天然地基上的浅基础设计.ppt

天然地基上的浅基础设计,一、浅基础设计的内容和一般步骤,1.充分掌握拟建场地的工程地质条件和地质勘察资料。2.选择基础材料、类型，确定平面布置方案。3.选择地基持力层和基础埋置深度。4.确定地基承载力。5.按地基承载力（包括持力层和软弱下卧层）确定基础底面尺寸。6.进行必要的地基变形和稳定性验算。7.进行基础的结构计算与设计。8.绘制基础施工图（基础平面布置图、基础详图），并提出必要的技术说明。,第一节 概述,二、浅基础设计方法,常规设计法,考虑地基基础上部结构相互作用的方法,三、地基基础设计原则,1、对地基计算的要求,地基复杂程度,建筑物规模,功能特征,建筑物破坏或影响正常使用的程度,三级,甲级,乙级,丙级,分级依据,地基基础设计等级 P9表2-1,可不做地基变形计算设计等级为丙级的建筑物范围 P10表2-2,2.荷载取值规定 GB50007-2002,（1）按地基承载力确定基础底面面积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的标准组合。相应的抗力应取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按正常使用极限状态下的荷载效应的准永久组合，不计入风荷载和地震作用。相应的限值为地基变形允许值。（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）在设计基础或承台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定各配筋和验算材料强度时，荷载效应应按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。验算基础的裂缝宽度时，应按正常使用极限状态下的标准组合。（5）由永久荷载效应控制的基本组合值可取标准组合值的1.35倍。（6）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0不应小于1.0。,第二节 浅基础的类型,扩展基础联合基础柱下条形基础柱下十字交叉基础筏形基础箱形基础壳体基础,扩展基础,无筋扩展基础,钢筋混凝土扩展基础,墙下钢筋混凝土条形基础,柱下钢筋混凝土独立基础,一、扩展基础,Individual footing,pad foundation,单独基础,墙下或柱下条形基础,柱下:一般是土质差,两侧单独基础相连,Strip foundation,条形基础,二、联合基础,墙下联合基础柱下联合基础,类 型,三、柱下条形基础,四、柱下十字交叉基础,具有良好的调整不均匀沉降的能力,五、筏形基础（又称筏板基础、片筏基础、满堂基础）,土质更差,防水要求，十字交叉基础底面联成整体,如游泳馆,筏下有肋,板下处理,六、箱形基础,由底板、墙和顶板形成箱，整体性更好,七、壳体基础,壳体基础定义：由正圆锥形及其组合形成的壳体基础。适用：一般工业与民用建筑柱基和筒形的构筑物（如烟囱、水塔、料仓、中小高炉等）。种类：M型组合壳、正圆锥壳、内球外锥组合壳,由于荷载在壳体内主要引起轴向压力，故对于抗压性能较好的砖、石和混凝土等材料而言，采用壳体结构更能适应材料的特性。,第三节 基础埋置深度的选择,一、确定原则,在保证安全可靠的前提下，尽量浅埋。注意：1.基础埋深不小于0.5m（表土一般松软，易受雨水及外界影响）；随建筑物高度适当增大。2.基础顶面低于设计地面0.1m以上，避免基础外露，受外界破坏。3.桥要求在冲刷深度以下。,二、影响因素,1.建筑物的用途、结构类型、荷载大小及周围的环境条件；2.工程地质和水文地质条件；3.寒冷地区地基的冻结深度影响。,例如：基础埋深不同时主楼与裙房 高度不同,分期施工设置后浇带,台阶式相连,如山坡上的房屋 或者验算边坡稳定性,新旧相邻建筑物有一定距离 L/H=12否则要求支护，并且要严格限制支护的水平位移,地下室，地下管道（上下水，煤气电缆）应在基底以上，便于维修,基底尽量在地下水位面以上,否则开挖降水,费用大，扰动；考虑土层分布情况：(1)浅基础还是深基础(桩基础)；(2)天然还是人工地基；(3)如果是天然地基,基础埋深的确定 根据土层分布，如下图：,在满足其他要求下尽量浅埋,只有低层房屋可用,否则需地基处理,尽量浅埋但是如h1太小就为II,软土(很深),好土,软土,软土,好土,I II III IV,h1,h1,h14 m 桩基或处理,对埋藏有承压含水层的地基,确定基础埋深时，必须控制基坑开挖深度，防止基坑因挖土减压而隆起开裂。要求基底至承压含水层顶间保留土层厚度（槽底安全厚度）h0为：,对修建于坡高（H8m）和坡角不太大（45）的稳定土坡坡顶上的基础（见图），当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长b3m，且基础底面边缘至坡顶边缘线的水平距离a2.5m时，如果基础埋置深度d满足下式要求：则土坡坡面附近由修建基础所引起的附加应力不影响土坡的稳定性。式中x取3.5（对条形基础）或2.5（对矩形基础）。否则应进行坡体稳定性验算。,冻结深度,1.冻胀危害及机理（1）冻胀及冻拔 地面隆起(不均匀)翻浆,融陷,强度降低如果冻结深度大于融沉，称为永冻土,冻胀危害及机理,冻深,毛细区,地下水,1928-1929 Casagrande做了较深入的研究,美国北部:冰深45cm,冻胀13cm,=8%12%,60%110%,冰透镜达13cm,冻结区,冻胀丘Pingo随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时，地表就发生隆起，便形成冻胀丘。,基础埋深,基础埋深,冰椎,基础埋深,基础埋深,基础埋深,机理-复杂,开始认为是水变成冰的体胀.自由水冻结温度0oc,结合水冻结温度-0.5-30oc,总结:开敞式水源,冻结慢,形成透镜体,吸引毛细水,自由水+外层(弱)结合水冻结,形成冰针,冰透镜,结合水膜变薄,离子浓度加大,吸力增加,吸引地下水,2.发生冻胀的条件,（1）土的条件 一般是细颗粒土。砂土的毛细高度小，发生冰冻时体积膨胀，孔隙水排走，骨架不变。太细的土，水分供应不及时，冻胀也不明显。（2）温度条件 低于冻结温度（3）水力条件含水量，具有开放性条件，如粉土冻胀最严重,3.地基土的冻胀性分类 新规范不冻胀，弱冻胀，冻胀，强冻胀，特强冻胀,土类，冻前天然含水量，冻结期间地下水位距冻结面的最小距离，平均冻胀率冻胀率：地面最大冻胀量/设计冻深(%)Z0标准冻深多年实测最大冻结深度的平均值,夏季地面开始往下算。北京 1.0m，哈尔滨 2.0m，满洲里 2.5m,地基土的冻胀性分类,4.考虑冻胀的基础埋深,dmin zd hmaxZd 设计冻深；hmax基底下残留冻土层最大厚度,季节性冻土的设计冻深zd,按下式计算：,设计冻深,标准冻深（m）。系采用在地面平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不少于已10年实测量最大冻深的平均值。无实测资料时，按建筑地基规范“中国季节性冻土标准冻深线图”采用,土的类别对冻深的影响系数,土的冻涨性对冻深的影响系数,环境对冻深的影响系数,作 业,1.名词解释：扩展基础 刚性基础 2.地基基础设计时，所采用的荷载效应按哪些规定执行？3.浅基础有哪些结构类型？各有何特点？4.确定基础埋置深度时应考虑哪些因素影响？5.地基土的冻胀性分类要考虑哪些因素？,65页2-1，解：1）,承压水水压力：whw10（2+2+2）60KPa,粗砂土层顶面所受的力：c h（20-10）（2-1）+192+10 158KPa,whw h，故坑底有隆起危险。,2）基础埋深为1.5m时，粗砂土层顶面所受的力：c h（20-10）（2-1.5）+192+10 0.548KPa；要使坑底无隆起危险，则必须 whw h，hw h w48104.8m。故承压水位还需下降 64.81.2m。,第四节 浅基础的地基承载力,一、基本概念,定义：地基承受荷载的最大能力。,地基的强度满足上部荷载的要求变形不超过允许值,变形条件：,包括,三种设计原则,总安全系数设计原则,容许承载力设计原则路桥地基规范采用,概率极限状态设计原则,确定地基承载力的设计原则,二、地基承载力特征值的确定,1.按土的抗剪强度指标确定,2.按地基载荷试验确定,3.按地基规范承载力表确定,4.参照相邻建筑物经验确定,1.按土的抗剪强度指标确定,（1）建筑地基基础设计规范推荐的理论公式,条件：荷载的偏心矩e0.033b（b为偏心方向基础边长）,公式：,承载力系数，按表2-3查取,大于6m按6m取值，对于砂土，小于3m时按3m取值.,基础底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度（浮重度）,基础埋深范围内各层土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度。,基底下一倍短边宽度的深度范围内土的粘聚力标准值；,说明：,取值:采用原状土以三轴剪切试验测定，一般要求在建筑场地范围内布置6个以上的取土钻孔，各孔中同一层土的试验不少于三组。确定抗剪强度指标 的试验方法必须与地基土工作状态相适应。如：饱和软土，不固结不排水剪的内摩擦角=0，由表知：Mb=0、Md=1、Mc=3.14将上式中的ck相应改为cu则地基承载力设计值：fa=这时，增加基础底面尺寸不可能提高地基承载力。但是对于 0的土，增加基底宽度，承载力将随着 的提高而逐渐增大。,系数Md1，故承载力随埋深d线性增加。但对设置后回填土的实体基础，因埋深增大而提高的那一部分承载力将被基础和回填土G的相应增加而有所抵偿；尤其是对 的软土，Md=1，由于，这两方面几乎相抵而收不到明显的效果。按土的抗剪强度确定地基承载力时，要进行地基承载力的变形验算。,（2）地基极限承载力理论公式魏锡克公式（或汉森公式、太沙基公式等）,适用范围：路桥、港口等公式：,地基土极限承载力；按教材土力学公式计算,安全系数，K=23,2.按地基载荷试验确定,（1）确定地基土承载力特征值,载荷试验数据整理：由载荷试验可得到P-S曲线，再由P-S曲线确定地基承载力特征值。,数据处理,1）对于密实砂土、硬塑粘土等低压缩性土，其P-S曲线有明显的起始直线段和极限值，即显急进破坏的陡降段（有明显的拐点）。地基承载力特征值取P-S曲线的比例界限荷载p1。对于少数显“脆性”破坏的土，p1与pu（极限荷载）很接近，当pu2p1时，地基承载力特征值取pu2.,2)对于有一定强度的中、高压缩性土，如松砂、填土、可塑粘土等，P-S曲线无明显转折点。地基承载力特征值为 所对应的荷载 软土地基承载力特征值为 所对应的荷载以上两者的地基承载力特征值不应大于最大加载量的一半。,注意：同一土层试验点应选3个以上，若所得特征值的极差不超过平均值的30%，则取该平均值作为fak，若超过应增加试验点。,注意:承载力表通过大量的试验数据，用统计分析方法得到，但存在地区的局限性，一般不再采用(新规范)，应根据地区的具体试验，制定相应的承载力表作为设计的参数。,修正公式适用条件：当基础宽度大于3m，埋置深度大于0.5m时，从荷载试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值尚应修正。,3.按地基规范承载力表确定,1）建筑地基规范承载力表,修正公式：,修正后的地基承载力特征值,地基承载力特征值,分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表25取值。,基底持力层土的重度，地下水位以下取浮重度,基础底面以上埋深范围内土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度,b-基础底面宽度（m）；当b6m时按6m取值。d-基础埋置深度（m）；当d0.5m时按0.5m取值，一般自室外地面标高算起。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，应从自然地面标高算起。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。当计算所得的fa1.1fak时,可取 fa=1.1fak。当不满足上述公式计算条件时，可取fa=1.1fak 直接确定地基承载力特征值。,2）路桥地基规范承载力表,确定土的分类名称 一般地基土,根据塑性指数、粒径、工程地质特征 等分为六类,即粘性土、砂类土、碎卵石类土、黄土、冻土及岩石。确定土的状态土的状态是指土层所处的天然松密和稠度状况。粘性土的天然状况按液性指数（即稠度指数）分为坚硬、半坚硬、硬塑、软塑和极软状态。砂类土根据相对密度分为稍密、中等密实、密实。碎、卵石类土按密实度分为密实、中等密实、松散。,确定地基允许承载力步骤：,确定土的允许承载力o 当基础最小边宽度b2m、埋深h3m时，各类地基土在各种有关的自然状态下的允许承载力o可从规范查取。一般粘性土可按液性指数及天然孔隙比从表7-11查取o 砂类土地基的允许承载力o可按密实度和湿度从表中查取,按基础埋置深度、宽度修正o，确定地基允许承载力 当基础宽度大于2m或埋置深度超过3m且h/b4时，上述一般地基土（除冻土和岩石外）的允许承载力可按下式计算：=o+K1 1（b-2）+K2 2（h-3）式中：o-基础宽度b2m，埋置深度超过3m时地基的允许承载力（KPa）b-基础验算剖面底面的最小边宽或直径（m），如b10m时，仍按10m计算；,=o+K1 1（b-2）+K2 2（h-3）h-基础的埋置深度（m），对于受水流冲刷的基础，由一般冲刷线算起，不受水流冲刷的基础，由挖方后的地面算起。1-基底下持力层的天然重度（KN/m3），如持力层在地下水位以下且为透水性时，应取浮重度；2-基底以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；K1、K2-修正系数，其值查表。,三、地基变形验算,沉降要求地基基础设计等级为甲级、乙级和部分丙级建筑，除满足承载力要求外，还要验算沉降；大部分丙级建筑物无需验算沉降。见教材10页表2-2。地基变形允许值，见教材26页表2-6。,沉降计算时的荷载,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准永久组合，不应计入风荷载和地震荷载。,准永久组合,（一）地基变形特征,沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜,一般相邻柱基中点的沉降量之差,指基础某点的沉降值（最终沉降量）,指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值；,指砌体承重结构沿纵向610m内基础两点的沉降差与其距离的比值,（二）沉降计算,1.基本原理:分层总合法,方法:土力学讲过的方法,e-p,logp,Es 规范为方便采用“平均附加应力系数法”有应力的量纲 GB 50007-20022.计算最终沉降S=Si 计算深度确定 s0.025S,平均附加应力系数法：,Ai=p0(izi-I-1 zi-1)si=Ai/Esis=s si,3.地基最终沉降,S=sSs沉降计算经验系数,因为在前面计算中,忽略了侧向变形及取样扰动;s=1.40.2,(1)与土质软硬Es有关,是多层平均值,(2)与基底净附加应力p0/fk的大小有关.,（三）沉降不满足时,修改设计,增大尺寸(减少p0)增加埋深(减少p0),尤其增加地下室-补偿基础地基处理调整荷载改用其他地基基础方案。,考虑从建筑、结构、施工等方面采取有效措施以防止不均匀沉降,第五节 基础底面尺寸的确定,(即地基承载力验算),地基承载力验算,持力层地基承载力验算,软弱下卧层地基承载力验算,必须进行验算,有必要时进行验算,满足条件,中心荷载作用：pk fa偏心荷载作用：pk fa pkmax 1.2fa 式中：pk-相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；pkmax-相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值。2）路桥地基规范：max 式中：max-基础底面处的最大压力值；-修正后的地基允许承载力。,1）建筑地基基础规范：,基本条件：基底压力的标准值不大于承载力的特征值pk fa,考虑的因素：1）满足地基土的承载力和软弱下卧层的验算要求；2）满足地基变形的要求；3）建筑物周边场地允许及变形缝处空间的要求。,复习：实用简化计算,F,F,矩形面积中心荷载,矩形面积偏心荷载,eB/6:梯形,e=B/6:三角形,eB/6:出现拉应力区,e,e,K,3K,F,F,F,高耸结构物下可能的的基底压力,基底压力合力与总荷载相等,土不能承受拉力,压力调整,K=B/2-e,矩形面积单向偏心荷载,复习：实用简化计算,中心荷载,以柱基础为例（1）底面积A的确定*荷载Fk+Gk Gk=AGd,G是基础加回填土容重=20KN/m3*承载力特征值fa（暂不做宽度修正）,*基底面积,一、基底尺寸确定,条基单位长度，确定基础宽度,FK,h,砖墙:承重墙b 6070cm,b0为24,37,48cm 非承重墙b 50cm,b,b0,b确定后，确定h,例：刚性基础，据刚性角要求有,偏心荷载,以柱下独立基础为例（1）按中心受荷确定基底面积A0,(2)考虑偏心影响大小，将A0扩大，得：A=(1.11.4)A0，根据A进行地基承载力验算，初步确定b和l.,初步确定了埋深和尺寸后,需要一系列验算二、地基持力层承载力验算 1.承载力的设计值的确定 b6m 按6m,b3m 按3m 荷载板试验 fa=Mbb+Mdmd+Mcck 不再做宽度和深度修正 fa:修正后的地基承载力特征值（设计值）,根据初步确定的埋深d与b，确定宽深修正后的fa(1)中心荷载(2)偏心荷载*高层建筑(筏,箱基)考虑地震可能出现eb/6,此时pkmin0,2.基础的验算,实际基底与土之间不能传递拉应力，基底压应力分布如图。一部分脱开。要求3a 0.75b，即脱开面积小于25%不满足时：*增加A*增加l,减少b,A不变*采用不对称柱,三、软弱下卧层承载力验算,当持力层下有软土时，可能在此层破坏，需要验算1 基底压力 pk=(Fk+Gk)/A 中心荷载2 基底原自重应力 cd3 基底附加应力 p0=pk-cd4 扩散角 与Es1/Es2及z/b有关 持力层太薄，不起作用,5 软弱下卧层顶部附加应力,6 fa只做深度修正，不做宽度修正,条基,矩形基础,查表27,计算原理：基底的附加应力与软弱下卧层顶面处扩散面积上的附加应力相等。,【例】如图所示中柱基础荷载标准值Fk=1100KN，Mk=140KN.m；若基础底面尺寸Lb=3.6m2.6m，试根据图中资料验算基底面积是否满足地基承载力要求。,持力层承载力设计值:,【解】1、持力层承载力验算,埋深范围内的土的加权平均重度,由粉质粘土e=0.8,IL=0.82查表得:,基础及回填土重(0.8m在地下水中),持力层承载力验算：,满足.,经验算满足要求。,2、软弱下卧层强度验算,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,由淤泥粘土,查表2-7得地基压力扩散角,查表2-5得,软弱下卧层顶面处的附加应力,