土质土力学2第四章.ppt

第四章天然地基上的浅基础,天然地基上的浅基础设计Shallow foundation on natural groundGB50007-2002,1 地基基础分类，荷载和承载力计算2 基础埋深和基础尺寸确定3 承载力验算和下卧层验算4 基础的冲切验算5 基础的抗震验算6.基础的结构设计7.算例,地基基础分类荷载和承载力计算,一 地基基础分类,(一)天然地基与浅基础,浅基础 埋深小于5m，或者埋深大于5m，但是小于基础宽度。两侧（四周）的摩阻力忽略不计。所以不是简单的深浅概念。天然地基 是不经过对地基土的处理人工地基 经过地基处理,下卧层,地基与基础,持力层（受力层）,主要受力层（表302）,条形基础3b独立基础1.5b且5m（二层以下民用建筑除外）,天然地基,浅基础的分类1 按基础埋深分2 按基础刚度分无筋扩展(刚性)基础扩展基础3 按基础的结构形式分,地基基础分类,Shallow foundationRigid foundationSpread foundationMat foundationPile foundationIndividual footing(pad foundation)Strip footingCross strip footingBox foundation,2 按基础刚度分,无筋扩展基础 Rigid foundation 砖、石、灰土，素混凝土 材料抗拉强度很低有基础台阶宽高比(刚性角)要求,扩展基础(柔性基础)Spread foundation钢筋混凝土要满足抗弯,抗剪和抗冲切等结构要求,1.1 1.5与材料和荷载有关,3 按基础的结构形式分类,1单独基础:柱下或墙下,土质较好,Individual footing,pad foundation,2 条型基础,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,3 十字交叉基础,柱下:土质更差,或荷载很大,四面基础相连,4 片筏基础,土质更差,单独基础联成整体,游泳馆,筏下有肋,板下处理,Mat foundation,5 箱形基础,有筏、墙和顶板形成箱，整体性更好,6 壳体基础,二 荷载计算,2 荷载种类永久(恒)荷载:(1)不随时间变化,(2)变化与均值比可以忽略,(3)单调变化并趋于极值。可变(活)荷载：变化与均值比不可以忽略偶然(特殊)荷载：在结构使用期间不一定出现，一旦出现其值很大，持续时间很短。,3 荷载的代表值标准值:为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值，如均值组合值：对于可变荷载，组合超越概率与其出现概率相同频遇值：对于可变荷载，超越概率为规定的较小比率准永久值：对于可变荷载，设计基准期内，其超越的总时间为设计基准期一半的荷载值。,荷载计算,4 荷载的设计值代表值分项系数5 荷载效应上部结构F：结构自重 屋面楼面荷载 活荷载基础自重G：设计地面高程（内外地面平均值）,一般为前两种情况，横向力不大，只做校核,荷载计算,荷载计算,6 荷载组合极限状态设计时，为保证结构可靠性对于同时出现底各种荷载设计值的规定基本组合：承载能力极限状态设计时，永久作用与可变作用的组合（分项系数）标准组合：正常使用极限状态设计时，采用标准值（或组合值）为荷载代表的组合准永久组合：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载采用准永久值为荷载代表的组合,1 原位测试方法(1)深，浅层平板荷载板试验(2)其他原位试验2 公式计算3 经验类比,荷载采用标准组合确定地基承载力,荷载计算,SGK 永久荷载效应值SQiK 可变荷载效应值，SQ1K 表示起控制的可变荷载,三 地基承载力计算,荷载板试验规范规定的公式经验方法,承载力的标准（特征）值fak,比例界限pcr当pu1.5 pcr时，取极限承载力一半渐变型曲线s/b=0.010.015低压缩性土s/b=0.02高压缩性土,深度宽度修正的特征值,（二）规范中设计承载力的确定,fa=Mbb+Md md+Mcck fa:承载力特征值（设计值）相当与 p1/4=NB/2+Nq d+Ncc但当内摩擦角比较大时，2Mb N基础宽度b大于6m按6m计算，砂土小于3m按3m计算（三）经验类比法确定承载力查表得出承载力的标准值，做基础的宽度和深度修正,基础埋深和基础尺寸确定,基础埋深和尺寸,一 基础埋深确定(一）基础埋深确定的基本原则在满足承载力的条件下尽量浅埋。省工省时省料，但是有如下基本要求：D大于50cm,表土扰动，植物，冻融，冲蚀 基础顶距离表土大于10cm，保护 桥要求在冲刷深度以下还有三项控制因素,（二）结构要求,1 地下室，地下管道（上下水，煤气电缆）应在基底以上，便于维修，要求地下室,作用:承载力变形 补偿基础,F,基础埋深和尺寸,新旧相邻建筑物有一定距离否则要求支护并且要严格限制支护的水平位移L/H=12,（二）结构要求,基础埋深和尺寸,基础埋深不同时(1)主楼与裙房 高度不同,分期施工设置后浇带,（二）结构要求,(2)台阶式相连,如山坡上的房屋 或者验算边坡稳定性,三 基础埋深和尺寸,台北国际金融中心,（三）地基及地质水文条件,1 地下水位以上,否则开挖降水,费用大扰动2 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,基础埋深和尺寸,在满足其他要求下尽量浅埋,只有低层房屋可用,否则处理,尽量浅埋但是如h1太小就为II,h14 m 桩基或处理,（三）地基及地质水文条件,软土(很深),好土,软土,软土,好土,I II III IV,h1,基础埋深和尺寸,h1,（四）冻结深度,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。,基础埋深和尺寸,基础埋深和尺寸,冰椎,基础埋深和尺寸,基础埋深和尺寸,基础埋深和尺寸,（四）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,基础埋深和尺寸,1 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,基础埋深和尺寸,(2)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,基础埋深和尺寸,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,基础埋深和尺寸,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,基础埋深和尺寸,3 按冻胀的地基土分类 老规范不冻胀，弱冻胀，冻胀，强冻胀,P32-33,表25土的冻胀性分类 土类，含水量，地下水位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,4 考虑冻胀的基础埋深,dmin z0 t dfrZ0 标准冻深；dfr残留冻土层厚度,4 考虑冻胀的基础埋深,冻胀率：地面最大冻胀量/设计冻深(%)hw冻结面与地下水的距离,Zd设计冻深(h-z),z,zd,h实测冻土厚度,4 考虑冻胀的基础埋深,dmin zd hmaxZd 设计冻深；hmax允许残留冻土最大厚度,思考题：在辽宁某地修建一6层宿舍楼，9月底开工挖地基，3月份建成第一层时发现基础和墙面由于冻胀而开裂。设计的基础埋深完全满足冻深的要求，解释为什么发生冻胀破坏？,5 基础尺寸的确定,基本条件：基底压力的标准值不大于承载力的特征值pk fa,三 基础埋深和尺寸,中心荷载,柱基础（1）底面积A的确定*荷载Fk+Gk Gk=Ad,是基础加土=20KN/m3*承载力特征值fa（暂不做宽度修正）,*基底面积Fk+Gk=Afa,三 基础埋深和尺寸,(2)长和宽,高度的确定,单独无筋扩展基础blA,bb0+2htg,l l0+2htg满足d h+0.1m,确定b,l 和h,=45o(1:1)30o(1:2),F,l,l0,b0,b,bt,h,三 基础埋深和尺寸,条基单位长度，确定基础宽度,F,h,bb0+2htg 确定h砖墙:承重墙b 6070cm,b0为24,37,48cm 非承重墙b 50cm,三 基础埋深和尺寸,偏心荷载,以柱下独立基础为例（1）按中心荷载确定底面积A1,(2)考虑偏心A=(1.11.4)A1 根据偏心大小根据A初步确定b和l,三 基础埋深和尺寸,扩展基础（钢筋混凝土）,埋置深度和平面尺寸的确定方法一刚性基础相同基础高度较小.,三 基础埋深和尺寸,承载力和下卧层验算,初步确定了埋深和尺寸后,需要一系列验算(一)持力层验算1 承载力的设计值的确定b6m 按6m,3m 按3m 荷载板试验fa=Mbb+Md md+Mcck 不再做宽度和深度修正 fa:承载力特征值（设计值）,2 承载力验算,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pmin0,基础的验算,2 承载力验算,(2)偏心荷载*高层建筑(筏,箱基)*考虑地震可能出现eb/6,此时pmin0,M,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,四 基础的验算,(二)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 c03 基底附加应力 p0=pk-c04 扩散角 与Es1/Es2及z/b有关 持力层太薄，不起作用,基础的验算,5 软弱下卧层顶部附加应力 查表219，条基无后一项6 只做深度修正，不做宽度修正,四 基础的验算,(三)沉降验算,1 沉降要求一级和部分二级建筑，在满足承载力要求外，还要验算沉降大部分二级建筑物查表确定承载力，无需验算沉降沉降要求，表,四 基础的验算,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,四 基础的验算,2 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 50007-2002 表(2)计算最终沉降S=Si 计算深度确定 s0.025S,四 基础的验算,平均附加应力系数法：,Ai=p0(izi-I-1 zi-1)si=Ai/Esis=s si,四 基础的验算,(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，,四 基础的验算,3 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,四 基础的验算,基础的冲切验算,(四)扩展基础弯曲和冲切验算,1 扩展基础破坏形式,四 基础的验算,2 冲切和弯曲破坏的荷载,计算基础内力，确定配筋，验算材料强度时，上部结构的荷载效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,(2)由永久荷载控制,(1)由可变荷载控制,四 基础的验算,分项系数,永久荷载(1)效应对于结构不利时 由可变荷载控制 G1.2 由永久荷载控制 G1.35,可变荷载Q1.00.9,(2)效应对于结构有利时 G1.00.9,四 基础的验算,2单独基础冲切破坏,四 基础的验算,F1=A1pjV=0.7hpftamh0Al为阴影面积am冲切梯形的中线,am,hp 冲切截面高度影响系数,3 单独基础弯矩计算,四 基础的验算,b,a,I,II,a1,任意截面II，IIII处的弯矩,基础的抗震验算,Kobe earthquake,1995,(五)抗震验算,四 基础的验算,拥有地铁的城市分布图,发生破坏的大开车站,阪神大地震中地基液化,神户码头：地震引起大面积砂土地基液化后产生很大的侧向变形和沉降，大量的建筑物倒塌或遭到严重损伤,液化：松砂地基在振动荷载作用下丧失强度变成流动状态的一种现象,Concrete-frame structure with a mid-story collapse,(五)抗震验算,(一)动荷载和抗震承载力1 抗震承载力 pE=sf s=11.5(软硬)为提高系数,表8-8 由于特殊荷载安全系数降低 在动荷载作用下,动强度偏高,2 基底压力计算(拟静力法),将地震作用等效为惯性力,按静荷载分析计算(1)荷载组合 GE计算地震作用时,结构的总重力荷载 G基础加周围土重 FE地震引起的惯性力 M FE引起的地面位置的力矩,(2),不脱离,脱离,3 水平地震力FE的计算,FE=Geq 单层Geq=Ge 多层Geq=0.85 Ge,等效重量荷载总重力荷载,关键在于地震影响系数,裂度:某地区的地面和各种建筑物受一次地震影响的强烈程度.(反映破坏程度).国际上定12度(1)与震级有关(2)与距离震中的远近有关(3)与地质和地形条件有关设计裂度:根据某地区多年地震裂度的统计而确定的基本裂度.根据重要性加减.震级:M=logA,是能量大小的尺度,Tg 特征周期,地震在此地基引起的震动主周期*当建筑物基本周期接近于地基的特征周期时发生最大损害共振*一次地震中,出现低层建筑破坏,同裂度另一地方高层破坏,max,4 验算条件,脱离时bb/45 小结,(二)地基液化可能性判断liquefaction,1 液化:对于饱和松,细砂,在振动荷载下(剪切力)土有由松变密的趋势,这个过程中,由于水来不及排走,颗粒在一段时间内处于悬浮状态.其自重原来由土骨架承担,现在由水承担,有效应力变为零,抗剪强度丧失液化.u=3条件饱和,松散,细砂或粉土 粘土有C,不易悬浮,2 规范法判断地基液化(1)初判,*Q3(第四纪晚更新世10000年)以前,非液化土*粉土中粘粒含量1016%,79度不液化*非液化土层du很厚,地下水位dw很深(一定值)不必进一步判断例:du 69m,dw 58m,2 规范法判断地基液化(2)复判,在以上初判的基础上,用标准惯入击数N63.5反映砂土密度首先饱和,地下水以下,砂土或粉土,ds标惯点深度；dw地下水深度，dsdw非液化c粘粒含量，N0基准标惯击数,N0基准标惯击数,7 8 9,近震 6 10 16,远震 8 12/,裂度,远近,基础的结构设计,一 砖基础,二 砖石基础,300,300,300,80 150 150,素混凝土基础,一层台阶,120,200,240 60 170,240 60 150 150,两层台阶,算例,e=0.1Il=0.2w=0.1n=6(样本数),北京地区，居民住宅，条形基础，无地下室，,密实砂砾石层,1根据给定条件，比较合理的埋深应为：,(A)2.00m(B)1.00m(C)1.40m(D)3.50m,2.用经验类比（查表）法，第二层土的承载力标准值最接近于：,(A)180kPa(B)200kPa(C)250kPa(D)150kPa,.3.用经验类比（查表）法，第三层土的承载力标准值最接近于：,(A)100kPa(B)80kPa(C)95kPa(D)112kPa,w=38%;查表得承载力基本值95kPa回归修正系数f 0.832承载力标准值79.0kPa,4.如果基础埋深定为1.5米；基础宽度为1.7米。根据理论公式计算，第二层土的承载力设计值最接近于：,(A)220kPa(B)250kPa(C)300kPa(D)175kPa,fa=Mbb+Md md+Mcck表5.2.5 k=18,Mb0.43,Md2.72,Mc=5.31,=9kN/m3,m=18.92kN/m3fa=0.4391.7+2.7218.921.5+5.3125217kPa 承载力设计值,5.如果基础埋深定为1.5米；基础宽度为1.7米。根据查表计算，第二层土的承载力设计值最接近于：,(A)230kPa(B)210kPa(C)300kPa(D)175kPa,承载力标准值179.2kPa进行宽度和深度修正b0.3 d=1.6,承载力设计值fa179.2+1.618.92（1.50.5）=209.5kPa,6软弱下卧层顶面处的土层自重应力最接近于（kPa)：,(A)50(B)100(C)70(D)80,自重应力18.91.2+0.31994.7=70.7kPa,7.基底的净压力（P0)最接近于（kPa):,(A)155(B)166(C)177(D)200,(300+19.61.71.5)/1.7-18.91.5177kPa,8.软弱下卧层顶面处的土层附加应力最接近于（kPa)：,(A)72(B)67(C)83(D)56,z/b0.5,模量比约为3，23oz(1771.7)/(1.7+24.7tan23o）53kPa,9.根据查表软弱下卧层的承载力设计值最接近于(kPa)：,(A)100(B)120(C)140(D)150,承载力标准值79.0kPa,d=1.1，m=11.4kN/m3承载力设计值fa79.+1.111.4（6.50.5）=154.2kPa,10.将二、三两层分别按一层计算沉降，不进行修正（设s=1.0)时，其沉降最接近于(cm):,(A)20(B)30(C)10(D)35,概念题：,1 下面哪一种措施可以提高地基承载力并减少沉降？A加大基础埋深，并加作一层地下室B加大基础宽度，同时荷载也按比例增加C建筑物建成以后，大量抽取地下水D建筑物建成以后，在室外填高地坪高程,概念题：,2下面哪种情况，不能提高地基的极限承载力?A加大基础宽度B增加基础埋深C降低地下水位D增加基础材料的强度,概念题,3 哪一个正确：在刚性基础中，其它条件相同时：A基础材料越高，允许刚性角越小B基底压力越小，允许刚性角越大C允许刚性角只与基础材料有关，与基底压力无关D基底的设计深度越大，允许刚性角越小,概念题,4我国北方某场地原地面高程为5000m，设计室外高程5030m，设计室内地面高程5060m，基底高程4900m，建筑物10月份竣工，第二年5月份地坪填至设计室外高程，验算冻深应当用：A d=1.0mB d=1.3mC d=1.6mD d=1.45m,概念题,5在上题中，用公式计算，及用深度宽度修正计算地基承载力时，基础埋深应当用：A d=1.0mB d=1.3mC d=1.6mD d=1.45m,概念题,6 下面哪种情况下计算使用基底净压力pe?A 持力层承载力验算B 基础沉降计算C 软弱下卧层的附加应力计算D 扩展基础的冲切计算,