天然地基基礎設計

9天然地基基礎設計9.1概述9.2淺基礎的類型9.3地基基礎設計原則9.4基礎埋置深度9.5基礎承載力和變形驗算9.6地基基礎和上部結構共同作用的概念9.7獨立基礎結構設計9.8鋼筋混凝土梁、板基礎的簡化計算方法9.9減輕不均勻沉降危害的措施9.10沉井基礎9天然地基基礎設計9.1概述基礎設計內容與一般步驟： ◆相關地質資料的收集 ◆選擇基礎類型 ◆確定基礎埋置深度 ◆確定地基承載力 ◆設計基礎尺寸 ◆按規(guī)范進行強度、變形、穩(wěn)定性檢算 ◆繪制基礎設計圖、施工圖 ◆編寫設計說明書 ◆工程概預算9.1概述名詞解釋：上部結構：建（構）筑物在地表以上的部分基礎：建（構）筑物在地表以下的結構地基：支承基礎的土層基礎的作用：“承上啟下”基礎設計的目標：◆保證基礎本身有足夠的強度和剛度◆選擇合理的尺寸和布置方案，使地基的反力和沉降在允許范圍之內上部結構基礎地基地基分類：天然地基：基礎直接砌置在未經(jīng)加固的天然地層上的地基人工地基：基礎砌置在經(jīng)過人工加固后的土體上的地基。當天然地基 很弱，不能滿足上部結構荷載的要求時采用。上部結構和基礎的材料強度一般較高（如素混凝土抗壓強度達4200KPa以上），但地基土的設計強度（地基承載力）卻小的多（軟土地基只有80KPa，且壓縮性較大，粘性土也只有160KPa），為能承擔上部結構傳來的較大荷載，基礎必須設置為適當形式，如擴展基礎、樁基礎等。按埋置深度，基礎可分為：淺基礎：基礎埋置深度小于基礎最小寬度深基礎：基礎埋置深度大于基礎最小寬度但以上方法并不是絕對的，深淺基礎的區(qū)別除了設計方法不同外，主要還從施工方面（施工方法與裝備）考慮，9.1概述基礎設計時的主要考慮因素：◆上部結構的類型、使用要求及其對不均勻沉降的敏感性；◆地基承載力特征值；◆基礎的材料及結構形式；◆基礎的埋置深度；◆施工期限、施工方法及所需施工設備；◆基礎的形狀和布置，以及與相鄰基礎、地下構筑物和地下管道 的關系；9.1概述基礎方案設計時需注意：基礎的型式和布置，需合理配合上部結構的設計，滿足建筑物整體的要求，同時要做到便于施工、降低造價。天然地基上結構較簡單的淺基礎最為經(jīng)濟，如能滿足要求，宜優(yōu)先選用。9.1概述9.2淺基礎的類型淺基礎分類:根據(jù)其形狀和大小分：獨立基礎條形基礎（包括十字交叉條形基礎）筏板基礎箱形基礎殼體基礎根據(jù)所用材料的性能分：剛性基礎柔性基礎剛性基礎(a)磚石(b)混凝土(一)、剛性基礎剛性基礎：通常指用磚、塊石、毛石、素混凝土、三合土、灰土、等材料建造的基礎。由于基礎的相對高度較大，幾乎不發(fā)生彎曲變形，故習慣稱為剛性基礎。由于以上材料的抗拉強度遠小于它們的抗壓強度，所以剛性基礎不能承受拉應力。設計時要求基礎基礎的外伸寬度和基礎剛度的比值在一定的限度之內。剛性基礎又可分為：

◆墻下剛性基礎 ◆柱下剛性基礎9.2淺基礎的類型9.2淺基礎的類型(一)、剛性基礎柔性基礎的特點有：◆具有較好的抗剪能力和抗彎能力?！艨梢杂脭U大基礎底面積的方法來滿足承載力的要求，但不必增加基礎埋深。當剛性基礎如不能同時滿足地基承載力和基礎埋置深度的要求，此時可改用柔性基礎?！舢斖夂奢^大，并存在彎矩荷、水平荷載，而地基承載力又較低時，不適合用剛性基礎，應采用鋼筋混凝土基礎。(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）9.2淺基礎的類型(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）9.2淺基礎的類型種類主要有： ◆①

鋼筋混凝土獨立基礎 ◆②鋼筋混凝土條形基礎 ◆③筏板基礎 ◆④箱形基礎 ◆⑤殼體基礎（1）鋼筋混凝土單獨基礎鋼筋砼獨立基礎主要指：柱下基礎，一般底部應配置雙向受力鋼筋?，F(xiàn)澆柱的單獨基礎可做成階梯形或角錐形；預制柱則采用杯形基礎，杯形基礎常用于裝配式單層工業(yè)廠房。①鋼筋混凝土獨立基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）地梁：在建筑物底層相鄰鋼筋混凝土柱之間的內墻或圍護墻，常支承在鋼筋混凝土梁上，該梁則支承在柱下單獨基礎上（圖7－5）。這種梁不作為基礎使用，稱為地梁（不宜稱為“地基梁”），以別于條形基礎。(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）當?shù)鼗痪鶆?，為了增強基礎的整體性和抗彎能力，可以采用有肋的鋼筋混凝土條形基礎，肋部配置縱向鋼筋和箍筋，以承受由不均勻沉降引起的彎曲應力。②鋼筋混凝土條形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）種類主要有：

◆墻下鋼筋混凝土獨立基礎 ◆

柱下鋼筋混凝土條形基礎 ◆

十字交叉條形基礎◆墻下鋼筋混凝土條形基礎根據(jù)受力條件分為：不帶肋和帶肋的②鋼筋混凝土條形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）特點：可以看作時鋼筋混凝土獨立基礎的特例，計算屬于平面應變問題，只考慮在基礎橫向受力發(fā)生破壞◆柱下鋼筋混凝土條形基礎支承同一方向（或同一軸線）上若干根柱的長條形連續(xù)基礎（或稱為基礎梁）。②鋼筋混凝土條形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）特點：這種基礎將建筑物所有各層的荷載傳遞到地基處，故本身應有一定的尺寸和配筋量，造價較高。但這種基礎的抗彎剛度較大，具有調整不均勻沉降的能力，可使各柱的豎向位移較為均勻。柱荷載較大或地基條件較差，如采用單獨基礎，可能出現(xiàn)過大的沉降時；柱距較小而地基承載力較低，如采用單獨基礎，則相鄰基礎之間的凈距很小且相鄰荷載影響較大時；由于已有的相鄰建筑物或道路等場地的限制，使邊柱做成不對稱的單獨基礎過于偏心，而需要與內柱做成聯(lián)合或連續(xù)基礎時。柱下條形基礎可在下述情況下采用：(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎） 如果地基松軟且在兩個方向分布不均，需要基礎兩向具有一定的剛度來調整不均勻沉降，則可在柱網(wǎng)下沿縱橫兩向設置鋼筋混凝土條形基礎，從而形成柱下交梁基礎。這是一種較復雜的淺基礎，造價比柱下條形基礎高?！羰纸徊鏃l形基礎②鋼筋混凝土條形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）◆十字交叉條形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）

當柱下交梁基礎底面積占建筑物平面面積的比例較大、或者建筑物在使用上有要求時，可以在建筑物的柱、墻下方做成一塊滿堂的基礎，即筏板（片筏）基礎。特點：

筏板基礎由于其底面積大，故可減小地基上單位面積的壓力，同時也可提高地基土的承載力，并能更有效地增強基礎的整體性，調整不均勻沉降。

筏板基礎在構造上好像倒置的鋼筋混凝土樓蓋，并可分為平板式和梁板式兩種。平板式的片筏基礎為一塊等厚度(0.5－1.5m)的鋼筋混凝土平板。③筏板基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）(a)平板式，(b)梁板式③筏板基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）③筏板基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）③筏板基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）

箱形基礎：是由鋼筋混凝土底板、頂板和縱橫內外墻組成的整體空間結構。

特點： 箱形基礎具有很大的抗彎剛度，只能產生大致均勻的沉降或整體傾斜，從而基本上消除了因地基變形而使建筑物開裂的可能性。 箱形基礎內的空間常用作地下室。這一空間的存在，減少了基礎底面的壓力；如不必降低基底壓力，則相應可增加建筑物的層數(shù)。 箱形基礎的鋼筋、水泥用量很大，施工技術要求也高。④箱形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）④箱形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）④箱形基礎(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎） 如獨立基礎上部荷載較大時，可采用殼體基礎結構型式，使原屬梁板基礎內力由彎矩為主，轉化為軸力為主，通?？梢怨?jié)省混凝土量30％～50％。

特點： 結構內力主要是軸向壓力，能充分發(fā)揮鋼筋和混凝土材料的受力特點。

材料省、造價低，可節(jié)約大量的鋼筋和混凝土，施工時一般不用支模，土方挖運量較少。 由于殼體基礎結構復雜，施工技術要求高，目前一般建筑公司施工質量難以保證，實際工程應用不多。(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）⑤殼體基礎殼體基礎常用的三種結構型式如圖所示：(二)、柔性基礎（鋼筋混凝土基礎）9.3地基基礎設計原則

《建筑結構設計統(tǒng)一標準》（GBJ1－88）總則中指出，建筑結構必須滿足下列各項功能要求： （1）能承受在正常施工和正常使用時可能出現(xiàn)的各種情況；并具有 良好的工作性能； （2）在正常維護情況下具有足夠的耐久性； （3）在偶然事件發(fā)生時及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性。地基基礎作為承重土層和建筑物的下部結構，顯然必須滿足上述要求。9.3地基基礎設計原則以下從四個方面來講述基礎設計的原則： 一、安全等級 二、荷載規(guī)定 三、地基基礎設計的技術要求 四、地基基礎設計的表達式一、安全等級

建筑物的安全和正常使用，不僅取決于上部結構的安全儲備，更重要的是基礎具有一定的安全度。因為地基基礎是隱蔽工程，很難修復。 在《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2002)中，根據(jù)地基基礎損壞造成建筑物破壞后果（危及人的性命、造成經(jīng)濟損失、社會影響及修復的可能性）的嚴重性，將建筑物分為三個安全等級：9.3地基基礎設計原則建筑物的三個安全等級：9.3地基基礎設計原則

根據(jù)建筑物的安全等級和其他情況，地基基礎計算應按下列要求進行：

（1）各級建筑物的地基計算均應滿足地基承載力計算的有關規(guī)定；

（2）甲、乙級建筑物均應進行變形計算；

（3）表9－2所列范圍內的丙級建筑物一般可不做變形驗算，但有特殊 情況仍應做變形驗算；

（4）對經(jīng)常承受水平荷載作用的高層建筑和高聳結構和擋土墻等，以 及建造在斜坡上或邊坡附近的建筑物，尚應驗算其穩(wěn)定性。9.3地基基礎設計原則 為了按地基承載力確定基礎底面積及其埋深，必須分析傳到基礎底面上的各種基本組合的荷載，作用在建筑物基礎上的荷載有四種情況：二、荷載規(guī)定9.3地基基礎設計原則無論軸向力N，水平力T和力矩M，都可能由靜荷載和活荷載組成。★靜荷載包括建筑物和基礎的自重、固定設備的重量、土壓力和正常穩(wěn)定水位的水壓力。靜荷載是長期作用在地基基礎上的。它是引起基礎沉降的主要因素?！锘詈奢d又分為普通活荷載和特殊荷載（偶然荷載）。特殊荷載（例地震作用、風力等）發(fā)生的機會不多，作用的時間很短，故沉降計算只考慮普通活荷載。但在進行地基的穩(wěn)定驗算時，則要考慮特殊荷載。二、荷載規(guī)定9.3地基基礎設計原則

受水平荷載較大的建筑物或構筑物(如擋土墻)，除驗算沉降外，還需進行沿地基與基礎接觸面的滑動、沿地基內部滑動和沿某礎邊緣傾覆等方面的驗算。 在地基基礎設計時，對不同荷載應采用不同的代表值：

★對靜荷載，應采用標準值作為代表值；

★對活荷載，應根據(jù)設計要求采用標準值、組合值或準永久值作為 代表值；

★對特殊荷載，應根據(jù)試驗資料，結合工程經(jīng)驗確定其代表值。二、荷載規(guī)定9.3地基基礎設計原則靜荷載標準值：對結構自重，可按結構構件的設計尺寸與材料單位體積的自 重計算確定；活荷載的標準值：詳見《建筑結構設計規(guī)范》的規(guī)定。當結構承受兩種或兩種 以上活荷載時，設計時應采用組合值作為代表值；活荷載組合值：為活荷載標注值乘荷載組合系數(shù)；活荷載準永久值：為活荷載標準值乘荷載準永久值系數(shù)。二、荷載規(guī)定9.3地基基礎設計原則對正常使用極限狀態(tài):

應按長期效應組合設計，應采用準永久值作為活荷載代表值。對承載能力極限狀態(tài):

應采用荷載效應的基本組合和偶然組合進行設計,采用下列設計表達式設計應根據(jù)使用過程中可能同時出現(xiàn)的荷載，按設計要求和使用要求，取各自最不利狀態(tài)分別進行荷載效應組合進行設計。二、荷載規(guī)定9.3地基基礎設計原則——結構重要性系數(shù)——荷載效應組合的設計值——結構構件抗力的設計值三、地基基礎設計的技術要求基礎和上部結構是一個整體，上部結構、基礎和地基共同作用。地基基礎設計應滿足：承載力p<=f（強度和穩(wěn)定性）；沉降量s<=[s]（包括絕對沉降和不均勻沉降）；基礎結構應有足夠的強度、剛度和耐久性。9.3地基基礎設計原則四、地基基礎設計的三種設計表達式

根據(jù)承載力公式驗算地基承載力或確定基礎尺寸時，根據(jù)對荷載效應和地基承載力的取值方法不同，可以有三種設計表達式：容許承載力法荷載標注值地基容許承載力安全度用承載力p<=fa安全系數(shù)法荷載標注值地基極限承載力安全系數(shù)或分項系數(shù)p<=fu/K分項系數(shù)法荷載設計值地基極限承載力安全系數(shù)或分項系數(shù)cd<=ck/rcφd<=φ

k/rφ9.3地基基礎設計原則9.4基礎埋置深度基礎埋深：基礎底面到天然地面的垂直距離基礎埋深的選擇關系到：

地基的可靠性 施工的難易程度 工期的長短及造價的高低它是基礎設計工作的一個重要環(huán)節(jié)。埋深確定的原則：

凡能淺埋的盡量淺埋，但不宜小于0.5m。 滿足地基穩(wěn)定和變形條件9.4基礎埋置深度影響基礎埋深的條件很多，應綜合考慮一下因素選定： 一、建筑物的用途類型及荷載大小性質 二、工程地質和水文地質條件 三、相鄰建筑物基礎埋深的影響 四、地基土凍脹和融陷的影響9.4基礎埋置深度基礎埋深的選擇取決于建筑的用途，有無地下室、設備基礎和地下設施、基礎的形式和構造等條件。相應的規(guī)定有：◆基礎頂面低于地面至少0.1m?！魧Ω邔咏ㄖ俚卣饏^(qū)埋深不宜小于建筑高度的1/12。◆對于作用有較大水平荷載的基礎，應滿足穩(wěn)定性要求，這類建筑 位于巖石地基上時，基礎埋深還應滿足抗滑要求?！羰苌习瘟Φ慕Y構如輸電塔，也要有較大的埋深以滿足抗拔要求?！魧Σ痪鶆虺两得舾械慕ㄖ?，基礎應埋在較堅實且層厚比較均勻 的土層上。一、建筑物的用途類型及荷載大小性質根據(jù)工程地址條件選擇合適的持力層有地下水時，基礎底面應盡量埋在地下水位以上若持力層下有承壓水層，必須控制基坑開挖深度9.4基礎埋置深度二、工程性質和水文地質條件臨近原有建筑物修建新基礎時，為了不影響原有基礎的安全，新基礎最好不低于原有的基礎。如必須超過時，則兩基礎間的凈距應不小于其底面高差的1～2倍。如果不能滿足這一要求，施工期間應采取措施。

例如:新建條形基礎應分段開挖修筑；

基坑（槽）壁應設置臨時加固支撐，

或事先打入板樁，或建造地下連續(xù)墻等；必要時應對原有建筑物進行加固。

使用期間，注意原有建筑物是否有不均勻沉降。9.4基礎埋置深度三、相鄰建筑物基礎埋深的影響若季節(jié)性凍土由細粒土組成，且土中水含量多而地下水位又較高，則不但在凍結深度內的土中水被凍結形成冰晶體，而且未凍結區(qū)的自由水和部分結合水將不斷向凍結區(qū)遷移、聚集，使冰晶體逐漸擴大，引起土體發(fā)生膨脹和隆起，形成凍脹現(xiàn)象。到了夏季，地溫升高，土體解凍，造成含水率增加，使土處于飽和及軟化狀態(tài)，強度降低，建筑物下陷，形成融陷現(xiàn)象。對弱凍脹、凍脹、強凍脹土的地基，應滿足各自的最小埋深：四、地基土凍脹和融陷的影響9.4基礎埋置深度9.5地基承載力和變形驗算地基承載力： 指地基土單位面積上承受荷載的能力，以kN／m2或kPa計。在建筑工程中，必須使建筑物基礎底面壓力不超過規(guī)定的地基承載力，以保證地基土不致破壞，即喪失穩(wěn)定性。同時也要使建筑物不會產生建筑物不容許的沉降和沉降差，以滿足建筑物的使用要求。建筑物確定了基礎類型和埋置深度后，對于已知基礎底面尺寸，可以進行地基持力層承載力和變形驗算。若地基受力層范圍內存在有承載力低于持力層的土層（軟弱下臥層），還必須對軟弱下臥層的承載力進行驗算。若基礎底面尺寸不知道，可以根據(jù)外荷載和地基承載力進行地基基礎設計： 對于軸心荷載作用，可假定基礎底面形狀為正方形； 對于偏心荷載，可假定基礎底面形狀為長方形，并根據(jù)偏 心距的大小結出長邊和短邊的合適比例后，再進行設計。9.5地基承載力和變形驗算9.5地基承載力和變形驗算分四部分講解：

一、地基承載力驗算

二、基礎底面尺寸的確定

三、地基變形驗算

四、地基穩(wěn)定性驗算★地基基礎設計中，要求各級建筑物（構筑物）地基承載力驗算均應滿足下列要求：

p≤fa

式中p——基礎底面處的平均壓力的設計值；

fa——地基承載力的特征值（代表值）?！锏鼗休d力的特征值的確定《2002建筑地基基礎設計規(guī)范》規(guī)定確定地基承載力的方法可歸納為兩類：一、地基承載力驗算（1）持力層承載力驗算第一類是根據(jù)地基土的抗剪強度指標以理論公式計算；第二類是按現(xiàn)場地基土的靜載荷試驗P-S曲線確定。在地基基礎設計中，究竟采用哪種方法確定，應結合具體的工程來確定符合實際的承載力計算方法，必要時可按多種方法綜合確定。★地基承載力校核軸心荷載作用：偏心荷載作用：偏心荷載地基承載力校核：一、地基承載力驗算（1）持力層承載力驗算當持力層下有軟弱下臥層時，除滿足持力層的承載力要求，還必須驗算軟弱下臥層的強度，即要求傳遞到軟弱下臥層頂面的附加應力和土的自重應力之和不超過軟弱下臥層的承載力設計值：一、地基承載力驗算（2）軟弱下臥層承載力驗算——軟弱下臥層頂面處的附加應力設計值，KPa——軟弱下臥層頂面處的土的自重應力標準值，KPa——軟弱下臥層頂面經(jīng)過深度修正后的地基承載力設計值，KPa當上層土與軟弱下臥土層壓縮模量的比值大于或等于3時，用均勻半無限直線變形體理論計算的土中附加應力的誤差太大，應改用雙層地基理論計算。但在實用上，還是按簡單的應力擴散角原理計算。如圖7-15（2）軟弱下臥層承載力驗算一、地基承載力驗算二、基礎底面尺寸的確定前面介紹的是已知地面尺寸時地基承載力的驗算。但一般情況基礎底面尺寸并不知道，需要根據(jù)工程實踐，在確定基礎類型和埋深后，用持力層的承載力來設計基礎底面尺寸。（1）剛性基礎先根據(jù)地基承載力確定基礎底面尺寸，為了保證基礎不發(fā)生彎曲破壞，需通過構造措施來滿足基礎的強度要求，且要求基礎的外伸長度b2和基礎高度H0的比值(稱為臺階寬高比)在允許范圍內，即：α——為基礎的剛性角b——為基礎的地面寬度為了施工方便，基礎通常做成臺階形，各級臺階的內緣與剛性角α的斜線相交，如圖9-20（b）是安全的，而圖（a）臺階位于斜線以內是不安全的。二、基礎底面尺寸的確定（2）柔性基礎（擴展式基礎）★軸心荷載作用，基礎底面尺寸的確定對條形基礎，可沿基礎長度方向取單位長度1m進行計算★偏心荷載作用，基礎底面尺寸的確定(1)按軸心荷載作用條件，初步估算所需基礎底面積(2)根據(jù)偏心矩的大小，將基礎底面積A增大(10～30)%，并以適當比例選定基礎長度和寬度(3)由調整后的基礎底面尺寸按偏心荷載驗證基底最大、最小壓力。二、基礎底面尺寸的確定三、地基變形驗算地基在荷載或其它因素的作用下，要發(fā)生變形（均勻沉降或不均勻沉降），變形過大時可能危害到建筑物結構的安全，或影響建筑物的正常使用。為防止建筑物不致因地基變形或不均勻沉降造成建筑物的開裂與損壞，或保證正常使用，必須對地基的變形特別是不均勻沉降加以控制。對于較為次要的建筑物以及部分二級建筑物，按地基承載力設計值計算設計時，已滿足地基變形要求，可不進行沉降驗算，其他建筑除做承載力驗算外，還應進行變形驗算，即 △≤[△]地基允許變形值按其變形特征可分為：沉降量、沉降差、傾斜、局部傾斜、平均沉降、相對彎曲建筑物的變形允許值（查規(guī)范）對于磚石砌體承重結構，房屋的損壞主要是由于墻體撓曲引起的局部彎曲，故由局部傾斜控制?；旌辖Y構房屋對地基的不均勻沉降是很敏感的，墻體極易產生呈45度左右的裂縫。對于框架結構和單層排架結構主要由于相鄰柱基的沉降差使構件受剪扭曲而損壞，所以應由沉降差來控制，并要求沉降量不宜過大。對于高聳結構物和多層、高層建筑物，應控制基礎的傾斜，其允許傾斜值主要取決于人類感覺的敏感程度，傾斜值達到明顯可見的程度大致為1/250，結構損壞則大致在傾斜值達到1/150時開始。三、地基變形驗算《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2002規(guī)定，對設計等級為甲級、乙級的建筑地基均應按地基變形設計，并規(guī)定了地基變形驗算的范圍。四、地基穩(wěn)定性驗算某些建筑物的獨立基礎，當承受較大的水平荷載和偏心荷載時，有可能發(fā)生沿基底面的滑動、傾覆或與深層土層一起滑動。如建于l941年的加拿大特朗斯康谷倉，因不了解基礎下有厚達16m的軟粘土層，迅速加載，超過了地基的極限承載力，使建筑物失去穩(wěn)定，地基發(fā)生整體滑動破壞。如果地基土層本身傾斜，則更易發(fā)生整體滑動破壞。因此，對