基础工程的设计原则

第1章基础工程的设计原则§1-1概述基础工程是连接上部结构与地基之间的过渡结构。它的作用是将上部结构承受的各种荷载安全传递至地基，并使地基在建筑物允许的沉降变形值内正常工作，从而保证建筑物的正常使用。因此，基础工程的设计必须根据上部结构传力体系的特点，建筑物对地下空间使用功能的要求；地基土质的物理力学性质，结合施工设备能力，考虑经济造价等各方面要求，合理选择，比较基础工程设计方案，具体问题具体分析。进行基础工程设计时，应将地基、基础视为一个整体，在基础底面处满足变形协调条件及静力平衡条件（基础底面的压力之和与地基反力之和大小相等，方向相反）。作为支撑建筑物的地基如为天然状态则为天然地基，若经过人工处理则为人工地基。基础一般按埋置深度，施工方法分为浅基础与深基础。荷载相对传至浅部受力层，采用普通基坑开挖，敞坑排水的基础称为浅基础，如砖混结构的墙下条形基础，柱下单独基础；柱下条形基础，十字交叉基础，片筏基础，高层结构的箱形基础等。采用较复杂的施工方法将基础埋置于深层地基中的基础称为深基础。如桩基础、沉井、地下连续墙等。本章只讨论土木工程中常见的地基类型、基础类型与基础工程设计的基本原则。1-1-1基础工程设计的目的土木工程结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果（危及人的生命，造成经济损失，产生社会影响等）的严重性，采用不同的安全等级，我国现行的《建筑地基基础设计规范》将地基基础设计分三个设计等级（表1.1.1）。同时，在设计规定的期限内，结构或结构构件只需进行正常的维护便可按其预定的目的使用，而不需进行修理加固。此为结构的设计工作寿命（表1.1.2）。根据具体的基础安全等级，设计工作寿命分类，首先应对结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分下列三种设计状况：1.持久状况。在结构使用过程中一定出现，其持续期很长的状况。持续期一般与设计工作寿命为同一数量级。2.短暂状况。在结构施工和使用过程中出现概率较大，而与设计工作寿命相比，持续期很短的状况，如施工和维修等。3.偶然状况。在结构使用过程中出现概率很小，且持续期很短的状况，如火灾，爆炸、撞击等。表1-3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地基条件简单、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；次要的轻型建筑物表1-6设计使用年限分类类别设计工作寿命（年）举例11-5临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和一般建筑物4100及以上纪念性建筑及其它特殊重要建筑结构1-1-2基础工程设计的任务对于不同的设计状况，可采用不同的结构体系，并对该体系进行结构分析。结构效应分析是基础工程设计的主要任务。其一为基础结构作用效应分析，确定由于地基反力上部结构荷载作用在基础结构上的作用效应。既基础结构内力：弯矩、剪力、轴力等。其二根据拟定的基础截面进行基础结构抗力及其它性能的分析，确定基础结构截面的承受能力及其性能。当按承载能力极限状态设计时，根据材料和基础结构对作用的反应，可采用线性、非线性或塑性理论计算。当按正常使用极限状态设计时，可采用线性理论计算；必要时，可采用非线性理论计算。其计算的结果均应小于基础材料的抵抗能力。例如轴压基础，基础内部的压应力应小于基础材料的轴心抗压强度。§1-2地基基础设计原则1-2-1概率极限设计法与极限状态设计原则（略）1-2-2基础工程设计基本资料1.荷载资料一般建筑物结构设计时，将上部结构、基础与地基三者分开独立进行。以平面框架柱下条形基础的结构分析为例：分析时首先求解荷载作用下框架柱底部的内力，将该内力作为基础结构承受的外荷载施加于基础顶面，根据静力平衡条件求解基底反力；此时以柱脚内力，基底反力作为基础结构承受的荷载求解基础内力。进行地基计算时，则将基底反力反向施加于地基，作为外荷载根据不同的地基模型求解地基的内力与变形，从而验算地基承载力和基础沉降（图1-1）。桥梁结构将连续梁桥面与墩台作为上部结构，求解墩台底面的内力，该内力作为基础荷载施加于墩台基础顶面，其余分析同上（图1-2）。因此基础工程设计的第一份资料是按相关规范计算的传至基础顶面的荷载（包括轴力、剪力和弯矩）。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按下列规定：⑴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，传于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。相应的抗力应采图1-1地基、基础、上部结构的常规分析简图用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。⑵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。⑶计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其荷载分项系数为1.0。⑷在确定基础或桩台亮度、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，采用相应的荷载分项系数。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。⑸结构重要性系数γ0取值不应小于1.0。2.岩土工程勘察资料（略）3.原位测试资料（略）1-2-3地基基础设计基本规定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下列规定：⑴所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定；⑵甲级、乙级建筑物、均应按地基变形设计；⑶表1-8所列范围内的丙级建筑物可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算：1)地基承载力特征值小于130kPa，且体型复杂的建筑；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薄不均的填土，其自重固结未完成时。⑷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建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性；⑸基坑工程应进行稳定性验算；⑹当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在地下室上浮问题时，尚应进行抗浮验算。表1-8可不作地基变形计算的丙级建筑物范围地基主要受力层情况地基承载力特征值fnk(kPa)60≤fnk8080≤fnk100100≤fnk130130≤fnk160160≤fnk200200≤fnk300各土层坡度（%≤5≤5≤10≤10≤10≤10建筑类型砌体承重结构、框架结构（层数）≤5≤5≤5≤6≤6≤7单层排架结构（σm柱距）单跨吊车额定起重量（t）5～1010～1515～2020～3030～5050～100厂房跨度（m）≤12≤18≤24≤30≤30≤30多跨吊车额定起重量（t）3～55～1010～1515～2020～3030～75厂房跨度（m）≤12≤18≤24≤30≤30≤30烟囱高度（m）≤30≤40≤50≤75≤100水塔高度(m)≤15≤20≤30≤30≤30容积（m3）≤5050～100100～200200～300300～500500～1000注：①地基主要受力层系指条形基础底面下深度为3b（b为基础底面宽度），独立基础下为1.5b，且厚度均不小于5m的范围（二层以下一般的民用建筑除外）;②地基主要受力层中如有承载力特征值小于130kpa的土层时，表中砌体承重结构的设计，应符合地基规范第七章的有关要求；③表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑，对于工业建筑可按厂房高度、荷载情况折合成与其相当的民用建筑层数；④表中吊车额定起重量、烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值。从以上规定可以知道，基础工程设计前必须对地基的强度、变形、稳定性进行验算。而在上部结构构件设计时，有些是通过构造措施来保证，不需要进行具体的计算。基础内力计算是根据基础顶面作用的荷载，基础底面土体的反力作为外荷载，运用静力学、结构力学的方法求解而进行。荷载组合要考虑多种荷载同时作用在基础顶面，又要按承载力极限状态和正常使用状态分别进行组合，并取各自的最不利组合进行设计计算。一般荷载效应组合的规定如下。正常使用极限状态下，荷载效应的标准组合值Sk可用下式表示：SK=SGK+SQ1K+Ψc2SQ2K+……+ΨcnSQnK（1-1）式中SGK－按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；SQiK－按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值；Ψci－可变荷载Qi的组合值系数，按现行《建筑结构荷载规范》GB50009的规定取值。承载能力极限状态下，由可变荷载效应控制的基本组合设计值S，可用下式表达：S=γGSGK+γQ1SQ1K+γQ2Ψc2SQ2K+……+γQnΨc2SQnK（1-2）式中γG－永久荷载的分项系数，按现行《建筑结构荷载规范》GB50009的规定取值；γQi－第i个可变荷载的分项系数，按现行《建筑结构荷载规范》GB50009的规定取值。对由永久荷载效应控制的基本组合，可采用简化规则，荷载效应组合的设计值S按下式确定：S=1.35Sk≤R（1-3）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－荷载效应的标准组合值。基础顶面作用的荷载，来源于上部结构的力学解答，是框架柱、排架柱的柱端轴力、剪力、弯矩值，或墙体底部的轴力数值。这些数值的取值应根据最不利条件选取。例如偏心受压柱的柱端内力值有四种组合：⑴+及相应的N、V；⑵-及相应的N、V；⑶及相应的M、V；⑷及相应的M、V；以上四种状况均可以传递至基础与地基土层，因此在计算基础底面尺寸时应以恒载为主，用第三种情况求解，而第一、二种情况也会发生，必须应用这二种情况求解基底最大压力值，验算基础底面尺寸是否满足。当计算基础沉降变形时不应计入风荷载和地震作用，其计算值小于地基变形的允许值。§1-3地基类型1-3-1天然地基1.土质条件在漫长的地质年代中，岩石经历风化、剥蚀、搬运、沉积生成土。按地质年代划分为“第四纪沉积物”，根据成因的类型分为残积物、坡积物和洪积物，平原河谷冲积物（河床、河漫滩、阶地），山区河谷冲积物较前者沉积物质粗、大多为砂料所充填的卵石，圆砾等。粗大的土粒是岩石经物理风化作用形成的碎屑，或是岩石中未产生化学变化的矿物颗粒，如石英和长石等；而细小土料主要是化学风化作用形成的次生矿物和生成过程中混入的有机物质。粗大土粒其形状呈块状或粒状，而细小土粒其形状主要呈片状。土按颗料级配或塑性指数可划分为碎石土、砂土、粉土和粘性土。碎石土和砂土的划分应符合表1-9、表1-10的规定。表1-9碎石、砾石类土的分类土的名称颗粒形状粒组含量漂石块石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于200mm的颗粒超过总重的50％卵石碎石圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于20mm的颗粒超过总重的50％圆砾角砾圆形及亚圆形为主棱角形为主粒径大于2mm的颗粒超过总重的50％注：分类时应根据粒组含量栏从上到下以最先符合者确定。表1-10砂土的分类土的名称粒组含量砾砂粒径大于2mm者占总重的25％～50％粗砂粒径大于0.5mm者占总重的50％以上中砂粒径大于0.25mm者占总重的50％以上细砂粒径大于0.075mm者占总重的85％以上粉砂粒径大于0.075mm者占总重的50％以上注：同上表注。粒径大于0.075mm的颗粒不超过全部质量50％，且塑性指数等于或小于10的土，应定为粉土。粘性土当塑性指数大于10，且小于或等于17时，应定为粉质粘土；当塑性指数大于17时，应定为粘土。土质地基一般是指成层岩石以外的各类土，在不同行业的规范中其名称与具体划分的标准略