地基上的筏板基础 它的厚度为2 52m 平板式筏基是一块等厚度 0 4 2 5m 的钢混平板 梁板式筏基是在筏板上沿柱轴纵横向设置基础梁而形成 筏板基础分为平板式和梁板式两种类型 不埋板式基础 在天然地表上 将场地平整并用压路机将地表土碾压密实后 在较好的持力层上 浇灌钢筋混凝土平板 5 箱形基础 BoxFoundation 箱形基础是由钢筋混凝土的底板 顶板和纵横隔墙组成的整体结构 它具有很大的整体刚度 基本上消除了地基自重应力 箱形基础适用于作软弱地基上面积较小 平面形门面简单高层建筑物 箱形基础 boxfoundation 一般适用于高层建筑或在软弱地基上建造重型建筑物 当箱形基础的内部空间较大时 可用作地下室 箱形基础 箱形基础 箱形基础的组成 箱形基础是由钢筋混凝土底板 顶板 侧墙 内隔墙组成 形成一个整体性好 空间刚度大的箱体 箱形基础的特点 a 箱基比筏板基础具有更大的抗弯刚度 可视为绝对刚性基础 产生的沉降通常较为均匀 适用于软弱地基上的高层 重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物 c 箱基空腹 卸除了基底处原有的地基自重压力 减小了基础底面的附加应力 减少建筑物的沉降 这种基础又称之为补偿基础 b 箱形基础有较大的基础宽度和埋深 能提高地基承载力 增强地基的稳定性 与筏基比较 箱形基础的地下室被分割 空间较小 而筏基的地下室空间则较大 箱形基础的材料消耗量较大 施工技术要求高 且还会遇到深基坑开挖带来的问题和困难 是否采用 应与其他可能的地基基础方案作技术经济比较后再确定 为加大底板刚度 可采用 套箱式 箱形基础 常用于筒形构筑物 如烟囱 水塔 粮仓 中小型高炉等 的基础 主要有M型组合壳 正圆锥壳和内球外锥组合壳三种形式 壳体结构的内力主要是轴向压力 这就充分利用了混凝土结构受压性能好的特点 因而具有材料省和造价低等优点 根据工程实践统计 中小型筒形构筑物的壳体基础 可比一般梁 板式的钢筋混凝土基础节约混凝土50 左右 节省钢筋30 以上 此外 一般情况下在壳体基础施工时不必支模 土方挖运量也较少 但是 施工技术则要求较高 目前主要用于筒形构筑物的基础 除以上介绍的主要类型基础外 还有不少其它类型的基础 如不埋式薄板基础 无筋倒圆台基础 折板基础等 补充 壳体基础 shellfoundation 6 桩基础 pilefoundation 桩基础定义 由桩连接桩顶 桩帽和承台组成的深基础 当建筑物上部荷载较大 地基的软弱土层较厚 地基承载力不能满足要求且做成人工地基又不具备条件或不经济时 常采用桩基础 采用桩基础能节省基础材料 减少挖填土方工程量 改善工人的劳动条件 缩短工期 桩基础适用条件 a 桩的种类 根据材料不同可分为 木桩 钢筋混凝土桩 钢桩和其它组合材料桩a 木桩b 预制混凝土桩c 预制混凝土管桩g 复合桩 根据施工方法不同分为 打入桩压入桩振入桩灌注桩钻孔桩 沉管灌注桩施工过程 就位 沉套管 开始灌注混凝土 下钢筋骨架继续浇灌混凝土 拔管成型 根据受力性能不同可分为 端承桩摩擦桩 b 桩的组成 桩由桩身及承台梁组成 桩的上端浇注钢筋混凝土承台梁 承台梁上接墙体 在寒冷地区 为了防止承台梁下的土受冻膨胀使承台梁破坏 一般在承台梁下铺设100mm 200mm的粗砂或炉渣 10 沉井基础opencaissonfoundation上下敞口带刃脚的空心井筒状结构下沉水中到设计标高处 以井筒作为结构外壳而建筑成的基础 补充 深基础 11 管柱基础cylinderpilefoundation cylindercaissonfoundation大直径钢筋混凝土或预应力混凝土圆管 用人工或机械清除管内土 石 下沉至地基中 固于岩层或坚实地层的基础 12 沉箱基础caissonfoundation用气压排水 开挖水下土 岩 层 把闭口箱下沉到设计标高所建成的基础 三 特殊情况下的基础构造 同一建筑物的基础理深有时不同 此时 深浅基础相连时 基础应做成台阶式相连 台阶高应不大于500mm 并且h L 1 2 高层建筑箱形与筏形基础技术规范JGJ6 995 1 3高层建筑的地下室采用箱形或筏形基础 且地下室四周回填土为分层夯实时 上部结构的嵌固部位可按下列原则确定 5 1 3 1单层地下室为箱基 上部结构为框架 剪力墙或框剪结构时 上部结构的嵌固部位可取箱基的顶部 图5 1 3 5 1 3 2采用箱基的多层地下室及采用筏基的地下室 对于上部结构为框架 剪力墙或框剪结构的多层地下室 当地下室的层间侧移刚度大于等于上部结构层间侧移刚度的1 5倍时 地下一层结构顶部可作为上部结构的嵌固部位 图5 1 3 否则认为上部结构嵌固在箱基或筏基的顶部 5 1 3 3对于上部结构为框筒或筒中筒结构的地下室 当地下一层结构顶板整体性较好 平面刚度较大且无大洞口 地下室的外墙能承受上部结构通过地下一层顶板传来的水平力或地震作用时 地下一层结构顶部可作为上部结构的嵌固部位 图5 1 3 上部结构的嵌固部位 5 1 4当考虑上部结构嵌固在箱形基础的顶板上或地下一层结构顶部时 箱基或地下一层结构顶板除满足正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力要求外 其厚度尚不应小于200 嵌固板厚要求 对框筒或筒中筒结构 箱基或地下一层结构顶板与外墙连接处的截面 尚应符合下列条件 图5 1 4 非抗震设计 f c f f 5 1 4 1 抗震设计 E f E c f f c 混凝土轴心受压强度设计值 c 沿水平力或地震力方向与外墙连接的箱基或地下一层结构顶板的宽度 f 箱基或地下一层结构顶板的厚度 f 上部结构传来的计算截面处的水平剪力设计值 E f 地震效应组合时 上部结构传来的计算截面处的水平地震剪力设计值 E 承载力抗震调整系数 取0 85 9 1 4地下室的构造 地下室是指建筑物底层以下的房间 1 地下室的类型按顶板标高可分为 全地下室 即地下室地面低于室外地面的高度 超过该房间净高一半时称全地下室 半地下室 即地下室地面低于室外地面的高度超过该房间净高1 3 且不超过1 2时称为半地下室 按使用功能分有普通地下室和人防地下室 按结构材料可分为砖墙地下室和混凝土墙地下室 返回 2 地下室的防潮与防水构造 地下室构造设计的主要任务 保证地下室在使用时不受潮 不渗漏 地下室防潮 砖墙 二 地下室防水 对采用砖墙承重的 地下室防水多采用外包式柔性防水处理 柔性防水有油毡防水和冷胶料加衬玻璃布防水 防水层的卷材层数 采用油毡防水层时 油毡的层数应根据地下水的最大水头选用 防水混凝上防水 常采用的防水混凝土有集料级配混凝土和外加剂混凝土 地下室的墙板和底板的厚度不应小于200mm 人工降排水措施 9 1 5高层部分基础与裙房基础的连接 返回 1 地基承载力概念 建筑物荷载通过基础作用于地基 对地基提出两个方面的要求 1 变形要求 建筑物基础在荷载作用下产生最大沉降量或沉降差 应该在该建筑物允许的范围内 2 强度和稳定性要求 建筑物的基底压力应在地基允许的承载能力之内 地基承载力 地基土单位面积上所能承受荷载的能力 极限承载力 pu 地基不致失稳时单位面积能承受的最大荷载 地基容许承载力 pa 考虑一定安全储备后的地基承载力 9 1 6地基承载力 返回 2 地基变形的三个阶段 0 s p pcr pu a b c 地基开始出现剪切破坏 即弹性变形阶段转变为弹塑性变形阶段 时 地基所承受的基地压力称为临塑荷载pcr 地基濒临破坏 即弹塑性变形阶段转变为破坏阶段 时 地基所承受的基地压力称为极限荷载pu 0 s p pcr pu a b c p pcr p pu a 线性变形阶段 压密阶段 塑性变形区 连续滑动面 oa段 荷载小 主要产生压缩变形 荷载与沉降关系接近于直线 土中 f 地基处于弹性平衡状态 b 弹塑性变形阶段 剪切阶段 ab段 荷载增加 荷载与沉降关系呈曲线 地基中局部产生剪切破坏 出现塑性变形区 c 破坏阶段 bc段 塑性区扩大 发展成连续滑动面 荷载增加 沉降急剧变化 地基承载力 地基承载力是指地基承受荷载的能力 在压力与沉降的关系曲线中 整体剪切破坏的曲线有两个转折点 相应于a点的荷载称为临塑荷载pcr 为地基土开始出现剪切破坏时的基底压力 相应于b点的压力称为地基极限承载力pu 是地基承受基础荷载的极限压力 当基底压力达到pu时 地基就发生整体剪切破坏 3 地基的破坏形式 1 整体剪切破坏 2 随着荷载增加 压密区I向两侧挤压 土中产生塑性区 塑性区先在基础边缘产生 然后逐步扩大形成II III塑性区 基础的沉降增长率较前一阶段增大 故p s曲线呈曲线状 1 当基础上荷载较小时 基础下形成一个三角形压密区I 随同基础压入土中 p s 基底压力p与沉降s 曲线呈直线关系 整体剪切破坏p s曲线上有两个明显的转折点 区分地基变形三个阶段 3 当荷载达到最大值后 土中形成连续滑动面 并延伸到地面 土从基础两侧挤出并隆起 基础沉降急剧增加 整个地基失稳破坏 p s曲线上出现明显的转折点 其相应的荷载称为极限荷载pu 整体剪切破坏常发生在浅埋基础下的密砂或硬粘土等坚实地基中 随着荷载的增加 基础下也产生压密区I及塑性区II 但塑性区仅仅发展到地基某一范围内 土中滑动面并不延伸到地面 基础两侧地面微微隆起 没有出现明显的裂缝 其p s曲线如图中曲线b所示 2 局部剪切破坏 局部剪切破坏p s曲线转折点不明显 没有明显的直线段 其破坏的特征为 p s曲线在转折点后 其沉降量增长率虽较前一阶段为大 但不象整体剪切破坏那样急剧增加 在转折点之后 p s曲线还是呈线性关系 局部剪切破坏常发生于中等密实砂土中 3 刺入剪切破坏 冲剪破坏 随着荷载的增加 基础下土层发生压缩变形 基础随之下沉 当荷载继续增加 基础周围附近土体发生竖向剪切破坏 使基础刺入土中 基础两边的土体没有移动 如图 刺入剪切破坏的p s曲线如图中曲线c 沉降随着荷载的增大而不断增加 但p s曲线上没有明显的转折点 没有明显的比例界限及极限荷载 刺入剪切破坏常发生在松砂及软土中 p s曲线没有明显的转折点 其破坏的特征是 地基的剪切破坏形式 除了与地基土的性质有关外 还同基础埋置深度 加荷速度等因素有关 如在密砂地基中 一般会出现整体剪切破坏 但当基础埋置很深时 密砂在很大荷载作用下也会产生压缩变形 而出现刺入剪切破坏 在软粘土中 当加荷速度较慢时会产生压缩变形而出现刺入剪切破坏 但当加荷很快时 由于土体不能产生压缩变形 就可能发生整体剪切破坏 4 确定地基容许承载力的方法 确定地基容许承载力的方法 一般有以下三种 1 根据载荷试验的p s曲线来确定地基容许承载力 2 根据设计规范确定 新规范已取消 3 根据地基承载力理论公式确定地基容许承载力 5 地基承载力的验算 在建筑工程中 必须使建筑物基础底面压力不超过规定的地基承载力 以保证地基土不致破坏 即丧失稳定性 同时也要使建筑物不会产生建筑物不容许的沉降和沉降差 以满足建筑物的使用要求 地基承载力是指地基土单位面积上承受荷载的能力 以kN m2或kPa计 地基承载力和边坡稳定性问题在本质上是一致的 它们都是考虑土中的剪应力与土的抗剪强度之间的关系 地基基础设计首先必须保证在荷载作用下的地基对土体产生剪切破坏而失效方面 应具有足够的安全度 为此 建筑物浅基础的地基承载力验算均应满足下列要求 式中pk 相应于荷载效应标准组合时 基础底面处的平均压力值 fa 修正后的地基承载力特征值 1 当轴心荷载作用时 pkmax 相应于荷载效应标准组合时 基础底面边缘处的最大压力值 fa 修正后的地基承载力特征值 除了应满足上式外 还应满足 式中 2 当偏心荷载作用时 地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试 公式计算并结合工程实践经验等方法综合确定 当基础宽度大于3m或埋置深度大于0 5m时 从载荷试验或原位测试 经验值等方法确定的地基承载力特征值 尚应按下式修正 式中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 b 基础底面宽度 m 当基宽小于3m按3m考虑 大于6m按6m考虑 m 基础底面以上土的加权平均重度 地下水位以下取浮重度 d 基础埋置深度 m 一般自室外地面标高算起 当地基受力层范围内有软弱下卧层时 应按下式验算 式中pz 相应于荷载效应标准组合时 软弱下卧层顶面处的附加应力值 pcz 软弱下卧层顶面处土的自重应力值 faz 软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值 按地基载荷试验确定地基的承载力特征值 在现场通过一定尺寸的载荷板对扰动较少的浅部地基土体直接加荷 所测得的成果一般能反映相当于1 2倍载荷板宽度的深度以内土体的平均性质 按载荷试验成果确定地基承载力特征值 p s 0 1 当p s曲线上有比例界限时 取该比例界限所对应的荷载值 2 当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时 取极限荷载值的一半 3 当不能按上述二点确定时 如压板面积为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 承载力特征值的确定 同一土层参加统计的试验点不应少于3点 各试验实测值的极差不得超过其平均值的30 取此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 当e 0 033b 根据土的抗剪强度指标确定地基承载力 fa 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 可根据 k查表得到 地基土的重度 地下水位以下取浮重度 d 基础埋置深度 m 从室外地面标高计算 m 基底以上土的加权重度 地下水位以下取浮重度 b 基础底面宽度 大于6m时 按6m取值 对于砂土小于3m时按3m取值 ck 基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值 按规范方法确定地基承载力 从前述临界荷载及极限荷载计算公式可以看到 当基础越宽 埋置深度越大 土的抗剪强度指标值越大时 地基承载力也增加 确定地基承载力特征值修正 规范 规定 当b 3m或d 0 5m 地基承载力特征值应该进行修正 fa 修正后的地基承载力特征值fak 地基承载力特征值 根据强度指标确定 b d 基础宽度和埋深的地基承载力修正系数 可查表 说明 规范 规定地基承载力特征值还可以由载荷试验或其它原位测试 并结合工程经验等方法综合确定 6按地基承载力确定基础底面尺寸 一 按地基持力层的承载力计算基底尺寸设计浅基础时 一般先确定埋深d并初步选择底面尺寸 求得基底以下持力层的修正后的承载力特征值 再按下列条件验算并调整尺寸直至满足设计要求为止 式中pk 相应于荷载效应标准组合时 基础底面处的平均压力值 fa 修正后的地基承载力特征值 1 当轴心荷载作用时 基础底面的压力 可按下列公式确定 式中 Fk 相应于荷载效应标准组合时 上部结构传至基础顶面的竖向力值 Gk 基础自重和基础上的土重 A 基础底面面积 基础底面积计算公式 柱基两边长比例可调 当为条形基础时 取单位长度1m 条形基础宽度计算公式 实际设计取 1 2b 当为条形基础时 式中pkmax 相应于荷载效应标准组合时 基础底面边缘处的最大压力值 fa 修正后的地基承载力特征值 2 当偏心荷载作用时除了应满足上式外 还应满足 式中Mk 相应于荷载效应标准组合时 作用于基础底面的力矩值 W 基础底面的抵抗力矩 基础底面的压力 可按下列公式确定 由于以上公式中的pk pkmax和fa都与基底尺寸有关 所以只有预选尺寸并通过反复试算修改尺寸才能取得满意的结果 二 软弱下卧层的验算当地基受力层范围内有软弱下卧层 承载力显著低于持力层的高压缩性土层 时 按持力层土的承载力计算得出基础底面所需的尺寸后 还必须对软弱下卧层按下式进行验算 返回 9 2筏形基础设计 9 2 1筏形基础的形式 9 2 2筏板基础的主要构造 9 2 3筏形基础的平面尺寸要求 9 2 4筏形基础的强度验算 9 2 5内力简化计算方法 9 2 6地基上的梁板分析 用整片的筏板承受建筑物筏子 筏式基础按结构形式可分为板式结构和梁板式结构两类 9 2筏形基础设计 9 2 1筏形基础的形式 返回 筏板基础是底板连成整片形式的基础 可以分为梁板式和平板式两类 筏板基础的基底面积较十字交叉条形基础更大 能满足较软弱地基的承载力要求 由于基底面积的加大减少了地基附加压力 地基沉降和不均匀沉降也因而减少 但是由于筏板基础的宽度较大 从而压缩层厚度也较大 这在深厚软弱土地基上尤应注意 筏板基础还具有较大的整体刚度 在一定程度上能调整地基的不均匀沉降 筏板基础能提供宽敞的地下使用空间 当设置地下室时具有补偿功能 筏板基础可在六层住宅中使用 也可在50层的高层建筑中使用 如美国休斯敦市的52层壳体广场大楼就是采用天然地基上的筏板基础 它的厚度为2 52m 平板式筏基是一块等厚度 0 5 2 5m 的钢混平板 梁板式筏基是在筏板上沿柱轴纵横向设置基础梁而形成 筏板基础两种类型 简化计算方法 假定基底压力呈直线分布 适用于筏板相对地基刚度较大的情况 当上部结构刚度很大时可用倒梁法或倒楼盖法 当上部结构为柔性结构时可用静定分析法 筏板基础的设计方法也可分为三类 考虑地基与基础共同工作的方法 用地基上的梁板分析方法求解 一般用在地基比较复杂 上部结构刚度较差 或柱荷载及柱间距变化较大时 考虑地基 基础与上部结构三者共同作用的方法 9 2 2筏板基础的主要构造 1 混凝土 混凝土强度等级 C30 当有防水要求时 砼抗渗等级应根据地下水最大水头与防水砼厚度比值按表采用 且不应小于0 6MPa 箱基和筏基防水混凝土的抗渗等级表12 1 9 返回 筏板基础的板厚由抗冲切 抗剪切计算确定 2 筏板基础的板厚 对于12层以上的高层建筑的梁板式筏基 底板厚度不应小于最大双向板格短边的1 14 且不应小于400mm 高层建筑梁板式不应小于300mm 平板式宜 h 400mm 梁板式筏板的板厚还不宜小于计算区段最小板跨的1 20 c 减少端部较大的基底反力对基础弯矩的影响 但悬臂也不宜过大 一般不宜大于伸出长度方向边跨柱距的1 4 3 筏板基础一般宜设置悬臂 伸出长度应考虑以下作用 a 增大基底面积 满足地基承载力要求 为此目的扩大部位宜设置在横向 b 调整基础重心 尽量使其与上部结构合力作用点重合 减少基础可能发生的倾斜 对高层建筑筏基 其偏心距应满足4 6 1 的构造要求 当仅板悬挑时 伸出长度不宜大于1 5m 挑板的四角应呈放射状布置5 7根角筋 直径与板边跨主筋相同 筏板基础的配筋除按计算要求外 应考虑整体弯曲的影响 梁板式筏板的底板和基础梁的纵 横向支座钢筋应有1 2 1 3贯通全跨 且配筋率不应小于0 15 跨中钢筋则按实际配筋率全部拉通 平板式筏板的柱下板带和跨中板带的底部钢筋应有1 2 1 3贯通全跨 且配筋率不应小于0 15 顶部钢筋则按实际配筋率全部拉通 当板厚 250mm时 板分布筋为 板厚 250mm时为 4 筏板基础的配筋 筏形基础的配筋要求 配筋率 间距和直径如同一般的楼盖 板式筏基配筋同无梁楼盖 筏基的钢筋间距不应小于150mm 宜为200 300mm 受力筋直径不宜小于12mm 采用双层双向钢筋网片配置在板底与板顶 板厚 2m时 在板中宜加设一道双向钢筋网 梁板式筏基的梁高取值应包括底板厚度在内 梁高不宜小于平均柱距的1 6 应综合考虑荷载大小 柱距 地质条件等因素 经计算满足承载力的要求 5 梁板式筏基的梁高 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ322002 若干问题解说2 56第12 2 4条 钢筋间距不应小于150mm 宜为200 300mm 钢筋间距取100 150mm是否允许 答 高规 第121214条的规定 主要考虑到高层建筑的筏形基础的板厚一般较厚 配筋直径较大 为便于混凝土施工和保证混凝土质量而做出的 因此 在不妨碍施工和保证混凝土质量的前提下 钢筋间距小于150mm是允许的 但一般不小于100mm 6 地下室墙体 筏基地下室钢筋砼外墙厚度不应小于250mm 内墙厚度不应小于200mm 墙的截面设计除满足承载力要求外 尚应考虑变形 抗裂及防渗要求 墙体内应设置双面钢筋 竖向和水平钢筋的直径不应小于12mm 间距不应大于300mm 7 施工后浇带 施工后浇带每隔30 40m设一道 以防收缩裂缝产生 后浇带宽度宜大小800mm 设置在柱距三等分的中间1 3范围内 后浇应在1个月以上 基础强度等级应提高一级 且宜采用早强 补偿收缩的砼 w 与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩 式中 A 基础底面积 对于均匀地基上的单幢建筑物 筏基或箱基形心宜与上部结构竖向荷载重心重合 当不能重合时 在永久荷载和楼 屋 面活荷载长期效应组合下 偏心距e宜符合下式的要求 9 2 3筏形基础的平面尺寸要求 返回 9 2 4筏形基础的强度验算 1平板式筏基的受冲切和受剪承载力验算 2梁板式筏基的受冲切和受剪承载力验算 1 柱下平板式筏基的受冲切承载力验算 2 内筒下平板式筏基的受冲切承载力验算 3 受剪承载力验算 1 底板受冲切承载力验算 2 底板受剪承载力验算 返回 1平板式筏基的受冲切和受剪承载力验算 1 柱下平板式筏基的筏板受冲切承载力验算 筏板距柱边h0 2处冲切临界截面的最大剪应力 max应满足下式要求 s 柱截面长边与短边的比值 4时取4 hp 受冲切承载力截面高度影响系数 当h 800时取1 0 当h 2000时 取0 9 其间线性插值 ft 砼轴心受拉强度设计值 max按下式计算 Fl 相应于荷载效应基本组合时的集中力设计值 对内柱取轴力设计值减去筏板冲切破坏锥体内的地基反力设计值 对边柱和角柱 取轴力设计值减去筏板冲切临界截面范围内的地基反力设计值 地基反力值应扣除底板自重 um 距柱边h0 2处冲切临界截面的周长 h0 筏板的有效高度 Munb 作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩设计值 CAB 沿弯矩作用方向 冲切临界截面重心至冲切临界截面最大剪应力点的距离 Is 冲切临界截面对其重心的极惯性矩 s 不平衡弯矩通过冲切临界截面上的偏心剪力来传递的分配系数 按下式计算 c1 与弯矩作用方向一致的冲切临界截面的边长 c2 垂直于c1的冲切临界截面的边长 说明 以上两式中的参数就据柱所处的位置 内柱 边柱和角柱 分别计算 具体方法详GB50007 2002 当柱荷载较大 等厚度筏板的受冲切承载力不能满足要求时 可在筏板上面增设柱墩或在筏板下局部增加板厚或采用抗冲切箍筋来提高受冲切承载力 2 内筒下平板式筏基的受冲切承载力验算 1平板式筏基的受冲切和受剪承载力验算 内筒下筏板的板厚应按下式验算受冲切承载力 Fl 相应于荷载效应基本组合时的内筒所承受的轴力设计值减去筏板冲切破坏锥体内的地基反力设计值 地基反力设计值应扣除板底自重 um 距内筒外表面h0 2处冲切临界截面的周长 h0 距内筒外表面h0 2处筏板的截面有效高度 内筒冲切临界截面周长影响系数 取1 25 1平板式筏基的受冲切和受剪承载力验算 3 受剪承载力验算 平板式筏基应按下式验算距内筒边缘或柱边缘h0处筏板的受剪承载力 Vs 荷载效应基本组合下 地基土净反力平均值产生的距内筒或柱边缘h0处筏板单位宽度的剪力设计值 bw 筏板计算截面单位宽度 h0 距内筒或柱边缘h0处筏板的截面有效高度 2梁板式筏基的受冲切和受剪承载力验算 1 底板受冲切承载力验算 底板受冲切承载力验算公式 Fl 作用在下图中阴影响部分面积上的地基土平均净反力设计值 um 距基础梁边h0 2处冲切临界截面的周长 当底板区格为矩形双向板时 底板受冲切所需的厚度h0处按下式计算 ln1 ln2 计算板格的矩边和长边的净长度 p 相应荷载效应基本组合的地基土平均净反力设计值 2梁板式筏基的受冲切和受剪承载力验算 1 底板受冲切承载力验算 2 底板受剪承载力验算 Vs 距梁边缘h0处 作用在如图示阴影部分面积上的地基平均净反力设计值 hp 受冲切承载力截面高度影响系数 当h 800时取h0 800mm 当h 2000时 取h0 2000mm 当筏板变厚度时 尚应验算变厚度处筏板的受剪承载力 简化计算方法采用基底压力呈直线分布的假设 这要求筏板与地基相比是绝对刚性 筏板基础的挠曲不会改变基础的接触压力 当满足 时 筏板基础底面尺寸的确定和沉降计算与扩展式基础相同 对于高层建筑下的筏板基础 基底尺寸还应满足 的要求 在沉降计算中应考虑地基土回弹再压缩的影响 计算方法与4 6 2 2 相同 平均柱距 可认为板是绝对刚性的 9 2 5内力简化计算方法 返回 式中 荷载合力在x y形心轴方向的偏心距 对x y轴的截面惯性矩 筏板基础的基底净反力分布为 该法把筏板划分为独立的条带 条带宽度为相邻柱列间跨中到跨中的距离 见图 忽略条带间的剪力传递 则条带下的基底净线反力为 1 倒梁法 式中 本条带自身的柱荷载之和 荷载对条带中心的合力矩 然后采用倒梁法计算 可以采用经验系数 例如对均布线荷载q 支座弯矩取 跨中弯矩取 l 跨中取柱距 支座取相邻柱距平均值 计算弯矩的2 3由中间b 2宽度的板带承受 两边b 4宽的板带则各承受1 6的计算弯矩 并按此分配的弯矩配筋 静定分析法计算筏板基础 倒梁法计算筏板基础 柱两侧有效宽度范围 当地基比较均匀 上部结构刚度较好 梁板式筏基梁的高跨比或平板式筏基板的厚跨比不小于1 6 且柱荷载及柱间距的变化不超过20 时 可采用倒楼盖法计算 此时以柱脚为支座 荷载则为直线分布的地基净反力 此时 平板式筏板按倒无梁楼盖计算 可参照无梁楼盖方法截取柱下板带和跨中板带进行计算 柱下板带中在柱宽及其两侧各0 5倍板厚且不大于1 4板跨的有效宽度范围内的钢筋配置量不应小于柱下板带钢筋的一半 且应能承受作用在冲切临界截面重心上的部分不平衡弯矩 的作用 图4 28 其中M是作用在冲切临界截面重心上的不平衡弯矩 2 倒楼盖法 是不平衡弯矩传至冲切临界截面周边的弯曲应力系数 均可按 高层建筑箱形与筏形基础技术规范 JGJ6 99的方法计算 梁板式筏板则根据肋梁布置的情况按倒双向板楼盖或倒单向板楼盖计算 其中底板分别按连续的双向板或单向板计算 肋梁均按多跨连续梁计算 但求得的连续梁边跨跨中弯矩以及第一内支座的弯矩宜乘以1 2的系数 筏板的配筋还应符合4 5 1节的配筋构造要求 静定分析法同样按柱列布置划分板带 可以采用修正荷载的方法近似考虑板带间剪力传递的影响 图4 29 例如图中第j条板带的第i列柱的荷载由 修正为 3 静定分析法 当上部结构刚度很小时 可采用静定分析法 由按下式计算基底净线压力 最后用静定分析法计算任一截面上的内力 式中 荷载对板带中心的合力矩 当筏板基础不符合简化计算条件时 可按地基上的梁板方法计算 由于筏板的厚度通常远小于其它两个方向的尺寸 因此常采用薄板理论分析 9 2 6地基上的梁板分析 1 有限差分法 略 2 有限单元法 略 返回 a 具有极大的刚度 能有效地扩散上部结构传下的荷载 调整地基的不均匀沉降 9 3箱形基础设计 返回 组成 b 箱形基础一般有较大的基础宽度和埋深 能提高地基承载力 增强地基的稳定性 c 箱基具有很大的地下空间 代替被挖除的土 因此具有补偿作用 对减少基础沉降和满足地基的承载力要求很有利 特点 箱基是由顶 底板和纵 横墙板组成的盒式结构 箱形基础设计中应考虑地下水的压力和浮力作用 在变形计算中应考虑深开挖后地基的回弹和再压缩过程 箱形基础施工中需解决基坑支护和施工降水等问题 9 3箱形基础设计 9 3 1箱形基础的主要构造 9 3 2箱形基础的地基计算 9 3 3箱形基础的受力分析 9 3 4箱形基础的结构设计 9 3 5补偿性基础概要 返回 可以采用悬挑底板或全部箱基的办法去满足地基承载力 容许沉降量和倾斜的要求 当为满足地基承载力要求而扩大基础底面积时 宜在横向扩大 因为一般矩形箱基的纵向相对挠曲要比横向大得多 增加纵向尺寸会进一步加大纵向的挠曲 在确定箱基形心时应考虑各种因素对箱基倾斜的影响 w 与偏心距方向一致的基础底面边缘抵抗矩 9 3 1箱形基础的主要构造 式中 A 基础底面积 对于均匀地基上的单幢建筑物 箱基形心宜与上部结构竖向荷载重心重合 当不能重合时 在永久荷载和楼 屋 面活荷载长期效应组合下 偏心距e宜符合下式的要求 返回 箱基的高度除满足建筑物功能要求外 不宜小于基础长度 不包括悬挑长度 的1 20 且不小于3m 以保证其具有足够刚度适应地基的不均匀沉降 减少上部结构由不均匀沉降引起的附加应力 箱基埋深应考虑抗倾覆和抗滑移的稳定性要求 对于抗震设防区的天然土质地基上的箱形基础 埋深不宜小于建筑物高度的1 15 为保证箱基有足够的整体刚度和纵横方向的受剪承载力 箱基应该具有足够的墙体面积 箱基的墙体应沿上部结构柱网和剪力墙纵横均匀布置 墙体水平截面总面积不宜小于箱基外墙外包尺寸的水平投影面积的1 10 对长宽比大于4的箱基 其纵墙截面积不得小于箱基外墙外包尺寸的水平投影面积的1 18 箱基的底板和墙板的厚度应根据实际的受力情况和防渗要求确定 底板厚度不应小于300mm 外墙厚度不应小于250mm 内墙厚度不应小于200mm 箱基的混凝土强度等级不应低于C30 采用防水混凝土时 抗渗等级不宜小于 并可按表 4 6 选用 箱基墙板应设置双面钢筋 竖向和水平钢筋的直径不应小于10mm 间距不应大于200mm 除上部为剪力墙外 内 外墙的墙顶处宜配置两根直径不小于20mm的通长构造钢筋 当箱基仅按局部弯曲计算时 顶 底板的配筋除满足计算要求外 纵横方向的支座钢筋尚应有1 2 1 3贯通全跨 且贯通钢筋的配筋率不应小于0 15 0 10 跨中钢筋应按实际配筋全部拉通 箱形基础的其余构造要求可参见 高层建筑箱形和筏形基础技术规范JGJ6 99 箱基和