资源描述
6 天然地基上浅基础设计,6.1地基基础设计的基本规定 6.2浅基础的类型 6.3基础埋置深度的选择 6.4基础底面尺寸的确定 6.5刚性基础设计 6.6扩展基础设计 6.7减轻基础不均匀沉降的措施,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,主要内容,教学目标,知道地基基础设计的基本规定 知道浅基础的基本类型 会进行刚性基础的设计 会进行柔性基础的设计,重 点,刚性基础底面尺寸的设计和剖面尺寸的设计 柔性基础底面尺寸的设计和剖面尺寸的设计,难 点,刚性基础剖面尺寸的设计 柔性基础剖面尺寸的设计,6.1 地基基础设计的基本规定,6.1.1 建筑物地基基础设计等级,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，地基规范 将地基基础设计分为甲乙丙3个设计等级，设计时应根据具体情 况，按以下情况选用。,1）重要的工业与民用建筑物； 2）30层以上的高层建筑； 3）体形复杂，层数相差超过10层的高低层连成一体的建筑物； 4）大面积的多层地下建筑物（如地下车库、商场、运动场等）； 5）对地基变形有特殊要求的建筑物； 6）复杂地质条件下的坡上建筑物（包括高边坡）； 7）对原有工程影响较大的新建建筑物； 8）场地和地质条件复杂的一般建筑物； 9）位于复杂地基条件及软土地区的2层及2层以上地下室的基坑工程 。,地基规范将地基基础设计分为三个设计等级，设计时应根据具体情况:,场地及地基条件简单、荷载分布均匀的7层及7层以下民用建筑及一般工业建筑物；次要的轻型建筑物。,除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物 。,6.1.2 基本规定,1）所有建筑物的地基均应满足承载力计算的有关规定； 2）设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计； 3）表6-2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形计算， 如有以下所列情况之一时，仍应作变形验算； 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）当地下水埋藏较浅，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。,6.1.3 荷载效应最不利组合与相应的抗力限值,地基基础设计时，所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值，应符合地基规范的下列规定。 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荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值。 2）计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，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）计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1.0。,4）在确定基础或桩承台高度、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，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。当组合值由永久荷载控制时，分项系数取1.35。当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。 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0不应小于1.0。,在进行荷载计算时，各种荷载组合的表达式与所包含的系数等执行建筑结构荷载规范（GB 500092001）有关规定。对于永久荷载效应控制的基本组合，可采用简化规则，荷载效应基本组合的设计值S按下式确定。 S=1.35SkR 式中 R结构构件抗力的设计值，按有关建筑结构设计规范 的规定确定； Sk荷载效应基本组合的标准值。,按地基规范 浅基础形式分 成五大类：,无筋扩展基础,扩展基础,柱下钢筋混凝 土条形基础,高层结构筏形 基础,岩石锚杆基础,箱形基础,壳体基础,6.2 浅地基基础类型,6.2.1 无筋扩展基础,材料：砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、三合土和灰土等。,材料性能特点：抗压强度高，抗拉强度、抗剪强度低。,适用于：6层或6层以下（三合土基础不宜超过4层）民用建筑和轻型厂房。,a)砖基础 b)毛石基础 c) 三合土或灰土基础 d) 混凝土或毛石混凝土基础,钢筋混凝土。,抗弯和抗剪性能良好。,根据形状和大小进一步可划分为： 柱下独立基础、墙下条形基础。,6.2.2 扩展基础,基础 材料,受力 特点,分类,a）墙下钢筋混凝土条形基础 b)柱下钢筋混凝土现浇单独基础 c）预制杯形独立基础,主要是柱下基础。通常有现浇柱阶梯形基础（a），现浇柱锥形基础（b）和预制柱的杯口形基础（c）。,a)阶梯形 b)锥形 c）杯形,1.柱下独立基础,柱下独立基础,墙下钢筋混凝土条形基础 a)无肋式 b)有肋式,2.墙下条形基础,6.2.3 柱下钢筋混凝土条形基础,柱下钢筋混凝土条形基础,十字交叉基础,适用：十字交叉条形基础不能提供足够的底面积来满足地基承载力的要求时。 优点：减少基底压力至最小值； 增大了基础的整体刚度。,6.2.4 高层建筑筏形基础,筏形基础 a) 平板式 b)下翻梁板式 c)上翻梁板式,6.2.5 岩石锚杆基础,岩石锚杆基础适用于直接建在基岩上的柱基，以及承受拉力或水平力较大的建筑物基础。,a) 岩石锚杆基础,6.2.6 箱形基础,箱形基础,a）正圆锥壳 b）M形组合壳 c）内球外锥组合壳,6.2.7 壳体基础,壳体基础,6.3 基础埋置深度的选择,指基础底面到天然地面的垂直距离。,选择基础的埋置深度实质上是选择合适的持力层。选择合适的持力层关系到建筑物的稳定与安全。 确定原则：在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础应尽量浅埋。,1）满足建筑物的功能和使用条件。,影响基础埋深的因素,3）工程地质和水文地质条件。,2）作用于地基上荷载的大小和性质。,4）相邻建筑物的基础埋置深度。,5）地基土冻胀和融陷的影响。,6.4 基础底面尺寸的确定,6.4.1 按持力层承载力确定基础底面尺寸,1.轴心荷载作用下的基础底面尺寸确定,对于条形基础：,对于矩形基础：,轴心受压 基础的基底反力,如不满足要求，需重新假设一个基底尺寸，再进行验算，直至满足为止。,2.偏心荷载作用下基础底面尺寸的确定,偏心荷载作用下的基础底面尺寸不能用公式直接写出，通常的计算方法如下：,1）首先按中心受压确定基础底面积，即按式（6-5）求出Ao； 2）根据偏心的大小把基础底面积Ao提高（10 40）%， 即A=（1.1 1.4） Ao ； 3）按假定的基础底面积A，用下式进行验算。,验算公式：,附加 应力,6.4.2 软弱下卧层的验算,压力扩散角法计算土中附加应力,对于矩形基础：,对于条形基础：,地基应力扩散角,注：1、Es1为上层土压缩模量；Es2为下层土压缩模量。 2、z0.25b时取0，必要时宜由试验确定； z0.5b时取值不变。,6.4.3 地基的变形验算,如果要求计算地基变形，则在基础底面尺寸初步确定后，还应进行地基变形验算，设计时要满足地基变形值不超过其容许值的条件，以保证不致因地基变形过大而影响建筑物正常使用或危害安全。如果变形不能满足要求，则需调整基础底面尺寸或采取其他措施。,6.4.4 地基稳定性验算,对于经常受水平荷载作用或建在斜坡上的建筑物的地基，应验算稳定性。此外，某些建筑物的独立基础，当承受水平荷载很大时（如挡土墙），或建筑物较轻而水平力的作用点又比较高的情况下（如取水构筑物、水塔、塔架等），也得验算建筑物的稳定性。验算地基稳定性时，荷载按荷载效应的基本组合取值，但荷载分项系数均取1.0。 承受垂直与水平荷载时的基础设计原则，与上述受偏心荷载时的基础基本上相同。但需验算在水平力作用下，基础是否发生沿基底滑动、倾斜或与地基一起滑动。,【例6-1】某柱基础，作用在设计地面处的柱荷载设计值、基础尺寸、埋深及地基条件如图所示。试验算持力层和软弱下卧层的地基承载力是否满足。,【解答】 （1）持力层承载力验算 因b=3m， d=2.3m ，e=0.800.85， IL=0.740.85 查表4-2，有b0.3，d1.6 fafakb（b-3）dm(d-0.5) 2000.3（19-10）（3-3） 1.617（2.3-0.5） 200048.96249kPa,上式：17 161.5+190.8,Pk（FkGk）/A （105033.52.320）/ （33.5） 146kPafak249.0kPa (持力层满足),p kmax1.2 f a=1.2249.0 kPa =298.8 kPa（满足要求） 所以，持力层地基承载力满足要求。,基底最大压力计算 Mk=105 kNm +67kN2.3m=259.1 kNm,【例6-2】同上题条件，验算软弱下卧层的承载力。,【解答】(1)软弱下卧层的承载力特征值计算,因为下卧层系淤泥质土，且fak=78kPa50kPa， 查表3-4可得b= 0，d=1.1。,则下卧层顶面埋深,d =d+z=2.3m+3.5m=5.8m,土的平均重度,m=ihi/h =161.5+190.8+(19-10)3.5/(1.5+0.8+3.5)kN/m3 =12.19 kN/m3,于是下卧层地基承载力特征值,faz = fak+dm（d-0.5） =78 kPa +1.112.19 kN/m3(5.8-0.5)m=153.2 kPa,所以，软弱下卧层地基承载力满足。,=3.5m3m106.8 kPa /(3m+23.5mtan23)(3.5m+23.5mtan23) =29.03 kPa,作用在软弱下卧层顶面处的总应力为 pzpcz=29.03 kPa +70.7 kPa =99.73 kPa faz =153.2 kPa（满足）,(2)下卧层顶面处应力计算,自重应力 pcz=161.5+190.8+(19-10)3.5 kPa =70.7 kPa,附加应力pcz按扩散角计算。由Es1/Es2=3，z/b=3.5/3=1.170.5， 查表6-4得=23。则,p=p-pc =146 kPa -(161.5+190.8) kPa =106.8kPa,【 例6-3 】某厂房墙下条形基础，上部轴心荷载F k =180kN/m，埋深1.1m；持力层及基底以上地基土为粉质黏土，m=19.0 kN/m3；e =0.80，IL=0.75， fak=200kPa，地下水位位于基底处。试确定所需基础宽度。,【解答】(1)先用未经深宽修正的地基承载力特征值初步计算基础底面尺寸,取b =1m。,(2)地基承载力特征值的深宽修正,由于IL=0.750.85 ，e=0.800.85，查表3-4可得：b=0.3，d=1.6；b3m，按b=3m计算，故,(3)地基承载力验算,p k = F k/A +G d =180kN/1m1m+20 kN/m31.1m=202 kPa faz=218.2 kPa（满足要求）,【例6-4】已知厂房基础上的荷载（见图6-13），持力层及基底以上地基土为粉质黏土，=19 kN/m3，地基承载力fak=230 kPa，试设计矩形基础底面尺寸。,【解答】 (1)按轴心荷载初步确定基础底面积,考虑偏心荷载的影响，将A0增大30%，即A =1.3 A0=1.310.4 m2=13.5 m2，设长宽比n=l/b=2，则A =lb=2b2，从而进一步有b=2.6m；l= 2b=22.6=5.2m。,(2)计算基底最大压力p kmax,G k= G Ad=20 kN/m32.6m5.2m1.8m=487 kN,基底处竖向力合力 F k +G k1800 kN+220 kN +487 kN =2507 kN,Mk950 kNm+220 kN0.62m+180 kN(1.8-0.6)m=1302kNm,偏心距,所以，偏心力作用点在基础截面内。,基底最大压力为,基础及回填土重,基底处总力矩,(3)地基承载力特征值及地基承载力验算,根据e=0.73，IL=0.75，查 表3-4可得： b=0.3，d=1.6；b3m。故,fa = fak+b（b-3）+d0（d-0.5） =230 kPa +0+1.619kN/m3(1.8-0.5)m=269.5 kPa,p kmax=296.71.2fa1.2269.5 kPa =323.4 kPa（满足要求）,p k= F k/lb=2507/(5.22.6) kPa =185.4 kPafa=269.5 kPa（满足要求）,所以，基础采用5.2m2.6m， 底面尺寸是合适的。,6.5 刚性基础设计,6.5.1 基础底面宽度,基础底面的宽度应符合下式要求：,bb0+2h0tan,刚性基础构造,6.5.2 基础剖面尺寸,基础高度应满足下式要求：,b2/h0 tan ,a）刚性基础构造 b)刚性基础配筋图,【 例6-5 】某承重砖墙混凝土基础的埋深为1.5m，上部结构传来的轴向压力Fk=200kN/m。持力层为粉质黏土，其天然重度0=17.5kN/m3，孔隙比e=0.843，液性指数IL=0.76，地基承载力特征值fak=150kPa，地下水位在基础底面以下，试设计此刚性基础。,【解答】(1)地基承载力特征值的深宽修正,先按基础宽度b小于3m考虑,不作宽度修正。由于持力层土的孔隙比及液性指数均小于0.85，查表3-4得d=1.6，而0=17.5 kN/m3，d=1.5m，则,fa = fak+d0（d-0.5） =150 kPa +1.617.5 kN/m3（1.5-0.5）m=178.0 kPa,(2)按承载力要求初步确定基础宽度,初步选定基础宽度为1.40m。,(3)基础剖面布置,初步选定基础高度h=0.3m。大放脚采用标准砖砌筑，每皮宽度b1=60mm，h1=120mm,共砌5皮；大放脚的底面宽度b0=240mm+2560mm=840mm，如图6-15所示。,(4)按台阶的宽高比要求验算基础的宽度,基础采用C10素混凝土砌筑，而基底的平均压力为,查表6-5，得基础台阶的允许宽高比tan= b2 /h=1.0，于是,bmax =b0 +2htan=0.84m+20.31.0m=1.44m,取基础宽度为1.4m，满足设计要求。,1.扩展基础的构造要求：,（1）锥形基础的边缘高度不宜小于200mm，坡度i 1:3；阶梯形基础的每阶高度宜为300 500 mm；,（2）垫层的厚度不宜小于70mm，垫层的混凝土强度等级应为C10；,（3）扩展基础底板受力钢筋的最小直径不宜小于10mm，间距不宜大于200mm，也不宜小于100mm。墙下钢筋混凝土条形基础纵向分布钢筋的直径不小于8mm；间距不大于300mm；每延米分布钢筋的截面积应不小于受力钢筋截面积的1/10。当有垫层时钢筋保护层的厚度不小于40mm；无垫层时不小于70mm；,（4）混凝土强度等级不应低于C20；,6.6 扩展基础设计,（5）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，底板受力钢筋的长度可取边长或宽度的0.9倍，并宜交错布置（见图6-16）；,a)底板钢筋长度及布置b）T形及十字形交接处底板横向受力钢筋c）拐角处底板横向受力钢筋,（6)钢筋混凝土条形基础底板在T形及十字形交接处，底板横向受力钢筋仅沿一个主要受力方向通长布置，另一方向的横向受力钢筋可布置到底板宽度1/4处；在拐角处底板横向受力钢筋应沿两个方向布置；,（7）现浇柱基础，其插筋的数量、直径以及钢筋种类应与柱内纵向受力钢筋相同。插筋的锚固长度，与柱的纵向受力钢筋的连接方法应符合现行混凝土结构设计规范要求。插筋的下端宜做成直钩放在基础底板钢筋网上，应有上下两个箍筋固定。当柱为轴心受压或小偏心受压，基础高度大于或等于1200mm，或柱为大偏心受压基础高度大于或等于1400mm时，可将四角的插筋伸到底板钢筋网上，其余插筋锚固在基础顶面下la处（见图6-17）。插筋与柱筋的搭接位置一般在基础顶面，如需要提前回填土时，搭接位置也可以在室内地面处；,现浇柱基础中插筋构造示意,（8）预制钢筋混凝土柱与杯口基础的连接，应符合下列要求（图6-18）：柱的插入深度h1可按表6-6选用，并满足钢筋锚固长度要求和吊装时柱的稳定性要求；基础的杯底厚度和杯壁厚度，可按表6-7选用；当柱为轴心受心或小偏心受压且t/h20.65时，或大偏心受压且t/h20.75时，杯壁可不配筋；当柱为轴心受心或小偏心受压且t/h20.65时，或大偏心受压且0.5t/h20.65时，杯壁可按表6-8构造配筋，其他情况应按计算配筋。,预制钢筋混凝土柱独立基础示意图,6.6.1 墙下钢筋混凝土条形基础设计,墙下钢筋混凝土条形基础的内力计算一般可按平面应变问题处理，在长度方向上取单位长度计算。设计的内容主要包括基础底面宽度b和基础的高度h及基础底板配筋等。,1.墙下条形基础结构的设计要求,2.基础截面的设计步骤,（1）计算地基净反力：,（2）最大内力设计值（取墙边截面）：,a)砖墙 b）混凝土墙,当轴心作用时：,剪力设计值：,弯矩设计值：,（3）基础底板高度：,（4）基础底板配筋：,【例6-6】某厂房采用钢筋混凝土条形基础，墙厚240mm，上部结构传至基础顶部的轴心荷载F=300kN/m，弯矩M=28.0 kNm/m。条形基础底面宽度b已由地基承载力条件确定为2.0m。试设计基础的高度并进行底板配筋。,【解答】(1)选用混凝土的强度等级为C15，查得fc=7.5MPa；采用I 级钢筋，查得fy =210 MPa。,(2)基础边缘处的最大和最小地基净反力,(3)验算截面I距基础边缘的距离,b=(2.0-0.24)/2m=0.88m,(4)验算截面的剪力设计值,(5)基础计算有效高度,h0V/0.07fc =152.7/0.077.5mm=290.9mm,(6)基础验算截面的弯矩设计值,M= 1/2Vb= M=1/2152.70.88 kNm/m =67.2 kNm/m,(7)基础每延米的受力钢筋截面面积,As =M/0.9fyh 0 =67.2/0.9 210315104 mm2=1129mm2,选配受力钢筋16 170，As=1183mm2，沿垂直于砖墙长度方向配置，在砖墙长度方向配置的分布方向配置8 250的分布钢筋。基础配筋见图6-21 。,有两种破坏形式,一种是在基底净反力作用下，基础底板在两个方向上的弯曲，底部受拉，顶部受压。当危险截面内的弯矩设计值超过底板的抗弯强度时，底板就发生弯曲破坏。,第二种破坏形式：当基础底板面积较大时，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450斜裂面的角锥体。,处理方法,需在底板下部配置钢筋,处理方法,基础底板要有足够的厚度,6.6.2 柱下钢筋混凝土独立基础设计,1. 截面的设计计算步骤,（1）地基净反力计算：,轴心受压：,偏心受压：,柱下独立基础的抗冲切验算,（2）基础高度确定：,1）轴心受压基础：,当基础宽度大于 冲切锥体底边宽 度即lat+2h0时,当基础宽度小于冲 切锥体底边宽度， 即lat+2h0时,求出有效高度h0后， 即可求得基础底板 厚度：有垫层时 h=h0+40(mm)；无 垫层时h=h0+75(mm)。,柱下独立基础的抗冲切验算 1冲切破坏锥体最不利一侧的斜截面 2冲切破坏锥体的底面线,偏心荷载作用下基础高度的计算方法与中心荷载作用时基本相同，仅需将式（6-23）中F1=pjA1,改为F1=pjmaxA1即可，此时pjmax=F/A(1+6e0/l)。,2）偏心受压基础,长边方向,短边方向,求出相应的配筋,（3）基础底板配筋：,对于矩形基础，当台阶的宽高比小于或等于2.5和偏心距小于或等于1/6基础宽度时，任意截面的弯距可按下列公式计算：,【例6-7】某柱下锥形独立基础的底面尺寸为2200mm3000mm，上部结构柱荷载F=750 kN，M=110 kNm，柱截面尺寸为400mm400mm，基础采用20级混凝土和级钢筋。试确定基础高度，并进行基础配筋。,【解答】(1)设计基本数据,根据构造要求，可在基础下设置100mm厚的混凝土垫层，强度等级为C10；假设基础高度为h=500mm，则基础有效高度h0=0.5-0.05=0.45m；C20级混凝土的ft=1. 1103 kPa，级的钢筋的fy=210MPa。,(2)基底净反力计算,由于l a +2h0，于是,F1=pmax A1150.0kPa1.68 m2=252 kN,0.7fthp amh00.71.01.11030.850.45kN=294.5 kN,满足F10.7fthp amh0条件，选用基础高度h=500mm合适。,(3)基础高度验算,基础短边长度l=2.2m，柱截面的宽度和高度a=bc=0.4m。hp =1.0， at =a =0.4m， ab=a +2h0 =1.3m，故,(4)内力计算与配筋,设计控制截面在柱边处，此时相应的a，b，a1和pj值为,a =b =0.4m，a1=( b-b )/2=(3.0-0.4)/2m=1.3m,长边方向,M1/12a12（2l+a）(pmax+pG/A)+（pmaxp）l =182.4 kNm,短边方向,M1/48（l -a）2（2b+ b）(pmax +pminG/A) =99.5 kNm,长边方向配筋,As=M/0.9fyh0,选用1116 210(As=2211mm2)。,短边方向配筋 As =M/0.9fyh0 选用1510 200(As=1178mm2),基础的配筋见图6-24,6.7 减少不均匀的措施,6.7.1 建筑措施,1.建筑体形力求简单；,2.当建筑体形比较复杂时，宜根据其平面形状和高度差异情况，在适当的位置设置沉降缝；,3.当高度差异或荷载差异较大时，可将两者隔开一定距离，或采用自由沉降的连接构造。,6.7.2 结构措施,3.调整各部分的荷载分布、基础宽度或埋置深度。,2.设置地下室或半地下室，采用覆土少、自重轻的基础；,1.选用轻型结构，减少墙体自重，采用架空地板代替室内填土；,6.7.3 施工措施,基本原则： 先重后轻，化整为零，保护持力层，考虑周边影响，控制加载速度。,结束！ 谢谢大家！,
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