天然地基的浅基础设计原理.ppt

1、第二章 天然地基上的浅基础设计原理,基础工程设计包括基础设计和地基设计，基础设计包括基础形式的选择、基础埋深的选择及基础底面积的确定、基础内力和断面计算等内容；地基设计包括地基承载力的确定、地基变形计算、地基抗滑及抗倾覆等。 天然地基上浅基础设计的步骤： 1、掌握拟建场地的工程地质条件和地基勘察资料。 2、选择基础材料和基础类型。 3、确定基础的埋置深度。 4、确定地基土的承载力。 5、确定基础的底面尺寸，若持力层中有软弱下卧层尚需根据验算软弱下卧层的承载力。 6、基础结构设计 7、根据规范要求，验算地基的变形。 8、对建在斜坡或有水平荷载作用的建筑物，验算其抗倾覆及抗滑移稳定性。 9、绘制基

2、础施工图，编写施工说明,第一节 概 述,第二节 天然地基上浅基础的类型、构造和适用条件,浅基础分类,按材料分类 按构造分类 按受力性能分类,一、浅基础的分类,单独基础 联合基础 条形基础,按材料分类,砖基础 毛石基础 灰土及三合土基础 砼及毛石砼基础 钢筋砼基础,砖基础细部构造,a)二一间收 (b)二皮一收,一）按材料分类,1、砖基础,砖基础：低层建筑墙下基础。砌筑方便，强度低、抗冻性差,MU10砖 M5砂浆,大放脚,2、毛石基础：较方便，抗冻性好。砌法：错缝搭接,200,400,M5砂浆,MU20毛石,MU20毛石； M5砂浆,2、毛石基础,毛石基础,3、三合土基础,石灰、砂、碎砖或碎石，按

3、体积比为1:2:4 或 1:3:6配成，常用于地下水位较低的四层及四层以下的民用建筑工程中,石灰和土(粘性土)按其体积比为3:7或2:8，灰土基础适用于地下水位较低，五层及五层以下的混合结构房屋和墙承重的轻型工业厂房,4、灰土基础,5、混凝土和毛石混凝土基础,混凝土基础的强度、耐久性、抗冻性都较好,砼与毛石砼基础：性均较好，适于荷载大及地下水位以下结构。掺入片石要求：占体积2030%，尺寸300mm,掺入毛石 节约水泥,柱下砼基础,墙下砼基础,单独基础,上述基础，设计时必须保证其拉、剪应力不超过相应材料强度设计值这种保证是通过对基础构造的限制来实现的,6、钢筋混凝土基础,钢筋混凝土基础强度大，

4、具有良好的抗弯性能，在相同条件下，基础的厚度较薄。建筑物的荷载较大或土质较软弱时，常采用这类基础。适宜于“宽基浅埋”情况,柱下钢筋混凝土单独基础,柱下钢筋混凝土单独基础,独立基础,钢筋混凝土条形基础,二）、按构造分类,1、单独基础,1）、柱下单独基础,柱基础主要类型。依材料，常采用砖石、混凝土和钢筋混凝土等,2）、墙下单独基础,当上层土质松散，而在不深处有较好的土层时，为了节省基础材料和减少开挖土方量而采用的一种基础形式,2、 条形基础,条形基础是指基础长度远大于其宽度的一种基础形式,1）、墙下条形基础,承重墙基础的主要形式，常用砖、毛石、三合土和灰土建造。当上部结构荷重较大而土质较差时，可采

5、用混凝土或钢筋混凝土建造,2）、柱下钢筋混凝土条形基础,地基软弱而荷载较大,3）、柱下十字形基础,荷载较大的高层建筑,联合基础柱下十字交叉基础,柱,基础底板,梁,3、 筏形基础,地基软弱而荷载又很大，采用十字形基础仍不能满足要求或相邻基槽距离很小时,联合基础筏形基础（板式与梁板式,梁,柱,底板,4、箱形基础,箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和纵横交叉的内外隔墙构成。 具有很大的整体刚度。 基础中空部分可作地下室，与实体基础相比可减小基底压力。 适于高层建筑物的基础,箱形基础,由底板、墙和顶板形成箱基，整体性更好,联合基础箱形基础,5、壳体基础,二、基础方案选用,在进行基础设计时，一般遵循无筋扩

6、展基础柱下独立基础柱下条形基础交叉条形基础筏形基础箱形基础的顺序来选择基础形式。可参照下表情况进行选择,第三节 浅基础埋置深度,基础埋置深度是指设计地面到基础底面的深度,原则： 在保证安全可靠的前提下，尽量浅埋，但 不应浅于0.5m。 基础顶面低于设计地面至少0.1米，以避免 基础外露。 根据实际情况，选择良好的土层作为基础 持力层，减小基础尺寸，减少土方开挖，使基 础的造价最低,一、工程地质条件与地下水位,应选好土层作为持力层,1、若表层土好、下层土软，基础应尽量浅埋,2、若表层土软、下层土好，如图。应具体分析,H,软土,好土,H2米 选下层土,H=24米,低层：选上层土，需加强上部结构,其

7、它：选下层土,H5米，采用深基,3、位于边坡坡顶上的建筑物,要求,条基：d(3.5ba)tg,矩形基础：d(2.5ba)tg,11,12,条件：坡高h8m，坡角45o、b3m,4、地下水位,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； 应控制承压含水层顶面的有效应力大于0,对埋藏有承压含水层的地基,确定基础埋深时，必须控制基坑开挖深度，防止基坑因挖土减压而隆起开裂。要求基底至承压含水层顶间保留土层厚度（槽底安全厚度）h0为,h承压水位高度（从承压含水层顶面算起） 0基底至承压含水层顶范围内土的加权平均重度 k系数，一般取1.0，对宽基坑取0.7,二、

8、基础上部荷载大小及性质的影响,高层建筑荷载大，风和地震等水平作用大,天然地基基础最小埋深不少于建筑地面高度的/15； 桩基础则要求不少于1/18,对于水塔与烟囱等高耸构筑物还要演算抗倾覆的稳定性。 对于高压输电塔，需要有较大埋深满足抗拔力,三、相邻建筑物基础埋深的影响,为了保证相邻原有建筑物在施工期间的安全和正常使用, 一般可以浅于或等于原建筑物基础埋深。如必须深与等于原建筑物基础埋深，可以控制两基础的净距应不小于它们地面高差的12倍。 如上述条件满足不了，必须采用施工措施。有：分段开挖、支撑、地下连续墙、对原建筑物基础进行托换等处理,四、建筑物的用途，有无地下室、设备基础和地下设施，基础的型

9、式和构造,A、主要指高层与非高层之分。 B、基础构造，针对基础类别、用途等,五、地基土冬胀的影响,1. 冻胀危害,地下一定范围内，土层的温度随气候而变化，在寒冷地区，冬季地表附近土层中，水因温度降低而冻结。土冻结后，含水量增加，体积膨胀，地面隆起这种现象称为土的冻胀现象。春季气温回升土层解冻，冻土层体积缩小，而含水量显著增加，土的强度大幅度下降而产生融陷现象。冻胀和融陷都是不均匀的。如果基底下面有冻土层，就将产生难以预估的冻胀和融陷变形，影响建筑物的正常使用，甚至导致建筑物破坏,冻胀丘Pingo 随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时，地表就发生隆起，便形成冻胀丘,基础埋深,基

10、础埋深,冰椎,基础埋深,基础埋深,2. 地基土的冻胀性分类 新规范不冻胀，弱冻胀，冻胀，强冻胀，特强冻胀,土类，冻前天然含水量，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离，平均冻胀率冻胀率：地面最大冻胀量/设计冻深(%) Z0标准冻深多年实测最大冻结深度的平均值, 夏季地面开始往下算。 北京 1.0m，哈尔滨 2.0m，满洲里 2.5m,地基土的冻胀性分类,3. 考虑冻胀的基础埋深,dmin zd hmax Zd 设计冻深；hmax基底下残留冻土层最大厚度,季节性冻土的设计冻深zd,按下式计算,设计冻深,标准冻深（m）。系采用在地面平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不少于已10年实测量最大冻深的平均值。

11、无实测资料时，按建筑地基规范“中国季节性冻土标准冻深线图”采用,土的类别对冻深的影响系数,土的冻涨性对冻深的影响系数,环境对冻深的影响系数,第四节 地基承载力的确定,地基承载力是保证地基强度和稳定的条件下，建筑物不产生过大沉降和不均匀沉降的地基承受荷载的能力。 地基承载力特征值,确定地基承载力的方法,1、载荷试验确定,2、理论公式计算,3、静力触探确定,4、建筑经验确定,静载试验,1承压板；2千斤顶 3百分表；4平台 5支墩 ； 6堆载,载荷试验是一种原位测试技术，通过一定面积的承压板向地基逐级施加荷载，测出地基土的压力与变形特征（即ps曲线），从而确定地基土的承载力及其沉降值,浅层平板载荷试

12、验要点,1、地基土浅层平板载荷试验可适用于确定浅部地基土层的承压板下应力主要影响范围内的承载力。承压板面积不应小于0.25，对于软土不应小于0.5。 2、试验基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的三倍。应保持试验土层的原状结构和天然湿度。宜在拟试压表面用粗砂或中砂层找平，其厚度不超过20mm,一、载荷试验确定地基承载力,3、加荷分级不应少于8级。最大加载量不应小于设计要求的两倍。4、每级加载后,按间隔10、10、10、15、15min，以后为每隔半小时测读一次沉降量，当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定,可加下一级荷载。 5、当出现下列情况之一时，即可终止加载：(1).

13、承压板周围的土明显地侧向挤出；(2).沉降s急骤增大，荷载-沉降(p-s)曲线出现现陡降段；(3).在某一级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定；(4).沉降量与承压板宽度或直径之比大于或等于0.06。当满足前三种情况之一时，其对应的前一级荷载定为极限荷载,一、载荷试验确定地基承载力,对密实砂土、硬塑粘性土等低压缩性土，其ps曲线上通常有较明显的起始直线段和极限值,呈急进型破坏的“陡降型”。 对于松砂、可塑性粘土等中、高压缩性土,其ps曲线上无明显转折点，呈渐进型破坏的“缓变型,6、利用载荷试验成果ps曲线按下述规定确定地基承载力特征值： （1）当ps曲线上有明显的比例界限p1时，取该比例界

14、限所对应的荷载作为地基承载力特征值。 （2）当极限荷载pu能确定且pu2p1时，取极限荷载值的一半作为地基承载力特征值。 （3）当不能按上述两种方法确定时，若承压板面积为0.250.5m2时，可取s/b=(0.010.015)b（b为承压板的宽度或直径）所对应的荷载值作为地基承载力特征值，但不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,上述（1）（2）两条规定主要是相应ps曲线为“陡降型”的情况，考虑到低压缩性土的承载力特征值一般由强度控制，故规范规定以直线段末点所对应的压力值（比例界限）

15、作为承载力特征值，对少量呈“脆性”破坏的土，p1和pu很接近，故当pu2p1时取pu/2作为承载力特征值。第（3）条主要相应于ps曲线为“缓变型”的情况，由于中高压缩性土的沉降量较大，其承载力特征值一般受允许沉降量控制，因此规范取沉降量 s=(0.010.015）b所对应的荷载为承载力特征值,二、按理论公式计算,参照p1/4的承载力理论公式，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值,式中：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,Mb、Md、Mc 承载力系数，按k值查书表1-14,k、Ck、 基底下一倍基宽深度内土的内摩擦角、粘聚力和重度的标准值，地下水位以下土的

16、重度取浮重度,偏心距e0.033b (b为偏心方向基础边长,二、按理论公式计算,三、按建筑经验确定,一) 间接原位测试的方法,1、静力触探 2、标准贯入试验,二) 根据各地规范表格定,三) 根据邻近建筑物勘探资料定,次要建筑物，慎重,四、承载力特征值的修正,试验表明，地基承载力不仅与土的性质有关，还与基础的大小、形状、埋深等条件有关，采用载荷试验及其他原位测试、经验方法等确定地基承载力特征值时，是对应于基础宽度 b3m、埋深d0.5m的条件下的值，而实际中建筑物面积、埋置深度及影响深度与载荷试验承压板面积和测试深度差别很大。因此当基础宽度大于3m或埋深大于0.5m时，除岩基外，从载荷试验或其他

17、原位测试、经验方法等确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正,修正公式,修正后的地基承载力特征值,地基承载力特征值,分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别取值,基底持力层土的重度，地下水位以下取浮重度,基础底面以上埋深范围内土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度,载荷试验、原位试验、经验值,式中：fa 修正后的地基承载力特征值(kPa,fak 地基承载力特征值(kPa,b，d 基础宽度和埋深的承载力修正系数，按相应土类查表确定,四、承载力特征值的修正,基底以下土的重度，地下水位以下取浮重度(kN/m3,b 基础底面宽度(m)，当基底宽小于3m取3m考虑，大于6m按6m考虑,m

18、 基础底面以上土的加权平均重度,i、hi分别为第i层土的重度和厚度)，地下水位以下用浮重度(kN/m3,四、承载力特征值的修正,d 基础埋置(m)，一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，埋置深度自室外地面标高算起，当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起,第五节 基础底面尺寸的确定,即地基承载力验算,地基承载力验算,持力层地基承载力验算,软弱下卧层地基承载力验算,必须进行验算,有必要时进行验算,中心荷载,以柱基础为例 （1）底面积A的确定 *荷载Fk+Gk Gk=AGd, G

19、是基础加回填土容重=20KN/m3 *承载力特征值fa（暂不做宽度修正,基底面积,一、基底尺寸确定,Gk,Fk,矩形基础,需先选定b(或l)，或l/b,条形基础：沿长度(l)方向取1m, 故,方形基础,一、基础底面尺寸的确定,偏心荷载,以柱下独立基础为例 （1）按中心受荷确定基底面积A0,2)考虑偏心影响大小，将A0扩大10%40%，得：A=(1.11.4) A0， 初步确定b和l，根据A进行地基承载力验算,pkmax,pkmin,Fk,Gk,Mk,Vk,l,e,e l/6,实际基底与土之间不能传递拉应力，基底压应力分布如图。一部分脱开。 要求3a 0.75b，即脱开面积小于25% 不满足时*

20、增加A *增加b, 减少l, A不变,初步确定了埋深和尺寸后,需要一系列验算 二、地基持力层承载力验算 1. 承载力的设计值的确定 b6m 按6m计算, b3m 按3m计算,根据初步确定的埋深d与b，确定宽深修正后的fa (1)中心荷载 (2)偏心荷载,2.基础的验算,e l/6,小结,一）中心荷载作用下基础底面积的确定步骤（按地基强度条件） ： 1、预估基础底面积的宽度 2、根据基础宽度修正地基承载力特征值 3、验算:Pk fa,fa=fak + br(b3) + drm(d0.5,试算步骤（按地基强度条件,1. 先求A中,2. A偏=(1.11.4)A中,3. 修正否,4. 验算：pkma

21、x 1.2fa,e l/6,pk fa,二）偏心荷载作用下基础底面积的确定,例】某厂房墙下条形基础，上部轴心荷载F k =180kN/m，埋深1.1m；持力层及基底以上地基土为粉质黏土，m=19.0 kN/m3；e =0.80，IL=0.75， fak=200kPa，地下水位位于基底处。试确定所需基础宽度,解答】(1)确定地基承载力特征值,取b =1m,2)计算条形基础宽度,由于IL=0.750.85 ，e=0.800.85，查表可得：b=0.3，d=1.6；假设b3m，有,3)地基承载力验算,p k = F k/A +G d =180kN/1m1m+20 kN/m31.1m=202 kPa

22、fa=218.2 kPa（满足要求,例】已知厂房基础上的荷载（见图），持力层及基底以上地基土为粉质黏土，=19 kN/m3，地基承载力fak=230 kPa，试设计矩形基础底面尺寸,解答】(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40%，即A =1.4 A0=1.48.7 m2=12.18 m2，设长宽比n=l/b=2，则A =lb=2b2， 取b=2.6m l= 2b=22.6=5.2m,先确定地基承载力特征值，假设 b3m根据e=0.73，IL=0.75，查 表可得： b=0.3，d=1.6，故,fa = fak+b（b-3）+dm（d-0.5） =230 kPa

23、+0+1.619kN/m3(1.8-0.5)m=269.5 kPa,2)计算基底最大压力p kmax,G k= G Ad=20 kN/m32.6m5.2m1.8m=487 kN,基底处竖向力合力: F k +G k1800 kN+220 kN +487 kN =2507 kN,Mk950 kNm+220 kN0.62m+180 kN(1.8-0.6)m=1302kNm,偏心距,所以，偏心力作用点在基础截面内,基底最大压力为,及基础及回填土重,基底处总力矩,为了增加抗弯刚度，将基础长边平行于弯矩作用方向，则基础底面抗弯刚度,11.27m3,3)地基承载力验算,p kmax=296.71.2fa1

24、.2269.5 kPa =323.4 kPa （满足要求,p k= F k/lb=2507/(5.22.6) kPa =185.4 kPafa=269.5 kPa（满足要求,所以，基础采用5.2m2.6m，底面尺寸是合适的,在成层地基中，有时在持力层以下有高压缩性的土层，将此土层称为软弱下卧层,此时，除进行持力层地基承载力验算，还必需对软弱下卧层进行验算，要求作用在软弱下卧层顶面处的附加应力与自重应力之和不超过它的承载力特征值,即,Pz为相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处附加应力特征值； Pcz为软弱下卧层顶面处土的自重应力特征值； az为软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值

25、,三、软弱下卧层承载力验算,关于附加应力Pz的计算，建筑地基规范提出了按扩散角原理的简化计算方法,当持力层与软弱下卧层的压缩模量比值Es1/Es23时，对矩形和条形基础，假设基底处的附加应力(p0=pk-md)向下传递时按某一角度向外扩散分布于较大的面积上，根据基底与软弱下卧层顶面处扩散面积上的附加应力相等的条件，可得,压力扩散角法计算土中附加应力,矩形基础,条形基础,软弱下卧层验算的要求实质上是保证了上覆持力层不发生冲剪破坏。如软弱下卧层不满足要求，可考虑增大基础底面积、改变基础埋深，甚至改用地基处理或深基础的设计方案,式中 、b-分别为矩形基础底面的长度和宽度， pk -基底的平均压力设计

26、值， pc-基底处土的自重应力标准值， z-基底至软弱下卧层顶面的距离， -地基压力扩散角，可按表117采用,例】如图所示中柱基础荷载标准值Fk=1100KN，Mk=140KN.m；若基础底面尺寸Lb=3.6m2.6m，试根据图中资料验算基底面积是否满足地基承载力要求。（杂填土以下为地下水,持力层承载力设计值,解】1、持力层承载力验算,埋深范围内的土的加权平均重度,由粉质粘土e=0.8,IL=0.82查表得,基础及回填土重(0.8m在地下水中,持力层承载力验算,满足,经验算满足要求,2、软弱下卧层强度验算,软弱下卧层顶面处自重应力,软弱下卧层顶面以上土的加权平均重度,由淤泥粘土,查表得地基压力

27、扩散角,查表得,软弱下卧层顶面处的附加应力,例】某柱下单独基础，荷载与地基情况如图示，试确定基础底面尺寸,解】 选择持力层，如图示,求修正后的地基 承载力特征值： 假定b3m，则,初步估算基底面积 首先按轴心受压估算 A0,考虑偏心影响，将A0增大18%，则 A=1.18 A0 =1.184.8=5.6 (m2,b=1.7m， l=3.4m,取l/b=2.0得,验算地基承载力,M=200+150.8=212 (kNm,pkmax=232.4 kPa1.2fa=234.6 kPa,pk=(pkmax+ pkmin)/2=167.5 kPa fa=195.48 kPa,满足要求，故基底尺寸b=1.

28、7m， l=3.4m合适,软弱下卧层验算,下卧层地基承载力特征值修正,下卧层埋深：d+z=4.8m,下卧层顶面上土的加权平均重度,pcz=mzdz=17.824.8 =85.5 (kPa,下卧层顶面处自重应力,下卧层顶面处的附加压力,确定压力扩散角,Es1 /Es2=10/2=5，z/b=2.060.5，则=25,计算基底平均压力和土的自重压力,pk= (Fk +Gk)/A=(800+167.62)/(3.41.7)=167.4 (kPa,pcz1 = 1d =16 1.3=20.8 (kPa,验算下卧层承载力 pz + pcz =111.1kPafaz=161.6kPa 满足要求,作 业,某柱基础，作用在设计地面处的柱荷载设计值、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的地基承载力是否满足,第六节 地基变形验算,计算地基沉降时传至基础底面上的荷载 效应按正常使用极限状态准永久组合，不计入风荷载和