【土力学与地基基础】第七章 浅基础设计.ppt

1、第七章 浅基础的常规设计 1 概述 一.几个概念 上部结构:指地表以上的建筑物 基础:指地表以下的结构 地基:受到上部结构和基础荷载影响的土(岩)层 地基分类: 天然地基:未经加工处理的地层 人工地基:经过加工处理的地层 基础分类: 浅基础:基础的埋置深度小于基础宽度 深基础:基础的埋置深度大于基础宽度 地基基础方案: 1.天然地基(人工地基)上的浅基础 2.深基础(天然地基):主要介绍桩基础 3.深浅结合基础:桩-筏基础,桩箱基础,浅基础的特点: 1.施工角度:开挖基坑过程中,降低地下水位和维护坑壁稳定的问题 易于解决 2.设计角度:设计过程中,只考虑基础底面以下土层的承载能力,而 忽略基础

2、侧面土的竖向承载能力 3.经济角度:基础埋深小,工程量小,易于施工,最为经济.如满足要 求,宜优先考虑 二.地基基础设计的内容与步骤 1.选择基础的材料、类型,进行基础平面布置 2.选择基础持力层和基础埋置深度 3.确定地基承载力特征值 4.按地基承载力确定基础底面尺寸 5.必要时进行地基变形与稳定性验算 6.进行基础结构和构造设计 7.绘制基础施工图,提出施工说明,三.地基基础设计方法 作为简化的常规设计法,在工程设计中,通常把上部结构、基础和 地基三者分离开来,分别对三者进行计算:视上部结构底端为固定支 座或固定铰支座,作用在基础顶面,不考虑荷载作用下各墙、柱端部 的相对位移,基础底部的地

3、基反力呈直线分布,并按此进行基础内力 分析;地基土上部作用线性分布的基底压力,按此进行地基土承载力 和沉降验算 四.地基基础设计基本规定(原则) 我国现行建筑地基基础设计规范中,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三个等级:见p154表7.1,基本规定： 1.各级建筑物均应满足地基承载力计算要求;满足对基础结构的强 度、刚度和耐久性的要求,2.设计等级为甲级、乙级的建筑物,均应进行地基变形设计验算 3.p154表7.2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算, 如有下列情况之一,仍应作变形验算: (1)地基承

4、载力特征值小于130kpa,且体型复杂的建筑物 (2)在地基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 (3)软弱地基上的建筑物存在偏心荷载 (4)相邻建筑距离过近,可能发生倾斜引起地基产生过大变形 (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 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 边坡附近的建筑物和构造物,尚应验算其稳定性 5.基坑工程应进行稳定性验算 6.当地下水埋藏较浅,建筑地下室内或地下构造物存在上浮问题时, 应进行抗浮验算,为保证建筑物的安全,地基基础必须满足下列要求: 1.承载力要求: Pkfa Pk:基础底面

5、的平均压力值,计算时采用荷载效应标准组合 fa:修正后的地基承载力特征值 2.正常使用要求: S s S:建筑物地基的变形值 s:建筑物地基的允许变形值 五.地基基础实际所需资料 1.建筑场地的地形图 2.岩土工程勘察成果报告 3.建筑物平面图、立面图、荷载、特殊结构物布置与标高 4.建筑场地环境、相邻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期的要求 六.荷载规定,作用在基础顶面上的荷载 中心竖向荷载;偏心竖向荷载;中心竖向及水平向荷载;偏心竖向荷载和水平荷载 荷载类型: (一)静荷载:长期作用在基础上,是引起基础沉降的主要因素 1.建

6、筑物和基础自重 2.固定设备重量 3.土压力 4.水压力 (二)活荷载 1.普通活荷载:只影响沉降,常见动力荷载、车辆荷载 2.特殊活载:影响地基稳定性,常见有地震、风载,2 浅基础的类型 一.按基础材料分类 (一)刚性基础 特点：抗拉抗剪强度不高 为了使基础内产生的拉应力、剪应力不大,需要限制基础沿柱或 墙边挑出的宽度 无筋扩展基础台阶宽高比的允许值，见p156表7.3,1.砖基础 砖砌体具有一定的抗压强度,但抗拉抗剪强度低,一般基础底面 以下先做10cm厚的混凝土垫层.一般可用作六层及六层以下的民用 建筑和墙承重的厂房 2.毛石基础 毛石指未经加工凿平的未风化石料.由于毛石之间间隙较大,如

7、果 砂浆粘结的性能较差,则不能用于多层建筑物,且不宜用于地下水位 以下,但毛石抗冻性较好,北方地区可用于七层以下的建筑物基础 3.灰土基础 灰土是用石灰和土料配制而成的(体积比3:7或2:8),在槽坑内分 层夯实,灰土基础宜在计较干燥的土层中使用,其本身具有一定的抗 冻性,在我国华北和西北地区,广泛用于五层及以下的民用房屋,4.三合土基础 三合土是由石灰、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),均匀铺入坑槽内,分层夯实,三合土强度较低,一 般只用于四层及以下的民用建筑 5.混凝土基础 混凝土基础抗压强度,耐久性和抗冻性比较好,常用于荷载较大的 墙柱处. 如在混

8、凝土基础中埋入体积占25-30%的毛石.即成毛石混凝土结 构,可节省水泥用量 (二)柔性基础 特点：承受力矩和剪力的能力较好 常在荷载较大或地基较差的情况下使用 钢筋混凝土基础:是良好的材料,其强度,耐久性和抗冻性都较好,以 钢筋受拉,混凝土受压为特点,二.按结构形式分类 1.独立基础 (1)柱下独立基础 所用材料:刚性材料,钢筋混凝土 剖面形状:矩形,台阶状,锥形,杯口形 平面形状:正方形,矩形 (2)墙下独立基础 相邻独立基础,用过梁连接,过梁承受上部墙荷载 2.条形基础 指基础的长度远大于宽度的基础形式 (1)墙下条基 所用材料:刚性材料,钢筋混凝土 横剖面形状:矩形,台阶状,锥形,(2

9、)柱下条基 柱下独立基础联成一条形成 (3)十字交叉基础 纵横柱下独立基础连在一起形成 3.筏板基础 当柱下十字交叉基础底面积占建筑物平面面积的比例较大时,或 建筑物在使用上有要求,可在建筑物的柱,墙下方做成一块满堂板基 础.筏板基础由于其底面积大,故可减小地基上单位面积的压力,提 高地基承载力,并能更有效地增强基础的整体性,调整不均匀沉降 4.箱型基础(补偿基础) 由钢筋混凝土底板、顶板和纵横内外隔墙组成,形成一只刚度极 大的箱体 三.浅基础型式的选择 1.地基承载力要求 尽可能选择简单的基础型式,2.变形要求 3.建筑物使用要求,3 基础埋置深度的选择 埋置深度:基础底面至设计地面的垂直距

10、离 浅基础埋深的原则:凡能浅埋的尽量浅埋.除岩石地基外,基础最小 埋深不宜小于0.5m,影响基础埋深的因素: 一.建筑物的用途、基础的形式和构造 1.具有地下室或半地下室的建筑物,其基础埋深必须结合建筑物地 下部分的设计标高来选定 2.在基础影响范围内有地下管线分布时,基础埋深应低于这些设施 的底面 3.为保护基础不受人类和生物活动的影响,基础应埋置在地表以下, 一般基础顶面应低于设计地面0.1m,同时又要便于建筑物周围排 水沟的布置 二.作用在基础上的荷载特征 1.荷载大,埋深加大 2.长期作用有较大水平荷载和位于坡顶, 坡面的基础,应有一定的埋深,以确保 基础的稳定性 dmin(b-a)t

11、an 3.承受上拔力的结构,要求有一定的埋深,以提供足够的抗拔阻力,三.工程地质水文地质条件 (一)工程地质条件 基础应尽可能埋置在良好的持力层上,以满足建筑物对地基承载 力和地基允许变形值的要求,当地基受力层范围内存在软弱下卧层 时,软弱下卧层的承载力和地基变形也应满足要求 在工程地质勘察报告中,已经说明了建筑场地的岩土体分布规律、 性质,为持力层选择提供了依据: 1.在建筑物影响范围内,自上而下均为良好土层,尽量浅埋 2.自上而下都是软弱土层,基础难以找到良好的持力层,这时考虑人 工地基或深基础 3.上部为软弱土层,下部为良好土层,一般情况,软弱土层厚度小于 2m,应选取下部土层;软弱土层

12、厚度大,宜考虑人工地基或深基础 4.上部为良好土层,下部为软弱土层,此时基础应尽量浅埋 (二)水文地质条件,1.基础尽量埋置地下水位以上,以避免地下水对基坑开挖、基础施 工和使用期间的影响 2.基础埋深低于地下水位,则应考虑施工期间的降水、坑壁的支护 以及是否可能产生流砂,涌土等问题 对于具有侵蚀性的地下水,应采用抗侵蚀的水泥品种和相应的措施 四.相邻建筑物基础埋深的影响 1.靠近原有建筑物修建新基础,为了不影响原有基础的安全,新基础 埋深最好不低于原有的基础 2.如必须超过时,设计时应与原基础保持一定净距L(1-2)h 3.如不能满足L,则施工期间应采取措施,如分段施工,设临时支撑等 五.地

13、基土冻胀和融陷的影响 最小埋置深度: dmin=zd-hmax Zd:设计冻深 hmax:基础下允许残留冻土的最大深度,4 地基承载力特征值 确定地基承载力特征值的方法: 一.静载荷试验法确定地基承载力 (一)某点上地基承载力特征值 由现场载荷试验得到荷载p与沉降s的关系曲线,由此来确定地基 承载力特征值: 1.对于密实砂土、硬塑粘土等低压缩性土 (1)取p-s曲线上的比例界限荷载,作为承载力特征值 (2)当极限荷载小于对应比例荷载值的2倍时,取极限荷载的一半作 为承载力的特征值 2.对于有一定强度的中,高压缩性土 取s/b=1.01-0.015所对应的荷载,作为承载力特征值 (二)地基承载力

14、特征值 同一土层参加统计的试验点数不应少于3,当试验实测值的最大值与 最小值的极差不超过平均值的30%,取平均值作为地基承载力特征值,二.理论公式法确定地基承载力 (一)规范推荐公式 规范规定,当荷载偏心距小于或等于0.033倍基础宽度时,根据浅 基础地基的临界荷载公式,确定地基承载力: fa=Mbrb+Mdrmd+McCk fa:由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值 Mb,Md ,Mc:承载力系数,均为土的内摩擦角的函数,查表 b:基础宽度,当基础宽度大于6m时按6m取值,对于砂土,小于3m时按 3m取值 d:基础埋置深度 r:基础底面以下土的重度,地下水位以下取有效重度 rm:基础底面

15、以上土的加权平均重度 Ck:基底下一倍宽深度内土的粘聚力标准值 (二)极限承载力公式,三.按地基规范承载力表确定 fak=fo 四.当地经验法确定地基承载力 根据当地经验,进行类比判断承载力的方法 五.修正后的地基承载力特征值 从载荷试验或其它现场试验、经验值等方法确定的地基承载力特 征值,应根据基础的埋深和基础宽度进行修正: fa=fak+br(b-3)+dro(d-0.5) fa:修正后的地基承载力特征值 fak:地基承载力特征值 b, d:基础宽度和埋深的地基承载力修正系数,查p167表7.10 b:基础宽度,当基础宽度大于6m时按6m取值,小于3m时按3m取值 d:基础埋置深度 r:基

16、础底面以下土的重度,地下水位以下取有效重度 ro:基础底面以上土的加权平均重度,5 基础地面尺寸的确定 一.按地基持力层的承载力计算基底尺寸 (一)中心受荷基础 根据规范要求: pfa 基底压力: 得到: 对于方形基础: A=bL=b2 对于矩形基础: A=bL=nb2(n=L/b) 对于条基: A=b*1,(二)偏心受荷基础 1.先按照中心荷载作用,计算基底初步尺寸Ao 2.根据偏心距的大小,扩大Ao至A=(1.1-1.4)Ao 二.地基承载力验算 (一)持力层承载力验算 1.中心荷载作用下 Pfa 2.偏心荷载作用下 Pfa Pmax1.2fa Pmin0 (二)软弱下卧层承载力验算 规范

17、要求,软弱下卧层顶面处: 自重应力cz+附加应力z软弱下卧层承载力特征值fa下 1.软弱下卧层顶面自重应力cz,cz=rod+rz 2.软弱下卧层顶面附加应力z 按应力扩散原理进行计算: zA=poA z= (p-rod)A/A (1)对于矩形基础 (2)对于条形基础（L=1m) 3.软弱下卧层承载力特征值fa下 fa下=fak下+dro(d+z-0.5) ro:软弱下卧层顶以上土层加权平均重度,例：某土层分布及物理性质指标如图示，现修一框架结构外柱基 础，柱截面为300*400mm2，作用在基础顶面处的荷载设计值为：轴 心荷载700kn，力矩80kn.m，水平荷载13kn，基础埋深1.0m（

18、自室 外地面起算），室内地面高于室外0.3m，试确定基础底面尺寸 解：1.确定持力层承载力 根据规范查表，fo=240kpa,b=0.3，d=1.6 fak0.91240218kpa fa=218+1.617.5 (1-0.5)=232kpa fa1.1218240kpa 取f=240kpa 2.确定基底尺寸 1）按轴心荷载确定基底初始尺寸 1.8m 2）扩大基底尺寸10% 淤泥质粘土 w=40% s=0.89 Es2=3.2Mpa-1 Es1=9.6Mpa-1,取L/b=1.5 L=1.5b A=1.5b2=1.1Ao=1.13.23=3.55m2 b=1.54m 取b=1.6m L=1.5

19、1.62=2.4m A=1.62.4=3.84m2 3.承载力验算 1）持力层承载力验算 持力层承载力满足要求,2）下卧软层承载力验算 根据规范查表，fo=90kpa,b=0，d=1.1 fk0.899080kpa f=80+1.117.5(1.8+1.0-0.5)=124.2kpa cz=17.5(1.8+1.0)=49kpa Es1/Es2=9.6/3.2=3.0 z=1.8m0.5b=0.8m 取=23 cz+z=49+58.7=107.7kpaf=124.2kpa 下卧软层承载力满足要求,6 地基变形验算与稳定性验算 一.地基变形的特征值 1.沉降量:一般指基础中点的沉降量 2.沉降差

20、:指相邻两基础的沉降量之差 3.倾斜:指基础倾斜方向两端的沉降差与其距离之比 4.局部倾斜:承重砌体沿纵墙6-10m内基础两点的沉降差与其距离之 比 二.地基变形验算 规范要求: Ss S:地基变形特征值 不同的建筑物对不同的地基变形特征值的敏感程度不同,因此,设 计中针对上部结构特点、整体刚度和使用要求的不同,计算地基沉 降的某一特征值,进行验算 控制各类建筑物地基变形的变形特征值及地基变形允许值s 见p178表7.20,三.防止有害地基变形的措施 （一）减小建筑物的沉降 1.外因方面 减小基底压力：增大基底面积；采用轻型材料 减小基底附加压力：增大基础埋深;采用补偿基础 2.内因方面：通过

21、地基处理，减小地基的压缩性能 （二）增强上部结构对地基变形的适应能力 1.建筑措施（布局） 尽量使上部荷载均匀分布，即建筑平面布置要简单，高差不要太 大；相邻建筑要有合适的净距 2.结构措施 增加均衡作用，即降低建筑物长高比，可把建筑分成几个独立体， 在适当的位置设置沉降缝；加强上部结构的刚度，增加对沉降差的 适应程度；加强上部结构的整体性 3.施工措施 调整施工顺序；加强基坑开挖时基底的保护；对基底土进行处理,四.地基稳定性验算 1.抗倾覆稳定性验算 2.抗滑移稳定性验算 3.地基稳定性验算 按边坡稳定性分析方法验算,7 无筋扩展基础设计 无筋扩展基础(刚性基础):指由砖、毛石、混凝土,灰土

22、、三合土等 材料组成的墙下条基或柱下独立基础 特点:抗压强度高,抗拉强度和抗剪强度较低,因此必须控制基础内 的拉应力和剪应力,使其不超过材料强度: :基础台阶宽高比允许值,查表p156表7.3 8 扩展基础设计 扩展基础(柔性基础):指由钢筋混凝土材料构成的墙下条基或柱下 独立基础 特点:材料强度高,能够承受弯矩和剪力 一.扩展基础构造要求,1.基础断面一般采用台阶形、锥形和矩形,基础高度大于900mm,分 三阶;高度在300-900mm,分二阶.锥形基础边缘高度一般不小于 200mm 2.基础混凝土等级不宜低于C15 3.基础受力钢筋的最小直径不宜小于10,100200;分布钢筋 最小直径不

23、宜小于8, 300 4.基础下通常铺设低标号(C5-C10)混凝土垫层,垫层厚度为100mm,二.扩展基础计算 (一)柱下独立基础 1.中心荷载作用 （1）确定柱下独立基础的高度冲切验算 当基础高度不足时,将沿着柱周围或变阶处 产生冲切破坏,形成45斜裂面的角锥体.冲切 验算是在冲切角锥体以外的地基净反力引起的 冲切荷载Fl应小于基础冲切可能破坏面上的混 凝土的抗冲切强度,即有: Fl0.7hpftamho am=(at+ab)/2 Fl=pjAl,Fl:荷载效应基本组合时作用在Al上的地基净反力产生的冲切荷载 hp:受冲切承载力截面高度影响系数,当h800mm时,取1.0;当 h2000mm时,取0.9;其间按线形内插法取用 ft:混凝土轴心抗拉强度设计值 ho:基础冲切破坏角锥体的有效高度 am:冲切破坏锥体最不利一侧计算长度 at:冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长 ab:冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长 pj:地基净反力,pj=F/A Al:冲切验算时取用的部分基底面积 当bat+2ho 时:,当bat+2ho时: 解方程,求得ho,则基础高度h为: 有垫层时: h=ho+40mm 无垫层时: h=ho+70mm （2）基础配筋计算基础抗弯验算 在地基净反力作用下,基础沿柱的四周向上弯曲,一般矩形