基础工程-第一章 地基基础的设计原则(2007.3)

1、基础工程Foundation Engineering1-11-1 概述概述 基础是连接工业与民用建筑上部结构或桥梁墩、台与地基之间的过渡结构。其作用是将上部结构承受的各种荷载安全传递给地基，并使地基在建筑物允许的沉降变形值内正常工作，从而保证建筑物的正常使用。 基础工程设计必须根据上部结构传力体系的特点、建筑物对地下空间使用功能的要求、地基土的物理力学性质，结合施工设备能力，坚持保护环境考虑经济造价等各方面要求，合理选择地基基础设计方案。 进行基础工程设计时，应将地基、基础视为一个整体，在基础底面处满足变形协调条件和静力平衡条件变形协调条件和静力平衡条件。 浅基础：荷载相对传至浅部受力层，采用

2、普通基坑开挖，敞坑排水施工方法的浅埋基础。 深基础：采用较复杂的施工方法埋置于深层地基中的基础。1-1-11-1-1 基础工程设计的目的基础工程设计的目的 土木工程设计时，应根据结构破坏可能产生的后果的严重性，采用不同的安全等级。 建筑工程结构分为三个安全等级（表1-1）。 现行的GB50007-2002建筑地基基础设计规范（以下简称地基规范）将地基基础设计分为三个设计等级，见表2-1。 在设计规定的期限内，结构或构件只需进行正常的维护即可按其预定目的使用。结构的设计使用年限（见地基规范）。 根据地基基础设计等级、设计使用年限、结构在施工和使用中的环境条件和影响，区分三种设计情况： 1、持久情

3、况:结构使用过程中一定出现、持续期很长的状况，如自重、车辆荷载等。持续期一般与设计使用年限为同一量级。 2、短暂情况：结构施工和使用过程中出现概率较大，与设计使用年限相比，持续期很短的情况，如施工和维修等。 3、偶然情况：结构使用过程中出现概率很小，持续期很短的情况，如火灾、爆炸和维修等。 三种情况，工程结构均应按承载力极限状态设计；对持久情况尚应按设计等级设计等级 建筑和地基类型建筑和地基类型 甲级 重要的工业与民用建筑物30层以上的高层建筑体型复杂，层数相差超过10层的高低层连成一体建筑物大面积的多层地下建筑物(如地下车库，商场.运动场等)对地基变形有特殊要求的建筑物复杂地质条件下的坡上建

4、筑物(包括高边坡)对原有工程影响较大的新建建筑物场地和地基条件复杂的一般建筑物位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的基坑工程 乙级 除甲级，丙级以外的工业与民用建筑物 丙级 场地和地基条件简单，荷载分布均匀的七层及七层以下民用建筑及一般工业建筑物;次要的轻型建筑物 地基基础设计等级地基基础设计等级表表2-1正常使用极限状态设计；对短暂情况，可根据需要按正常使用极限状态设计；对偶然情况，可不按正常使用极限状态设计。1-1-2 基础工程设计的任务基础工程设计的任务 主要任务：结构效应分析。 1、基础结构作用效应分析：确定由于上部结构荷载、地基反力作用，在基础结构上的作用效应，即基础结构

5、内力：弯矩、剪力、轴力等。 2、根据拟定的基础截面进行基础结构抗力及其他性能的分析，确定基础结构截面的承受能力及其性能。 按承载力极限状态设计时，根据材料和结构对作用的反应，可采用线性、非线性、塑性理论计算；按正常使用极限状态设计时，可采用线性理论计算，必要时采用非线性理论。计算结果均应小于基础材料的抵抗能力。1-2 地基基础设计原则地基基础设计原则1-2-1 概率极限设计法和极限状态设计原则概率极限设计法和极限状态设计原则 概率极限状态设计法：从结构的可靠度指标（或失效概率）来度量结构的可靠度，并建立了结构可靠度与结构极限状态方程的关系，这种以概率理论为基础的极限状态设计，简称为概率极限状态

6、设计法。这种方法以失效概率或结构可靠度指标代替以往的安全系数。其中有些参数由于统计资料不足，在一定程度上还要凭经验确定。 整个结构或构件超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，此特定状态成为该功能的极限状态。分为两类： （一）承载力极限状态（一）承载力极限状态 对应于结构或构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形和变位。（二）正常使用极限状态（二）正常使用极限状态 对应于结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。 根据建筑物功能使用要求，长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计和计算应满足以下设计原则: 1 、各级建筑物均应进行地基承载力计算，防止地基、各级建

7、筑物均应进行地基承载力计算，防止地基土体剪切破坏，有些建筑物尚应验算稳定性；土体剪切破坏，有些建筑物尚应验算稳定性； 2 、进行必要的变形验算，控制地基变形计算值不超、进行必要的变形验算，控制地基变形计算值不超过允许值；过允许值； 3、基础结构尺寸、构造、材料应满足长期荷载作用下、基础结构尺寸、构造、材料应满足长期荷载作用下的强度、刚度和耐久性要求。的强度、刚度和耐久性要求。1-2-2 地基基础设计资料地基基础设计资料1、荷载资料、荷载资料 基础工程的第一份资料是按相关规范计算的传至基础顶面和底面的荷载（竖向轴力、水平剪力和弯矩）。 地基基础设计时，所采用的荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应

8、按下列规定： 1、按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传至基础或承台底面上的荷载应应按正常使用极限状态 下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。 2、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作用。相应的限值应为地基变形允许值。 3、计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定、滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1.0。 4、在确定基础或桩台高度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基

9、底反力，应按承载能力级限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。 当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。 5、结构重要性系数0不应小于1.0。2、岩土工程勘察资料、岩土工程勘察资料3、原位测试资料、原位测试资料 1-2-3 地基基础设计基本规定地基基础设计基本规定1、一般规定、一般规定 根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应符合下列规定： 1 . 所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定； 2 . 设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计； 3. 表1-8所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验

10、算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算：l 地基承载力特征值小于130kpa，且体型复杂的建筑；l 在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时； 4、对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等，以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性； 5、基坑工程应进行稳定验算； 6、当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。l 软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时；l 相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时；l 地基内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。可不作地基变形计算设计等级为丙级的建筑物范围可不作

11、地基变形计算设计等级为丙级的建筑物范围表表3.0.2地基主地基主要受力要受力层情况层情况承载力特征值承载力特征值fak(kPa)60fak8080fak100100fak130130fak160160fak200200fak300各土层坡度(%) 5 5 10 10 10 10 建筑类型砌体承重结构、框架结构(层数)5 5 5 6 6 7 单层排架结构(6m柱距)单跨吊车额定起重量(t)5-10 10-15 15-20 20-30 30-50 50-100 厂房跨度(m)12 18 24 30 30 30 多跨吊车额定起重量(t)3-5 5-10 10-15 15-20 20-30 30-75

12、 厂房跨度(m)12 18 24 30 30 30 烟囱 高度(m) 30 40 50 75 100 水塔 高度(m) 15 20 30 30 30 容积(m3)50 50-100 100-200 200-300 300-500 500-1000 注： 1.地基主要受力层系指条形基础底面下深度为3b(b为基础底面宽度)，独立基础下为1.5b，且厚度均不小于5m的范围(二层以下一般的民用建筑除外)；2.地基主要受力层中如有承载力标准值小于130kPa的土层时，表中砌体承重结构的设计，应符合本规范第七章的有关要求；3.表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑，对于工业建筑可按厂房高度、荷载情况折合成

13、与其相当的民用建筑层数；4.表中吊车额定起重量、烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值。 由上述规定，基础工程设计时必须对地基承载力、变形和地基基础的稳定性进行验算。 2、荷载效应组合规定、荷载效应组合规定 基础内力计算是根据基础顶面作用的荷载与基础底面地基的反力作为外荷载，进行计算的。荷载组合要考虑多种荷载同时作用在基础顶面，又要按承载力极限状态和正常使用极限状态分别进行组合，并取各自的最不利组合进行计算。一般荷载效应组合规定，见参考教材2：p13-14。1-3 地基类型地基类型1-3-1 天然地基天然地基 1、土质地基、土质地基 2、岩石地基、岩石地基 3、特殊土地基、特殊土地基 （1）湿陷性

14、黄土地基）湿陷性黄土地基 （2）膨胀土地基）膨胀土地基 （3）冻土地基）冻土地基 （4）红粘土地基）红粘土地基1-3-2 人工地基人工地基 人工地基：人工地基： 复合地基，置换作用，挤密作用复合地基，置换作用，挤密作用1-4 基础类型基础类型 *在选择地基基础类型时，主要考虑两个方面的因素：l建筑物的性质(用途、重要性、结构型式、荷载性质和荷载大小等)；l地基的地质情况(包括土层的分布、土的性质和地下水等)。 天然地基上的浅基础：天然地基上的浅基础：做在天然地基上、埋置深度小于5m的一般基础（柱基或墙基），以及埋置深度虽超过5m、但小于基础宽度的大尺寸基础(如箱形基础)，计算中基础的侧面摩擦力

15、不必考虑的基础（图+la）。 若地基内部土层软弱（(通常承载力低于100kPa），或上部有较厚的软弱土层，不适于做天然地基上的浅基础时，常用以下3种方法解决： 1、加固上部土层：、加固上部土层：提高土层的承载力，再把基础做在这种经过人工加固后的土层上，即采用人工地基（图+1b）。 2、采用桩基础：、采用桩基础：在地基中打桩，把建筑物支撑在桩台上，建筑物的荷载由桩传到地基深处较坚实的土层（+1c）。 3、采用深基础：、采用深基础：把基础做在地基深处承载力较高的上层上，埋置深度大于5m或大于基础宽度，在计算基础时应该考虑基础侧壁摩擦力的影响（图+1d）。 天然地基上浅基础施工方便、技术简单、造价经

16、济，一般情况下应尽可能采用。若其不能满足工程的要求，或者经过周密比较以后认为不经济，才考虑其他类型的地基基础。用人工地基、桩基础或深基础，要根据建筑物地基的地质和水文地质条件，结合工程具体要求，通过方案比较选定。*1-4-1 浅基础浅基础 1、单独基础、单独基础 柱的基础常采用单独基础(图13)，有时荷载不大、基础又需要做在较深土层时，采用墙下单独基础，即在基础顶面设置钢筋混凝土基础梁，梁上砌砖墙体，（图1-7）。 2、条形基础、条形基础 柱的荷载过大，地基承载力不足时，单独基础底面会连接形成柱下条形基础承受一排柱的总荷载（图1-5）；墙的基础通常是连续设置成长条形，即条形基础（图1-4），此

17、时按每延米墙体传递的荷载计算墙体下条形基础的宽度。 单独基础、条形基础采用抗压强度高，抗弯、剪强度低的砌体材料（如砖、毛石、素混凝土等）满足刚度要求时，称为刚性基础（无筋扩展基础）刚性基础（无筋扩展基础）；而采用抗弯、抗剪强度高的钢筋混凝土材料时，称为钢筋混凝土扩展基础扩展基础，简称扩扩展基础展基础。 3、十字交叉基础、十字交叉基础 柱荷载较大、土层的承载力又较低时，柱下条形基础在柱网的双向布置，形成柱下十字交叉基础（图1-6）。 4、筏形基础和箱形基础筏形基础和箱形基础（1）筏形基础：）筏形基础：当柱子或墙传来的荷载很大，地基土较软弱，用单独基础或条形基础都不能满足地基承载力的要求时，或者地

18、下水位常年在地下室的地坪以上，为了防止地下水渗入室内时，需要把整个房屋底面(或地下室部分)做成一片连续的钢筋混凝土板，作为房屋的基础，即为筏形基础(图1-8)。（2）箱形基础：）箱形基础：为增加基础板刚度，以减小不均匀沉降，高层建筑物把地下室的底板、顶板、侧墙及一定数量的内隔墙一起构成的一个整体刚度很强的钢筋混凝土箱形结构，称为箱形基础(图1-9)。1-4-2 深基础深基础 1、桩基础 桩基础是将上部结构荷载通过桩穿过较软弱土层传递给下部坚硬土层的基础形式。其由若干根桩和承台两部分组成，图+1c。 多用于（1）荷载较大、上部土层软弱、持力层较深；（2）地基沉降计算结果超过有关规定，或建筑物对不

19、均匀沉降敏感，采用桩基础将荷载传到坚硬土层，减少沉降；（3）施工水位或地下水位较高等。柱下单独基础墙下单独基础十字交叉梁梁板式筏形基础箱形基础柱下条形基础墙下条形基础桩基础沉井基础沉箱基础基础型式的选取基础型式的选取 桩基础：高承台、低承台。桩：摩擦型桩、端承桩等。2、沉井和沉箱基础（图+1d）3、地下连续墙基础1-5 地基、基础与上部结构的共同工作地基、基础与上部结构的共同工作 工程设计中，通常把上部结构、基础和地基三者分离开来，分别对三者进行计算与设计，称为常规设计法。其虽然满足三者间的静力平衡条件，但却忽略了三者间受荷前后的变形连续性。 实际上，上部结构以墙、柱与基础相连系，基础底面直接

20、与地基相接触，三者组成一个完整的体系，在接触处既传递荷载，又相互约束和相互作用。不仅要满足静力平衡条件，还必须满足变形协调、位移连续条件，它们之间相互作用的效果主要取决于他们的刚度。1-5-1 共同工作的概念（图共同工作的概念（图+2） 刚性结构（局部弯曲）； 柔性结构（整体弯曲，局部弯曲）。 一般结构介于两者之间，上部结构与基础的变形和内力受两者刚度影响。 1-5-2 地基与基础的相互作用地基与基础的相互作用 所谓地基的刚度就是地基抵抗变形的能力所谓地基的刚度就是地基抵抗变形的能力，表现为土的软硬或压缩性。若地基土不可压缩，则基础不会产生挠曲，上部结构也不会因基础不均匀沉降而产生附加内力，此

21、时共同作用的相互影响很微弱，上部结构、基础和地基三者可以分割开来分别进行计算，岩石地基和密实的碎(砾)石及砂土地基的建筑物就接近于这种情况如图+3(b)所示。 通常地基土都有一定的压缩性，在上部结构和基础刚度不变的情况下，地基土愈软弱，基础的相对挠曲相内力就愈大，而且相应对上部结构引起较大次应力，如图+1(b)所示。 当地基压缩土层非均匀分布如图+4所示，则两种不同的非均布形式对基础与上部结构的挠曲与内力将产生两种完全不同的结果。因此对于压缩性大的地基或非均匀性地基，考虑地基与基础的共同作用就很有必要。 基础将上部结构的荷载传递给地基，在这一过程中，通过自身的刚度，对上调整上部结构荷载，对下约

22、束地基变形，使上部结构、基础和地基形成一个共同受力、变形协调的整体，在体系工作中，起承上启下的作用。 （1）基础完全柔性（不考虑上部结构） 荷载传递不受基础的约束也无扩散的作用，如图+5。 （2）基础绝对刚性 对荷载的传递和地基的变形要起约束与调整作用，在其上方作用有均布荷载，为适应绝对刚性基础不可弯曲的特点，基底反力将向两侧边缘集中（基础的架越作用架越作用），强使地基表面变形均匀以适应基础的沉降。当地基为完全弹性体时，基底应力分布如图+6（上凸抛物线形），随荷载增大，由于地基土仅具有很有限的强度，基底应力重分布，向中间转移，如图+6 （马鞍形）、（钟形）、（下凸抛物线形）。 如果基础是有限刚

23、性体，在上部结构荷载和地基反力共同作用下，基础要产生挠曲，地基在基底反力作用下产生相应的变形。根据地基和基础变形协调的原则，理论上可以根据两者的刚度求出反力分布曲线，是图+6中的某一种，实际的分布曲线的形状决定干基础与地基的相对刚度。基础的刚度愈大，地基的刚度愈小，则基底反力向边缘集中的程度愈高。 若把上部结构等价成一定的刚度，叠加在基础上，然后此总刚度与地基进行共同作用的分析，求出基底反力分布曲线，这根曲线就是考虑上部结构、基础、地基共同作用后的反力分布曲线。将上部结构和基础作为一个整体，将反力曲线作为边界荷载与其它外荷载一起加在该体系上就可以用结构力学的方法求解上部结构和基础的挠曲和内力。反之，把反力曲线作用于地基上就可以用土力学的方法求解地基的变形。也即，原则上考虑上部结构基础地基的共同作用，分析结构的挠曲和内力是可能的，其关键问题是求解考虑共间作用后的基底反基底