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基础工程 第二章浅基础 石家庄经济学院勘查技术与工程学院土木工程教研室 内容提要 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 1概述 地基 支承基础的土体或岩体 基础 将结构所承受的各种作用传递到地基上的结构组成部分 天然地基 没有经过人为加固处理的地基人工地基 需人工加固的软弱地基 浅基础 5m 用一般方法 工艺施工深基础 桩基 沉井 地下连续墙 特殊工艺施工 回顾 方案组合 天然地基 人工地基 浅基础 深基础 方案选择 造价低易施工安全合理技术先进 2 1概述 回顾 设计计算时可以忽略基础侧面土体对基础的影响 优先选用 天然地基上浅基础 2 1 1浅基础设计内容 地基基础设计 地基计算 基础设计 控制地基的变形 正常使用极限状态 地基的稳定性验算 斜坡 高耸结构 基础结构的强度刚度耐久性 防止地基强度破坏 承载力极限状态 基础选型基础埋深和形状尺寸 设计内容 建筑物的型式与功能上部结构荷载资料 场地勘察与室内试验资料 场地施工技术条件 基础型式方案比较 拟定基础型式及平面布置 确定基础埋深 必要时的验算 软弱下卧层强度 变形稳定 抗滑验算等 确定地基承载力 确定基底平面尺寸 计算地基承受荷载 基础结构设计 基础剖面尺寸 配筋 编制施工说明 绘施工图 计算地基净反力 不满足 设计步骤 基底压力 附加应力 地基沉降变形 基底反力 基础结构的外荷载 上部结构的自重及各种荷载都是通过基础传到地基中的 上部结构 基础 地基 建筑物设计 常规设计法 将地基 基础 上部结构三者分离 分别对三者进行计算 2 1 2浅基础设计方法 2 1 2浅基础设计方法 常规设计法要点 特点 计算简单 不考虑三者共同作用 满足静力平衡条件 忽略三者受荷后变形的连续性 不经济 不合理 结论 地基越软弱或越不均匀 按常规设计法计算的结果与实际情况的差别就可能越大 2 1 2浅基础设计方法 常规设计法要点 合理的设计方法 考虑地基 基础与上部结构的相互作用 分析难度较大 常规设计法适用条件 1 地基沉降较小或较均匀 2 基础刚度较大 1 地基基础设计等级 设计等级分为甲 乙 丙三个等级 设计等级划分原则 1 地基复杂程度2 建筑物规模和功能特征3 由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响建筑物正常使用的程度 2 1 3地基基础设计原则 地基基础设计等级 建筑地基基础设计规范 gb50007 2011 2 地基计算的要求 2 1 3地基基础设计原则 2 地基计算的要求 等级为丙级的建筑物如有下列情况之一时 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 2 在基础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时 3 软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时 4 相邻建筑距离过近 可能发生倾斜时 5 地基内有厚度较大或厚薄不均的填土 其自重固结未完成时 可不作地基变形计算设计等级为丙级的建筑物范围表2 2 可不作地基变形计算设计等级为丙级的建筑物范围表2 2 注 1 地基主要受力层系指条形基础底面下深度为3b b为基础底面宽度 独立基础下为1 5b 且厚度均不小于5m的范围 二层以下一般的民用建筑除外 2 地基主要受力层中如有承载力标准值小于130kpa的土层时 表中砌体承重结构的设计 应符合gb5007 2011第七章的有关要求 3 表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑 对于工业建筑可按厂房高度 荷载情况折合成与其相当的民用建筑层数 4 表中吊车额定起重量 烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值 gb5007 2011地基基础规范的设计原则 从已有的大量地基事故分析 绝大多数事故都由地基变形过大且不均匀所造成 土为大变形材料 荷载增加 变形增加 承载力也随之增大 很难界定 极限值 地基承载力还有潜力时 变形已超限 地基设计 采用正常使用极限状态 所选定的地基承载力是一种允许承载力 承载力特征值 相应的荷载组合采用标准组合 按变形设计的原则 承载力极限状态 正常使用极限状态 基本组合简化基本组合 标准组合准永久组合 3 荷载取值的规定正常使用极限状态 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 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 2 1 3地基基础设计原则 地基基础设计时的荷载取值规定 注意 正确选取上部结构荷载效应组合 对基础设计尤其重要 地基基础设计时 由永久荷载效应控制的基本组合值可取标准组合值的1 35倍 即 sd 1 35sk 例 某体育场 看台与座位自重 永久荷载 可容纳5万人 可变荷载 世界杯足球决赛 涌入7万人 基础设计时荷载效应如何组合 1 按地基承载力确定基础底面尺寸 标准组合 看台与座位自重 永久荷载 5万人 可变荷载 2 计算沉降 准永久组合 看台与座位自重 永久荷载 打折扣的5万人 可变荷载 即准永久值系数乘以5万人 3 基础结构内力计算 基本组合 看台与座位自重 永久荷载 7万人 可变荷载 即分项系数乘以5万人 按组成基础的材料分类 砖基础 毛石基础 混凝土基础 毛石混凝土基础 灰土基础 三合土基础 钢筋混凝土基础 其中砖基础 毛石基础 混凝土基础 毛石混凝土基础 灰土基础 三合土基础 都只适合于建造无筋扩展基础 钢筋混凝土基础适合扩展基础等更多的型式 2 2浅基础的类型 按基础外形和结构型式分类 按基础结构和受力特点分类 规范分类法 按基础外形和结构型式分类 单独基础 独立基础 柱下单独基础 柱基础的最经济型式 有无筋和配筋两种 条形基础 墙下条形基础 墙基础的最经济型式 有无筋和配筋两种 设于砖墙或剪力墙下 柱下条形基础 钢筋混凝土基础 十字交叉条形基础 钢筋混凝土基础 筏板基础 钢筋混凝土基础 箱形基础 钢筋混凝土基础 按基础结构和受力特点分类 规范分类法 1 无筋扩展基础 刚性基础 特点 1 砖 石 灰土 素混凝土等材料抗拉 抗剪强度很低 2 有基础台阶宽高比 刚性角 要求适用条件 多层民用建筑和轻型厂房 1 无筋扩展基础 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 1 砖基础 垫层作用 素砼 100厚 c10 保护坑底土体不被人为扰动和雨水浸泡 改善基础的施工条件 1 无筋扩展基础 2 毛石基础毛石是指未经加工凿平的石料 应采用未风化的硬质岩石 禁用风化毛石 3 灰土基础石灰和土料按体积比3 7或2 8拌和均匀 在基槽内分层夯实 每层虚铺220 250mm 夯实至150mm 灰土基础宜在比较干燥的土层中使用 在我国华北和西北地区 广泛用于5层和5层以下的民用房屋 1 无筋扩展基础 4 三合土基础由石灰 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用于4层和4层以下的民用房屋 四合土基础 南方个别地区用 水泥 石灰 砂 骨料 1 1 5 10或1 1 6 12 1 无筋扩展基础 5 砼基础c15抗压强度 耐久性 抗冻性较好 毛石砼基础 在砼基础中埋入体积占25 30 的毛石 石块尺寸不宜超过300mm 可节省水泥用量 减少水化热 柱下单独基础墙下条形基础 2 钢筋混凝土扩展基础 柔性基础 特点 1 钢筋混凝土材料 2 要满足抗弯 抗剪和抗冲切等结构要求适用条件 宽基浅埋 2 钢筋混凝土扩展基础 柔性基础 1 墙下钢筋砼条形基础 加强基础的整体性和抗弯能力 肋部配筋 纵向钢筋和箍筋 承受不均匀沉降引起的弯曲应力 2 钢筋混凝土扩展基础 柔性基础 2 柱下钢筋砼独立基础 图2 4柱下钢筋混凝土独立基础 a 阶梯形基础 b 锥形基础 c 杯口基础 支模板2mx2m 某工程柱下独立基础 3 联合基础 联合基础 指同列相邻两柱公共的钢筋混凝土基础 即双柱联合基础 3 联合基础 矩形联合基础梯形联合基础连梁式联合基础 特点 调整相邻两柱沉降差 防止两柱相向倾斜适用条件 两柱设立独立基础时 其中一柱受限 比如靠近建筑界限等 两柱间距较小而基底面积不足或荷载偏心过大等 联合基础 4 柱下条形基础 1 单向条形基础 在同一轴线 或同一方向 上若干个单独基础联合组成的长条形连续基础 2 十字交叉条形基础 在柱网下纵横两个方向用条形基础连接组合而成 特点 抗弯刚度大 具有调整不均匀沉降的能力 适用条件 地基较软 分布不均 基底面积受相邻建筑物或设备基础的限制无法扩展时 柱荷载差异大 以致基底面积扩大使其彼此接近或相碰时 4 柱下条形基础 4 柱下条形基础 某工程柱下条形基础 筏形基础 板式与梁板式 梁 柱 底板 5 筏形基础 5 筏形基础 筏形基础是指在建筑物的所有柱墙下面用钢筋混凝土做一块连续的整片基础 也称筏板基础 俗称 满堂红基础 平板式梁板式 特点 底面积大 故可减小基底压力 可提高地基承载力 尤其在有地下室时 能增强基础的整体性 调整不均匀沉降 提高抗震性能 其他功能 跨越地下小洞穴 局部软弱土 提供地下使用空间 作为防渗底板等 厚度 0 5 2 5m 5 筏形基础 适用条件 硬壳层持力层 较均匀软弱地基上6层及其以下承重横墙密集的民用建筑 厚度 0 5 2 5m 注意 当地基显著软硬不均时 要慎用 1 墙下筏形基础为一块厚度约200 300mm的钢筋砼平板 主要在华东地区采用 浅埋或不埋 适用于具有硬壳持力层 比较均匀的软弱地基上六层及六层以下承重横墙较密的民用建筑 硬土软土 2 柱下筏形基础 某工程现场筏板基础钢筋网 柱 顶板 底板 梁 隔板 6 箱形基础 6 箱形基础 箱形基础是筏形基础的进一步发展 它是由顶板 若干纵横墙和底板所组成的整体结构 如同一只埋在土中的刚性密闭的箱子 特点 显著减少基底压力 降低基础沉降 整体性 抗震性能好钢筋水泥用量较大 工期长 造价高 施工技术复杂基坑施工及护壁考虑对周围环境影响适用条件 高层建筑 柱下条形基础 柱下交叉条形基础 筏形基础 箱形基础又统称为连续基础 7 特种基础 1 壳体基础由正圆锥形及其组织形式构成的壳体基础 一般用于筒形的独立构筑物 如烟囱 水塔 料仓 中小型高炉等 的基础 7 特种基础 2 岩层锚杆基础岩层锚杆基础适用于直接建在基岩上的柱基 以及承受拉力或水平力较大的建筑物 构筑物基础 岩层锚杆基础 常见浅基础特点总结 单独基础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 2 3基础埋置深度的选择 持力层选择 1 基础埋深的概念基础埋置深度是指基础底面至设计地面的距离 2 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 反之亦然 2 3基础埋置深度的选择 持力层选择 3 确定基础埋深的原则 1 在满足地基稳定和变形要求的前提下 基础尽量浅埋2 当上层土强度大于下层土时 宜采用上层为持力层 3 高层建筑应有足够的埋深来保持其稳定性 4 除岩石地基外 基础埋深不宜小于0 5m 4 基础埋深基本要求 p18 1 d大于0 5m 避免外界 植物 冻融 冲蚀 对地表土扰动 2 基础顶面距离地表土大于10cm 避免基础外露 保护作用3 桥基要求在冲刷深度以下 2 3基础埋置深度的选择 持力层选择 2 3基础埋置深度的选择 持力层选择 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 5 基础埋深d的取值 基础埋深的影响因素 一 考虑建筑物地下空间的使用功能要求 2 电梯缓冲坑 自地面向下至少1 4m 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 2 3 1与建筑有关的条件 二 考虑建筑物的高度和荷载大小的影响 基础埋深的影响因素 荷载大小 选高承载力的作持力层 荷载性质 大 小 承载力合适 宜浅埋 相对比较 水平荷载 上拔力作用 震动荷载 避开细粉砂土层 深埋 二 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 不宜小于建筑物高度的1 15 不宜小于建筑物高度的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 埋深 基础埋深的影响因素 二 考虑建筑物的高度和荷载大小的影响 基础埋深的影响因素 烟囱 水塔等高耸结构 要求较大的埋深满足抗倾覆稳定性要求 冷藏库或高温炉窑类建筑 考虑热传导引起地基的低温冻胀或高温干缩的效应 三 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 基础埋深的影响因素 2 3 2工程地质条件 对于中小型建筑物 良好土层 坚硬 硬塑 可塑状态的粘性土层 密实或中密状态的砂土层和碎石土层 其他中 低压缩性土层软弱土层 软塑 流塑状态的粘性土层 松散状态的砂土层 未经处理的填土 其他高压缩性土层 持力层下卧层软弱下卧层 1 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 2 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 3 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 做法一做法二 4 尽量浅埋若h1太小就为 2 例 沿海地区2 3m厚的 硬壳层 持力层顶面倾斜时 同一建筑的基础可以采用不同埋深 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 图2 12墙基础埋深变化时台阶做法 2 3 3水文地质条件 地下水的埋藏条件1 尽量考虑将基础置于地下水位以上 2 埋在地下水位以下时 考虑 基坑排水 坑壁围护 保护地基土不受扰动出现涌土 流砂的可能性 地下室防渗 轻型结构物上浮托力 地下水浮托力对基础底板的内力等影响 2 3 3水文地质条件 地下水的埋藏条件3 承压含水层的地基 控制基坑开挖深度 防止基坑隆起开裂 即要求坑底土的总覆盖压力大于承压含水层顶部的静水压力 向下的土压力 向上的承压水压力 k 安全系数 一般取0 7 0 9 2 3 4地基冻融条件 季节性冻土 是冬季冻结 天暖解冻 每年冻融交替一次的土层 在我国北方地区分布广泛 多年性冻土 指连续保持冻结状态三年以上的土层 其性质较复杂 属特殊土地基 1 冻土分类 冻胀 冻胀力 地面隆起融陷 强度降低 建筑物下陷 建筑物开裂损坏 不均匀沉降 2 3 4地基冻融条件 冻胀 处于冻结深度范围内的土中水杯冻结形成冰晶体 未冻结区的自由水和部分结合水不断向冻结区迁移 聚集 使冰晶体逐渐扩大 引起土体发生膨胀和隆起的现象 融陷 夏季 土体因温度升高而解冻 造成含水量增加 使土体处于饱和及软化状态 承载力降低 建筑物下陷的现象 冻胀丘pingo随冻结面向下发展 当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时 地表就发生隆起 便形成冻胀丘 融陷 冻深 毛细区 地下水 冻结区 2 冻胀机理 水变成冰的体积膨胀自由水冻结温度0oc 结合水冻结温度 0 5 30oc 吸引毛细水 自由水 外层 弱 结合水冻结 形成冰针 冰透镜 结合水膜变薄 离子浓度加大 吸力增加 吸引地下水 粗粒土 无冻胀坚硬粘性土 冻胀微弱粉土 冻胀最严重 3 冻胀性划分及影响冻胀的因素 建筑地基基础设计规范 根据冻土层的平均冻胀率的大小分类 不冻胀 强冻胀 弱冻胀 特强冻胀 冻胀 影响因素 土类型 土的粒径大小 含水量的多少 地下水位高低 危害 降低承载力不均匀沉降 注 冻胀区的基础 应保证有足够的埋深 使基底达到或基本达到冻胀影响深度以下 从而避免冻害 季节性冻土的设计冻深应按下式计算 设计冻深 m 设计采用的冻胀影响深度 标准冻深 m 系采用在地面平坦 裸露 城市之外的空旷场地中不少于10年实测最大冻深的平均值 无实测资料时 按 建筑地基基础设计规范 中国季节性冻土标准冻深线图 采用 土的类别对冻深的影响系数 土的冻胀性对冻深的影响系数 应注意土的冻胀性越强 冻深越小 环境对冻深的影响系数 4 冻胀土中基础埋深的要求 基础的最小埋深 基础底面下允许残留冻土层的最大厚度 m 4 冻胀土中基础埋深的要求 2 3 5场地环境条件 一 考虑相邻建筑物的影响1 新建筑物基础埋深不宜大于原有建筑物基础 2 当埋深大于原有建筑物基础时 两基础间应保持一定净距 3 否则应在施工阶段采取有效措施 比如要求支护并且严格限制支护的水平位移 分段施工 设置临时加固支撑 打板桩 地下连续墙等施工措施 或加固原有建筑物地基 2 3 5场地环境条件 二 基础影响范围内有管道或沟 坑等地下设施通过 基础底面一般低于设施底面 三 考虑流水 波浪冲刷影响 基础底面位于冲刷线之下 f 2 4浅基础的地基承载力 一 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 fa 考虑一定安全储备后的地基承载力 2 4地基承载力 地基承受荷载的能力为了满足地基强度和稳定性的要求 设计时必须控制基础底面最大压力不得大于某一界限值 这一界限值称为地基承载力 2 4 1地基承载力的概念及设计理论 1 地基承载力的概念 地基承载力特征值fa 指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值 s p s pcr pu fa sa p 地基承载力特征值特点 1 地基承载力特征值实质就是容许承载力2 按正常使用极限状态原则确定3 以地基的变形作为控制标准 1 容许承载力理论 承载力 塑性区开展范围 pcr p1 4 s b 0 01 0 02 载荷试验 荷载 标准值 组合 f 塑性区 容许承载力 确保地基不发生剪切破坏而失稳 同时又保证建筑物的沉降不超过允许值的最大荷载 塑性区的最大深度 max b 1 容许承载力理论 在载荷试验中可以由其比例界限确定 按一定沉降比人为规定 例如s b 0 002在理论计算中可以由塑性区发展理论中的临塑荷载pcr p1 4 p1 3确定 按容许承载力理论确定的承载力 其沉降一般也会满足要求 常常不需进行沉降验算 在这种设计中 工程的安全性和可靠性是无定量的概念 因而是一种经验的设计方法 其设计荷载可取为标准值或标准组合 2 极限承载力理论 安全系数法 承载力 极限承载力理论公式 平板载荷试验极限值 安全系数 2 3 荷载 采用标准值 组合 在这一理论方法中 其安全程度用单一的安全系数k表示 但这一安全系数反映多大的失事概率是不得而知的 对于地基承载力问题 单一安全系数法的一般表达式为 2 极限承载力理论 安全系数法 3 极限承载力理论 分项系数 承载力 采用标准值除以承载力分项系数荷载 荷载效应组合的代表值 分项系数 设计值s 基本组合 基于可靠度理论的分项系数设计方法也是一种极限状态设计方法 由于工程中的荷载和抗力都是随机变量 有多少可能使荷载大于抗力而失事是一个随机事件 破坏的概率 可能性 决定于两个随机变量的均值 众值 中值及某个分位值 及其分布 3 极限承载力理论 分项系数 3 极限承载力理论 分项系数 岩土工程的不确定性 土层剖面与边界的不确定性现场与实验室岩土指标的不确定性现场应力与孔隙水压力的不确定性外加荷载及其分布的不确定性计算理论和方法的不确定性应力变形的机理不清楚 可靠度设计 有待于科技发展和资料的积累 3 极限承载力理论 分项系数 2 4 2地基承载力特征值确定的方法 1 按土的抗剪强度指标以理论公式计算a地基极限承载力理论公式 b规范推荐的理论公式 2 载荷试验3 按规范提供的承载力表确定 地方规范 4 经验方法 1 地基极限承载力理论公式p20 1 按土的抗剪强度指标确定 k 2 3常用公式 斯肯普顿公式 太沙基公式 魏锡克公式 汉森公式等等 该方法不常用 原因主要有 a 该方法未考虑地基变形 b c 的取值可靠度较低 c 不同公式的计算结果相差较大 fa mb b md md mcck 1 按土的抗剪强度指标确定 2 规范推荐的公式 式中b 基础底面宽度 大于6m按6m考虑 对于砂土小于3m时按3m考虑 mb md mc 承载力系数 按值查表2 3 k ck 基底下一倍基宽深度内土的内摩擦角标准值 粘聚力标准值 土的重度 地下水位以下取有效重度 m 基础底面以上土的加权平均重度 地下水位以下取有效重度 d 基础埋置深度 l为偏心方向基础边长 承载力系数mb md mc表2 3 fa mb b md md mcck 注 以p1 4 n b 2 nq d ncc为理论依据 1 按土的抗剪强度指标确定 2 规范推荐的公式 24 时 mb实际比理论大 1 按土的抗剪强度指标确定 几点说明 土的抗剪强度指标应取质量最好的原状土样以三轴压缩试验测定 且每层土的试验数量不少于6组 a 计算某一土性指标的变异系数 试验平均值和标准差 式中 变异系数 试验平均值 标准差 1 按土的抗剪强度指标确定 b 计算内摩擦角和粘聚力的统计修正系数 c 内摩擦角标准值 1 按土的抗剪强度指标确定 几点说明 该公式中的承载力系数mb md mc是以界限塑性荷载p1 4理论公式中的相应系数为基础确定的 考虑到内摩擦角大时理论值mb偏小的实际情况 所以对一部分系数按试验结果作了调整 对偏心距e限制的原因 地基临界荷载p1 4理论公式适依据均布基底压力导出的 当地基持力层的透水性较差 如厚度较大的饱和软粘土 在快速加载条件下地基土因排水条件较差 有可能未充分固结而破坏 此刻应采用不固结不排水抗剪强度计算短期承载力根据不固结不排水内摩擦角 u 0 得mb 0 md 1 0 mc 3 14 将ck改为cu 得到短期承载力计算公式 1 按土的抗剪强度指标确定 几点说明 各种因素对承载力的影响程度随着土质的不同而不同 例如对饱和软土 增大基底尺寸不可能提高地基承载力 0 mb 0 但对 k 0的土 增大基底宽度将使承载力随着 k的提高而提高 据规范公式可知 md 0 承载力随埋深d线性增加 但对实体基础而言 增加的承载力将被基础和回填土重量的相应增加部分抵偿 特别是对于饱和的软土 因其md 1 使用土的强度理论公式确定承载力特征值时没有考虑建筑物对地基变形的要求 应进行地基变形验算 练习 某粘土地基上的基础尺寸及埋深如例图所示 试按规范强度理论公式计算地基承载力特征值 1 8m 2 0m 解 据 k 26 5 查表内插 得 mb 1 18 md 4 51 mc 7 03 补充例题 某粉质粘土的试验数据如下表所示 0 15kn m3 17kn m3 基底尺寸2 6 1 6m d 2 5m 计算其地基承载力 1 计算内摩擦角标准值 k 计算标准差 2 448 计算变异系数 计算修正系数 0 91 计算标准值 k m 0 91 22 20 20 20 2 计算粘聚力标准值ck 计算标准差 c 2 828 计算变异系数 计算修正系数 c 0 533 计算标准值 ck ccm 0 533 5 2 665kpa 3 计算承载力 依 k 20 20查表得 mb 0 51 md 3 06 mc 5 66所以 0 51 17 1 6 3 06 15 2 5 5 66 2 665 143 7kpa 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 螺旋板载荷试验 深层螺旋板载荷试验 2 载荷试验法 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 规范要求 对地基基础设计等级为甲级的建筑物采用载荷试验 理论公式计算及其他原位试验等方法综合确定 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 图载荷板与实际基础对地基的影响深度比较 a 载荷试验 b 实际基础 确定地基承载力特征值 一 p s曲线 陡降型 取值主要由地基强度控制 二 p s曲线 缓变型 取值主要由地基允许变形控制 常出现于低压缩性土 常出现于中 高压缩性土 一 p s曲线 陡降型 取图中的比例界限荷载作为承载力特征值 对于少数呈 脆性 破坏的土 pb与极限载荷很接近 当pu 2pb时 取pu 2作为承载力特征值 二 p s曲线 缓变型 当压板面积为0 25 0 50m2时 规定取s b 0 01 0 015所对应的荷载作为承载力特征值 但其值不应大于最大加载量的一半 确定地基承载力特征值 同一层土 应选择三个以上试验点 得到则取 一 根据现场载荷试验确定 二 根据室内饱和单轴抗压强度试验计算确定 静力触探 动力触探 标准贯入试验等 当地基基础设计等级为甲级和乙级时 应结合室内试验成果综合分析 不宜单独应用 地基承载力的修正计算 考虑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 修正原因 修正公式 b 基础底面宽度 m b取值范围3 6md 基础埋置深度 m 承载力修正系数表2 5 3 根据建筑经验确定 调查拟建建筑物周围这些已有建筑物的形式 构造特点 基底压力大小 地基土层情况以及这些建筑物是否有裂缝 倾斜和其他损坏现象 并进行详细的分析和研究 对于新建建筑物地基土的承载力的确定 具有一定的参考价值 这种方法一般适用于荷载不大的中 小型工程 4 按规范承载力表确定 已取消 1974年在 工业与民用建筑地基基础设计规范 tj 74 中建立了适合于我国各主要土类的土的物理力学性质指标与地基容许承载力 r 的关系表 建筑地基基础设计规范 gb50007 2002 取消了有关承载力表的条文和附录 要求勘察单位根据试验和地区经验确定地基承载力等设计参数 2 4 3地基变形验算 地基变形验算目的 保证建筑物安全 正常使用和外观 变形验算的要求 建筑物的地基特征变形计算值 不应大于地基特征变形允许值 即 地基特征变形计算值 变形特征允许值 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 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 1 沉降量 独立基础中心点的沉降值或整幢建筑物基础的平均沉降值 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 2 沉降差 一般指相邻柱基中点的沉降量之差 控制对象 是不均匀沉降的一种 框架结构 单层排架结构容易出现这种情况的破坏 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 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 变形验算的规定 1 根据建筑物的情况 按表2 6进行相应的验算 2 对于重要的或体型复杂的 或对不均匀沉降有严格要求的建筑物 应作变形观测 3 必要时 需预估建筑物施工期间和使用期间地基的变形值 以便预留建筑物有关部位之间的净空 选择连接方法和施工顺序 变形验算的规定 如果地基变形计算值 大于地基变形允许值 一般可以先考虑适当调整基础底面尺寸 如增大基底面积或调整基底形心位置 或埋深 如仍未满足要求 再考虑是否可从建筑 结构 施工诸方面采取有效措施以防止不均匀沉降对建筑物的损害 或改用其他地基基础设计方案 2 5基础底面尺寸的确定 一 按持力层承载力确定基底尺寸二 地基软弱下卧层承载力验算三 按允许沉降差调整基础底面尺寸四 地基稳定性验算 2 5基础底面尺寸的确定 基本原则 所有建筑物的地基计算均应满足承载力要求基本条件 基底压力的标准值不大于承载力的特征值pk fa 2 5 1按地基持力层的承载力计算基底尺寸 1 轴心荷载作用下的基础要求 中心荷载作用下的基础 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 式中fk 上部结构传至基础顶面的竖向力设计值 gk 基础自重设计值加基础上的土重标准值 对一般实体基础 可近似地取gk d 为基础及回填土的平均重度 可取 20kn m3 但在地下水位以下部分应扣去浮力 2 5 1按地基持力层的承载力计算基底尺寸 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荷载值 g 基础及基础上填土的平均重度 d 基础平均埋置深度 fa 持力层修正后的承载力特征值 a 基础底面积 2 5 1按地基持力层的承载力计算基底尺寸 说明 承载力特征值只能先按基础埋深d确定 待基底尺寸算出之后 再看基底宽度b是否超过3 0m 若b 3 0m时 需重新修正承载力特征值 再确定基底尺寸 可参看例题 2 5 1按地基持力层的承载力计算基底尺寸 1 轴心受压基础对单独基础 轴心荷载作用下常采用正方形基础 公式可变为 式中b 正方形基础边长 对条形基础 沿基础长度方向取1m作为计算单元 式可变为 式中b 条形基础基底宽度 例1 解 1 确定基础埋深 为了便于施工 基础宜建在地下水位以上 故选择粘土层作为持力层 初步选择基础埋深d 1m 2 对持力层土进行深度修正 埋深范围内土的加权平均重度 持力层土的承载力特征值 3 取1m长的条基作计算单元 基础宽度 取该承重墙下条形基础宽度b 1 25m 4 验算 满足要求 2 偏心荷载作用下的基础 单向偏心荷载作用下的基础 要求pk fa 由于基底与土之间不能传递拉应力 基底压力重新分布如图 要求3a 0 75l即脱开面积小于25 不满足时 1 增加a2 增加l 减少b a不变3 基础不对称布置 抗震设计 高宽比大于4的高层建筑 不宜有拉应力 其它建筑脱开面积不应超过15 计算偏心荷载作用下的基础底面尺寸 逐次渐近试算法 1 先仅考虑中心荷载 对地基承载力仅进行深度修正 并按中心荷载作用下的公式 2 18 计算基础底面积a0 2 考虑偏心影响 加大a0 一般按经验可根据偏心距的大小增大10 40 使a 1 1 1 4 a0 对矩形底面的基础 按a初步选择相应的基础底面长度l和宽度b 一般 l b 1 2 2 0 3 计算偏心荷载作用下的pkmax pkmin 并对地基承载力进行深宽修正 再验算是否满足公式 2 16 和 2 21 的要求 如果不适合 太小或过大 可调整基础底面长度l和宽度b 再验算 如此反复一 二次 便能定出合适的基础底面尺寸 注意 基底压力pkmax pkmin相差过大则容易引起基础倾斜 高 中压缩性地基土上的基础 低压缩性地基土上的基础 短暂作用 2 5 2软弱下卧层验算 软弱下卧层是指在基础持力层以下 成层地基的受力范围以内 承载力明显低于持力层的高压缩性土层 2 验算要求 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 3 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 则软弱下卧层顶面处附加应力 基底处总附加压力 扩散后面积 矩形基础 条形基础 注意 扩散角 与es1 es2及z b有关持力层太薄 不起作用 4 软弱下卧层强度不足应采取的措施 1 增大基础底面积 2 减小基础埋深 3 对软弱下卧层进行地基处理 用人工方法提高其承载力 4 变换地基持力层 或采用深基础避开软弱下卧层 例2 解 条形基础 水下土的有效重度 软弱下卧层顶面处土的自重应力值 查表得 软弱下卧层顶面处的附加应力值 软弱下卧层顶面以上土的加权平均重度 不满足要求 考虑增大基底面积3 37m 这时 基底压力 重新验算软弱下卧层承载力 满足要求 方形基础 查表得 满足要求 2 5 4地基稳定性验算 承受水平荷载的高耸 高层建筑物 边坡上的建筑物1 在水平和竖向荷载共同作用下 基础和深层土层一起发生整体滑动时 采用圆弧滑动面法进行验算 2 满足下式条件的边坡上建筑物 可不进行验算 若不满足 则进行土坡稳定性验算 3 5条形基础 2 5矩形基础 一 无筋扩展基础结构计算 受力特点 脆性材料 抗拉 抗剪差 必须控制基础内拉应力和剪应力 设计要求 按持力层承载力确定基底尺寸 按满足刚性角 控制台阶宽高比 确定截面尺寸构造要求 基顶埋深 基顶宽度 台阶高度 基础高度 垫层 2 6 1无筋扩展基础设计 计算公式 一 无筋扩展基础的宽高比限值 无筋扩展基础构造示意 刚性角 大小取决于基础材料和pk 荷载效应标准组合时基底处的平均压力 二 抗剪验算 当混凝土基础的基础底面的平均压力值pk超过300kpa时 还应按下式验算墙 柱 边缘或变阶处的受剪承载力 无筋扩展基础的设计步骤 1 根据已知的d 进行地基承载力特征值的深度修正 2 按持力层承载力确定基底尺寸b 3 按台阶宽高比允许值初选基础高度h0 4 确定每一级台阶的宽度bi 高度hi 注 为保证传力路线流畅 节省材料 施工方便 每一级台阶都宜符合宽高比要求 5 满足构造要求 如砖模等 例1 解 查表知 地基承载力进行深度修正 验算 满足要求 查表知砖基础的宽高比允许值为1 1 5 考虑砖基础的构造要求 其做法如下图所示 例图7 5 2 6 2扩展基础设计 类型 独立基础和墙下条形基础 受力模型 倒置的悬臂梁 弯曲 剪切 冲切问题 一 设计荷载取值 1 确定基础配筋和验算材料强度 上部结构传来的荷载效应组合应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合 相应的基底反力为净反力 不包括基础自重和基础台阶上回填土重所引起的反力 2 验算基础裂缝宽度 应按正常使用极限状态荷载效应标准组合 扩展基础破坏形式 2 6扩展基础设计 二 墙下钢筋混凝土条形基础的结构计算 1 中心荷载 基底的净反力 一般取沿墙长度方向的基础进行分析 在基础底板内产生弯矩m和剪力v 截面为结构控制截面 此截面上的弯矩m和剪力v为结构的控制内力 基础高度由混凝土受剪承载力确定 2 偏心荷载 计算基底净反力的偏心距 基础边缘处的最大和最小净反力为 基础结构抗剪和抗弯计算 得出控制截面和相应的内力 三 柱下钢筋混凝土独立基础结构计算 1 单独基础冲切破坏验算 确定基础高度 要求fl v fl al pj v 0 7 hpftamh0al为阴影面积am冲切梯形的中线 计算要点 冲切力的作用面积 冲切力作用面积al的计算a 2h0l 基础变阶处 柱与基础交接处 a 2h0 l 2 单独基础弯矩计算 基础底板配筋 i ii 四块固定在柱边的悬臂板 不均匀沉降产生的原因 1 地基条件 土层极软或不均匀 2 上部结构荷载不均匀 3 相邻建筑物影响 4 其它原因 如堆载 开挖深基坑等 2 8减轻不均匀沉降损害的措施 中 小建筑物破坏的一般规律 1 砌体承重结构 主要是墙体开裂斜裂缝 八字形裂缝 倒八字形裂缝2 框架等超静定结构 沉降差引起构件附加内力 梁 板等产生裂缝 柱倾斜 建筑物开裂 倾斜 甚至破坏 如何解决不均匀沉降的问题 均匀沉降 影响建筑物的功能和正常使用 不均匀沉降 1 选用条形基础 筏形基础 箱形基础2 采用桩基础或其它深基础 3 地基处理方法 采用人工地基 4 从地基 基础和上部结构共同工作的观点为出发 在建筑 结构和施工方面采取某些措施 增强上部结构对不均匀沉降的适应能力减少沉降 解决途径 具体措施 一 减轻不均匀沉降的建筑措施 1 建筑物的体型应力求简单 平面 一字形立面 高差最好不超过二层 建筑物立面高差过大 1 控制建筑物的长高比 建筑物长高比是指它的长度l与其高度 屋顶檐口至基底的距离 hf之比 2 合理布置纵 横墙 砌体结构 2 加强建筑物的整体刚度 建筑物过长 长高比7