学习情境五天然地基上的浅基础设计

1、第七章第七章 天然地基上浅基础天然地基上浅基础F 地基基础的类型？地基基础的类型？F 浅基础地基承载力的确定？浅基础地基承载力的确定？F 刚性扩大基础的设计与计算刚性扩大基础的设计与计算？主要内容天然地基上的基础：埋入地层深度较浅 5m结构形式和施工方法复杂设计计算时需考虑基础侧面土体的影响浅基础的分类：刚性基础柔性基础刚性基础刚性基础 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)要求柔性基础钢筋混凝土要满足抗弯,抗剪和抗冲切等结构要求F0hbtgt1:1.0 1:2.0与材料和荷载有关Fbth0刚性基础刚性基础 通常由砖、毛石、素混凝土和灰土等材料做成，是一种无筋扩展基

2、础。 灰灰 土土 三分石灰和七分粘性土，北方地区使用较多三合土灰土中加入三分石灰和七分粘性土，北方地区使用较多三合土灰土中加入适量水泥，南方地区使用较多适量水泥，南方地区使用较多人工地基 基础在外力（包括基础自重）作用下，基底的地基础在外力（包括基础自重）作用下，基底的地基反力为基反力为，此时基础的悬出部分，此时基础的悬出部分a-a断面左端，相断面左端，相当于承受着强度为当于承受着强度为的均布荷载的的均布荷载的悬臂梁悬臂梁，在荷载，在荷载作用下，作用下，a-a断面将产生断面将产生弯曲拉应力和剪应力弯曲拉应力和剪应力。当。当基础圬工具有足够的截面使材料的容许应力大于基础圬工具有足够的截面使材料的

3、容许应力大于由地基反力产生的弯曲拉应力和剪应力时，由地基反力产生的弯曲拉应力和剪应力时，a-a断断面不会出现裂缝，这时，基础内面不会出现裂缝，这时，基础内不需配置受力钢不需配置受力钢筋筋，这种基础称为，这种基础称为刚性基础刚性基础。它是桥梁、涵洞和。它是桥梁、涵洞和房屋等建筑物常用的基础类型。房屋等建筑物常用的基础类型。 刚性基础的概念刚性基础的概念:刚性基础的宽度大小应能使所产生的基础截面弯曲拉应力和剪应力不超过基础施工材料的刚性基础的宽度大小应能使所产生的基础截面弯曲拉应力和剪应力不超过基础施工材料的强度限值。满足了这个要求，就得到墩台身边缘处的垂线与基底边缘的连线间的最大夹角强度限值。满

4、足了这个要求，就得到墩台身边缘处的垂线与基底边缘的连线间的最大夹角max ，即称为刚性角。刚性角主要与基础所用的圬工材料强度有关，即称为刚性角。刚性角主要与基础所用的圬工材料强度有关。在设计中，应尽在设计中，应尽力使基础大放角与基础材料的刚性角相一致，目的：确保基础底面不产生拉应力，最大限力使基础大放角与基础材料的刚性角相一致，目的：确保基础底面不产生拉应力，最大限度地节约基础材料。度地节约基础材料。 (2) (2) 柔性基础柔性基础 抗弯和抗剪性能良好，抗弯和抗剪性能良好，基础在基底基础在基底反力作用下，在反力作用下，在a-a断面产生弯曲拉断面产生弯曲拉应力和剪应力若应力和剪应力若超过超过了

5、基础圬工的了基础圬工的强度极限值强度极限值，为了防止基础在，为了防止基础在a-a断断面开裂甚至断裂，可将刚性基础尺面开裂甚至断裂，可将刚性基础尺寸重新设计，并在基础中寸重新设计，并在基础中配置足够配置足够数量的钢筋数量的钢筋，这种基础称为柔性基，这种基础称为柔性基础。础。 优点： 稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载。缺点： 自重大，并且当持力层为软弱土时，由于扩大基础面积有一定限制，需要对地基进行处理或加固后才能采用，否则会因所受的荷载压力超过地基强度而影响结构物的正常使用。适用条件： 只要地基强度能满足要求，它是桥梁和涵洞等结构物首先考虑的基础形式。对于荷载大或上部结构对沉降差较敏感的结构

6、物，当持力层的土质较差又较厚时，不适宜的。刚性基础刚性基础优点：它整体性能较好，抗弯刚度较大。在外力作用下只产生均匀沉降或整体倾斜，基本上消除了由于地基沉降不均匀引起结构物损坏的影响。缺点： 钢筋和水泥的用量较大，施工技术的要求也较高。适用条件： 土质较差的地基上修建高层建筑时，采用这种基础形式是适宜的。柔性基础柔性基础1) 刚性扩大基础刚性扩大基础:2.按基础的结构形式分类它是桥涵常用的基础形式它是桥涵常用的基础形式，其平面形状常为矩形。其每边扩大的尺寸最小为0.20m0.50m，视土质、基础厚度、埋置深度和施工方法而定。作为刚性基础，每边扩大的最大尺寸应受到材料刚性角的限制。 地基强度低

7、墩台强度高 基础平面尺寸扩大 刚性扩大基础配置于整个构筑物（敦、台）之下，比上边构筑物底面扩大2) 单独基础单独基础: 柱下或墙下柱下或墙下,土质较好土质较好独立基础的主要受力层深度 1.5b3) 条型基础条型基础墙下或柱下条形基础墙下或柱下条形基础, , 柱下柱下: :一般是土质差一般是土质差, ,两侧单两侧单独基础相连独基础相连条形基础的条形基础的主要受力层深度主要受力层深度 3.0b4) 十字交叉基础十字交叉基础柱下柱下: :土质更差土质更差, ,或荷载很大或荷载很大, ,四面基础相连四面基础相连纵向条形基础横向条形基础5) 片筏基础片筏基础土质更差土质更差, ,单独基础联成整体单独基础

8、联成整体6) 箱形基础箱形基础有筏、墙和顶板形成箱，整体性更好有筏、墙和顶板形成箱，整体性更好底板底板外墙外墙内墙内墙7) 壳体基础壳体基础高耸建筑物3 按基础材料分类按基础材料分类砖砖石料石料混凝土混凝土钢筋混凝土钢筋混凝土灰土灰土三合土三合土地基容许承载力的确定一般有以下四种方法：1在土质基本相同的条件下，参照邻近建筑物地基容许承载力；2根据现场荷载试验的p-s曲线；3按地基承载力理论公式计算；4按现行规范提供的经验公式及表格计算。常用浅基础地基容许承载力的确定：通过载荷试验确定通过载荷试验确定通过载荷试验确定 有明显直线段：fak = Pcr 加载到破坏且 Pu / 2 Pcr ： 不能

9、满足上述要求时：123SP0比例界限极限荷载PcrPuPS曲线临塑荷载fak = Pu / 2 取某一沉降量对应的荷载，但其值取某一沉降量对应的荷载，但其值不能大于最大加载量的一半不能大于最大加载量的一半静力触探试验法静力触探试验法 探头QfQcF钻杆用静压力将装有探头的触探器压入土中，通过压用静压力将装有探头的触探器压入土中，通过压力传感器及电阻应变仪测出土层对探头的贯入阻力传感器及电阻应变仪测出土层对探头的贯入阻力。探头贯入阻力的大小直接反映了土的强度的力。探头贯入阻力的大小直接反映了土的强度的大小，把贯入阻力与荷载试验所得到的地基容许大小，把贯入阻力与荷载试验所得到的地基容许承载力建立相

10、关关系，从而即可按照实测的贯入承载力建立相关关系，从而即可按照实测的贯入阻力确定地基的容许承载力值。还可以把土的贯阻力确定地基的容许承载力值。还可以把土的贯入阻力与土的变形模量及压缩模量建立相关关系，入阻力与土的变形模量及压缩模量建立相关关系，从而可以确定变形模量和压缩模量从而可以确定变形模量和压缩模量 方法介绍：探头阻力Q可分为两个部分1.锥头阻力Qc 2.侧壁摩阻力Qf 比贯入阻力：探头单位截面积的阻力 AQQAQpfcs其它原位测试方法标准贯入试验法标准贯入试验法试验时，先行钻孔，再把上端接有钻杆的标准贯试验时，先行钻孔，再把上端接有钻杆的标准贯入器放至孔底，然后用质量为入器放至孔底，然

11、后用质量为63.5kg63.5kg的锤，以的锤，以76cm76cm的高度自由下落将贯入器先击入土中的高度自由下落将贯入器先击入土中15cm15cm，然后测继续打然后测继续打30cm30cm的所需要锤击数，该击数称为的所需要锤击数，该击数称为标准贯入击数标准贯入击数 方法介绍：器靴贯入器身器头钻杆建立标准贯入击数与地基承载力之间的对应关系，建立标准贯入击数与地基承载力之间的对应关系，可以得到相应标准贯入击数下的地基承载力可以得到相应标准贯入击数下的地基承载力 按现行规范提供的经验公式计算 根据我国各部门多年来的实践经验，收集了大量荷载试验和对已建建筑物的观测资料，通过理论和统计分析后制定相应的表

12、格表格，它使确定地基土容许承载力的工作大为简化。 我国幅员辽阔，土质变化较复杂，规范仅对一般土质条件作了规定，对一些特殊地基特殊地基，如疏松状态的砂土、接近流动状态的软粘土、含有大量有机质土和盐渍土等，以及对于大的或较重要的工程，还应结合具体情况，综合采用荷载试验，现场标贯或静力触探及理综合采用荷载试验，现场标贯或静力触探及理论计算论计算等方法研究分析后确定。公路桥涵地基与基础设计规范（JTJD63-2007）步骤和方法 ： 1 1确定土的分类名称确定土的分类名称 对于一般地基土，通常根据塑性指数、粒径、工程地质特性等分为六类，即粘性土、砂类土、碎卵石类土、黄土、冻土及岩石。 2 2确定土的状

13、态确定土的状态 土的状态是指土层所处的天然松密和稠度状况。粘性土的天然状态是按液性指数IL分为坚硬、半坚硬状态、硬塑、软塑和流塑状态；砂类土根据相对密度分为稍松、中等密实、密实状态；碎卵石类土则按密实度分为密实、中等密实及松散状态 。 地基承载力设计值确定地基承载力设计值确定 fafak b (b3) d (d0.5)式中 fa 修正后的地基承载力特征值，kPa； fak 地基承载力特征值，kPa； 基底以下土的天然容重，地下水位以下用浮容重，kNm3； b 基础宽度，当宽度小于3m时按3m计，大于6m时按6m计； d 基础埋置深度m；一般基础自室外地面标高起算。在填方整平地区，可自填土面标高

14、算起， 但填土在上部结构施工完成后进行，应从天然地面标高算起。 对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起，当采用独立基础或条形基础时应从室内地面标高算起。 地下室的外墙基础埋深，可按下式计算 d=(d1+d2)/2。在其他情况下，从室内地面标高起算； b、d 基础宽度和埋置深度的承载力修正系数。 当偏心距e小于0.033b时，承载力公式fa=Mb b+Md +Mcck fa：承载力特征值（设计值） Mb、Md 、Mc：承载力系数，由 k 查表 b：基底宽度，大于6m按6m考虑， 对于砂土小于3m按3m考虑 ck：基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力建筑地基基础设计规范GB

15、50007-20021.公式法例题讲解例题讲解 参加教材参加教材P120 例例7-1 求习题求习题7-1的的fa值值天然地基上的浅基础设计天然地基上的浅基础设计一、地基基础的设计等级 GB500072002建筑地基基础设计规范根据地基复杂程度、建筑物规则和功能特征，以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计划分为三个设计等级 。二、浅基础的设计规定地基基础的设计与计算应满足承载力极限状态和正常使用极限状态，其规定为：(1)(1)基础有应足够的强度、刚度与耐久性基础有应足够的强度、刚度与耐久性。 (2)(2)地基应具有足够的强度和稳定性地基应具有足够的强度和稳定性。规

16、范要求各级建筑物地基均应进行承载力计算；对经常承受水平荷载作用的高层建筑和高耸结构，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，以保证地基在防止整体剪切破坏方面有足够的安全储备。(3)(3)地基应满足变形方面的要求地基应满足变形方面的要求。设计等级为甲级、乙级的建筑物，应按地基变形设计；建筑物情况和地基条件复杂的丙级建筑物地基尚应做变形验算，以保证建筑物不因地基沉降影响正常使用。三、荷载取值规定 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按下列规定： 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效应应按正常使用极限状态

17、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。 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。 计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，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1.0四、地基基础设计内容和一般步骤 (1)选择基础的材料、类型，确定平面布置；(2)选择基础的埋置深度，即确定地基持力层；(3)确定地基承载力特征值；(4)根据传至基础底面上的荷载效应和地基承载力特征值，确定基础底面积；(5)根据传至基础底面上的荷载效应进行相应的地基

18、验算(变形和稳定性验算)；(6)根据传至基础底面上的荷载效应确定基础构造尺寸，进行必要的结构计算；(7)绘制基础施工图。 一）地基的极限状态设计一）地基的极限状态设计 根据建筑地基基础设计规范(GBJ 789)(以下简称地基规范)，为保证建筑物的安全使用，地基必须满足两种极限状态的要求，即： 1.承载力极限状态承载力极限状态 p f式中：p 基础底面处的平均压力设计值，kPa；在p的计算中，所采用的荷载是荷载的基本组合设计值。 f 地基承载力设计值，kPa。 2.正常使用极限状态正常使用极限状态 s s式中：s 建筑物地基的变形;在s的计算中，应采用荷载的长期效应组合不计入风荷载和地震荷载，且

19、荷载用标准值；s 建筑物地基的变形容许值。 承载力特征值的含义承载力特征值的含义与材料强度计算值的内涵完全不一样。首先，地基土体的承载能力f 值不是土的强度，其值不仅与土的性质有关，而且与荷载的分布范围以及作用的深度等因素有关；其次，f 值在很大程度上仍然是反映建筑物对变形的限制。如上所述，地基发生失稳破坏的情况极为少见。变形验算的实质是控制地基内不要出现过大的塑性区，以免变形迅速发展，导致地基失稳。3.地基的验算要求地基的验算要求 地基规范按由于地基的原因造成建筑物破坏后果的严重性，将建筑物分成3个安全等级，并相应地规定验算要求。刚性扩大基础的设计与计算： 基础埋置深度的确定基础埋置深度的确

20、定 刚性扩大基础尺寸的拟定刚性扩大基础尺寸的拟定 地基承载力验算地基承载力验算 基底合力偏心距验算基底合力偏心距验算 基础稳定性和地基稳定性验算基础稳定性和地基稳定性验算 基础沉降验算基础沉降验算一、主要内容：二、浅基础设计内容及步骤二、浅基础设计内容及步骤 天然地基上浅基础的设计内容和顺序如下：天然地基上浅基础的设计内容和顺序如下： 1.阅读和分析建筑物场地的地质勘察资料和建筑物的设计资料，进行阅读和分析建筑物场地的地质勘察资料和建筑物的设计资料，进行相应的现场勘察和调查；相应的现场勘察和调查； 2.选择基础的结构类型和建筑材料；选择基础的结构类型和建筑材料； 3.选择持力层，决定合适的基础

21、埋置深度；选择持力层，决定合适的基础埋置深度； 4.根据地基的承载力和作用在基础上的荷载，计算基础的初步尺寸；根据地基的承载力和作用在基础上的荷载，计算基础的初步尺寸； 5.进行地基计算，包括地基持力层和软弱下卧层进行地基计算，包括地基持力层和软弱下卧层(如果存在如果存在)的承载力验的承载力验算，以及按规定需要进行的变形验算，根据验算结果修改基础尺寸；算，以及按规定需要进行的变形验算，根据验算结果修改基础尺寸； 6.进行基础的结构和构造设计；进行基础的结构和构造设计； 7.绘制基础的设计图和施工图；绘制基础的设计图和施工图； 8.编制工程预算书和工程设计说明书。编制工程预算书和工程设计说明书。

22、一）基础埋置深度的确定一）基础埋置深度的确定原则：在满足承载力的条件下尽量在满足承载力的条件下尽量浅埋浅埋 要求要求： 变形较小，而强度又比较大的持力层，以保证地基强度满足要变形较小，而强度又比较大的持力层，以保证地基强度满足要求，而且不致产生过大的沉降或沉降差。此外还要使基础有足够求，而且不致产生过大的沉降或沉降差。此外还要使基础有足够的埋置深度，以保证基础的稳定性，确保基础的安全。的埋置深度，以保证基础的稳定性，确保基础的安全。 考虑因素考虑因素： 地基的地基的地质地质、地形地形条件、河流的条件、河流的冲刷冲刷程度、当地的程度、当地的冻结冻结深度、深度、上部上部结构结构形式，以及保证持力层

23、稳定所需的最小埋深和施工技术形式，以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。条件、造价等因素。基础埋深的不同方案c)b)a)h3h2h1刚性扩大基础 沉井基础 桩基础在满足其他要在满足其他要求下尽量浅埋求下尽量浅埋只有低层房屋只有低层房屋可用可用, ,否则处否则处理理尽量浅埋但是尽量浅埋但是如如h h1 1太小就为太小就为IIIIh14 m 桩基或桩基或处理处理好土软土(很深)好土软土软土好土 I II III IVh1h1冲刷的基本概念冲刷的基本概念:洪水冲刷后，整个河床面要下降，这叫洪水冲刷后，整个河床面要下降，这叫一般冲刷一般冲刷被冲下去的深度叫被冲下去的深度叫一般冲刷

24、深度一般冲刷深度同时由于桥墩的阻水作用，使洪水在桥墩四周冲出一个深坑同时由于桥墩的阻水作用，使洪水在桥墩四周冲出一个深坑，这叫，这叫局部冲刷局部冲刷局部冲刷原河床面一般冲刷 冲刷总深度冲刷总深度(m) 最小埋置深度最小埋置深度(m)桥梁类型桥梁类型0333881515 2020一一 般般 桥桥 梁梁1.01.52.02.53.03.5技术复杂修复困难的特大桥及其它重要技术复杂修复困难的特大桥及其它重要大桥大桥1.52.02.53.03.54.0 对于大、中桥基础的基底在设计洪水冲刷总深度以下对于大、中桥基础的基底在设计洪水冲刷总深度以下的最小埋置深度，建议根据桥梁大小、技术的复杂性和重的最小埋

25、置深度，建议根据桥梁大小、技术的复杂性和重要性，参照下表采用要性，参照下表采用二）刚性基础尺寸确定二）刚性基础尺寸确定 基础类型和埋置深度确定以后就可以根据地基土层的承载力和作用在基础上的荷载，计算基础底面积和基础的高度。 一、作用在基础上的荷载计算一、作用在基础上的荷载计算 基础的受力情况可分四种，一般桥梁建筑物的基础主要是承受竖向荷载。水平荷载如土压力、风压力等所占的比例很小。作用在基础底面上的竖向荷载包括上部结构的自重结构的自重、桥面荷载桥面荷载和基础的自重基础的自重(包括基础台阶上的填土)等。活荷载应按规范折减活荷载应按规范折减。荷载的计算方法应按规范要求进行。 确定刚性基础的高度确定

26、刚性基础的高度 刚性基础在宽度确定后刚性基础在宽度确定后(满足承载力要求满足承载力要求)，应该按刚性角的要求，确定刚性基础的高度。应该按刚性角的要求，确定刚性基础的高度。 若墙或柱的宽度为若墙或柱的宽度为bo，基础的宽度为，基础的宽度为b，刚基，刚基础两侧的外伸长度为础两侧的外伸长度为bt(bbo)/2，按，按刚性角的刚性角的要求要求:)(tan21tan tan ; 200bbbhhbbbbttt基础的最小高度基础宽度 为了保护基础不受外力的破坏，基础的顶面必须埋在设计地面以下为了保护基础不受外力的破坏，基础的顶面必须埋在设计地面以下 100 150mm，所以基础的埋置深度众必须大于基础的高

27、度，所以基础的埋置深度众必须大于基础的高度h加上保护层的厚度。不加上保护层的厚度。不满足这项要求时，必须加大基础的埋深或者采取其他措施。满足这项要求时，必须加大基础的埋深或者采取其他措施。D大于10cm二）中心荷载作用下基础的计算二）中心荷载作用下基础的计算 在基础的设计中，通常假定基础底面压力是直线分布，受中心荷载作用时，则为均匀分布，基础采用对称形式，使荷载作用线通过基底形心。计算步骤如下： 计算基础底面积计算基础底面积A (矩形矩形)或基础底面宽度或基础底面宽度b (条形、正方形条形、正方形) 中心荷载作用下的基础，按承载力设计值计算，应满足条件： 初步估算时，可假定基础与土的平均容重

28、为19.6kN/m3(工程计算中，常简化取为 20 kN/m3) 即GG dA。在实际计算时G则为基础自重的设计值和基础上土重的标准值，地下水位以下部分均用浮容重计算。kGkaFAdpfA kaGkaGkaGFbfdFbfdFAfd条形基础方形基础矩形基础 三）偏心荷载作用下基础的计算三）偏心荷载作用下基础的计算 偏心荷载作用下，基础底面的尺寸一般用逐次渐近法进行计算。计算步骤如下： 1.先不考虑偏心不考虑偏心，用条形基础公式或矩形基础公式计算出基础的底面积A1 (对于单独基础)或基础宽度b1(对于条形基础)。 2.根据偏心大小，把底面积A1(或b1)适当提高提高1040，作为偏心荷载作用下基

29、础底面积(或宽度)的第一次近似值，即：A(1.11.4)A1 3.按假定的基础底面积A，用下式计算基底的最大和最小的边缘压力。 基础高度的确定方法与受中心荷载作用的方法相同。 若地基中有软弱下卧层时，应进行软弱下卧层的承载力验算。若建筑物属于必需进行变形验算的范围，应按要求进行变形验算。必要时还要对尺寸进行调整，并重新进行各项验算。maxmaxminmaxmin1 () 1.22kkkkakakpFGMppfpfpAW验算地基承载力一、地基承载力验算一、地基承载力验算 1.持力层的承载力验算持力层的承载力验算 直接支承基础的地基土层称为持力层。对于所有等级的建筑物都必须进行地基承载力验算。当基

30、础只承受轴心荷载时，要求满足式pk fa式中 pk 基础底面的压力。基底压力均简化为按直线分布，用材料力学方法求得式中 Fk 相应荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面竖向力，kN； Gk 基础自重和基础上的土重，kN； A 基础底面积，m2。地地 基基 计计 算算 采用极限状态设计方法，结合地基土的特点和长期积累的工程经验，采用极限状态设计方法，结合地基土的特点和长期积累的工程经验，地基计算包括地基承强力验算、地基变形验算、地基稳定验算三个方面内地基计算包括地基承强力验算、地基变形验算、地基稳定验算三个方面内容。容。kkkFGpA 当基础受偏心荷载作用时，除要求满足上式外，还应满足式中 pmax 基础底面边缘最大压力值，kPa； pmin 基础底面边缘最小压力值，kPa； M 作用于基础底面的力矩值，kNM； W 基础底面的抵抗矩，m3； e 偏心矩，m。maxmaxmin1.2kkkkkkpfpFGMpAW例题讲解例题讲解2参加教材参加教材P120 7-1软弱下卧层承载力验算（见书）软弱下卧层承载力验算（见书） 持力层以下存在承载力明显低于持力层的土层，称为软弱下卧层。如果软弱下卧层埋藏不够深，扩散到下卧层的应力大于下卧层的承载力时，地基仍然有失效的可能，因