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第七章浅基础设计 7 1浅基础的设计原则7 2浅基础的类型7 3浅基础埋置深度的确定7 4地基承载力7 5基础底面尺寸的确定7 6地基变形验算7 7扩展基础设计7 8柱下钢筋混凝土条形基础设计7 9筏板基础设计7 10减少不均匀沉降的措施 地基 直接承受建筑物荷载应力与应变的土层 有一定的深度和范围 地基 持力层 直接支撑建筑物基础的土层 下卧层 软弱 持力层下部的土层 一 地基 基础的概念 天然地基 没有经过人为处理 直接修建 人工地基 承载力低 高压缩性地基 人工处理后才能修建 7 1 1概述 1 地基有足够的强度 2 地基不发生过大变形 3 基础有足够的强度 刚度与耐久性 1 设计要求 地基基础设计计算应满足基本原则 由基础的形式 尺寸 材料调节 2 设计程序 上部结构 荷载 地基情况基础形式 材料 持力层 埋深 地基承载力特征值确定基础尺寸 地基强度与变形 结构计算绘施工图 7 1 2概率极限设计方法与极限状态设计原则 采用概率极限状态设计原则 概率极限设计方法 以结构可靠度指标度量结构的可靠度 并建立结构可靠度与结构极限状态方程 极限状态 2 正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值 1 承载能力极限状态 对应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的某项规定限值 当仅有作用效应和结构抗力两个基本变量时 结构按极限状态设计应满足下列要求 7 1 3地基设计的基本规定 根据地基复杂程度 建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度 将地基础设计分为三个设计等级 设计时应根据具体情况 按表7 1选用 建筑物安全等级表7 1 根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度 地基基础设计应符合下列规定 1 所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定 当轴心荷载作用时pk fa当偏心荷载作用时 pk fa pkmax 1 2fapkmax 相应于荷载效应标准组合时 基础底面边缘的最大压力值 2 进行必要的地基变形计算 所有建筑物为甲级 乙级的建筑物 均应进行地基变形验算 表7 2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算 如有下列情况时 仍应作变形验算 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 引起地基产生过大的不均匀沉降时 3 软弱地基上的相邻建筑如距离过近 可能发生倾斜时 4 相邻建筑距离过近 可能发生倾斜 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 3 基础的材料 形式 尺寸和构造满足强度 刚度和耐久性的要求 4 基坑工程应进行稳定验算 5 当地下水埋藏较浅 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 7 2浅基础的类型 建筑物的安全和正常使用 用途和安全等级 建筑场地和地基条件 地基基础方案 工期 造价 施工条件 上部结构类型 平面布置 地基基础类型 浅基础设计简介 基础的类型 浅基础 无筋扩展基础 扩展基础 条形基础 箱形基础 独立基础 筏板基础 十字交叉梁基础 壳体基础 按构造类型 适用于多层民用建筑和轻型厂房 7 2 1无筋扩展基础 刚性基础 定义 由砖 毛石 素混凝土以及灰土等材料修建的基础 称为刚性基础 性质 抗压强度较大 但不能承受拉力或弯矩 设计要求限制台阶的宽高比 避免刚性材料被拉裂 特点 刚性基础技术简单 材料充足 造价低廉 施工方便 多层砌体结构应优先采用 a 基础的刚性角 台阶的宽高比 基底平均压力大于300kpa的混凝土基础 相应于荷载效应基本组合是的地基土平均净反力产生的沿墙边缘或变阶处单位长度的剪力设计值 砖基础 砌筑方式 1 两皮一收 每层为二皮砖 高度为120mm 挑出1 4砖长即60 65mm 2 两皮一收与一皮一收相间 即一层高度为60mm 挑出60mm 另一层高度120mm 挑出60 65mm 从基础底面做起 二皮 与 一皮 相间 为了保证基础的砌筑质量 一般在砖基础底面以下做三合土或混凝土垫层 垫层每边伸出基础底面50mm 厚度为100mm 此垫层的厚度和宽度均不计入基础的底宽b和埋深d之内 7 2 2扩展基础 柔性基础 1 定义 扩展基础系指柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础 2 性质 在基础内配置足够的钢筋来承受受拉应力或弯矩 使基础在受弯时不破坏 这种基础不受刚性角的限制 基础剖面可以作成扁平形 用较小的基础高度把上部荷载传到较大的基础底面上去 以适应地基承载力的要求 3 受力性能 抗弯和抗剪性能良好 独立基础 使用范围 框架结构柱基 烟囱 水塔基础等 有时墙下也采用独立基础 如在膨胀土地基上的墙基础 条形基础定义 当基础的长度大于或等于10倍基础宽度时称为条形基础 使用范围 砖混结构的墙基 挡土墙基础 7 2 3柱下条形基础 当为了满足地基土的强度要求 必须扩大基础平面尺寸 与相邻的单个基础在平面上相接甚至重叠时 则可将它们连在一起成为联合基础 联合基础 7 2 4筏板基础 使用范围 若上部荷载大 地基软弱或地下防渗需要时可采用筏板基础 俗称满堂基础 这种基础用钢筋混凝土材料作成连续整片基础 也称为片筏基础 形式 平板式和梁板式 7 2 5箱形基础箱形基础是由钢筋混凝土顶板 底板 纵横隔墙构成的 具有一定高度的整体性结构 图箱形基础 箱形基础 有筏 墙和顶板形成箱 整体性更好 1 基础埋置深度 是指基础底面至室外地面 一般指设计地面 的距离 7 3基础埋置深度的选择 2 基础埋深选择的意义 影响 建筑物的安全和正常使用 基础施工技术措施 施工工期 工程造价 安全方面 对高层稳定 滑移的影响 地基强度 变形的影响 基础由于冻胀或水影响下的耐久性 3 基础埋深选择的原则 在保证建筑物安全 稳定 耐久使用的前提下 应尽量浅埋 以便节省投资 方便施工 除基岩外 一般不宜小于0 5米 另外 基础顶面应底于设计外地面100mm以上 以避免基础外露 1 建筑结构条件和场地环境条件2 工程地质条件3 水文地质条件4 季节性冻胀和融陷的影响 4 影响基础埋深的因素 4 影响基础埋深的因素 一 与建筑物有关的一些要求a 建筑物在使用功能和用途方面的要求 b 结构物荷载大小和荷载的性质 建筑物类型不同 其所受荷载性质发生变化 从而对基础埋深产生影响 例如 高层建筑 水平力作用 输电塔 上拔力作用 砖窑 高温作用 冷库 低温作用 受动力荷载基础 对持力层土要求 不宜为饱和疏松的粉细砂 振动液化 c 基础构造 针对基础类别 用途等 二 工程地质条件 1 上部软弱下部为良好土层时 持力层的选择取决于上部软弱土层的厚度 当厚度小于2m时 应选下层好的土层作为持力层 如果软弱土层较厚须其他方案比较确定 2 当土层分布明显不均匀 或建筑物各部分荷载差别较大时 同一建筑物可采用不同的埋深来调整不均匀沉降 对于持力层顶面倾斜的墙下条形基础可做成台阶状 墙基础 持力层倾斜可沿墙长将基础底面做成台阶状 分段长度 相邻两高差的1 2倍 且 1m 3 相邻建筑物的影响 新的建筑物不应大于原来的建筑物 当新的建筑物大于原来的建筑物时应保持一定的净距 l 1 2 h 4 稳定土坡上的基础 三 水文地质条件1 尽量将基础置于地下水位以上 2 防止流砂 3 防止地基因挖土减压而隆起开裂 4 应控制承压含水层顶面的有效应力大于0 基坑下埋藏有承压含水层的情况 7 3 3水文地质条件 1 有地下水存在时 基础底面尽可能在地下水位以上 地下水位以下时 除考虑基坑排水 坑壁围护以及保护地基土不受扰动外还应注意 涌土 流砂的可能性 2 埋藏有承压水时 确定基础埋深时 要控制基坑开挖深度 防止基坑因挖土减压而隆起开裂 7 3 4地基冻融条件 冻深计算 z0 标准冻结深度 土的类别对冻深的影响系数表7 5 土的冻胀性对冻深的影响系数表7 6 土的环境对冻深的影响系数表7 7 当基础底面有一定厚度的冻土层时 计算基础的最小埋深 1 地基承载力概念 7 4地基承载力的确定 2 地基承载力设计的原则 1 总安全系数设计原则 2 容许承载力设计原则 3 概率极限状态设计原则 按载荷试验成果确定地基承载力特征值 p s 0 极限荷载 比例界限 7 4 1根据土的强度理论计算确定 7 4 2按静载荷试验方法确定 7 4 3根据 规范 表格确定 3 地基承载力的确定方法 建筑地基规范 推荐的理论公式计算 7 4 1根据土的强度理论计算确定 承载力系数 基底下一倍短边宽度的深度范围内土的内摩擦角标准值 魏锡克公式 引入极限状态表达式 与土接触的有效基底面积 基底面积 与建筑物的安全等级 荷载性质 土的抗剪强度指标的可靠度及地基的条件有关 一般取2 3 7 4 2按地基载荷试验确定 香港国际机场 按载荷试验成果确定地基承载力特征值 p s 0 极限荷载 比例界限 承载力特征值的确定方法 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1 5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 使用查表法确定地基承载力特征值当根据室内物理 力学指标平均值确定地基承载力特征值时 应查相应的表格所得的承载力基本值乘以回归修正系数 作为承载力特征值 7 4 3根据 地基规范 表格确定 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 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 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 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 承载力特征值的修正 路桥地基规范 承载力表 1 确定土的分类名称 2 确定土的状态 3 确定土的容许承载力 4 按基础深 宽度修正 确定地基容许承载力 当基础宽度大于2m或埋置深度超过3m且h b 4时 当基础宽度b 2m 埋深小于3m时地基的容许承载力 b 基础验算剖面底面的最小边宽或直径 如b 10m时 按10m计 k1 k2 按持力层类确定的宽度和深度方面的修正系数 表7 13 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 7 5 1按地基持力层的承载力计算基底尺寸 7 5基础底面尺寸的确定 3 2 2 1中心荷载作用下的基底压力 若是条形基础 f g取单位长度基底面积计算 g gad 取室内外平均埋深计算 d fa fk a g g d fa fk b g g 矩形 条形 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 gk 基础自重和基础上的土重 a gk fk pk a 基础底面面积 基础平均埋深 式中 1 对于轴心受压基础 2 对于偏心受压基础 需满足的条件 pk fa mk 相应于荷载效应标准组合时 作用于基础底面的力矩值 式中 偏心荷载作用下的基底压力 作用于基础底面形心上的力矩m f g e 基础底面的抵抗矩 矩形截面w bl2 6 由 得 若 7 5 2软弱下卧层的强度验算 软弱下卧层顶面处的附加应力设计值 软弱下卧层顶面处的自重应力设计值 地基承载力设计值 矩形基础 条形基础 7 6地基变形分析与验算 浅基础的变形分析 7 6 1地基的变形特征沉降量沉降差倾斜局部倾斜 7 6 2地基变形验算 地基变形计算值 地基变形允许值 7 7扩展基础设计 7 7 1扩展基础的构造要求 7 7 1 1一般要求 1 基础的边缘高度 2 基底垫层 3 钢筋 4 混凝土 7 7 1 2现浇柱下独立基础的构造 插筋的要求 1 插筋的数量 直径 钢筋种类应与柱内的纵向受力钢筋相同 2 插筋锚入基础的长度应满足 1 h较小时 所有插筋的下端宜做成直钩放在基础底板钢筋网上 锚入基础长度 锚固长度2 基础高度较大时 只将四角插筋伸至基础底板钢筋网上 其余只锚固在基础顶面下3 基础顶面下100m和插筋下端设箍筋 间距不大于800mm 插筋指在浇注基础时 事先把柱的钢筋埋入基础 7 7 1 3墙下条形基础的构造要求 7 7 2扩展基础的计算 7 7 2 1墙下条形基础的底板厚度和配筋 基础底板厚度应满足混凝土的抗剪切条件 1 中心荷载作用 截面高度影响系数 当h0 800mm时取800mm 大于2000mm时取2000mm 基础底板配筋 a 混凝土设计规范 正截面受弯承载力公式b 按下式计算 2 偏心荷载作用 7 7 2 2柱下钢筋混凝土独立基础的底板厚度和配筋 基础底板厚度 1 中心荷载作用 基础底板配筋 2 偏心荷载作用 基础底板厚度 基础底板配筋 例题7 9已知教学楼墙厚370mm 传至基础顶面的竖向荷载标准值fk 267kn m 室内外高差0 9m 基础埋深1 3m 地基承载力特征值fa 130kpa 试设计该墙下钢筋混凝土条形基础 浅基础的验算 一 地基承载力验算二 基底合力偏心距验算三 基础稳定性和地基稳定性验算 7 8柱下钢筋混凝土条形基础 当地基较软弱 为减小柱基之间的不均匀沉降 或柱距较小而载荷较大 使各柱基底面靠近或重叠时 可在整栋柱下作一条钢筋混凝土底梁 将各单独基础连接成柱下条形基础 计算方法 若按常规设计方法 仅满足静力平衡条件 误差较大 应考虑上部结构 基础 地基相互作用 采用适当方法 可仅考虑地基 基础相互作用 采用弹性地基上的梁 板模型计算 柱下钢筋混凝土条形基础设计7 8 2 1构造要求 1 翼板厚 200mm 当板厚250mm变厚 板顶坡面i 1 3 柱荷较大时在柱位处加腋 板宽按地基承载力定2 肋梁高由计算确定 初估可取柱距的1 8 1 4 肋宽由截面抗剪确定 两端宜伸出柱边 外伸悬臂长l0宜为边跨柱距的1 43 肋梁纵向钢筋按计算确定 顶部纵筋通长配置 底部须有1 3以上通长配置 当肋梁腹板高 450mm时 应设腰筋箍筋按计算确定 做成封闭式 并局部加密 底板受力筋按计算确定4 砼强度等级 c20 垫层为c10 厚70 100mm 构造 翼板厚度hf不宜小于200mm 当hf 200 250mm时 翼板宜取等厚度 当hf 250mm时 可做成坡度i 1 3的变厚翼板 当柱荷载较大时 可在柱位处加腋 图3 5c 以提高梁的抗剪切能力 翼板的具体厚度尚应经计算确定 翼板宽度b应按地基承载力计算确定 肋梁高度h应由计算确定 初估截面时 宜取柱距的1 8 1 4 肋宽b0应由截面的抗剪条件确定 且应满足图3 5 e 的要求 为了调整基础底面形心的位置 以及使各柱下弯矩与跨中弯跨均衡以利配筋 条形基础两端宜伸出柱边 其外伸悬臂长度l0宜为边跨柱距的1 4 1 3 柱下钢筋混凝土条形基础设计7 8 2 1构造要求 4 肋梁的纵向受力钢筋应按计算确定 肋梁上部纵向钢筋应通长配置 下部的纵向钢筋至少应有2 4根通长配置 且其面积不得少于底部纵向受力钢筋面积的1 3 当肋梁的腹板高度 450 时 应在梁的两侧沿高度配置直径大于10mm纵向构造腰筋 每侧纵向构造腰筋 不包括梁上 下部受力架立钢筋 的截面面积不应小于梁腹板截面面积的0 1 其间距不宜大于200mm 5 肋梁中的箍筋应做成封闭式 当肋梁宽度b0 350mm时 可用双肢箍 当350mm b0 800mm时 可用四肢箍当b0 800mm时 可用六肢箍 直径6 12mm 间距50 200 在距柱中心线为0 25 0 30倍柱距范围内箍筋应加密布置 6 底板受力钢筋按计算确定 直径不宜小于10 间距为100 200 7 8 2 2柱下条形基础的计算 1 基础底面尺寸的确定按上述构造要求确定基础长度l 然后将基础视为刚性矩形基础 按地基承载力特征值确定基础底面宽度b 在按构造要求确定基础长度l时 应尽量使其形心与基础所受外合力重心相重合2 翼板的计算按悬臂板考虑 然后按斜截面的抗剪能力确定翼板厚度 由弯矩m计算条形基础翼板内的横向配筋 1 弹性地基梁的分析变形协调 计算前后基底与地基不脱开静力平衡 基础在外荷和基底反力作用下满足静力平衡微分方程及其解答1 基床系数法文克尔 winkler 1867 假定土体表面任一点压力强度p仅与该点竖向位移s成正比k 地基抗力系数或基床系数 kn m3 3 基础梁的纵向内力分析 2 简化的内力计算方法1 倒梁法 倒梁法认为上部结构是刚性的 各柱之间没有差异沉降 因而可把柱脚视为条形基础的支座 支座间不存在相对竖向位移 基础的挠曲变形不致改变地基压力 并假定基底净反力呈线性分布 且除柱的竖向集中力外各种荷载作用 包括柱传来的力矩 均为已知 按倒置的普通连续梁计算梁的纵向内力 例如力矩分配法 力法 位移法等 1 首先根据支座处的柱荷载fi和支座反力ri求出不平衡力 ri ri fi ri 按此方法求得的支座反力ri一般与柱荷载fi不相等 不能满足支座静力平衡条件 原因是在计算中假设柱脚为不动铰支座 同时又规定基底反力为直线分布 两者不能同时满足 因而 对不平衡力需进行调整消除 2 将支座不平衡力的差值折算成分布荷载 q 均匀分布在支座相邻两跨间 分布范围为 对边跨支座 qi 对中间跨支座 qi 式中 qi 不平衡力折算的均布荷载 kn l0 边跨外伸长度 m li 1 li 支座左右跨长度 m 第五节柱下条形基础及十字交叉基础 3 将折算的分布荷载作用于连续梁 再次用弯矩分配法计算梁的内力 以及支座处的弯矩 mi与剪力 vi 并求出调整分布荷载引起的支座反力并将其叠加到原支座反力ri上求得新的支座反力r i 4 重复 1 3 步骤 直至不平衡力在计算允许精度范围内 一般取不超过柱荷载fi的20 2 静定分析法假定基底反力呈线性分布 以此求得基底净反力 基础上所有的作用力都已确定 并按静力平衡条件计算出任意截面上的剪力v及弯距m 由此绘制出沿基础长度方向的剪力图和弯距图 依此进行肋梁的抗剪计算及配筋 特点 不考虑基础与上部结构相互作用 整体弯曲下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 7 9筏形基础 一 构造要求 混凝土强度等级不低于c30 筏般边缘伸出边柱和角柱外侧包线以外 伸出长度不大于伸出方向边跨跨度的1 4 一般多层建筑物 底板厚不小于200mm 梁板式底板不小于300mm同时不小于最大柱网跨度的1 20 12层以上建筑物的梁板式筏基 底板厚度与最大双向板格的短边静跨之比不小于1 14 且板厚不小于400mm筏板厚大于2000mm时 在板厚中间部位设双向钢筋网 直径不小于12mm 间距不大于300mm 底板和基础