《土力学与基础工程》-任务6

任务6浅基础设计6.1概述6.2基础埋置深度的选择6.3地基承载力的确定6.4基础底面尺寸的确定6.5刚性基础设计与应用6.6扩展基础设计与应用6.7减轻不均匀沉降措施返回6.1概述地基基础是建筑物的根基，根基不牢，将危及整个建筑物的安全。地基基础设计必须根据上部结构（建筑物的用途和安全等级、建筑布置、上部结构类型等）和工程地质条件（建筑场地、地基岩土和气候条件等），结合考虑其他方面的要求（工期、施工条件、造价和环境保护等），合理选择地基基础方案，因地制宜，精心设计，以确保建筑物的安全和正常使用。天然地基上的浅基础施工方便、工期短、造价低，在保证建筑物安全和使用前提下是基础工程的首选，而得到了广泛的使用。下一页返回6.1概述6.1.1建筑物的安全等级《规范》中，根据地基损坏造成建筑物破坏后果（如危及人的生命、造成经济损失和社会影响及修复的可能性）的严重性，将建筑物分为三个安全等级，见表6-1。6.1.2地基基础设计的基本原则和一般步骤为了保证建筑物的安全与正常使用，根据建筑物的安全等级和长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计和计算应当满足下述三项基本原则：上一页下一页返回6.1概述（1）在防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度。因此，各级建筑物均应进行地基承载力计算；对经常受水平荷载作用的高层建筑和高耸结构，以及建造在斜坡上的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性。（2）应进行必要的地基变形计算。对一级建筑物及须做地基变形计算的二级建筑物，应控制地基的变形特征值，使之不超过建筑物的地基变形特征允许值，以免引起基础和上部结构的损坏，或影响建筑物的使用功能和外观。（3）基础的材料型式、构造和尺寸，除应能适应上部结构、符合使用要求、满足上述地基承载力（稳定性）和变形要求外，还应满足对基础结构的强度、刚度和耐久性的要求。上一页下一页返回6.1概述因此，天然地基上浅基础设计的一般步骤是：（1）充分掌握拟建场地的工程地质条件和地质勘察资料。（2）在研究地基勘察资料的基础上，结合上部结构种类，荷载的性质、大小和分布，建筑布置和使用要求以及拟建基础对原有建筑设施或环境的影响；并充分了解当地建筑经验、施工条件、材料供应、先进技术的推广应用等其他有关情况，综合考虑选择基础类型和平面布置方案。（3）确定地基持力层和基础埋置深度。（4）确定地基承载力设计值。上一页下一页返回6.1概述（5）按地基承载力（包括持力层和软弱下卧层）确定基础底面尺寸。（6）进行必要的地基稳定性和特征变形验算；使地基的稳定性得到充分保证，并使地基的沉降不致引起结构损坏、建筑物倾斜与开裂，或影响其正常使用和外观。（7）进行基础的结构设计；用简化的或考虑相互作用的计算方法进行基础结构的内力分析和截面设计，以保证基础具有足够的强度、刚度和耐久性。绘制基础施工详图，并提出必要的技术说明。上述各方面内容密切关联、相互制约，很难一次考虑周详。因此，地基基础设计工作往往需反复多次才能取得满意的结果。对规模较大的基础工程，还宜进行多个地基基础方案设计，经技术经济比较后，择优采用。上一页下一页返回6.1概述6.1.3浅基础的分类1．无筋扩展基础无筋扩展基础又称为刚性基础，无筋扩展基础通常由砖、石、素混凝土、灰土和三合土等材料建成。这些材料都具有较好的抗压性能，但抗拉、抗剪强度却不高。因此，设计时必须保证基础内的拉应力和剪应力不超过材料强度的设计值。通常可通过对基础的构造进行限制来实现这一目标，即基础的外伸宽度与基础高度的比值（称为无筋扩展基础台阶宽高比）小于基础的台阶宽高比允许值，如图6-1所示。这样，基础的相对高度都比较大，几乎不发生挠曲变形。上一页下一页返回6.1概述（1）砖基础。砖基础是以砖为砌筑材料形成的建筑物基础。砖基础是我国传统的砖木结构采用的基础形式，现代常与混凝土结构配合修建住宅、校舍、办公楼等低层建筑。常见的砌筑方法为“一皮一收”或“一皮一收与两皮一收相间”。砌筑时为保证基础最底层的整体性良好，底层采用“全丁法”砌筑。“一皮”即一层砖，标志尺寸为60mm，如图6-2所示。砖基础的特点是抗压性能好，整体性、抗拉性、抗弯性、抗剪性较差，材料易得，施工操作简便，造价较低。它适用于地基坚实、均匀，上部荷载较小，六层和六层以下的一般民用建筑和墙承重的轻型厂房基础工程。上一页下一页返回6.1概述（2）毛石基础。毛石基础是用强度等级不低于MU30的毛石和强度等级不低于M5的砂浆砌筑而成。为保证砌筑质量，毛石基础每台阶高度和基础的宽度不宜小于400mm，每阶两边各伸出宽度不宜小于200mm。石块应错缝搭砌，缝内砂浆应饱满，且每步台阶不应少于两匹毛石，石块上下皮竖缝必须错开（不少于10cm，角石不少于15cm），做到交错排列，如图6-3所示。毛石基础的抗冻性较好，在寒冷潮湿地区可用于六层以下建筑物基础。但其整体性欠佳，故有振动的建筑很少采用。（3）混凝土和毛石混凝土基础。上一页下一页返回6.1概述混凝土基础的强度、耐久性和抗冻性均较好，其混凝土强度等级一般采用C15以上，常用于荷载较大的墙柱基础。毛石基础是在混凝土基础中加入一定比例的毛石而形成的基础，如毛石混凝土带形基础、毛石混凝土垫层等。当在大体积混凝土浇筑时，为了减少水泥用量以及混凝土发热量对结构产生的病害，在浇筑混凝土时加入一定量毛石。浇筑混凝土墙体较厚时，也可掺入一定量的毛石，如毛石混凝土挡土墙等。掺入的毛石一般为体积的25%左右，毛石的粒径控制在200mm以下。具体操作为：分层浇筑混凝土浆，再分层投入毛石，保证浆体充分包裹住毛石，毛石在结构体空间中应保证其布置均匀，如图6-4所示。上一页下一页返回6.1概述（4）灰土基础。灰土基础是由石灰、土和水按比例配合，经分层夯实而成的基础，如图6-5所示。灰土强度在一定范围内随含灰量的增加而增加。但超过限度后，灰土的强度反而会降低。灰土基础的优点是施工简便，造价较低，就地取材，可以节省水泥、砖石等材料；其缺点是抗冻、耐水性能差，在地下水位线以下或很潮湿的地基上不宜采用，多用于五层以下的民用建筑基础。（5）三合土基础。三合土基础是由石灰、砂、集料（矿渣、碎砖或碎石）等三种材料，按1∶2∶4～1∶3∶6的体积比进行配合，然后在基槽内分层夯实的基础，如图6-5所示。每层夯实前虚铺220mm，夯实后净剩150mm。上一页下一页返回6.1概述三合土铺筑至设计标高后，在最后一遍夯打时，宜浇筑石灰浆，待表面灰浆略为风干后，再铺上一层砂子，最后整平夯实。这种基础在我国南方地区应用很广。它造价低廉，施工简单，但强度较低，所以一般只用于四层以下的民用建筑基础。2．钢筋混凝土基础钢筋混凝土基础又称为柔性基础，主要包括柱下钢筋混凝土独立基础和钢筋混凝土条形基础。这类基础的抗压、抗弯和抗剪性能良好，在设计中广泛使用，相同条件下比刚性基础的基础高度小，适于荷载大或土质软的情况下采用，特别适用于宽基浅埋的场所。上一页下一页返回6.1概述（1）钢筋混凝土扩展基础。钢筋混凝土扩展基础常用于柱下，基础的截面可设计成阶梯形、锥形，预制柱一般设计成杯口形，如图6-6所示，也可用于一般的高耸构筑物，如水塔、烟囱等。当柱荷载大、地基承载力低或柱荷载差过大、地基土质变化较大，采用独立基础无法满足设计要求时，可考虑采用柱下条形基础、筏形基础或其他基础形式。（2）钢筋混凝土条形基础。条形基础是指基础长度远远大于宽度的一种基础形式，按上部结构分为墙下条形基础和柱下条形基础。基础的长度一般大于或等于10倍基础的宽度。1）墙下钢筋混凝土条形基础。上一页下一页返回6.1概述墙下钢筋混凝土条形基础广泛应用于砌体结构，常有不带肋与带肋两种形式，如图6-7所示。如果地基土质分布较不均匀，在水平方向压缩性差异较大，为了减小基础不均匀沉降和增强基础的整体性，可做成带肋条形基础。2）柱下钢筋混凝土条形基础。当地基较为软弱、柱荷载或地基压缩性分布不均匀，常将同一方向（或同一轴线）上若干柱子的基础连成一体而形成柱下条形基础，如图6-8所示。这种基础的抗弯刚度较大，因而具有调整不均匀沉降的能力，并能将所承受的集中柱荷载较均匀地分布到整个基底面积上。柱下条形基础是常用于软弱地基上框架或排架结构的一种基础形式。上一页下一页返回6.1概述（3）柱下十字形基础。当为承受荷载较大的高层建筑，或地基土软弱，单向条形基础底面积不足以承受上部结构荷载时，可在纵、横两方向将柱基础连成十字交叉条形基础，如图6-9所示。这种基础在纵、横两向均具有一定的刚度，当地基软弱且在两个方向的荷载和土质不均匀时，交叉条形基础具有良好的调整不均匀沉降的能力。（4）筏形基础。筏形基础又叫满堂基础。它是把柱下独立基础或者条形基础全部用连系梁联系起来，下面再整体浇筑底板，由底板、梁等整体组成。当地基软弱而荷载较大，采用十字交叉基础不能满足地基承载力要求，可采用筏形基础，其整体性好，能很好地抵抗地基不均匀沉降。上一页下一页返回6.1概述筏形基础可用于多种结构，如框架、框-剪、剪力墙结构及砌体结构，特别适用于采用地下室的建筑物以及大型的储液结构物（如水池、油库等）。筏形基础分为平板式筏形基础和梁板式筏形基础，平板式筏形基础是一块等厚度的钢筋混凝土平板，筏板的厚度与建筑物的高度及受力条件有关，通常不小于200mm，对于高层建筑，通常根据建筑物的层数按每层50mm确定筏板的厚度。当在柱间设有梁时，则形成梁板式筏形基础，其有下梁式和下梁式两种形式，如图6-10所示。（5）箱形基础。箱形基础是由钢筋混凝土顶板、底板、纵横隔墙构成的，具有一定高度的整体性结构，如图6-11所示。上一页下一页返回6.1概述箱形基础具有较大的基础底面，较深的埋深和中空的结构形式，使开挖卸去的土抵偿了上部结构传来的部分荷载在地基中引起的附加应力（补偿效应）。所以，与一般实体基础（如扩展基础和柱下条形基础）相比，它能显著减小基础沉降量。箱形基础形成的地下室可提供多种使用功能，如冷藏库和高温炉体下的箱形基础具有隔断热传导的作用，可减小地基土的冻胀和干缩；高层建筑的箱形基础可作为商店、库房、设备层和人防之用。上一页返回6.2基础埋置深度的选择基础埋置深度是指基础底面距地面（一般指设计地面）的距离，如图6-12所示。确定基础埋深时应综合考虑如下因素，但对于很多单项工程来说，往往只是其中一两个因素起决定作用。选择基础埋置深度也即选择合适的地基持力层。基础埋置深度的大小对于建筑物的安全和正常使用、基础施工技术措施、施工工期和工程造价等影响很大，因此，合理确定基础埋置深度是基础设计工作中的重要环节。设计时必须综合考虑建筑物自身条件（如使用条件、结构形式、荷载的大小和性质等）以及所处的环境（如地质条件、气候条件、邻近建筑的影响等），善于从实际出发，抓住决定性因素。以下分述选择基础埋深时应考虑的几个因素。下一页返回6.2基础埋置深度的选择6.2.1与建筑物有关条件与场地环境条件基础埋置深度首先取决于建筑物的用途，如有无地下室、设备基础和地下设施等，以及基础形式和构造，因而基础埋深要结合建筑设计标高的要求确定。高层建筑筏形和箱形基础的埋置深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形和筏形基础的埋置深度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1/20～1/18。位于基岩地基上的高层建筑物基础埋置深度，还要满足抗滑要求。上一页下一页返回6.2基础埋置深度的选择对于高耸构筑物（如烟囱、水塔、筒体结构），基础要有足够埋深以满足稳定性要求；对于承受上拔力的结构基础，如输电塔基础、悬索式桥梁的锚定基础，需要有较大的埋深以满足抗拔要求。另外，建筑物荷载的性质和大小影响基础埋置深度的选择，如荷载较大的高层建筑和对不均匀沉降要求严格的建筑物，往往为减小沉降，而把基础埋置在较深的良好土层上，这样，基础埋置深度相应较大。此外，承受水平荷载较大的基础，应有足够大的埋深，以保证地基的稳定性。为了保护基础不受人类和其他生物活动等的影响，基础宜埋置在地表以下，其最小埋深为0.5m，且基础顶面宜低于室外设计地面0.1m，同时又要便于周围排水沟的布置。上一页下一页返回6.2基础埋置深度的选择当存在相邻建筑物时，新建筑物基础埋深不宜大于原有建筑物基础。当埋深大于原有建筑物基础时，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，一般不宜小于基础地面高差的l～2倍（图6-13）。当上述要求不能满足时，应采取分段施工，采取设置临时加固支撑、打板桩、地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物地基。6.2.2工程地质与水文地质条件1．工程地质条件为了保护建筑物的安全，必须根据荷载的大小和性质给基础选择可靠的持力层。上一页下一页返回6.2基础埋置深度的选择一般当上层土的承载力能满足要求时，就应选择浅埋，以减少造价；若其下有软弱土层，则应验算软弱下卧层的承载力是否满足要求，并尽可能增大基底至软弱下卧层的距离。当下层土的承载力大于上层土时，如果取下层土为持力层，所需的基础底面积较小，但埋深较大；若取上层土为持力层，则情况相反。在工程应用中，应根据施工难易程度、材料用量（造价）等进行方案比较确定。必要时，还可以考虑采用基础浅埋加地基处理的设计方案。对墙基础，如果地基持力层顶面倾斜，可沿墙长将基础底面分段做成高低不同的台阶状。分段长度不宜小于相邻两段面高差的l～2倍，且不宜小于1m。上一页下一页返回6.2基础埋置深度的选择对修建于坡高（H≤8m）和坡角（β≤45º）不太大的稳定土坡坡顶上的基础（图6-14），当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长b≤3m，且基础底面外缘至坡顶边缘线的水平距离a≥2.5m时，如果基础埋置深度d满足下式要求：2．水文地质条件选择基础埋深时，应注意地下水的埋藏条件和动态。对于天然地基上浅基础的设计，首先应尽量考虑将基础置于地下水位以上，以免施工排水等造成的麻烦。上一页下一页返回6.2基础埋置深度的选择当基础必须埋在地下水位以下时，除应当考虑基坑排水、坑壁围护等措施以保护地基土不受扰动外，还要考虑可能出现的其他施工与设计问题，如出现涌土、流砂的可能性；地下水对基础材料的化学腐蚀作用；地下室防渗；轻型结构物由于地下水顶托的上浮托力；地下水上浮托力引起基础底板的内力等。对埋藏有承压含水层的地基（图6-15），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。6.2.3地质冻融条件地表下一定深度的地层温度随大气温度而变化。上一页下一页返回6.2基础埋置深度的选择季节性冻土层是冬季冻结、天暖解冻的土层，在我国北方地区分布广泛。若冻胀产生的上抬力大于基础荷重，基础就有可能被上抬；土层解冻时，土体软化，强度降低，地基产生融陷。地基土的冻胀与融陷通常是不均匀的，因此，容易引起建筑开裂损坏。季节性冻土的冻胀性与融陷性是相互关联的，常以冻胀性加以概括。《规范》根据冻土层的平均冻胀率的大小，将地基土划分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类。为避免受冻胀区土层的影响，基础底面宜设置在冻结线以下。上一页下一页返回6.2基础埋置深度的选择当建筑物基础地面土层为不冻胀、弱冻胀、冻胀土时，基础埋置深度可以浅于冻结线，但基础底面下允许留存的冻土厚度应不足以给上部结构造成危害。当建筑基础底面以下允许有一定厚度的冻土层时，可用下式计算基础的最小埋深：上一页返回6.3地基承载力的确定为了满足地基强度和稳定性的要求，设计时必须控制基础底面最大压力不得大于某一界限值。按照不同的设计思想，可以从不同的角度控制安全准则的界限值——地基承载力。地基承载力可以按三种不同的设计原则进行，即总安全系数设计原则、容许承载力设计原则和概率极限状态设计原则。不同的设计原则遵循各自的安全规则，按不同的规则和不同的公式进行设计。将安全系数作为控制设计的标准，在设计表达式中出现极限承载力的设计方法，称为安全系数设计原则，为了与分项安全系数相区别，通常称为总安全系数设计原则。其设计表达式为下一页返回6.3地基承载力的确定地基极限承载力可以由理论公式计算或用荷载试验获得。国外普通采用极限承载力公式。我国有些规范也采用极限承载力公式，但积累的经验不太多，且安全系数的概念过于“模糊”。容许承载力设计原则：将满足强度和变形两个基本要求作为地基承载力控制设计的标准。由于土是大变形材料，当荷载增加时，随着地基变形的相应增长，地基极限承载力也在逐渐增大，很难界定出一个真正的“极限值”；另外，建筑物的使用有一个功能要求，常常是地基承载力还有潜力可挖，而变形已达到或超过其正常使用的限值。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定因此，地基设计是采用正常使用极限状态原则，所选定的地基承载力是在地基土的压力变形曲线线性变形段内，相应于不超过比例界限点的地基压力，其设计表达式为容许承载力设计原则是我国最常用的方法之一，也积累了丰富的工程经验。《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2007）采用容许承载力设计原则。《规范》虽然采用概率极限状态设计原则确定地基承载力，采用特征值的形式，但是由于在地基基础设计中有些参数统计困难和统计资料不足，很大程度上还要凭经验确定。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定地基承载力特征值含义即为在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值，因此，地基承载力特征值实质上就是地基容许承载力。地基承载力特征值可由荷载试验或其他原位测试、公式计算，并结合工程实践经验等方法综合确定。6.3.1按土的抗剪强度指标确定1．《规范》推荐的理论公式对于荷载偏心距e≤0.033b（b为偏心方向基础边长）时，以浅基础地基的临界荷载p1/4为基础的理论公式计算地基承载力特征值：上一页下一页返回6.3地基承载力的确定2．魏锡克公式（或汉森公式等）德国规范利用太沙基公式、魏锡克公式、汉森公式引入极限状态表达式。采用总安全系数设计原则，用极限承载力除以总安全系数，即我国《港口工程地基规范》（JTS147-1—2010）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2007）和其他地区性规范已推荐采用汉森承载力公式，它与魏锡克公式的形式完全一致，只是系数的取值有所不同。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定此类公式比较全面地反映了影响地基承载力的各种因素，在国外应用很广泛。6.3.2按地基荷载试验确定1．荷载试验确定地基土承载力特征值荷载试验主要包括浅层荷载试验、深层平板荷载试验与螺旋板荷载试验。浅层荷载试验可用于测定承载板下压力主要影响范围内各类土。试验影响深度应为1.5～2.0倍承载板的宽度或直径。承载板面积可采用0.25m2或0.5m2。试坑底面宽度不应小于承载板直径或宽度的3倍。试验前应保持坑底岩土层的天然状态。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定承载板与测试岩土之间应设置1～20mm厚的中粗砂垫层找平。深层平板荷载试验适用于确定深部地基土层及大直径桩桩端土层的承载力，其承压板采用的是直径为0.8m的刚性板，紧靠承压板周围外侧的土层高度不小于80cm。地基承载力特征值由荷载-变形（p-s）曲线确定。螺旋板荷载试验适用于确定深层地基土或地下水位以下的地基土承载力。试验时，将一螺旋形的承压板旋入地面以下预定深度，通过传力杆对螺旋形承压板施加荷载，并观测承压板的位移，以测定土层的荷载-变形-时间（p-s-t）关系，确定地基承载力特征值。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定在现场通过一定尺寸的荷载试验板对扰动较少的地基土体直接施加荷载，所测得的成果一般能反映相当于1～2倍荷载板宽度的深度以内土体的平均力学性质。荷载试验虽然比较可靠，但费时、耗资且很难多做，规范只要求对地基基础设计等级为甲级的建筑物采用荷载试验、理论公式计算及其他原位试验等方法综合确定。对于成分或结构很不均匀的土层，如杂填土、裂隙土、风化岩等，它具有其他方法所难以替代的作用。对于密实砂土、硬塑黏土等低压缩性土，其p-s曲线通常有比较明显的起始直线段和极限值，即呈急进破坏的“陡降型”，如图6-16（a）所示。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定对于有一定强度的中、高压缩性土，如松砂、填土、可塑性土等，其p-s曲线无明显转折点，但曲线的斜率随荷载的增加而逐渐增大，最后稳定在某个最大值，即呈渐进破坏的“缓变型”，如图6-16（b）所示。下面讨论如何利用荷载试验来确定地基承载力设计值。按荷载试验p-s曲线确定地基土承载力：（1）按下述方法之一确定承载力基本值f0：1）当荷载试验p-s曲线上有明显的比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值p1，如图6-16（a）所示；2）当极限荷载pu能确定，且pu＜1.5p1时，取荷载极限值pu的一半；上一页下一页返回6.3地基承载力的确定3）不能按上述两种方法确定时，如图6-16（b）所示，加压板面积为0.25～0.50m2，对低压缩性土和砂土，可取s/b=0.010~0.015所对应的荷载值；对中、高压缩性土取s/b=0.02所对应的荷载值。（2）按下列原则确定地基土承载力标准值fk：同一土层参加统计的试验点数不应少于3个，且基本值的极差（即最大值减最小值）不超过平均值的30％时，取此平均值作为地基承载力标准值kfk。（3）将计算值fa与1.1fk比较，取大值作为地基土承载力设计值。荷载板的尺寸一般比实际基础小，影响深度较小，试验只反映这个范围内土层的承载力。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定如果荷载板影响深度之下存在软弱下卧层，而该层又处于基础的主要受力层内，如图6-17所示的情况，此时除非采用大尺寸荷载板做试验，否则意义不大。2．岩石地基承载力特征值岩石地基承载力特征值，可按荷载试验确定。对应于p-s曲线上起始直线的终点为比例界限。符合终止加载条件（见《规范》附录H）的前一级荷载为极限荷载。将极限荷载除以安全系数（安全系数取3），所得值与对应于比例界限的荷载相比较，取两者中较小值。每个场地荷载试验的数量不少于3个，取最小值作为岩石地基承载力特征值fa（不再对承载力进行深度修正）。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定对完整、较完整和较破碎的岩石地基承载力特征值，也可根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算：3．其他原位测试地基承载力特征值除了荷载试验外，还有静力触探、动力触探、标准贯入试验等原位测试，在我国已经积累了丰富经验。《规范》允许将其应用于确定地基承载力特征值，但是强调必须有地区经验，即当地的对比资料，还应对承载力特征值进行基础宽度和埋置深度修正。同时还应注意，当地基基础设计等级为甲级和乙级时，应结合室内试验成果综合分析，不宜单独应用。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定6.3.3按地基规范承载力表确定1．建筑地基规范确定承载力1974年版《建筑地基基础设计规范》建立了土的物理力学性质与地基承载力之间的关系，1989年版《建筑地基基础设计规范》仍保留了地基承载力表，并在使用上加以适当限制。承载力表使用方便是其主要优点，但也存在一些问题。承载力表是用大量的试验数据，通过统计分析得到的。由于我国幅员辽阔，土质条件各异，用几张表格很难概括全国的土质地基承载力规律。用查表法确定地基承载力，在大多数地区可能基本适合或偏于保守，但也不排除个别地区可能不安全。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定此外，随着设计水平的提高和对工程质量要求的趋于严格，变形控制已是地基设计的重要原则。因此，作为国标，如仍沿用承载力表，显然已不再适应当前的要求。所以，《规范》取消了地基承载力表，但是，允许各地区（省、市、自治区）根据试验和地区经验，制定地方性建筑地基规范，确定地基承载力表等设计参数。实际上是将原全国统一的地基承载力表地域化。考虑增加基础宽度和埋置深度，地基承载力也将随之提高，所以，应将地基承载力对不同的基础宽度和埋置深度进行修正，才适合供设计之用。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定《规范》规定，当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从荷载试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值应按下式修正：2．《公路路桥涵地基与基础设计规范》确定承载力由于历史和行业管理不同等原因，我国地基与基础设计规范至今尚未统一，不同规范的地基承载力确定方法，甚至地基承载力的称谓也有较大差异。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定由原交通部制定的《公路桥涵地基与基础设计规范》规定，设计中应尽可能采用荷载试验或其他原位测试取得地基承载力，但是由于桥涵基础所处环境特殊，在很多地点可能无法进行现场测试，因此，对中小桥、涵洞，或荷载试验和原位测试确有困难时，也可以按《规范》提供的地基承载力表采用。《公路桥涵地基与基础设计规范》将公路桥涵地基的岩土分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和特殊性土六大类。每一类土可以划分更细的类别，如黏性土既可根据塑性指数IP分为黏土和粉质黏土，又可根据沉积年代的不同分为老黏性土、一般黏性土和新沉积黏性土。上一页下一页返回6.3地基承载力的确定根据岩土类别、状态及其物理力学特性指标，可查表得到地基承载力基本容许值[fa0]。地基承载力基本容许值[fa0]实质上是加于荷载试验地基土压力变形关系线性变形段内不超过比例界限点的地基压力值，因此，仍需对[fa0]按基础的实际宽度、深度进行修正，修正后的地基承载力容许值[fa]按下式计算：上一页返回6.4基础底面尺寸的确定6.4.1按地基持力层的承载力计算基底尺寸地基基础设计时，要求作用在基础底面上的压力标准值pk小于或等于修正后的地基承载力特征值fa，即当偏心荷载作用时，除符合式（6-11）要求外，尚应符合下式规定：1．轴心受压基础底面尺寸的确定下一页返回6.4基础底面尺寸的确定当基础轴心受压时（图6-18），作用在基础底面上的平均压应力应小于或等于地基承载力设计值。2．偏心受压基础底面尺寸的确定框架柱和排架柱基础通常都是典型的偏心受压基础，基地压力呈梯形分布，如图6-19所示。上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定当基础底面形状为矩形且偏心距

时（见图6-20）时，pkmax

应按下式计算：在偏心荷载作用下，基础底面面积通常采用试算的方法确定，其具体步骤如下：（1）假定基础底宽b≤3m进行承载力修正，初步确定承载力特征值

fa。（2）先按中心受压估算基底面积A0，然后考虑偏心影响将A0扩大10%～40%，即上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定（3）承载力验算：对于矩形基础，基底长、短边之比取l/b=1.5～2.0，初步确定基底的边长尺寸，并计算基底边缘的最大和最小压力，要求最大压力满足pkmax≤1.2fa，同时基底的平均压力满足6.4.2地基软弱下卧层验算当地基受力层范围内有软弱下卧层时，应按下式验算软弱下卧层的地基承载力：上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定对条形基础和矩形基础，式（6-18）中的pz

值可按下列公式简化计算：条形基础矩形基础上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定6.4.3地基变形的计算1．地基变形特征地基变形特征一般分为沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。（1）沉降量：指基础某点的沉降值，如图6-24（a）所示。对于单层排架结构，在低压缩性地基上一般不会因沉降而损坏，但在中、高压缩性地基上，应该限制柱基沉降量，尤其是要限制多跨排架中受荷较大的中排柱基的沉降量不宜过大，以免支承于其上的相邻屋架发生对倾而使端部相碰。（2）沉降差：一般指相邻柱基中点的沉降量之差，如图6-24（b）所示。上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定框架结构主要因柱基的不均匀沉降而使结构受剪扭曲而损坏，也称敏感性结构。斯肯普顿（A.W.Skempton，1956）曾得出敞开式框架结构柱基能承受大至l/150（约0.007l，l为柱距）的沉降差而不损坏的结论。通常认为：填充墙框架结构的相邻柱基沉降差按不超过0.002l设计时，是安全的。（3）倾斜：指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，如图6-24（c）所示，对于高耸结构以及长高比很小的高层建筑，其地基变形的主要特征是建筑物的整体倾斜。高耸结构的重心较高，基础倾斜使重心侧向移动引起的偏心力矩荷载，不仅使基底边缘压力增加而影响倾覆稳定性，还会引起高烟囱等筒体结构的附加弯矩。上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定因此，高耸结构基础的倾斜允许值随结构高度的增加而递减。一般地，地基土层的不均匀分布以及邻近建筑物的影响是高耸结构产生倾斜的重要原因；如果地基的压缩性比较均匀，且无邻近荷载的影响，对高耸结构，只要基础中心沉降量不超过允许值（表6-9），可不做倾斜验算。高层建筑横向整体倾斜容许值主要取决于其对人们视觉的影响，高大的刚性建筑物倾斜值达到明显可见的程度时大致为1/250(0.004)，而结构损坏大致当倾斜值达到1/150时才开始。（4）局部倾斜：指砌体承重结构沿纵向6～10m基础两点的沉降差与其距离的比值，如图6-24（d）所示。上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定一般砌体承重结构房屋的长高比不太大，因地基沉降所引起的损坏，最常见的是房屋外纵墙由于相对挠曲引起的拉应变形成的裂缝，有裂缝呈现正“八”字形的墙体正向挠曲（下凹）和呈倒“八”字形的反向挠曲（凸起）。但是，墙体的相对挠曲不易计算，一般以沿纵墙一定距离范围（6～10m）基础两点的沉降量计算局部倾斜，作为砌体承重墙结构的主要变形特征。2．地基变形验算《规范》按不同建筑物的地基变形特征，要求建筑物的地基变形计算值不应大于地基变形允许值，即上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定地基特征变形允许值[s]的确定涉及的因素很多，它与对地基不均匀沉降反应的敏感性、结构强度储备、建筑物的具体使用要求等条件有关，很难全面、准确地确定。《规范》综合分析了国内外各类建筑物的相关资料，提出了表6-9供设计时采用。对表中未包括的其他建筑物的地基变形允许值，可根据上部结构对地基变形的适应能力和使用要求确定。进行地基变形验算，必须具备比较详细的勘察资料和土工试验成果。这对于建筑安全等级不高的大量中、小型工程来说，往往不易得到，而且也没有必要。为此，《规范》在确定各类土的地基承载力时，已经考虑了一般中、小型建筑物在地质条件比较简单的情况下对地基变形的要求。上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定所以，对满足表6-9要求的丙级建筑物，在按承载力确定基础底面尺寸之后，可不进行地基变形验算。凡属以下情况之一者，在按地基承载力确定基础底面尺寸后，仍应做地基变形验算：（1）地基基础设计等级为甲、乙级的建筑物；（2）表6-10所列范围以内有下列情况之一的丙级建筑物：1）地基承载力特征值小于130kPa，且体型复杂的建筑；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）软弱地基上的相邻建筑存在偏心荷载时；上一页下一页返回6.4基础底面尺寸的确定4）相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时；5）地基土内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结尚未完成时。地基特征变形验算结果如果不满足式（6-21）的条件，可以先通过适当调整基础底面尺寸或埋深，如仍不满足要求，再考虑从建筑、结构、施工等方面采取有效措施，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。上一页返回6.5刚性基础设计与应用1．刚性基础设计要求刚性基础设计即无筋扩展基础（图6-25、图6-26）设计，主要包括基础底面尺寸、基础剖面尺寸及其构造措施等内容。因无筋扩展基础材料的抗弯、抗拉能力很低，故常设计成轴心受压基础。无筋扩展基础设计时，必须规定基础材料强度及质量、限制台阶宽高比、控制建筑物层高和一定的地基承载力，因而，一般无须进行繁杂的内力分析和截面强度计算。无筋扩展基础的台阶宽高比要求一般可表示为（图6-25）：下一页返回6.5刚性基础设计与应用对基础底面的平均压力值超过300kPa的混凝土基础，按下式验算墙（柱）边缘或变阶处的受剪承载力：砖基础是工程中最常见的一种无筋扩展基础，各部分的尺寸应符合砖的尺寸模数。砖基础一般做成台阶式，俗称“大放脚”，其砌筑方式有两种，一是“二皮一收”，如图6-27（a）所示；另一种是“二一间隔收”，但须保证底层为两皮砖，即120mm高，如图6-27（b）所示。上述两种砌法都能符合式（6-22）的台阶宽高比要求。其中，“二一间隔收”较节省材料。上一页下一页返回6.5刚性基础设计与应用为了保证砖基础的砌筑质量，并能起到平整和保护基坑作用，砖基础施工时，常常在砖基础底面以下先做垫层。垫层材料可选用灰土、三合土和混凝土。垫层每边伸出基础底面50～100mm，厚度一般为100mm。设计时，这样的薄垫层一般作为构造垫层，不作为基础结构部分考虑。因此，垫层的宽度和高度都不计入基础的底部b和埋深d之内。有时，无筋扩展基础是由两种材料叠合组合，如上层用砖砌体，下层用混凝土。下层混凝土的高度如果在200mm以上，且符合表6-11的要求，则混凝土层可作为基础结构部分考虑。上一页下一页返回6.5刚性基础设计与应用2．刚性基础设计步骤（1）确定基底面积b×l。（2）选择无筋扩展基础类型。（3）按宽高比决定台阶高度与宽度：从基底开始向上逐步收小尺寸，使基础顶面低于室外地面至少0.1m，否则应修改尺寸或基底埋深。（4）基础材料强度小于柱的材料强度时，应验算基础顶面的局部抗压强度，如不满足，应扩大柱脚的底面面积；上一页下一页返回6.5刚性基础设计与应用（5）为了节省材料，刚性基础通常做成台阶形。基础底部常做成一个垫层，垫层材料一般为灰土、三合土或素混凝土，厚度大于或等于100mm。薄垫层不作为基础考虑，对于厚度为150～250mm的垫层，可以看成基础的一部分。上一页返回6.6扩展基础设计与应用钢筋混凝土扩展基础是指柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础。6.6.1扩展基础的构造要求1．一般要求（1）基础边缘高度。锥形基础的边缘高度一般不宜小于150mm，也不宜大于500mm[图6-29（a）]；阶梯形基础的每阶高度宜为300～500mm[图6-29（b）]。（2）基底垫层。通常在底板下浇筑一层素混凝土垫层。垫层厚度一般为100mm，垫层混凝土强度等级应为C10。下一页返回6.6扩展基础设计与应用（3）钢筋。底板受力钢筋直径不应小于10mm，间距不大于200mm也不宜小于100mm；当柱下钢筋混凝土独立基础的边长和墙下钢筋混凝土条形基础的宽度大于或等于2.5m时，钢筋长度可减短10％，并宜均匀交错布置[图6-29（c）]。底板钢筋的保护层，当有垫层时不小于40mm；无垫层时不小于70mm。（4）混凝土。混凝土强度等级不应低于C15。2．现浇柱下独立基础的构造要求锥形基础和阶梯形基础构造所要求的剖面尺寸在满足“一般要求”时，可按图6-30的要求设计。上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用现浇柱基础中应伸出插筋，插筋在柱内的纵向钢筋连接宜优先采用焊接或机械连接的接头，插筋在基础内应符合下列要求：（1）插筋的数量、直径，以及钢筋种类应与柱内的纵向受力钢筋相同。（2）插筋锚入基础的长度等应满足（图6-31）：1）当基础高度h较小时，轴心受压和小偏心受压柱h＜1200mm，大偏心受压柱h＜1400mm；所有插筋的下端宜做成直钩放在基础底板钢筋网上，并满足锚入基础长度应大于锚固长度la或laE的要求。上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用2）当基础高度h较大时，轴心受压和小偏心受压柱h＞1200mm，大偏心受压柱h＞1400mm；可仅将四角插筋伸至基础底板钢筋网上，其余插筋只锚固于基础顶面下la或laE处。3）基础中插筋至少需分别在基础顶面下100mm和插筋下端设置箍筋，且间距不大于800mm，基础中箍筋直径与柱中同。3．柱下条形基础的构造要求墙下钢筋混凝土条形基础按外形不同，分为无纵肋板式条形基础和有纵肋板式条形基础两种。墙下无纵肋板式条形基础的高度h应按剪切计算确定。上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用一般要求h≥300mm（≥b/8，b为基础宽度）。当b＜1500mm时，基础高度可做成等厚度；当b≥1500mm时，可做成变厚度，且板的边缘厚度不应小于200mm，坡度i≤1∶3（图6-32）。板内纵向分布钢筋大于等于ϕ8＠300，且每延长米分布钢筋的面积应不小于受力钢筋面积的1/10。当墙下的地基土质不均匀或沿基础纵向荷载分布不均匀时，为了抵抗不均匀沉降和加强条形基础的纵向抗弯能力，可做成有肋板条形基础。肋的纵向钢筋和箍筋一般按经验确定。6.6.2扩展基础的计算上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用在进行扩展基础结构计算，确定基础配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合；相应的基底反力为净反力（不包括基础自重和基础台阶上回填土重所引起的反力）。6.6.2.1墙下钢筋混凝土条形基础的底板厚度和配筋1．中心荷载作用墙下钢筋混凝土条形基础在均布线荷载F(kN/m)作用下的受力分析可简化为图6-33所示。它的受力情况如同一受pn作用的倒置悬臂梁。pn是指由上部结构设计荷载F在基底产生的净反力（不包括基础自重和基础台阶上回填土重所引起的反力）。上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用若取沿墙长度方向l＝1.0m的基础板分析，则在pn作用下，将在基础底板内产生弯矩M和剪力V，其值在图中I—I截面（悬臂板根部）最大。为了防止V、M使基础底板发生剪切破坏和弯曲破坏，基础底板应有足够的厚度和配筋。上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用（1）基础底板厚度。墙下钢筋混凝土条形基础底板属不配置箍筋和弯起钢筋的受弯钢筋，应满足混凝土的抗剪切条件：（2）基础底板配筋。应符合《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）正截面受弯承载力计算公式。也可按简化矩形截面单筋板，当取ξ=x/h0=0.2时，按下式简化计算；上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用2．偏心荷载作用计算基底净反力的偏心距e0（应小于b/6，否则为大偏心问题）：基础边缘处的最大和最小净反力为：悬臂根部截面I—I（图6-34）处的净反力为：上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用6.6.2.2柱下钢筋混凝土单独基础底板厚度和配筋计算1．中心荷载作用（1）基础底板厚度。在柱中心荷载F(kN)作用下，如果基础高度（或阶梯高度）不足，则将沿着柱周边（或阶梯高度变化处）产生冲切破坏，形成45°斜裂面的角锥体（图6-35）。因此，由冲切破坏锥体以外（Aj）的地基反力所产生的冲切力（Fl）应小于冲切面处混凝土的抗冲切能力。对于矩形基础，柱短边一侧冲切破坏较柱长边一侧危险，所以，一般只需根据短边一侧冲切破坏条件来确定底板厚度，即要求对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处[图6-36（a）]以及基础变阶处的受冲切承载力，按以下公式验算：上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用（2）基础底板配筋。由于单独基础底板在地基净反力pn

作用下，在两个方向均发生弯曲，所以两个方向都要配受力钢筋，钢筋面积按两个方向的最大弯矩分别计算。计算时，应符合《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）正截面受弯承载力计算公式，也可按式（6-28）简化计算。上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用图6-37中各种情况的最大弯矩计算公式：1）柱边（Ⅰ—Ⅰ截面）。2）柱边（Ⅱ—Ⅱ截面）。3）阶梯高度变化处（Ⅲ—Ⅲ截面）。上一页下一页返回6.6扩展基础设计与应用4）阶梯高度变化处（Ⅳ—Ⅳ截面）。2．偏心荷载作用偏心受压基础底板厚度和配筋计算与中心受压情况基本相同。偏心受压基础底板厚度计算时，只需将式（6-24）中的pn用偏心受压时基础边缘处最大设计净反力pn,max代替即可（图6-38）。上一页返回6.7减轻不均匀沉降措施当建筑物的不均匀沉降过大时，建筑将开裂损坏并影响使用，对高压缩性土、膨胀土、湿陷性黄土以及软硬不均等不良地基上的建筑物，由于总沉降量大，故不均匀沉降相应也大。如何防止或减轻不均匀沉降，是设计中必须认真思考的问题。通常的方法有：①采用桩基础或其他深基础；②对地基进行处理，以提高原地基的承载力和压缩模量；③在建筑、结构和施工中采取措施。总之，采取措施一方面是减少建筑物的不均匀沉降；另一方面是增强上部结构对沉降和不均匀沉降的适应能力。1．建筑措施下一页返回6.7减轻不均匀沉降措施建筑措施的目的是提高建筑物的整体刚度，以增强抵抗不均匀沉降危害性的能力。（1）建筑物体型力求简单。当建筑物体型比较复杂时，宜根据其平面形状和高度差异情况，在适当部位用沉降缝将其划分成若干个刚度较好的单元；当高度差异或荷载较大时，可将两者隔开一定的距离，当拉开距离后的两个单元必须连接时，应采用能自由沉降的连接构造。（2