天然地基基礎設計

1、天 然 地 基 上 的 淺 基 礎,一、地基基礎的重要性與復雜性,1）地基基礎的重要性 2）地基基礎的復雜性 3）地基基礎設計考慮因素,第一節(jié) 概述,緊貼7號樓北側(cè)在短期內(nèi)堆土過高，最高處達10米左右。與此同時，緊臨大樓南側(cè)的地下車庫基坑正在開挖，開挖深度達4.6米。大樓兩側(cè)的壓力差使土體產(chǎn)生水平位移，過大的水平力超過了樁基的抗側(cè)能力，導致房屋傾倒,概述,二、基礎方案的類型,天然地基上的淺基礎,樁基礎,人工地基上的淺基礎,深基礎,換土墊層，水泥土樁、碎石樁復合地基等,人工地基,埋深5m,特殊方法施工,考慮側(cè)壁阻力作用,沉井基礎沉箱基礎,樁基礎也屬深基礎,淺基礎：埋深小于5m，或者埋深大于5m，

2、但是小于基礎寬度。兩側(cè)（四周）的摩阻力忽略不計。所以不是簡單的深淺概念,概述,主要受力層,持力層（受力層,下臥層,條形基礎 3b 獨立基礎 1.5b 且 5m （二層以下民用建筑除外,主要受力層深度,1、選擇基礎的材料和類型 2、選擇基礎的埋置深度 3、確定地基承載力 4、根據(jù)地基承載力，確定基礎的構(gòu)造尺寸，必要時進行下臥層強度驗算。 5、進行必要的地基驗算（包括變形與穩(wěn)定 性驗算） 6、進行基礎的高度設計 7、繪基礎施工圖,三、 天然地基上淺基礎的設計內(nèi)容與步驟,一、淺基礎的類型,按基礎剛度分,無筋擴展基礎（剛性基礎,單獨基礎（獨立基礎）、條形基礎、筏型基礎、箱型基礎、殼型基礎,按結(jié)構(gòu)形式分

3、,擴展基礎（柔性基礎,第二節(jié) 淺基礎的類型,一) 無筋擴展基礎（剛性基礎,適用于多層民用建筑和輕型廠房,1）砌筑材料 磚、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土 2）受力特點 抗壓性能好，抗拉、抗剪能力差 3）結(jié)構(gòu)特點 優(yōu)點：穩(wěn)定性好，施工方便，能承受較大荷載 缺點：自重大 4）構(gòu)造 滿足臺階寬高比允許值（剛性角）的要求,剛性基礎破壞簡圖,1.磚基礎,用途：多用于低層建筑的墻下基礎；在寒冷而又潮濕的地區(qū)采用不理想。 優(yōu)點:可就地取材,建筑方便; 缺點:強度低且抗凍性差. 要求:磚強度=mu10,砂漿強度=m5; 大放腳:磚基礎剖面一般砌成階梯形,優(yōu)點:抗凍性比較好,在寒冷地區(qū)可用于6層以上的建

4、筑; 要求:強度等級=mu20的毛石,砂漿強度=m5砌筑而成,2.毛石基礎,3.混凝土毛石混凝土基礎,混凝土基礎:強度、耐久性和抗凍性均比較好，其混凝土強度等級一般采用C15，常用于較大的墻柱基礎 毛石混凝土基礎：為了節(jié)約混凝土用量，可在混凝土內(nèi)摻入15%25%（體積比）的毛石,4.灰土基礎,特點：灰土基礎造價低可節(jié)省材料，多用于5層以下的民用建筑。 灰土：是用熟化石灰和粉土或粘性土拌合而成,二）擴展基礎（柔性基礎,由鋼筋混凝土材料修建的基礎稱為柔性基礎。在基礎內(nèi)配置足夠的鋼筋來承受拉應力或彎矩，使基礎在受彎時不致破壞。這種基礎不受剛性角的限制，基礎剖面可以做成扁平形狀，用較小的基礎高度把上部

5、荷載傳到較大的基礎底面上去，以適應地基承載力的要求。重要的建筑物或利用地基表土硬殼層，設計寬淺埋以解決存在軟弱下臥層強度太低時，常采用鋼筋混凝土擴展技術。柔性基礎需用鋼材、水泥，技術復雜，造價較高,1.墻下鋼筋混凝土條形基礎,當上部結(jié)構(gòu)荷載較大而地基土較軟弱時。 抗彎和抗剪性能良好，耐久性和抗凍性都較理想,2.柱下獨立基礎,獨立基礎是柱下基礎的基本形式 抗彎和抗剪性能良好，耐久性和抗凍性都較理想,柱下鋼筋混凝土條形基礎,當柱承受荷載較大而地基土軟弱，采用柱下獨立基礎，基礎底面積大的幾乎相互連接,柱下十字交叉基礎,對于荷載較大的高層建筑，如果地基軟弱土且在兩個方向分布不均，需要基礎縱橫兩向都有一

6、定的抗彎剛度來調(diào)整基礎的不均勻沉降,筏形基礎,對于地基很軟弱，荷載很大，采用十字交叉基礎仍不能滿足要求；或相鄰基礎距離很小，或設置地下室時，可把基礎底板做成一個整體的等厚度的鋼筋混凝土板，形成無梁式筏形基礎,平板式,梁板式,箱形基礎,當柱荷載很大，地基又特軟弱，基礎可作成由鋼筋混凝土底板、頂板、側(cè)墻及縱橫墻組成箱形基礎。 優(yōu)點：整體性好，抗彎剛度大且空腹、埋深等特點,第三節(jié) 基礎埋置深度,原則,在保證建筑物基礎安全穩(wěn)定、耐久使用的前提下，盡量淺埋,基本要求,1）除巖石以外，d大于50cm（表土擾動，植物，凍融，沖蝕） 2）基礎頂距離表土大于10cm。 3）橋要求在沖刷深度以下,從室外地面標高到

7、基礎底面的距離稱為基礎的埋置深度,基礎埋置深度,1 )建筑物的用途、結(jié)構(gòu)類型及荷載性質(zhì)與大小,一、確定基礎埋置深度，應考慮的因素,地震區(qū)，除巖石地基外，天然地基的筏形和箱形基礎埋深不宜 小于建筑物高度的1/15。 地下管道（上下水，煤氣電纜）應在基底以上，便于維修,荷載,承受較大水平荷載的基礎 ，必須加大埋深,承受上拔力的基礎 ，也要求有較大的埋深,承受振動荷載的基礎 ，不選易液化的土層作為持力層,基礎埋置深度,2 )工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,盡量在地下水位以上,否則開挖降水,費用大,有承壓水時，防止承壓水頂破基底,基礎埋置深度,根據(jù)土層分布情況確定,在滿足其他要求下盡量淺埋,只有低層房屋可用，

8、否則處理,盡量淺埋。但是如h1太小就為II,h1 5m樁基或處理,基礎埋置深度,3) 地基土的凍脹,基礎埋置深度,凍土,多年凍土（凍結(jié)時間3年,季節(jié)性凍土,發(fā)生凍脹的條件,1）土的條件 一般是細顆粒土,2）溫度條件 低于凍結(jié)溫度,3）水力條件 含水量，具有開放性條件，如粉土凍脹最嚴重,外因,內(nèi)因,土的凍脹性,基礎埋置深度,土的凍脹性,衡量指標,凍脹性分類,平均凍脹率,不凍脹 1% 弱凍脹 1% 12,注意：碎石、砂等中粒徑小于0.075mm的顆粒含量太高也會導致凍脹,基礎埋置深度,考慮凍脹的基礎埋深,按02規(guī)范,dmin zd - hmax,zd: 設計凍深 hmax：容許殘留凍土層最大厚度,

9、zd=z0 zs zw ze,標 準 凍 深,土 類 別,凍 脹 性,環(huán) 境,影響系數(shù),Z0 標準凍深： 北 京 0.81.0m 哈爾濱 2.0m 滿洲里 2.8m,10年的實測最大凍深平均值,4）建筑場地的環(huán)境,如上述要求不能滿足時，應采取分段施工，設臨時加固支撐、打板樁、地下連續(xù)墻等施工措，必要時應進行專門的基坑開挖設計，或?qū)υ薪ㄖ锏鼗M行加固,1）地基基礎設計等級 根據(jù)地基復雜程度,建筑物規(guī)模和功能特征以及由于地基問題可能造成建筑物破壞或影響正常使作的程度，將地基礎設計分為三個設計等級,設計時應根據(jù)具體情況，按下表選用,第四節(jié) 地基計算,一、 基本規(guī)定,2）地基計算的規(guī)定,1）所用建

10、筑物的地基均應滿足承載力計算的有關規(guī)定 （2）所有建筑物為甲級,乙級的建筑物,均應按地基變形規(guī)定; （3）表7.8所列范圍內(nèi)設計等級為丙級的建筑物可不作變形驗算,如有下列情況時,仍應作變形驗算;地基承載力標準值小于130kPa,且體型復雜的建筑；在基礎上及其附近有地面堆載或相鄰基礎荷載差異較大，引起地基產(chǎn)生過大的不均勻沉降時；軟弱地基上的相鄰建筑如距離過近，可能發(fā)生傾斜時；相鄰建筑距離過近,可能發(fā)生傾斜;地基內(nèi)有厚度較大或厚薄不均的填土，其自重固結(jié)未完成時,4）對經(jīng)常受水平荷載作用的高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，以及建造在斜坡上的建筑物和構(gòu)筑物，尚應驗算其穩(wěn)定 （5）基坑工程應進行穩(wěn)定驗算; （6）當?shù)?/p>

11、下水埋藏較淺,建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時,尚應進行抗浮驗算,3）荷載效應最不利組合與相應的抗力限值,荷載規(guī)定,荷載 分類,永久荷載,可變荷載 如車輛、人群等和其它可變荷載(如風力、汽車制動力,偶然荷載（特殊荷載）：爆炸力、撞擊力,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB50009-2001,荷載的標準值,荷載的準永久值,荷載組合,基本組合,標準組合,準永久組合,正常使用極限狀態(tài)下的承載力驗算,正常使用極限狀態(tài)下的變形驗算，不記入風荷載和地震作用,水平荷載較大的建筑物、擋土墻等，承載力極限狀態(tài)下的穩(wěn)定驗算,第i個可變荷載的分項系數(shù)，其中 為荷載 的分項系數(shù),式中,永久荷載的分項系數(shù),按永久荷載標準值GK

12、計算的何載效應值,按可變荷載標準值,計算的荷載效應值，其中,為諸可變荷載效應中起控制作用者,可變荷載,的組合值系數(shù),參與組合的可變荷載值,1）按地基承載力確定基礎底面積及埋置深度，傳至基礎底面上的荷載效應按正常使用極限荷載下荷載效應的標準組合。相應的抗力應采用地基承載力的特征值。 （2）計算地基變形時，傳至基礎底面上的荷載效應按正常使用極限荷載狀態(tài)下荷載效應的準永久菏載，不應計入風荷載和地震作用。相應限值應為地基變形允許值。 （3）計算擋土墻壓力、地基或斜坡穩(wěn)定及滑坡推力時，荷載效應按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的組合，但分項系數(shù)均為1。 （4）確定基礎高度、配筋和驗算材料強度時，上部結(jié)構(gòu)傳來的

13、荷載效應組合和相應的基底反力，應按承載力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合，采用相應的分項系數(shù),二、地基承載力特征值的確定,地基承載力概念,地基在保證其穩(wěn)定的前提下，滿足建筑物各類變形要求時的承載能力。分未修正的地基承載力特征值fak和修正后的地基承載力特征值fa,地基承載力的確定方法： a、按靜載荷試驗方法確定fak ；b、根據(jù)土的抗剪強度指標、C或強度理論公式計算確定fa； c、根據(jù)原位試驗、室內(nèi)實驗成果及工程實踐經(jīng)驗確定fak ； d、根據(jù)相鄰條件相似的建筑物經(jīng)驗確定fa,fa=fak+b(b-3)+dm(d-0.5,進行深度和寬度修正,fak ：查表計算或靜載荷試驗確定的承載力標準值,fa

14、：深寬修正后的承載力特征值（設計值,b、d ：寬度和埋深修正系數(shù),：基礎底面以下土的重度,m ：基礎底面以上土的加權(quán)平均重度,b ：大于6m按6m考慮，小于3m按3m考慮,一、作用在基礎上的荷載,第五節(jié) 基礎尺寸設計,計算作用在基礎底面的總荷載時，應從建筑物的檐口（屋頂）開始計算,計算屋面恒載和活載,由上至下房屋各層結(jié)構(gòu)（梁、板）自重及樓面活載,墻和柱的自重,在墻或柱的承載面以內(nèi)的總和,最后加上基礎自重和基礎上的土重Gk,就是上部結(jié)構(gòu)傳至基礎底面的豎向力值Fk,第五節(jié) 基礎尺寸設計,基礎尺寸初步確定,單獨基礎，中心荷載,第五節(jié) 基礎尺寸設計,基礎尺寸初步確定,F 作用在頂面的荷載，kN,G 基

15、礎及臺階上填土總重，kN,A 基底面積，m2,G 平均重度，一般取 20 kN/m3,d 基礎埋深，m,f=fak+dm(d-0.5,暫不做寬度修正,單獨基礎，中心荷載,條形基礎，中心荷載,偏心荷載時,將上面計算的 A 或 b 擴大至 1.11.4 倍,根據(jù) A 可初步確定 b 和 L,第五節(jié) 基礎尺寸設計,偏心荷載作用下基礎底面尺寸的確定同樣需用試算法,例如7-1：已知某賓館設計框架結(jié)構(gòu)，獨立基礎，承受上部荷載N2800kN?；A埋深為d3.0m。地基土分4層，如圖所示。計算基礎底面積,例如7-2：某工廠廠房設計框架結(jié)構(gòu)獨立基礎。地基土分為3層：表層人工填土，天然重度117.2kN/m3，層

16、厚0.8m；第2層為粉土， 217.7kN/m3，層厚1.2m；第3層為粘土頂面。上部荷載N=1600kN，M=400kN.m，水平荷載Q=50kN，如圖所示。設計柱基底面尺寸,軟弱下臥層頂面處的附加應力設計值,軟弱下臥層頂面處的自重應力設計值,軟弱下臥層頂面處地基承載力設計值,軟弱下臥層承載力驗算,Pz的簡化計算: 條件Es1/Es2 3,Po,Pz,持力層的Es1,軟下臥層Es2,下臥層頂面的承載力特征值faz,原理: Po基底面積= Pz擴散后影響面積=合力,Pco= rod,Pz,矩形基礎,條形基礎,軟弱下臥層承載力驗算,怎樣求faz,D,fazk已知,r0為D范圍內(nèi)土的加權(quán)平均重度,

17、例7-3】某柱下單獨基礎，荷載與地基情況如圖示，試確定基礎底面尺寸,解,選擇持力層,如圖示,求修正后的地基,承載力特征值,假定b3m，則,初步估算基底面積,首先按軸心受壓估算 A0,考慮偏心影響，將A0增大18%，則,A=1.18 A0 =1.184.8=5.6 m2,b=1.7m， l=3.4m,取l/b=2.0得,驗算地基承載力,M=200+150.8=212kNm,pkmax=232.4kPa1.2fa=234.6kPa,pk=(pkmax+ pkmin)/2=167.5kPa fa=195.48kPa,滿足要求，故基底尺寸b=1.7m， l=3.4m合適,軟弱下臥層驗算,下臥層地基承載

18、力特征值修正,下臥層埋深：d+z=4.8m,下臥層頂面上土的加權(quán)平均重度,pcz=mzdz=17.824.8 =85.5kPa,下臥層頂面處自重應力,下臥層頂面處的附加壓力,確定壓力擴散角,Es1 /Es2=10/2=5，z/b=1.750.5，則=25,計算基底平均壓力和土的自重壓力,pk= (Fk +Gk)/A=(800+167.62)/(3.41.7)=167.4kPa,pcz1 = 1d =16 1.3=20.8kPa,驗算下臥層承載力,pz + pcz =111.1kPafaz=161.6kPa 滿足要求,地基變形驗算,要求地基沉降變形的某一特征值s不超過允許值S,沉降變形特征值包括

19、： 1.沉降量一般指基礎中點的沉降量 2.沉降差相鄰兩基礎的沉降量之差 3.傾斜基礎傾斜方向兩端點的沉降差與其距離之比 4.局部傾斜承重砌體沿縱墻610m內(nèi)基礎兩點的沉降差與其距離之比 具體要求允許值見表 沉降觀測點的布置：建筑物的四周焦點、轉(zhuǎn)角處、中點、沉降縫處、新老建筑連接處、不同地基或基礎交界處。 沉降觀測次數(shù)：民用建筑每增高一層一次，工業(yè)建筑按不同荷載階段分次觀測，施工期間不少于4次，竣工后第1年不少于3-5次，第二年不少于2次，以后每年1次,第六節(jié) 無筋擴展基礎設計,2.特點,抗拉、抗剪強度低，抗壓性能相對高,3.受力與破壞,倒置短懸臂梁彎拉破壞,4.強度保證,限制基礎臺階寬高比，

20、增大剛度,1.材料,毛石、砼、毛石砼等,5.設計要求,基礎臺階寬高比小于允許寬高比,允許寬高比,b2 / H0=tan,基礎設計高度,其值與基底壓力、材料質(zhì)量有關,磚基礎：低層建筑墻下基礎。砌筑方便，強度低抗凍性差。砌法：二一間隔收（1/4磚,MU10磚 M5砂漿,大放腳,標準尺寸為24011553mm,毛石基礎：砌筑較方便，抗凍性好，適于6層及以下墻承重結(jié)構(gòu)。砌法：錯縫搭接,MU20毛石 M5砂漿,每階兩皮,200,400,無筋擴展基礎設計方法與步驟,2.選擇持力層、確定埋深,3.確定基底尺寸,1.選擇材料類型,4.首先按允許寬高比要求確定基礎理論要求的最小總高度,5.按構(gòu)造要求由基底向上逐

21、級縮小尺寸，確定每一級臺階的寬度與高度,一般基礎頂面應低于室外地面0.1m，否則應修改尺寸或埋深，允許情況下也可將基礎上部做墻體處理。,例7-4】某綜合樓370承重外墻，荷載與地基情況如圖示，試設計此墻基礎,解】確定基礎類型,根據(jù)上部結(jié)構(gòu)形式、荷載,及地基情況，初步擬設計,為無筋擴展毛石基礎，材,料質(zhì)量要求,粘土=18.5kN/m3,fak=170kPa,w=28% ,wp=18,z0=1.6m,b=0.3、d=1.6,毛石MU20 砂漿 M5,確定基礎最小埋深，選擇持力層,根據(jù)地質(zhì)資料， wwp+9，屬強凍脹土,影響系數(shù)：zs=1.00(類別)，zw=0.85(凍脹性,za=1.00(環(huán)境,

22、凍土允許殘留深度： hmax=0.0m,設計凍深： zd = z0zszwza=1.35m,設計要求最小埋深,選擇持力層、確定基礎埋深：根據(jù)地質(zhì)條件,選黏土層為持力層，基礎埋深 d=1.70m,求修正后的地基承載力特征值,假定b3m，則,確定基底面寬度：取 l=1m,設計取基底寬度,b=1.8m,確定基礎允許寬高比,pk= (Fk +Gk)/A=197.05kPa200kPa,b2 / H0=tan=1:1.5,基礎允許寬高比,按允許寬高比及構(gòu)造要求設計基礎剖面尺寸,毛石基礎需臺階數(shù),n=(bb0)(2200)=3.575,基礎剖面設計為四級臺階,b1=115,b2=200,b3=200,b4

23、=200,h=400,驗算： 200/400 1/1.5 滿足要求,繪基礎施工圖,0.00,0.75,1800,900,900,185,185,2.45,第七節(jié) 擴展基礎設計,特點,抗彎和抗剪性能好,一、擴展基礎的構(gòu)造要求,一）現(xiàn)澆柱基礎,砼強度等級C15,受力鋼筋,直徑：10,間距：100200之間,100,50,50,現(xiàn)澆柱錐形基礎,200,錐形基礎,構(gòu)造尺寸如圖示,鋼筋保護層厚度,有墊層：35,無墊層：70,階梯形基礎構(gòu)造尺寸,每階高度：300500,500h900，宜兩階,h900，宜三階,尺寸變化宜50倍數(shù),基礎墊層：厚度70,砼強度等級C10,鋼筋錨固、布置等按結(jié)構(gòu)規(guī)范要求進行,G

24、B500102002,底板受力鋼筋長度取相應邊長的0.9倍，并交錯布置,laE有抗震設防要求時縱向鋼筋最小錨固長度,四角插筋,階梯形基礎施工質(zhì)量容易保證，優(yōu)先采用,柱下鋼筋混凝土獨立基礎當邊長2.5m時,二）預制杯形基礎,50,75,杯壁,杯底,構(gòu)造控制尺寸,杯口深度,杯壁厚度,杯底厚度,杯壁配筋,雙杯口基礎,伸縮縫雙柱下用,高杯口基礎,局部基礎深埋時用帶有短柱的杯形基礎,三）墻下鋼筋砼條形基礎,50,60,50,50,b,受力筋,構(gòu)造筋,構(gòu)造尺寸與形式,基礎高度250時,采用錐形,基礎高度250時,采用平板式,橫向受力鋼筋,直徑：816,間距：100300,縱向分布鋼筋,68 ， 10030

25、0,保護層 有墊層35,無墊層70,二、墻下鋼筋砼條形基礎的,底板厚度和配筋計算,一）中心受壓基礎,受力分析,1.倒置懸臂梁,2.受地基凈反力作用,3.危險截面：墻根部,面彎矩與剪力最大,地基凈反力： pj 上部結(jié)構(gòu)荷載設計值F 在基底產(chǎn)生的反力,基礎底板厚度確定,基礎底板有足夠厚度主要用于抵抗剪切破壞,沿墻長取單位長度1m分析,上部結(jié)構(gòu)荷載設計值為,F(kN/m)，則,基底凈反力設計值,pj=F / b,截面最大剪力,截面抗剪要求,h0基礎底板有效高度,有墊層 h0 =h40,無墊層 h0 =h75,ft砼軸心抗拉強度設計值，N/mm2,hs截面高度影響系數(shù),h0 800 時,取800,h0

26、 2000 時,取2000,基礎底板有效高度,l基礎底板計算長度，一般取l=1m,2. 基礎底板配筋計算,基礎底板配筋主要用于抵抗彎拉破壞,截面彎矩設計值,基礎底板配筋面積,As受力筋面積, mm2,fy 鋼筋抗拉強度,設計值， N/mm2,二）偏心受壓基礎,基底壓力分布為梯形,偏心距：e0=M /F,基底最大、最小凈反力,將V、M代入 前式中即可,例7-3】試設計某教學樓370承重外墻鋼筋砼基礎，荷載標準值Fk=240kN/m，設計值F=300kN/m，埋深1.3m，地基 fa=155kN/m2(修正值,選擇確定基礎材料,解,砼：C20,ft=1.1N/mm2,鋼筋：HPB235,fy=210N/mm2,墊層：100厚素砼,50,60,50,50,2000,14 120,0.45,0.00,6