土木(建筑)基础工程课件-第二章地基基础设计的基本原理

土木(建筑)基础工程课件--第二章地基基础设计的基本原理第一页，共87页。2-1概述天然地基上的浅基础（本章讨论）

人工地基上的浅基础

2.1.1浅基础设计内容2.1.2浅基础设计方法2.1.3地基基础设计原则第二页，共87页。1.地基的类型第三页，共87页。2.基础的类型第四页，共87页。2.1.1浅基础设计内容主要内容：1.选择基础方案（确定材料、类型，进行基础平面布置）；2.确定地基持力层和基础埋置深度；3.确定地基承载力；4.确定基础的底面尺寸，必要时进行地基变形与稳定性验算；5.进行基础结构设计（内力分析、截面计算、构造要求）；6.绘制基础施工图，提出施工说明。第五页，共87页。2.1.2浅基础设计方法常规设计法（简化计算法）、相互作用设计法。常规设计法要点：特点：满足静力平衡条件；不满足变形协调条件。结论：地基越软弱或越不均匀，按常规设计法计算的结果与实际情况的差别就可能越大。第六页，共87页。合理的设计方法：考虑地基、基础与上部结构的相互作用（分析难度较大）。常规设计法适用条件：1.地基沉降较小或较均匀；2.基础刚度较大。第七页，共87页。2.1.3地基基础设计原则第八页，共87页。5)地基内有厚度较大或厚薄不匀的填土，其自重固结未完成时。即应验算地基变形。第九页，共87页。第十页，共87页。第十一页，共87页。第十二页，共87页。标准值第十三页，共87页。设计值第十四页，共87页。按结构型式分：扩展基础、联合基础、柱下条形基础、柱下交叉条形基础、筏形基础、箱形基础、壳体基础等。2.2.1扩展基础作用：把墙或柱的荷载侧向扩展到土中，使之满足地基承载力和变形的要求。2.2浅基础类型按材料分：无筋基础（刚性基础）、钢筋混凝土基础。第十五页，共87页。1.无筋扩展基础指由砖、毛石、砼、毛石砼、灰土、三合土等材料组成的无需配置钢筋的墙下条形基础或柱下独立基础。俗称“刚性基础”。适用于多层民用建筑和轻型厂房。砖：强度等级不低于MU10。砂浆：不低于M5。在地下水位以下或当地基土潮湿时，应采用水泥砂浆砌筑。适用于6层及6层以下的民用建筑和砖墙承重的厂房。(1)砖基础第十六页，共87页。垫层作用（素砼，100厚，C10）：保护坑底土体不被人为扰动和雨水浸泡；改善基础的施工条件。(2)毛石基础毛石是指未经加工凿平的石料。应采用未风化的硬质岩石，禁用风化毛石。第十七页，共87页。(3)灰土基础石灰和土料按体积比3:7或2:8拌和均匀，在基槽内分层夯实（每层虚铺220~250mm,夯实至150mm）。灰土基础宜在比较干燥的土层中使用。在我国华北和西北地区，广泛用于5层和5层以下的民用房屋。(4)三合土基础由石灰、砂、骨料（矿渣、碎砖、碎石）加水混合而成。体积比1:2:4或1:3:6。用于4层和4层以下的民用房屋。第十八页，共87页。四合土基础（南方个别地区用）：水泥：石灰：砂：骨料＝1:1:5:10或1:1:6:12(5)砼基础C15。抗压强度、耐久性、抗冻性较好。毛石砼基础：在砼基础中埋入体积占25%~30%的毛石，石块尺寸不宜超过300mm。可节省水泥用量，减少水化热。第十九页，共87页。2.钢筋砼扩展基础（简称扩展基础）特点：抗弯、抗剪性能较好，基础高度较小。(1)墙下钢筋砼条形基础第二十页，共87页。(2)柱下钢筋砼独立基础图2-4柱下钢筋混凝土独立基础(a)阶梯形基础；(b)锥形基础；(c)杯口基础第二十一页，共87页。2.2.2联合基础第二十二页，共87页。2.2.3柱下条形基础第二十三页，共87页。特点：整体抗弯刚度较大，因而具有调整不均匀沉降的能力；基底压力较均匀；造价高于扩展基础。常用作软弱地基或不均匀地基上框架或排架结构的基础。第二十四页，共87页。2.2.4柱下交叉条形基础第二十五页，共87页。2.2.5筏形基础特点：底面积大，故可减小基底压力；可提高地基承载力（尤其在有地下室时）；能增强基础的整体性，调整不均匀沉降。其他功能：见教材。注意：当地基显著软硬不均时，要慎用。第二十六页，共87页。(1)墙下筏形基础为一块厚度约200~300mm的钢筋砼平板。主要在华东地区采用，浅埋或不埋。

适用于具有硬壳持力层、比较均匀的软弱地基上六层及六层以下承重横墙较密的民用建筑。

硬土软土第二十七页，共87页。(2)柱下筏形基础第二十八页，共87页。2.2.6箱形基础特点：刚度极大；抗震性能好；有补偿效应。地下室用途受限制；工期长；造价高；施工技术复杂。柱下条形基础、柱下交叉条形基础、筏形基础、箱形基础又统称为连续基础。第二十九页，共87页。2.2.7壳体基础其他基础：折板基础等。第三十页，共87页。2-3基础埋置深度的选择

基础的埋置深度是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。

第三十一页，共87页。基础埋深的确定原则是：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。

第三十二页，共87页。2.3.1与建筑物有关的条件建筑物在使用功能和用途方面的要求；高层建筑；承受上拔力的基础；高耸结构；冷库等。第三十三页，共87页。2.3.2工程地质条件持力层下卧层软弱下卧层第三十四页，共87页。对于中小型建筑物：

良好土层——坚硬、硬塑、可塑状态的粘性土层；密实或中密状态的砂土层和碎石土层；其他中低压塑性土层。

软弱土层——软塑、流塑状态的粘性土层；松散状态的砂土层；未经处理的填土；其他高压缩性土层。第三十五页，共87页。(1)良好土层埋深由其他条件和最小埋深确定。浅埋，一般取d=0.5~1.5m。(2)软弱土层1~2层：按情况(1)处理3~5层：可采用连续基础方案、或人工地基方案。6层以上：桩基方案。第三十六页，共87页。(3)软弱土层良好土层h当h>2m时：按情况(2)处理。当h<2m时：选良好土层为持力层。垫层

做法一做法二第三十七页，共87页。(4)2~3m厚的“硬壳层”持力层顶面倾斜时：柱下独立基础对于中小型建筑物，宜尽量选硬壳层为持力层。采用“宽基浅埋”方案。第三十八页，共87页。2.3.3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。第三十九页，共87页。2.3.4地基冻融条件多年冻土；季节性冻土：冻胀、融陷；最小埋深规定。2.3.5场地环境条件≥0.5m≥0.1m管道；河流冲刷线。第四十页，共87页。2.4浅基础的地基承载力2.4.1地基承载力概念

·地基承载力是指地基承受荷载的能力。

·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？第四十一页，共87页。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：第四十二页，共87页。当需要满足抗震设防要求时，应按相关规定进行检算。（见第9章）第四十三页，共87页。2.4.2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；4.按建筑经验确定。四类方法：第四十四页，共87页。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/K

K=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、φ的取值可靠度较低；3）不同公式的计算结果相差较大。第四十五页，共87页。(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e≤l/30，l为偏心方向基础边长）时：fa＝Mbγb+Mdγmd+Mcck≈p1/4（2－5）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。地基沉降可能过大第四十六页，共87页。长期承载力：地基承载力随建筑物荷载的增加而增大。短期承载力：类似方法又称为φ=0法。长期承载力>短期承载力（超强固结土可能例外）。第四十七页，共87页。第四十八页，共87页。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。第四十九页，共87页。地基静载试验概况平板载荷试验装置示意图百分表堆载荷载板主梁平台千斤顶第五十页，共87页。第五十一页，共87页。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：第五十二页，共87页。(1)当p~s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pu<2p1时，取fak=pu/2；(3)当不能按上述二款要求确定时，可取s/b=0.01~0.015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：第五十三页，共87页。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

第五十四页，共87页。注意：埋深d的取法，见教材。超载q=γmdqd=q/γm主裙楼一体的情况第五十五页，共87页。与土力学中介绍的理论公式具有相同的形式，但两者含义不同。还需要注意下列两点：1）公式中已经包含了基础宽度和埋深的影响；2）公式中的b是指基础的短边。第五十六页，共87页。第五十七页，共87页。4.按建筑经验确定基槽检验和地基的局部处理：在基槽挖至接近槽底时，应由设计、施工和勘察人员对槽底土层进行检查，即所谓“验槽”。对没有地基勘察资料的轻型建筑物，地基浅层情况只能凭验槽了解；有地基勘察报告的工程，主要是核实勘察资料是否符合实际。通过验槽，可以判断持力层的承载力、地基的均匀程度是否满足设计要求，以防止产生过量的不均匀沉降。验槽以细致的观察为主，辅以轻便简易的勘探方法，如轻便触探和夯击听音等。第五十八页，共87页。通过观察验槽和钎探后，如不满足要求，应根据具体情况更改设计或进行地基处理。对于槽底的局部人工填土和墓坑、松土坑、废井，一般宜挖除并用碎石、砂、灰土等分层回填夯实。对于局部松软土，一般应挖除至原土。当上述挖、填方法由于施工困难等缘故而不宜采用时，可考虑采用钢筋混凝土梁板基础，以跨越局部松软土，或采用增大基础埋深、扩大基础面积、布置联合基础、加设挤密桩或局部设置桩基等方法加以解决。当柱基或部分基槽下方存在过于坚硬的旧基础、树根和岩石等障碍物时，均应尽可能挖除，以防建筑物产生不均匀沉降或开裂。第五十九页，共87页。2.4.3地基变形验算建筑物的地基变形计算值△应不大于地基变形允许值[△]，即要求满足下列条件：

△≤[△]（2–15）回顾第六十页，共87页。地基变形按其特征可分为四种：沉降量——独立基础中心点的沉降值或整幢建筑物基础的平均沉降值；沉降差——相邻两个柱基的沉降量之差；第六十一页，共87页。倾斜——基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值；局部倾斜——砌体承重结构沿纵向6～10m内基础两点的沉降差与其距离的比值。第六十二页，共87页。不同结构类型需验算的地基变形：砌体承重结构：由局部倾斜控制；框架结构和单层排架结构：由沉降差控制；高耸结构和高层建筑：由建筑物的整体倾斜（特别是横向整体倾斜）控制，必要时应控制平均沉降量。第六十三页，共87页。第六十四页，共87页。第六十五页，共87页。沉降观测在必要情况下，需要分别预估建筑物在施工期间和使用期间的地基变形值，以便预留建筑物有关部分之间的净空，考虑连接方法和施工顺序。此时，一般多层建筑物在施工期间完成的沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已完成80%以上，对于其他低压缩性土可认为已完成最终沉降量的50%~80%，对于中压缩性土可认为已完成20%~50%，对于高压缩性土可认为已完成5%~20%。如果地基变形计算值△大于地基变形允许值[△]，一般可以先考虑适当调整基础底面尺寸（如增大基底面积或调整基底形心位置）或埋深，如仍未满足要求，再考虑是否可从建筑、结构、施工诸方面采取有效措施以防止不均匀沉降对建筑物的损害，或改用其他地基基础设计方案。第六十六页，共87页。室内外平均埋深从已固结完毕的老天然地面算起注意以下三式中d的区别：第六十七页，共87页。2.5基础底面尺寸的确定2.5.1按地基持力层承载力计算基底尺寸1.轴心荷载作用要求：pk≤fa柱下独立基础：墙下条形基础：b、l宜为100mm的整数倍。第六十八页，共87页。某粘性土重度γm为18.2kN/m3，孔隙比e=0.7，液性指数IL=0.75，地基承载力特征值fak为220kPa。现修建一外柱基础，作用在基础顶面的轴心荷载Fk＝830kN，基础埋深（自室外地面起算）为1.0m，室内地面高出室外地面0.3m，试确定方形基础底面宽度。【解】先进行地基承载力深度修正。自室外地面起算的基础埋深d=1.0m,查表2–5，得ηd=1.6，由式（2–14）得修正后的地基承载力特征值为：

例题2–2fa=fak+ηdγm(d-0.5)=220+1.6×18.2×(1.0-0.5)=235kPa第六十九页，共87页。取b=2m。因b<3m，不必进行承载力宽度修正。计算基础及其上土的重力Gk时的基础埋深为：d=(1.0+1.3)/2=1.15m。由于埋深范围内没有地下水，hw=0。由式（2–19）得基础底面宽度为：第七十页，共87页。2.偏心荷载作用要求：pk≤fapkmax≤1.2fae≤l/6（或pkmin≥0）第七十一页，共87页。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n≤2），于是有第七十二页，共87页。（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（2–21）和（2–24）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。第七十三页，共87页。同例题2–2，但作用在基础顶面处的荷载还有力矩200kN·m和水平荷载20kN（见例图2-3），试确定矩形基础底面尺寸。[解]

（1）初步确定基础底面尺寸考虑荷载偏心，将基底面积初步增大20%，由式（2–25）得例题2–3第七十四页，共87页。取基底长短边之比n=l/b=2，于是因b=1.5m<3m，故fa无需作宽度修正。（2）验算荷载偏心距e基底处的总竖向力：Fk+Gk=830+20×1.5×3.0×1.15=933.5kN基底处的总力矩：Mk=200+20×0.6=212kN·m偏心距：e=Mk/(Fk+Gk)=212/933.5=0.227m<l/6=0.5m（可以）第七十五页，共87页。（3）验算基底最大压力pkmax>1.2fa=282kPa（不行）（4）调整底面尺寸再验算取b=1.6m，l=3.2m，则Fk+Gk=830+20×1.6×3.2×1.15=947.8kNe=212/947.8=0.224m所以基底尺寸为1.6m×3.2m。第七十六页，共87页。试确定图2–18中带壁柱的墙基础的底面尺寸。取图中长度等于壁柱间距（3m）的T形基底面积为计算单元。作用于基础顶面的竖向力Fk=315kN，作用位置距墙中线0.15m（偏向壁柱一侧），修正后的持力层承载力特征值fa=130kPa。例题2–4说明原理第七十七页，共87页。2.5.2地基软弱下卧层承载力验算要求：σz+σcz≤faz

标准值仅作深度修正第七十八页，共87页。矩形基础：条形基础：地基压力扩散角θ值表2-7Es1/Es2z=0.25bz≥0.50b36°23°510°25°1020°30°注：z＜0.25b时取θ=0°，必要时，宜由试验确定；z≥0.50b时θ值不变。第七十九页，共87页。例图2-5中的柱下矩形基础底面尺寸为5.4m×2.7m，试根据图中各项资料验算持力层和软弱下卧层的承载力是否满足要求。例题2﹣5第八十页，共87页。[解]

⑴持力层承载力验算ηb=0，ηd=1.0,fa=209+1.0×18.0×(1.8-0.5)=232.4kPaFk+Gk=1800+220+20×2.7×5.4×1.8=2545kN

Mk=95