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第一章 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

主要内容
?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

第一章

地基基础设计的基本原则

?概


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。

第一章

地基基础设计的基本原则

?概 述
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。

第一节 浅基础的类型与选用
一、浅基础的类型
按基础的形状、大小和使用的材料与性能,可分为:
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。

阶梯形基础

锥形基础

杯形基础

图3-6

柱下单独基础

第一节 浅基础的类型与选用

一、浅基础的类型
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。

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。

阶梯形基础

锥形基础

杯形基础

图3-6

柱下单独基础

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 。

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。 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

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
选择浅基础类型,根据: 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。 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。

第二节 地基基础设计的原则、方法和内容
地基基础设计等级 《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011
设计 等级 建筑和地基类型 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 甲级 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 开挖深度大于 15m 的基坑工程 周边环境复杂、环境保护要求高的基坑工程 乙级 除甲级,丙级以外的工业与民用建筑物 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 丙级 非软土地区且场地地质条件简单、基坑周边条件简单、环境保护要求不高且 开挖深度小于 5.0m 的基坑工程

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
地基设计的功能要求:
?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。 ? 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!

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
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。 1. 地基计算的要求
地基计算内容 地基承载力计算 地基变形计算 地基稳定性计算 建筑物类型 所有建筑物(甲、乙、丙级) 设计等级为甲、乙及部分丙级建筑物 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 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

抗浮验算

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”。

基础结构设计
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。 地基基础两种极限状态的荷载组合及适用范围
计算内容 按地基承载力确定基底面 积及基础埋深 计算地基变形 荷载效应最不利组合 正常使用极限状态下荷载效应的标 准组合 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) 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; 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; 相应的抗力及限值 地基承载力特征值fa 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 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 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

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 确定地基承载力 确定基底平面尺寸 必要时的验算
(软弱下卧层强度、变形稳定、抗滑验算等)

不 满 足

基础结构设计(基础剖面尺寸、配筋) 编制施工说明、绘施工图

第三节 基础的埋置深度—持力层的选择
一、基本概念 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。

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

大于10cm

d

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。

二、基础埋深的影响因素

?考虑建筑物地下空间的使用功能要求
1、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。 2、电梯缓冲坑:自地面向下至少1.4m F

?考虑建筑物的高度和荷载大小的影响

高层建筑基础

加大埋深

满足稳定性

筏形基础和箱形基础 桩箱或桩筏基础

1/15

1/18--1/20 (不计桩长)

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 输电塔基础 要求较大的埋深 提供足够的抗拔阻力

?考虑相邻建筑物的影响 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。

?工程地质及水文条件
1)根据荷载的大小和性质给基础选择可靠的持力层 I II III IV

好土
基础条件

软土
(很深)

h1

好土 软土
尽量浅埋

h1 软土 好土
h1< 2m 基底 在好土 h1=2m~4m高 楼好土,低楼 软土

由其它条
件确定时, 尽可能浅埋

只有低层房屋 可用,否则处 理

若h1太小就为 II

h1>4 m,宽基 浅埋,或桩基 或人工加固处 理

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 h0? 0 向上的承压水压力 h? w
h0 ?

?w h ? ?0 k

?0 ? (? 1 z1 ? ? 2 z 2 ) /(z1 ? z 2 )
k 一般取0.7~0.9。

?地基土冻胀性
冻胀:冻胀力,地面隆起 不均匀沉降

建筑物开裂损坏

融陷:强度降低,建筑物下陷

1.冻土定义 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。

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
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。 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。

3、冻胀率
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。 冻胀后的体积
V ? ? V ?V ? 平均冻胀率 ? ? V V

冻胀前的体积 平面冻结条件下,单层土的平均冻胀率 地表最大冻胀量 ?z

??

z

最大冻层厚度减去最大冻胀量

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

4、冻土地区基础埋深的确定
原则:季节性冻土地区基础埋深宜大于场地的冻结深度。 地区标准冻深

土性影响,表1-5

环境影响,表1-7

季节性冻土 设计冻深

Z d ? Z 0 ? ?zs ? ?zw ? ?ze
土的冻胀性影响,表1-6

场地冻结深度

当有实测资料时:zd=h’-Δ z h’——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

d min ? Z d ? hmax

基础底面允许残 留的最大冻土层 的厚度,表1-8

室内地面

Z0

Zd



dmin



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=27<w<wp+15=33 ,地下水位距冻结面 , <2.0m,查表1-4,属特强冻涨土

查表1.5-1.7

? zs ? 1.00 ? ze ? 0.95 ? zw ? 0.85 z d ? z0? zs? zw? ze =2.0 *1.0* 0.8* 0.95=1.52m

可取d=1.50m

第四节 地基承载力的确定
一、基本概念 1.地基承载力的概念:地基承受荷载的能力 为了满足地基强度和稳定性的要求,设计时必须控制基 础底面最大压力不得大于某一界限值,这一界限值称为地基 fa pcr p 承载力 。 sa 地基承载力特征值fa: 指由载荷试验测定的地基 土压力变形曲线,在线性 变形段内规定的变形所对 应的压力值,其最大值取 p~s 比例界限值。 s
它也是在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值,是指就是地基的 容许承载力 。

第四节 地基承载力的确定
2、地基承载力确定: 1)静荷载试验、其它原位试验,然后进行深宽修正 2)理论公式计算(界限荷载) 3)按规范提供的承载力表确定(地方规范) 4)经验方法
根据工程经验,从建筑物的重要性、使用时有无特殊要求、 场地土质情况与地下水情况、几种测定方法及试验条件的可 靠程度等因素出发,综合分析评价后加以确定。

3.载荷试验法
规范要求 : 对地基基础设 计等级为甲级的建筑物采 用载荷试验、理论公式计 算及其他原位试验等方法 综合确定。 千 斤 顶 荷载板

载荷板的测试范围:在现场通过0.25~0.50m2的载荷板对扰 动较少的地基土体直接施荷,所测得的成果一般能反映相 当于1~2倍荷载板宽度的深度以内土体的平均性质。

? 载荷板试验的主要优缺点: ? 载荷试验可靠性高; ? 费时、耗资;试验只能反映浅层地基的承载力。

图 载荷板与实际基础对地基的影响深度比较 (a)载荷试验 (b)实际基础

确定地基承载力特征值 f ak

(一) p-s曲线“陡降型”——取值主要由地基强度控制 常出现于低压缩性土 (二)p-s曲线“缓变型” ——取值主要由地基允许变形控 制 常出现于中、高压缩性土

(一)p-s曲线“陡降型”

取图中的比例界限荷载作为承载力特征值 f ak 有明显比例界限时(密砂、硬土), 取 f ak=pb

极限荷载能确定,且pu<2.0p1时, 取fak=0.5pu

(二)p-s曲线“缓变型”

当 压 板 面 积 为 0.25 ~ 0.50m2 时 , 规 定 取 s/b=0.01 ~ 0.015所对应的荷载作为承载力特征值 f ak ,但其值不应大 于最大加载量的一半。

确定地基承载力特征值 f ak
同一层土,应选择三个以上试验点,得到

f ak1 f ak 2

f ak 3
?

f ak max ? f ak min ? 0.3 f ak
则取

f ak ? f ak

?

其他原位测试地基承载力特征值f ak

静力触探; 动力触探;

标准贯入试验等
当地基基础设计等级为甲级和乙级时,应结合室内试 验成果综合分析,不宜单独应用。

二、地基承载力特征值的深宽修正
原因:考虑增加基础宽度和埋置深度时,地基承载力也将随之提高,所 以,应将地基承载力对不同的基础宽度和埋置深度进行修正,才能供设 计使用。

f a ? f ak ? ?b? (b ? 3) ? ?d? m (d ? 0.5)

γ ——基底持力层土的重度,地下水位以下取有效重度 γ m——基础埋深内土的加权平均重度,地下水位以下取 有效重度 b——基础底面宽度,小于3m,取3m; 大于6m, 取6m d——基础埋置深度,小于0.5m,取0.5m,一般自室外底 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,应以天然 地面标高算起。对于地下室,如采用箱形基础或筏 板时,基础埋置深度自室外地面标高算起;当采用 独立基础或条形基础时,应从室内地面标高算起。

f ak 和 f a 的区别
f a ——地基承载力特征值:

由理论公式法、岩石地基的现场和室内试验法直接取得。
f ak ——未经深宽修正的地基承载力特征值:

由土质地基的现场载荷试验和静力触探、动力触探、标准贯入试验 fa 。 等原位测试法取得,经深宽修正后方得到

三、理论公式计算
? ?

GB50007(建规)推荐的公式(P1/4) 条件:荷载偏心距e<0.033b(b为偏心方向基础边长)

f a ? M b? b ? M d ? m d ? M cCk
fa —由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值; Mb、Md、Mc—承载力系数,由jk查规范表; b —基础底面宽度; jk、ck—基底下一倍短边宽深度范围内土的内摩擦角 及粘聚力标准值; ? —基础底面以下土的重度,水下取浮重度; ?m—基础埋深范围内各层土的加权平均重度。
?58

第五节 基础底面尺寸的确定
原则: 使通过基础传给地基的基底压力不大于地基的承 载力特征值. 计算内容: 包括地基持力层承载力计算和软弱下卧层承 载力验算。 一、按持力层承载力确定基底尺寸

相应于荷载标准组 合时,基础底面处 的平均压力值
相应于荷载标准组合 时,基础底面边缘的 最大压力值

pk ? f a
pk max ? 1.2 f a
一般要求

修正后 的地基 承载力 特征值

pk min ? 0

1. 中心荷载作用下
要求基底的平均压力不超过持力层土的承载力特 征值(注意宽深修正),即

pk ? f a
相应于荷载效应标准组合时,上部 结构传至基础顶面的竖向力

Fk ? Gk Fk ? ? 0 Ad pk ? ? ? fa A A
基础及回填土的平 均重度,一般取 20kN/m3,地下水 位以下取10kN/m3。 基础平均埋深(从 设计地面算起)

Fk A? fa ? ? Gd

中心荷载作用下的基础
?60

1. 中心荷载作用下
方形基础
A? A? Fk fK ? ? Gd

矩形基础

Fk b?l ? A ? fK ? ? Gd

(需先选定b或l,一般取l/ b =1.0~2.0 )

条形基础
沿长度方向取l m计算,则:
Fk b ?1 ? A ? fa ? ? 0d

?61

2. 偏心荷载作用下
? 要求:
pk ? f a p a max ? 1.2 f a e? l (或p k min ? 0) 6
p kmin y x
b

Fk Qk

Mk

Gk

pkmax

p k max
k min

Fk ? G k M xk M yk ? ? ? A Wx Wy p k max
k min



Fk ? G k 6e x ? (1 ? ? ) A b l 6e y
l

? Wx、Wy—基底对x和y轴的截面抵
抗矩,m3 ? ex 、ey—荷载对x轴和y轴的偏心距,m

偏心荷载作用下的基础
?62

d

? 大偏心荷载 (e>b/6)
Fk Fk

pk max
Gk
b

2( Fk ? Gk ) M ? b 3l ? ( ? e) G 2
k

k

e
Fk ? Gk
b

b

垂直于力矩方向的基础底面边长
e?0
e? b 6

pk

pk min

p k max

pk max
e? b 6

2. 偏心荷载作用下
? 计算步骤:
1. 先按中心荷载作用下的公式计算基底面积A0; 2. 考虑偏心影响,加大A0。一般根据偏心距大小增大 10%~40%; 3. 计算偏心荷载作用下的pkmax,验算是否满足

pk max ? 1.2 f a
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。

【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。

?65

?【 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):

fa ? fak ??d ? m (d ? 0.5) ? 226 ?1.6 ?17.5 ? (1.0 ? 0.5) ? 240kPa

?66

?② 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:
700 A0 ? ? 3.23m 2 240 ? 20 ?1.15

由于偏心不大,基础底面积按20%增大,即

A ? 1.2 A0 ? 1.2 ? 3.23 ? 3.88m2 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。
?67

?③ 验算持力层地基承载力
基础和回填土重

Gk ?? G?d ? A ? 20?1.15? 3.84 ? 88.3kN
Fk ? Gk pk ? ? 205.3kPa ? f a A

偏心距
Mk 80 ? 13? 0.6 ek ? ? ? 0.11m(l / 6 ? 0.24m),即pmin ? 0 Fk ? Gk 700? 88.3

满足。
?68

基底最大压应力 :

pk max

Fk ? Gk 6e 700 ? 88.3 6 ? 0.11 ? (1 ? ) ? (1 ? ) A l 3.84 2.4 ? 262kPa ? 1.2 f a ? 288kPa
(满足)

最后,确定该柱基础底面长l=2.4m ,宽b=1.6m。

?69

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 面处经深度修 正后的地基承 载力特征值

pz ? pcz ? f az
软弱下卧层顶面处 土的自重应力

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。

?附加应力求解
p0=pk-γmd b

θ z

θ

持力层 pz

b+2ztanθ

条形基础
b ( pk ? ? m d ) pz ? b ? 2 z tan ?

矩形基础
pz ? bl( pk ? ? m d ) (b ? 2 z tan? )(l ? 2 z tan? )

?附加应力求解
地基压力扩散角θ:
Es1/Es2 3 5 10 z/b 0.25 6° 10° 20° 0.50 23° 25° 30°

1、 Es1为上层土压缩模量;Es2为下层土压缩模量; 2、与上下土层压缩模量有关,随二者比值增加扩散角增加; 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。

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

Fk = 1100 kN
1.2 m 3.0 m 0.8 m

Mk = 140 kN ?m 【例】已知如图所示柱 基础所受荷载标准值 3 ? =16.5kN/m 为Fk = 1100 kN, 杂填土 1 Mk=140 kN?m,基础 底面尺寸l×b = 3.6 粘土 l?b=3.6m?2.6m 3.6 m m×2.6 m,基础埋深 ? =19kN/m3 sat d = 2.0 m,地层分布 情况如图所示。地下 fak=150 kPa, ?b=0.3, ?d=1.6, ??????? 水位在地面下1.2 m。 试验算基底面积是否 淤泥质土 fak=85 kPa, ?b=0., ?d=1.0 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
? 01 ?
16.5 ? 1.2 ? (19 ? 10) ? 0.8 ? 13.5kN/m 3 2.0

?经宽深修正后的持力层承载力特征值
f a ? 150? 0 ? 1.6 ?13.5 ? (2 ? 0.5) ? 182.4kPa

?基础及回填土重

Gk ? (20?1.2 ? 10? 0.8) ? 3.6 ? 2.6 ? 300kN

Fk ? Gk 1100? 300 pk ? ? ? 149.6kPa(? f a , 满足) A 3.6 ? 2.6 Mk 140 l ek ? ? ? 0.1m(? ? 0.6m,满足) Fk ? Gk 1100? 300 6
p kmax ? p k (1 ? 6ek 6 ? 0.1 ) ? 149.6 ? (1 ? ) ? 174.53kPa(? 1.2 f a ? 218.88kPa, 满足) l 3.6

2.软弱下卧层验算
? 软弱下卧层顶面处自重应力

pcz ? 16.5 ?1.2 ? (19 ? 10) ? 3.8 ? 54kPa
?软弱下卧层顶面以上土的加权平均重度 ? m2 ?
54 ? 10.8kN/m 3 5

f az ? 85 ? 1.0 ?10.8 ? (5 ? 0.5) ? 133.6kPa
?软弱下卧层顶面处的附加应力
pz ? lb( pk ? ? 01d ) (l ? 2 z tan? )(b ? 2 z tan? ) 3.6 ? 2.6 ? (149.6 ? 13.5 ? 2.0) ? (3.6 ? 2 ? 3 ? tan 23o )(2.6 ? 2 ? 3 ? tan 23o ) ? 36.27kP a

?验算

pcz ? pz ? 54 ? 36.27 ? 90.27kPa (? f az , 满足)

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。 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. l s s1 s2

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。

s1

s2

l

s1

l

s2

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;

s ? [ s]

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 0.002 高压缩性土 0.003 砌体承重结构基础的局部倾斜 框架结构 工业与民用建筑相邻柱基的 沉降差 砌体墙填充的边排柱 当基础不均匀沉降时不产生 附加应力的结构

0.002l 0.007l 0.005l
(120)
0.004 0.003

0.003l 0.001l 0.005l
200

计算不满足时:
建筑措施、结构措 施,必要时修改总 体设计方案

单层排架结构(柱距为)柱基的沉降量(mm)
桥式吊车轨面的倾斜(按不 调整轨道考虑) 纵 横 向 向

Hg≤24
多层和高层建筑的整体倾斜 24<Hg≤60 60<Hg≤100 Hg>100 体型简单的高层建筑基础的平均沉降量(mm) Hg≤20 20<Hg≤50 50<Hg≤100 100<Hg≤150 150<Hg≤200 200<Hg≤250 Hg≤100 高耸结构基础的沉降量(mm) 100<Hg≤200 200<Hg≤250

0.004
0.003 0.0025 0.002 200 0.008 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 400 300 200

高耸结构基础的倾斜

第八节 减轻建筑物不均匀沉降危害的措施
? 单纯从地基基础的角度出发,防止或减轻不均匀沉降危害 的途径通常有:(1)采用刚度更大、整体性能更好的基础, 如筏基或箱基;(2)采用桩基础或其它深基础;(3)进行地基 处理。 ? 可考虑从地基、基础、上部结构相互作用的观点出发,综 合选择合理的建筑结构、施工方案和措施,降低对地基基 础处理的要求和难度,同样达到减轻房屋不均匀沉降损害 的预期目的。 建筑措施 、结构措施 、施工措施 一、建筑措施 1、建筑体型的合理组合 :建筑物的平面布置不宜复杂。

第八节 减轻建筑物不均匀沉降危害的措施
一、建筑措施

1、建筑体型的合理组合 :建筑物的平面布置不宜复杂。

第八节 减轻建筑物不均匀沉降危害的措施
一、建筑措施

1、建筑体型的合理组合 :建筑物的平面布置不宜复杂。

当需要将建筑物设计成体型较复杂时,宜根据其平面、 立面形状、荷载差异等情况,在适当部位用沉降缝将 其划分成若干刚度较好的独立单元;或者将两者隔开 一定距离,两者之间采用能自由沉降的联接体或简支、 悬挑结构相联接
55m

基础平面图

图 3-33

建筑物间联接

15m

12m

连接体

15m

2、设置沉降缝 作用在于缩短建筑物的变形长度,将建筑物分成若干 个长高比较小、整体刚度好、自成沉降体系的单元。 在建筑物下列部位设置沉降缝: (1)平面形状复杂的建筑物转折部位; (2)建筑物高度或荷载差异处; (3)长高比过大的砌体承重结构或钢筋混凝土框架结 构的适当部位; (4)地基土的压缩性有显著差异处; (5)建筑结构或基础类型不同处; (6)分期建造房屋的交界处。

沉降缝构造

3.控制相邻建筑物基础的间距

由于地基附加应力的扩散作用,使相邻建筑物产 生附加不均匀沉降,可能导致建筑物的开裂或倾 斜。这种相邻房屋影响主要发生在: ①同期建造的两相邻建筑物之间的影响,特别 是当两建筑物轻(低)重(高)差别太大时,轻者受重 者的影响更甚; ②原有建筑物受邻近新建重型或高层建筑物的 影响。 除了上述在使用阶段的地基附加应力扩散的影 响外,高层建筑在施工阶段深基坑开挖对邻近原 有建筑物的影响更应受到高度重视。

4.调整建筑物的局部标高
1) 根据预估沉降,适当提高室内地坪和地下设施 的标高; 2) 将相互有联系的建筑物各部分(包括设备)中预估 沉降较大者的标高适当提高; 3) 建筑物与设备之间应留有足够的净空; 4) 有管道穿过建筑物时,应留有足够尺寸的孔洞, 或采用柔性管道接头。

二、结构措施
1. 减轻建筑物自重
基底压力中,建筑物自重(包括基础及回填土重)所占的 比例很大,据统计,一般工业建筑约占40%~50%,一 般民用建筑可高达60%~80%。因而,减小沉降量常可 以首先从减轻建筑物自重着手,措施如下: 1)减轻墙体重量 2)选用轻型结构 3)减少基础和回填土重量

2.增强结构整体刚度 1)设置圈梁 ? 对于砌体承重房屋,不均匀沉降的损害突出地表
现为墙体的开裂。因此,实践中常在基础顶面附 近(俗称“地圈梁”)、门窗顶部楼(屋)面处设置圈 梁,每道圈梁应尽量贯通外墙、承重内纵墙及主 要内横墙,并在平面内形成闭合的网状系统。这 是砌体承里结构防止出现裂缝和阻止裂缝开展的 一项十分有效的措施。

圈梁类型

2.增强结构整体刚度 2)控制建筑物长高比 ? 建筑物长度和高度比值越大,整体刚度越差,抵
抗变形的能力越弱,容易导致开裂。 ? 对砌体承重房屋,预估沉降量大于120mm时,三 层或三层以上房屋的长高比≤2.5;

2.增强结构整体刚度 3)合理布置纵横墙
? 合理布置纵横墙,使内外墙贯通,减少墙体转折 和中断,是增强建筑物刚度的重要措施。 ? 门窗洞口宜较小设置,必要时在洞口周围设置钢 筋混凝土框予以加强。

3.减小或调整基底附加压力
①减小基底附加压力:除了采用本节“减轻建 筑物自重”减小基底附加压力外,还可设置地 下室(或半地下室、架空层),以挖除的土重去 补偿(抵消)一部分甚至全部的建筑物重量,达 到减小沉降的目的。 ②改变基底尺寸:按照沉降控制的要求,选择和 调整基础底面尺寸,针对具体工程的不同情况 考虑,尽量做到有效又经济合理。

4.增强上部结构刚度或采用非敏感性结构
根据地基、基础与上部结构共同作用的概念, 上部结构的整体刚度很大时,能调整和改善地基 的不均匀沉降;反过来,地基的不均匀沉降,能 引起上部结构(敏感性结构)产生附加应力,但只 要在设计中合理地增加上部结构的刚度和强度, 地基不均匀沉降(相当于支座位移)所产生的附加 应力是完全可以承受的。 与刚性较好的敏感性结构相反,排架、三铰拱 (架)等铰接结构,支座发生相对位移时不会引起 上部结构中很大的附加应力,故可以避免不均匀 沉降对上部主体结构的损害。

三、施工措施
? 合理安排施工程序、注意某些施工方法,也能收到减 小或调整不均匀沉降的效果。 ? 当拟建的相邻建筑物之间轻(低)重(高)悬殊时,一般应 按先重后轻的程序施上,有时还需要在重建筑物竣工 后歇一段时间后再建造轻的邻近建筑物(或建筑物单元)。 当高层建筑的主、裙楼下有地下室时,可在主、裙楼 相交的裙楼一侧适当位置(一般是1/3跨度处)设置施工 后浇带,同样以先主楼后裙楼的施工顺序,以减小不 均匀沉降的影响。 ? 在软弱土地基上,在已建房屋周围和在建房屋外,都 应避免长时间堆放大量集中的地面荷载、以免引起新、 旧房屋的附加沉降。 ? 细粒土尤其是淤泥及淤泥质土的结构性很强,施工时 应尽可能地保持地基土的原状结构。

本章作业
? P33 思考题 1-2;1-4;1-6
习 题 1-1;1-2;1-3


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