浅基础常规设计

1、浅基础常规设计3.1 概述3.2 浅基础的类型3.3 浅基础材料与构造3.4 地基承载力3.5 浅基础埋置深度3.6 潜基础外部稳定分析与设计3.7 浅基础内部结构分析与设计3.8 防止不均匀沉降损害的措施3.1 概述天然地基上的浅基础2. 人工地基上的浅基础3. 天然地基上的深基础地基基础方案建筑物的性质工程地质条件天然地基上浅基础抗力分析不考虑基础侧阻力作用分析不考虑结构与基础变形协调地基与基础相互作用 基础的埋置深度小于基础最小宽度，且只需经过挖槽、排水等普通施工程序就可建造的基础。 最常见的基础类型之一天然地基上浅基础设计浅基础的类型和材料基础埋置深度的选择地基承载力设计值确定基础形式

2、、尺寸和布置确定地基变形验算 基础设计，必须保证基础结构本身具有足够的强度和刚度，同时还须选择合理的基础尺寸和布置方案，使基底反力和地基沉降在允许的范围之内。 因此，基础设计包括地基与基础两部分，又常称为地基基础设计。 主要内容 地基持力层和软弱下卧层承载力。 相邻基础、地下构筑物和管道关系。 上部结构类型、使用要求及对不均匀沉降的敏感性。基础结构设计与验算设计基本步骤 上部结构、基础与地基彼此离散成独立结构单元进行结构作用效应分析。独立结构单元基础作用效应分析原则离散独立结构单元常规分析实例1基础为固端支座求解框架内力和柱脚集中反力；柱脚集中反力和基础底面反力线性分布求解基底反力；柱脚集中反

3、力和基础底面反力求解基础结构内力，验算结构承载性能；基础底面反力求解地基附加应力和变形，验算地基承载力和基础变形；实例2桥墩或桥台为固端支座，求解上部结构内力和支座集中反力；支座集中反力作用墩台顶部，下部结构基础为不动支座，求解墩台内力和底面反力；墩台底面反力为基础顶面荷载，余下分析与实例1相同。柔性基础：抗弯刚度很小，受荷后随地基变形任意弯曲。地基、基础与上部结构相互作用角点中点平均刚性基础：基础抗弯刚度很大，受荷后基础不挠曲。刚性基础塑性区开展反力重分布架越作用荷载强度、地基抗力基础埋深、基础尺寸非均质地基性影响上部结构刚度影响 随着地基抵抗变形能力增强，考虑地基-基础-上部结构相互作用意

4、义相应降低。 相互作用中，主导作用是地基，其次是基础，上部结构则是在压缩性地基上基础刚度有限时起重要作用因素。相互作用柔性结构敏感结构3.2 浅基础类型十字交叉型梁板式筏型箱型补偿型构造分类扩展基础联合基础独立基础常规浅基础连续基础扩展基础单独基础 单独基础是柱基础中最常用和最经济的一种型式。单独基础也分为刚性基础和钢筋混凝土基础两类（后者亦称为扩展基础）。 柱下钢筋混凝土基础有现浇的和预制的两种。预制基础一般做成杯形，又称为杯形基础。我国工业厂房设计中，上部结构基本上采用了预制的标准柱，因此，预制柱下基础（杯形基础）相应地得到了广泛使用。 轴心受压柱下一般为正方形偏心受压柱下一般为矩形 基础

5、底面形状独立基础 配置与整个结构之下的无筋或配筋单独基础，与上部结构连成一体或自身形成块状实体，整体刚度很大。钢筋混凝土板基础圆环基础混凝土大块基础圆锥壳及其组合结构刚性结构 常用于筒形构筑物（如烟囱、水塔、粮仓、中小型高炉等）的基础，主要有M型组合壳、正圆锥壳和内球外锥组合壳三种形式。 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，因而具有材料省和造价低等优点。 根据工程实践统计，中小型筒形构筑物的壳体基础，可比一般梁、板式的钢筋混凝土基础节约混凝土50%左右，节省钢筋30%以上。 此外，一般情况下在壳体基础施工时不必支模，土方挖运量也较少。但是，施工技术则要求较高

6、，目前主要用于筒形构筑物的基础。 圆锥壳及其组合结构联合基础 墙下条形基础是混合结构承重墙基础中最基本的一种型式。按照所选用的材料分为刚性条形基础和钢筋混凝土条形基础。 刚性条形基础通常用砖、毛石或混凝土砌筑，也可用灰土或三合土制作。钢筋混凝土条形基础利用横向配置的受力钢筋来承受弯曲应力，因而可有效地减小基础的高度。 H0连续基础之一单向或双向连续设置于柱列或柱网之下的条形基础十字交叉型基础连续基础之二筏板基础 筏板基础 当地基承载力低，而上部结构的荷重又较大，以至于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时，或相邻基槽间距很小时，可采用钢筋混凝土满堂基础即筏板基础。 筏板

7、基础有更大的整体刚度，有利于调整地基不均匀沉降，较能适应上部结构荷载分布变化。特别对于有地下室房屋或大型贮液结构，如水池、油库等，筏板基础是一种比较理想基础结构。 筏板基础分为平板式和梁板式两种类型。平板式筏基是一块等厚度（0.52.5m）的钢混平板；梁板式筏基是在筏板上沿柱轴纵横向设置基础梁而形成。 筏板基础可在六层住宅中使用，也可在50层的高层建筑中使用，如美国休斯敦市的52层壳体广场大楼就是采用天然地基上的筏板基础，它的厚度为2.52m。整片连续设置于结构之下筏板基础筏板基础连续基础之三整片连续设置于结构之箱型基础箱型基础 箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板、侧墙、内隔墙组成，形成一个整体

8、性好、空间刚度大的箱体。 箱形基础比筏板基础具有更大的抗弯刚度，可视为绝对刚性基础，产生的沉降通常较为均匀。适用于软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物。 与筏板基础比较，箱形基础的地下室被分割，空间较小，而筏板基础的地下室空间则较大。 箱形基础埋深较深，基础空腹，卸除了基底处原有的地基自重压力，因此减小了作用于基础底面附加应力，减少建筑物的沉降，这种基础又称之为补偿基础。 箱形基础的材料消耗量较大，施工技术要求高，且还会遇到深基坑开挖带来的问题和困难，是否采用，应与其他可能的地基基础方案作技术经济比较后再确定。 箱形基础 为加大底板刚度，可采用“套箱式”箱形基础。材料性质分类

9、材料：钢筋砼结构效应：抗拉、抗剪和抗弯拉性能好，有挠曲变形。性能：扩散作用更显著、承载性能更好。构造：无刚性角要求。适用：宽基浅埋、一定厚度硬壳层地基。荷载相对较大、地基承载性能较低，以及有水平荷载和弯矩。材料：砖、毛石、素砼、片石砼和灰土等结构效应：抗压性能好、抗拉和抗弯拉强度低，无挠曲变形性能：稳定性好、施工简单；自重大、对地基承载性能要求高。构造：满足刚性角要求。适用：荷载相对较小、地基承载性能良好。无筋（刚性）扩展基础钢筋混凝土（柔性）扩展基础3.3 浅基础材料、构造无筋扩展基础构造要求刚性角控制基础结构拉应力剪应力刚性角影响因素按刚性角规定基础台阶放坡块石：4060cm混凝土或块石混

10、凝土：50cm砖砌，砌两皮砖收进1/4砖长灰土不做台阶。台阶高度钢筋混凝土扩展基础类型墙下条形基础柱下单独基础构造要求边缘高度：200mm台阶高度：300500mm垫层厚度：50100mm垫层放宽：100mm受力钢筋：宜8mm；间距100200mm分布钢筋：每延米面积不小于受力钢筋1/10保护层厚度：有垫层 35mm，无垫层 70mm混凝土垫层：C7.5C10混凝土基础： C15尺寸钢筋材料是指地基受荷变形后塑性区限制在一定范围内，保证不产生剪切破坏而丧失稳定，且地基变形不超过容许值时承载力。 概述3.4 地基承载力与抗力 整体剪切破坏（general shear failure）局部剪切破坏

11、（local shear failure）冲剪破坏或刺入破坏（punching shear failure）在外荷载作用下，地基破坏通常是承载力不足引起的剪切破坏。地基承载力破坏型式破坏性质地基承载力设计值地基极限承载力pult地基临界p1/4、临塑pcr比例界限荷载p1极限荷载pu建筑地基基础设计规范（GB50007）公路桥涵地基基础设计规范（JTJ 024-85）确定方法理论计算载荷试验规范方法理论计算极限承载力临界、临塑荷载Hansen, Vesic规范方法公路桥涵地基基础设计规范（JTJ 024-85）建筑地基基础设计规范（GB50007）天然地基 载荷试验曲线曲线曲线载荷试验载荷试验

12、问题 中、高压缩性地基，承压板面积0.250.5m3，s/b=0.010.015b对应荷载为试验点承载力特征值，且应小于最大加载量的1/2。 同一土层3各以上试验点，各点特征值极差30%，取平均值作为土层特征值fak。3.5 浅基础埋深埋置深度的概念最小埋置深度合理埋置深度基础埋深安全可靠前提下尽量潜埋基础底面埋深0.5m（基岩除外）基础顶面至设计地面覆土厚度100mm基础底面至室外设计地面的距离为基础埋深定义基本原则控制因素地基承载力和地基沉降或不均匀沉降基础稳定性和安全性建筑物用途、地下室、设备基础、地下 设施、基础形式与构造基础荷载大小和性质工程地质条件水文地质条件相邻建筑物基础埋置深度

13、地基冻胀和冻融地形、河流和冲刷等影响。影响因素冲刷控制最小埋置深度冲刷控制 冻融控制 生物活动及大气影响合理埋置深度 合理埋置深度合理埋置深度合理埋置深度 合理埋置影响因素建筑荷载地质条件施工影响荷载影响宽高比1：2每阶高度50cm宽高比1：2每阶高度50cm新基础埋深小于相邻基础新基础埋置愈浅对老基础影响愈大矩形条形地基整体滑动稳定斜坡上基础埋深和持力层土类关系水文地质条件 承压含水层突涌流砂控制开挖深度 当有地下水存在时，基础埋深尽量埋置于地下水位以上，当必须埋置于水下时，应考虑基坑排水、围护和对环境土的扰动。此外，用土、流砂、地下水浮力和底板内力变化。3.6 浅基础外部稳定分析与基础底面

14、尺寸基本步骤 基本尺寸初步拟定依据参数拟定原则地基综合承载力上部结构和荷载 适应上部结构性状分层扩展：每层厚度 1.0m分层数3层刚性角满足要求襟边尺寸0.2m地基承载力稳定分析控制设计基础底面积空间问题平面问题偏心受荷基础偏心受荷基础均匀分布梯形分布三角分布应力重新分布基底反力分布双向偏心受荷基础荷载效应值与抗力或限值偏心验算承载力验算高压缩土吊车厂房柱基低压缩土短暂荷载作用或结构、荷载基础、地基影响桥涵规范偏心距离验算目的地基反力均匀降低不均匀沉降限制结构位移应力等效单向双向岩基桥台桥墩台墩恒载短暂组合明确基底埋深承载力控制逐次渐进试算法，（1）按中心荷载作用估算基础底面积A0或b0；（2

15、）根据偏心距离，在A0或b0基础上，增加10%40%底面积， 得到A或b；（3）根据A和偏心距和场地情况，初步确定b，l；（4）根据基础底面几何尺寸b，l，验算偏心距和边角最大压力；（5）计算地基承载力并进行基础承载力验算 如满足承载力和偏心距验算要求，且稍有富裕，则选定合理 基础几何尺寸； 承载力或偏心验算不满足要求，重新调整增加基础底面积； 如承载力验算过于富裕，则重新调整适当减小基础底面积；（6）若存在软弱下卧层，进行软弱下卧层验算，如不满足承载力 要求，调整增加基础底面尺寸直至满足要求。软弱下卧层验算扩散前的合力等与扩散后的合力工程近似法应力扩散法应力扩散角应力扩散角讨论 试验研究证明

16、:当基底压力增加到一定值后，传至软弱下卧层顶面的压力将随之迅速增加，即角迅速降低，直到持力层剪切破坏时的值为最小。 实际发生破坏时，角一般为625，最大也不超过30。 计算时取值一般不超过30，这个也是出于安全的考虑。偏心荷载下卧层验算桥规中应力扩散附加应力系数桥规公式法 在实践中，当土层压缩模量相差不大的情况，可近似的采用附加应力弹性力学公式的系数法，可满足工程上的要求。基础和地基稳定性验算基础水平滑动稳定施工荷载地震荷载目的确保基础位置的稳定性基础倾覆稳定验算施工荷载地震荷载目的：主要荷载最不利荷载组合，确保基础不致绕基底外缘转动而发生倾覆。y的概念：在基础底截面重心至合力作用点连线上，重

17、心至验算倾覆轴的距离软土中滑动地基整体滑动稳定目的：确保基础下地基不发生整体滑动导致基础地基整体失稳。方法：采用边坡圆弧条分法。香港宝城大厦因滑坡倒塌沉降验算目的 保证地基变形控制在容许范围内，保证上部结构不因地基变形过大而丧失其稳定。内容相应容许值特征值计算方法容许值框架：相邻柱基沉降差0.002L砌体：临界拉应变0.05% 明显可见倾斜1/250高层 结构损坏倾斜1/150 基底边缘压力增量p/40变形特征值桥涵规范 相邻墩台基础地基土有显著不同或相邻跨度差别显著、超静定结构。 采用分层综合法，计算恒载作用下的最终沉降量总。其中，施工期间沉降量施，且 砂土地基完成80%； 其他低压缩性土5

18、0%80% 高压缩性土5%20% 土质差或超静定结构，基础顶面的水平位移控制在容许范围内。3.7扩展基础内部结构分析与设计抗冲切验算抗弯拉验算基础截面设计验算确定基础高度。确定基础底面双向配筋设计。地基净反力 由基础顶面标高以上部分传下的荷载所产生的地基反力，以Pj表示。特点抗弯和抗剪性能好扩展基础构造要求现浇柱锥形基础构造尺寸5050100200砼强度等级C20受力钢筋 间距：100200 直径：10锥形基础台阶基础构造尺寸 每阶高度：300500； 500h900，宜两阶； h900，宜三阶； 尺寸变化宜50倍数。台阶基础台阶构造钢筋保护层厚度 有垫层：35 无垫层：70厚度70； 砼强度

19、等级C10基础垫层laE h0 四角插筋 柱下钢筋混凝土独立基础当边长2.5m时，底板受力钢筋长度取相应边长的0.9倍，并交错布置。 钢筋锚固、布置等按结构规范要求进行。 （GB500102002） 阶梯形基础施工质量容易保证，优先采用。 laE有抗震设防要求时纵向钢筋最小锚固长度。 台阶基础布筋预制杯形基础 构造尺寸杯口深度 杯壁厚度 杯底厚度 杯壁配筋h1a1th2 根据荷载大小、偏心、轴心和t/h2的值来对杯壁配筋。 t/h20.65t/h20.75轴心或小偏心0.5t/h20.65大偏心t/h20.75不配筋构造配筋计算配筋不配筋 伸缩缝下双柱，或扩建预留，采用双杯口基础。局部基础底面

20、落深时，采用带短柱高杯口基础。h120钢筋直径 或0.05柱长墙下钢筋砼条形基础 构造尺寸与形式基础高度250时，采用锥坡式基础高度250时，采用平板式横向受力钢筋 直径：816 间距：100300纵向分布钢筋 68 ， 100300有垫层35 无垫层70保护层柱下钢筋砼单独基础 受力分析结构模型：倒置悬臂结构地基净反力作用危险截面柱根边截面处结构抗力基础板底配筋弯曲破坏 从柱根周边开始沿45斜面拉裂，形成冲切破坏角锥体。冲切破坏结构抗力：基础板足够厚度 基础高度底面配筋基地作用 冲切破坏基础高度确定 基础高度和台阶变阶处高度的抗冲切控制。 冲切锥体外地基净反力产生的冲切荷载应该小于冲切面上的

21、抗冲切能力（砼的轴向抗拉）。抗冲切控制基底净反力基底冲切力抵抗冲切验算柱与基础交接处基础变阶处冲切破坏锥体最不利一侧基础底面范围内的下边长bb确定弯曲破坏基础底面配筋 一、二、基础底板内力S任意截面弯矩最大弯矩配筋设计宽高比小于2.5偏心距小于b/6条形基础结构设计受力分析倒置悬臂梁受地基净反力作用危险截面：墙根部-面弯矩与剪力最大。基础板厚确定 抵抗剪切破坏基础地板厚度确定。沿长度方向取1单位。上部荷载设计值F（kN/m）。基底净反力设计值I-I截面剪力值I-I截面抗力值基础板有效高度有垫层时，h0=h-40无垫层时， h0=h-75 h0800mm，取800mm2000mm，取2000mm

22、基础板厚配筋设计 抵抗弯拉破坏基础底板配筋设计。沿长度方向取1单位。上部荷载设计值F（kN/m）。基底净反力设计值I-I截面弯矩值基础板底配筋偏心受压基础板厚与配筋3.8 防止不均匀沉降损害与措施基础不均匀沉降危害基础不均匀沉降原因 不均匀沉降研究现状 基础不均匀沉降措施 地基为软弱地基土层分布不均匀结构荷载不均匀变形开裂倾斜破坏基础不均匀沉降上部结构 国内，尤其是在广东、上海等地质条件较差的地区，由于地基不均匀沉降而导致建筑物或构筑物不能正常使用的例子时有报道。 地基不均匀沉降是引起土木、建筑工程事故的主要原因之一。 W.Skempton和D. H.MacDonald在上世纪50年代，通过建

23、于1860-1952年间的98幢天然地基房屋的观察资料，其中40幢由于不均匀沉降的缘故，发生了不同程度的损坏，其损坏率占41%。基础不均匀沉降危害意大利比萨斜塔 地基基础设计除满足承载力的要求外，还要求地基不能发生过大的变形。 墨西哥城的一幢建筑，可清晰地看见其发生的沉降及不均匀沉降。该地基土层为深厚的湖相沉积层，土的天然含水量高达650，液限500% ，塑性指数350 ，孔隙比为15，具有极高的压缩性。 地基严重下沉 筏板基础浇筑完毕，尚未砌墙时，筏板基础横向断裂，缝长超过6m，缝宽15mm 苏州市虎丘塔 东北向严重倾斜2.31m。广州光塔 偏心947.97mm，倾斜4.49%。上海锦江饭店

24、 建筑物绝对沉降达2.6m，使原底层陷入地下，成了半地下室。清华大学库房楼东南大学住宅楼 竣工后1年，墙体开裂，3年后，全楼共出现33条大裂缝，成为危房。其他实例地下水位附加荷载大气营力地基基础地基土质软弱土层分布不均结构荷载复杂勘察设计勘察疏漏计算方法设计方法施工因素地基处理基础施工施工反馈环境变化基础不均匀沉降原因 建筑结构的沉降分析差异沉降的结构响应设计理念与设计方法不均匀沉降预防措施 增强和调整上部结构刚度，无论从技术角度、还是从经济角度，都不是最佳选择; 增强和调整下部基础刚度，在满足基础抗冲切和抗剪切的前提下，对基础型式和刚度进行优化和适当调整，是必要和可行的，但大幅度增强是不可取

25、。 工程实践中施工措施方法，例如逆作法、后浇带法、控制地下水位法等措施，行之有效，但依赖于对基础沉降的提前估算。 不均匀沉降研究现状 主要领域 概念设计是在特定建筑空间及环境条件下，用整体概念来考虑结构总体方案，且能有意识地发挥和利用结构总体系和各基本分体系之间的力学特性与关系（林同炎）。 在建筑的方案设计阶段，概念性近似计算方法，能迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，虽有一定误差，但概念清楚、定性准确、手算简单快捷，能很快选择出最佳方案和确定主要构件基本尺寸大小，并为施工图设计阶段判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。设计理念与方法 高层建筑地基基础的变刚度调平设计思想，地基

26、(桩土)应力场与变形场的非均匀性是出现差异沉降的根源，调整地基(桩土)的刚度分布是控制高层建筑基础差异变形的合理有效的途径（刘金砺）。 美国总统里根在1986年将美国最高科学奖“国家科学奖”颁发给第一个入选美国国家工程院的美籍华人林同炎教授，奖状上的赞词写着：“他是工程师，教师和作家。他的科学分析、技术创新和富于想象力的设计、不仅跨过了科学与艺术的壕沟，还打破了技术与社会的隔阂。” 建筑空间及环境要求，设计出好的结构总体方案只有通过概念设计，去考虑总结构体系，才能将结构的方案设计推向永无止境的高度。这就要求结构工程师具有不断追求更高水平，尽善尽美境界的设计思想，同时也要求设计者本身具备丰富、踏

27、实的整体结构概念，及基本结构分体系的相互比较概念。 高层建筑结构抗风与抗震要求是矛盾的，刚度大对抗风荷载有利，动力效应小；反之，较柔的结构有利于抗震。针对抗风和抗震性能统一，美国工程院院士林同炎教授，1963年设计的一个由4个柔性筒组成的，具有很大抗弯刚度的结构总体系，在抗风荷载及设防烈度的地震作用下表现为刚性体系；当遭遇强烈地震时，控制各分体系间的连接构件屈服、破坏，而变成具有延性的结构体系，即各分体系独立工作，则结构的自振周期变长，阻尼增加，即便超出弹性极限，仍持有塑性强度，摇摆而不倒塌。 1972年12月23日南美洲马拉瓜(Manan-gua)地震，该市区内约有一万幢建筑物遭到严重破坏或倒塌。引人注目的是十八层（61m）的美洲银行大楼仅轻微损坏；而与之相隔不远的十五层中央银行大厦却遭严重破坏，震后拆除。 概念设计思想引起世界结构界同仁的高度重视。基础不均匀沉降措施 建筑措施 控制建筑物的长高比，长高比决定结构整体刚度长高比合理控制值约2.5。 W 合理布置纵横墙设计避免纵墙开洞、转折、中断等；纵墙横墙联结，缩小横墙间距。 如果地基不均匀沉降较大，可考虑将建筑物分为相对独立的沉降单元，并相隔一定的距离以减少相互影响，中间用能适应自由沉降的构件(例如简支或悬挑结构)