地基基础设计原则

,土力学与基础工程SoilMechanicsandFoundationEngineering,第九章地基基础的设计原则,建筑物的安全和正常使用,地基基础设计等级,建筑场地和地基岩土条件,地基基础方案,地基基础设计内容与步骤,施工条件,地基基础设计规定,荷载组合规定,地基基础类型,9.1地基基础设计的基本规定,根据地基的复杂程度、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的破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计分为三个等级：,（一）地基基础设计等级,（二）地基基础设计规定,（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；（2）设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计。（3）表1-8所列范围涉及等级为丙级的建筑可不作变形验算，但如有下列情况时，仍应作变形验算：,根据建筑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）地基承载力特政值小于130kPa,且形体复杂的建筑；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薄厚不均的填土，其自重固结未完成时。,（4）对经常承受水平荷载作用的高层建筑物、高耸结构和挡土墙等，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。（5）基坑工程应进行稳定性验算；（6）当地下水埋藏比较浅，存在地下水上浮问题时，尚应进行抗浮验算。,（三）荷载效应组合规定,1、按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。2、计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态荷载效应的标准永久组合，不应计入风荷载的地震作用。相应的限值应为地基变形允许值。3、计算挡土墙压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其荷载分项系数均为1.0。4、在确定基础或桩承台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的荷载分项系数。当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。5、基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的规定采用，但结构重要性系数0不应小于1.0。,地基基础设计时，所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应符合建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）规定：,（四）荷载效应组合计算,1、正常使用状态下，荷载效应的标准组合Sk应用下式表示：荷载效应的准永久组合值应用下式表示：2、承载能力极限状态下，由可变荷载效应控制的基本组合设计值S应用式7-3表达对由永久荷载效应控制的基本组合，也可采用简化规则，荷载效应组合的设计值S按下式确定：,3、两种极限状态与承载力计算（1）承载力极限状态。保证地基具有足够的强度和稳定性。当轴心荷载作用时，应符合下式要求：当偏心荷载作用时，除符合（7-5）要求外，尚应符合下式要求：（2）正常使用极限状态。保证地基的变形值控制在建筑物所允许的范围内。所谓建筑物允许的变形值是指地基在荷载及其他因素影响下，基础所产生的均匀沉降或不均匀沉降不致于影响建筑物的安全和正常使用；不能妨碍其设计功能的发挥。地基的变形值应符合下式要求：,地基基础设计必须根据建筑物的用途和安全等级、建筑布置和上部结构类型，充分考虑建筑场地和地基岩土条件，结合施工条件以及工期、造价等各方面要求，合理选择地基基础方案，因地制宜、精心设计，以保证建筑物的安全和正常使用。地基基础的设计和计算应该满足下列三项基本原则：1对防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度，2应控制地基变形量，使之不超过建筑物的地墓变形允许值，以免引起基础不利截面和上部结构的损坏，或影响建筑物的使用功能和外观，3基础的型式、构造和尺寸，除应能适应上部结构、符合使用需要，满足地基承载力(稳定性)和变形要求外，还应满足对基础结构的强度，刚度和耐久性的要求。,9.2基础的类型,9.2.1浅基础类型,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,(一)无筋扩展基础(刚性基础）,1）砌筑材料：砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三和土2）受力特点：抗压性能好，抗拉、抗剪能力差3）结构特点：优点：稳定性好，施工方便，能承受较大荷载缺点：自重大，当持力层应力小且厚4）构造：满足台阶宽高比允许值（刚性角）的要求,地基反力,刚性基础受力破坏简图,用途：多用于低层建筑的墙下基础；在寒冷而又潮湿的地区采用不理想。优点：可就地取材，建筑方便；缺点：强度低且抗冻性差。要求：砖强度MU10，砂浆强度M5；大放脚：砖基础剖面一般砌成阶梯形，通常称为大放脚。,1）砖基础,2）毛石基础,要求：强度等级MU20的毛石，砂浆强度M5砌筑而成。优点：抗冻性比较好，在寒冷地区可用于6层以上的建筑；,3）混凝土毛石混凝土基础,混凝土基础：强度、耐久性和抗冻性均比较好，其混凝土强度等级一般采用C15，常用于较大的墙柱基础毛石混凝土基础：为了节约混凝土用量，可在混凝土内掺入15%25%（体积比）的毛石。,4）灰土基础,特点：灰土基础造价低可节省材料，多用于5层以下的民用建筑。灰土：是用熟化石灰和粉土或黏性土拌合而成。,(二)扩展基础(柔性基础）,定义：当上部结构荷载较大而地基土较软弱时受力性能：抗弯和抗剪性能良好，耐久性和抗冻性都较理想,墙下钢筋混凝土条形基础(a)无肋式(b)有肋式,1）墙下钢筋混凝土条形基础,2）柱下独立基础,柱下独立基础(a)阶梯形基础；(b)锥形基础；(c)杯形基础,定义：独立基础是柱下基础的的基本形式受力性能：抗弯和抗剪性能良好，耐久性和抗冻性都较理想,（三）柱下钢筋混凝土条形基础,应用条件：当柱承受荷载较大而地基土软弱，采用柱下独立基础，基础底面积大的几乎相连接。,在框架结构中采用。,联合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。,（四）柱下十字交叉基础,应用条件：对于荷载较大的高层建筑，如果地基软弱土且在两个方向分布不均，需要基础纵横两向都有一定的抗弯刚度来调整基础的不均匀沉降。,（五）筏形基础,应用条件：对于地基很软弱，荷载很大，采用十字交叉基础仍不能满足要求；或相邻基础距离很小，或设置地下室时，可把基础底板做成一个整体的等厚度的钢筋混凝土板，形成无梁式筏形基础。,（六）箱型基础,概念：当柱荷载很大，地基又特软弱，基础可作成由钢筋混凝土底板、顶板、侧墙及纵横墙组成箱形基础。优点：整体性好，抗弯刚度大且空腹埋深等特点。,1）桩基础,桩基础的分类：,（1）按桩身材料分类,木桩、混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢桩、其它组合材料桩。,水泥土搅拌桩,9.2.2深基础的类型,(2)按施工方法分类,预制桩,钻孔灌注桩,按施工方法可分为预制桩、灌注桩两大类。,3.3深基础,(3)按承载性状分类:端承型桩和摩擦型桩。,端承型桩,摩擦型桩,3.3深基础,直接堆载,锚桩反力梁法,锚桩d=1.8m,横梁：1.7m2.7m,3.3深基础,2）地下连续墙,天津百货大楼地下连续墙,3.3深基础,3.3深基础,3）墩基础,在人工或机械成孔的大直径孔中浇筑混凝土（钢筋混凝土）而成，我国多用人工开挖，亦称大直径人工挖孔桩。,墩基础,4）沉井基础,沉井基础,3.3深基础,江阴大桥沉井平面尺寸50m69m,h为58m,10刚性基础与扩展基础,设计浅基础一般要妥善处理下列几方面问题：1充分掌握拟建场地的工程地质条件和地基勘察资料；2了解当地的建筑经验，施工条件和就地取材的可能性，并结合实际考虑采用先进的施工技术和经济、可行的地基处理方法。3选择基础类型和平面布置方案，并确定地基持力层和基础埋置深度4按地基承载力确定基础底面尺寸，进行必要的地基稳定性和变形验算5以简化的、或考虑相互作用的计算方法进行基础结构的内力分析和截面设计。,10.1浅基础设计应处理的几个问题,10.2地基基础设计步骤,在一般情况下，进行地基基础设计时，需具备下列资料：（1）建筑场地的地形图；（2）建筑场地的工程地质资料；（3）建筑物的平面、立面、剖面图及使用要求，作用在基础上的荷载、设备基础以及各种管道的布置和标高；（4）建筑材料的供应情况。,1）设计资料,刚性浅基础设计计算的一般步骤和内容为:（1）选定基础的材料(用块石砌筑还是片石混凝土)，初步拟定基础的形状和尺寸;（2）初步选定基础的埋置深度;（3）确定地基承载力特征值(持力层和软弱下卧层);（4）确定基础底面尺寸，必要时进行下卧层强度验算;（5）对设计等级为甲级、乙级的建筑以及不符合表7-2规定的丙级建筑物，进行地基变形验算;（6）对于建于斜坡上的建筑物和构筑物及经常承受较大水平荷载的高层建筑和高耸结构，进行地基稳定性验算；（7）确定基础的剖面尺寸，进行基础结构计算；（8）绘制基础施工图。验算中如发现某项设计要求得不到满足，或虽然满足，但尺寸或埋深显得过大而不经济，则需适当修改尺寸或埋置深度，重复各项验算，直到各项要求全部满足，使基础尺寸较为合理为止。,2）地基基础设计步骤,10.3基础的埋置深度的确定,1)基础的埋置深度指基础的底面至室外设计地面的距离。确定基础埋深时，除了要考虑持力层的情况外，还应考虑使用功能、地下室、地下设施、基础形式、荷载、地质水文条件、相邻建筑物以及冻胀、冲刷等因素。2)基础埋深的确定原则在保证安全可靠的前提下尽量浅埋。但基础埋深不得小于0.5m，基础顶面距地面的距离宜大于0.1m。同一建筑物下面各部分的基础埋深可以不一致。,一、建筑结构条件与场地环境条件建筑结构条件包括建筑物用途、类型、规模与性质。当有地下室、设备基础和地下设施时，往往要求加大基础埋深；基础的形式和构造有时也对基础埋深起决定作用。承受较大水平荷载（如高层建筑输电塔）需要较大的基础埋深。,影响基础埋深的因素,1）一般新建筑物基础埋深不宜大于相邻原基础的基础。2）当必须深于原基础时，两基础之间净距，数值根据原有建筑荷载大小和土质情况确定。一般取两相邻地面高差的12倍。,二、工程地质条件,持力层下卧层软弱下卧层,三、水文地质条件,否则，应考虑：流砂；流土。,对有侵蚀性的地下水，还应考虑：地下结构防渗；地下结构抗浮，例如设置抗浮锚杆,基础应尽量埋置在地下水位以上。,（一）地基土冻胀性分类与基础最小深度,四、地基土冻胀和融陷的影响,冻胀：土冻结后其体积增大的现象。,条件：土的冻胀取决于,当地气温,土的类别,冻前含水量,地下水位置,建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）按平均冻胀率将地基的冻胀类别分为五类：,不冻胀,弱冻胀,冻胀,强冻胀,特强冻胀,季节性冻土在冻融过程中,使土的强度降低，压缩性增大,反复产生冻胀和融陷,当基础位于冻胀区内时，基础上作用有图中所示力：,如果荷载F和基础自重G足以平衡冻胀力p,基础受冻胀力的作用而上抬,温度升高p消失基础产生下沉,融陷和上抬不均匀,建筑产生方向相反、相互交叉的裂缝,基础最小埋置深度按下式计算：,为了使建筑免遭冻害，对于埋置在冻胀土中的基础，应保证基础有相应的最小埋置深度dmin以消除基底冻胀力。,式中的zd设计冻深,式中z0标准冻深hmax-基底面下允许残留冻土层的最大厚度,10.4地基承载力,地基承载力是指地基单位面积上承受荷载的能力。在保证地基稳定的条件下，使建筑物的沉降量不超过允许值的地基承载力称为地基承载力特征值fa。,地基承载力是一个定值，对吗？,工程中通常以两个指标来表示地基承载力，即地基的容许承载力和极限承载力。地基规范所称的地基承载力特征值相当于通常所说的地基容许承载力。,地基规范规定，浅基础的基底压力应满足下列要求：,10.4.1地基承载力特征值的确定,1.按土的抗剪强度指标以理论公式计算；2.按地基载荷试验确定；3.按规范承载力表确定；,确定方法：,1)按土的抗剪强度指标以理论公式计算(1)地基极限承载力理论公式fa=pu/KK=2-3常用公式：魏锡克公式、汉森公式等等。,该方法不常用，原因主要有：1）该方法未考虑地基变形；2）c、的取值可靠度较低；3）不同公式的计算结果相差较大。,(2)规范推荐的理论公式,当荷载为中心荷载或偏心很小（偏心距el/30，l为偏心方向基础边长）时：faMbb+Mdmd+Mcckp1/4（25）,b基础底面宽度，大于6m时按6m考虑；对于砂土，小于3m时按3m考虑。,地基沉降可能过大,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。,地基静载试验概况,平板载荷试验装置示意图,优缺点：能较好的反映天然土体的压缩性；试验工作量和费用较大，时间较长。,fa的确定方法：,(1)当ps曲线上有比例界限p1时，取fak=p1；,确定地基承载力实测值：,(2)当pu2p1时，取fak=pu/2；,(3)当不能按上述二款要求确定时，可取s/b=0.010.015所对应的荷载作为fak，但其值不应大于最大加载量的一半。,对同一土层，应选择三个以上的试验点，当试验实测值的极差（最大值与最小值之差）不超过其平均值的30%时，取其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：,3)按规范承载力表确定,野外鉴别结果室内物理力学指标现场动力触探试验锤击数,fak,注意：埋深d的取法，见教材。超载q=md,q,d=q/m,主裙楼一体的情况,10.5刚性基础设计计算,一、作用在基础上的荷载,计算作用在基础底面的总荷载时，应从建筑物的檐口（屋顶）开始计算,计算屋面恒载和活载,由上至下房屋各层结构（梁、板）自重及楼面活载,墙和柱的自重,最后加上基础自重和基础上的土重Gk,在墙或柱的承载面以内的总和,就是上部结构传至基础底面的竖向力值Fk,+,+,=,+,二、中心荷载作用下的基础,1、柱下独立基础在中心荷载作用下，基础底面上的平均压力应小于或等于修正后的地基承载力特征值，即由此可得基础底面积为：矩形基础对于柱下矩形基础，如果取基础长边l与短边b的比例为l/b一般取1.52.0，例如：取l/b=2,则l=2b,A=2b2.基底长边l=2b方形基础,2、墙下条形基础,墙下条形基础通常沿墙纵向单位长度（l=1m）为计算单元，Fk为每延长米的荷载，则条形基础宽度为：如果计算带有窗口的墙下基础时，应取一个开间为荷载计算单元。,。,三、偏心荷载作用要求：,pkfapkmax1.2fael/6（或pkmin0）,试算法步骤：,（1）进行深度修正，初步确定修正后的地基承载力特征值fa。,（2）根据荷载偏心情况，将按轴心荷载作用计算得到的基底面积增大10%40%，即取,（3）选取基底长边l与短边b的比值n（一般取n2），于是有,（4）考虑是否应对地基承载力进行宽度修正。如需要，在承载力修正后，重复上述2、3两个步骤，使所取宽度前后一致。,（5）计算偏心距e和基底最大压力pkmax，并验算是否满足式（221）和（224）的要求。,（6）若b、l取值不适当（太大或太小），可调整尺寸再行验算，如此反复一二次，便可定出合适的尺寸。,四、地基软弱下卧层承载力验算,要求：,标准值,仅作深度修正,矩形基础：,条形基础：,地基压力扩散角值表2-7,注：z0.25b时取=0，必要时，宜由试验确定；z0.50b时值不变。,【例10-1】墙下条形基础在荷载效应标准值组合时，作用在基础顶面上的轴向力Fk=280kN/m,基础埋d=1.5m,室内外高差0.6m，地基为黏土（b=0.3,d=1.6)，其重度kN/m3,地基承载力特征值fak=150kPa求该条形基础宽度。,【解】（1）求修正后的地基承载力特征值假定基础宽度b0.5m，故进行性地基承载力深度修正。,（2）求基础宽度因为室内外高差0.6m，故基础自重计算高度,基础宽度：,取b=2m，由于与假定相符，最后取b=2m,【例10-2】某柱下矩形单独基础。已知按荷载效应标准组合传至基础顶面的内力值Fk=920kN,Vk=15KN,MK=235KN.m；地基为粉质粘土，其重度为=18.5KN/m3,地基承载力特征值fak=180kPa(b=0.3,d=1.6)基础埋深d=1.2m，试确定基础地面尺寸。,【解】（1）求修正后的地基承载力特征值假定基础宽度b3m,则,（2）初步按轴心受压基础估算基底面积,考虑偏心荷载的影响，将底面积A0增大20%，则A=5.21.2=6.24m2。取基底长短边之比l/b=2，得取b=1.8m,l=3.6m。,（3）验算地基承载力基础及其台阶上土重基底处力矩偏心矩基底边缘最大压力,满足要求，故基底尺寸长l=3.6m,b=1.8m合适。,【例10-3】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。,【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：经深度修正下卧层承载力设计值为,(2)下卧层顶面处的自重应力,（4）计算基底平均压力和土的自重压力,（5）计算下卧层顶面处的附加压力pz,满足要求。,（6）验算下卧层承载力,（3）确定地基压力扩角按持力层与下卧层压缩模量之比：,五、无筋扩展基础设计,无筋扩展基础材料抗拉、抗剪强度，而抗压性能相对较高,在地基反力作用下，基础挑出部分如同悬臂梁一样向上弯曲,基础外伸悬臂长度越大，基础越容易因弯曲而拉裂,所以必须减少外伸梁的长度或增加基础高度，,使基础宽高比减小而刚度增大,材料及底面积确定后，只要限制宽高比b2/H0200kpa，增大基础宽度取b=1.9m，则pk=197.7kpa,（3）毛石基础所需台阶数（要求每台阶宽200mm）,（4）确定基础剖面尺寸并绘出图形如图：,（5）验算台阶宽高比,每阶台阶看高比满足要求。,需设四步台阶,10.6扩展基础设计,（一）现浇柱基础（1）锥形基础的截面形式如图所示：（2）阶梯形基础的每阶高度宜为300mm500mm。当基础高度h500mm时，宜用一阶；当基础高度500mm900时宜用三阶。阶梯形基础尺寸一般采用50mm的倍数。由于阶梯形基础的施工质量容易保证，宜优先考虑采用。（3）扩展基础底板受力钢筋最小直径不宜小于10mm；间距不宜大于200mm，也不宜小于100mm。基础垫层的厚度不宜小于70mm；垫层混凝土强度等级为c10。当有垫层时钢筋保护层厚度不小于40mm；无垫层时不小于70mm。（4）扩展基础混凝土强度等级不应低于c20。,一、扩展基础的构造要求,（5）当柱下钢筋混凝土独立基础的边长大于或等于2.5m时，底板受力钢筋的长度可取边长或宽度的0.9倍，并宜交错布置（如图）（6）钢筋混凝土条形基础独立基础的边长大于或等于2.5m时，底板受力钢筋仅沿一个主要受力方向通常布置。（7）钢筋混凝土柱和剪力墙纵向受力钢筋在基础内的锚固长度应根据钢筋在基础内的最小保护层厚度按规范确定：有抗震要求时，纵向钢筋最小锚固长度应按下式计算：一、二级抗震等级三级抗震等级四级抗震等级,（8）现浇柱的插筋，其数量、直径以及钢筋种类应与柱内相同。1）柱为轴心受压或小偏心受压，基础高度h1200mm；2）柱为大偏心受压，基础高度h1400mm。,（二）预制柱杯形基础,如图所示：（1）柱插入杯口深度，可按7-10选用。（2）基础的杯底厚度和杯壁厚度，按表7-11选用，（3）档柱为轴心受压或小偏心受压t/h20.65时，杯壁可不配筋；当柱为轴心受压且t/h20.75时，杯壁可不配筋；当柱为轴心受压或小偏心受压且0.5t/h20.65时，杯壁可按表7-12构造配筋；其他情况，应按计算配筋。（4）双杯口基础（如图）用于厂房伸缩缝处的双柱下，或者考虑厂房扩建而设置的预留杯口情况。,（三）高杯口基础,概念：高杯口基础是带有短柱的杯形基础，如图：作用：一般用于上层土较软弱或有空穴、井等不宜作持力层以及必须将基础埋深的情况。插入深度：应符合杯形基础的要求；杯壁厚度：应符合表7-13的规定和有关要求；杯壁短柱配筋：如图所示：书中114页,（四）墙下钢筋混凝土条形基础,（1）墙下钢筋混凝土条形基础的构造如图所示：当基础高度h250mm时，截面采用锥形，其边缘高度不宜小于200mm。当基础高度h250mm时，宜采用平板式。当地及较为软弱时基础剖面也可采用带肋式条形基础（如图）。（2）墙下钢筋混凝土条形基础纵向分布钢筋的直径不小于8mm；间距不大于300mm；每延长米分布钢筋的面积应不小于受力钢筋面积的1/10。基础有垫层时，钢筋保护层不小于40mm；无垫层时不小于70mm。（3）墙下钢筋混凝土条形基础的宽度大于或等于2.5m时，底板受力钢筋的长度可取宽度的0.9倍，并且交错布置。（4）墙下条形基础的钢筋一般采用HPB235级钢筋，受力钢筋在横向（基础宽度方向）布置，其直径816，纵向分布钢筋通常采用68250mm或300mm。,二、墙下钢筋混凝土条形基础的底板厚度和配筋计算,1、基础底板厚度基础底板如图同倒置的悬臂板，在地基净反力作用下，基础的最大内力实际发生在悬臂板的根部（墙外边缘垂直截面处）。计算基础反力时，沿条形基础长度方向取单位长度进行计算。地基净反力pj为：基础任意截面1-1处（如图）的弯距M和剪力V为：其最大弯矩截面的位置：当墙体材料为混凝土时，取a1=b1;如为砖墙且放大脚不大于1/4砖长时，取a1=b1+1/4砖长。当计算墙边截面a1=(b-b0)/2,（一）轴心荷载作用,条形基础底板厚度（即基础高度）的确定，有下列两种方法：,（1）根据经验，一般取h=b/8（b为基础