极限平衡理论与浅基础.ppt
,第 3章 极限平衡理论与浅基础,第 3章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,学习目的和要求,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.1 地基基础设计原则,地基基础设计是土木工程结构设计的重要组成部分。结构设计包含基础设计。在某种地质条件下，基础设计的意义和要求，比上部结构设计更重要、更难。,1、概述,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,地基基础分类：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,对基础的要求：结构强度、刚度和耐久性 与上部结构相适应,对地基的要求：承载力（强度）沉降(变形）,地基及基础示意图,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,地基与基础的关系,地基与基础密切相关，彼此制约,地基与基础设计 不能单方面考虑,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,地基基础方案选择,建筑物的性质,工程地质条件,施工条件,包括建筑物的用途、结构布置、结构类型、荷载性质及大小等,包括场地土层分布、组成、土性及地下水等,包括当地施工技术力量、施工设备、材料价格、工期等,优选,天然地基上的浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,计算要求,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,荷载取值,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,浅基础的设计方法,建筑物设计,上部结构的自重及各种荷载都是通过基础传到地基中的。,上部结构,基础,地基,基底压力接近直线“刚性设计”,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.2 浅基础的类型,浅基础的分类方法,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,1)扩展基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,无筋扩展基础(刚性基础）材料：砖、石、灰土、三合土及混凝土工作条件：犹如一倒置的承受地基反力 的两端外伸的悬臂梁,特点：砖、石、灰土，素混凝土材料 抗压强度较高，抗拉和抗剪强 度很低，受弯后易剪切破坏。,设计 采用限制基础外伸宽度与高方法：度之比（台阶宽高比）不超 过允许值的构造措施。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,定义,刚性基础：用砖、石抗拉和抗剪强度较低的材料 建造，在构造上受刚性角限制，受力 后不发生挠曲变形的基础。,应用范围：一般用于六层及六层以下（三合土不超过四层）的民用建筑和轻型厂房。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,钢筋混凝土扩展基础(柔性基础)材料:钢筋混凝土工作条件：倒置悬臂梁,特点：基础配置一定数量的钢筋，可 以承受拉应力，故不受刚性角 的限制，但要满足抗弯,抗剪 和抗冲切等结构要求。,适用条件：宽基浅埋,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2)柱下条形基础,基础材料:钢筋混凝土,结构型式,单向条形基础:同一轴线（或同一方向）上若干 柱下相连的钢筋混凝土条形基础。,十字交叉条形基础:柱网下沿纵横两向分别设置 的钢筋混凝土条形基础。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,特点：1）抗弯刚度大，具有调 整不均匀沉降的能力。2）能将集中柱荷载较均 匀地分布到整个基底。,工作条件：有别于钢筋混凝土扩展基础，不仅在横截面方向如倒置的悬臂梁，在纵向则如倒置的以各柱为铰支的多跨连续梁。,适用条件：地基土较软弱，分布不均；基底面积受相邻建筑物或设备基础的限制无法扩展时；柱荷载差异大，以致基底面积扩大使其彼此接近或象相碰时。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3)筏形基础,覆盖于建筑物地基上的整体钢筋混凝土板状基础。,基础材料:钢筋混凝土工作条件:犹如倒置的楼盖结构,结构型式,墙下筏基-平板式,柱下筏基,平板式,梁板式,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3)筏形基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,1）有较大基底面积，不仅易于满足软弱地基承载力的要求，而且减少了地基的附加压力，并在与上部结构共同工作的 条件下使沉降比较均匀；2）对上部结构刚度较好的多层房屋，能增加整体性能，减少 相对沉降，增强抗震性能；3）可跨越土中浅层小洞穴和局部软弱层，防止因局部下沉造 成的房屋损坏；4）可作为水池、油库等的防渗底板；5）有地下室时，可提供较宽敞的使用空间；6）有地下室或架空地板时，具有一定的补偿性效应。,筏基的功能,不足之处,1)无力调整过大的差异沉降2)上下配筋，经济指标较高,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,4)箱形基础,由钢筋混凝土底板、顶板和内外墙体组成的整体空间结构基础。整体性更好,基础材料:钢筋混凝土,适用条件：软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降要求严格的建筑物,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,4)箱形基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,特点,1）基础埋深大、中空形式，使开挖卸去的土重部分抵偿 了上部结构传来的荷载，能显著减小基底压力、降低 基础沉降量；2）整体刚度大，只能产生大致的均匀沉降或整体倾斜，抗震性能好；3）具有较大地下空间可供各种使用功能，但因内墙分隔 而使使用受限；4）经济指标高，施工技术复杂，对防水通风要求较高。,4)箱形基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,5)壳体基础,基础材料：钢筋混凝土,结构型式,正圆锥壳体,M形组合壳体,内球外锥组合壳体,特点：1）材料省、造价低，2）施工技术要求高。,适用条件：可用作柱基础和筒形构筑物基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,单独基础 柱下条形基础 箱形和筏形基础,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,浅基础的特点：,小结,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.3 基础埋置深度的选择,1、确定基础埋深的意义和原则,埋深定义,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,选择埋深的意义,实质,选择合适的持力层,保证,1）地基的可靠性（强度、变形要求）2）基础的稳定性（抗倾覆、滑动和侵蚀要求）3）施工的难易性（埋深大施工难，反之则易）4）造价的经济性（埋深大造价高，反之则低）,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,选择埋深的原则,1）在满足地基强度、稳定和变形要求的前提下，基础应 尽量浅埋；2）除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。基础顶面一般不露出地面，要求基础顶面低于地面不小于0.1m。,浅埋可节约材料，方便施工，缩短工期，降低造价,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,1）与建筑物有关的条件,2、选择基础埋深的影响因素,建筑物的功能用途,1、考虑建筑物结构类型、使用功能和用途要求；,2、土质地基上高层建筑，应满足稳定性要求；,3、岩石地基上高层建筑，应满足抗滑要求；,4、受上拔力的基础，满足抗拔要求；,5、高耸构筑物，满足抗倾覆稳定性要求。,抗震区筏板、箱形基础不宜小于建筑物高度1/15；桩箱、桩筏基础 不宜小于建筑物高度1/181/20,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,只有轻型建筑可用，否则采用连续基础、人工处理或深基础比较确定,上硬下软尽量浅埋（宽基浅埋），但是如h1太小就按情况考虑,上软下硬 h14 m 桩基或人工处理,软土(很深),好土,软土,软土,好土,I II III IV,h1,基础条件由其它条件确定时，基础尽可能浅埋,2）工程地质条件,h1,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3）水文地质条件,地基中有地下水时,1）基础应尽量置于地下水位以上；2）当基础必须置于地下水位以下时，应考虑排水、围护 及扰动，地下水有无侵蚀性，设计时还应考虑地下室 防渗、抗浮等问题；3）有承压水时，由避免基坑被承压水冲破的条件确定。,向上的承压水压力,向下的土压力,要求,.,有承压水时,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,4）地基冻融条件,冻土地基：地基土的温度低于摄氏零度时，土 中部分孔隙水将冻结而形成冻土。,冻土的类 型,季节性冻土-冬季冻结，夏季融化，每年冻融交替一次。,多年冻土-连续冻结三年以上的冻土。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,土的冻胀与融陷,冻胀 土冻结后体积的膨胀,冻胀机理,融陷 冻土融化后引起建筑物沉陷的现象。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,冻深,毛细区,地下水位,冻结区,土冻胀的 影响因素,土质：含弱结合水或有毛细水的细粒土,含水量：含水量越大，冻胀性越强,地下水位：离冻结区越近，水分补充越快,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,冻胀的分类,不冻胀,特强冻胀,弱冻胀,冻胀,强冻胀,冻深对基础埋深的要求,Zd,dmin,室内地面,hmax,dmin=zd hmax,式中：zd 设计冻深；hmax 允许残留冻土 最大厚度。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,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（上下水，煤气电缆）应在基底以上，且 应预留孔洞，孔径应大于管径（1015mm），管道宜选柔材。,5）场地环境条件,同一建筑物基础可采用不 同的埋深，对土质地基上 的墙下无筋基础，应做成 台阶状，这是为解决基础 不均匀变形的构造措施。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,新旧相邻建筑物新基础的 埋深不宜超过原有建筑物 基础底面，否则应有一定 间距，即：LH=12 若不能满足上述要求，则 应在施工期间对原有建筑 物采取保护措施。,为了保护基础不受人 类和其他生物活动等 的影响，基础的顶面 宜低于室外设计地面 0.10m，同时又要便 于周围排水沟的布置。,d,大于10cm,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,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承载力。,极限承载力:地基即将丧失稳定性时的承载力;,允许承载力:地基稳定有足够的安全度且变形 在允许范围内时的承载力。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,地基承载力特征值相应于载荷试验时，地基土的压力变形曲线线性变形段内不超过比例界限点的地基压力值。,地基承载力特征值fa 在保证地基稳定的条件下,使建筑物的沉降量不超过 允许值的地基承载力。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2.地基承载力确定的原则,1）在最不利荷载作用下，地基不出现失稳现象；2）在长期荷载作用下，地基变形不造成上部结构损坏。,特点：1.地基承载力特征值实质就是允许 承载力；2.按正常使用 极限状态原则确定；3.以地基的变形作为控制标准。,荷载增加,地基变形增长,地基承载力加大,地基承载力是其变形的函数,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.地基承载力特征值确定的方法,根据土的抗剪强度指标，按理论公式计算,按地基现场载荷试验确定,按规范承载力表确定,根据相邻条件相似的建筑经验确定,分类,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,1)按地基载荷试验确定,载荷板的测试范围：在现场通过0.250.50m2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12倍荷载板宽度的深度以内土体的平均性质。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,p s曲线“陡降型”,步骤：1）当p s曲线上有明显的 比例界限 pb时，取pb对 应的荷载值为地基承载 力特征值；2）当 pu 2pb时，取 pu/2 为地基承载力特征值。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,条件：承压板面积为 0.25 0.50m2,p s曲线“缓变型”,步骤：当p s曲线上无明显的比例界限 pb和极限荷载pu时，取沉降 s=(0.010.015)b对应的荷载值为地基承载力特征值；且其值不大于最大加载量的一半。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,载荷试验结果 p s 曲线,确定,地基承载力特征值,方法,p-s曲线“陡降型”取值主要由地基强度控制,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,常出现于低压缩性土,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,同一层土参加统计试验点不少于三点，所得试验实测值的极差(最大值与最小值之差)不超过平均值的30%时，取此平均值为地基承载力特征值fak。即：满足：f=famax famin 0.3fam 有：fak=fam,要求,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,载荷试验的主要优缺点,载荷板与实际基础对地基影响深度比较(a)载荷试验(b)实际基础,优点：载荷试验可靠性高，对于成分或结构很不均匀的土层，如杂填土、裂隙土、风化岩等，它则显出用别的方法所难以代替的作用。,缺点：费时、耗资多；载荷板的尺寸一般比实际基础小，影响深度较小，试验只反映这个范围内土层的承载力。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2)按土的抗剪强度指标确定,注：此式以p1/4=N b/2+Nq d+Ncc 为理论依据,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,几点说明：,（1）土的抗剪强度指标、ck的取值 原状土样，三轴试验，每层土的试验数量6组；（2）地下水对地基承载力的影响 基底上下土的重度m、，在地下水位以下采用有效重度;（3）基础宽度和埋深对地基承载力的影响 对 0的土，增大基础宽度，地承力随之增大；但b 6 时，取b=6；对砂土地基b 3时，取b=3。（4）按此式确定fa时，尚应进行地基的变形验算。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.地基承载力特征值的修正,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。,适用条件:,当基础宽度大于 3m或埋置深度大于0.5m时，从现场载荷试验或其他原位测试等方法确定的地基承载力特征值应进行修正。,修正公式:,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,fa 与 fak 的 区 别,以界限荷载 为基础的理论公式结合经验给出计算地基承载力设计值,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、标准贯入试验等原位测试法取得，经深宽修正后方得到。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3-6,3-41,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3-6,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,1.按地基持力层承载力特征值确定基底面积,1）中心荷载下的基础,计算假定:基底压力均匀分布,基底平均压力标准值pk不超过持力层经修正后的地基承载力特征值fa，即：pk fa,计算要求,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,Gk,Fk,计算公式,d,l,b,基础自重及其台阶上的土重,实体基础,Gk=GAd=20Ad,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,基础及回填土的平均重度，一般取20,地下水位以下取10,上式中有两个未知数 和，可能要通过反复试算确定。,计算时，可先对地基承载力只进行深度修正，计算 值；然后按计算所得的，考虑是否需要进行宽度修正，使得、间相互协调一致。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,矩形基础,A=l b（一般l/b 3）,方形基础,A=b2,条形基础,A=1b=b,沿基础长度方向取1m的计算单元（l=1m）,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,【例1】某住宅承重墙厚240mm，采用墙下条形基础；地基土表层为杂填土，厚度0.80m，重度17.5kN/m3，其下为粘土层，重度18.5 kN/m，承载力特征值 fak为 200kPa，孔隙比0.86。地下水位在地表下 1.0m处。若已知上部墙体传来的竖向荷载标准值为195kN/m。试确定基础底面尺寸。,解:,1.确定基础埋深:,为了便于施工，基础宜建在地下水位以上，故选择粘土层作为持力层，初步选择基础埋深 d=1m。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.取 1m 长的条基作计算单元,基础宽度：,埋深范围内土的加权平均重度：,2.对持力层土进行深度修正:,3-6,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,取该承重墙下条形基础宽度 b 1.25m。,4.验算:,满足要求。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（2）偏心荷载作用下的基础：,计算假定:基底压力按直线分布（梯形或三角形分布）,pk fa pkmax 1.2fa,计算要求,同时满足下列两式的要求，即：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,计算公式,基础底面的抵抗矩,矩形基础,Mk=(Fk+Gk)e,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,矩形基础,当pkmin 0时,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,计算偏心荷载作用下的基础底面尺寸逐次渐近试算法,计算步骤,1)按中心受压初步计算基底尺寸：,2)据偏心大小，增加基 底尺寸1040%，即：,A1=（1.11.4）A0,3)初选 l 和 b，一般取l/b=12，得实际基底尺寸：,A A1,承载力特征值可先进行深度修正,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,其中：,Mk=M0k+VkH0,上部结构传来的力矩标准值,pk pkmax,4)计算基底应力：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,要求：1）应满足 e l(即pkmin0)2）对重要建筑物：pkminpkmax1/4 1/3 以避免产生过大的不均匀沉降；3）对个别情况可：e l6(即pkmin 0）此时：,5)验算：,pk fa pkmax 1.2fa,如不满足要求，应修改尺寸，重复上述步骤，直到符合要求为止。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,【例2】柱截面尺寸300mm400mm，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。其它参数见下图。试根据持力层地基承载力确定基础底面尺寸。,此题为偏心荷载作用下的基础，解题思路为:对地基承载力进行深度修正，按中心荷载作用初定基础底面积，考虑偏心荷载作用扩大基础面积，验算地基承载力，如不合适，调整基底面积重复按上述步骤计算。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,【解】1、求地基承载力特征值根据粘性土e=0.7，IL=0.78查表7.10，得：b=0.3d=1.6持力层承载力特征值fa（先只考虑对基础进行深度修正）：,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。,按中心受压计算基底面积：,由于偏心不大，基础底面积按20%增大，即：,初步选择基础底面积,因 不需再对fa进行宽度修正。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3、验算持力层地基承载力,基础和回填土重：,偏心距：,即,基底最大压力：,最后确定该柱基础底面长 L=2.4m,宽b=1.6m。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2.地基软弱下卧层承载力验算,软弱下卧层是指在持力层下，成层土地基受力层范围内，承载力显著低于持力层的高压缩性土层。,验算要求：,作用于下卧层顶面的全部压力（自重应力和附加应力），不超过软卧层的承载力。即：,当持力层下有软土时，可能在此层破坏，需要验算软弱下卧层的地基承载力,pz+pcz faz,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,软弱下卧层顶面的附加应力简化计算-压力扩散角法,假设基底处的附加应力向下传递时按某一角度向外扩散，并均匀分布于较大面积的软弱下卧土层上。,矩形基础：,条形基础,软卧层顶面处附加应力=基底处附加应力 应力扩散后面积,注 扩散角 与Es1/Es2及z/b有意:关，持力层太薄不起作用,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,软弱下卧层地基承载力特征值faz计算,faz=fak+dm（d+z 0.5）,pz+pcz faz,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,当上述验算不能满足时可采取的措施,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,【例3】某承重墙厚，传来轴力标准值 基础埋深，地基资料如下图所示，试确定基底尺寸并验算软弱下卧层。,【解】1、持力层承载力验算：中心荷载作用，沿墙长方向取,。,埋深范围内土的加权平均重度,先进行深度修正：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,由于：不须进行宽度修正。,基底平均压力标准值：,确定基底尺寸：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,淤泥质土承载力修正：,2、软弱下卧层验算：,软弱下卧层顶面处自重应力,软弱下卧层顶面处的附加应力：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.地基稳定性验算,验算对象,1)承受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构物2)建在斜坡上或边坡附近的建(构)筑物。,验算内容,1)整体滑动破坏-通常采用圆弧滑动面法 要求:K=MrMs 1.2,抗滑力矩,滑动力矩,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,验算内容,2)斜坡上建(构)筑物 对稳定土坡(如图)上的基础当b 3m，a 2.5m，且符合 要求:,对条形基础:对矩形基础:,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,地基变形验算目的保证建筑物安全、正常使用和 外观。变形验算的要求：建筑物的地基特征变形计算值，不 应大于地基特征变形允许值，即 地基特征变形计算值 变形特征允许值。注：传至基础上的荷载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作用）。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,地基变形特征：对各种建筑物产生危害的不利沉降形式。,类型,沉降量,沉降差,倾斜,局部倾斜,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,控制对象：对于单层排架结构，体型简单的高层建筑基础，高耸结构基础的沉降量应注意验算。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,(2)沉降差,一般指相邻柱基中点的沉降量之差。,控制对象：是不均匀沉降的一种，框架结构 容易出现这种情况的破坏。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（3）倾斜,指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离 的比值。,控制对象：高耸结构、长高比很小的高层建筑,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（4）局部倾斜,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。,控制对象：一般砌体承重结构房屋的长高比不太大，易出现这种不均匀沉降。它是砌体承重结构的主要变形特征。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,变形验算的选择,（1）与柔性结构有关的地基变形特征 通常柔性结构指排架结构，一般在低、中压缩性地基上不会产生沉降破坏，但在高压缩性地基上应注意下列变形特征：砌体墙填充的边排柱（尤其是端部抗风柱）-验算沉降差 单层排架柱基（尤其是多跨排架的中排柱基）验算沉降量 对有桥式吊车的厂房，应限制相邻柱基沉降差引起的吊车轨道面的倾斜，以防导致吊车滑行或卡轨。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（2）与敏感性结构有关的地基变形特征 所谓敏感性结构指对不均匀沉降敏感的框架结构和砌体承重结构。由于一般砌体的抗拉、抗剪强度较低，在地基不均匀变形影响下，易沿纵墙开裂破坏；而框架结构则主要是由于相邻柱基的不均匀沉降在上部结构中产生较大次应力，使强度超过安全储备而破坏。因此：砌体承重结构-验算局部倾斜 框架结构-验算相邻柱基的沉降差,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（3）与刚性结构有关的地基变形特征 所谓刚性结构指高层建筑和高耸结构物。高耸结构和长高比很小的高层建筑，地基变形的主要特征 是建筑物的整体倾斜；对地基较均匀、且无相邻荷载影响的高耸结构，则注意控 制沉降量。高耸及高层建筑容易产生倾斜的主要原因是地基不均匀及相邻建筑影响，此外这类结构受水平荷载大、重心高，容易重心偏移引起偏心力矩而影响倾覆稳定性，故倾斜允许值随高度增加而递减。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,沉降观测与地基变形值的预估,沉降观测目的,通过对观测结果的分析 来验证计算方法；,可预测沉降发展的趋势 及时采取处理措施。,预估,施工期间,使用期间,变形值,便于预留建筑物有关部 分间净空,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,预估地基 变形值,考虑,土的压缩性,多层建筑在施工期间完成的沉降量,砂土-80%以上,低压缩性土 5080%,中压缩性土 2050%,高压缩性土 520%,变形不满足时的措施,1)适当调整基底尺寸(改变基底附加压力);2)适当调整基础埋深;3)改用其它基础型式;4)采用人工地基处理方案;5)从建筑结构及施工等方面采取措施以防止地 基不均匀沉降对上部结构造成的损害。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,Fk,b2,b,H0,b1,b0,d,材料：由砖、毛石、素混凝土与 灰土等材料组成,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,Fk,b2,b,H0,b1,b0,d,设计原理,采用增加基础高度H0，控制基础外伸宽度b2与基础高度H0的比值（台阶宽高比，又称刚性角）来提高基础抗弯能力，从而无需配筋就可保证基础结构不发生破坏。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,设计方法,Fk,b2,b,H0,b1,b0,d,通过控制材料强度等级和基础台阶的宽高比来确定基础的截面尺寸，要求台阶宽高比小于其允许值,设计公式,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,一般先按地基承载力特征值确定基础底面尺寸，然后根据刚性角要求按下式计算基础高度：,Fk,b2,b,H0,b1,b0,d,因,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,验算要求,对阶梯形截面基础，除基础高度应符合要求外，各级台阶的宽高比亦应满足刚性角要求；2)除墙下条基只在横截面方向进行台阶宽高比验算外，单独基础则应在长、宽两个方面进行验算;3)若基础由二种或二种以上材料叠合而成，则应分别满足不同材料的允许刚性角，并应对两种材料接触部分进行局部受压验算。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,不满足刚性角要求时可采取的措施,1）增加基础高度H0（增加埋深d）使 减小；（应注意若其下有软弱下卧层时，不宜采用）；2）改用钢筋混凝土扩展基础不受允许宽高比限 制，使H0 及d 减小;3）采用人工地基提高地基承载力使b 减小。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,构造要求,1）基顶埋深d1（1）必要性：保护不受大气风化和外力破坏；保持建筑物整体外观；预留地坪结构层及埋设管线所需位置。（2）最小构造尺寸：民用建筑100mm 工业建筑500mm；,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,构造要求,2)基顶宽度bt（1）必要性：便于增加建筑物的稳定性；便于施工，防止误差，上部结构有调整余地（2）最小构造尺寸：两侧超出墙、柱的尺寸原则上应符合材料的模数。砖b160mm 石b1100mm 砼b150mm,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,扩展基础适用范围,适用于上部结构荷载较大，有时为偏心荷载或承受弯矩、水平荷载的建筑物基础。在地基表层土质较好、下层土质软弱的情况，利用表层好土层设计浅埋基础，最适宜采用扩展基础。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,一、扩展基础的构造要求：,1、一般要求：底板钢筋的保护层，当有垫层时不小于40mm，无垫层时不小于70mm。砼强度等级不应低于C25。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2、现浇柱下独立基础的构造要求,现浇钢筋砼柱基础剖面尺寸,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,现浇柱基础中应伸出插筋，插筋在基础内应符合下列要求：（1）插筋的数量、直径、以及钢筋种类应与柱内的纵向受力钢筋相同。（2）插筋锚入基础的长度等应满足有关规范要求。（3）基础中插筋至少需分别在基础顶面下100mm和插筋下端设置箍筋，且间距不大于800mm，基础中箍筋直径与柱中同。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3、墙下条形基础的构造要求：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,二、扩展基础的设计计算,进行扩展基础结构计算，确定基础配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合；相应的基底反力为净反力。,确定基底面积时，传至基础底面上的荷载效应组合应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合；,不计基础及其上覆土自重时的基底反力,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（一）墙下钢筋混凝土条形基础的结构计算,1、中心荷载作用,简化计算：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2、偏心荷载作用,基底边缘处的最大和最小净反力,计算基底偏心距：,悬臂支座处1-1截面的地基净反力,1-1截面处的弯距M和剪力V：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（二）柱下钢筋混凝土单独基础结构计算,（1）基础底板厚度,柱下钢筋混凝土单独基础的底板厚度（即基础高度）主要由受冲切承载力计算决定。,1、中心荷载作用下：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力；,受冲切承载力应按下列公式验算：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,（2）基础底板配筋,基础底板的配筋，应按受弯承载力确定。对于柱下单独内力采用简化计算方法计算：,即将单独基础的底板视为嵌固在柱子边或基础变阶处（阶梯形基础）,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2、偏心荷载作用：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,一、地基、基础与上部结构相互作用的概念,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,共同作用主要体现在以下三个方面一、地基与基础的相互作用二、地基变形对上部结构的影响三、上部结构对基础受力状况的影响,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,其实，地基、基础和上部结构三者是相互联系成整体来承担荷载而发生变形的。这时，三部分都将按各自的刚度对变形产生相互制约的作用，从而使整个体系的内力（包括柱脚和基底的反力）和变形（包括基础沉降）发生变化。显然，当地基软弱、结构物对不均匀沉降敏感时，上述常规分析结果与实际情况的差别就愈大。由此可见，合理的分析方法，原则上应该以地基、基础、上部结构之间必须同时满足静力平衡和变形协调两个条件为前提。只有这样，才能揭示它们在外荷作作用下相互制约、彼此影响的内在联系，从而达到安全、经济的设计目的。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,二、地基和基础的相互作用（一）基础刚度对基底压力的影响1.柔性基础 柔性基础的抗弯刚度很小。它好比放在地上的柔软薄膜，可以随着地基的变形而任意弯曲。基础上任意一点的荷载传递到基底时不可能向旁边扩散分布，象直接作用在地基上一样。,特点：基础刚度小，基础可随地基 变形而弯曲；基底反力与作 用在基础上荷载分布一致。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2、刚性基础,刚性基础具有非常大的抗弯刚度，受荷后基础不挠曲，因此，原来是平面的基底，沉降后仍然保持平面。此处把刚性基础能跨越基底中部，将所承担的荷载相对集中地传至基底边缘的现象叫做基础的“架越作用”。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,4、邻近荷载的影响使其受影响基础的基底反力呈中间大两边小的拱形分布。设计时要考虑相邻建筑物之间的间距。,（二）地基压缩性不均匀的影响,荷载布置时应考虑地基的非均匀性，以减少地基土的不均匀变形。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,结论及建议:,1、基础架越作用的强弱，取决于基础相对刚度、土的压缩性及基底塑性区的大小。2、加强基础刚度可以调整或减少不均匀沉降，但应注意同时会使基础内力加大，故基础方案应作综合考虑。3、对地基软弱不均（如石芽地基），可采用连续基础；岩石或压缩性很低的地基，宜优先采用扩展基础。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,(三)上部结构刚度对基础受力状况影响,以柱下条形基础为例,(2)完全柔性的上部结构基础梁在上部荷载和基底反力作用下产生弯曲。上部结构不参与工作，弯距图不均匀。,(1)绝对刚性的上部结构基础梁在基底反力作用下产生弯曲。各柱只能均匀下沉，弯距图较均匀。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,结论:,1、上部结构刚度对基础受力有约束作用。2、应适度增大上部结构刚度，以减少基础挠曲及内力，调整地基变形。3、在软土地基上，当基础整体刚度有限时，加强上部结构刚度才有效。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,建筑物开裂、倾斜、甚至破坏,均匀沉降,影响建筑物的功能和正常使用,不均匀沉降,主要危害对象,框架等超静定结构,砌体承重结构,结构产生次应力,门窗洞口部位开裂,裂缝位置和方向与不均匀沉降的状况有关,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,砌体结构开裂的规律,当中段沉降大，产生正向挠曲（下凹）时，裂缝呈正“八”字形开展，若两翼沉降大，墙体反向挠曲（上凸）时，裂缝呈“例八”字形开展。总之斜裂缝形态特征是：朝沉降大的一方倾斜地向上延伸。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,如何解决不均匀沉降的问题？,思考,解决途径,增强上部结构对不均匀沉降的适应能力,减少不均匀沉降或总沉降,具体措施,选用条形、筏形或箱形等连续基础,采用桩基础或其它深基础,进行地基处理（采用人工地基）,从地基、基础和上部结构共同工作的观点出 发，在建筑、结构和施工方面采取某些措施,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,一、建筑措施,1.建筑物的体型应力求简单,平面形状简单，如用“一”字形建筑物；,立面体型变化不宜过大，砌体承重结构房屋高差不宜 超过12层。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,2.控制建筑物长高比及合理布置纵横墙。,一般，二层以上的砌体承重房屋，当预估的最大沉降量超过120mm时，长高比不宜大于2.5；对于平面简单，内外墙贯通，横墙间隔较小的房屋，长高比的限制可放宽至不大于3.0。不符合上述条件时，可考虑设置沉降缝。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.设置沉降缝,沉降缝是从屋面到基础把建筑物断开，将建筑物划分成若干个长高比较小、体型简单、整体刚度较好、结构类型相同、自成沉降体系的独立单元。,沉降缝的位置通常选择在下列部位上：,(1)复杂建筑平面转折处;(2)高度或荷载变化差异处;(3)结构或基础类型不同处;(4)长高比过大的适当部位;(5)地基压缩性显著变化处;(6)分期建造房屋交接处;,沉降缝可结合伸缩缝设置，在抗震区，最好与抗震缝共用。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,沉降缝缝宽要求：,二、三层房屋为5080mm；四、五层房屋为80120mm；六层及以上不小于120mm。,防止缝两侧单元发生互倾沉降时造成单元结构间的挤压破坏,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,4.恰当安排相邻建筑物基础间的净距,相邻基础,附加应力叠加,不均匀沉降,同期建造的两相邻建筑物，低（或轻）者受高（或重）者的影响；不同期建造的两相邻建筑物，原有建筑物受邻近新建高（或重）的建筑物的影响。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,根据可能产生的不均匀沉降，将预估沉降量大的部分标高提高，待其沉降后达到预定的标高，与沉降小的部分协调一致。,（1）室内地坪和地下设施的标高，应根据预估沉降量予以提高；（2）建筑物各部分（或设备之间）有联系时，可将沉降较大者标高提高；（3）建筑物与设备之间，应留有足够的净空；（4）当有管道穿过建筑物时，应预留足够尺寸的孔洞，或采用柔性的 管道接头。,5.调整建筑物各部分的标高,原理：,具体措施：,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,二、结构措施,1.减轻建筑物自重,减轻墙重量：采用多孔砖，轻质墙等。选用轻型结构：采用预应力钢筋混凝土结构、轻钢结构及各种轻型空间结构。减少基础和回填土重量：如采用空心基础、壳体基础、以及架空地板代替厚填土等。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,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（层）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。,2.设置圈梁,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,3.减小或调整基底附加压力,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。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，从而调整基底压力。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,4.加强基础刚度,采用钢筋混凝土基础，如条形，十字形，筏形 和箱形基础，可以增大基底面积，加强基础刚 度和提高调整不均匀沉降的能力。尤其是软弱 地基上的砌体结构房屋，特别有效。设置基础梁，以提高基础的整体刚度，增强适 应不均匀沉降的能力。,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,5.采用非敏感性结构,排架、三铰拱（架）等铰接结构油罐、水池等基础采用柔性底板,适用条件,单层厂房、仓库和某些公共建筑,第 3 章 极限平衡理论与浅基础,三、施工措施,1）合理安排施工程序,先高重后低轻，先主体后附属,2）基础周围不宜堆载,3）保护基底的地基土(岩),4）防止施工中的不利
