基础工程课件

第3章连续基础 本章主要内容连续基础概念地基、基础与上部结构共同工作概念柱下条形基础设计文克尔地基上梁的计算模型与应用要求1、了解连续基础的特点2、掌握柱下条形基础的设计方法3、从共同工作概念出发，了解文克尔地基模型假设的条件及模型的应用4、了解筏板基础、箱形基础的内力计算方法5、理解补偿性设计概念 a)柱下单向条形基础b)十字交叉条形基础c)平板式筏板基础d)肋梁式筏板基础e)箱形基础3.1概述连续基础——柱下条形基础、交叉条形基础、筏板基础、箱形基础统称。 1、基底面积较大；2、整体刚度大；3、箱形基础和有地下室的筏基用补偿性概念设计易于满足承载力和沉降的要求；4、从地基、基础与上部结构共同作用的概念出发，将连续基础视为地基上的梁、板受弯构件，用适当方法进行设计。连续基础特点承担较大的建筑物荷载减小不均匀沉降 3.2地基、基础与上部结构相互作用的概念 共同作用主要体现在以下三个方面一、地基与基础的相互作用二、地基变形对上部结构的影响三、上部结构对基础受力状况的影响上部结构基础地基静力平衡条件变形协调条件 一、地基与基础的相互作用（一）基础刚度对地基的影响1、柔性基础特点：基础刚度小，基础可随地基变形而弯曲；基底反力与与作用在基础上荷载分布一致。 2、刚性基础基础的架越作用——刚性基础能跨越基底中部，将所承担的荷载相对集中地传递到基底边缘的现象。特点：基底反力分布与地基土的性质、基础埋深有关一般当荷载不大、而基础埋深和基底面积足够大，基底反力分布呈马鞍形。 4、邻近荷载的影响——受影响基础的基底反力呈中间大两边小的拱形分布。设计时要考虑相邻建筑物之间的间距（二）地基压缩性不均匀的影响荷载布置时应考虑地基的非均匀性，以减少地基土的不均匀变形。3、基础相对刚度的影响基础相对刚度指基础与地基之间的刚度比。架越作用的强弱，取决于基础刚度的大小土的压缩性及基底塑性区的大小。基础相对刚度大，架越作用大。 结论及建议1、基础架越作用的强弱，取决于基础相对刚度、土的压缩性及基底塑性区的大小。2、加强基础刚度可以调整或减少不均匀沉降，但应注意同时会使基础内力加大，故基础方案应作综合考虑。3、对地基软弱不均（如石芽地基），可采用连续基础；岩石或压缩性很低的地基，宜优先采用扩展基础。 二、地基变形对上部结构的影响上部结构的刚度，是指整个上部结构对基础挠曲和不均匀沉降的抵抗能力。柔性结构敏感性结构刚性结构地基不均匀沉降是否会引起较大附加应力 柔性结构特点：整个承重体系对基础的不均匀沉降有很大的适应性，沉降差不引起主体结构的附加应力(次应力）。主要包括静定结构：以屋架，柱，基础为承重体系的木结构或排架结构，三铰拱等。思考：过大的沉降差有何后果？造成围护结构损坏，预埋管道被剪坏，破坏美学和使用功能等。 敏感性结构特点：对基础的不均匀沉降反应灵敏。常见结构：砖石砌体承重结构（砖混结构）钢筋混凝土框架结构刚性结构特点：倾斜而不挠曲。常见结构：1.烟囱、水塔、高炉等高耸结构物下整体配置的独立基础，与上部结构浑然一体，体系刚度大。2.体系简单，长高比很小，通常为采用剪力墙，筒体结构的高层建筑。 结论及建议1、上部结构对地基变形有一定的调整作用，地基变形使上部结构产生附加应力。2、柔性结构，在满足允许沉降值前提下，基础高度宜小不宜大，最适合采用常规设计方法。3、敏感性结构，宜采用刚度大的基础，这样可以减少上部结构的附加应力。4、刚性结构（高耸构筑物等），上部结构与基础整个体系刚度很大，地基不均匀沉降可使其倾斜，但几乎不会使其发生挠曲，建议采用箱基、桩基或其它深基础。5、随着地基抵抗变形能力增强，相互作用意义相对降低。 三、上部结构刚度对基础受力状况影响(2)完全柔性的上部结构——基础梁在上部荷载和基底反力作用下产生弯曲。上部结构不参与工作，弯距图不均匀。(1)绝对刚性的上部结构——基础梁在基底反力作用下产生弯曲。各柱只能均匀下沉，弯距图较均匀。以柱下条形基础为例 结论1、上部结构刚度对基础受力有约束作用。2、应适度增大上部结构刚度，以减少基础挠曲及内力，调整地基变形。3、在软土地基上，当基础整体刚度有限时，加强上部结构刚度才有效。 建议1、设计时应将三者作为一个相互关联的会产生相应变形的整体，三者按各自刚度对相互变形起制约作用，因而制约整个体系内力。2、按三者共同作用设计，满足静力平衡条件和变形协调一致的条件，可使建筑物安全、经济。3、三者各自刚度大小是关键。 3.3地基计算模型1、地基模型：描述地基土应力（或地基反力）与应变（或地基变形）关系的数学表达式。2、建立模型的要求：（1）尽可能准确模拟地基与基础的相互作用时所表现出的主要力学性状（2）便于工程中运用3、模型用途：从共同作用的概念出发，用以解决基底压力分布和地基沉降计算问题。 3.3地基计算模型地基模型弹性半空间地基模型分层地基模型非线性弹性地基模型线性弹性地基模型弹塑性地基模型文克勒（Winkler）地基模型 基本假定:地基上任一点所受的压力强度P与该点的地基沉降s成正比3.3.1文克勒（E.Winkler1867）地基模型k为基床反力系数（基床系数kN/m3）地基土体划分成许多竖直的土柱每条土柱可用一根独立的弹簧来代替弹簧，基底反力图形与基础底面的竖向位移形状是相似的。基础刚度非常大，受荷后基础底面仍保持为平面，则基底反力图按直线规律变化k可以表示地基的刚度，k大，地基刚度大，变形不易。 文克勒地基模型的缺点（1）地基主要受力层为软土。软土的抗剪强度低，因而能够承受的剪力值很小。（2）压缩层厚度不超过基础底面宽度一半的地基。这时，地基中产生附加应力集中现象，剪应力很小。（3）基底下塑性区相应较大时。塑性变形不利于剪应力的传递。（4）支承在桩上的连续基础，可以用弹簧体系来代替群桩。适用条件：土柱之间存在剪应力应力扩散基底以外的地表发生沉降实际情况：力学性质与水相近的地基——不能传递剪应力。在土柱竖向变形时，忽略土柱间剪应力，未考虑地基中应力扩散，地表变形只限于基底范围之内。 3.3.4相互作用分析的基本条件和常用方法静力平衡条件外荷载与基底反力抵消。外荷载和基底反力对基础任一点的力矩之和为0。变形协调条件基底与地基保持接触不脱开。1.选择适当的地基模型2.满足下面两个基本条件基底挠度地基沉降微分方程解析解3.4节数值解3.5节 3.4文克勒地基上梁的计算(2)柔度指数——表征文克勒地基上梁的相对刚柔程度(1)柔度特征值，量纲为[1/长度]：物理含义：表示基础对地基的相对刚度。地基的基床系数和梁的抗弯刚度有关。其值愈小，则基础相对刚度愈大。特征长度（特征刚度）－－两个基本概念:柔度特征值和柔度指数短梁（刚性梁）有限长梁（有限刚度梁）长梁（柔性梁）0，没柔度，柔度极大 静力平衡条件梁纯弯曲微分方程对x求二次导数基础梁挠曲微分方程文克尔假定p=ks文克尔地基上梁挠曲微分方程四阶常系数线性常微分方程特解（定出系数c1、c2、c3、c4）变形协调条件s=w 3.4.4基床系数的确定基床系数——表征土力学性质的力学指标。单位：定义式：k=p/s影响因素：基底压力大小及分布；土的压缩性；土层厚度；邻近荷载影响等。确定方法：（1）按基础预估沉降量确定P0-基底附加应力；sm-基础的平均沉降量。厚度为h的薄压缩层地基：（2）按载荷试验成果确定k的取值误差主要会影响基础沉降位移的大小，对内力影响小。见例3-1。 3.6柱下条形基础设计柱下条形基础是常用于软弱地基上框架或排架结构的一种基础类型。优点：刚度大、调整不均匀沉降能力强。缺点：造价较高。柱下应优先考虑扩展基础柱下条形基础适用范围：（1）当地基较软弱，承载力较低，而荷载较大时，或地基压缩性不均匀（如地基中有局部软弱夹层、土洞等）时；（2）当荷载分布不均匀，有可能导致较大的不均匀沉降时；（3）当上部结构对基础沉降比较敏感，有可能产生较大的次应大或影响使用功能时。 3.6.1构造要求倒T形截面肋梁和翼板肋梁高度柱距的1／8～1/4。肋梁宽度每侧比柱至少宽50mm翼板厚度不应小于200mm。200～250mm等厚大于250mm变厚度坡度小于或等于1:3外伸长度边跨跨距的0.25倍基底形心与荷载合力作用点重合顶面纵筋全部通长配置底面通长钢筋不少于底面受力钢筋总面积的1／3箍筋四肢箍（梁宽350～800mm）混凝土不低于C20 3.6.2内力计算倒梁法上部结构为刚性结构静定分析法上部结构为柔性结构简化计算法弹性地基梁法假设基底净反力为直线（平面）分布基础具有足够的相对刚度 倒梁法基本假定：适用条件：地基较均匀，上部结构刚度较好，荷载分布较均匀a.基础梁边缘处最大和最小地基净反力。b.将柱底视为不动铰支座，以地基净反力为荷载，按多跨连续梁方法求得梁的纵向内力。1上部结构是刚性的2各柱之间没有沉降差异3柱脚视为条形基础的铰支座4考虑柱间的局部弯曲，略去基础全长整体弯曲条形基础梁的高度大于1/6柱距时，地基反力可按直线分布。计算步骤c.按扩展基础设计方法设计横向翼板的抗弯抗剪。 (2)弯矩调整边跨跨中弯矩及第一内支座的弯矩值宜乘以1.2的系数。基础架越作用纵向计算内力的调整：(1)基底反力局部调整调整原因：反力直线分布和柱脚不动铰与实际不符。上部结构刚度约束基础整体弯曲。导致计算支座反力不等于柱子轴力。调整方法：支反力与柱子轴力差作为荷载，再算两次 静定分析法简介 3.7柱下交叉条形基础简化计算方法适用条件：上部结构刚度较小，地基较软弱而均匀，基础刚度较大。具体做法：将交叉结点处的柱荷载分配到纵横两个方向的基础梁上，再将基础分离为若干单向的柱下条基，最后按上节的方法进行设计计算。如何分配结点荷载?分配原则:结点荷载静力平衡：结点位移变形协调： 根据文克勒地基上梁的分析结果P88（3-34）式有： 3.8筏形基础与箱形基础箱形基础特点:(1)基底面积大。(2)整体刚度好。(3)具有补偿性。(4)用于高层建筑。 设计概述：基础平面尺寸的确定1.相关因素2.基底平面大小与位置的调整原则：筏形基础与箱形基础①地基承载力②上部结构的布置③荷载分布(1)基础平面形心宜与结构竖向永久荷载重心重合。(2)在荷载效应准永久组合下，偏心距e宜符合下式要求： 2.基底平面大小与位置的调整原则：(续上页）(3)扩大部位宜设置在建筑物的宽度方向(4)基底零应力区纵向相对挠曲＞＞横向相对挠曲非抗震设防：抗震设防：地震效应组合下一般建筑宽高比大于4的高层不宜有零应力区 倒楼盖法上部结构为刚性结构静定分析法上部结构为柔性结构简化计算法弹性地基板法假设基底净反力为直线（平面）分布基础具有足够的相对刚度1.内力计算3.8.1筏形基础 简化分析法一：倒楼盖法适用条件：①地基比较均匀②上部结构刚度较好③高跨比或厚跨比不小于1/6④相邻柱荷载与柱距变幅小于20%计算仅考虑局部弯曲！平板式筏基：按无梁楼盖考虑。梁板式筏基：按一般肋梁楼盖分析。思考：梁的弯矩宜如何调整？配筋构造考虑整体弯曲!顶部钢筋按计算全部连通底部钢筋应有1/2~1/3贯通全跨架越作用 简化分析法二：静定分析法这种计算模式没有考虑相邻板带之间剪力的影响。调整方法：板带上的荷载两侧邻带的同列柱荷载 板厚：按受冲切和受剪承载力计算确定。2.筏板的厚度平板式筏基:最小板厚不宜小于400mm。梁板式筏基:12层以上建筑板厚不应小于400mm，且板厚与最大双向板格的短边净跨之比不应小于1/14。 2.梁板式筏基的剪切和冲切(1)剪切计算(2)冲切计算 3.8.2箱形基础①高度应满足结构承载力、整体刚度和使用功能的要求②埋置深度应根据建筑物对地基承载力、基础倾覆及滑移稳定性、建筑物整体倾斜以及抗震设防烈度等的要求确定③箱基顶、底板及墙身的厚度应根出受力情况、整体刚度及防水要求确定。一般底板厚度不应小于300mm，外墙厚度不应小于250mm，内墙厚度不应小于200mm。④顶、底板厚度应满足受剪承载力验算的要求，底板还应满足受冲切承载力的要求。1.构造要求 2.内力计算顶板普通楼盖底板倒楼盖简化计算法局部弯曲＋整体弯曲地基土层较均匀，上部结构平立面布置较规则局部弯曲规范法地基反力系数表空心厚板 ※简化计算法——根据上部结构整体刚度的强弱，采取仅考虑局部弯曲或考虑局部弯曲+整体弯曲的计算方法。（1）局部弯曲计算——顶板以实际荷载（包括板重）按普通楼盖计算；底板在直线分布的地基净反力作用下按倒楼盖法计算。（2）整体弯曲计算——将箱形基础视为一空心厚板，沿纵、横方向分别进行单向受弯计算，荷载及地基反力均重复使用一次。在总弯距Mx（或My）、作用下，顶、底板在两个方向上均处于轴拉或轴压状态。总剪力Vx（或Vy）由纵横墙承受。 ※计算方法选取原则当地基为均匀分布时，上部结构平面布置为规则的剪力墙、框架、框架—剪力墙，箱形基础顶、底板仅按局部弯曲计算，从构造措施考虑整体弯曲的影响。不符合上述条件的箱形基础，应同时考虑局部弯曲和整体弯曲的作用。最后将整体弯曲和局部弯曲两种计算结果相叠加，使顶板与底板成为拉弯和压弯构件，据此进行配筋计算。 ※计算中注意的问题（1）基底反力的计算是箱形基础设计中的重要问题。可采用规范中提出的实用计算法(地基反力系数表）（2）箱形基础的整体弯距是上部结构与基础共同作用产生的，箱形基础承担的弯距可由整体弯曲产生的弯距按基础刚度占总刚度的比例分配，即（3－63）式计算。等代刚度梁法对整体弯矩进行折减 3.8.3地下室设计时应考虑的几个问题1.补偿性设计概念补偿性基础——开挖基坑所移走的土体重量和基底处水压力补偿（或替换）了建筑物（包括基础及其台阶上的土重）的部分或全部重量。 基底实际平均压力P（已扣除水的浮力）基底平面处土的自重应力全补偿性基础超补偿性基础欠补偿性基础补偿性基础设计基底附加压力大为减小地基沉降减小全补偿性基础基础是否存在沉降问题？ ※基础存在沉降问题原因：基坑开挖坑底回弹连续、迅速发生修筑基础和上部结构的再加载引起沉降减小沉降措施：再压缩曲线滞后程度相应减小减少应力的解除量减少膨胀分层开挖抽水重量逐步置换 ※补偿性基础设计的特点1、全补偿仅是理想情况。对抗剪强度低、很厚的中、高压缩性软土地基，可考虑用全补偿性基础。2、高压缩性地基上为避免其应力超过地基承载力时，可采用略为超补偿性基础。3、中压缩性正常固结土地基，因其具有一定抗剪强度，可采用欠补偿性基础。4、按补偿性概念设计基础，可使基底附加应力大大减少，但仍存在基础的沉降问题。5、在验算地基承载力和沉降计算时，应将建筑物总重量扣除水浮力，这一点是与天然地基浅基础设计的重要区别。 例题：某箱形基础的基底尺寸A=100m2，基础自重为3600kN，地基情况如下。试评价该基础的补偿程度。F=8000kNGd=6m2m 解：G’——基础受到的浮力。全补偿P--已扣除水浮力。