地基基础设计基本原则

'基础工程郜新军郑州大学土木工程学院 第一章地基基础设计基本原则 浅基础的类型与选用地基基础设计的原则、方法和内容基础的埋置深度地基承载力的确定基础底面尺寸的确定地基变形验算减轻建筑物不均匀沉降危害的措施主要内容 第一章地基基础设计的基本原则浅基础与深基础的区别主要在施工方法及设计原理上：浅基础的埋深不大，一般通过普通基坑开挖、敞坑排水的施工方法建造，施工条件和工艺简单，设计时只考虑基底以下土的承载能力，不考虑基础侧面土的抗剪强度对地基承载力的影响，还忽略了基础侧面与土之间的摩擦阻力。深基础都采用特殊的施工方法和施工机具，施工条件比较困难，工艺比较复杂。设计时，要考虑侧壁与土的摩擦阻力对基础的有力作用。选用原则：在满足地基承载力、变形和稳定性要求的前提下，宜优先考虑采用浅基础。概述 第一章地基基础设计的基本原则浅基础与深基础的区别主要在施工方法及设计原理上：浅基础的埋深不大，一般通过普通基坑开挖、敞坑排水的施工方法建造，施工条件和工艺简单，设计时只考虑基底以下土的承载能力，不考虑基础侧面土的抗剪强度对地基承载力的影响，还忽略了基础侧面与土之间的摩擦阻力。深基础都采用特殊的施工方法和施工机具，施工条件比较困难，工艺比较复杂。设计时，要考虑侧壁与土的摩擦阻力对基础的有利作用。选用原则：在满足地基承载力、变形和稳定性要求的前提下，宜优先考虑采用浅基础。概述 按基础的形状、大小和使用的材料与性能，可分为：第一节浅基础的类型与选用一、浅基础的类型无筋扩展基础、扩展基础、柱下条形基础、筏形基础及箱形基础，其中后三种又称为连续基础。 1.无筋扩展基础砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土或三合土等材料组成的墙下条形基础或柱下独立基础。特点：较好的抗压性能，但抗拉、抗剪强度不高。适用：多层民用建筑和轻型厂房。第一节浅基础的类型与选用一、浅基础的类型 2.扩展基础包括：墙下钢筋混凝土条形基础和柱下钢筋混凝土独立基础。特点：较好的抗弯、抗剪能力，并能承受一定的水平力和力矩。适用：竖向荷载较大，地基承载力不太高、基础底面较大和需要浅埋的情况。 2.扩展基础墙下钢筋混凝土条形基础分为板式和肋式，其中肋式适用于地基土压缩性不均匀时，为了增强基础的整体性和纵向抗弯能力，减小不均匀沉降。 3.柱下条形基础柱子的荷载较大而地基的承载力较低，需要较大的基础面积，或相邻柱子的荷载有差异、地基土压缩性不均匀等情况，可将一个方向的柱下独立基础连成一条，形成柱下条形基础。无地下室要求时，常根据实际情况选用柱下条形基础或交叉条形基础当单向条形基础的底面积仍不能满足地基承载力或不均匀沉降要求时，将基础沿纵横向连接，形成十字交叉条形基础。 4、筏形基础当十字交叉条形基础的底面积仍不能满足地基设计要求，或相邻基槽距离较小以及地下室需要防水时，可采用筏形基础。筏形基础由于基底面积大，可减小基底压力，并能有效地增强基础的整体性，调整地基的不均匀沉降，是高层建筑常用的结构形式。分为平板式和梁板式 5、箱形基础由顶、底板和纵、横墙组成的盒式结构。具有极大的整体刚度，有效调整地基的不均匀沉降。剪力墙结构等落地墙较多，分布较均匀的结构可考虑采用该基础形式。 常见浅基础特点总结单独基础条形基础筏形和箱形基础基底面积越来越大、对上部结构荷载的扩散作用越来越强在相同的上部结构荷载作用下，基底压力和基底附加压力越来越小，刚度越来越大，可以适应更软弱的地基，可以减小地基的沉降变形在相同的地基条件下，可以承受更大的上部结构荷载作用设计计算方法越来越复杂，一般情况下工程造价越来越高 二、浅基础类型的选用与比较工程地质条件和水文地质条件建筑体型与功能要求、荷载大小与性质分布情况相邻建筑基础情况施工条件、材料供应以及抗震设防情况等综合考虑。安全适用、经济合理。选择浅基础类型，根据：1）砌体结构：优先采用刚性条形基础，如灰土条形基础、C15素混凝土条形基础、毛石混凝土条形基础等，当基础宽度大于2.5m，可采用钢筋混凝土扩展基础。2）多层内框架结构：如地基土较差时，中柱宜选用柱下钢筋混凝土条形基础。 3)框架结构、无地下室、地基较好时，荷载较小：可采用独立基础。框架结构、无地下室、地基较差时，荷载较大：为增强整体刚度，减少不均匀沉降，可采用交叉条形基础。如采用上述结构不能满足要求时，又不适合采用桩基或人工地基时，可采用筏板基础。框架结构、有地下室、上部结构对不均匀沉降要求严，防水要求高，柱网较均匀：可采用箱形基础；柱网不均匀，可采用筏形基础。4)筏形基础上的柱荷载不大、柱网较小或均匀：可采用平板式筏形基础；当柱荷载不同，柱距较大时：宜采用梁板式筏基。5)剪力墙结构，无地下室或有地下室，无防水要求，地基较好：宜采用交叉条形基础。当有防水要求时，宜选用筏形基础或箱形基础。 6)高层建筑一般都设有地下室，可采用筏形基础；如地下室设置有均匀的钢筋混凝土隔墙时，可采用箱形基础。例A：某招待所采用砌体结构，四层，场地平坦，地层均匀，地基土层较好，分布情况为：１）杂填土，厚度0.8m，2）粉质粘土，厚度1.2m，3）中砂，厚度大于8m,地下水位在地表下2.2m。适宜的基础方案：（素混凝土墙下条基）。例B：某综合楼为框架－剪力墙，地上11层，地下２层，基底埋深6.8m，地基土层较好，地下水位在地表下2.５m处，可选用的基础方案：筏形基础，箱形基础。 第二节地基基础设计的原则、方法和内容一、为提高设计质量减少失误的设计原则建筑物体型、荷载情况、结构类型和地质条件进行综合分析。确定合理的建筑措施、结构措施和地基处理措施。提高设计质量而减少设计失误设计等级分为甲、乙、丙三个等级；设计等级划分原则：1）地基及场地复杂程度；2）建筑物规模和功能特征；3）由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响建筑物正常使用的程度。 地基基础设计等级《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011第二节地基基础设计的原则、方法和内容 二、按变形控制设计的原则第二节地基基础设计的原则、方法和内容从已有的大量地基事故分析，绝大多数事故都由地基变形过大且不均匀所造成。土为大变形材料，荷载增加，变形增加，承载力也随之增大，很难界定“极限值”。地基承载力还有潜力时，变形已超限。按变形设计的原则!长期荷载作用下，地基变形不至于造成承重结构的破坏；在不利荷载作用下，地基不出现失稳破坏。地基设计的功能要求： 二、按变形控制设计的原则地基基础设计包括承载力计算、变形验算、稳定性验算和抗浮验算；根据上部结构和工程地质条件，确定设计要求。第二节地基基础设计的原则、方法和内容1.地基计算的要求地基计算内容建筑物类型地基承载力计算所有建筑物（甲、乙、丙级）地基变形计算设计等级为甲、乙及部分丙级建筑物地基稳定性计算经常受水平荷载的高层建筑物；高耸结构、挡土墙；建造在斜坡上或边坡附近的建筑物或构筑物；基坑工程抗浮验算当地下水埋藏较浅，建筑物地下室或地下构筑物存在上浮问题2.基础计算的要求基础应有足够的强度、刚度和耐久性；同时基坑工程应进行稳定性验算。 三、地基基础设计两种极限状态的荷载组合和抗力条件承载能力极限状态：对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形；正常使用极限状态：对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定的限值。3种承载力设计设计理论：正常使用极限状态的允许承载力理论承载能力极限状态的承载力设计理论—单一安全系数法承载能力极限状态的承载力设计理论—分项系数法（又称分项安全系数法）。地基设计：正常使用极限状态的允许承载力理论地基允许承载力的意义是“确保地基不发生剪切破坏而失稳，同时又保证建筑物的沉降不超过允许值的最大荷载”。 采用承载能力极限状态的承载力设计理论：单一安全系数法。基础结构设计计算内容荷载效应最不利组合相应的抗力及限值按地基承载力确定基底面积及基础埋深正常使用极限状态下荷载效应的标准组合地基承载力特征值fa计算地基变形正常使用极限状态下荷在效应的准永久值组合(不计入风荷载和地震作用）地基变形允许值[S]计算挡土墙土压力、地基和斜坡的稳定、滑坡推力承载力极限状态下荷载效应的基本组合，但分项系数均为1；确定基础高度、支挡结构截面；计算基础或支挡结构内力；确定配筋或验算材料强度承载力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数；验算基础裂缝宽度正常使用极限状态下荷载效应的标准组合地基基础两种极限状态的荷载组合及适用范围 天然地基上浅基础设计的内容和一般步骤场地勘察与室内试验资料基础型式方案比较拟定基础型式及平面布置确定基础埋深必要时的验算（软弱下卧层强度、变形稳定、抗滑验算等）确定地基承载力确定基底平面尺寸基础结构设计（基础剖面尺寸、配筋）编制施工说明、绘施工图不满足 1.基础埋深的概念：基础埋置深度是指基础底面至设计地面的距离。2.确定基础埋深的意义：选择了基础埋置深度就选择了地基持力层，反之亦然。3.确定基础埋深的原则：1)在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础尽量浅埋。2)当上层土强度大于下层土时，宜采用上层为持力层。3)高层建筑应有足够的埋深来保持其稳定性。4)除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。第三节基础的埋置深度—持力层的选择一、基本概念 4.基础埋深基本要求：1)D大于50cm：表土扰动，植物，冻融，冲蚀2)基础顶面距离表土大于10cm：保护作用3)桥基要求在冲刷深度以下d大于10cm 5.基础埋深d的取值1）一般至室外标高算起；2）在填方整平地区，可至填土地面标高算起；3）对于地下室，如采用箱形或筏形基础时，至室外标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。 考虑建筑物地下空间的使用功能要求2、电梯缓冲坑：自地面向下至少1.4m1、有地下室或半地下室的建筑，其埋深必须结合地下部分设计标高选定。地下管道应在基底以上，便于维修。F二、基础埋深的影响因素 考虑建筑物的高度和荷载大小的影响加大埋深高层建筑基础筏形基础和箱形基础1/151/18--1/20桩箱或桩筏基础（不计桩长）输电塔基础要求较大的埋深提供足够的抗拔阻力以上规定不包括岩石地基，岩石地基上的高层主要考虑抗滑要求满足稳定性 1.新建筑物基础埋深不宜大于原有建筑物基础。2.当埋深大于原有建筑物基础时，两基础间应保持一定净距3.否则要求支护并且严格限制支护的水平位移分段施工，设置临时加固支撑、打板桩、地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物地基。考虑相邻建筑物的影响 只有低层房屋可用,否则处理尽量浅埋若h1太小就为IIh1<2m基底在好土h1=2m~4m高楼好土,低楼软土h1>4m,宽基浅埋，或桩基或人工加固处理好土软土(很深)好土软土软土好土IIIIIIIVh1h1基础条件由其它条件确定时，尽可能浅埋1)根据荷载的大小和性质给基础选择可靠的持力层工程地质及水文条件 2)地下水的埋藏条件1尽量考虑将基础置于地下水位以上。2埋在地下水位以下时，考虑:基坑排水、坑壁围护、保护地基土不受扰动出现涌土、流砂的可能性；地下室防渗；轻型结构物上浮托力；地下水浮托力基础底板的内力3承压含水层的地基，控制基坑开挖深度，防止基坑隆起开裂向下的土压力向上的承压水压力一般取0.7~0.9。 季节性冻土：是冬季冻结、天暖解冻，每年冻融交替一次的土层，在我国北方地区分布广泛。多年性冻土：指连续保持冻结状态三年以上的土层，其性质较复杂，属特殊土地基，另见专著。1.冻土定义冻胀：冻胀力，地面隆起融陷：强度降低，建筑物下陷建筑物开裂损坏不均匀沉降地基土冻胀性 注意：粗粒土中细粒土的含量（填充土），超过某一定值如40%时，其冻胀性按所填充物的冻胀性考虑。高塑性粘土（Ip>22），土的渗透性下降，影响其冻胀性的大小，所以考虑冻胀性下降一级。当土层中的粘粒（粒径小于0.005mm）含量大于60%，可看成为不透水的土，此时地基为不冻胀土。2、地基规范根据土的类别、冻前天然含水量、冻结期间地下水位、冻土层的平均冻胀率将地基土分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类。见表1-4碎石土、砾砂、粗砂、中砂（<0.075mm的含量不超过15%）、细砂（<0.075mm的含量不超过10%）均按不冻胀考虑。 地基土冻结后，体积较冻结前增大的现象为冻胀，以冻结率表示。平均冻胀率冻胀前的体积冻胀后的体积平面冻结条件下，单层土的平均冻胀率地表最大冻胀量最大冻层厚度减去最大冻胀量3、冻胀率影响因素：土体的类别、土中含水量、及地下水补给条件。土的冻胀性划分：不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀、特强冻胀 季节性冻土设计冻深地区标准冻深土的冻胀性影响，表1-6土性影响，表1-5环境影响，表1-74、冻土地区基础埋深的确定场地冻结深度原则：季节性冻土地区基础埋深宜大于场地的冻结深度。当有实测资料时：zd=h’－Δzh’——最大冻深出现时场地最大冻土层厚度（m）；Δz——最大冻深出现时场地地表冻胀量（m）；实际设计中，对于深厚季节冻土地区，当建筑基础底面土层为不冻胀、弱冻胀、冻胀土时，基础埋置深度可以小于场地冻结深度，基底允许冻土层最大厚度应根据当地经验确定。 基础的最小埋深基础底面允许残留的最大冻土层的厚度，表1-8，，ZdZ0dmin室内地面hmax上式表明，设计时采用的基础埋深方案可以小于冻结深度。建筑物建成后，在冬春季冻层继续向下延深时，基础底面以下允许有较小厚度的冻土层。但它并不代表在冬季砌筑基础时，允许基槽下遭受冻结。 例：拟在某城市近郊建造多层厂房，冬季采暖，采用柱下钢筋混凝土单独基础，按永久荷载标准值计算的基底平均压力，p=145kPa,场地条件：１）填土厚0.8m，２）粘性土，厚度3.3m，w=29%，wp=18.6%，wL=38%，fak=170kpa,３）淤泥质土，厚度10m，４）中密细砂。地下水位在地表下1.5m处，标准冻深为2m。设计冻深是多少？合理的基础埋置深度是多少？粘性土层，wp+9=27b/6）垂直于力矩方向的基础底面边长 计算步骤：先按中心荷载作用下的公式计算基底面积A0;考虑偏心影响，加大A0。一般根据偏心距大小增大10%~40%；计算偏心荷载作用下的pkmax，验算是否满足如果不合适（过大或过小），可调整l和b，再验算。注意：基底最大最小压力相差不宜过大，否则易引起基础倾斜。一般认为，在高、中压缩性土上的基础，或有吊车的厂房基础，ek不宜大于l/6;对低压缩性地基上的基础，当考虑短期作用的荷载时，ek可适当放宽，但应控制在l/4之内。否则，应调整基底尺寸，或做成梯形底面形状。2.偏心荷载作用下 6565【例】柱截面300mm×400mm，作用在柱底的荷载标准值：中心垂直荷载700kN，力矩80kN·m，水平荷载13kN。其他参数见下图。试根据持力层地基承载力确定基础底面尺寸。 6666【解】①求地基承载力特征值根据粘性土e＝0.7，IL＝0.78,查规范表得：ηb＝0.3，ηd＝1.6。持力层承载力特征值fa(先不考虑对基础宽度进行修正)： 6767②初步选择基底尺寸计算基础和回填土重Gk时的基础埋深d=1/2(1.0+1.3)=1.15m由公式：由于偏心不大，基础底面积按20%增大，即初步选择基底尺寸A=l×b=2.4×1.6=3.84m2(≈3.88m2)，且b=1.6m<3m，不需再对fa进行修正。 6868③验算持力层地基承载力基础和回填土重偏心距满足。 6969基底最大压应力：（满足）最后，确定该柱基础底面长l=2.4m，宽b=1.6m。 二、软弱下卧层承载力的验算软弱下卧层：在持力层下面，地基土受力范围内，若存在承载力明显低于持力层的土层，称为软弱下卧层。软弱下卧层验算必要性：若软弱下卧层埋藏深度不够深，扩散到下卧层的应力大于下卧层的承载力时，地基仍旧有失效的可能，因此需要进行软弱下卧层的承载力验算。 二、软弱下卧层承载力的验算要求满足下式：相应于荷载标准组合时，软弱下卧层顶面处的附加应力软弱下卧层顶面处土的自重应力软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值确定分布在软弱下卧层顶面处的附加应力：假定基底附加压力按一定的扩散角向下传播，并均匀分布于较大面积上的软弱下卧层顶面上，根据基底与软弱下卧层顶面处扩散面积上的附加应力相等的条件，就可以得到pz的表达式。 p0=pk-γmd持力层pz矩形基础θθzbb+2ztanθ条形基础附加应力求解 地基压力扩散角θ：2、与上下土层压缩模量有关，随二者比值增加扩散角增加；1、Ｅs1为上层土压缩模量；Es2为下层土压缩模量；3、与深度Z有关，随Z增加扩散角增加；当Z≤1/4b时取0，此时地基承载力由软土层控制，z/b>0.50时θ值不变。附加应力求解Es1/Es2z/b0.250.5035106°10°20°23°25°30° 软弱下卧层强度不足应采取的措施1）增大基础底面积；2）减小基础埋深；3）对软弱下卧层进行地基处理，用人工方法提高其承载力；4）变换地基持力层，或采用深基础避开软弱下卧层。 例题分析【例】已知如图所示柱基础所受荷载标准值为Fk=1100kN，Mk=140kNm，基础底面尺寸l×b=3.6m×2.6m，基础埋深d=2.0m，地层分布情况如图所示。地下水位在地面下1.2m。试验算基底面积是否满足地基承载力要求。 【解】1.持力层承载力验算基础埋深范围内土的加权平均重度经宽深修正后的持力层承载力特征值基础及回填土重 2．软弱下卧层验算软弱下卧层顶面处自重应力软弱下卧层顶面以上土的加权平均重度软弱下卧层顶面处的附加应力验算 1.沉降量：基础某点的沉降值.2.沉降差：相邻柱基中点的沉降量之差.ss2s1l第六节地基变形验算一、地基变形特征对各类建筑结构不利的沉降形式，称为地基变形特征。 3.倾斜：基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值.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。s1s2ls1s2l 对于不同类型的建筑物、不同的建筑结构特点和使用要求、对不均匀沉降的敏感程度及安全要求，地基的变形允许值各不相同：对于单层排架结构的柱基，应限制其沉降量，尤其是多跨排架中受荷较大的中排柱基的沉降量；对于框架结构，设计计算应由沉降差来控制，并要求沉降量不宜过大；对于高耸结构物、高层建筑物，控制地基特征变形的主要是控制整体倾斜；对于砌体承重结构，房屋的损坏主要是由于墙体挠曲而引起局部弯曲，而引起房屋外墙由拉应变形成裂缝，故地基变形主要由局部倾斜控制。 二、地基变形验算建筑物的变形计算值不应大于地基变形允许值，即地基变形计算值；地基变形允许值规范规定，设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计，规范表3.0.2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，但有以下情况者，仍须验算：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厚不均的填土，其自重固结未完成时。 二、地基变形验算建筑物的地基变形允许值变形特征地基土类别中、低压缩性土高压缩性土砌体承重结构基础的局部倾斜0.0020.003工业与民用建筑相邻柱基的沉降差框架结构0.002l0.003l砌体墙填充的边排柱0.007l0.001l当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构0.005l0.005l单层排架结构(柱距为)柱基的沉降量(mm)（120）200桥式吊车轨面的倾斜(按不调整轨道考虑)纵向0.004横向0.003多层和高层建筑的整体倾斜2Hg≤240.004241000.002体型简单的高层建筑基础的平均沉降量(mm)200高耸结构基础的倾斜Hg≤200.00820