基础工程课件给学生

地基基础设计是建筑结构设计的重要内容之一，与建筑物的安全和正常使用有密切关系。设计时合理选择地基基础方案，因地制宜，精心设计。安全可靠、经济合理、技术先进和施工方便。本章介绍了地基基础设计的基本原则和基本规定，叙述了常规设计方法和合理设计方法各自特点，介绍了地基及基础类别划分以及地基基础与上部结构共同工作的概念。主要内容包括：地基基础设计原则、地基类型、基础类型、地基基础与上部结构共同工作的概念。第10章地基基础的设计原则本章提要10.1地基基础的设计原则基础的主要功能有以下几点：（1）通过扩大的基础底板或桩基础等形式将上部结构传来的荷载(如轴向力、水平力及弯矩等)传递到持力层和下卧土层，以满足地基土的承载力要求；（2）根据地基可能出现的变形及上部结构的特点，利用基础所具有的刚度与上部结构共同调整地基的不均匀变形，以满足上部结构对地基变形的要求；（3）当上部结构受到较大的水平力(如风力、水压力、土压力以及地震作用等)作用时，基础还起抗滑和抗倾覆的作用；（4）作为动力机器的基础还有减振的功能。 建筑物可分为地上部分（上部结构）和地下部分（下部结构）——基础，而基础坐落在地基上。地基作为支撑建筑物的地层，如为自然状态则为天然地基，若为人工处理则为人工地基。地基又分为浅基础和深基础两大类，通常按基础的埋置深度划分。一般埋深小于5m的为浅基础，大于5m的为深基础。也有建议按施工方法来划分的，用普通基坑开挖和敞坑排水方法修建的基础（埋深小于5m）等，而用特殊施工方法将基础埋置于深层地基中的基础称深基础，如桩基、沉井、地下连续墙等。本章只讨论天然地基上的浅基础，人工地基及深基础将在以后的章节中讨论。浅基础有多种形式，是随上部结构类型的增多，使用功能的要求、地基条件、建筑材料和施工方法的发展而演变的，形成了从独立的、条形的到交叉的、成片的乃至空间整体的基础系列。一般应优选天然地基上浅基础，条件不允许时，可比较天然基础深基础和人工地基上浅基础两种方案，确定其一。如多层民用建筑或轻型厂房，当地基为一般第四纪沉积层时，选择天然地基上浅基础为最理想；若浅基础有软弱下卧层则此方案不适宜，可考虑人工地基上浅基础或天然地基上深基础。 建筑物的上部结构，地基和基础三者间相互依存，相互制约，设计者应因地制宜，就地取材的原则，周密考虑，精心设计。尤其应注重工程实践经验。目前对地基基础上部结构工作的理论探讨还处于发展深化阶段，有较多的问题尚不能单纯靠理论解决，因此，积累工程实践资料有助于设计成功。常见的浅基础体形不大，结构简单，在计算单个基础时一般不遵循上部与基础的变形协调条件，也不考虑地基与基础的相互作用，用隔离体法仅考虑静力平衡条件，这种简化方法称为常规设计。大型复杂的基础必须考虑与上部的变形协调条件。设计步骤（1）.选择地基基础方案，确定基础类型（2）.确定基础埋置深度和持力层的承载力。（3）.根据持力层承载力计算基础底面尺寸。（4）.根据需要进行变形验算。（5）.进行基础的结构设计（剖面设计）（6）.绘制基础施工详图，提出施工说明。由于影响地基基础设计的因素较多，方案难以一次确定，一般是先选定后计算，往往需要反复几次才能完成，设计者应该在安全可行的前提下，尽量挖掘地基潜力，充分发挥基础材料性能，强化经济观点，在设计和施工中注意节约尤为重要。此外，还应注意基础工程的施工对周围环境的影响。如化学灌浆加固地基污染水源，强夯和打桩时噪声受影响的居民。基坑开挖排水时，会引起相邻建筑物的地基下沉。 §10.1.2概率极限设计方法与极限状态设计原则国际标准《结构可靠性总原则》ISO2394对土木工程设计采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法。以结构的可靠度指标（或者失效概率）来度量结构的可靠度，并且建立结构可靠度与结构极限状态方程关系，这种设计方法就是以概率论为基础的极限设计方法，简称概率极限设计方法。整个结构或结构的一部分（构件）超过某一特定状态就不能满足设计指定的某一功能要求，这个特定状态称为该功能的极限状态，例如，构件即将开裂、倾覆、滑移、压屈、失稳等。极限状态可分为二类：1．承载能力极限状态结构或构件达到最大承载能力或者达到不适于继续承载的变形状态，称为承载能力极限状态。如：材料强度不够而破坏，或因疲劳而破坏，或产生过大的塑性变形而不能继续承载，结构或构件丧失稳定；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中某项规定限度的状态称为正常使用极限状态。例如，当结构或构件出现影响正常使用的过大变形、过宽裂缝、局部损坏和振动时，可认为结构或构件超过了正常使用极限状态。基础的设计，应满足三个条件或三项原则：1.强度和稳定性条件，即在使用荷载下，地基土体不发生剪切破坏和丧失稳定性。P≤faP—基底反力fa—地基容许承载力2.变形条件，即地基沉降量不超过其允许值。S≤[Δ]3.基础本身满足强度，刚度耐久性要求。 §10.1.3地基基础设计基本规定1．对地基计算的要求地基与基础设计内容和建筑物的设计等级有关。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者影响正常使用的程度，《建筑地基基础设计规范》将地基基础设计分为三个设计等级（见表7-1），甲级、乙级、丙级。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：（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、乙级的建筑物，均应按地基变形设计；（3）表10-2所列出范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍可作变形验算：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，可能发生倾倒时；5）地基内有厚度较大或者厚薄不匀的填土，其自重固结未完成时。（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．关于荷载取值的规定地基基础设计时，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采用：（1）按地基承载力确定基础底面积及埋深时，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校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、地基和斜坡的稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效府的基本组合，但其分项系数均为1.0。（4）在确定基础高度、支挡结构截面、计算基础或支档结构内力、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）由永久荷载效应控制的基本组合值可取标准组合值的1.35倍。 §10.2地基、基础与上部结构相互作用的概念一、基本概念目前的地基基础设计方法是力学分析中的隔离体法，即将上部结构、基础、地基分别按隔离体对待，上部结构与基础接触处的内力作为外荷载（一般为支座反力）,作用于上部结构或基础上（方向相反）。 支座反力取决于基础与上部结构的连接方式，可按铰接或固接求解，地基反力一般按简化法直线分布计算。这种使用方法存在缺陷，即只考虑了三者间的静力平衡条件，未考虑三者间的变形协调条件，即各部分接触面不一定满足变形协调条件。以基础为例，它与地基呈接触状态，其同一位置截面上的变形必然相等，但按上法计算的基础于地基同一截面处的变形不一定相等，这种理论促使人们研究探讨更为合理的方法下图为假想的完全柔性的结构（a）为柔性墙体（未砌筑不搭接的砖跺），（b）为完全柔性的上部结构，它们的整体刚度几乎为零，其作用仅为传递荷载，不参与基础的工作，对地基的变形毫无约束作用，可以完全适应地基变形。实际上这种完全柔性的结构是不存在的，它没有实际意义。 图（c）为普通墙体，它具有一定的刚度，当地基的不均匀沉降引起墙体挠曲变形时，它的抗弯刚度将起一定的抵抗作用，可以调整一些挠曲变形，也就是说，上部结构，地基和基础共同工作发挥了效力。但是因为墙体的强度不够大，不均匀沉降引起的附加应力可使墙体有开裂现象。 (d)为钢筋混凝土墙，具有较大的强度和刚度，因此既可以调整不均匀沉降引起的挠曲变形，又能抵抗附加应力引起的开裂。墙体几乎没有挠曲，是因为共同作用的结果，使地基变形趋于均匀。因此在设计时应该以地基、基础和上部结构之间必然满足静力平衡条件和变形协调条件，基于相互作用分析设计方法已被称为“合理设计”，但毕竟还处于研究阶段，一般基础设计仍然采用常规方法。二.地基和基础的相互作用建筑物基础的沉降，内力基底反力的分布，除了与地基因素有关外，还受基础及上部结构的制约，现在首先讨论基础本身刚度的影响。（一）.柔性基础其抗弯刚度很小，可以随地基的变形而任意弯曲，基础上任一点荷载传递到基底时不可能向旁扩散分布。所以柔性基础的基底反力分布与作用与基础上的荷载分布完全一致。 沉降为中间大，边缘小，所以为了调整柔性基础使其均匀下沉，只能调整荷载的分布。（二）.刚性基础刚性基础具有非常大的抗弯刚度，受压后基础不挠曲，当轴心受压时，则基底的沉降处处相等，可以推断，中心荷载下刚性基础基底反力的分布也应该是边缘大，中间小。偏心荷载时，如图（b），可见具有刚度的基础在调整基底沉降的同时，也使基底压力由中部向边缘发生了转移。此处把刚性基础能跨越基底中部，将所承担的荷载相对集中的传递的基底边缘的现象叫做基础的“跨越作用”。 这种基底反力的分布形状叫马鞍形，可以用弹性力学的方法解出，随着外力的增大，塑性区的形成和开展，外加荷载必然向中心转移，基底反力呈抛物线形。（三）.基础相对刚度的影响归纳以上针对柔性基础和刚性基础的讨论，可以得出这样的结论，基础架越作用取决于基础与地基比较的相对刚度，土的压缩性以及基底下塑性区的大小。a.图荷载小时，基础架越作用大，相对刚度大，随着荷载的增加，塑性区扩大，基底压力趋于均匀。b.刚度中等，介于a、c之间c.图岩土基础刚度相对小，荷载分布区域很小，基底反力几乎未扩散。 总之，当基础相对愈刚时，随着基础挠曲的减小，基底反力的分布与荷载的分布愈不一致。(四).地基非匀质性的影响地基条件的变化，将引起基础挠曲变形总的变化。实际工程中可能基础与荷载均相同，地基条件不同。如地基中部硬两头软。基础呈凸状挠曲；如果相反，地基中软，两边硬，则基础呈凹状挠曲。地基的压缩性均匀与否直接影响基础的剪力和变形，因此基础设计时，尽量避开不均匀地基。常规设计时，假定基底反力均匀分布，基础弯矩图按静力法求得，这中方法适用于基础刚度很大，地基相对软弱的情况。 三.上部结构刚度的影响上部结构的刚度，指的是整个上部结构对基础不均匀沉降或挠曲的抵抗能力，或称整体刚度，因此可将建筑结构分为三类（一）、柔性结构木结构、排架结构等属于柔性结构柔性结构对基础的不均匀沉降有很大的顺从性，或对基础的不均匀沉降没有抵抗性，如静定结构属于这种情况。规范对这类结构的地基变形限制较宽。（二）、敏感结构指超静定结构，对基础不均匀沉降很敏感，如框架结构。刚度越大，敏感度就越大，对不均匀结构适应性越小。另一方面，上部结构刚度与基础刚度之比对地基受力如何，后面讲到。上部结构与基础刚度之比越大，调整不均匀能力更强。（三）刚性结构烟囱、水塔、锅炉等高耸结构物之下配置独立基础与上部结构浑然一体，使整个结构有很大的刚度。 §10.3基础类型按常规设计的三类浅基础一、扩展基础指墙柱之下水平截面向下扩大的基础叫做扩展基础，起到扩散何在的作用。（一）、无筋扩展基础（刚性基础）α为刚性角，通过限制刚性角来限制刚性基础的尺寸，保证基础抗弯刚度,tanα=b/t即为宽高比。不同材料有不同限制。由于刚性基础材料的抗压强度较高，抗拉和抗弯强度较低，因此稍有挠曲变形，基础的拉应力就会超过材料的抗拉强度而产生裂缝，为了弥补这一缺点，采取宽高比限制，使基础具有足够的刚度，在荷载作用下，几乎不产生挠曲变形。 二、钢筋砼扩展基础当上部结构荷载较大，地基较软弱时，若用刚性基础，尺寸很大，因此可用高度较小的钢筋混凝土基础。钢砼基础有较大的抗拉抗弯能力，相对于刚性基础有一定的柔性，因此也称柔性基础。它不受刚性角的限制，在多层砖混结构和多层框架中采用，所谓宽基浅埋。如地基不均匀，为了增强基础的整体性和抗弯能力，可采用有肋的墙基础。肋部配置足够的纵向钢筋和箍筋。确定了底面尺寸﹑埋深后，就可以设计基础截面，此时的基底反力应为净反力pj，不包括G。计算I－I底部剪力Q进行抗剪验算，如不够加大尺寸h0。 计算I－I底板弯矩M后，进行底筋计算。进行抗冲切验算。构造要求，锥形基础边缘高度，不宜小于200mm；阶形基础每阶高度宜为300－500mm，砼强度≥C20，钢筋直径≥8mm,间距≤200。三、联合基础联合基础主要指同列相邻两柱公共的钢筋砼基础，即双柱联合基础。实际工程中，由于荷载或地基条件限制，常会遇到单纯扩展基础难以解决的问题。如荷载过大，单纯扩大基底面积造成基底面积不足，难以施工；偏心荷载太大，致使基底最大压应力超过地基承载力；地基不均匀，造成较大的沉降差、倾斜等。此时需要将两个或多个单柱联合起来组合成联合基础（或称局部条形基础）。联合基础基本形式：a、矩形联合基础。适用于荷载差异不大，地基可认为均匀的条件。它的整体性能好。b、梯形联合基础。边柱基础荷载较大，一般为偏心基础，与内柱基础联结时，因其形式可使内力接近于均匀分布。C、联梁式联合基础。当基础间距较大，地基均匀，可能产生较大的沉降差时，采用联梁式联合基础，且设计成刚性梁，使不平衡的剪力和弯矩得以传递和调整。 第11章刚性基础与扩展基础本章提要刚性基础也称无筋扩展基础,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，这些材料具有抗压强度高而抗拉、抗剪强度低的特点;扩展基础的底面向外扩展，基础外伸的宽度大于基础高度，基础材料承受拉应力,常见的扩展基础指柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础。本章主要学习基础埋置深度选择、地基承载力的确定、基础底面尺寸的确定以及刚性基础和扩展基础的设计计算。§11.2基础埋置深度的选择埋深对建筑物的安全使用、稳定性、工期造价影响很大，因此合理选择和确定埋深是十分重要的。埋深受多种因素制约，但就每项工程，往往其中一两个因素起决定作用，能否抓住主要因素，取决于设计者的经验与分析的能力。一般应按下列规定综合考虑，合理确定埋深。一、工程地质水文地质条件直接支承基础的地层称为持力层，其下的土层称为下卧层。为了保证建筑物的安全，必须根据荷载的大小和性质给基础选择可靠的持力层。通常根据土承载力大小，压缩性高底和分布均匀程度，可将地基分成以下三种典型情况考虑。1、地基土深度方向土质均匀时，基础尽量浅埋。基础底面埋入持力层>15cm，埋深>50㎝基础顶面在地面下10㎝ 冻胀使基础抬高，解冻时基础下沉，为了均匀变形，置入可冻胀土中的基础，其最小埋深dmin见下式2、上层土较下层土好的地基，根据上层土的厚度决定埋深。当有软弱下卧层时，持力层厚度不宜太薄，一般应大于基底宽的1／4，其最小厚度为1～2m。3、上层差，下层好的地基，基础尽量浅埋。4、基础底面应尽量埋于地下，水位以上，避免地下水对基础的腐蚀。二、由在基础上的荷载和性质对于不同类型的建筑物的埋深不同1.有地下层建筑物，加深。2.荷载大的建筑物加深。三、土的冻胀影响某些粒土在冻结时，往往发生就膨胀，向上隆起即所谓冻胀现象。四、相邻建筑的埋深基础埋深不宜深于相邻原有建筑，如不能满足要求，而基础应保持一定的净距，一般取底面高差的1－2倍，若还不能满足需要加固原有基础。 地基基础设计应满足三个条件，其中第一个条件中就是强度和稳定条件，即保证在承载作用下地基不发生剪切破坏，其公式为P≤fa§11.3地基承载力fa的确定方法有三种，补充两种（1）、根据土的抗剪强度指标确定；（2）、按现场荷载试验的P－S曲线确定；（3）、按规范提供的承载力表确定；（4）、用动力触探确定；（5）、凭经验确定；一、地基土的抗剪强度指标的确定（一）魏锡克公式魏锡克公式在计算土极限承载力方面考虑的影响因素很多，是比较全面的一个公式，因此在国外应用很广，但涉及的系数很多,用起来比较麻烦（这部分作为了解内容）这几种方法各有优点，可以互为补充，对于特定的地基可以选用一种或几种方法，其计算结果可以互相对比，确保所取的值安全可靠。 -----承载力系数，可按表确定（二）规范推荐的理论公式对于坚向荷载偏心和水平力都不大的基础来说，《地基基础设计规范》规定，当偏心距e小于或等b/30。根据土的抗剪强度指标确定地基承载力可按下式计算fa——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值－基底下一倍基宽深度内土的内摩擦角，粘聚力和重度的标准值。地下水位以下，取土的有效重度。b－基础底面宽度，大于6m时按6m考虑，小于3m时按3m考虑。由于理论公式是依据均布压力推出的，故对上式增加了偏心距的限制条件.短期荷载作用下，对于地基持力层土的透水性差，排水条件不良，在增长速度较快的荷载下，应采用不固结不排水抗剪强度计算短期承载力，可用下式，三、几点说明1.理论公式计算承载力，关键是土的抗剪强度指标的确定即、的确定，试验方法为三轴剪切试验，或直剪试验，一般要求建筑场地6个钻孔， 4、对饱和粘土（）增大基础尺寸不能提高地基承载力，>0的土，增大基宽，承载力将随之增加。在基础底面以下1倍深度土层内，每孔试样不少于3组。2、土的重度，地下水位以下时有效重度计算。3、地基承载力不仅与土的性质有关，还与基础的大小（b）形状（条形，矩形）埋深（d）以及荷载（偏心）等情况有关，规范推荐公式中反映出来的为基础宽度b和埋深d。5、公式第二项qMd，增加基础埋深可以显著地提高地基的承载力。6、对于砂地基，地下水位以下土的有效重度约为饱和重度的一半，因此当地下水位上升接近基底时，地基承载力将显著降低。7、按土的抗剪强度确定地基承载力时，没有考虑建筑物对变形的要求，即基础设计应满足的第二个条件，因此还应进行地基变形计算。二、按地基荷载试验确定对于重要的一级建筑，为进一步了解地基土的变形性能和承载能力，必须做现场原位载荷试验确定地基承载力。测得的结果能反映相当于1－2倍荷载板宽度的深度以内土体的情况，方法可靠，但费时耗资而不能多做，规范地基承载力表所提供的经验数值，是以静载试验结果为基础的。 试验的曲线归纳为为两种类型，一种是密实的砂，硬塑性土等低缩性土；曲线有明显的起始直线和极限值，考虑到低压缩性土的承载力特征值，一般由强度控制，故建筑地基规范，规定取图中P1（比例荷载作为承载力特征值）。特征值极限荷载确定：p1与pu很接近，当pu<1.5p1时，取pu/2作为承载力特征值。对于有一定强度的中高压缩性土，其P－S曲线没有明显的转折点，但曲线的斜率会稳定在某个值。pu可取曲线斜率从开始到达最大值所对应的压力。但事实上要取pu值需把荷载实验加到很大的沉降才行，往往无法作到这一点。通常这种中高压缩性土的基本承载力，往往受到沉降量的控制。一般当压板面积为0.25～0.50㎡时，规定取S／b＝0.02b的压力，P0.02做为承载力依据。 三、按规范承载力表确定我国国家标准《建筑地基基础设计规范》以各区静载试验资料为基础，通过统计分析，对各类土建立了按野外鉴别结果，室内物理、力学指标，或现场动力触探试验锤击数查取地基承载力特征值的表格，所有表格都是针对基础宽度B≤3m、埋置深度d≤0.5m情况作出的。2、当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，应按下式算承载力设计值。——基宽b和埋深d的地基承载力修正系数，按基底下土类查表b——基础底面宽度（m），当基础小于3m按3m考虑，当大于6m时按6m考虑d——基础埋置深度（m），一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱型基础或筏板基础时，基础埋置深度自室外地面标高算起，在其它情况下，应从室内标高算起。 §11.4按地基承载力确定基础底面尺寸 例题1：试确如图柱下矩形基础的底面尺寸解（1）.首先确定地基承载力设计值因为基础尺寸未知，先不修正宽度的影响。（2）.初步确定基底尺寸。图为偏心假定 取基底边长比L/b=2（L为荷载偏心方向边长）A0=bL=2b2=13.6b=2.6mL=5.2m（3）验算荷载偏心矩基底形心处总竖向力F+G=1800+220+20X2.6X5.2X1.5=2507KN基底形心处总力距M＝950＋180×1.2+220×.62=1302KN偏心距e=1302/2507=0.579m0）(4).验算基底边缘最大压力pmax因边缘小于3m，故仍取(5).调整底面尺寸再验算取b=2.7m，L=5.4m（地基承载力设计值不变）F+G=1800+220+20×2.7×5.4×1.8＝2545KN ——软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值.二、软弱下卧层的验算当地基土中受力层的范围内存在软弱下卧层时，还必须进行软弱下卧层验算，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。≤——软弱下卧层顶面处的附加应力值；——软弱下卧层顶面处土的自重应力值；关于附加压力的计算，采用了简化方法：当持力层与下卧软弱层的压缩模量比值满足下式时，对矩形或条形基础可按扩散角的概念计算。对条形基础，仅考虑宽度方向的扩散，并沿基础纵向取单位长度为计算单元，于是可得： 一、地基变形验算(一）、地基变形指标地基在建筑物荷载下将产生压缩变形，将引起建筑物沉降和不均匀沉降,但是由于地基土性质复杂，建筑物结构类型、使用要求、荷载性质也不同，因此地基变形在建筑物上部结构中的反应不同。为研究地基变形对建筑物的破坏和对使用功能的影响程度，《建筑地基础设计规范》规定，用如下特征指标描述地基变形。1、沉降量——基础中心点的沉降值2、沉降差——相邻两单独基础沉降量之差3、倾斜——独立基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比。4、局部倾斜－砌体承重结构沿纵向6～10m内基础两点的沉降差与其距离的比值（二）地基产生变形值地基的变形可以同时存在几种，由于建筑物结构特点和要求不同对各种变形的特征的反映不同，每一个具体建筑物的破坏或正常使用，都是不同变形指标控制的。因此规范规定了不同类型建筑物的不同控制指标，应满足变形条件。Δ≤[Δ]其变形参见表7－15地基变形验算结果不满足时，需调整基础尺寸，如仍未满足可改用其它基础方案。 建筑物所需验算的地基变形特征值取决于建筑物的结构类型，整体刚度和使用要求。1、与柔性结构有关的地基变形特征典型结构为框架结构，建在均匀地基上，要求不出现过大的沉降差，应由最大的柱基沉降量控制。建在不均匀地基上，容易产生降差，危及使用和安全。2、与敏感性结构有关的地基变形特征砖石结构，多因建筑物地基不均匀，荷载差异较大，体型复杂造成不均匀沉降，引起墙体过分挠曲，局部开裂，这种破坏形式可以用局部倾斜控制。框架结构容易产生剪曲破坏。3、高耸结构以及高层建筑等刚性结构。其变形特征为建筑物的整体倾斜产生原因为地基土层不均匀分布以及邻近建筑物的影响，由于主要受水平荷载，基础偏心受压也容易引起倾斜，高层建筑的倾斜会给人们心理上的恐慌，其倾斜面必须加以限制。(三)要求验算地基变形的建筑物范围进行基础设计中要满足强度和变形条件。一般强度条件容易满足，变形计算需要比较详细的勘探资料和土工试验成果。《建筑地基基础设计规定》在制订各类土的地基承载力表时，已经考虑了一般中、小建筑物在地质条件比较简单的情况下对地基变形的要求。所以，只要是基础设计等级为丙级，且地基条件和建筑类型符合表7－2要求时，可不进行地基变形验算。 §11.6扩展基础设计一、扩展基础的构造要求二、扩展基础的计算上部结构传来的荷载效应组合按基本组合，基底反力用净反力(一)、墙下钢筋砼条形基础的底板厚度和配筋1、中心荷载作用 基底净反力的偏心距基础边缘处的最大和最小净反力悬臂根部截面1-1处的净反力为基础的高度及配筋计算同中心受压基础 (二)、柱下钢筋混凝土单独基础底板厚度和配筋计算1、中心荷载作用①基础底板厚度②底板配筋计算通过柱或台阶处抗冲切承载力确定FL—冲切破坏面以外冲切力knAL—ABCDEF投影面积ft—砼轴心抗拉强度设计值am＝（ab+at）/2基础底板弯矩和配筋计算2.偏心受压基础底板厚度的确定，只需将公式中的Pn换成Pn,max即可底板配筋的确定，只需将公式中的Pn换成1/2(Pn,max+pn,1) 第12章柱下条形基础、筏形基础、和箱形基础本章提要连续基础因整体性好，刚度大，抵抗地基土不均匀能力较强，目前是多层和高层建筑中常用的基础形式。连续基础一般可看成是地基上的受弯构件—梁或板。它们的挠曲特征、基底反力和截面内力分布都与地基、基础以及上部结构的相对刚度特征有关。因此，应该从三者相互作用的观点出发，采用适当的方法进行地基上梁或板的分析与设计。本章讨论了常用的三种线弹性地基模型，弹性地基上梁的受力分析，柱下条形基础设计计算，筏形基础与箱形基础设计内容。本章重点为弹性地基上梁的受力分析，柱下条形基础设计计算，对筏形基础、箱形基础要求基本掌握。 §12.1柱下钢筋砼条形基础设计柱下钢筋砼条形基础也称基础梁，柱列下的基础布置成单向条状的钢砼基础，通常在下列情况下采用。（1）多层或高层房屋，上部荷载较大，地基土承载力较低，采用各种形式的单独基础不能满足设计要求时。（2）当采用单独基础所需的面积，由于邻近建筑物或设备基础的限制而无法扩展时。（3）地基土质变化较大或局部有不均匀的软弱地基，需作地基处理时。（4）各柱荷载差异过大，会引起基础之间较大的相对沉降时。（5）需要增加基础的刚度，以减少地基变形，防止过大的不均匀沉降量时。一、构造要求：1、横截面为T形，下面挑出部分叫翼板，中间的梁腹也叫肋梁，翼板厚度≥200，肋梁高一般为柱距1／8～1／4，由刚度和抗剪确定。2、现浇柱与条形基础梁交接处，平面尺寸不应小于如图要求3、一般情况下，条形基础的端部应向外伸长，其长度宜为第一跨距的0.25～0.3倍。4、条形基础梁顶面和底面的纵向受弯钢筋，应有2～4根通长配筋，其面积不得小于纵面钢筋总面积的1／3。 二、柱下条形基础的简化计算法由于计算基础内力涉及上部结构、基础和地基的相互作用，此外还有荷载的大小与分布，因此十分复杂。实际工程设计计算均根据不同情况与需要作了适当的简化。简化计算的方法有静力平衡法、倒梁法等，按地基基础设计规范规定，当梁高≥1／6柱距时，假定基底反力按线性分布，要求满足静力平衡条件，但忽略变形协调条件，所以是相当近似的。b.——基础梁的宽度L——基础梁的长度1、确定底面尺寸和压力分布将条基础视为一狭长的矩形基础，长边L由构造要求决定，（只要决定伸出边柱的长度），然后根据 地基承载力fa计算所需的宽度b，如果是偏心基础要满足相应的条件（见矩形扩展基础）。2、内力分析（1）静定分析法不考虑与上部结构的相互作用，因而在荷载和直线分布的基底反力作用下产生整体弯曲。与其它方法相比，不利截面上弯矩绝对值一般偏大，此项只宜用于上部为柔性结构，且自身刚度较大的条形基础以及联合基础。（2）倒梁法认为上部结构是刚性的，各柱之间没有沉降差异，因而可把柱脚视为条形基础的铰支座，支座间不存在相对的竖向位移。这样就可将基础梁作为一倒置的连续梁进行计算，故称为倒梁法。由于未考虑基础梁挠度与地基的变形协调条件，且采用了地基反力直线分布假定，所以求得的支座反力往往不等于柱子传下来的力即反力不平衡。为此，需要进行反力调整，将不平衡力均匀的分布在该支座两侧各三分之一跨度范围内，再解此连续梁的内力，最后设计精度要求不平衡力不超过荷载的20％。考虑到按倒梁法计算时，基础及上部结构的刚度都较好，架越作用较强，两端部反力大于中间，故两边跨中及柱下宜增加受力钢筋为计算钢筋面积的15％～20％。 （a）按直线分布的基底反力（b）倒置的梁（c）调整荷载例:试用倒梁法计算如图柱下条形基础的内力。基础长20m，宽2.5m，高1.1m，荷载和柱距见例图解，1.计算条形基础基底平均反力。（b）图为计算简图（c）为弯矩图（d）为剪力图。将叠加后的最终内力与柱荷载比较，误差不大时可不作调整计算，一般一次调整计算即可满足要求。 （e）（f)将不平衡力重新分布（g）、（h）作为经调整计算后的最终弯矩图和剪力图。 确定地基反力与地基沉降之间的关系，至今已经提出了不少地基模型，然而由于问题的复杂性，不论哪一种模型还难以完全反映地基的实际工作状况，因而各具有一定的局限性，这里只介绍文克勒地基模型1867年由捷克工程师，E·文克勒（E·Winkler）提出，假设地基上任一点所受的压力P与该点的地基沉降S成正比，即P＝kSk――基床系数。Kn/m3P――基底压力。KpaS――地基表示竖向位移，单位m三、地基计算模型文克勒地基上某点的沉降只与该点上作用的压力有关，与其它点的压力无关，所以实质上就是把地基看作是无数分割开的土柱组成的体系，进一步用一根弹簧线代替小柱，则又变成一群不相联的弹簧体系了，这就是著名的文克勒地基模型。 文克勒地基模型忽略了地基中的剪应力，这是与实际情况不附的，因为只有剪应力的存在，地基中的附加应力才能向旁扩散，使基底以外的地表发生沉降。这种模型只有抗剪强底很低的软土或厚度不大的薄压缩层地基中才适用。k反映了多层土的综合系数，根据地区性长期观察积累沉降资料，可以得到较符合实际的k值。下面给出基床系数k参考表。土的名称土的状态KN／m3淤泥质土、有机质或新填土0.5×104～1.0×104粘土，粉质粘土软塑0.5×104～2.0×104可塑2.0×～4.0×104硬塑4.0×～10.0×104砂土松散0.7×～1.5×104中塑1.5×～2.5×104密实2.5×～4.0×104砾石中密2.5×～4.0×104黄土，黄土性粘土4.0×～5.0×104 §12.2筏形基础设计一、概述筏形基础是地基上整体的连续的钢筋混凝土板式基础。可分为：柱下片筏基础、墙下片筏基础、两种情况组合.为了增加筏板整体刚度，在板上或板底设置连续肋梁片筏基础的选择应考虑下面四方面因素：（1）由于结构荷载大，为满足地基容许承载力，基础底面积扩大到接近整个建筑面积。（为了满足强度）（2）由于荷载分布或地基形状不均匀，结构对地基差异变形较敏感，为减少不均匀沉降带来的危害。（为了满足变形条件）（3）片筏基础相对于箱基可获得更大的地下使用空间。（4）与箱基比，省去大量支模，加快施工速度。柱下片筏基础的计算简化为地基上连续的大板或板梁组合体系，由于覆盖面积大，对地基局部变化，敏感程度有所降低。而整体刚度不如箱基，因此对上部结构的影响，和上部结构刚度的制约作用不能忽视。 1、简化计算方法—倒楼盖法二、筏形基础的内力计算在荷载效应准永久组合下的偏心距满足下式要求2、按刚性条板法计算与柱下条形基础类似，按直线变化的基底反力计算筏板基础内力，要求基础具有足够的相对刚度。将筏板划分为纵向、横向板带，按“倒梁法”计算（连续梁设计）。也叫刚性板法（也叫静力平衡法）。 3、按弹性地基上板的理论方法计算当不满足静定分析法和倒楼盖计算的条件时，按弹性地基上板理论方法计算。4、结构承载力计算(一)、梁板式基础(1)、抗冲要承载力计算 (2)、剪切承载力计算 第13章桩基础§13.1概述桩基础是一种常用的基础形式，是深基础的一种。当天然地基上的浅基础沉降量过大或地基稳定性不能满足建筑物的要求时，常采用桩基础。桩基通常由若干根桩组成，桩身全部或部分埋入土中，顶面由承台联成一体，构成桩基础，再在承台上修筑上部建筑。一、桩基础的适用性桩基础的主要功能是将荷载传至地下较深处的密实土层，以满足承载力和沉降的要求。因而具有承载力高，沉降速率低，沉降量小而且均匀等特点，能承受垂直荷载，水平荷载上拔力及机器产生的震动或动力作用等。二、桩基础设计内容1、选择桩的类型2、确定单桩竖向承载力3、确定桩的数量、布桩4、验算桩的承载力和沉降5、承台设计6、绘制桩基础施工图 三、桩基设计原则〖桩基规范〗(JGJ94-94)规定：建筑桩基采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。(1)承载能力极限状态(2)正常使用极限状态建筑桩基安全等级分为三级§8－2桩与桩基的分类与质量检验根据桩的受力、材料和施工方法的不同，可将其分为多种类型。一、根据受力情况可分为：摩擦桩：主要靠桩周表面与土之间摩擦力支承的桩。端承桩：主要靠桩端坚硬土层或岩石支承的桩。摩擦端承桩：介于二者之间二、按施工桩可分为：预制桩：钢筋砼桩、钢桩、木桩。灌注桩：现场桩位钻孔，孔内设钢筋笼后浇砼。 按设置效应分类：1、大量排土桩实心的予制桩，木桩、封闭的管桩，打桩时将使桩位处的土大量排挤变形。粘性土受扰动强度降低。2、小量排土桩开口的钢管桩，H型钢桩等对土的挤压不大，对土的物理力学性质影响不大。3、不排土桩先钻孔再打入的予制桩。 §8－3竖向荷载下单桩的工作性能孤立的一根桩称为单桩，群桩中性能不受邻桩影响的一根桩可视为单桩，单桩的轴向力是如何传给地基土呢？一、桩的荷载传递 二、桩侧阻力和桩端阻力桩侧阻力T是桩相对于土竖向位移的函数,简化为OAB，相对位移超过某一限值，摩阻力将保持极限值不变。 桩侧阻力TU达到滑移极限值与土的类别有关粘土：4~6mm砂土：6~10mm桩端位移大很多：砂土：d/12~d/10粘土：d/10~d/4三、单桩的破坏模式其破坏模式取决于桩周土的抗剪强度、桩端支承情况、桩的尺寸以及桩的类型条件1、屈曲破坏桩底为坚硬土层，桩周土软弱2、整体剪切破坏桩底土较硬，且桩的长度不大时。3、剌入破坏桩入土深度较大，且桩周土较均匀时。 当桩周土相对于桩侧向下位移时，桩侧摩阻力方向向下，称为负摩阻力。引起负摩阻力的条件是桩侧土体下沉大于桩下沉。 §8－4单桩承载力的确定设计桩基础时，首先要根据荷载及地质条件决定单桩的竖向承载力。单桩容许承载力，是指单桩在外荷载作用下，桩不失去稳定性，也不产生过大的沉降变形时所能承受的最大荷载。单桩在竖向荷载作用下到达破坏状态前或出现不适于继续承载的变形时所对应的最大荷载，称为单桩竖向极限承载力。单桩的承载力取由于两个方面：其一，取决于桩本身的材料强度，其二取决于土对桩的支承力。一、根据材料强度确定把桩视为轴心受压杆件，单桩承载力设计值－混凝土轴心受压设计强度－桩的横截面面积—钢筋的横截面面积 土对桩的支承力确定单桩垂直承载力的途径方法很多，有静载试验、经验公式、打桩公式，动力试验，理论公式，本节仅介绍其中前两种方法。二、桩的静载试验对于一般建筑物，可以用经验公试计算单桩承载能力，对于重要的建筑物，除了经验公式外，尚应进行静载试验。对于一级建筑物，试验桩数不得少于总桩数的1％，且不少于3根。沉桩后由于产生的孔隙土压力有待于消散，以及土的强度有待于恢复，一般应间隔以下时间测试。一般粘性土15天饱和软粘土25天砂土10天静载荷试验有所得的Q－S曲线有明显的陡降段时，取陡降段起点对应的值为极限荷载，单桩竖向承载力设计值为：R＝QP／2三、按经验公式确定1、一般预制桩及小直径灌注桩(D<800mm) －桩端土承载力标准值Ap—桩身的横截面面积—桩身周边长度—桩周土的摩擦力标准值，可按地区经验确定。QUk－单桩的竖向极限承载力标准值2、大直径桩(D≥800mm)桩底持力层一般都呈渐进破坏，其Q-S曲线呈缓变形，单桩承载力的取值常以沉降控制。Ψsi、Ψp－大直径桩侧阻、端阻效应系数四、单桩竖向承载力设计值确定桩的承载力，除考虑桩的承载力极限状态，还需要考虑使用极限状态。因此在正常使用中往往基桩承载力尚未充分发挥，桩顶变形已超过正常使用的限值，因此单桩竖向承载力设计值不超过桩顶荷载－变形曲线线性变形阶段的比例界限荷载。正常使用阶段采用的单桩承载力值，以发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。一般用单桩竖向承载力特征值表示。 §8－6群桩基础计算工程上采用的桩基础由多根桩组成，即群桩基础。群桩的受力特性，群桩的承载力和沉降计算不同于单桩。一、群桩的工作特点1、对端承桩，由于桩尖下的压力分布面很小，各桩的压力互不重叠，可以认为群桩承载力等于各单桩承载力之和，沉降也几乎与单桩相同。2、对摩擦桩，由于摩擦力的扩散作用，群桩中应力相互重叠，所以群桩桩尖处土受的压力比单桩大，传递的深度比单桩大，因此群桩中每根桩的平均承载力将小于单桩承载力。因此可用群抗效应公式来计算群桩的效应系数＝二、承台下土对荷载的分担作用桩基在荷载的作用下，由桩和承台底地基土共同承担荷载，构成复合桩基。承台分担荷载是以桩基的整体下沉为前提，必须保证承台底与密切接触 四、桩顶作用效应简化计算轴心荷载作用下偏心荷载作用下水平力五、基桩竖向承载力验算1、荷载效应基本组合承受轴心荷载的桩基承受偏心荷载的桩基 对桩距sa>6d、且硬持力层厚度t<(sa-de)ctgθ/2的群桩基础，以及单桩基础，应作基桩冲剪破坏考虑，可导得下卧层顶面σΖ的表达式为；七、桩基沉降计算假定桩群为一假想的实体深基础，按与浅基础相同的计算方法来确定对桩距sa≤6d的群桩基础，一般可作整体冲剪破坏考虑，按下式计算下卧层顶面σΖ §8－6群桩基础计算桩基础设计应满足强度和变形条件一、桩型、桩长和截面尺寸选择根据地基勘察报告确定桩的长度和截面尺寸桩端进入持力层的深度：粘土、粉土：≥2d砂类土：≥1.5d碎石类土：≥1d桩端下硬持力层厚度：≥4d二、桩数与桩位布置(一)、桩的根数根据单桩竖向承载力设计值确定。轴心受压偏心受压(二)、桩的中心距桩的间距过大，承台体积增加，造价提高。间距过小，桩的承载力不能充分发挥，给施工造成困难。一般最小中心距有一定的规定。 (三)、桩位的布置桩在平面内可以布置成行列式，梅花式，条形基础下的桩可以布置成单排或双排，也可采用不等间距布置。为了使各桩受力比较均匀，尽量使上部荷载的中心与桩群的横截面形心重合或接近。三、承台设计桩基承台可分为柱下独立承台、柱下或墙下条形承台梁，筏板承台及箱形承台。承台的作用是将桩联结成一个整体，并把建筑物的荷载传到桩上，因而承台应有足够的强度。(一)、外形尺寸及构造要求独立柱下采用板式承台，墙下用梁式承台承台厚度应≥300，承台边缘至边桩中心距离不应小于桩的直径或边长，且边缘挑出部分应大于150(二)、承台的内力计算 (三)、承台厚度及强度计算承台厚度可按抗冲切及抗剪计算确定1、受冲切计算2、受剪计算