土力学课件（清华大学）-第七章__天然地基上浅基础的设计

第七章天然地基上浅基础的设计地基基础部分主要内容包括：天然地基上的浅基础的设计、桩和桩基础的设计与计算、沉井等深基础的设计概述、地基基础的抗震设计、地基处理和特殊土地基等六部分。内容上依据了《建筑地基基础设计规范》（GB5007—2002）和《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TBl0002.5—2005)以及《公路桥涵地基与基础设计规范》等规范中的有关规定。 7.1概述任何结构物都建造在一定的地层上，结构物的全部荷载都由它下面的地层来承担。受结构物影响的那一部分地层称为地基；结构物与地基接触的部分称为基础。 一、地基基础方案的类型1、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；需要经过人工加固或处理后能修筑基础，这种地基称为人工地基。特殊地基:需要特殊设计和施工的地基.如:湿陷性黄土、多年冻土、压缩性强的软土等。2、基础根据埋置深度分为浅基础和深基础。深基础时常采用桩基础或沉井基础等。 上海东海大桥 学校新修15栋家属楼桩基础 3、地基基础的特点（1）、隐蔽性（2）、复杂性：（3）、重要性：地基基础的工程量、造价和工期等在整个工程中占相当大的比重，在部分特殊工程中造价超过总造价的1/3。浅平基埋深浅，结构形式简单，施工简便，造价低。 二、基础设计步骤及所需的资料：地基与基础的设计方案、计算中有关参数的选用，都需要根据当地的地质条件、水文条件、上部结构型式、荷载特性、材料情况及施工要求等因素全面考虑。施工方案和方法也应该结合设计要求、现场地形、地质条件、施工技术设备、施工季节、气候和水文等情况来研究确定，因此，应在事前通过详细的调查研究，充分掌握必要的、符合实际情况的资料。 1、浅基础设计所需资料：（1）建筑场地的地形图；（2）岩土工程勘察报告；（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，邻近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要求。 2、浅基础的设计内容与类型(1)确定设计基础的结构型式、材料与平面布置；(2)确定基础的埋置深度D；(3)计算地基承载力特征值fak,并经深度和宽度修正,确定修整后的地基承载力特征值fa。(4)根据作用在基础顶面荷载F和深宽修整后的地基承载力特征值,计算基础的底面积； (5)计算基础高度并确定剖面形状；(6)地基持力层下部存在软弱土层时,需验算软弱下卧层的承载力；(7)地基基础设计等级为甲、乙级建筑物和部分丙级建筑物应计算地基的变形;(8)验算建筑物或构筑物的稳定性;(9)基础细部结构和构造设计;(10)绘制基础施工图. 7.2浅基础的类型7.2.1浅基础的结构类型浅基础设计原则：安全、经济、充分发挥地基承载力；基础具有足够强度、稳定性；地基具有足够强度和稳定性；基础的沉降量和沉降差在规定范围。 按基础的受力性能分为无筋扩展基础（刚性基础）和扩展基础（柔性基础）。(1)、无筋扩展基础：多用砖、石、混凝土作成。无筋扩展基础抗拉、抗剪强度低，用刚性角来限制。刚性角β（基础外伸部分宽与高之比，以tgβ表示）。刚性无筋扩展基础稳定性好，施工简便，能承受较大荷载，自重大，持力层不能为软土。(2)、扩展基础：多用钢筋混凝土作成。扩展基础整体性能好，抗弯刚度大。能增加承受上部荷载能力（承载），增强基础的整体性，避免不均匀沉降。 独立基础：框架结构柱基、高炉、烟囱、水塔基础等均为独立基础 条形基础：基础长度大于或等于10倍基础宽度。如砖混结构的墙基、挡土墙基础等都是条形基础。上部荷载较大，地基承载力较低时，可采用柱下条形基础。 十字交叉基础：上部荷载较大，采用条形基础不能满足地基承载力要求时，可采用十字交叉基础（双向条形基础） 筏板基础：若上部荷载大，地基软弱或地下有防渗要求时可采用筏板基础。筏板基础是用钢筋混凝土材料做成连续整片基础。 筏型基础施工工地 箱形基础：高层建筑荷载大、高度大，按照地基稳定性要求，基础埋深应加深，常采用由现浇钢筋混凝土底板、顶板、纵横外墙与内隔墙组成的箱形基础。箱形基础刚度大、整体性好。 7.2.2基础的材料1、无筋扩展基础：由砖、毛石、素混凝土以及灰土等材料修建的基础。无筋扩展基础材料充足、施工简便、造价低。此类材料抗压强度较大，但不能承受拉力和弯矩。设计对刚性角α（基础外伸部分宽与高之比，以tanα表示）有一定限制。 2、扩展基础：用钢筋混凝土材料建造的基础。在基础内配置足够的钢筋来承受弯矩而产生的拉应力，使基础在受弯时不致破坏。扩展基础需用钢材、水泥，造价较高。 3、对材料的要求基础用材料必须有足够的强度和耐久性。(1)砖：必须用黏土砖或蒸压灰砖.砖的强度等级不低于MU10；严寒地区饱和地基砖的强度等级不低于MU20。(2)石料：包括毛石、块石和经加工平整的料石，应选用不易风化的硬岩石。石料厚度不宜小于15㎝，石料强度等级不小于MU25。(3)素混凝土：混凝土强度、耐久性与抗冻性较好，且刚性角大，便于机械化施工和预制。但混凝土基础的水泥用量大，造价稍高。强度等级不宜小于C10。体积大的混凝土基础可掺入20%～30%片石，称片石混凝土，以节约水泥。 (4)钢筋混凝土：具有良好的抗压、抗弯与抗剪性能。钢筋按计算配置，混凝土强度等级不宜小于C15(5)砂浆：水泥砂浆在很湿或饱和地基中最低强度等级为M5。(6)灰土：灰土作基础或垫层历史悠久，效果良好。中小工程可用三七灰土，搅拌均匀，分层压实作基础。拌好的灰土，可以“捏紧成团，落地开花”为合格。 7.3基础的埋置深度基础的埋置深度一般从室外地面标高算起，至基础底面的深度。在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础宜浅埋，当上层地基的承载力大于下层土时，宜利用上层土作持力层。除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。确定基础埋深需考虑：一、上部结构情况：包括建筑物用途、类型、规模、荷载大小与性质。如建筑物地下室需要使用时，基础埋深至少大于3米；建筑物类型为高层建筑，为满足抗震要求，基础埋深不小于1/10~1/15的建筑物地面以上高度。 二、工程地质和水文地质条件：1、工程地质条件：保证持力层稳定的最小埋深。岩石地基基础修于新鲜岩面（清除覆盖土和风化层）。注意岩层倾斜时，将岩面凿平。 2、水文地质条件：基础尽量做在地下水位以上，便于施工；特殊情况基础需要做在地下水位以下，必须进行基槽排水。基槽开挖时，需要防止槽底土层发生流土破坏。 三、当地冻结深度1.地基土冻结的危害冬季土层冻结，体积膨胀，产生冻胀力，可使基础与墙体上抬而开裂；春季解冻，地基土强度降低，产生沉降。2.地基冻胀分类根据冻胀层的平均冻胀率，地基土分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类。 3.季节性冻土地基的设计冻深季节性冻土地基的设计冻深zd——设计冻深z0——标准冻深Ψzs——土的类别对冻深的影响系数Ψzw——土的冻胀性对冻深的影响系数Ψze——环境对冻深的影响系数 4.基础最小埋深建筑物基础底面之下允许有一定厚度的冻土层时，基础最小埋深dmin=zd-hmaxhmax——基础底面允许残留的冻土层的最大厚度。5.防止冻害的措施（1）对在地下水位以上的基础，基础侧面应回填非冻胀性的中砂或粗砂，厚度不小于10㎝。（2）宜选择地势高、地下水位低、地表排水良好的建筑场地。（3）防止雨水、地表水等侵入建筑地基，应设置排水设施。 （4）在强冻胀和特强冻胀地基上，基础结构应设置钢筋混凝土圈梁和基础梁，并控制上部建筑的长高比，增强建筑物的整体刚度。（5）独立基础联系梁或桩基础承台下有冻土时，应在梁或承台下留有相当于该土层冻胀量的空隙。（6）对跨年度施工的建筑，入冬前应对地基采取相应的防护措施。 四、建筑场地的环境条件1、邻近存在建筑物建筑场地邻近已存在建筑物时，新建工程的基础埋深不宜大于原有建筑物。当埋深大于原有的建筑物时，两基础间应保持一定净距，其数值应根据原有的建筑荷载大小、基础形式和土质情况确定。当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，或加固原有的建筑物基础，2、靠近土坡建筑物靠近各种土坡，基础埋深应考虑邻近土坡临空面的稳定性。 7.4地基计算一、基本规定1.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，将地基基础设计分为甲级、乙级和丙级三个设计等级（见下表）。 设计等级建筑和地基类型甲　级重要的工业与民用建筑物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物；次要的轻型建筑物地基基础设计等级 2.地基计算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，地基基础应进行：（1）所有建筑物的地基均需满足承载力的有关规定；（2）设计等级为甲级、乙级和部分丙级的建筑物，应按地基变形设计。 3.荷载效应最不利组合与相应抗力限值（1）按地基承载力确定基础底面积及埋置深度时，传至基础底面积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）在确定基础高度、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。 pk—基础底面处平均压力值；fa—修正后的地基承载力特征值；Fk—上部结构传至基础顶面的竖向力；Gk—基础自重和基础上的土重；Mk—作用于基础底面的力矩值。二、承载力计算基底压应力的计算（1）在轴心荷载作用下（2）在偏心荷载作用下 中心受荷的基础 当偏心矩e﹥b/6时，pkmin﹤0，会出现应力重分布。 7.4.3地基承载力特征值fak及影响大小的因素地基承载力特征值fak是指：由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线形变形阶段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比例界限值。（1）、地基土的成因与堆积年代；（2）、地基土的物理力学性质；（3）、地下水；（4）、建筑物情况。 7.4.4地基承载力特征值的确定地基承载力特征值可由载荷试验或其他原位测试、公式计算并结合工程实践等方法确定。1、按载荷试验p—s曲线确定2、根据土的抗剪强度指标计算当偏心矩e≤0.033倍基础宽度时b—基础底面宽度，大于6m按6m取值，对于砂土小于3m按3m取值；ck—基底下一倍短边宽深度内粘聚力标准值；Mb、Md、Mc—承载力系数(见表7.9）。 地基承载力特征值也可采用地基临塑荷载pcr、地基临界荷载p1/4或p1/3以及地基极限荷载除以安全系数pu/K来计算。3、当地经验参数法4、地基承载力特征值的深宽修正当基础宽度大于3米或埋深大于0.5米时，应对地基承载力特征值加以修正： 7.4.5地基变形计算建筑物不仅需要满足地基承载力要求，也需要进满足地基变形要求，因此，需进行地基变形计算。计算基底附加应力时，按荷载效应的准永久组合进行计算。 7.4.6软弱下卧层强度验算在成层地基中，如果在地基受力层范围内存在软弱下卧层（承载力显著低于持力层的高压缩性土层）时，必须对软弱下卧层进行验算，要求作用在软弱下卧层顶面处的附加应力与自重应力之和不超过它的承载力设计值。 7.4.7地基稳定性计算在下列情况下，需进行地基稳定性计算（1）、经常受水平荷载作用的高层建筑物和高耸结构；（2）、建造在斜坡或坡顶的建（构）筑物；（3）挡土墙。地基稳定计算采用圆弧滑动面法。但安全系数不小于1.2。 7.5基础尺寸设计基础尺寸设计包括基础底面尺寸与基础高度。根据基础类型、埋深，计算作用在基础底面的荷载和地基承载力特征值，进行基础尺寸设计。作用在基底的荷载包括竖向荷载N、水平荷载T、和力矩M。荷载计算中，对于无门窗的墙体，取1米长计算；有门窗的墙体，取一开间为计算单元。初算一般多层住宅条形基础的荷载，每层按30KN/m计算。 1、基础底面积AγG通常取20KN/米3（1）、独立基础A=l×b（2）、条形基础基础长度l≥10b时，按平面问题计算，取单米长计算，基底面积A=b。7.5.1中心荷载作用下基础尺寸 2、基础高度h为保护基础，通常在基础顶面覆盖保护土层，保护土层厚度一般大于10㎝或15㎝。基础高度h=d-d0基础采用砖、石或素混凝土等刚性材料时，基础高度设计应注意满足刚性角的要求。 7.5.2偏心荷载作用基础尺寸偏心荷载作用下，基础底面积需要加大。（1）、按中心荷载作用下，初步计算基底面积A1；（2）、考虑偏心荷载作用，加大基底面积10%~40%。则A=（1.1~1.4）A1（3）、计算基底最大与最小应力 7.6无筋扩展基础设计7.6.1无筋扩展基础：是由砖、毛石、素混凝土与灰土等材料建筑的基础。只承受压力，不能承受弯矩或拉力。7.6.2无筋扩展基础底面宽度无筋扩展基础底面宽度由于受刚性角限制。故：b≤b0+2htanα例７.４ 7.7扩展基础设计扩展基础底面向外扩展，基础外伸宽度大于基础高度，基础材料承受拉应力，必须采用钢筋混凝土材料。扩展基础适用于荷载较大，有时为偏心荷载或承受弯矩、水平荷载的建筑物基础。 7.7.2扩展基础构造要求（1）锥形基础的边缘高度，不宜小于200㎜，阶梯形基础的每阶高度，宜为300~500㎜；（2）垫层的厚度不宜小于70㎜，垫层混凝土强度等级应为C10；（3）底板受力钢筋的最小直径不宜小于10㎜，间距不宜大于200㎜，也不宜小于100㎜。钢筋保护层厚度有垫层时不宜小于40㎜，无垫层时不宜小于70㎜；（4）混凝土强度等级不应低于C20。 （5）预制钢筋混凝土柱与杯口基础的连接，应满足：柱的插入深度按表7.12选用，并满足锚固长度要求和吊装时柱的稳定性。表７.12柱的插入深度h1㎜矩形或工字形柱双肢柱h＜500500≤h＜800800≤h≤1000h＞1000h~1.2hh0.9h且≥8000.8h且≥1000（1/3~1/2）ha（1.5~1.8）hb注:①h为柱截面长边尺寸；ha为双肢柱整个截面长边尺寸；hb为双肢柱整个截面短边尺寸。②：柱轴心受压或小偏心受压时，h1可适当减小，偏心距大于2h，h1应适当加大。 基础的杯底厚度和杯壁厚度，可按表7.13选用。 杯壁的配筋①当柱为轴心或小偏心受压且t/h2≥0.65，或大偏心受压且t/h2≥0.75时，杯壁可不配筋；②当柱为轴心或小偏心受压且0.5≤t/h2＜0.65时，杯壁按表7.14构造配筋；③其他情况应按计算配筋。表7.14杯壁构造配筋㎜柱截面长边尺寸h＜10001000≤h＜15001500≤h≤2000钢筋直径8~1010~1212~16 7.7.3扩展基础计算（１）扩展基础底面积（2）扩展基础高度和变阶处高度对矩形截面柱的矩形基础,在柱与基础交接处和基础变阶处的受冲切承载力按下式计算: 基础底板厚度为基础有效h0加承台底面钢筋的混凝土保护层之和。有垫层时：h=h0+40㎜无垫层时：h=h0+75㎜保护层厚度不宜小于70㎜，当设素混凝土垫层时，保护层厚度可适当减小。工程中常先设定承台高度h，并取h0=h-保护层厚度，再进行检算。 （3）扩展基础弯矩计算在轴心荷载或单向偏心荷载作用下底板受弯。①矩形基础弯矩计算当矩形基础台阶的宽高比小于或等于2.5和偏心矩小于或等于1/6基础宽度时，任意截面的弯矩可按下式计算： ②墙下条形基础弯矩计算墙下条形基础任意截面的弯矩计算可取l=1m计算。其最大弯矩截面位置应符合下列规定：墙体材料为混凝土时，a1=b1;砖墙且放脚不大于1/4砖长时，取a1=b1+0.06（4）基础底板配筋根据《规范》规定，基础底板内受力钢筋面积按下式计算 7.8柱下条形基础设计1、应用范围（1）单柱荷载大，地基承载力不很大，按常规设计的柱下独立基础，需要底面积大，基础之间净距很小；（2）对于不均匀沉降或振动敏感的地基，为加强结构整体性，将柱下独立基础连成条形基础。 2、截面类型根据柱子的数量、基础的剖面尺寸、上部荷载大小以及结构刚度等情况，柱下条形基础分为：（1）等截面条形基础（2）局部扩大条形基础3、设计要点（1）构造要求①基础梁高H宜为（1/4~1/8）柱距，翼板厚度h不小于200㎜，翼板厚大于250㎜时，宜采用变厚度翼板，坡度≤1：3。②条形基础的端部宜向外伸出，其长度宜为第一跨距的0.25倍。 ③现浇柱与条形基础梁的交接处，平面尺寸可按下图。④条形基础梁顶部和底部的纵向受力钢筋不仅要满足计算要求，而且顶部钢筋按计算配筋全部贯通，底部通长钢筋的面积不应小于底部受力钢筋截面总面积的1/3。⑤柱下条形基础的混凝土强度等级不小于C20 （2）基础底面积A柱下条形基础可当作一狭长的矩形基础进行计算（3）条形基础梁的内力计算当地基比较均匀，上部结构刚度较大，荷载分布较均匀，并且条形基础梁的高度H＞1/6L时，可按连续梁计算。当上部结构刚度不大，荷载分布不均匀，且条形基础梁高H＜1/6L时，可按文克尔（Winkler)假定，采用弹性地基梁计算 7.9十字交叉基础一、应用范围当单柱的上部荷载大，按条形基础设计无法满足地基承载力要求时，可采用交叉条形基础（十字交叉基础），使基础底面面积和基础整体刚度相应增大，同时可以减小地基的附加应力和不均匀沉降。二、设计要点十字交叉梁为超静定空间结构，通常采用简化计算法。在基础交叉节点上，将柱荷载在纵横两个方向条形基础上进行分配，同时满足变形协调关系，即分配后的荷载分别作用于纵向与横向基础梁上时，纵、横双向条形基础在各交叉节点处的变形相等。简化计算时，假定纵、横梁的抗扭刚度为零。每个交叉节点由下列两个方程组成。Ni=Nix+NiyWix=Wiy 7.10筏形基础一、应用范围上部结构荷载较大，地基土较软，采用十字交叉基础不能满足地基承载力要求或采用人工地基不经济，可采用筏形基础。筏形基础分为梁板式和平板式两种类型，具体可根据地基土质、上部结构体系、柱距、荷载大小以及施工条件等确定。二、筏形基础内力的计算及配筋要求地基比较均匀、上部结构刚度较好，并且柱荷载及柱间距的变化不超过20％，筏形基础可仅考虑局部弯曲作用，按倒置楼盖法进行计算。计算时地基反力视为均布荷载，其值应扣除底板自重。地基比较复杂、上部结构刚度较差，或柱荷载及柱间距变化较大时，筏基内力应按弹性地基梁板方法计算。三、筏形基础的承载力计算要点梁板式筏基底板的板格应满足受冲切承载力要求。梁板式筏基的板厚不应小于300mm，且板厚与板格的最小跨度之比不应小于1／20。平板式筏基的板厚应满足受冲切承载力的要求。板的最小厚度不宜小于400mm。 7.11箱形基础简介7.11.1概述箱形基础是指由底板、顶板、侧墙及一定数量内隔墙构成的整体刚度较大的钢筋混凝土箱形结构。7.11.2箱形基础的特点（1）箱基整体性好、刚度大（2）箱基沉降小；（3）箱基抗震性好；7.11.3箱形基础适用范围（1）高层建筑（2）重型设备（3）需要地下室的各类建筑（4）上部结构荷载大，地基土差（5）地震烈度高的重要建筑物 7.12地基基础与上部结构共同工作的概念一、地基、基础与上部结构的关系1、常规考虑方法通常把上部结构、基础和地基三者分开考虑。视彼此相互独立的结构单元，进行静力平衡分析计算。2、常规方法评价常规方法，对于单层排架结构一类的上部柔性结构和地基图纸良好的独立基础，可得到满意的结果；但对于其它结构，结构可能得不到满意结果。 3、合理的分析计算方法（1）地基、基础和上部结构三者相互联接成整体，共同承担荷载产生相应的变形；（2）三者都按各自的刚度，对相互的变形产生制约作用，因而制约整个体系的内力、基底反力和结构变形及地基沉降发生变化；（3）三者之间同时满足静力平衡和变形协调两个条件；（4）建立正确反映结构刚度的理论；（5）研究合理反映土的变形特性的地基计算模型参数； 二、基础刚度的影响1、柔性基础柔性基础可随地基的变形而任意弯曲；柔性基础的基底反力分布与作用在基础上的荷载分布相同；均布荷载下柔性基础的基底沉降为中部大，边缘小；柔性基础无力调整基底的不均匀沉降，不能改变传至基底的荷载分布。2、刚性基础刚性基础在荷载作用下基础不产生挠曲；刚性基础基底平面沉降后仍保持平面；刚性基础基底反力分布与荷载分布无关，与荷载合力大小及作用点位置有关；刚性基础随上部荷载的变化，基底应力也会发生变化。 三、地基软硬的影响1、软土地基2、坚硬地基3、软硬悬殊地基4、荷载大小影响四、上部结构刚度的影响1、上部结构完全柔性2、上部结构完全刚性3、上部结构为敏感性结构 7.13地基基础方案与改善的措施一、地基基础设计方案比较二、减轻不均匀沉降危害的措施1、不均匀沉降产生的原因与解决途径（1）不均匀沉降产生原因（2）不均匀沉降引起墙体裂缝（3）消除或减轻不均匀沉降危害的途径采用桩基础或深基础；人工加固地基；采取建筑、结构与施工措施。 2、建筑措施设计建筑物的体型力求简单；设置沉降缝；调整建筑物高度；控制相邻建筑物间距。3、结构措施减轻建筑物自重；增强建筑物的刚度和强度；减小或调整基底的附加应力；采用对不均匀沉降不敏感的结构。4、施工措施保持地基土的原状结构；合理安排施工顺序。 三、补偿性基础设计在深厚的软土地基上建高层或多层建筑物时，因地基强度低、压缩性大且流变性，可采用补偿性设计。1、基本概念利用卸除大量地基土的自重应力，以抵消建筑物荷载的设计，称为补偿性设计。2、补偿性设计分类全补偿性设计：补偿性基础底面实际平均压力等于原有土的自重应力；超补偿性设计：补偿性基础底面实际平均压力小于原有土的自重应力；欠补偿性设计（部分补偿性设计）：补偿性基础底面实际平均压力大于原有土的自重应力