土力学与地基基础 课件 第九章 基础设计

基本内容：

基础埋置深度确定、基底尺寸确定、扩展基础设计、桩基础设计。学习基本要求

了解基础设计的基本知识； 掌握浅基础设计内容及步骤、基础埋置深度、基底尺寸等的确定；掌握无筋扩展基础结构设计内容；掌握扩展基础结构设计的内容； 了解桩基础的设计过程。

第九章基础设计9.1基础设计基本知识9.1.1地基基础设计等级《建筑地基基础设计规范》根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以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级、乙级、丙级三个等级，设计时应根据具体情况，按表9-1选用。表9-1地基基础设计等级9.1.2地基基础设计规定地基基础设计应符合下列规定：（1）所有建筑物的地基计算均应满足承载力的有关规定。（2）设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计。（3）设计等级为丙级的建筑物，有下列情况之一时，应作变形验算：1）地基承载力特征值小于130kPa，且体型复杂的建筑物；2）在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时；3）软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时；4）相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时；5）地基内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。（4）对经常受水平荷载作用的高层建筑、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和构筑物，尚应验算其稳定性。（5）基坑工程应进行稳定性验算。（6）建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。（7）如表9－2所示范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算。表9-2可不作地基变形验算的设计等级为丙级的建筑物范围9.1.3地基基础设计荷载取值《建筑地基基础设计规范规定：地基基础设计时，所采用的作用效应与相应的抗力限值应按下列规定：（1）按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的作用效应按正常使用极限状态下作用的标准组合；相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。（2）计算地基变形时，传至基础底面上的作用效应应按正常使用极限状态下作用效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用；相应的限值应为地基变形允许值。（3）计算挡土墙、地基或滑坡稳定及基础抗浮稳定时，作用效应应按承载能力极限状态下作用的基本组合，但其分项系数均为1.0。（4）在确定基础或桩基承台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的作用效应和相应的基底反力、挡土墙土压力以及滑坡推力，应按承载能力极限状态下作用的基本组合，采用相应的分项系数；当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下作用的标准组合。（5）基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的规定采用，但结构重要性系数不应小于1.0。9.1.4基础设计所需的资料一般情况下，在进行地基基础设计时，应收集以下资料：（1）建筑场地的地形图。（2）建筑场地的岩土工程勘察报告。（3）建筑物的平面图、立面图、剖面图及使用要求，作用于基础上的荷载及各种设备管道的布置与标高。（4）建筑场地环境、邻近建筑物基础类型与埋深、地下管线分布。（5）工程总投资与当地建筑材料供应情况。（6）施工队伍技术力量与工程的要求。9.1.5地基基础方案选择1.天然地基上的浅基础不需处理而直接利用的地基称为天然地基。做在天然地基上，埋置深度小于5m的一般基础（柱基或墙基）以及埋置深度虽超过5m，但小于基础宽度的大尺寸基础（如箱形基础），在计算中基础的侧面摩擦力不必考虑，统称为天然地基上的浅基础。2．人工地基上的浅基础经过人工加固上部土层而达到设计要求的地基，称为人工地基。3.深基础把基础做在地基深处承载力较高的土层上，埋置深度大于5m或大于基础宽度，在计算基础时应该考虑基础侧壁摩擦力的影响，这类基础叫做深基础。4.桩基础桩基础作为一种深基础，适应于建造在软弱地基上的各类建筑物。9.2浅基础设计基本知识9.2.1浅基础设计内容及步骤（1）根据上部结构形式、荷载大小、工程地质及水文地质条件等选择基础的结构型式、材料并进行平面布置；（2）确定基础的埋置深度；（3）确定地基承载力；（4）根据基础顶面荷载值及持力层的地基承载力，初步计算基础底面尺寸；（5）若地基持力层下部存在软弱土层时，需验算软弱下卧层的承载力；（6）甲级、乙级建筑物及部分丙级建筑物，尚应在承载力计算的基础上进行变形验算；（7）基础剖面及结构设计；（8）绘制施工图，编制施工技术说明书。9.2.2基础埋置深度的确定基础埋置深度是指从室外设计地面至基础底面的距离。在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础宜浅埋。考虑地面动植物活动、耕土层等因素对基础的影响，除岩石基础外，基础埋深不宜小于0.5m。确定基础埋置深度时，应综合考虑以下因素：1.建筑物用途及基础形式和构造确定基础埋深，应考虑建筑物的使用要求和特殊用途。不同基础的构造高度也不相同，基础埋深自然不同；为了保护基础不露出地面，构造要求基础顶面至少应低于室外设计地面0.1m。2.作用在地基上的荷载大小和性质（1）当上部结构荷载较大时，要求基础置于较好的土层上。（2）对承受较大的水平荷载的基础，必须加大埋深以获得土的侧向抗力，保证结构的稳定性。例如在抗震设防区，高层建筑筏形和箱形基础的埋置深度，除岩石地基外，采用天然地基时一般不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/18。（3）对承受上拔力的基础，需有较大的埋深以提供足够的抗拔阻力；（4）对承受振动荷载的基础，则不宜建在液化的土层上。（1）一般当上层土的承载力能满足要求时，应选择作为持力层，若其下有软弱土层时，则应验算其承载力是否满足要求。（2）当上层土软弱而下层土承载力较高时，则应根据软弱土的厚度决定基础坐在下层土上还是采用人工地基或桩基础。3.工程地质和水文地质条件（3）如遇到地下水，基础应尽量埋置于地下水位以上，以避免地下水对基坑开挖、基础施工和使用的影响。（4）如必须将基础埋在地下水位以下时，则应采取施工排水措施，保护地基土不受扰动。（5）对承压水，则应考虑承压水上部隔水层最小厚度问题，以避免承压水冲破隔水层，浸泡基槽。（6）对河岸边的基础，其埋深应在流水冲刷作用深度以下。基础埋置在易风化的岩层上，施工时应在基坑开挖后立即铺筑垫层。4.相邻建筑物的基础埋深（1）当存在相邻建筑物时，新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑基础。（2）当埋深大于原有建筑物时，两基础间应保持一定净距，其数值应根据原有建筑荷载大小、基础形式和土质情况确定，一般应不小于两基础底面高差的l～2倍，如图9－1所示。图9-1相邻建筑物基础埋深（3）当上述要求不能满足时，应采取分段施工，设临时加固支撑，打板桩，地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物地基，以免开挖新基槽时危及原有基础的安全稳定性。5.地基土冻胀和融陷的影响土体冻结发生体积膨胀和地面隆起的现象称为冻胀。土层解冻时，土体软化、强度降低、地面沉陷的现象称为融陷。季节性冻土地区基础埋置深度宜大于场地冻结深度。对深厚季节冻土地区，当建筑基础底面土层为不冻胀、弱冻胀、冻胀土时，基础埋置深度可以小于场地冻结深度，基础底面下允许冻土层最大厚度应根据当地经验确定。9.2.3基础底面尺寸的确定1.按持力层承载力确定基底尺寸（1）轴心荷载作用下基础底面尺寸的确定如图9－2所示，在轴心荷载作用下，假定基底压力均匀分布，要求作用在基础底面的基底压力不大于修正后的地基承载力特征值，即（9-1）其中，图9－2轴心荷载作用下的基础（9-2）式中，——相应于荷载荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值，kPa；

——相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面的竖向力值，kN；

——基础自重和基础上的土重，kN；按式计算，其中为基础及其台阶上回填土的平均重度，一般取，但在地下水位以下部位应取有效重度，为基础平均埋深，m；

——基础底面面积，m2。将式（9-2）代入式（9-1）得（9-3）矩形基础（9-4）条形基础（9-5）步骤如下：1）假定基础宽度，只对地基承载力特征值进行深度修正，计算值，然后计算出b和l。2）若，表示假定成立，计算结束。3）若，表示假定错误，需按上一轮计算所得值b进行地基承载力特征值宽度修正，用深宽修正后新的值，重新计算b和l。试算的轮数越多，结果就越接近精确值。(2）偏心荷载作用下基础底面尺寸的确定如图9-4所示，偏心荷载作用下，基础除满足式（9-1）外，尚应符合下式的要求（9-6）图9-4单向偏心荷载作用下的基础在计算偏心荷载作用下的基础底面尺寸时，通常可按下述试算法进行：1）先按轴心荷载作用下的公式（9-3），计算基础底面积Ao，即满足公式（9-1）。2）根据荷载偏心距的大小将Ao增大10％～40％，使A=（1.1～1.4）Ao。3）计算偏心荷载作用下的，验算是否满足式（9-6）。如不合适（太大或太小)，可调整基底尺寸再验算，如此反复，直至满意。2.软弱下卧层承载力验算当地基受力层范围内有软弱下卧层时，按持力层承载力计算得出基础底面尺寸后，还应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压力与自重压力之和不超过它的修正后的承载力特征值，即（9-7）式中，pz

——相应于荷载效应标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加压力值，kPa；

pcz——软弱下卧层顶面处土的自重压力值，kPa；

faz——软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力特征值，kPa。对条形和矩形基础，当持力层与软弱下卧土层的压缩模量比值大于或等于3时，可采用压力扩散角方法计算值。如图9-6所示图9-6软弱下卧层承载力验算条形基础（9-8）矩形基础（9-9）式中，b

——矩形基础或条形基础底边的宽度，m；l

——矩形基础底边的长度，m；p0

——基底附加压力，kPa；

z——基础底面至软弱下卧层顶面的距离，m。

θ——地基压力扩散线与垂直线的夹角，可按表9-3采用。表9-3地基压力扩散角如果验算软弱下卧层承载力不满足要求，需要重新调整基础尺寸，增大基底面积以较减小基底压力。如果承载力仍不满足要求，且增加基底尺寸受到限制时，可采用深基础，或进行地基处理来提高软卧下卧层的承载力。9.3无筋扩展基础基础底面尺寸的确定除了满足承载力要求外，还应保证基础内的拉应力不超过材料的抗拉强度。通常的做法是：控制基础的外伸宽度b2和基础高度H0的比值（称为无筋扩展基础台阶的宽高比）不超过规定的允许比值，如图9-7所示。图9-7无筋扩展基础构造示意图1—承重墙；2—钢筋混凝土柱(9-10)式中，H0

——基础高度；

b——基础底面宽度；

b0——基础顶面的墙体宽度或柱脚宽度；

tana——基础台阶允许宽高比，其值可查表9-4，称为刚性角；

b2——基础台阶宽度。采用无筋扩展基础的钢筋混凝土柱，其柱脚高度不得小于（图9-7），并不应小于300mm，且不小于20d（d为柱中的纵向受力钢筋的最大直径）。当柱纵向钢筋在柱脚内的竖向锚固长度不满足锚固要求时，可沿水平方向弯折，弯折后的水平锚固长度不应小于10d，也不应大于20d。表9-4无筋扩展基础台阶宽高比允许值9.4扩展基础9.4.1柱下钢筋混凝土独立基础钢筋混凝土独立基础的计算主要包括确定基础底面尺寸、柱与基础交接处以及基础变阶处基础高度和基础底板配筋。1.基础高度确定图9-9基础冲切破坏从柱子周边起，沿45０斜面拉裂，形成冲切角锥体。在基础变阶处也可能发生同样的破坏。破坏的原因是冲切破坏面上的主拉应力超过了基础混凝土的抗拉强度，因此，柱下钢筋混凝土独立基础的高度由抗冲切验算确定。为保证基础不发生冲切破坏，在基础冲切锥体以外的地基净反力引起的冲切力不大于基础冲切面处混凝土的抗冲切能力。对矩形截面柱的矩形基础，在柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力，应按下列公式验算：

(9-11)

(9-12)

(9-13)(a)柱与基础交接处（b）基础变阶处(c)柱