第7讲--浅基础设计

1第7章浅基础设计第1节地基基础设计的基本原则第2节浅基础的类型第3节基础埋置深度的选择第4节地基承载力第5节基础底面尺寸的确定第6节基础变形验算第7节减轻不均匀沉降损害的措施2第1节地基基础设计的基本原则一、概述建筑物地基可分为天然地基和人工地基，基础可分为浅基础和深基础。深基础埋深较大，其主要作用是把所承受的荷载相对集中地传递到地基深部；而浅基础则是通过基础底面、把荷载扩散分布于浅部地层。3浅基础不同于深基础主要表现在：1.从施工角度看，开挖基坑过程中降低地下水位（当地下水位较高时）和保证坑壁（或边坡）稳定的问题比较容易解决；2.从设计角度来看，浅基础的埋置深度一般较浅，因此可以只考虑基础底面以下土的承载力，不考虑基础底面以上土的抗剪强度对地基承载力的作用，还忽略基础侧面土提供的竖向承载力。4浅基础的设计，不能离开地基条件孤立地进行，故常称为地基基础设计。地基基础设计是建筑物结构设计的重要组成部分。基础的型式和布置，要合理地配合上部结构的设计，满足建筑物整体的要求，同时要做到便于施工、降低造价。《建筑地基规范》——GB5007-2002《路桥地基规范》——JTJ024-855天然地基上结构较简单的浅基础，最为经济，如能满足要求，宜优先选用。天然地基、人工地基上浅基础设计的原则和方法基本相同，只是采用人工地基上的浅基础方案时，尚需对选择的地基处理方法进行设计，并处理好人工地基与浅基础的相互影响。6天然地基上浅基础的设计，包括下述各项内容：1.选择基础的材料、类型和平面布置；2.选择地基持力层和基础埋置深度；3.确定地基承载力；4.按地基承载力（持力层和下卧层）确定基础尺寸；5.进行地基变形与稳定性验算；6.进行基础结构设计；7.绘制基础施工图，提出施工说明。7上述浅基础设计的各项内容是相互关联的，设计时可按上述顺序，首先选择基础材料、类型和埋深，然后逐项进行计算，如果发现前面的选择不妥，则需修改设计，直至各项计算均符合要求，各数据前后一致为止。8二、概率极限设计方法与极限状态设计原则土木工程领域的设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。20世纪80年代开始在建筑工程领域内使用概率极限状态设计原则。概率极限设计方法：以结构的可靠度指标（或失效概率）来度量结构的可靠度，并建立结构可靠度与结构极限状态方程关系。9极限状态分为下列两点：（1）承载能力极限状态：结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载大变形。（2）正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。0),,(n21xxxg当有作用效应和结构抗力时0SR10三、地基基础设计基本规定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该满足下述三项基本原则：（1）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。11（2）控制地基的变形，使之不超过建筑物的地基变形允许值。（3）基础的材料、型式、尺寸和构造还应满足对基础结构的强度、刚度和耐久性的要求。12必须强调的是：地基基础问题的解决，不宜单纯着眼于地基基础本身，按常规设计时，更应把地基、基础与上部结构视为一个统一的整体，从三者相互作用的概念出发考虑地基基础方案。13三、地基基础设计荷载规定例1：在各种荷载条件下，建筑物上部结构的荷载传至基础底面的压力及土和基础的自重压力分别见下表，基础埋置深度为3m，基础底面以上土的平均重度为12kN/m3。承载力极限状态正常使用极限状态土和基础的自重压力基本组合标准组合准永久组合1.35*165=222.7516515060141.确定基底尺寸时，基础底面的压力值。2.计算地基变形时，基础底面的压力值。3.需验算建筑物的地基稳定时，基础底面的压力值。4.计算基础结构内力时，基础底面值。5.验算基础裂缝宽度时，基础底面值。15第2节浅基础的类型一、扩展基础上部结构通过墙、柱等承重构件传递的荷载，在其底部横截面上造成的压强通常远远大于地基的承载能力。这就要求在墙、柱之下设置水平截面向下扩大的基础-16扩展基础，以使从墙或柱传递下来的荷载扩散分布于扩大后的基础底面，使之满足地基承载力和变形的要求。1.无筋扩展基础（刚性基础）无筋扩展基础系指由砖、毛石、混凝土、灰土和三合土等材料组成的墙下条形基础或柱下独立基础。17无筋扩展基础18无筋扩展基础的特点是：材料具有较好的抗压性能，稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载，所以只需地基承载力能满足要求，适用于多层民用建筑和轻型厂房。当基础较厚时，可在纵横两个剖面上都做成台阶形，以减少基础自重，节省材料。19无筋扩展基础的主要缺点是：自重大，并且当持力层为软弱土时，由于扩大基础面积有一定限制，需要对地基进行处理或加固后才能采用，否则会因所受的荷载压力超过地基承载力而影响结构物的正常使用。所以对于荷载大或上部结构对差异沉降较敏感的结构物，当持力层土质较差又较厚时，无筋扩展基础作为浅基础是不适宜的。20无筋扩展基础的材料虽具有较好的抗压性能，但其抗拉、抗剪强度却不高。设计时必须保证发生在基础内的拉应力和剪应力不超过相应的材料强度值。这种保证通常是通过对基础构造的限制来实现的，即基础每个台阶的宽度与其高度之比（宽高比）都不得超过规范规定的台阶宽高比的允许值（图1）。21基础在基底反力作用下，在a-a断面产生的弯曲拉应力和剪应力若超过了基础建材的强度值，为防止基础在a-a断面开裂甚至断裂，必须在基础中配置足够数量的钢筋。22砖基础是一般做成台阶式，其砌筑方式有两种，一是“二皮一收”，另一是“二、一间隔收”。232.扩展基础（柔性基础或弹性基础）扩展基础系指柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础（图2、图3）。扩展基础主要是用钢筋混凝土浇筑，其抗弯和抗剪性能良好，可在竖向荷载较大、地基承载力不高以及承受水平力和力矩荷载等情况下使用，这类基础的高度不受台阶宽高比的限制，故适宜于需要“宽基浅埋”的场合下采用。24二、独立基础（图4）独立基础是配置于整个结构物之下的无筋或配筋的单个基础。独立基础是柱式桥墩和房屋建筑常用的基础形式之一。它的纵横剖面均可砌筑为台阶式，但柱下独立基础用石或砖砌筑时，则在柱子与基础之间用混凝土墩连接。25三、联合基础（图4）当为了满足地基土的强度要求，必须扩大基础平面尺寸，而扩大结果与相邻的单个基础在平面上相接甚至重叠时，则可将它们连在一起成为联合基础。26四、条形基础条形基础分为墙下（图5）和柱下（图6）条形基础，墙下条形基础是挡土墙下或涵洞下常用的基础形式。27五、筏板（筏形）基础和箱形基础筏板（图7）和箱形（图8）基础都是房屋建筑常用的基础形式。当立柱和承重土墙传来的荷载较大，地基土质软弱又不均匀，采用单独或条形基础均不能满足地基承载力或沉降的要求时，可采用该两种基础。28第3节基础埋置深度确定基础的埋置深度是地基基础设计中的重要内容，它涉及到结构物建成后的牢固、稳定及正常使用问题。在确定基础埋置深度时，必须考虑把基础设置在变形较小，而强度又比较大的持力层上，以保证地基强度满足要求，而且不致产生过大的沉降或沉降差。29此外，还要使基础有足够的埋置深度，以保证基础的稳定性，确保基础的安全。确定基础埋置深度时，必须综合考虑地基的地质、地形、水文条件，当地的冻结深度、上部结构形式，以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。30一、与建筑物有关的条件包括建筑物的用途，有无地下室、设备基础、地下设施和构造等。二、作用在建筑物上的荷载大小和性质三、工程地质条件为保护建筑物必须根据荷载的大小和性质给基础选择可靠的持力层（图9）。31四、相邻建筑物的基础埋深（图10）当存在相邻建筑物时，新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑物的基础埋深。当埋深大于原有建筑物的基础埋深时，两基础之间应保持一定净距，其数值应根据原有建筑物荷载大小、基础型式和土质情况而定。32五、水文地质条件（图11）开挖深度六、地基土冻胀和融陷的影响季节性冻土的设计冻深当建筑物允许一定冻深如上述要求不能满足时，应采取分段施工，设临时加固支撑，打板桩，地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物的地基。khh0w0zezwzs0dzzmaxdminhzd33第4节地基承载力地基承载力是指地基土单位面积上承受荷载的能力，以kN／m2或kPa计。在建筑工程中，必须使建筑物基础底面压力不超过规定的地基承载力，以保证地基土不致破坏，即丧失稳定性。同时也要使建筑物不会产生建筑物不容许的沉降和沉降差，以满足建筑物的使用要求。34地基承载力可按三种不同的设计原则获得：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。（1）安全系数设计原则：（2）容许承载力设计原则：（3）概率极限状态设计原则：概率极限状态地基承载力特征值为基础发挥正常使用功能时允许采用的设计值。Kppu][pp35一、按土的抗剪强度指标确定地基承载力和边坡稳定性问题在本质上是一致的。它们都是考虑土中的剪应力与土的抗剪强度之间的关系。地基基础设计首先必须保证在荷载作用下的地基对土体产生剪切破坏而失效方面，应具有足够的安全度。为此，建筑物浅基础的地基承载力验算均应满足下列要求：kcmdbacMdMbMf36几点说明：P165二、按地基载荷试验确定在现场通过一定尺寸的载荷板对扰动较少的浅部地基土体直接加荷，所测得的成果一般能反映相当于1~2倍载荷板宽度的深度以内土体的平均性质。37承载力特征值的确定（图7.15）：1.当p~s曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；2.当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的1.5倍时，取极限荷载值的一半；3.当不能按上述二点确定时，如压板面积为0.25~0.50m2，可取s/b=0.01~0.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。38同一土层参加统计的试验点不应少于3点，各试验实测值的极差不得超过其平均值的30%，取此平均值作为该土层的地基承载力特征值fak。39三、按地基规范承载力表确定（修正后的地基承载力特征值）有些土的物理、力学指标和地基承载力之间存在着良好的相关性。根据建国以来大量工程实践经验、原位试验和室内土工试验数据，以确定地基承载力为目的进行了大量的统计分析，得出便于查用地基承载力的表格。40)5.0()3(mdbakadbff适用范围：基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m。式中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(见表7.10)；b—基础底面宽度（m），当基宽小于3m按3m考虑，大于6m按6m考虑；《建筑地基规范》规定41m—基础底面以上埋深范围内土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；d—基础埋置深度（m），一般自室外地面标高算起。42)3()2(][][22110hKbK适用范围：基础宽度大于2m或埋置深度大于3m且h/b≤4。式中—地基容许承载力；b—基础底面的最小边宽（m），当基宽大于等于10m按10m考虑；—基底下持力层的天然容重；—基底以上土的容重（多层土时用加权平均容重）。《路桥地基规范》规定][01243例1：P170例7.1例2：P170例7.2例3：P2077.344第5节按地基承载力确定基础底面尺寸确定基础底面尺寸时，首先应满足地基承载力要求，包括持力层土的承载力计算和软弱下卧层的验算；其次，验算建筑物的变形特征值。45《建筑地基规范》《路桥地基规范》一、按地基持力层的承载力计算基底尺寸设计浅基础时，一般先确定埋深d并初步选择底面尺寸，求得基底以下持力层的修正后的承载力特征值，再按下列条件验算并调整尺寸直至满足设计要求为止。akfpakmax2.1fp][max46akfp式中pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；fa——修正后的地基承载力特征值。1.当轴心荷载作用时（图12）47AGFpkkk式中Fk——相应于荷载效应