09 天然地基基础设计

9天然地基基础设计,9.1概述9.2浅基础的类型9.3地基基础设计原则9.4基础埋置深度9.5基础承载力和变形验算9.6地基基础和上部结构共同作用的概念9.7独立基础结构设计9.8钢筋混凝土梁、板基础的简化计算方法9.9减轻不均匀沉降危害的措施9.10沉井基础,9天然地基基础设计,9.1概述,基础设计内容与一般步骤：相关地质资料的收集选择基础类型确定基础埋置深度确定地基承载力设计基础尺寸按规范进行强度、变形、稳定性检算绘制基础设计图、施工图编写设计说明书工程概预算,9.1概述,名词解释：上部结构：建（构）筑物在地表以上的部分基础：建（构）筑物在地表以下的结构地基：支承基础的土层基础的作用：“承上启下”基础设计的目标：保证基础本身有足够的强度和刚度选择合理的尺寸和布置方案，使地基的反力和沉降在允许范围之内,地基分类：天然地基：基础直接砌置在未经加固的天然地层上的地基人工地基：基础砌置在经过人工加固后的土体上的地基。当天然地基很弱，不能满足上部结构荷载的要求时采用。上部结构和基础的材料强度一般较高（如素混凝土抗压强度达4200KPa以上），但地基土的设计强度（地基承载力）却小的多（软土地基只有80KPa，且压缩性较大，粘性土也只有160KPa），为能承担上部结构传来的较大荷载，基础必须设置为适当形式，如扩展基础、桩基础等。,按埋置深度，基础可分为：浅基础：基础埋置深度小于基础最小宽度深基础：基础埋置深度大于基础最小宽度但以上方法并不是绝对的，深浅基础的区别除了设计方法不同外，主要还从施工方面（施工方法与装备）考虑，,9.1概述,基础设计时的主要考虑因素：上部结构的类型、使用要求及其对不均匀沉降的敏感性；地基承载力特征值；基础的材料及结构形式；基础的埋置深度；施工期限、施工方法及所需施工设备；基础的形状和布置，以及与相邻基础、地下构筑物和地下管道的关系；,9.1概述,基础方案设计时需注意：基础的型式和布置，需合理配合上部结构的设计，满足建筑物整体的要求，同时要做到便于施工、降低造价。天然地基上结构较简单的浅基础最为经济，如能满足要求，宜优先选用。,9.1概述,9.2浅基础的类型,浅基础分类:根据其形状和大小分：独立基础条形基础（包括十字交叉条形基础）筏板基础箱形基础壳体基础根据所用材料的性能分：刚性基础柔性基础,刚性基础(a)砖石(b)混凝土,(一)、刚性基础,刚性基础：通常指用砖、块石、毛石、素混凝土、三合土、灰土、等材料建造的基础。由于基础的相对高度较大，几乎不发生弯曲变形，故习惯称为刚性基础。由于以上材料的抗拉强度远小于它们的抗压强度，所以刚性基础不能承受拉应力。设计时要求基础基础的外伸宽度和基础刚度的比值在一定的限度之内。刚性基础又可分为：墙下刚性基础柱下刚性基础,9.2浅基础的类型,9.2浅基础的类型,(一)、刚性基础,柔性基础的特点有：具有较好的抗剪能力和抗弯能力。可以用扩大基础底面积的方法来满足承载力的要求，但不必增加基础埋深。当刚性基础如不能同时满足地基承载力和基础埋置深度的要求，此时可改用柔性基础。当外荷较大，并存在弯矩荷、水平荷载，而地基承载力又较低时，不适合用刚性基础，应采用钢筋混凝土基础。,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,9.2浅基础的类型,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,9.2浅基础的类型,种类主要有：钢筋混凝土独立基础钢筋混凝土条形基础筏板基础箱形基础壳体基础,（1）钢筋混凝土单独基础,钢筋砼独立基础主要指：柱下基础，一般底部应配置双向受力钢筋。现浇柱的单独基础可做成阶梯形或角锥形；预制柱则采用杯形基础，杯形基础常用于装配式单层工业厂房。,钢筋混凝土独立基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,地梁：在建筑物底层相邻钢筋混凝土柱之间的内墙或围护墙，常支承在钢筋混凝土梁上，该梁则支承在柱下单独基础上（图75）。这种梁不作为基础使用，称为地梁（不宜称为“地基梁”），以别于条形基础。,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,当地基不均匀，为了增强基础的整体性和抗弯能力，可以采用有肋的钢筋混凝土条形基础，肋部配置纵向钢筋和箍筋，以承受由不均匀沉降引起的弯曲应力。,钢筋混凝土条形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,种类主要有：墙下钢筋混凝土独立基础柱下钢筋混凝土条形基础十字交叉条形基础,墙下钢筋混凝土条形基础根据受力条件分为：不带肋和带肋的,钢筋混凝土条形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,特点：可以看作是钢筋混凝土独立基础的特例，计算属于平面应变问题，只考虑在基础横向受力发生破坏,柱下钢筋混凝土条形基础支承同一方向（或同一轴线）上若干根柱的长条形连续基础（或称为基础梁）。,钢筋混凝土条形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,特点：这种基础将建筑物所有各层的荷载传递到地基处，故本身应有一定的尺寸和配筋量，造价较高。但这种基础的抗弯刚度较大，具有调整不均匀沉降的能力，可使各柱的竖向位移较为均匀。,柱荷载较大或地基条件较差，如采用单独基础，可能出现过大的沉降时；柱距较小而地基承载力较低，如采用单独基础，则相邻基础之间的净距很小且相邻荷载影响较大时；由于已有的相邻建筑物或道路等场地的限制，使边柱做成不对称的单独基础过于偏心，而需要与内柱做成联合或连续基础时。,柱下条形基础可在下述情况下采用：,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,如果地基松软且在两个方向分布不均，需要基础两向具有一定的刚度来调整不均匀沉降，则可在柱网下沿纵横两向设置钢筋混凝土条形基础，从而形成柱下交梁基础。这是一种较复杂的浅基础，造价比柱下条形基础高。,十字交叉条形基础,钢筋混凝土条形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,十字交叉条形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,当柱下交梁基础底面积占建筑物平面面积的比例较大、或者建筑物在使用上有要求时，可以在建筑物的柱、墙下方做成一块满堂的基础，即筏板（片筏）基础。特点：筏板基础由于其底面积大，故可减小地基上单位面积的压力，同时也可提高地基土的承载力，并能更有效地增强基础的整体性，调整不均匀沉降。筏板基础在构造上好像倒置的钢筋混凝土楼盖，并可分为平板式和梁板式两种。平板式的片筏基础为一块等厚度(0.51.5m)的钢筋混凝土平板。,筏板基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,(a)平板式，(b)梁板式,筏板基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,筏板基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,筏板基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,箱形基础：是由钢筋混凝土底板、顶板和纵横内外墙组成的整体空间结构。特点：箱形基础具有很大的抗弯刚度，只能产生大致均匀的沉降或整体倾斜，从而基本上消除了因地基变形而使建筑物开裂的可能性。箱形基础内的空间常用作地下室。这一空间的存在，减少了基础底面的压力；如不必降低基底压力，则相应可增加建筑物的层数。箱形基础的钢筋、水泥用量很大，施工技术要求也高。,箱形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,箱形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,箱形基础,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,如独立基础上部荷载较大时，可采用壳体基础结构型式，使原属梁板基础内力由弯矩为主，转化为轴力为主，通常可以节省混凝土量3050。特点：结构内力主要是轴向压力，能充分发挥钢筋和混凝土材料的受力特点。材料省、造价低，可节约大量的钢筋和混凝土，施工时一般不用支模，土方挖运量较少。由于壳体基础结构复杂，施工技术要求高，目前一般建筑公司施工质量难以保证，实际工程应用不多。,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,壳体基础,壳体基础常用的三种结构型式如图所示：,(二)、柔性基础（钢筋混凝土基础）,9.3地基基础设计原则,建筑结构设计统一标准（GBJ188）总则中指出，建筑结构必须满足下列各项功能要求：（1）能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种情况；并具有良好的工作性能；（2）在正常维护情况下具有足够的耐久性；（3）在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体稳定性。地基基础作为承重土层和建筑物的下部结构，显然必须满足上述要求。,9.3地基基础设计原则,以下从四个方面来讲述基础设计的原则：一、安全等级二、荷载规定三、地基基础设计的技术要求四、地基基础设计的表达式,一、安全等级,建筑物的安全和正常使用，不仅取决于上部结构的安全储备，更重要的是基础具有一定的安全度。因为地基基础是隐蔽工程，很难修复。在建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)中，根据地基基础损坏造成建筑物破坏后果（危及人的性命、造成经济损失、社会影响及修复的可能性）的严重性，将建筑物分为三个安全等级：,9.3地基基础设计原则,建筑物的三个安全等级：,9.3地基基础设计原则,根据建筑物的安全等级和其他情况，地基基础计算应按下列要求进行：（1）各级建筑物的地基计算均应满足地基承载力计算的有关规定；（2）甲、乙级建筑物均应进行变形计算；（3）表92所列范围内的丙级建筑物一般可不做变形验算，但有特殊情况仍应做变形验算；（4）对经常承受水平荷载作用的高层建筑和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，尚应验算其稳定性。,9.3地基基础设计原则,为了按地基承载力确定基础底面积及其埋深，必须分析传到基础底面上的各种基本组合的荷载，作用在建筑物基础上的荷载有四种情况：,二、荷载规定,9.3地基基础设计原则,无论轴向力N，水平力T和力矩M，都可能由静荷载和活荷载组成。静荷载包括建筑物和基础的自重、固定设备的重量、土压力和正常稳定水位的水压力。静荷载是长期作用在地基基础上的。它是引起基础沉降的主要因素。活荷载又分为普通活荷载和特殊荷载（偶然荷载）。特殊荷载（例地震作用、风力等）发生的机会不多，作用的时间很短，故沉降计算只考虑普通活荷载。但在进行地基的稳定验算时，则要考虑特殊荷载。,二、荷载规定,9.3地基基础设计原则,受水平荷载较大的建筑物或构筑物(如挡土墙)，除验算沉降外，还需进行沿地基与基础接触面的滑动、沿地基内部滑动和沿某础边缘倾覆等方面的验算。在地基基础设计时，对不同荷载应采用不同的代表值：对静荷载，应采用标准值作为代表值；对活荷载，应根据设计要求采用标准值、组合值或准永久值作为代表值；对特殊荷载，应根据试验资料，结合工程经验确定其代表值。,二、荷载规定,9.3地基基础设计原则,静荷载标准值：对结构自重，可按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定；活荷载的标准值：详见建筑结构设计规范的规定。当结构承受两种或两种以上活荷载时，设计时应采用组合值作为代表值；活荷载组合值：为活荷载标准值乘荷载组合系数；活荷载准永久值：为活荷载标准值乘荷载准永久值系数。,二、荷载规定,9.3地基基础设计原则,对正常使用极限状态:应按长期效应组合设计，应采用准永久值作为活荷载代表值。对承载能力极限状态:应采用荷载效应的基本组合和偶然组合进行设计,采用下列设计表达式设计应根据使用过程中可能同时出现的荷载，按设计要求和使用要求，取各自最不利状态分别进行荷载效应组合进行设计。,二、荷载规定,9.3地基基础设计原则,三、地基基础设计的技术要求,基础和上部结构是一个整体，上部结构、基础和地基共同作用。地基基础设计应满足：承载力p=f（强度和稳定性）；沉降量s(b0+2h0)时：(b)当b(b0+2h0)时：,9.7独立基础结构设计,9.7独立基础结构设计,二、抗弯验算：对于中心受荷基础I-I截面弯矩：II-II截面弯矩：,在地基净反力作用下，基础两个方向都要产生弯曲，若弯曲应力超过材料抗弯强度，将导致基础受弯破坏,9.7独立基础结构设计,二、抗弯验算：对于单向偏心受荷基础求得弯矩后，截面钢筋面积：,9.7独立基础结构设计,三、一般构造规定：.阶梯形基础:每个台阶高度300-500mm;锥形基础:边缘高度不小于200mm。.基础混凝土等级不宜低于C15。.基础受力钢筋最小直径不小于8mm，间距不大于200mm。.基础下通常铺设低标号（C5-C10）混凝土垫层，厚度一般为100mm。,9.8钢筋混凝土梁、板基础的简化计算方法,一、地基反力的计算墙下条形基础：视作平面应变问题，长度方向取1m，横向地基反力用材料力学方法认为线性分布。柱下条形基础：当上部结构刚度较好、荷载分布较均匀、内柱沉降相接近、且梁的高度大于1/6柱距，且支承在比较均匀的地基上，地基反力可按直线分布考虑，并在条形基础两端边跨增加15%-20%的地基反力来计算内力；若不满足上述条件，宜按弹性地基梁法计算地基反力和梁内力。筏板基础和箱形基础：地基反力可采用高层建筑箱形基础设计与施工规程(JGJ6-80)给出的地基反力系数表格查得。如不满足表中条件，一般采用共同作用方法来计算。对广泛使用于多层住宅的墙下筏板基础，且地基压缩模量Es4MPa：地基反力可按直线分布考虑、按不同支承条件的双向板或单向板计算内力，并在筏板纵向端部一、二开间内增加10%-20%反力,9.8钢筋混凝土梁、板基础的简化计算方法,二、基础结构内力计算(一)墙下条形基础.基础底板高度确定：.确定基础截面配筋的最大弯矩：.构造要求纵向钢筋：直径6-8mm,间距250-300mm沿宽度方向钢筋：200mm,但100mm,混凝土墙,砖墙,混凝土墙,砖墙,二、基础结构内力计算(二)柱下条形基础.静态分析法：只宜用于柔性上部结构，且自身刚度较大的条形基础.倒梁法将柱下条形基础假设为以柱脚为固定铰支座的倒置连续梁，以线性分布的基底净反力作为荷载.柱下条形基础构造要求翼板厚度不宜小于200mm，当大于250mm时，可做坡度1:3的变厚度板。肋梁高度为1/8-1/4柱距。混凝土等级一般用C20,素混凝土垫层一般取C7.5。,9.8钢筋混凝土梁、板基础的简化计算方法,9.8钢筋混凝土梁、板基础的简化计算方法,二、基础结构内力计算(三)十字交叉条形基础主要解决节点荷载的分配问题，一般按刚度分配或变形协调原则，沿两个方向分配。无论哪种方法，必须满足两个条件：.静力平衡条件：.变形协调条件：由两条件可得荷载分配：,9.8钢筋混凝土梁、板基础的简化计算方法,二、基础结构内力计算(四)筏板基础.刚性板法：认为筏板基础的刚度与地基相比，为绝对刚性.弹性板法当结构整体刚度足够大，可简化为倒楼盖法计算内力，否则，按结构与地基基础共同作用计算。.构造要求纵横向支座钢筋分别有0.15%、0.10%配筋率连通。底板受力钢筋最小直径8mm。钢筋保护层厚度35mm，混凝土强度可采用C20.,二、基础结构内力计算(五)箱形基础(高层建筑常用的基础形式).内力分析(1)上部为现浇剪力墙体系：顶、底板按局部弯曲计算，顶板按实际荷载、底板按均布地基板力分析。不计整体弯曲。(2)上部为框架体系：考虑整体弯曲及局部弯曲。整体弯矩Mg：(3)上部为框架剪力墙体系：只按局部弯曲计算。.构造要求箱形基础高度取建筑高度的1/8-1/12，不宜小于1/18。外墙不小于25cm，内墙不小于20cm。横竖钢筋直径不小于10200mm。混凝土强度不低于C20。,9.8钢筋混凝土梁、板基础的简化计算方法,9.9减轻不均匀沉降危害的措施,高当建筑物的不均匀沉降过大时，将使建筑物开裂损坏并影响使用。特别对于压缩性土、膨胀土、湿陷性黄土以及软硬不均等不良地基上的建筑物，由于总沉降量大，不均匀沉降相应也大。解决方法：.采用桩基础或其它深基础，减少总沉降量；.对地基进行处理，提高承