刚性基础与扩展基础(4)

内容提要：1、概述2、基础埋置深度的选择3、地基承载力4、刚性基础与扩展基础的设计计算邵阳学院周卫（工程师）,无筋扩展基础（或刚性基础）由素混凝土、砖、毛石、灰土和三合土等抗压性能好、而抗拉（抗剪）性能差的材料砌筑而成。当基础在外力作用下，基础地面将承受地基的反力，工作条件像个倒置的两边外伸的悬臂，这种结构受力后，在靠近墙柱边或断面高度突然变化的台阶边缘处容易产生弯曲破坏或剪切破坏，因此设计时，必须保证基础的拉应力和剪应力不超过相应的材料强度设计值。这种保证通常是对基础构造的限制来实现，这种限制表现上通常由每个台阶的容许宽高比或刚性角控制设计。钢筋混凝土扩展基础（或柔性基础）当不便于采用刚性基础或采用刚性基础不经济时采用钢筋混凝土材料做成的基础，如柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础）。,2.1概述,2.1.1刚性基础构造要求,图2-1,图2.1刚性基础构造示意d柱中纵向钢筋直径,刚性角,刚性角,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1：2：41：3：6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（P30表2-1）经验值选用,2.1.1刚性基础构造要求,刚性基础台阶宽高比允许值,图2.2砖基础剖面图（a）“两皮一收”砌法；（b）“二一间隔收”砌法,2.1.1刚性基础构造要求,刚性基础的特点稳定性好，施工简便用于6层的民用建筑刚性基础的局限性当基础承受荷载较大时，用料多、自重大，埋深也加大出现上述局限性的根源是刚性基础抗拉强度低,2.1.1刚性基础构造要求,2.1.2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,图2.3墙下钢筋混凝土扩展基础（a）无肋；（b）有肋,2.1.2钢筋混凝土扩展基础构造要求,锥形基础边缘高不宜200mm，坡度i1:3；小于250mm时可做成等厚板。阶梯形基础每阶高宜为300500mm。,垫层厚度一般为100mm的C15混凝土。,底板受力钢筋最小直径不宜200mm和100mm。有垫层时混凝土的净保护层厚不宜40mm，无垫层时不宜70mm。纵向分布筋直径8mm，间距300mm。,混凝土强度等级不宜低于C20，一般选用C25以上。,当地基软弱或承受差异荷载时，为增强基础的整体性和抗弯能力，可采用带肋基础。肋部纵向筋和箍筋按经验确定。,2.1.2钢筋混凝土扩展基础构造要求,图2.4柱下钢筋混凝土单独基础（柱、基础整体）（a）台阶型（好）；（b）锥台型；（c）杯口型（厂房）,2.1.2钢筋混凝土扩展基础构造要求,2.2基础埋置深度的选择,持力层：直接支撑基础的土层下卧层：持力层以下的各土层选择基础埋置深度也就是选择合适的地基持力层埋置深度的定义：一般是指基础底面到室外设计地面的距离。在确定基础埋深时，必须把基础设置在压缩性小、承载力较高的土层上面，保证地基承载力满足要求，而不至产生过大的沉降胡不均匀沉降。确定基础埋深时，必须考虑的因素有7点，见P32。,持力层,下卧层,图2.5基础埋置深度示意,2.2基础埋置深度的选择,确定基础埋深的原则：在保证安全可靠的前提下，尽量浅埋；但不应浅于0.5m，因为地表土一般较松软，易受雨水及外界的影响，不宜做基础的持力层；基础顶面距设计地面的距离宜大于100mm，尽量避免基础外露，遭受外界的侵蚀及破坏。,应考虑因素：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；作用在基础上的荷载大小和性质；建筑结构条件与场地环境条件工程地质条件和水文地质条件；相邻建筑物埋置深度；地基图的冻胀和融沉；地形河流的冲刷。,2.2基础埋置深度的选择,结构高度建筑要求荷载大小地基土周边建筑见P33,图2.6相邻基础埋深,2.2基础埋置深度的选择建筑结构条件与场地环境条件,2.2基础埋置深度的选择场地环境条件,若满足图示（b3m，a2.5mb是垂直于坡顶边缘线的基础底面边长，a是基础地面边缘线至坡顶的水平距离，个基础的a值均匀满足相应要求）则条形基础矩形基础不满足要求时，应进行地基稳定性验算,d,图2.7土坡坡顶处基础的埋深,地基由多层土组成，上好下软，基础应尽量浅埋；地基上软下好，应具体分析，进行方案比较；地基在水平方向倾斜较大时，同一建筑物的埋深可以不相同，以调整基础的不均匀沉降，各埋深不同的分段长度不宜小于1m，底面标高差异不宜大于0.5m；当基础埋置在易风化的软质岩层上时，施工时应在基坑开挖之后立即铺垫层，以免岩层暴露时间过长而被风化；基础在风化岩层中的埋置深根据岩层的风化程度、冲刷深度及相应的承载力确定。如岩层表面倾斜时，应尽量避免将基础的一部分置于基岩上，而另一部分置于土层中，一方基础由于不均匀沉降而发生倾斜甚至断裂。在陡坡上修建桥台时，还应注意岩体的稳定性。,2.2基础埋置深度的选择工程地质条件,图2.8台阶形过渡处理,2.2基础埋置深度的选择水文地质条件,遇地下水时，基底应尽量放在地下水位以上；基底低于潜水面时，要考虑基坑排水、支护和地下水水质问题（水质是否有腐蚀性），以及是否出现流砂、管涌的可能性。地下水浮力引起基础底板的内力变化等；若遇承压水时，以免在开挖基坑时坑底土被承压水冲走，引起突涌流砂现象，因此应验算基坑的稳定性；使承压水层顶部的静水压力u小于该处坑底土产生的总覆盖压力，宜取u/0.7.否则，设法降低承压水头。桥墩基础应埋置在最大冲刷线下一定深度,图2.9基坑下埋藏有承压含水层的情况,2.2基础埋置深度的选择水文地质条件,冻胀机理，冰体积大于水冻胀现象，冻胀、融沉影响冻胀的因素（土类、地下水位及气温）冻融条件考虑先按规范进行地基土冻胀性的划分（五类：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀），后再进行最小埋深dmin的计算式中hmax基底下允许残留冻土层的最大厚度zd设计冻深,2.2基础埋置深度的选择地基冻融条件,2.3地基承载力,定义：地基土单位面积上承受荷载的能力称为地基承载力三个问题地基承载力的基本概念及基本验算影响地基承载力大小的因素确定地基承载力的方法,2.3地基承载力,建筑物因地基问题引起破坏的两种主要原因：基础过大的沉降或沉降差（不均匀沉降）地基产生滑动破坏,地基承载力设计原则,总安全系数设计原则容许承载力设计原则，同时满足强度（ps）条件概率极限状态设计原则,fa（修正后地基承载力特征值）,建筑地基基础设计规范要求:,pk相应于荷载效应标准组合时基底平均总压力pkmax相应于荷载效应标准组合时基底边缘最大总压力fa修正后的地基承载力特征值,公路桥涵地基与基础设计规范要求：max基底最大压应力修正后的地基承载力容许值,2.3地基承载力基本验算,影响因素：,地基土的成因与堆积年代地基土的物理力学性质地下水上部结构情况,2.3地基承载力,确定地基承载力的常用方法：,按土的抗剪强度指标以理论公式计算（ekb/30)按现场载荷试验或其它原位试验确定按有关规范提供的承载力或经验公式确定,原则：不过分严格，也不随意简化,2.3地基承载力,2.3.1按土的抗剪强度指标确定,公式来由pu地基极限承载力，A与土接触的有效基底面积A基底面积K安全系数，其取值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以及地基条件等因素有关，对长期承载力一般去K=2-3.,2.3.2按地基载荷试验确定,图2.11载荷试验示意图（堆载）,规范规定甲级必须进行该法优点：成果可靠该法缺点：费时、耗资,2.3.2按地基载荷试验确定,同一土层参加统计的试验点不应少于三点，极差低于30%，取该平均值作为地基承载力特征值fak,p-s线有明显比例界限时(密砂、硬土)fak=p1（比例极限荷载，承载力特征值）,此时，地基的沉降量很小，能为一般建筑物物所允许，强度安全储备也足够，从P1发展到破坏还有很长的过程。但是，对于少数呈“脆性”破坏的土，从P1发展到破坏（极限荷载）过程很短，从安全角度出发，当pu0.5m；修正后的地基承载力特征值fa为：fak从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值hb、hd分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，查规范表格fa修正后地基承载力特征值,承载力的修正（建规）：,2.3.3按地基规范承载力公式确定,GB5007-2011公式,1、表2-3的合理性与不合理性分析（P40）2、地下水位以下取有效重度3、宽度大于6m，按6m取值4、埋深取值规定的原因,【例题1】,某大学4幢教职工住宅楼，均为6层建筑。经岩土工程勘察结果，该住宅楼地基分为下列4层：表层为人工填土，层厚1.0m2.7m；第层为粉土层，层厚0m2.7m；第层为粉砂层，层厚1.3m2.9m；第层为粉质粘土，层厚超过6m。对此粉质粘土层进行了标准贯入试验与轻型动力触探试验等原位测试，并取原状土进行了物理力学性试验。有关试验数据如下表所示要求：计算此粉质粘土的地基承载力。,粉质粘土层测试数据表,承载力归总表（多种方法综合确定）,2.4刚性基础与扩展基础的设计计算,要点：地基承载力验算地基与基础稳定性验算基础变形验算（沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜）,2.4.1地基承载力验算,按地基承载力计算基底尺寸A,中心受荷基础,图2.15中心荷载作用下的基础,要求：,Pk-相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力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，对一般实体基础，可近似取Gk=GAd（G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托力。,方形基础A应为b矩形基础（需先选定b或l，一般取l/b1.02.0）条形基础沿长度方向取lm计算，则：,2.4.1地基承载力验算,偏心受荷基础,2.4.1地基承载力验算,Wx、Wy基底对x和y轴的截面抵抗矩，m3ex、ey荷载对x轴和y轴的偏心距，m,要求：,图2.16偏心荷载作用下的基础,偏心荷载下逐次渐近试算法求A,1、线先按中心荷载作用下公式预估基础底面积A0或宽度b0;2、考虑偏心荷载的影响，根据偏心距的大小将A0或b0增大10%-40%作为首次试算尺寸A或b；3、根据A的大小初步选定矩形基础的地面边长L和b；4、根据选定的L和b验算偏心距e和基底边缘最大压力；5、如果满足Pkmax1.2fa或稍有富余，则选定的h和b合适，如不满足要求或基底尺寸选择太大,则需要重新调整L和b再进行验算，如此反复一、二次，便可以定出合适尺寸。,2.4.1地基承载力验算,2.4.1地基承载力验算,注意：1、当偏心距eL/6时，Pmin0，基底边缘产生拉应力基础地面与地基土脱开，基底边缘的最大压力为：式中：a偏心荷载作用点至最大压应力Pkmax作用边缘的距离，a=（L/2）-eb垂直于力矩作用方向的基础底边边长。2、Pmin/Pmax之值过小，表示基底压力分布不均匀，容易引起过大的不均匀沉降，应尽量避免。3、在中高压缩性地基土上的基础或有吊车的厂房柱基础，偏心距不宜大于L/6.4、对于低压缩性地基土上的基础，当考虑短暂作用的偏心荷载时偏心距e应控制在L/4内。,【例2.1】柱截面300mm400mm，作用在柱底的荷载标准值：中心垂直荷载700kN，力矩80kNm，水平荷载13kN。其他参数见图2.17。试根据持力层地基承载力确定基础底面尺寸。,2.4.1地基承载力验算,图2.17例题题图,【解】求地基承载力特征值根据粘性土e0.7，IL0.78,查规范表得：b0.3，d1.6。持力层承载力特征值fa(先不考虑对基础宽度进行修正)：（求基础的底面尺寸，尺寸大小不知道）,初步选择基底尺寸计算基础和回填土重Gk时的基础埋深d=1/2(1.0+1.3)=1.15m由公式：由于偏心不大，基础底面积按20%增大，即初步选择基底尺寸A=lb=2.41.6=3.84m2(3.88m2)，且b=1.6m3m，不需再对fa进行修正。,验算持力层地基承载力基础和回填土重偏心距（不宜大于）满足。,基底最大压应力：（荷载对轴的偏心距为）（满足）最后，确定该柱基础底面长l=2.4m，宽b=1.6m。,建筑场地土大多数是成层的，一般土的强度沿深度增加，而外荷载引起的附加应力则沿深度减小，因此只要基础底面持力层承载力满足要求即可。但是，也有不少情况持力层不厚，在持力层以下受力层范围内存在软弱土层，其承载力极低（主要分布在沿海），此时仅满足持力层的要求不够，还需要验算软弱下卧层的承载力，要求传递到软弱下卧层顶面处土体的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层承载力。即：pz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fa软弱下卧层顶面处经深度修正（无宽度修正）后的地基承载力特征值,2.4.2软弱下卧层的验算,2.4.2软弱下卧层的验算,验算条件：持力层与下卧软弱土层的压缩模量假设：基底处的附加应力（）在持力层内往下传递时按某一角度向外扩散，且均匀分布在较大面积上，根据扩散前作用于基底平面处附加应力合力与扩散后作用于下卧层顶面处附加应力合力相等的条件求解。扩散角影响因素：越大，越大；荷载扩散程度随深度增加而增加（见P44表2-4）。,2.4.2软弱下卧层的验算,图2.18软弱下卧层顶面附加应力计算,Pz计算压力扩散角法,矩形基础：,条形基础：,地基压力扩散角，查表2-4确定;规律论述只有附加压力才扩散,【例2.2】图中柱基础荷载标准值，若基础底面寸，。试根据图中资料验算基础底面是否满足地基承载力要求。,2.4.2软弱下卧层的验算,例2-3有一轴心受压基础，上部结构传来轴向力Fk=850kN,地质条件如图所示，试根据图示地质资料，验算软弱下卧层承载力是否满足要求（基础尺寸l=3m，b=2m）,【解】（1）计算下卧层修正后的地基承载力特征值已知按持力层承载力求得基础尺寸l=3m,b=2m,基础埋深d=1.5m，下卧层埋深应为：d+z=5m。下卧层埋深范围内土的加权平均重度为：,2.4.3基础与地基的稳定性验算,1、抗水平滑动的稳定性验算验算条件：水平荷载较大，竖向荷载较小；验算方法：安全系数法；抗滑力摩擦阻力与作用在基底的水平力之比。即：K=1.2-1.4.,图2.20地基抗整体滑动,2.4.3基础与地基的稳定性验算,2、基础倾覆稳定性验算基础倾覆或倾斜除了地基的强度和变形外，往往发生在承受较大的单向水平推力而其合力作用点又离基础底面较高的结构物上，如挡土墙、高桥台受侧向土压力作用，以及在多孔拱桥中一孔被毁等，此时，在单向恒载作用下均可能引起墩、台连同基础的倾覆和倾斜。在上述情况下，除了验算地基承载力外，还要考虑基础的倾覆稳定性。倾覆稳定性与其受到的合力偏心距有关，合力偏心距愈大，基础抗倾覆安全储备越小。抗倾覆安全系数K=基底截面重心至压力最大一边的距离Y与外力合力偏心距e0的比值。一般主要荷载组合时，要求要高一些，K1.5；在各种附加荷载组合时，可以相应降低，K=1.1-1.3。,2.4.3基础与地基的稳定性验算,3、整体滑动稳定验算验算对象：在竖向和水平荷载共同作用下，若地基内存在软土或软土夹层。验算方法：圆弧滑动法K=MR/Ms（抗滑力矩/滑动力矩）一般要求K1.2；考虑深层滑动时，滑动面可为软弱土层界面，即为一平面，K1.3。,图2.21贯入深处软土层的圆弧滑动面,轴心荷载下基础结构设计,(1)基本组合下的地基净反力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,2.4.4钢筋混凝土扩展基础结构设计（选修）,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。公式适用的前提,ft砼轴心抗拉强度设计值h截面高度影响系数,2.4.4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计算截面的地基净反力,确定弯矩后，可计算基础底板的配筋面积。,偏心荷载,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,Fj地基净反力设计值，Fj=PjAlam冲切破坏锥体最不利一侧计算长度,偏心荷载作用时，将上式中的Pj换成Pjma