土木工程专业基础工程2-5 刚性扩大基础的设计与计算.ppt
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1、土木工程专业基础工程2-5 刚性扩大基础的设计与计算 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第五节第五节 刚性扩大基础的设计与计算刚性扩大基础的设计与计算刚性扩大基础的设计与计算的主要内容:刚性扩大基础的设计与计算的主要内容:一、基础埋置深度的确定;一、基础埋置深度的确定;二、刚性扩大基础尺寸的拟定;二、刚性扩大基础尺寸的拟定;三、地基承载力验算;三、地基承载力验算;四、基底合力偏心距验算;四、基底合力偏心距验算;五、基础和地基稳定性验算;五、基础和地基稳
2、定性验算;六、基础沉降验算。六、基础沉降验算。七、七、地基变形验算地基变形验算刚性基础(无筋扩展基础)刚性基础(无筋扩展基础)构造要求构造要求一、基础埋置深度的确定一、基础埋置深度的确定 在在确确定定基基础础埋埋置置深深度度时时,必必须须考考虑虑把把基基础础设设置置在在变变形形较较小小,而而强强度度又又比比较较大大的的持持力力层层上上,以以保保证证地地基基强强度度满满足足要要求求,而而且且不不致致产产生生过过大大的的沉沉降降或或沉沉降降差差。此此外外还还要要使使基基础础有有足足够够的的埋埋置置深深度度,以以保保证证基基础础的的稳稳定定性性,确确保保基基础础的的安安全全。确确定定基基础的埋置深度
3、时,必须综合考虑以下各种因素的作用:础的埋置深度时,必须综合考虑以下各种因素的作用:1.1.与建筑物有关的条件;与建筑物有关的条件;2 2、作用在地基上的荷载大小和性质;、作用在地基上的荷载大小和性质;3.3.工程地质条件和水文地质条件;工程地质条件和水文地质条件;4 4、相邻建筑物的基础埋深;、相邻建筑物的基础埋深;5 5、地基土冻胀和融陷的影响;、地基土冻胀和融陷的影响;6 6、场地环境条件。、场地环境条件。施施工工技技术术条条件件(施施工工设设备备、排排水水条条件件、支支撑撑要要求求等等)及及经经济济分析等对基础埋深也有一定影响,这些因素也应考虑。分析等对基础埋深也有一定影响,这些因素也
4、应考虑。上上述述影影响响基基础础埋埋深深的的因因素素不不仅仅适适用用于于天天然然地地基基上上的的浅浅基基础础,有些因素也适用于其它类型的基础(如沉井基础)。有些因素也适用于其它类型的基础(如沉井基础)。二、刚性扩大基础尺寸的拟定二、刚性扩大基础尺寸的拟定主要根据主要根据基础埋置深度基础埋置深度确定基础平面尺寸确定基础平面尺寸和基础分层厚度。和基础分层厚度。所拟定的基础尺寸,应是在可能的最不利所拟定的基础尺寸,应是在可能的最不利荷载组合的条件下,能保证基础本身有足荷载组合的条件下,能保证基础本身有足够的结构强度,并能使地基与基础的承载够的结构强度,并能使地基与基础的承载力和稳定性均能满足规定要求
5、,并且是经力和稳定性均能满足规定要求,并且是经济合理的。济合理的。基础剖面尺寸:刚性扩大基础的剖面形式一基础剖面尺寸:刚性扩大基础的剖面形式一般做成般做成矩形或台阶形矩形或台阶形,如图如图2-182-18所示所示。自墩、。自墩、台身底边缘至基顶边缘距离台身底边缘至基顶边缘距离c c1 1称襟边,其作称襟边,其作用一方面是扩大基底面积增加基础承载力,用一方面是扩大基底面积增加基础承载力,同时也便于调整基础施工时在平面尺寸上可同时也便于调整基础施工时在平面尺寸上可能发生的误差,也为了支立墩、台身模板的能发生的误差,也为了支立墩、台身模板的需要。其值应视基底面积的要求、基础厚度需要。其值应视基底面积
6、的要求、基础厚度及施工方法而定。桥梁墩台基础襟边最小值及施工方法而定。桥梁墩台基础襟边最小值为为20cm20cm30cm30cm。基础较厚(超过基础较厚(超过1m1m以上)时,可将基础的剖以上)时,可将基础的剖面浇砌成台阶形,面浇砌成台阶形,如图如图2-182-18所示所示。图图2-18 刚性扩大基础剖面、平面图刚性扩大基础剖面、平面图基基础础悬悬出出总总长长度度(包包括括襟襟边边与与台台阶阶宽宽度度之之和和):应应使使悬悬出出部部分分在在基基底底反反力力作作用用下下,在在a-aa-a截截面面(图图2-2-18b18b)所所产产生生的的弯弯曲曲拉拉力力和和剪剪应应力力不不超超过过基基础础圬圬工
7、工的的强强度度限限值值。所所以以满满足足上上述述要要求求时时,就就可可得得到到自自墩墩台台身身边边缘缘处处的的垂垂线线与与基基底底边边缘缘的的联联线线间间的的最最大大夹夹角角 maxmax,称称为为刚刚性性角角。在在设设计计时时,应应使使每每个个台台阶阶宽宽度度cici与与厚厚度度titi保保持持在在一一定定比比例例内内,使使其其夹夹角角 i i maxmax,这这时时可可认认为为属属刚刚性性基基础础,不不必必对对基基础础进进行行弯弯曲曲拉拉应应力力和和剪剪应应力力的的强强度度验验算算,在在基基础础中中也也可可不不设设置置受受力力钢钢筋筋。刚刚性性角角 maxmax的的数数值值是是与与基基础础
8、所所用的圬工材料强度有关。用的圬工材料强度有关。基基础础每每层层台台阶阶高高度度titi,通通常常为为0.50m0.50m1.00m1.00m,在在一一般情况下各层台阶宜采用相同厚度。般情况下各层台阶宜采用相同厚度。图图2-18 刚性扩大基础剖面、平面图刚性扩大基础剖面、平面图基础底面尺寸的确定步骤基础底面尺寸的确定步骤1 1、对于轴心荷载作用时,利用公式可直接求得基、对于轴心荷载作用时,利用公式可直接求得基础底面积或基础底面宽度。础底面积或基础底面宽度。2 2、对于偏心荷载作用时,步骤如下:、对于偏心荷载作用时,步骤如下:(1 1)先按轴心荷载作用的情况预估基底面积)先按轴心荷载作用的情况预
9、估基底面积 或或宽度宽度 ;(2 2)考虑荷载偏心影响,根据偏心距的大小将)考虑荷载偏心影响,根据偏心距的大小将 或或 增大增大10104040作为首次试算尺寸作为首次试算尺寸 或或 ;(3 3)根据)根据A A的大小初步选定矩形基础的底面边长的大小初步选定矩形基础的底面边长 和和 ;(4 4)根据已选定的)根据已选定的 和和 验算偏心距验算偏心距 和基底边和基底边缘最大压力;缘最大压力;(5 5)如满足)如满足 或稍有富余,则或稍有富余,则 选定的选定的 和和 合适;如不满足要求或基底尺寸选择合适;如不满足要求或基底尺寸选择太大,则需重新调整太大,则需重新调整 和和 再进行验算。如此反复再进
10、行验算。如此反复一、二次,便可定出合适的尺寸。一、二次,便可定出合适的尺寸。中心荷载中心荷载以柱基础为例以柱基础为例(1 1)底面积)底面积A A的确定的确定*荷载荷载F Fk k+G+Gk k G Gk k=A=AG G d,d,G G是基础加回填土容重是基础加回填土容重=20KN/m=20KN/m3 3*承载力特征值承载力特征值f fa a*基底面积基底面积基底尺寸确定示例:基底尺寸确定示例:GkFk条基单位长度,确定基础宽度条基单位长度,确定基础宽度FKhbb0b b确定后,确定确定后,确定h h例:刚性基础,据刚性角要求有例:刚性基础,据刚性角要求有偏心荷载偏心荷载以柱下独立基础为例以
11、柱下独立基础为例(1 1)按中心受荷确定基底面积按中心受荷确定基底面积A A0 0(2 2)考考虑虑偏偏心心影影响响大大小小,将将A0A0扩扩大大,得得:A=(1.1A=(1.11.4)1.4)A A0 0,根根据据A A进进行行地地基基承载力验算,初步确定承载力验算,初步确定b b和和l.l.FKeFK+GKMK三、地基承载力验算三、地基承载力验算地基承载力验算包括:持力层强度验算,软地基承载力验算包括:持力层强度验算,软弱下卧层验算和地基容许承载力的确定。弱下卧层验算和地基容许承载力的确定。1 1、持力层强度验算持力层强度验算2 2、软弱下卧层验算、软弱下卧层验算3 3、地基容许承载力的验
12、算地基容许承载力的验算1 1、持力层强度验算、持力层强度验算持力层是指直接与基底相接触的土层。持力层是指直接与基底相接触的土层。持力层承载力验算要求荷载在基底产生持力层承载力验算要求荷载在基底产生的地基应力不超过持力层的地基容许承的地基应力不超过持力层的地基容许承载力。载力。计算式为:计算式为:基底应力(基底应力(KPaKPa););NN基底以上竖向荷载(基底以上竖向荷载(KNKN););AA基底面积(基底面积(m m2 2););MM作用于墩、台上各外力对基底形心轴之力矩作用于墩、台上各外力对基底形心轴之力矩(KNKN m m),其中其中T Ti i为水平力,为水平力,h hi i为水平作用
13、点至基底的距离,为水平作用点至基底的距离,P Pi i为竖向力,为竖向力,e ei i为竖向为竖向力力P Pi i作用点至基底形心的偏心距,作用点至基底形心的偏心距,e eo o为合力偏心距;为合力偏心距;WW基底截面模量(基底截面模量(m m3 3),对矩形基础,),对矩形基础,为基底核心半径;为基底核心半径;基底处持力层地基容许承载力(基底处持力层地基容许承载力(KPaKPa)。)。1 1)、持力层的验算)、持力层的验算 1 1、轴心荷载作用、轴心荷载作用基础底面的压力,应符合下式要求:基础底面的压力,应符合下式要求:式中:式中:-相应于荷载效应标准组合时,基础底面相应于荷载效应标准组合时
14、,基础底面 处的平均压力值;处的平均压力值;-修正后的地基承载力特征值。修正后的地基承载力特征值。如图所示一单独基础,其埋深为如图所示一单独基础,其埋深为d d,承受作,承受作用于基础顶面且通过基础底面中心的竖向荷载用于基础顶面且通过基础底面中心的竖向荷载F Fk k,基础底面积为,基础底面积为A A,基底平均压力表示为:,基底平均压力表示为:将将 代入上式,并满足代入上式,并满足 ,可得,可得 对墙下条形基础,通常沿墙长度方向取对墙下条形基础,通常沿墙长度方向取lmlm进进行计算,此时可得基础宽度为行计算,此时可得基础宽度为 式中的式中的 为基础每米长度上的外荷载,为基础每米长度上的外荷载,
15、kN/mkN/m。2 2、偏心荷载作用、偏心荷载作用基础底面的压力,应符合下式要求:基础底面的压力,应符合下式要求:式中:式中:相应于荷载效应标准组合时,相应于荷载效应标准组合时,基础底面边缘的最大压力值。基础底面边缘的最大压力值。基底压力基底压力 和和 相差不宜悬殊。相差不宜悬殊。在中、高压缩性土上的基础,或有吊车的在中、高压缩性土上的基础,或有吊车的厂房柱基础,偏心距厂房柱基础,偏心距 不宜大于不宜大于l/6l/6;对低压;对低压缩性地基土上的基础,当考虑暂短作用的偏心缩性地基土上的基础,当考虑暂短作用的偏心荷载时偏心距荷载时偏心距 应控制在应控制在l/4l/4以内。否则应以内。否则应调整
16、基础尺寸,使基底形心与荷载重心尽量重调整基础尺寸,使基底形心与荷载重心尽量重合。合。偏心荷载作用下,基底反力呈梯形或三角形偏心荷载作用下,基底反力呈梯形或三角形分布。呈梯形分布时,基础底面边缘的最大、最分布。呈梯形分布时,基础底面边缘的最大、最小压力值分别为小压力值分别为 2 2、软弱下卧层验算、软弱下卧层验算当受压层范围内地基为多层土(主要指地基当受压层范围内地基为多层土(主要指地基承载力有差异而言)组成,且持力层以下有承载力有差异而言)组成,且持力层以下有软弱下卧层软弱下卧层(指容许承载力小于持力层容许(指容许承载力小于持力层容许承载力的土层),承载力的土层),这时还应验算软弱下卧层这时还
17、应验算软弱下卧层的承载力的承载力.建筑地基土层强度一般沿深度增加,而附加建筑地基土层强度一般沿深度增加,而附加应力则沿深度减小,因此只要基底持力层承应力则沿深度减小,因此只要基底持力层承载力满足设计要求即可。但是,当地基受力载力满足设计要求即可。但是,当地基受力层范围内有软弱下卧层,需验算软弱下卧层层范围内有软弱下卧层,需验算软弱下卧层的承载力,要求:的承载力,要求:附加应力简化计算方法:当持力层与下卧软弱土附加应力简化计算方法:当持力层与下卧软弱土层的压缩模量比值层的压缩模量比值 时,时,按压力扩散按压力扩散角角计算。计算。矩形基础矩形基础 条形基础条形基础 3 3、地基容许承载力的验算、地
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