[工程科技]第3章天然地基上浅基础设计.ppt
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1、工程科技第3章 天然地基上浅基础设计 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3.1 概概 述述建(构)筑物的设计和施工中,地基和基础占有很重要的地位。它对建(构)筑物的安全和正常使用有很大的影响。地基基础设计必须根据建(构)筑物的用途和安全等级、建筑布置和上部结构类型,充分考虑建筑场地和地基的工程地质条件,结合施工条件和环境保护等要求,合理选择地基基础方案,因地制宜,精心设计,力求基础工程安全可靠、经济合理和施工方便,以确保建(构)筑物的安全和正常使用。2
2、3.1.1 地基基础的设计等级地基基础的设计等级 33.1.2 地基基础的设计原则、荷载取值与设计内容1.地基基础的设计原则基础工程设计的目的是设计一个安全、经济和可行的地基与基础,保证上部结构物的安全和正常使用。因此,基础工程的基本设计计算原则是:(1)地基设计应具有足够的强度,满足地基承载力的要求。(2)地基与基础的变形满足建筑物正常使用的允许要求。(3)地基与基础的整体稳定性有足够保证。(4)基础本身有足够的强度、刚度和耐久性。42.地基基础的荷载取值规定建筑地基基础设计规范(GB 500072002)规定,地基基础设计时,荷载取值应符合现行国家标准建筑结构荷载规范(GB 5000920
3、01)的规定,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:(1)按地基承载力确定基础底面积及埋深,或按单桩承载力确定桩数时,传至基础或承台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或单桩承载力特征值。(2)计算地基变形时,传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准永久组合,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。5(3)计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时,荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合,但其分项系数均为1.0。(4)在确定基础或桩台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力
4、、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)基础设计安全等级、结构设计使用年限、结构重要性系数应按有关规范的规定采用,但结构重要性系数 不应小于1.0。63.地基基础设计内容和一般步骤(1)选择基础的材料、类型,确定平面布置。(2)选择基础的埋置深度,即确定地基持力层。(3)确定地基承载力特征值。(4)根据传至基础底面上的荷载效应和地基承载力特征值,确定基础底面积。(5)根据传至基础底面上的荷载效应进行相应的地基验算(变形和稳定性验算)。
5、(6)根据传至基础底面上的荷载效应确定基础结构尺寸,进行必要的结构计算。(7)绘制基础施工图。73.2 浅基础的类型浅基础的类型天然地基上的浅基础,根据基础形状和大小可以分为:独立基础、条形基础(包括十字交叉条形基础)、筏板基础、箱形基础等。根据基础所用材料的性能可分为刚性基础和柔性扩展基础。83.2.1 刚性基础刚性基础(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且不需要配置钢筋的基础,这些材料有较好的抗压性能,但抗拉、抗剪强度不高,设计时要求限定基础的扩展宽度和基础高度的比值,以避免基础内的拉应力和剪应力超过其材料强度。相应而言,基础的相对高度一般都比较大,几
6、乎不会发生弯曲变形,习惯上称为刚性基础。93.2.2 钢筋混凝土扩展基础(柔性扩展基础)1.柱下独立基础柱下独立基础又称单独基础,基础截面可设计成台阶形或锥形,预制柱下一般采用杯口形基础。2.条形基础条形基础是指单向条状的基础,钢筋混凝土条形基础可分为墙下钢筋混凝土条形基础、柱下钢筋混凝土条形基础和十字交叉钢筋混凝土条形基础。103.2.3 筏板基础当荷载很大且地基土较软弱,采用十字交叉条形基础也不能满足要求时,可采用筏板基础。筏板基础类似一块倒置的楼盖,基底面积大,可减小基底压力,提高地基土的承载力,能更有效地增强基础的整体刚度,有利于调节地基的不均匀沉降,较能适应上部结构荷载分布的变化。特
7、别是对于有地下室的房屋或大型储液结构,如水池、油库等,筏板基础是一种比较理想的基础结构。113.2.4 箱形基础箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板和内外纵横隔墙组成的,有一定高度的整体空间结构。箱形基础比筏板基础具有更大的抗弯刚度,可视作绝对刚性基础。箱形基础埋深较深,基础空腹,开挖卸除基底原有的自重应力,减小了作用于基础底面的附加应力,降低了基础的沉降,箱基的抗震性能较好。123.3 基础埋置深度的确定基础埋置深度的确定基础埋置深度一般是指设计地面到基础底面的距离。选择合适的基础埋置深度关系到地基的稳定性、施工的难易、工期的长短以及造价的高低,是地基基础设计中的重要环节。133.3.1 建筑物
8、的有关条件1.建筑功能建筑物的使用功能和用途,常常成为基础埋深选择的先决条件。当建筑物设有地下室、带有地下设施、属于半埋式结构物等时,都需要较大的基础埋深。有地下室时,基础埋深要受地下室地面标高的影响,在平面上仅局部有地下室时,基础可按台阶形式变化埋深或整体加深,台阶的高宽比一般为12,每级台阶高度不超过0.5m。2.荷载效应对于竖向荷载大,地震力和风力等水平荷载作用也大的高层建筑,基础埋深应适当增大,以满足稳定性要求。143.3.2 工程地质条件及水文地质条件工程地质条件是影响基础埋深的最基本条件之一。直接支承基础的土层称为持力层,其下的各土层称为下卧层。基础埋深的选择实质上就是确定基础的持
9、力层。当地基上层土承载力大于下层土时,宜取上层土作持力层,减小基础埋深。若上层土承载力低于下层土时,则需要区别对待。当上层软弱土较薄时,可将基础置于下层坚实土上;当上层软弱土较厚时,基础埋深应从施工难易、材料用量等方面进行分析比较决定。153.3.3 相邻建筑物基础埋深的影响在城市建筑密集的地方,为保证原有建筑物的安全和正常使用,新建建筑物的基础埋深不宜深于原有建筑物基础的埋深,并应考虑新加荷载对原有建筑物的不利作用。当新建建筑物荷重大,楼层高,基础埋深要求大于原有建筑物基础埋深时,为避免新建建筑物对原有建筑物的影响,设计时应考虑与原有基础保持一定的净距。163.3.4 地基冻融条件的影响季节
10、性冻土是指一年内冻结与解冻交替出现的土层,在全国分布很广,季节性冻土层厚度在0.5m以上,最厚达3m。173.3.5 补偿性基础补偿性基础是通过增加建筑物的基础埋深,利用建筑物的重力使得产生的基底压力(扣除地下水的浮托力)等于该处原有的土体自重应力;即建筑物(包括基础上覆土)的全部质量替换了开挖基坑移去的土体质量(旧称重量)。183.4 地基承载力的确定与验算地基承载力的确定与验算3.4.1 地基承载力的确定1.按地基荷载试验确定荷载试验主要有浅层平板荷载试验和深层平板荷载试验。浅层平板荷载试验的承压板面积不应小于0.25m2,对于软土不应小于0.5m2,可测定浅部地基土层在承压板下应力主要影
11、响范围内的承载力。深层平板荷载试验的承压板一般采用直径为0.8m的刚性板,紧靠承压板周围外侧的土层高度应不少于80cm,可测定深部地基土层在承压板下应力主要影响范围内的承载力。192.按动力、静力触探等原位测试方法确定除静荷载试验外,还有动力触探、静力触探、十字板剪切试验和旁压试验等方法。动力触探有轻型(N10)、重型(N63.5)和超重型(N120)之分,静力触探有单桥探头和双桥探头之分,各地应以荷载试验数据为基础,积累和建立相应的测试数据与地基承载力的相关关系。这种相关关系具有地区性、经验性,对于大量建设的丙级地基基础是非常适用、经济和迅速的,对于设计等级为甲、乙级的地基基础应按确定承载力
12、特征值的多种方法综合确定。203.按规范推荐的土体强度理论公式确定按土的抗剪强度确定的地基承载力特征值没有考虑建筑物对地基变形的要求,因此在基础底面尺寸确定后,还应进行地基变形验算。按理论公式计算地基承载力时,对计算结果影响最大的是土的抗剪强度指标 的取值。213.4.2 地基持力层承载力的验算基础底面尺寸的确定1.轴心受压基础当基础承受轴心荷载作用时,地基反力为均匀分布,按地基持力层承载力计算基底尺寸时,要求基底压力满足下式要求:222.偏心受压基础当作用在基底形心处的荷载不仅有竖向荷载,而且有力矩或水平力存在时,为偏心受压基础。偏心荷载作用下基底压力分布仍假设为线性分布,基底压力除应满足式
13、的要求,尚应满足以下附加条件:233.4.3 软弱下卧层承载力的验算当地基受力层范围内存在软弱下卧层(承载力显著低于持力层的高压缩性土层)时,除按持力层承载力确定基底尺寸外,还必须对软弱下卧层进行验算,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特征值,即243.5 地基变形验算地基变形验算3.5.1 地基特征变形地基特征变形一般分为:沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。沉降量独立基础中心点的沉降值或整幢建筑物基础的平均沉降值。沉降量若过大,将影响建筑物的正常使用,如造成室内外上下水管、煤气管道的断裂等。沉降差相邻柱基中点的沉降量之差。相邻柱基沉降差过大,就会导致上部结构产生
14、附加应力,严重时,建筑物将发生裂缝、倾斜甚至破坏。对于框架结构和排架结构,设计时应由相邻柱基的沉降差控制。倾斜基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。对于高耸结构及长高比很小的高层建筑,其地基的主要特征变形是建筑物的整体倾斜。局部倾斜砌体承重结构沿纵墙610m内基础两点的沉降差与其距离的比值。墙体局部倾斜大时,将会使其挠曲变形、开裂,影响正常使用。253.5.2 地基特征变形验算建筑地基基础设计规范(GB 500072002)规定,对设计等级为甲级、乙级的建筑地基均应按地基变形设计,并规定了地基变形验算的范围。263.6 扩展基础设计扩展基础设计3.6.1 无筋扩展基础设计无筋扩展基础(刚性
15、基础)所用材料的抗压强度较高,但抗拉强度和抗剪强度较低。其优点是施工技术简单,材料可就地取材,造价低廉。但基础稍有挠曲变形,基础内拉应力就会超过材料的抗拉强度而产生裂缝。因此设计中必须控制基础内的拉应力和剪应力。结构设计时可以通过控制材料强度等级和台阶宽高比(台阶的宽度与其高度之比)来确定基础的截面尺寸,而无须进行内力分析和截面强度计算。273.6.2 墙下条形基础设计墙下钢筋混凝土条形基础的内力计算一般按平面应变问题处理,计算时沿墙长度方向取1m作为计算单元。墙下钢筋混凝土条形基础的截面设计包括确定基础底面宽度、基础高度和基础底板配筋。基底宽度根据地基承载力和对沉降及不均匀沉降的要求确定,基
16、础高度由混凝土的抗剪切条件确定,基础底板的受力钢筋由基础验算截面的抗弯能力确定。确定基础底面尺寸和计算沉降时,应考虑设计地面以下基础及其上覆土重的作用;进行基础截面设计时,应采用不计基础与上覆土重时的地基净反力计算。283.6.3 柱下独立基础设计单独基础的结构计算主要包括冲切、局部受压计算(当基础混凝土强度小于柱时)和受弯计算几部分内容。由冲切强度条件控制柱边处基础高度和变阶处高度,由基础底板弯矩决定配筋量。293.7 减轻建筑物不均匀沉降危害的措施减轻建筑物不均匀沉降危害的措施如何采取有效措施,防止或减轻不均匀沉降造成的危害,是设计中必须认真考虑的问题。解决这一问题的具体的措施:采用柱下条
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