第二章天然地基上的浅基础分解.ppt

基础工程 第2章天然地基上的浅基础 4 17 2020 学习重点 天然地基上的浅基础设计内容 步骤 浅基础设计的基本要求 浅基础的类型及基础方案的选用及地基设计计算 无筋扩展基础台阶宽高比的概念及构造要求 钢筋混凝土扩展基础的设计计算 柱下钢筋混凝土条形基础和交叉条形基础的设计计算方法 浅基础施工要点及减轻建筑物不均匀沉降危害的措施 4 17 2020 2 1概述 地基基础的方案总的来说有以下几种 即天然地基上的浅基础 人工地基上的浅基础 天然地基上的深基础及深浅结合的基础 如桩筏或桩箱基础 深浅基础而言 并没有明确的界限 一般认为 基础埋置深度不超过5m的为浅基础 若基础埋深较浅 采用简单的施工方法便可施工 而对于埋置深度较深的基础 若同样采用浅基础的施工方法进行时 便会产生一系列问题 如需进行基坑边坡支护及降低地下水位等 如此需采用特殊的施工方法进行施工 如采用桩基础 沉井基础 地下连续墙等基础型式 称为深基础 4 17 2020 天然地基上浅基础设计的内容和一般步骤 1 掌握相关资料 选择合适的基础材料 类型和平面布置方案 2 选择地基持力层和确定基础埋置深度 3 确定持力层的地基承载力 4 初步确定基础底面尺寸 若存在软弱下卧层 尚应验算软弱下卧层的承载力 5 进行必要的地基变形和稳定性验算 6 对需要抗震验算的建筑物 应进行地基基础的抗震验算 7 进行基础结构设计并满足相关构造要求 以保证基础具有足够的强度 刚度和耐久性 8 绘制基础施工详图 并附必要的技术说明 4 17 2020 2 2浅基础设计的基本要求 2 2 1浅基础设计的要求 1 地基基础设计等级 4 17 2020 2 地基基础设计的基本规定 所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定 设计等级为甲级 乙级的建筑物 均应按地基变形设计 设计等级为丙级的建筑物 如有下列情况之一时 应作变形验算 4 17 2020 a 地基承载力特征值小于130kPa 且体形复杂的建筑 b 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 c 软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时 d 相邻建筑物距离近 可能发生倾斜时 e 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 对经常受水平荷载作用的高层建筑 高耸结构和挡土墙 以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物 尚应验算其稳定性 基坑工程应进行稳定性验算 建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时 尚应进行抗浮验算 4 17 2020 3 作用效应与相应抗力限值基本规定 4 地基基础设计作用组合的设计值基本规定 5 地基基础的设计使用年限 根据 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011的规定 地基基础的设计使用年限不应小于建筑结构的设计使用年限 此为新规范修订的技术内容 2 2 2浅基础的材料 1 砖石砌体基础 2 混凝土和毛石混凝土基础 3 灰土基础 4 三合土基础 5 钢筋混凝土基础 4 17 2020 2 3浅基础的分类及适用范围 2 3 1浅基础的分类 浅基础分类 4 17 2020 一 扩展基础 1 无筋扩展基础 无筋扩展基础是指由砖 毛石 混凝土 灰土和三合土等材料组成的 且不需配置钢筋的墙下条形基础或柱下独立基础 a 砖基础 b 毛石基础 c 混凝土基础 d 灰土基础 无筋扩展基础 为扩散上部结构传来的荷载 使作用在基底的压应力满足地基承载力的设计要求 且基础内部的应力满足材料强度的设计要求 通过向侧边扩展一定底面积的基础称为扩展基础 4 17 2020 2 钢筋混凝土扩展基础 钢筋混凝土扩展基础是指柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础 柱下钢筋混凝土独立基础 a 阶梯形基础 b 锥形机场 c 杯口基础 a 无肋式 b 有肋式 墙下钢筋混凝土条形基础 4 17 2020 二 联合基础 同列相邻两柱公共的钢筋混凝土基础 通常为满足地基承载力要求 需将基础底面尺寸扩大 使得相邻两柱的独立基础底面相接甚至重叠时 可将其连在一起形成联合基础 联合基础 4 17 2020 三 连续基础 将基础底面积扩大以满足地基承载力的要求 可将建筑物的基础沿单向或双向甚至整片连接起来形成连续基础 1 柱下条形基础 当地基软弱或地基土压缩性分布不均匀而荷载较大时 可将同一方向上若干柱子的基础连通而成为柱下条形基础 柱下条形基础 柱下交叉条形基础 荷载较大的高层建筑 若土质较弱或地基两个方向都存在不均匀沉降时 可在柱网下纵横两方向设置钢筋混凝土条形基础 形成柱下交叉条形基础 2 柱下交叉条形基础 4 17 2020 3 筏形基础 若地基软弱而荷载又很大 柱下交叉条形基础仍不能满足地基承载力要求或相邻基槽距离很小时 可将基础底板连成一片 即为筏形基础 或称片筏基础 俗称满堂基础 筏形基础 箱型基础是由钢筋混凝土底板 顶板 侧墙和一定数量的内隔墙组成的单层或多层钢筋混凝土基础 是筏形基础的进一步发展 箱型基础 4 箱型基础 a 平板式 b 梁板式 4 17 2020 四 壳体基础 为发挥混凝土抗压性能好的特性 可将基础做成如图所示的各种形式的壳体而形成壳体基础 壳体基础 a 正圆锥壳 b M形组合壳 c 内球外锥组合壳 壳体基础具有材料省 造价低等优点 但施工技术要求高 施工期长 不便于机械化作业 常用作柱基础或烟囱 水塔 料仓等特种结构的基础 4 17 2020 各种基础类型的选择 在浅基础设计中 一般按照如下顺序选择基础形式 即为 无筋扩展基础钢筋混凝土扩展基础柱下条形基础柱下交叉条形基础筏形基础箱型基础的顺序来选择基础形式 2 3 2基础方案选用 4 17 2020 2 4基础埋置深度的选择 基础埋置深度是指基础底面至设计地面的垂直距离 影响基础埋深因素很多 应综合考虑以下几方面加以确定 1 建筑物的用途 有无地下室 设备基础和地下设施 基础的形式和构造 2 作用在地基上的荷载大小和性质 3 工程地质和水文地质条件 4 相邻建筑物的基础埋深 相邻基础的埋深 5 地基土冻胀和融陷的影响 坑底不会被承压水冲破的条件 4 17 2020 2 5地基承载力特征值的确定 2 5 1按载荷试验确定 载荷试验是确定地基承载力最直接 最可靠的方法 它是在设计位置的地基上进行载荷试验 因此是一种原位测试方法 缺点是现场试验的费用较高 时间较长 地基基础设计等级为甲级和乙级的建筑物应提供载荷试验指标 以浅层平板载荷试验为例 由载荷试验结果可得各级荷载 与相应沉降量 之间的关系曲线 关系如图 比例界限荷载 极限荷载 2 5 1按载荷试验确定 4 17 2020 2 5 2按规范法确定 4 17 2020 表承载力修正系数 4 17 2020 2 5 3按土的抗剪强度指标 用理论公式确定 对于完整 较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值 可按 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011 岩基载荷试验方法确定 对破碎 极破碎的岩石地基承载力特征值 可根据平板载荷试验确定 对完整 较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值 也可根据室内饱和单轴抗压强度按下式进行计算 4 17 2020 2 6基础底面尺寸的确定 2 6 1按地基持力层承载力计算基础底面尺寸 1 中心荷载作用下基础底面尺寸确定 图基础所受荷载 基础受轴心荷载作用时 基础底面的压力应符合下列规定 基础底面处的平均压力值可按下式计算 由此可得中心荷载作用下的基础底面积的计算公式 4 17 2020 4 17 2020 2 偏心荷载作用下基础底面尺寸确定 4 17 2020 当 时 如图 再按照 建筑地基基础设计规范 GB50007 2011 检查基底应力是否满足要求 4 17 2020 4 17 2020 4 17 2020 2 6 2地基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 应按下式验算软弱下卧层的承载力 软弱下卧层承载力验算简图 4 17 2020 条形基础 矩形基础 2 6某承重砖墙厚240mm 传至条形基础顶面处的轴心荷载Fk 150kN m 该处土层自地表起依次分布如下 第一层为粉质粘土 厚度2 2m 17kN m3 e 0 91 fak 130kPa Es1 8 1MPa 第二层为淤泥质土 厚度1 6m fak 65kPa Es2 2 6MPa 第三层为中密中砂 地下水位在淤泥质土顶面处 建筑物对基础埋深没有特殊要求 且不必考虑土的冻胀问题 试确定基础的底面宽度 须进行软弱下卧层验算 4 17 2020 解 1 确定地基持力层和基础埋置深度第二层淤泥质土强度低 压缩性大 不宜作持力层 第三层中密中砂强度高 但埋深过大 暂不考虑 由于荷载不大 第一层粉质粘土的承载力可以满足用做持力层的要求 但由于本层厚度不大 其下又是软弱下卧层 故宜采用 宽基浅埋 方案 即基础尽量浅埋 现按最小埋深规定取d 0 5m 2 按持力层承载力确定基底宽度因为d 0 5m 所以fa fak 130kPa 取b 1 3m 4 17 2020 3 软弱下卧层承载力验算Pcz 17 2 2 37 4kPa由Es1 Es2 8 1 2 6 3 1 z 2 2 0 5 1 7m 0 5b 查表2 10得 23 4 17 2020 faz fak d m d z 0 5 65 1 0 17 2 2 0 5 93 9kPaPz Pcz 55 4 37 4 92 8kPa faz 93 9kPa 可以 2 6 3按允许沉降差调整基础底面尺寸 太沙基和彼克提出了以下修正公式 4 17 2020 2 6 4地基变形计算 建筑物的地基变形计算值 不应大于地基变形允许值 即 地基特征变形可分为沉降量 沉降差 倾斜 局部倾斜 图地基特征变形 4 17 2020 建筑物的地基变形允许值 1 地基变形有关规定 4 17 2020 2 地基变形计算 基础沉降计算的分层示意 1 天然地面标高2 基底标高3 平均附加应力系数 曲线4 层5 层 4 17 2020 2 6 5地基稳定性验算 对经常受水平荷载作用的高层建筑 高耸结构 挡土墙等 以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物或构筑物 都需考虑其稳定性 地基稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算 最危险的滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求 式中 抗滑力矩 kN m 滑动力矩 kN m 4 17 2020 2 7无筋扩展基础设计 2 7 1概述 无筋扩展基础受弯破坏 在设计时 一般通过对材料质量进行控制和基础构造进行限制来确保基础不发生拉力或剪切破坏 4 17 2020 表无筋扩展基础台阶宽高比允许值 4 17 2020 2 7 2无筋扩展基础构造 图无筋扩展基础构造示意 柱中纵向钢筋直径1 承重墙2 钢筋混凝土柱 无筋扩展基础高度应满足下式的要求 4 17 2020 砖基础毛石基础素混凝土基础上述基础材料都要符合强度等级要求灰土基础石灰和土 粘性土 按其体积比3 7或2 8构成三合土基础由石灰 砂 碎砖 或碎石 按1 2 4 1 3 6配成 刚性角 宽高比 bi 任一台阶宽度 m Hi 相应台阶高度 m tan 台阶宽高比的允许值 参照下述规范表格经验值选用 刚性基础构造要求 4 17 2020 刚性基础台阶宽高比允许值 4 17 2020 图2 2砖基础剖面图 a 两皮一收 砌法 b 二一间隔收 砌法 刚性基础构造要求 4 17 2020 1 根据就地取材原则 考虑上部结构荷载和地基条件 确定基础形式与埋深 2 根据持力层承载力计算基础底面积并确定形状 3 根据允许高宽比设计剖面形状及尺寸 4 验算基础顶面及两种材料接触面的抗压强度 5 验算软弱下卧层 6 进行地基变形验算 7 绘制基础施工图 无筋扩展基础的设计步骤 2 8钢筋混凝土扩展基础 墙下钢筋混凝土条形基础砌体承重墙体及挡土墙 涵洞下常采用的基础形式 柱下钢筋混凝土独立基础建筑物中的柱 桥梁中的墩常用基础形式 钢筋混凝土扩展基础的埋置深度与平面尺寸的确定方法与无筋扩展基础相同 由于刚劲承担了拉应力 可以不满足刚性角的要求 但需满足抗弯 抗剪和抗冲切破坏的要求 4 17 2020 2 8钢筋混凝土扩展基础设计 2 8 1基础的破坏形式 a 纯剪破坏 b 斜压破坏 d 弯曲破坏 扩展基础破坏形式 c 冲切破坏 2 8 2扩展基础的验算 4 17 2020 轴心荷载下基础结构设计 1 地基净反力pj仅由基顶荷载设计值所产生的地基反力 沿墙长取1m计算 图2 22墙下钢筋混凝土条基受力 pj作用下 图中 截面弯矩与剪力 V图 M图 2 8 2钢筋混凝土扩展基础结构设计 墙下钢筋混凝土条形基础 2 基础底板高度由于基础内不配箍筋和弯筋 故基础底板高度由砼的抗剪切条件确定 3 基础底板配筋每米墙长的受力钢筋截面面积 fy 钢筋抗拉强度设计值 h0 基础有效高度 0 9h0为截面内力臂的近似值 ft 砼轴心抗拉强度设计值 h 截面高度影响系数 2 8 2钢筋混凝土扩展基础结构设计 图2 23墙下钢筋混凝土条形基础的验算截面 基础高度验算验算截面处的剪力 a 验算截面 距基础边缘距离 确定剪力后 基础有效高度h0由混凝土抗剪条件确定 基础底板配筋由验算截面处的弯矩M决定 p 计算截面的地基反力 确定弯矩后 可计算基础底板的配筋面积 偏心荷载 4 17 2020 柱下钢筋混凝土独立基础 基础底板厚度 由抗冲切验算定中心荷载作用 图2 24冲切破坏示意图 偏心荷载作用时 将上式中的Pj换成Pjmax则可 2 8 2钢筋混凝土扩展基础结构设计 4 17 2020 4 17 2020 4 17 2020 地基基础设计规范附录U 4 17 2020 基础底板配筋 由抗弯验算定 轴心或偏心荷载作用下 对矩形基础 当满足 台阶宽高比 2 5偏心距e l 6 图2 25矩形基础底板计算 求出M后 由此可计算底板长 短边方向受力钢筋面积As 和As 柱下钢筋混凝土独立基础 2020年4月17日 4 17 2020 2 8 3扩展基础的构造 图柱下独立基础底板受力钢筋布置 图墙下条形基础纵横交叉处底板受力钢筋布置 4 17 2020 例题 2 8某砌体承重结构 底层墙厚490mm 采用墙下条形基础 在荷载效应的标准组合下 传至 0 00标高 室内地面 的竖向荷载Fk 290kN m 室外地面标高为 0 30m 建设地点的标准冻深1 5m 场地条件如下 天然地面下4 5m厚粘土层 其下为30m厚中密稍湿状态的中砂 粘土层的fak 210kPa e 0 730 19kN m3 28 l 39 p 18 ck 22kPa k 18 中砂层的fak 180kPa 18kN m3 k 30 试设计该条件下的刚性基础和柔性基础 可用C20混凝土 ft 1 10N mm2 钢筋用HPB235级 fy 210N mm2 4 17 2020 2 9在第2 8题的场地上 有一柱下独立基础 柱的截面尺寸为400 600 荷载效应的标准组合下 传至 0 00标高的竖向荷载Fk 2400kN 弯矩Mk 210kN m 水平力Vk 180kN 与M同方向 室外地面标高为 0 15m 设计该柱下的钢筋混凝土独立基础 采用C20混凝土 ft 1 10N mm2 钢筋用HPB235级 fy 210N mm2 4 17 2020 2 9柱下条基 筏板基础和箱型基础 63 2 9柱下条基的计算 计算内容与方法基底尺寸确定 按构造定基长l 按地基承载力定基宽b 并力使基础形心与荷载重心重合 地基反力均匀分布翼板计算 按悬臂板考虑 由抗剪定其厚度 按抗弯配筋梁纵向内力分析 1 静定分析法 2 倒梁法 3 弹性地基梁法 4 17 2020 1 静定分析法假定基底反力线性分布 求基底净反力pj 按静力平衡计算任意截面上的V及M并绘图 以此进行抗剪计算及配筋 没有考虑基础与上部结构的相互作用 整体弯曲下计算所得截面最大弯矩绝对值一般偏大 故只宜用于上部为柔性结构 且基础自身刚度较大的条基及联合基础 图静力平衡法计算简图 65 2 9柱下条基的计算 前提 刚性梁 基底反力直线分布按设计要求拟定柱下条基尺寸和作用荷载 计算基底净反力分布 定计算简图 以柱端为不动铰支的多跨连续梁 基底净反力为荷载 用弯矩分配法计算弯矩分布 根据支座弯矩及荷载 以每跨为隔离体求出支座反力 并绘制剪力分布图 调整及消除支座的不平衡力 叠加逐次计算结果 求最终内力分布 按连续梁求内力 基底反力分布 2 倒梁法 图 用倒梁法计算地基梁简图 3 弹性地基梁法当不满足按简化法计算的条件时 宜按弹性地基梁法计算基础内力 1 基础宽度不小于可压缩土层厚度二倍的薄压缩层地基 压缩层均匀 则按文克勒地基梁的解析解计算 2 薄压缩层地基 压缩层不均匀 分段计算基床系数 然后按文克勒地基梁的解析解计算 3 不为薄压缩层地基 或考虑邻近基础或地面堆载的影响时 宜用非文克勒地基上梁的数值分析法进行迭代计算 常用的弹性地基模型有文克尔地基模型 弹性半空间地基模型和有限压缩层地基模型等 二 柱下条形基础计算步骤1 确定基础梁长度及宽度确定条形基础长度时 应尽量调整基础底面形心与荷载合力重心重合 以消除偏心作用 可通过调整基础梁外伸尺寸来实现 确定荷载合力重心 合力作用点距离竖向力F1作用点距离为 柱下条形基础梁长度确定计算简图 4 17 2020 2 9柱下条基 筏板基础和箱型基础 2 9 1柱下条形基础的设计 1 基础底面尺寸确定 图简化计算法的基底反力分布 柱下条形基础简化计算法 4 17 2020 2 翼板的计算 图翼板的计算简图 4 17 2020 弹性地基梁法 1 文克勒 Winkler 地基模型 图文克勒地基模型 表基床系数值 4 17 2020 2 文克勒地基上的梁挠曲基本微分方程及部分解答 图弹性地基上基础梁 4 17 2020 无限长梁解 a 无限长梁受集中荷载 图文克勒地基上的无限长梁 b 无限长梁受力偶作用 4 17 2020 表文克勒地基上梁计算系数 4 17 2020 半无限长梁解 a 半无限长梁受集中力作用 图半无限长梁 b 半无限长梁受力偶作用 4 17 2020 有限长梁 图有限长梁的计算 4 17 2020 短梁 即刚性梁 可按一般的独立基础来考虑 也就是假定基底的反力为直线分布 基础的内力计算可按倒梁法或静力平衡法进行 2 9 2十字交叉条形基础的设计 边柱节点 中柱节点和角柱节点 4 17 2020 2 9 3筏板基础的设计 1 基础底面积的确定 2 基础偏心距的计算 4 17 2020 3 筏板基础的抗冲切验算 1 平板式筏基 图内柱冲切临界截面示意图 1 柱2 筏板 4 17 2020 2 梁板式筏基 1 梁板式筏基底板受冲切承载力应按下式进行计算 图底板的冲切计算示意 1 冲切破坏锥体的斜截面2 梁3 底板 2 当底板区格为矩形双向板时 底板受冲切所需的厚度 4 17 2020 图底板剪切计算示意 3 梁板式筏基双向底板斜截面受剪承载力 4 筏板基础连接构造 图地下室底层柱或剪力墙与