基础工程 第3章天然地基上浅基础设计

第3章天然地基上浅基础设计教学提示：天然地基浅基础是最常见的基础形式，本章主要介绍天然地基上浅基础的设计原理和计算方法。重点讲述浅基础的类型选择、基础埋置深度确定、基础底面尺寸确定、地基承载力和变形验算、扩展基础的设计计算、减轻不均匀沉降危害的措施。介绍地基与基础的共同作用概念、柱下条形基础、十字交叉条形基础、筏板基础、箱形基础的简化计算方法。教学要求：本章主要使学生了解天然地基上浅基础的设计原理与计算方法，掌握浅基础设计步骤和相应的内容，包括基础类型选择、基础埋置深度确定、基础底面尺寸确定、地基承载力和变形验算、扩展基础高度验算和结构设计等。清楚设计过程，能够根据国家相关规范熟练进行浅基础的设计计算。了解补偿性基础概念，掌握常见的减轻建筑物不均匀沉降的建筑、结构和施工措施。了解地基与基础的共同作用概念和一般的地基计算，了解柱下条形基础、十字交叉条形基础、筏板基础、箱形基础的简化计算方法和文克尔地基上梁的计算方法。3.1概述建(构)筑物的设计和施工中，地基和基础占有很重要的地位。它对建(构)筑物的安全和正常使用有很大的影响。地基基础设计必须根据建(构)筑物的用途和安全等级、建筑布置和上部结构类型，充分考虑建筑场地和地基的工程地质条件，结合施工条件和环境保护等要求，合理选择地基基础方案，因地制宜，精心设计，力求基础工程安全可靠、经济合理和施工方便，以确保建(构)筑物的安全和正常使用。地基可分为天然地基与人工地基。直接放置基础的天然土层称为天然地基。若天然地基土质过于软弱或有不良的工程地质问题，需要经过人工加固或处理后才能修筑基础，称为人工地基。天然地基上的基础，由于埋置深度不同，采用的施工方法、基础结构形式和设计计算方法也不相同，根据埋置深度可以分为浅基础和深基础两类。当基础的埋置深度小于基础的最小宽度时，称为浅基础。浅基础埋入地层深度较浅(一般小于5m)，设计计算时可以忽略基础侧面土体对基础的影响，基础结构形式和施工方法也较简单，造价也较低，是建(构)筑物最常用的基础类型。3.1.1地基基础的设计等级建(构)筑物的安全和正常使用，不仅取决于上部结构的安全储备，还要求地基基础有一定的安全度。因为地基基础是隐蔽工程，所以不论地基或基础哪一方面出现问题或发生破坏，很难修复，轻者影响使用，重者导致建(构)筑物破坏，甚至酿成灾害。因此，地基基础设计在建(构)筑物设计中举足轻重。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，《建筑地基基础设计规范》基础工程·24··24·(GB50007—2002)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按表3-1选用。《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024—1985)中虽然没有明确地在基础设计中划分建(构)筑物安全等级，但在实际应用中是根据公路等级与桥涵跨径分类相结合的原则来区分建(构)筑物等级的。表3-1地基基础设计等级设计等级建筑和地基类型甲级重要的工业与民用建筑30层以上的高层建筑体型复杂，层数相差超过10层的高低层连成一体建筑物大面积的多层地下建筑物(如地下车库、商场、运动场等)对地基变形有特殊要求的建筑物复杂地质条件下的坡上建筑物(包括高边坡)对原有工程影响较大的新建建筑物场地和地基条件复杂的一般建筑物位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的基坑工程乙级除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物丙级场地和场基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下民用建筑及一般工业建筑物，次要的轻型建筑物3.1.2地基基础的设计原则、荷载取值与设计内容1.地基基础的设计原则基础工程设计的目的是设计一个安全、经济和可行的地基与基础，保证上部结构物的安全和正常使用。因此，基础工程的基本设计计算原则是：(1)地基设计应具有足够的强度，满足地基承载力的要求。(2)地基与基础的变形满足建筑物正常使用的允许要求。(3)地基与基础的整体稳定性有足够保证。(4)基础本身有足够的强度、刚度和耐久性。地基与基础方案的确定主要取决于地基土层的工程地质与水文地质条件、上部结构类型与荷载条件、使用要求、材料与施工技术等因素。基础方案应作不同方案的比较，选择较为适宜与合理的设计方案与施工方案。《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)规定，地基基础的设计与计算应满足承载力极限状态和正常使用极限状态的要求。根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应符合：(1)所有建筑物的地基计算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)建筑物情况和地基条件复杂的丙级建筑物地基，尚应做变形验算，以保证建筑物第3章天然地基上浅基础设计·25··25·不因地基沉降影响正常使用。(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。2.地基基础的荷载取值规定《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)规定，地基基础设计时，荷载取值应符合现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)的规定，所采用的荷载效应最不利组合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荷载效应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，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准永久组合，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，应按承载能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0γ不应小于1.0。3.地基基础设计内容和一般步骤(1)选择基础的材料、类型，确定平面布置。(2)选择基础的埋置深度，即确定地基持力层。(3)确定地基承载力特征值。(4)根据传至基础底面上的荷载效应和地基承载力特征值，确定基础底面积。(5)根据传至基础底面上的荷载效应进行相应的地基验算(变形和稳定性验算)。(6)根据传至基础底面上的荷载效应确定基础结构尺寸，进行必要的结构计算。(7)绘制基础施工图。3.2浅基础的类型天然地基上的浅基础，根据基础形状和大小可以分为：独立基础、条形基础(包括十字交叉条形基础)、筏板基础、箱形基础等。根据基础所用材料的性能可分为刚性基础和柔性扩展基础。基础工程·26··26·3.2.1刚性基础刚性基础(无筋扩展基础)通常是由砖、块石、毛石、素混凝土、三合土和灰土等材料建造的且不需要配置钢筋的基础，这些材料有较好的抗压性能，但抗拉、抗剪强度不高，设计时要求限定基础的扩展宽度和基础高度的比值，以避免基础内的拉应力和剪应力超过其材料强度。相应而言，基础的相对高度一般都比较大，几乎不会发生弯曲变形，习惯上称为刚性基础。刚性基础可用于六层和六层以下(三合土基础不宜超过四层)的民用建筑和砌体承重的厂房，其特点是稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载，主要缺点是自重大，且当基础持力层为软弱土时，由于扩大基础面积有一定限制，须对地基进行处理或加固后才能采用。对于荷载大或上部结构对沉降差较敏感的情况，当持力层为深厚软土时，刚性基础作为浅基础是不适宜的。砖基础是应用最广泛的一种刚性基础(如图3.1所示)。砖基础各部分的尺寸应符合砖的模数。砖基础一般做成台阶式，俗称“大放脚”。其砌筑方式有两皮一收和二一间隔收(又称两皮一收与一皮一收相间)两种。两皮一收是每砌两皮砖，即120mm，收进1/4砖长，即60mm；二一间隔收是从底层开始，先砌两皮砖，收进1/4砖长，再砌一皮砖，收进1/4砖长，如此反复。毛石基础是用未经人工加工的石材和砂浆砌筑而成，如图3.2所示。其优点是易于就地取材，价格低，但施工劳动强度大。(a)两皮一收砌法(b)二一间隔收砌法图3.1砖基础剖面图图3.2毛石基础三合土基础是用石灰、砂、骨料(矿渣、碎砖或碎石)三合一材料加适量的水分充分搅拌均匀后，铺在基槽内分层夯实而成，如图3.3所示。三合土基础常用于我国南方地区，地下水位较低的四层及四层以下的民用建筑工程中。灰土基础由熟化后的石灰和黏性土按比例拌和并夯实而成，如图3.4所示。施工时每层需铺灰土220～250mm，夯实至150mm，称为“一步灰土”。根据需要可设计成二步灰土或三步灰土。图3.3三合土基础第3章天然地基上浅基础设计·27··27·混凝土和毛石混凝土基础的强度、耐久性与抗冻性都优于砖石基础，因此，当荷载较大或位于地下水位以下时，可考虑选用混凝土基础，如图3.5所示。混凝土基础水泥用量大，造价稍高，当基础体积较大时，可设计成毛石混凝土基础。毛石混凝土基础是在浇筑混凝土过程中，掺入20%～30%(体积比)的毛石，以节约水泥用量。由于其施工质量控制较困难，使用并不广泛。图3.4灰土基础图3.5混凝土基础无筋扩展基础也可由两种材料叠合组成，例如，上层用砖砌体，下层用混凝土。3.2.2钢筋混凝土扩展基础(柔性扩展基础)当基础承受外荷载较大且存在弯矩和水平荷载作用，同时地基承载力又较低，刚性基础不能满足地基承载力和基础埋深的要求时，可以考虑采用钢筋混凝土基础。钢筋混凝土基础可用扩大基础底面积的方法来满足地基承载力的要求，而不必增加基础的埋深，能得到合适的基础埋深。钢筋混凝土基础常见的有柱下独立基础、条形基础和十字交叉条形基础、筏板与箱形基础，其整体性能较好，抗弯和抗剪性能好。1.柱下独立基础柱下独立基础又称单独基础，基础截面可设计成台阶形或锥形，预制柱下一般采用杯口形基础，基础形式如图3.6所示。轴心受压柱下的基础底面形状一般为方形，偏心受压柱下的基础底面形状一般为矩形。桥梁基础中常把相邻两柱相连，又称作联合基础或双柱联合基础，如图3.7所示。房屋建筑中，当一边柱靠近建筑边线、或二柱间距较小，而出现基底面积不足或偏心过大等情况时，也采用双柱联合基础。图3.6柱下独立基础图3.7双柱联合基础基础工程·28··28·2.条形基础条形基础是指单向条状的基础，钢筋混凝土条形基础可分为墙下钢筋混凝土条形基础(如图3.8所示)、柱下钢筋混凝土条形基础(如图3.9所示)和十字交叉钢筋混凝土条形基础(如图3.10所示)。图3.8墙下钢筋混凝土条形基础(1)墙下钢筋混凝土条形基础，横截面根据受力条件分为不带肋和带肋两种，其设计计算属于平面应变问题，只考虑基础横向受力发生破坏。图3.9柱下钢筋混凝土条形基础图3.10柱下十字交叉钢筋混凝土条形基础(2)当地基承载力较低且柱下钢筋混凝土独立基础的底面积不能承受上部结构荷载作用时，常把一个方向柱基础连成一条，形成单向的柱下条形基础，如图3.9所示。将承受的集中荷载较均匀地分布到条形基础底面积上，以减小地基反力，利用基础的整体刚度来调整可能产生的不均匀沉降。当单向条形基础底面积仍不能承受上部结构荷载的作用时，将纵横柱基础均连在一起，形成十字交叉条形基础(如图3.10所示)。这种基础在纵横方向均具有一定的刚度，当地基较弱且荷载与土质不均匀时，十字交叉条形基础具有良好的调整不均匀沉降的能力。十字交叉条形基础一般可承担10层以下民用住宅的荷载。3.2.3筏板基础当荷载很大且地基土较软弱，采用十字交叉条形基础也不能满足要求时，可采用筏板基础。筏板基础类似一块倒置的楼盖，基底面积大，可减小基底压力，提高地基土的承载第3章天然地基上浅基础设计·29··29·力