工程地质与地基基础(蔡燕燕)第7章-天然地基上的浅基础设计课件

1、第7章 天然地基上浅基础设计Carl Terzaghi第7章 天然地基上浅基础设计Carl Terzaghi7.1 概述 前面几章为土力学问题，7、8章为基础问题，9章是关于地基处理的。地基基础设计必须结合工程地质条件、建筑材料及施工技术等因素，将上部结构、地基、基础综合考虑，使基础工程安全可靠、经济合理、技术先进、施工方便。目前，大多数基础型式从施工的角度并不存在太大的困难，关键在于安全可靠和经济合理。本章主要介绍根据基础的受力特性及构造特点划分的浅基础的类型、浅基础的设计计算、浅基础的设计方法及减小地基不均匀沉降危害的主要措施掌握浅基础设计计算方法；了解减小地基沉降危害的主要措施。7.1

2、概述 前面几章为土力学问题，7、地基基础设计的原则安全可靠 经济合理 技术先进 便于施工地基基础设计的一般要求基础要有足够的强度、刚度和耐久性地基要有足够的承载力、不产生过大变形和足够的稳定性a.承载力：b.变形：c.稳定性：地基基础设计的原则地基基础设计考虑的主要因素(1) 建筑基础所用的材料及基础的结构型式； (2) 基础的埋置深度； (3) 地基土的承载力； (4)基础的形状和布置，以及与相邻基础、地下构筑物和地下管道的关系； (5) 上部结构类型、使用要求及对不均匀沉降的敏感性； (6) 施工期限、施工方法及所需的施工设备等。地基基础设计考虑的主要因素下卧层地基与基础D埋深D q =

3、D均布荷载持力层（受力层）地基基础FG主要受力层下卧层地基与基础D埋深D q = D均布荷载持力层（受力天然地基：地基范围内的土层都是好土层（一般fa150kpa），基础直接埋置在未经加固的天然地层之上。DD好土层天然地基：地基范围内的土层都是好土层（一般fa150kpa人工地基： 若天然的地基很弱，不能满足上部结构荷载的要求，则地基要事先经过人工加固后再修建基础。这样的地基称为人工地基。软土人工地基： 若天然的地基很弱，不能满足上部结构荷载的要求，则深基础： 基础的埋置深度超过5米，要采用特殊的方法、装备施工，或者基础的埋置深度大于基础的宽度，在设计中必须考虑基坑侧壁摩擦力的影响。这样的基础

4、称之为深基础。如桩基、沉井。浅基础: (1)埋深小于5m的柱基或墙基； (2)埋深小于基础宽度的筏基、箱基； (3)不考虑侧面摩擦力。用一般方法、工艺施工。深基础：浅基础:桩基础和深基础新加坡发展银行,四墩, 每墩直径7.3m将荷载传递到下部好土层,承载力高大直径钻孔桩风化砂岩及粉砂岩部分风化及不风化泥岩桩基础桩基础和深基础大直径钻孔桩风化砂岩及粉砂岩部分风化及不风化泥方案组合原则：造价低 易施工 安全合理 技术先进天然地基人工地基深基础浅基础方案选择方案组合原则：造价低天然地基人工地基深基础浅基础方案选择基础类型 地基基础类型基础类型 地基基础类型浅基础设计步骤No结构、地质和环境资料基础结

5、构类型与布置方案确定地基承载力特征值及修正值变形和稳定验算基础设计图、施工图、预算书确定持力层、基础埋深 确定基础的初步尺寸基础的结构和构造设计浅基础设计步骤No结构、地质和环境资料基础结构类型与布置方案 根据天然地基上浅基础的受力特点和构造特点可将浅基础分为两大类： 浅基础分类7.2浅基础的类型 刚性基础:通常由砖、块石、毛石、 素混凝土、三合土和灰土等材料建造的基础。 设计要求：发生在基础内的拉应力和剪应力不超过其材料强度设计值，可通过限制基础外伸宽度与基础高度的比值来实现。在宽高比的限制下，基础相对高度一般较大，几乎不会发生弯曲变形，此类基础习惯上称之为刚性基础。应用范围：刚性基础可用于

6、六层和六层以下（三合土基础不宜超过四层 ）柔性基础:即钢筋混凝土基础。特点：具有较好的抗剪能力和抗弯能力。设计要求：采用扩大基础底面积的方法来满足地基承载力的要求，但不必增加基础的埋深；选择合适的基础材料、高度与配筋来满足基础抗剪和抗弯要求。种类：独立基础、条形基础、筏板基础、箱形基础和壳体基础等。 根据天然地基上浅基础的受力特点和构造特点可将浅基础分为浅基础分类1.无筋扩展基础结构分析 材料共同特点 ：具有较好的抗压性能抗拉、抗弯、抗剪强度很低受力与破坏：倒置短悬臂梁弯拉破坏（见图） 强度保证：限制基础台阶宽高比， 增大刚度。设计要求：基础台阶宽高比小于允许宽高比。 无筋扩展基础的受力示意图

7、浅基础分类1.无筋扩展基础结构分析 无筋扩展基础的允许宽高比： b2 / H0=tan如图，基础高度：刚性角，与材料和荷载有关，b0bb1h1H0b2无筋扩展基础结构分析 宽高比浅基础分类允许宽高比：如图，基础高度：刚性角，与材料和荷载有关，刚性基础台阶宽高比允许值：基础材料材料标号台阶宽高比允许值 PK100100 PK200 200b/6）下基底压力计算示意图b力矩作用方向基础底面边长 当偏心距eb/6时(如图)，pkmax应按下式计算： 式中l垂直于力矩作用方向的 基础底面边长； a合力作用点至基础底面 最大压力边缘的距离。偏心荷载（eb/6）下基底压力计算示意图 当偏心距eb7.4.3

8、 地基承载力特征值fak地基承载力特征值含义： 发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值，因此,地基承载力特征值实质上是地基容许承载力。 地基承载力特征值可由荷载试验或其他原位测试、公式计算并结合工程实践经验定。确定方法：1、按静荷载试验方法确定；2、根据土的强度指标计算；3、当地经验法；4、根据规范表格确定。7.4.3 地基承载力特征值fak地基承载力特征值含义：一、现场载荷试验确定承载力特征值fak地基承载力计算千斤顶荷载板一、现场载荷试验确定承载力特征值fak地基承载力计算千斤顶一、现场载荷试验ps曲线确定fak地基承载力计算（1）当ps曲线上有明显的比例界限时，取该比例界限所对应的荷载

9、值；（2）当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半；(3) 不能按上述两款要求确定时，当压板面积为0.250.5m2，可取s/b=0.010.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。优缺点: 应力影响深度有限,只为（12）b，只能反映持力层的承载力一、现场载荷试验ps曲线确定fak地基承载力计算（1）当间接原位测试的方法平板载荷试验是直接测定地基承载力的原位测试方法，而其他的原位测试方法，如静力触探、动力触探、标准贯入试验等不能直接测定地基承载力，但是可以将其结果与各地区的载荷实验结果相比较，积累一定数量的数据，间接地确定地基承载力。这种方法在中国已有丰富经验

10、，在工程建设中应用较广泛。但是当地基基础设计等级为甲级和乙级时，应结合室内实验成果综合分析，不宜单独使用。 间接原位测试的方法平板载荷试验是直接测定地基承载力的原位测二、根据土的强度理论计算确定 fa = Mbb + Md md + Mcck fa :承载力特征值修正值 此公式的计算值与以前介绍的p1/4=NB /2+Nq d+Ncc的计算值基本一样，形式变化而已基础宽度b大于6m按6m计算，砂土小于3m按3m计算，先初步估计b, b为基础短边地基承载力计算bl二、根据土的强度理论计算确定 fa = Mbb + Md三、根据规范承载力表确定89年的地基规范： 根据大量试验资料及建筑实践经验综合

11、确定各种土的承载力，制订表格。设计者按土的物理、力学性质指标，依据表格确定地基承载力基本值。02年的地基规范：取消了74年和89年的地基承载力表，允许各地根据自己的情况，制定地方性的建筑地基规范，确定地基承载力表等参数。实际上，将全国统一的地基承载力表地域化。 四、地基承载力特征值的修正 (7.11) 修正后的地基承载力特征值； , 从原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值。 三、根据规范承载力表确定89年的地基规范： 四、地例71 某柱基础底面尺寸为3.0m 4.8m，埋置深度为d=2.0m，场地上土层分布如图6-23所示，持力层地基承载力特征值fk=176kNm2，试确定持力层地基承

12、载力特征值的修正值f 。例71 某柱基础底面尺寸为3.0m 4.8m，埋置深度解 该持力层为e0.85及IL0.85的黏土层，查表7-10得b =0 .3， d=1.6基底以上土的加权平均重力密度为：解 该持力层为e0.85及IL 2.5m，且符合 要求: 可不进行稳定验算对条形基础: 对矩形基础: 验算内容2) 斜坡上建(构)筑物 可不进行稳定验算对条形基 变形验算的选择（1）与柔性结构有关的地基变形特征 通常柔性结构指排架结构，一般在低、中压缩性地基上不会产生沉降破坏，但在高压缩性地基上应注意下列变形特征： 砌体墙填充的边排柱（尤其是端部抗风柱）- 验算沉降差 单层排架柱基（尤其是多跨排架

13、的中排柱基）验算沉降量 对有桥式吊车的厂房，应限制相邻柱基沉降差引起的吊车轨道面的倾斜，以防导致吊车滑行或卡轨。 变形验算的选择（1）与柔性结构有关的地基变形特征（2）与敏感性结构有关的地基变形特征 所谓敏感性结构指对不均匀沉降敏感的框架结构和砌体承重结构。由于一般砌体的抗拉、抗剪强度较低，在地基不均匀变形影响下，易沿纵墙开裂破坏；而框架结构则主要是由于相邻柱基的不均匀沉降在上部结构中产生较大次应力，使强度超过安全储备而破坏。因此： 砌体承重结构- 验算局部倾斜 框架结构-验算相邻柱基的沉降差 （2）与敏感性结构有关的地基变形特征（3）与刚性结构有关的地基变形特征 所谓刚性结构指高层建筑和高耸

14、结构物。 高耸结构和长高比很小的高层建筑，地基变形的主要特征 是建筑物的整体倾斜； 对地基较均匀、且无相邻荷载影响的高耸结构，则注意控 制沉降量。 高耸及高层建筑容易产生倾斜的主要原因是地基不均匀及相邻建筑影响，此外这类结构受水平荷载大、重心高，容易重心偏移引起偏心力矩而影响倾覆稳定性，故倾斜允许值随高度增加而递减。（3）与刚性结构有关的地基变形特征 沉降观测与地基变形值的预估沉降观测目的 通过对观测结果的分析 来验证计算方法； 可预测沉降发展的趋势 及时采取处理措施。 预估施工期间使用期间变形值 便于预留建筑物有关部 分间净空 沉降观测与地基变形值的预估沉降观测目的 通过对观测结果的分预估地

15、基 变形值考虑 土的压缩性多层建筑在施工期间完成的沉降量 砂土- 80%以上 低压缩性土 5080% 中压缩性土 2050% 高压缩性土 520% 变形不满足时的措施1) 适当调整基底尺寸(改变基底附加压力);2) 适当调整基础埋深;3) 改用其它基础型式;4) 采用人工地基处理方案;5) 从建筑结构及施工等方面采取措施以防止地 基不均匀沉降对上部结构造成的损害。预估地基考虑 土的多层建筑在施工期间完成的沉降量 砂土-7.6 无筋扩展基础设计 刚性基础：指用抗压性能好而抗拉、抗剪性能较差的材料建造的基础。 要求：除保证地基承载力和变形满足要求，尚应保证基础本身材料不发生强度破坏。方法：对于刚性

16、基础，为保证基础不因受过大的冲切应力或剪应力而破坏，把基础的宽高比限制在一定的容许值内（表7.1，P283） 若不能满足宽高比，可调整高度或改用钢筋砼基础。7.6 无筋扩展基础设计 刚性基础：指用抗压性能好而抗拉、抗进行刚性基础设计时先选择合适的基础埋置深度d, 并按构造要求初步选定基础高度H，然后根据地基承载力要求初步确定基础宽度b，再按刚性角的要求进一步验算基础的宽度： b b0+2h tg Fll0b0bbth基础高度的确定单独无筋扩展基础b b0+2h tg l l 0 +2h tg满足d h+0.1m确定h=45o (1:1) 30o (1:2)进行刚性基础设计时先选择合适的基础埋置

17、深度d, 并按构造要求7.7 扩展基础设计 一、适用范围：上部结构荷载较大，偏心荷载，承受弯矩，水平荷载的建筑物二、 扩展基础的构造要求1、一般要求（1）基础边缘高度：锥形不小于200mm，台阶形为300500mm（2）基底垫层：100mm厚C10素混凝土垫层（3）钢筋：10以上，间距100 200mm 混凝土保护层：不小于40mm （无垫层不小于70mm）（4）混凝土等级：不小于C20。2、柱下独立基础（1）伸出插筋和柱锚固（2）插筋下端设置箍筋3、墙下条形基础（1）h300mm（2）分布筋8300mm（3）锥形边缘200mm，坡度不大于1：3。7.7 扩展基础设计 一、适用范围：上部结构荷

18、载较大，偏心三、扩展基础计算 设计内容： 选择基底埋深： 计算基础底面所需要的面积A，确定底面尺寸； 确定基础高度： 1）对于柱下扩展基础，验算柱与基础和基础变阶处得抗冲切能力； 2）对于墙下条形扩展基础，验算墙与基础和基础变阶处的抗剪切能力。 基础底板的弯矩计算，基础底板配筋； 施工图。 埋置深度和平面尺寸的确定方法刚性基础相同三、扩展基础计算（1）基础底板厚度 柱下钢筋混凝土单独基础的底板厚度（即基础高度）主要由受冲切承载力计算决定。（1）基础底板厚度 柱下钢筋混凝土单独基础的底板厚度（对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载力；受冲切承载力应按下列公式验算：

19、冲切破坏锥体最不利一侧计算长度作用在冲切面上的地基净反力对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处以及基础变阶处的工程地质与地基基础(蔡燕燕)第7章-天然地基上的浅基础设计课件基础有效高度基础有效高度（2）基础底板配筋基础底板的配筋，应按受弯承载力确定。对于柱下单独内力采用简化计算方法计算：即将单独基础的底板视为嵌固在柱子边或基础变阶处（阶梯形基础）（2）基础底板配筋基础底板的配筋，应按受弯承载力确定。对于柱2、偏心荷载作用：对于偏心荷载，将公式中的Ps以 Ps,max 代替，偏安全。2、偏心荷载作用：对于偏心荷载，将公式中的Ps以 Ps,ma0.70.74.452.397.300.70.7

20、4.452.397.302.391.957）0.378m378mm378mm418mm7.312.391.957）0.378m378mm378mm418m工程地质与地基基础(蔡燕燕)第7章-天然地基上的浅基础设计课件7.417.417.8 & 7.9 柱下钢筋混凝土条形基础由梁及其伸出的底板组成，如下图。7.8 & 7.9 柱下钢筋混凝土条形基础由梁及其伸出的7.10 筏板基础筏板基础，用钢筋混凝土做成的连续整片基础，俗称“满堂红”。应用范围筏板基础可减小基底压力并能比较有效地增强基础的整体性。筏板基础在构造上好像例置的钢筋混凝土楼盖，并可分为平板式 图79(a)和梁板式因7.9b)二种。 构

21、造要求7.10 筏板基础7.11 箱型基础简介 有较大的刚度和整体性， 820层常采用 构造要求 1) 箱基高h=(1/81/12)H 震区不宜小于1/10H 且不宜小于箱长1/8及3.0m 2) 布置: 平面简单对称、平面形心宜与竖向荷载 重心重合（偏心距不宜大于0.1W/A 其中W基底抵抗矩、 A基底面积）， 同一单元内不应局部采用箱基（否则会产生 不均匀沉降）。底板厚不宜小于300mm， 顶板厚不宜小于150mm；外墙厚不宜小于 250mm（挡土、防渗），内墙厚不宜小于200mm。 地基计算（承载力、变形） P、Pmax、Pmin按浅基础的方法计算，但应扣除浮力的作用（地下水位下） 中心

22、荷载下 偏心荷载作用下第三式若不满足可调整上部结构布置，以改变M7.11 箱型基础简介 有较大的刚度和整体性， 7.12 地基基础与上部结构共同工作的概念1基本概念 工程中把上部结构、基础与地基作为离散的独立结构进行力学分析。事实上地基、基础和上部结构三者是相互联系成整体来承担荷载而发生变形的，三者都按各自的刚度对变形产生相互制约，从而使整个体系的内力(包括柱脚和基底反力)和变形(包括地基变形)发生变化。合理的力学分析方法 地基、基础和上部结构之间满足静力平衡和变形协调两个条件。 按三者共同作用的原则进行整体的相互作用分析。 故需要：能反映结构影响的分析理论；便于计算的有效方法；反映土变形特征

23、的地基计算模型及参数。 直至20世纪60年代后期，随电算技术的发展及土应力应变本构关系的深入探讨，相互作用的研究才得以开展并受到重视。7.12 地基基础与上部结构共同工作的概念1基本概念 现状 基于相互作用的分析还处于研究阶段，刚性基础、扩展基础仍采用常规简化法设计，弹性地基梁板的分析理论(文克勒模型等)仅考虑地基与基础的相互影响，还未涉及上部结构刚度的影响。 尽管如此，掌握地基、基础和上部结构相互作用的基本概念将有助于了解各类基础的性能、正确选择地基基础方案、评价地基基础常规设计与实际之间的可能差异、理解影响地基特征变形容许值的因素和采取防止不均匀沉降损害的措施等有关问题，因而，在设计实践中

24、，设计者可以运用基于相互作用分析的“概念设计”方法对上部结构、基础的设计结果进行合理调整。 现状2相对刚度的影响 在上部结构、基础与地基的共同作用中，起重要影响的是：“上部结构十基础”与地基之间的刚度比，称为“相对刚度”。对这一问题的考虑，首先看两种极端情况：一 是相对刚度为零，二是相对刚度趋于无穷大图739(a)。 a、当结构相对刚度为零，即所谓“结构绝对柔性”，上部结构不对地基变形产生影响。实际工程中，没有绝对柔性结构，而以屋架柱基础为承重体系的木结构和排架结构与之接近，故称这两种结构为“柔性结构”。 b、结构相对刚度趋于无穷大，即所谓“结构绝对刚性”，如按上部结构刚度为无穷大时的柱下条形

25、基础，柱底相当于基础梁的不动铰支座，沉降发生时柱底总在一直线上，即柱底处地基变形相等。上部结构和基础总体有弯曲趋势，但在柱间，即力学意义上的支座之间却因地基反力作用产生了类似于连续梁的弯曲，这就是所谓的局部弯曲。实际工程中，体型简单、长高比很小，采用框架剪力墙或筒体结构的高层建筑及烟囱、水塔等高耸结构物基本属此情况，故也称之为“刚性结构”。 c、砌体承重结构和钢筋混凝土框架结构，因有一定的相对刚度，称之为结构相对刚性或弹性结构，这种结构对地基不均匀沉降反应灵敏。例如，有一定相对刚度的框架结构，一方面可调整地基不均匀沉降，但在调整的同时，也引起结构中的附加应力，可能导致结构变形乃至开裂，因此，也

26、有将之称为敏感性结构。在上部结构与地基基础共同作用下，相对刚度有限的结构的变形与内力，可视作整体弯曲与局部弯曲的叠加图7.39(c)。 2相对刚度的影响 工程地质与地基基础(蔡燕燕)第7章-天然地基上的浅基础设计课件7.13 地基基础方案比较和改善的措施地基不均匀沉降产生的原因： 1地质条件：会引起较大的沉降和差异沉降。 2上部结构荷载的不均匀：如相邻部分之间层高相差悬殊等原因，会造成上部结构荷载分布不均匀，引起地基的不均匀沉降。 3邻近建筑物的影响：附近建筑物会在建筑物的一侧引起较大的附加应力，使建筑物地基产生不均匀沉降。 4其他原因：如建筑物一侧大面积堆载、开挖深基坑等也会引起建筑物地基的

27、不均匀沉降。 7.13 地基基础方案比较和改善的措施地基不均匀沉降产生的7.13.2 减轻不均匀沉降危害的措施一、建筑措施(1) 建筑物体型力求简单平面形状简单 , 如用 一 字形建筑物；立面体型变化不宜过大 , 砌体承重结构房屋高差不宜超过 12 层。(2) 控制建筑物长高比及合理布置纵横墙二层以上的砌体承重房屋，当预估的最大沉降量超过 120mm 时 , 长高比不宜大于2.5；对于平面简单、内外墙贯通，横墙间隔较小的房屋，长高比的限制可放宽至不大于3.0 。尽量使内、外纵墙都贯通，缩小横墙的间距。(3) 控制相邻建筑物基础的间距同期建造的两相邻建筑之间的影响，特别是当两建筑物轻 ( 低 )

28、 重 ( 高 ) 差别太大时，轻者受重者的影响更甚；原有建筑物受邻近新建重型或高层建筑物的影响。 7.13.2 减轻不均匀沉降危害的措施一、建筑措施(4) 设置沉降缝平面形状复杂的建筑物的转折部位；建筑物的高度或荷载突变处；长高比较大的建筑物适当部位；地基土压缩性显著变化处；建筑结构 ( 包括基础 ) 类型不同处；分期建造房屋的交界处。 (5) 调整建筑物的局部标高根据预估沉降，适当提高室内地坪和地下设施的标高；将相互有联系的建筑物各部分包括设备中预估沉降较大者的标高适当提高； 建筑物与设备之间应留有足够的净空； 有管道穿过建筑物时，应留有足够尺寸的孔洞，或采用柔性管道接头。(4) 设置沉降缝

29、(1)减轻建筑物自重减轻墙体重量：选择轻型高强墙体材料，如：轻质高强混凝土墙板、各种空心砌块、多孔砖及其他轻质墙等，都能不同程度地达到减少自重的目的。选用轻型结构：采用预应力钢筋混凝土结构、轻钢结构及各种轻型空间结构。减少基础和回填土重量：首先是尽可能考虑采用浅埋基础，例如：钢筋混凝土独立基础、条形基础、壳体基础等；如果要求大量抬高室内地坪时，底层可考虑用架空层代替室内厚墙填土。(2) 设置圈梁：在基础顶面附近、门窗顶部楼面处设置圈梁，每道圈梁应尽量贯通外墙、承重内纵墙及主要内横墙，并在平面内形成闭合的网状系统。 (3) 减小或调整基底附加压力设置地下室、或半地下室、架空层，以挖除的土重去补偿 ( 抵消 ) 一部分甚至全部的建筑物重量，达到减小沉降的目的。改变基底尺寸：按照沉降控制的要求 , 选择和调整基础底面尺寸，针对具体工程的不同情况考虑，尽量做到有效又经济合理。(4)