土力学与地基基础9浅基础设计.ppt

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1、9、天然地基上浅基 础的常规设计,土力学与地基基础,9、天然地基上浅基础的常规设计,9.1 概述9.2 浅基础的若干类型9.3 基础埋置深度的选择,常规设计,指在计算单个基础时，既不遵循上部结构与基础的变形协调条件，也不考虑地基与基础的相互作用的简化计算方法。,9.1 概述,地基设计,各类建筑物对地基的要求是不同的。地基设计主要根据地层结构、土的工程性质、建筑物荷载大小及变形要求来确定地基持力层、基础埋置深度、地基土的承载力、地基变形和地基抗倾覆及抗滑稳定性等。当地基强度不足或其它工程地质条件较差不能满足天然地基要求时，则需要进行地基处理(人工地基)或采用深基础。,基础设计,主要包括下列内容：

2、基础型式；基础材料；基础各部分的尺寸、配筋和构造；基础内力计算。,地基基础设计应满足下列三项基本原则,对防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度；（强度要求）应控制地基变形，使之不超过建筑物的地基变形允许值，以免引起基础和上部结构的损坏，或影响建筑物的正常使用功能和外观；基础的材料、型式、尺寸和构造，除了应能适应上部结构、符合使用要求、满足地基承载力（稳定性）和变形要求外，还应满足对基础结构的强度、刚度和耐久性的要求。（教材P.154）,天然地基上浅基础设计的内容和一般步骤,(1)充分掌握拟建场地的岩土工程地质条件和工程勘察资料。例如:不良地质现象和地震层的存在及其危害性、地基

3、土层分布的均匀性和软弱下卧层的位置和厚度、各层土的类别及其工程特性指标;(2)在研究地基勘察资料的基础上,结合上部结构的类型，荷载的性质、大小和分布，建筑布置和使用要求以及拟建基础对原有建筑设施或环境的影响，并充分了解当地建筑经验、施工条件、材料供应、保护环境、先进技术的推广应用等其他有关情况，综合考虑选择基础类型和平面布置方案;(3)选择地基持力层和基础埋置深度;(4)确定地基承载力;,(接上页),(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)进行必要的地基稳定性和变形验算，使地基的稳定性得到充分保证，并使地基的沉降不致引起结构损坏、建筑倾斜与开裂，或影响其正常使用和外

4、观;(7)进行基础的结构设计,按基础结构布置进行结构的内力分析、强度计算，并满足构造设计要求，以保证基础具有足够的强度、刚度和耐久性;(8)绘制基础施工图，并提出必要的技术说明。(教材P.153),浅基础的若干类型、构造及适用条件,本节重点介绍现行建筑地基基础设计规范(GB 50007-2002）涉及的，也是我们以后工作中经常见到和需要设计的几种基础分类方案。,9.2 浅基础的若干类型 及地基基础设计需考虑的因素,（1）按基础埋深分类：,浅基础,深基础,（2）按受力特征及刚度特征分类：,扩展基础,柔性基础,补偿式基础,扩展基础(刚性基础),指基础底部扩展部分不超过基础 材料刚性角的天然地基上的

5、独立基础和墙下条形基础。(图)特点：结构简单，主要承受压应力，一般用抗压性能好，而抗拉、抗剪强度较差的混凝土、毛石、砖、三合土等建造，即无筋扩展基础。适用条件：适用于地基持力层土质较好、无沟、塘、井、坑，下卧层无淤泥或淤泥质软弱土层，可用于6层及6层以下的民用建筑和砖墙承重的轻型厂房；但是三合土地基不宜用于超过4层的民用建筑。,无筋扩展基础构造示意图(教材图7.1),柔性基础,能承受一定弯曲变形的基础；通常指抗拉性能较好的钢筋混凝土基础。适用条件：当扩展基础(刚性基础)方案中基础高度由于施工条件等受到限制时，可采用柔性基础。,补偿式基础,建在地面下具有足够深度，使结构物的重量不超过或略超过挖出

6、的地基土重，以减少由结构物附加荷载引起的基础沉降的整体基础；(图)适用条件：适用于软土地基上建造较重的建筑物。,补偿式基础示意图,（3）按基础材料分：,砖基础,三合土基础,灰土基础,毛石基础,混凝土或毛石混凝土基础,钢筋混凝土基础,砖基础,指用砖砌筑的刚性基础。特点：具有就地取材、造价低、施工简便等优点，在干燥和温暖的地区广泛应用。,三合土基础,用三合土做成的刚性基础。一般用石灰、砂、碎砖（或碎石）按体积比1：2：4 1：3：6配成夯实而成。特点：常用于地下水位较低的4层及4层以下建筑物。,灰土基础,用灰土做成的刚性基础，灰土是用石灰和粘性土混合而成。特点：用于地下水较低、5层及5层以下的混合

7、结构房屋和墙承重的轻型工业厂房。,毛石基础,用强度较高的且未风化的毛石砌筑的刚性基础。适用于：小型工程。,混凝土或毛石混凝土基础,用混凝土或毛石混凝土浇筑的基础。特点：混凝土基础的强度、耐久性、抗冻性都较好。荷载较大或基础位于地下水位以下时常采用这种类型基础。,钢筋混凝土基础,用钢筋混凝土浇筑的柔性基础。特点：抗剪、抗弯性能好，可在竖向荷载较大、地基承载力不高以及受水平力和弯矩作用、基础需要“宽基浅埋”的情况下使用。,（4）按基础构造分：,独立基础,条形基础,联合基础,扩展基础,筏板基础,箱形基础,墩基础,壳体基础,岩层锚杆基础,a）独立基础(图),配制于柱下或塔式、筒式整个结构物之下的无筋或

8、配筋的单个基础。特点：常采用砖石、混凝土或钢筋混凝土做材料。长、宽、埋深可自由调整。可用于工业与民用建筑柱基础、桥梁墩台、古建筑、烟囱、水塔、高炉等大块实体基础，基础常做成圆形、环型或方形。,（教材图7.5）,b）条形基础,b1)墙下条形基础：位于墙下的长条形基础，常用砖、毛石、三合土、灰土、混凝土或钢筋混凝土做材料。b2)柱下条形基础：为减少基底压力而将柱下单独基础单向扩展联成的条形基础。（图）特点：常用于软弱地基上框架或排架结构。也可用于地基承载力不足需加大基础底面积，但在平面受到限制的情况。当柱荷载或地基压缩性分布不均匀时，在柱下采用抗弯刚度较大的条形基础能收到效果。,柱下条形基础构造示

9、意图(P158，图7.7),(a)等截面(b)柱位处加腋,c）联合基础,b2)柱下条形基础：（前述）c1)交叉条形基础:为减少基底压力而将柱下条形基础在柱网的双向布置，相交于柱位处形成的网格状条形基础。（图）特点：如柱网下的地基软弱，土的压缩性或柱荷载的分布沿正交的两个柱列方向都不很均匀，一方面需要进一步扩大 基础底面积，另一方面要求基础具有空间刚度以调整不均匀沉降时，可沿纵横两向相交于柱位处形成柱下交叉条形基础。,柱下交叉条形基础,（接上页）,如果单向条形基础已能满足地基承载力要求，只需减少基础之间的沉降差，则可在另一方向加设联梁组成联梁式交叉条形基础（图）。联梁”不着地”，需有足够的刚度和

10、强度。在高层建筑框架结构中有时采用梁高为1/21/3柱距的交叉条形基础，以其巨大的刚度来增加建筑物的整体刚度，使各柱之间沉降均匀。,联梁式交叉条形基础,d）扩展基础,d1）柱下钢筋混凝土独立基础；d2）墙下钢筋混凝土条形基础：为减少作用于地基的压力，扩大基底面积使基底面积大于柱或墙截面积的基础。特点：基础外伸宽度一般大于基础高度，基础材料承受拉应力。,柱下钢筋混凝土扩展基础(教材图7.3)(a)阶形基础；(b)锥形基础；(c)杯口基础,墙下钢筋混凝土扩展基础(教材图7.6)(a)无肋的；(b)有肋的,f）筏板基础,f1）墙下筏板基础f2）柱下筏板基础 指大面积整体钢筋混凝土板式或梁板式基础。特

11、点：埋深浅，基底压力小，利于调整不均匀沉降。当地基软弱而荷载又很大时、采用交叉条形基础不能满足地基承载力和变形要求时、或相邻基础间距很小时可采用筏板基础。天然地基、人工地基均可使用。,墙下筏板基础,柱下筏板基础,图(b)、（c）为肋梁式，梁可设在板上或板下，也可纵、横方向分主次梁,e）箱形基础,由钢筋混凝土底板、顶板、侧墙、内隔墙组成的，具有一定高度的整体性基础，是补偿式基础的一种。(图)特点：空间刚度大，适于软弱地基的高层、超高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物。箱形基础只发生大致均匀的沉降和不大的整体倾斜。高层与超高层建筑的箱形基础往往与地下室结合考虑。,箱形基础,g）墩基础,墩和桩

12、都属深基础。一般指用人力或机械事先挖掘成孔，然后再在其中灌注混凝土的粗短构件。底部也可做成扩大头。和大直径钻孔灌注桩非常接近，一般将墩等同于桩进行评价。特点：长径比小（短而粗），承载能力高，通常在高层、超高层建筑、工业厂房建筑、桥梁工程和海上钻井平台工程中使用。,h）壳体基础,以壳体结构形成的空间薄壁基础。特点：一般采用正圆锥及其组合型式的壳体基础，可用于一般工业与民用建筑柱基或筒形建筑物的基础。,壳体基础的结构型式,壳体基础的构造示意图,i)岩层锚杆基础,岩层锚杆基础适用于直接建在基岩上的柱基，以及承受拉力或水平力较大的建筑物、构筑物基础。（图）特点:岩层锚杆基础对锚杆材料、锚杆孔径、锚杆插

13、人上部结构的长度、灌浆等都有一定的要求，以确保锚杆基础与基岩有效地连成整体。多用于基岩强度高且埋藏浅或出露地表的场合。,岩层锚杆基础构造示意图,9.2.2 浅基础设计要求,在地基基础设计中贯彻执行国家的技术经济政策，做到安全使用、技术先进、经济合理、确保质量、保护环境。浅基础方案的选用要经济合理，一般遵循：刚性基础柱下条形基础交叉条形基础筏板基础箱形基础（浅基础类型的选择）地基基础设计，必须坚持因地制宜、就地取材、保护环境和节约资源的原则；根据岩土工程资料，综合考虑结构类型、材料情况和施工条件等因素，精心设计。,浅基础类型的选择,9.3 基础埋置深度的选择,基础埋置深度的选择是基础设计须考虑的

14、重要因素之一，是岩土工程勘察阶段中应重点查明和确定的问题之一。它关系到地基的安全可靠性、施工的难易及造价的高低等重要因素。基础埋置深度的确定及选择与下列条件有关：与建筑物有关的条件工程地质和水文地质条件环境因素,9.3.1 与建筑物有关的条件,要满足建筑物功能要求,如有无地下室、地下停车场、电梯井、大型设备基础等；土基上的高层、超高层建筑，因竖向荷载大，又要承受风力、地震力等水平荷载，为保证稳定性，基础埋深应随建筑高度适当增大。在抗震设防区，除岩石地基外，天然地基上的箱形基础和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15；桩箱或桩筏基础的基础的埋置深度（不计桩长）不宜小于建筑物高度的1/18

15、1/20。,9.3.1 与建筑物有关的条件（续）,岩基上的高层、超高层建筑，常需依靠基础侧面上土体来承担水平荷载，故基础埋深要考虑抗滑要求；高耸构筑物要保证抗倾覆稳定性；承受上拔力的构筑物基础，必须有足够的埋深以保证所需的抗拔阻力；冷藏库或高温炉窑，其基础埋深的选定要考虑热传导引起地基土的冻胀或干缩效应；（工程实例）,工程实例(一)：南昌钢铁厂一烟囱,工程及事故概况：一轧车间，1971年开始建，厂房内有一加热炉，东侧有一烟囱高50m，1975年投产。1981年烟囱倾斜开裂，1984年有三条垂直方向的主要裂缝，长度35m，宽度1020mm，整体向西倾斜。,事故的原因分析：,地基粘性土均匀，无软弱

16、土；烟囱上部结构对称，基础承受中心荷载；隔热质量差，烟囱西部地基土长期受高温烘烤，土体含水量减至缩限以下，地基不均匀沉降。处理：烟囱加固；隔热加强：做好隔热层，避免新的收缩下沉。,工程实例(二)：国外某玻璃钢厂烟囱,工程及事故概况：烟囱高40.5m，位于厂房内加热炉旁，筏板基础，直径为5.2m。投产时，烟囱倾斜，顶部偏离0.92m。,事故原因分析：,类似于上一工程实例；处理：拆除，在间隔较远距离后重建。,9.3.1 与建筑物有关的条件（续）,当存在相邻建筑物时，新建筑物基础埋深不宜大于原有建筑物基础。当埋深大于原有建筑物基础时，两基础间应保持一定净距，其数值应根据原有建筑荷载大小、基础形式和土

17、质情况确定，一般不宜小于基础底面高差的12倍(右图所示)。当上述要求不能满足时，应采取分段施工，设置临时加固支撑、打板桩、地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物地基。,原建筑 新建筑,9.3.2 工程地质和水文地质条件,(1)考虑选择适宜的持力层，当上层的承载力高于下层土时，一般宜选上层土作为持力层，以减少基础埋深（但最小不少于0.5m）。当上层的承载力小于下层土时，若取下层土作为持力层，则基础面积小而埋深大；若取上层土作为持力层，则反之，此时应作方案比较后确定基础埋深；(2)当存在软弱下卧层时，基础宜尽量浅埋，使基底与软弱下卧层距离尽量加大（不小于0.5m）；,9.3.2 工程地质和水文地质

18、条件（续）,(3)当地基土在平面上分布不均或上部荷载分布不均时，可采用不同的基础埋深来调整不均匀沉降；如地基持力层顶面倾斜，必要时可沿基础长轴方向将基础底面分段做成高低不同的台阶状，以保证基础各段都具有足够的埋深。分段长度不宜小于相邻两段底面高差的1-2倍，且不宜小于1m。(一般按1:2的台阶放坡)(4)对修建于坡高(H)和坡角()不太大的稳定土坡坡顶的基础，应尽量保证由修建基础所引起的附加应力不影响土坡的稳定性(如图)；,9.3.2 工程地质和水文地质条件（续）,(5)地下水位较高时，基础应尽量浅埋，当地下水具有腐蚀性时，应尽量将基础建造在地下水位之上，否则须采用防腐蚀措施；(6)若持力层为

19、粘土隔水层，其下为承压含水层地基，选择基础埋深时，为防止基底因挖土减压而隆起开裂，避免开挖基坑时，隔水层被承压力冲破，必须控制基坑开挖深度；（如图）(7)要重视地下水和地表水的联系；(8)要考虑城市给排水管道漏水给基础施工带来困难的因素。,土坡坡顶处基础的最小埋深：,当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长b3m，由基础底面外缘到坡顶边缘的水平距离a2.5m时，基础埋深d应符合下式要求：d(b-a)tan式中系数：条形基础取3.5，矩形和圆形基础取2.5,基坑下埋藏有承压含水层的情况：,应使承压含水层顶部的静水压力()与总覆盖压力()的比值/1对宽坑宜取/0.7，否则应设法降低承压水头。式中=wh，h

20、可按预估的最高承压水位确定，或以孔隙压力计测定；=lzl+2z2，l及2分别为各层土的重度，对地下水位以下的土取饱和重度。,（作业3）,作业3：,某建筑场地表以下土层依次为：(1)中砂，厚2.0m，孔隙比e0.650，土粒相对密度ds2.65，潜水面在地表下1m处；(2)粘土隔水层厚2.0m，重度为19kNm3；(3)粗砂，含承压水，承压水位高出地表2.0m(取w9.80kNm3)。问：基坑开挖深达1m时，坑底有无隆起开裂的危险?若基础埋深d1.5m，施工时除将中砂层内地下水面降到坑底外，还须设法将粗砂层中的承压水位至少降低几米才行?,9.3.3 环境因素,(1)相邻建筑物的基础埋深（同前面）

21、当存在相邻建筑物时，新建建筑物的基础埋深不宜大于原有建筑基础。当埋深大于原有建筑基础时，两基础间应保持一定净距，其数值应根据原有建筑物荷载大小、基础形式和土质情况确定。当上述要求不能满足时，应采取分段施工，设临时加固支撑，打板桩，地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物地基，以保证邻近原有建筑物的安全。(2)地基土冻胀和融陷的影响地基的冻胀性类别季节性冻土地基基础的最小埋置深度防冻害措施,地基的冻胀性类别,地基的冻胀性类别应根据冻土层的平均冻胀率的大小按建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)附录查取。表G.0.1 地基土的冻胀性分类,表G.0.1 地基土的冻胀性分类（续）,表G.0.1

22、 地基土的冻胀性分类（续）,注：1.w P塑限含水量（%）；w 在冻土层内冻前天然含水量的平均值；2.盐渍化冻土不在表列；3.塑性指数大于22时，冻胀性降低一级；4.粒径小于0.005mm的颗粒含量大于60%时，为不冻胀土；5.碎石类土当充填物大于全部质量的40%时，其冻胀性按充填物的类别判断；6.碎石土、砾砂、粗砂、中砂（粒径小于0.075mm颗粒含量不大于15%）、细砂（粒径小于0.075mm颗粒含量不大于10%）均按不冻胀考虑。,季节性冻土地基的设计冻深,建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)第条规定：季节性冻土地基的设计冻深zd应按下式计算：zdz0 zs zw ze 式中：

23、zd设计冻深。若当地有多年实测资料时，也可：zd=h-z，h和z分别为实测冻土层厚度和地表冻胀量；z0标准冻深。系采用在地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不少于十年实测最大冻深的平均值。当无实测资料时，可按建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)附录F采用；zs 土的类别对冻深的影响系数；zw 土的冻胀性对冻深的影响系数；ze环境对冻深的影响系数。,附录F 中国季节性冻土标准冻深线图,冻深影响系数,注：环境影响系数一项，当城市市区人口为2050万时，按城市近郊取值；当城市市区人口大于50万小于或等于100万时，按城市市区取值；当城市市区人口超过100万时，按城市市区取值，5km以内的

24、郊区应按城市近郊取值。,土的类别对冻深的影响系数,土的冻胀性对冻深的影响系数,环境对冻深的影响系数,冻土区基础的最小埋深d min,建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)第条规定：当建筑基础底面以下允许有一定厚度的冻土层，可用下式计算基础的最小埋深：d minzd-h max 式中：h max基础底面以下允许残留冻土层的最大厚度，按建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)附录（下页）查取。当有充分依据时，基础底面以下允许残留冻土层的厚度也可根据当地经验确定。,附录G.0.2 建筑基底下允许残留冻土层厚度hmax(m),可采用的防冻害措施：,对在地下水位以上的基础，基础侧面应回

25、填非冻胀性的中砂或粗砂，其厚度不应小于10cm。对在地下水位以下的基础，可采用桩基础、自锚式基础（冻土层下有扩大板或扩底短桩）或采取其他有效措施。宜选择地势高、地下水位低、地表排水良好的建筑场地。对低洼场地，宜在建筑物四周向外一倍冻深距离范围内，使室外地坪至少高出自然地面300500mm。防止雨水、地表水、生产废水、生活污水浸入建筑物地基，应设置排水设施。在山区应设截水沟或在建筑物下设置暗沟，以排走地表水和潜水流。,（续）可采用的防冻害措施：,在强冻胀和特强冻胀性地基上，其基础结构应设置钢筋混凝土圈梁和基础梁，并控制上部建筑的长高比，增强房屋的整体刚度。当独立基础联系梁下或桩基础承台下有冻土时

26、，应在梁或承台下留有相当于该土层冻胀量的空隙，以防止因土的冻胀将梁或承台拱裂。外门斗、室外台阶和散水坡等部位宜与主体结构断开，散水坡分段不宜超过1.5m，坡度不宜小于3%，其下宜填入非冻胀性材料。对跨年度施工的建筑，入冬前应对地基采取相应的防护措施；按采暖设计的建筑物，当冬季不能正常采暖，也应对地基采取保温措施。,9.3.3 环境因素（续）,(3)濒临河、湖等水体修建的建筑物基础，要考虑流水或波浪冲刷的影响，基础埋深须大于最大冲刷深度;(4)基础埋深应大于因气候变化或树木生长导致地基土胀缩,以及其他生物活动形成孔洞等可能到达的深度;除岩石地基外，不宜小于0.5m。为了保护基础，一般要求基础顶面

27、低于设计地面至少0.1m。(5)如果基础邻近有管道或沟、坑等设施时，基础底面一般应低于这些设施的底面。下面介绍一个工程实例：,工程实例：虎丘塔,工程概况 位于苏州西北，始建于公元959年（宋太祖），塔高47.5m，全塔七层，平面呈八角形，砖砌。事故情况 从明朝起即已开始倾斜，向东北方向倾斜；1980年6月，塔顶偏离中心线2.31m，塔轴线为抛物线形，说明在建塔过程中已发生倾斜。（图）目前塔身最大倾角为3度59分。1975年始不再允许游人进入塔内。原因分析,建塔过程中已发现倾斜并进行了纠偏,（1）地质状况：,杂填土,素填土：人工填土，含大块石，最大直径1000mm,粉质粘土：可塑到流塑状态,风化岩石,坚硬岩石,1,2,3,4,5,6,7,8,0,H（m）,（2）水文状况：,苏州多雨，沿素填土下渗。（3）结构设计：全砖砌结构，塔基用砖砌0.5m,加固处理方法,60年代，苏联专家，用水泥砂浆灌注砖缝，效果不明显。1978年：（国内工程技术人员）（1）桩排式地下连续墙（图）作用：减少塔基土流失；限制地基土侧向变形。（2）钻孔注浆（水泥浆）西南两排，东北三排，加固地基土、阻水。（3）树根桩 对基础进行托换。(本节完),虎丘塔地基加固示意图：,D=1.4m,r=3m,