10_天然地基基础设计.ppt

第十章天然地基基础设计,第一节概述第二节浅基础的类型第三节地基基础设计原则第四节基础埋置深度第五节地基承载力与变形验算第六节地基基础和上部结构共同作用的概念第七节减轻不均匀沉降危害的措施,第一节概述,地基：指基础下受建筑物荷载影响的那部分土体；天然地基：不需处理可直接修筑基础的地基；人工地基：需人工处理才可修筑基础的地基。,基础：位于地面以下与地基直接接触并将上部荷载传递给地基的结构部分；浅基础：通常指基础埋置深度小于基础最小宽度的基础。在施工过程中，可用简单方法进行基坑开挖和降水；深基础：通常指基础埋置深度大于基础最小宽度的基础。在施工过程中，需用特殊机械和方法进行基坑开挖和降水。,持力层：直接支撑基础的地层,下卧层：在持力层下方的土层，可能不只一层。,一、基本概念:,二、在基础设计时，一般要考虑下列几个因素：建筑基础所用的材料及基础的结构型式；基础的埋置深度；地基土的变形和承载力；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上部结构的类型、使用要求及其对不均匀沉降的敏感性；施工期限、施工方法及所需的施工设备等。,第二节浅基础的类型,一、浅基础的分类：根据它的形状和大小可分成下面几种类型：独立基础、条形基础、筏板基础、箱形基础及壳体基础等。根据基础所用材料的性能可分为刚性基础（无筋扩展基础）和柔性基础（钢筋混凝土基础）。,二、刚性基础（无筋扩展基础）1.刚性基础：常由砖、块石、毛石、素混凝土、三合土和灰土等材料建造不需配筋的基础。2.刚性基础的特点：抗拉强度远小于其抗压强度，故不能承受拉力或弯矩。设计要求基础外伸宽度和基础高度的比值在一定的限度内，基础高度一般较大。3.刚性基础分类：分为墙下刚性条形基础和柱下刚性独立基础。适用于6层(含)以下民用及砌体厂房建筑。,三、柔性基础（钢筋混凝土基础）柔性基础即钢筋混凝土基础，其特点是具有良好的抗剪和抗弯能力，一般分为：钢筋混凝土独立基础和钢筋混凝土条形基础。（一）柱下钢筋混凝土独立基础钢筋混凝土独立基础主要是柱下基础，它有多种构造形式如下图。,（二）钢筋混凝土条形基础（1）墙下钢筋混凝土条形基础指单向条状基础，分墙下钢混条基、柱下钢混条基、十字交叉钢混条基。墙下钢混条基的横截面根据受力条件可分为不带肋和带肋两种，它可看作钢筋混凝土独立基础的特例（P276，图10-4）。,（2）柱下条形基础柱下条形基础是指将若干柱子的基础连成一条而构成的条形基础。当地基承载力较低且柱下钢筋混凝土独立基础的底面积不能承受上部结构荷载的作用时采用柱下条形基础。,设置目的：将承受的集中柱荷载较均匀地分布到扩展的条基基底面积上，减小地基反力，并通过形成的整体刚度来调整可能产生的不均匀沉降。,（3）十字交叉条形基础：当单向条形基础的底面仍不能承受上部结构荷载的作用，可以把纵横柱基础均连在一起，成为十字交叉条形基础。十字交叉条形基础可承担10层以下的民用住宅。,三、筏板基础,筏板基础：当地基承载力低，而上部结构荷重又较大，以致十字交叉条形基础仍不能提供足够的底面积来满足地基承载力的要求，可采用钢筋混凝土满堂板基础，这种平板基础称为筏板基础。可用于650层建筑中。筏板基础的分类：平板式和梁板式两种。,四、箱形基础箱形基础：箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和纵横内外隔墙组成，形成一只刚度极大的箱子。其抗弯刚度比筏板基础更大，可视为绝对刚性基础。,适用条件：当地基承载力较低，上部结构荷载较大时采用十字交叉条形基础或筏板基础无法满足承载力要求时，又不允许采用桩基时，可采用箱形基础。,常用于筒形构筑物（如烟囱、水塔、粮仓、中小型高炉等）的基础。,壳体结构的内力主要是轴向压力，这就充分利用了混凝土结构受压性能好的特点,五、壳体基础,壳体基础的分类：根据形状不同,可分为M型组合壳、正圆锥壳和内球外锥壳（P279）,壳体基础的优点：(1)节省材料和造价低(2)施工时不必支摸,土方挖运量少,第三节地基基础设计原则,建筑结构可靠度设计统一标准(GB50068-2001)总则中指出，建筑结构应满足下列要求：（1）建筑结构应能承受在正常施工和正常使用过程中可能出现的各种情况，并具有良好的工作性能；（2）建筑结构在正常维护条件下，应能完好地使用到设计所规定的年限；（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。建筑物地基承受上部结构及基础传来的全部荷载。因此，地基计算的基本原则应从保证上部结构的安全性、适用性和耐久性来考虑。,一、地基基础设计等级,我国的建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）规定:根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征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，将地基基础设计分为甲、乙、丙三个设计等级，设计时应据具体情况，按照地基基础设计等级进行地基基础设计。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；部分设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，但特殊情况下，仍应作变形验算；对经常受水平荷载作用的建筑物及斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性。,一、设计等级,二、荷载规定,静荷载：建筑物和基础自重、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原因。活荷载：可变普通荷载：特殊荷载(偶然荷载)：地震、风力等对地基基础设计时，对不同荷载应采用不同的代表值：对静荷载：采用标准值(结构自重)作为代表值对活荷载：应根据设计要求采用标准值、组合值(标准值乘荷载组合值系数)或准永久值(标准值乘荷载准永久值系数)作为代表值；,三.地基基础设计技术要求,地基基础设计应满足以下几个要求:(1)地基土抵抗剪切破坏和防止失稳，应具有足够的安全度,其设计通式为：式中：作用于地基土上的平均总压力；地基承载力特征值(2)基础的沉降量应小于地基的允许变形值：基础的沉降量包括绝对沉降量和不均匀沉降量。(3)基础结构应有足够的强度、刚度、耐久性及抗裂,四、两种极限状态设计,承载能力极限状态：以结构内力（地基荷载）超过其承载能力为依据各种失稳、结构破坏。正常使用极限状态：以结构（地基）的变形、裂缝、振动参数（老化蠕变）的限值为依据。有时间接通过应力控制（例如最大塑性深度的限制容许承载力）,五地基基础的设计思想,可靠度理论：以概率理论为基础的极限状态设计方法；结果是破坏的概率或者工程的可靠度。定值设计法：所有参数和条件是定值，所有不确定性由一个安全系数K包括。,六地基基础设计的三种设计表达式,根据对荷载效应和地基承载力的取值方法不同，地基基础设计有三种设计表达式：(1)容许承载力法取荷载标准值（组合），安全度用承载力值控制；(2)安全系数法取荷载标准值（组合），地基承载力为极限承载力，安全度用安全系数控制；(3)分项系数法取荷载设计值，地基承载力为极限承载力，安全度用分项系数控制。,(1)允许承载力法,设计表达式为:式中基础底面处的平均压力标准值;修正后的地基承载力特征值修正后的地基承载力特征值可以由载荷试验（比例界限或s/b=0.01-0.02）/理论公式（塑性区开展范围：临界荷载P1/3，P1/4）,或规范推荐的地基承载力表求得。注意：在这种设计中，工程的安全性和可靠性是无定量的概念的。因而是一种经验的设计方法。,(2)极限承载力安全系数法,设计表达式:式中基础底面处的平均压力标准值,；地基极限承载力,；安全系数。地基极限承载力可由载荷试验和地基极限承载力理论公式求得。,注意：在这一理论方法中，其安全程度用单一的安全系数K表示，但这一安全系数反映多大的失事概率是不得而知的。,(3)极限承载力分项系数法,基本表达式：S即为基础底面作用于地基土的压力；抗力的设计值R即为地基承载力的特征值，由地基极限承载力的极限值除以抗力分项系数求得，或由抗剪强度指标的设计值直接代入极限荷载公式求得。的设计值计算公式如下：式中：抗剪强度指标的标准值抗剪强度指标的分项系数,荷载的代表值,（1）标准值：基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（如：均值、众值、中值）（2）组合值：对于可变荷载，组合超越概率与其出现概率相同（等于标准值）如：1台风设防地震最大楼面荷载（3）频遇值：对于可变荷载，超越概率为规定的较小比率；（4）准永久值：对于可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。（人群活荷载沉降）,荷载组合：按极限状态设计时，为保证结构的可靠性对于同时出现的各种荷载设计值的规定。,基本组合：承载能力极限状态设计时，永久作用与可变作用的组合；（分项系数）偶然组合：承载能力极限状态设计时，（永久作用）（可变作用）（一个偶然作用）的组合；（大于基本组合）标准组合：正常使用极限状态设计时，采用标准值，（或组合值）为荷载代表的组合；（频遇组合）：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载，采用频遇值（或准永久值）为荷载代表的组合：（永久组合标准值）（主导可变荷载频遇值）（伴随可变荷载的准永久值）准永久组合：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载，采用准永久值为荷载代表的组合,（1）基本组合荷载效应组合的设计值,（1）由可变荷载控制时：SQ1k:在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,（2）由永久荷载控制时：,组合值系数c,（2）标准组合荷载效应组合的设计值,SQ1k:在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,组合值系数c,（3）准永久组合荷载效应组合的设计值,准永久值系数q,（一）按地基承载力确定基础底面积及埋深，传至基础底面上的荷载应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。承载力采用特征值。,组合值系数c,（二）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下的荷载效应的准永久组合。不应计入风荷载和地震荷载。相应的限值应为地基变形的允许值。,准永久值系数q,（三）在确定基础或承台高度、支挡结构高度、计算它们的内力、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，采用承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。,（四）计算挡土墙、地基或斜坡稳定基滑坡推力时，荷载效应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1：,组合值系数c,第四节基础埋置深度,一、基础埋置深度：指基础底面到天然地基的垂直距离。二、浅基础埋深的确定原则：能浅埋尽量浅埋，但不宜小于0.5m。三、影响基础埋深的因素：1、建筑物的用途类型及荷载大小性质2、工程地质和水文地质条件3、相邻建筑物基础埋深的影响4、地基土冻胀和融陷的影响5、补偿地基概述,1.建筑物的用途类型及荷载大小性质,建筑物的用途是选样基础埋深首先应考虑的问题：如有地下室、设备基础和地下设施等。基础埋深需要整体或局部加深，使基础低于它们。若基础局部加深，应将基础做成台阶形。逐渐由浅过度到深，其台阶高宽比一般为1：2，地基条件较好的可为1：1。,2.工程地质和水文地质条件,（1）工程地质条件：当上层土差而下层土承载力高时，应将基础埋置在下层好的土层上。但如果上层土质差的松软土层很厚，基础需要深埋时，必须考虑施工是否方便，是否经济，应与其他方案综合分析比较后才能确定。当基础埋在易风化的软质岩层上时，施工时应在基坑挖好后立即铺筑垫层，以免岩层表面暴露后风化软化。（2）水文地质条件：埋置基础时还应考虑地下水的影响：有地下水存在时，基础底面应尽量埋在地下水位以上，以免地下水对基坑开挖施工质量的影响。如必须埋在地下水位以下时，应考虑施工时的基坑排水/坑壁支撑等措施，以及地下水是否有侵蚀性等因素。如果持力层下埋藏有承压水层时，选择基础埋深，必须考虑承压水的作用。,3.相邻建筑物基础埋深的影响,在城市房屋密集的地方，往往新旧建筑物紧靠在一起，为了保证新建筑物施工期间，相邻的原有建筑物的安全和正常使用，基础埋深不宜深于相邻原有建筑物的埋深。有的新建建筑物荷载很大，楼层又高，基础埋深一定要超过原有建筑物，此时，为了避免新建建筑物对原有建筑物的影响，设计时应考虑与原有基础保持一定的净距。,4.地基土冻胀和融陷的影响,在季节性冻土地区，基础应埋在冻结深度以下。原因：若基础埋在冻胀土内，由于土体膨胀在基础周围和基础底部产生冻胀力使基础上抬，造成门窗不能开启，严重的会引起墙体开裂。当温度升高土体解冻时，又由于土中水分的高度集中，使土质变得十分松软而引起融陷，且建筑物各部分的融陷也是不均匀的。多次冻融会使建筑物遭致严重的破坏。,5.补偿地基概述,在软土地基上低层建筑物附近，建造重型建筑物，会有很大的固结沉降，必将引起原有建筑物较大的附加沉降和不均匀沉降，造成原有建筑物墙体开裂，甚至破坏。不过若拟建建筑物沉降较小，则原有建筑物的附加沉降也不会太大，不均匀沉降相应也会减小。为了减小拟建建筑物的沉降量，除了采用地基处理和桩基础外，选择补偿基础也是一种很好的基础形式。,5.补偿地基概述,公式推导：式中：-作用在基底的荷载，；-基础底面积，；-基础的埋深，；-埋置深度内土重度的加权平均值，。若基础的埋深达到：此时作用在基础底面的附加压力等于零，亦即建筑物的重力等于挖去的总土重。这样的基础称为全补偿基础。若大于的基础称为部分补偿基础。以上二者统称为补偿基础。,第五节地基承载力和变形验算,建筑物确定了基础类型和埋置深度后，当已知基础底面尺寸时，需进行地基承载力验算和地基变形验算；建筑物确定了基础类型和埋置深度后，当基础底面尺寸未知时，需根据外荷载和地基承载力进行地基基础设计。必要时（如承受较大水平荷载或偏心荷载的基础），对于有些建筑物还需进行地基稳定验算。,一.地基承载力验算,(一).持力层承载力验算(二).软弱下卧层承载力验算,(一).持力层承载力验算,地基基础设计首先必须保证在荷载作用下地基应具有足够的安全度。为此，各类建筑物浅基础的地基承载力验算均应满足下列要求：式中：相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力标准值；当基础底面位于地下水位以下时，应扣除基础底面的浮力，；修正后的地基承载力特征值，。,1.地基承载力特征值的确定,(1)按土的抗剪强度指标用承载力理论公式确定(2)按地基静载荷试验或其他原位测试方法确定(3)用有关规范提供的承载力表确定（考虑到我国区域土质条件差异较大，新规范已取消）,(1)用承载力理论公式确定,建筑地基基础设计规范（GB500068-2002）推荐以临界荷载为基础的理论公式结合经验给出计算地基承载力设计值的公式，适用于偏心距小于或等于0.033倍基础底面宽度的地基承载力特征值计算：式中：由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值；、地基承载力系数；基础底面宽度，大于6时按6考虑，对于砂土小于3时按3考虑；基底下一倍基宽深度内土的粘聚力标准值。,(2)用静载荷试验确定,对于坚硬粘土或密砂，一般有明显的比例极限，取此值为地基承载力特征值，如果比例极限与极限荷载相差较小，一般取极限荷载的一半作为地基承载力特征值。对于压缩性较大的土体，一般无明显的比例极限，此时取s/b=0.010.015作为地基承载力的特征值。,(3)承载力特征值的修正,对于由静载荷试验或其他原位测试方法确定的地基承载力特征值，当基础宽度大于3或埋深大于0.5m时，需按下式进行深度和宽度修正：式中修正后的地基承载力特征值；据试验或经验确定的地基承载力特征值；基础宽度和埋深的承载力修正系数。持力层和基础地面以上土的重度。注：由前面规范建议的承载力理论公式计算得的地基承载力特征值不需进行修正。,2.地基承载力校核,前面已经介绍了持力层承载力特征值的计算问题，根据不同的外荷载，要求进行承载力校核：(1)轴心荷载的作用(2)偏心荷载的作用,(1)轴心荷载的作用,当基础上仅有竖向荷载作用，通常让此荷载通过基础底面形心，使基础承受轴心荷载作用，假定基底反力呈均匀分布，则持力层地基承载力校核必须满足下式：式中上部结构传至基础顶面的竖向力标准值；基础自重设计值和基础上的土重标准值；基础与台阶上土的平均重度，一般取20kN/m3；基础底面积。,(2)偏心荷载的作用,当传到基础顶面的荷载除轴心荷载外，还有弯矩或水平荷载作用时，基底反力将不均匀，呈梯形分布，基底最大和最小压力按下式计算：或式中-矩形基础底面的长边；-矩形基础底面的短边；、-分别为基础底面对轴、轴的截面模量.、-分别为荷载对轴的偏心距偏心荷载地基承载力校核公式见下：,(二).软弱下卧层承载力验算,验算公式：式中相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加应力标准值，kPa；软弱下卧层顶面处土的自重应力标准值，kPa；软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。,(二).软弱下卧层承载力验算(续),下卧层顶面处附加应力计算：基底附加压力以扩散角向下传递，均匀地分布在下卧层上,例题：某柱基础，作用在设计地面处的柱荷载标准值、基础尺寸、埋深及地基条件如图所示。试验算持力层和软弱下卧层强度。,解:(1)持力层承载力验算,基底平均压力:基底最大压力:(2)软弱下卧层承载力验算下卧层承载力特征值计算:因为下卧层是淤泥质土,且所以下卧层顶面埋深,参见书P59-60,二、基础底面尺寸的确定,基础底面尺寸由地基承载力控制（根据持力层与软弱下卧层的承载力来设计）。1在轴心荷载作用下，基础底面尺寸的确定2在偏心荷载作用下，基础底面尺寸的确定,1在轴心荷载作用下，基础底面尺寸的确定,(1)矩形基础根据地基承载力校核公式，经过变换得：式中为经过深度和宽度修正后的地基承载力特征值。(2)条形基础沿基础长方向取单位长度1m进行计算，荷载也同样按单位长度计算，条形基础宽度则为：在利用上面公式计算时，由于基础尺寸还没有确定，可先按未经宽度修正的承载力特征值进行计算，初步确定基础底面尺寸，根据第一次计算得到的基础底面尺寸，再对地基承载力进行修正，直至设计出最佳基础底面尺寸。,2在偏心荷载下，基础底面尺寸的确定,受偏心荷载作用，基础底面尺寸不能用公式直接写出，通常的计算方法如下：（1）按轴心荷载作用条件，初步估算所需的基础底面积A；（2）根据偏心距的大小，将基础的底面积增大（1030）%，并以适当的比例确定基础底面的长度l和宽度b；（3）由调整后的基础底面尺寸计算基底最大压力和最小压力，并使其满足承载力验算的要求。这一计算过程可能要经过几次试算方能最后确定合适的基础底面尺寸。,例题：已知厂房基础上的荷载如图2.4-5所示，持力层及基底以上地基土为粉质粘土，地基承载力kPa，试设计矩形基础底面尺寸。,解:1按轴心荷载初步确定基础底面积：,考虑偏心荷载的影响，将A0增大30%，,设长宽比，则，从而进一步有,2计算基底最大压力：,3地基承载力特征值及地基承载力验算：,故，基础可以采用5.2m2.6m的底面尺寸。,查表108P289，得,三、地基变形验算,（一）验算公式：地基变形验算即要求地基的变形在允许的范围以内：式中地基的允许变形值，包括总沉降和沉降差等，其值根据建筑物的结构特点、使用条件和地基土的类别确定。,（二）地基的变形特征,地基的变形特征主要可以分为以下几种：沉降量独立基础或刚性特别大的基础中心的沉降量s；沉降差相邻两个柱基的沉降量s1、s2之差；倾斜在倾斜方向基础两端点的沉降差s1-s2与其距离b的比值，4)局部倾斜砖石承重结构沿纵墙610m内基础两点的沉降差s1-s2与其距离L的比值；平均沉降由三个以上独立基础（或条形基础的几个地方）的