第七章天然地基上浅基础的设计

第七章天然地基上浅基础

的设计2023/2/417.1.1地基基础的重要性与复杂性重要性：大树伤要则枯，无根即倒基础的工程量、造价和施工工期，在整个建筑工程中占相当大的比重有的工程地基基础的造价超过主体工程总造价的1/4-1/3。基础是地下隐蔽工程，事故的预兆不易察觉，一但失事，难以补救。应当充分认识地基基础的重要性2023/2/427.1.1地基基础的重要性与复杂性复杂性：地基各地千差万别，即使同一城市情况也很不相同。必须根据场地条件，设计相应的基础工程。有的地基坚实均匀---------天然地基浅基础。上部软弱，下部坚实------桩基础地基软弱层很厚------------人工加固地基有的建筑场地软硬不均，如存在古河道、古水井、下水道、等旧结构物，需特殊处理2023/2/43地基基础设计需考虑的因素需要对建筑物上部结构和下部建筑场地条件，全面考虑，做到上下兼顾。（1）考虑建筑物上部结构的型式、规模、用途、荷载大小与性质、整体刚度，以及对不均匀沉降的敏感性。（2）研究建筑物下部工程地质条件、地层结构、各土层的物理力学性质、地基承载力，以及在下水位埋深与水质，当地冻深等因素，因地制宜进行设计。2023/2/447.1.2地基基础方案的类型天然地基上的浅基础：地质均匀、坚实，土质良好，地基承载力特征值fak>120kPa时，对于多层建筑，可将基础直接做在浅层天然土层上。（本章）不良地基人工处理后的浅基础：土层软弱，压缩性高，强度低，无法承受上部结构荷载时，需经过人工加固处理后作为地基，称为人工地基。（9章）桩基础：上部土层软弱，深层土质坚实。上部结构荷载通过桩基础穿过软弱土层，传到下部坚实土层深基础：上部结构荷载很大，或有特殊用途与要求时，可采用深基础（沉井基础，箱桩基础等）2023/2/452023/2/467.1.3天然地基上浅基础的设计内容与步骤初步设计基础的结构型式、材料与平面布置确定基础的埋置深度d计算地基承载力特征值，并进行深宽修正根据荷载和地基承载力计算基础底面积。计算高度并确定剖面形状地基下部存在软弱下卧层，对其验算部分建筑计算地基变形（甲、乙和部分丙）验算建筑物稳定（如有必要时）基础细部结构和构造设计绘制施工图2023/2/477.1.4浅基础设计所需资料建筑场地地形图岩土工程勘察成果报告建筑物平、立面图，荷载，特殊结构布置与标高建筑场地环境、邻近建筑物基础类型与埋深，地下管线分布工程总投资与当地建筑材料供应情况施工队伍技术力量与工期要求2023/2/487.2浅基础的类型2023/2/49根据结构型式分独立基础柱下条形基础十字交叉基础筏形基础箱形基础壳体基础扩展基础2023/2/410扩展基础包括墙下条形基础和柱下独立基础墙下条形基础柱下单独基础把墙或柱的荷载侧向扩展到土中2023/2/411无筋扩展基础（由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料组成）钢筋混凝土扩展基础墙下钢筋混凝土条形基础柱下钢筋混凝土独立基础2023/2/412联合基础主要指同列相邻二柱公共的钢筋混凝土基础2023/2/413柱下条形基础地基软弱、柱荷载或地基压缩性分布不均匀，以致采用扩展基础可能产生较大的不均匀沉降时。将同一方向的若干柱子连成一体形成条形基础。2023/2/414柱下交叉条形基础地基软弱且在两个方向分布不均，需要两个方向都有一定的刚度时。2023/2/415筏形基础可有效增强地基的整体性，调整不均匀沉降2023/2/416箱形基础具有一定高度的整体空间适用于软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物2023/2/417壳体基础为发挥混凝土抗压性能好的特性，可以将基础的型式做成壳体。正圆锥壳M形组合壳内球外锥组合壳壳体基础的结构型式2023/2/418基础材料砖：粘土砖或蒸压灰砂砖砂浆：建筑工地普便使用。混凝土：强度，耐久性与抗冻性优于砖，刚性角大，水泥用量大，造价稍高。钢筋混凝土：抗压、弯、剪，是基础的最优材料。（高层建筑、重型设备或软弱地基以及地下水位以下基础）灰土：一般做垫层，中小型工程也可做基础，早期强度低，抗水性差，抗冻性也较差，在水中硬化很慢，若作为基础，通常只适用于地下水位以上。2023/2/4197.3基础的埋置深度基础埋置深度：是指基础底面至天然地面（室外地面）的距离。（至少埋深0.5m）选择基础埋深的原则：在保证建筑物安全稳定、耐久使用的前提下，应尽量浅埋，以便节省投资、方便施工。2023/2/420选择基础埋深主要考虑的因素：基础宜埋置在地表以下，其最小埋深为0.5m，且基础顶面宜低于室外设计地面0.1m，同时要便于建筑物周围排水沟的布置。－1）上部结构情况－2）工程地质和水文地质条件－3）当地冻结深度－4）建筑场地的环境条件2023/2/421上部结构情况考虑建筑物在作用功能和用途方面的要求是否有地下室，高层建筑，抗震稳定，埋深不小于1/10-1/15的建筑物地面高度。丙级，基础埋深浅上部结构超静定，对不均匀沉降敏感，地基应在坚实土层上通常，基础埋深度随建筑高度适当增加2023/2/422工程地质条件持力层：直接支撑基础的土层。下卧层：持力层下的各土层。软弱下卧层：持力层下较软弱的土层良好土层验算承载力和地基变形2023/2/423拟建场地的地层分布各土层的物理力学性质和地基承载力等通过工程地质勘察报告了解：对于中小型建筑物良好土层坚硬、硬塑或可塑状态的粘性土层密实或中密状态的砂土层和碎石土层属于中、低压缩性的其它土层软塑或流塑状态的粘性土层松散状态的砂土层未经处理的填土和其它高压缩性土层软弱土层2023/2/424基础埋深的确定原则由其它条件和最小埋深确定轻型建筑厚度>2m中小型建筑或6层以下住宅不满足要求连续基础人工地基深基础厚度<2m选良好土层做持力层以硬壳层为持力层宽基浅埋沿海地区2023/2/425水文地质条件基础尽量埋置在地下水位以上否则，需要考虑施工期间的另外，当持力层下有承压含水层时基坑降水坑壁围护流砂管涌坑底土总覆盖压力>承压层顶静水压力2023/2/426地基冻融条件冻胀：土冻结后体积增大的现象称为冻胀危害：土层冻结，体积膨胀，产生冻胀力，使基础与墙体上抬而开裂；春季解冻，地基土强度降低，产生沉降。2023/2/427地基冻胀性分类根据冻胀层的平均冻胀率不同可分为：不冻胀弱冻胀冻胀强冻胀特强冻胀季节性冻土地基的设计冻深2023/2/428地基冻融条件最小埋深dmindmin=zd-hmaxzd----设计冻深hmax----基底下允许残留的冻土层的最大厚度2023/2/4292023/2/430场地环境条件（邻近存在建筑物）新基础埋深不宜超过原基础底面否则,应保持一定距离新建新建L≥（1~2）△H2023/2/431场地环境条件（靠近土坡）考虑邻近土坡临空面的稳定性2023/2/4327.4地基计算1.地基基础的设计等级根据地基复杂程度、建筑物的规模和特征、由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响程度将地基基础设计分为甲级、乙级、丙级3个设计等级。2023/2/4332023/2/434（1）所有建筑的地基计算均应满足承载力计算的有关规定（2）甲、乙级建筑物均应按地基变形设计（3）丙级建筑物有些需作变形验算（4）受水平荷载高层，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或构筑物，稳定性验算（5）基坑工程，稳定性验算（6）地下水埋深较浅，建筑物地下室或地下构筑物存在上浮问题是，还应进行上浮验算地基计算的规定2023/2/4352023/2/436①地基承载力特征值小于130kPa,且体型复杂的建筑；②在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，引起地基产生过大的不均匀沉降时；③软弱地基上的相邻建筑存在偏心荷载时；④相邻建筑距离过近，可能发生倾斜；⑤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。其他情况下的丙级建筑物在满足强度及稳定性的情况下，可不做变形验算。对于甲级、乙级建筑物及表7.8所列范围以外的丙级建筑物均应进行地基变形计算，对于表7.8所列范围以内的丙级建筑物如有下列情况之一者，仍应进行地基变形计算：2023/2/437关于荷载取值的规定按地基承载力确定基础底面积及埋深时，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标准组合，相应的抗力应采用地基承载力特征值。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。2023/2/438计算挡土墙土压力、地基和斜坡的稳定及滑坡推力时，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。在确定基础高度、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底反力，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。由永久荷载效应控制的基本组合值可取标准组合值的1.35倍2023/2/439常用的荷载效应组合：正常使用极限状态下，荷载效应的标准组合值Sk：Sk=SGk+SQ1k+ψc2SQ2k+…+ψcnSQnk(2.1)其中：SGk——按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；

SQik

——按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值；

ψci——可变荷载Qi的组合值系数，按规范取值。

正常使用极限状态下，荷载效应的准永久组合值Sk：Sk=SGk+ψq1SQ1k+ψq2SQ2k+…+ψqnSQnk(2.2)2023/2/440承载能力极限状态下，由可变荷载效应控制的基本组合设计值S：S=1.35Sk≤R(2.4)其中：R——结构构件抗力的设计值，按有关建筑结构设计规范确定；Sk——荷载效应的标准组合值。

S=γG

SGk+γQ1

SQ1k+γQ2ψc2SQ2k+…+γQn

ψcnSQnk(2.3)其中：γG——永久荷载的分项系数；

γQik

——第i个可变荷载的分项系数；

ψci——可变荷载Qi的组合值系数，按规范取值。

承载能力极限状态下，由永久荷载效应控制的基本组合，可由荷载效应基本组合的设计值S，按下式确定：设计计算中，计算内容不同，荷载效应也不同！！！2023/2/441承载力计算

+

+

轴心荷载时2023/2/4422023/2/443偏心荷载作用下的基础计算

式中Mk--------作用在基础底面的力矩，kN.m

W-------基础底面的抵抗矩，m32023/2/444基底最大压力：平均基底压力满足：（3-13）2023/2/445地基承载力地基承载力：地基承受荷载的能力。地基承载力特征值：在保证地基稳定的条件下，使建筑物的沉降量不超过允许值的地基承载力称为地基承载力特征值。fa有一定的安全储备fa=pu/K地基变形不大于允许值2023/2/446地基承载力特征值的确定按土的抗剪强度指标确定按地基载荷试验确定按规范承载力表确定按建筑经验确定四种方法2023/2/447按土的抗剪强度指标确定地基承载力理论公式fa=pu/Kpu

--地基极限承载力K---安全系数(2~3)0spfapu2023/2/448fa--按土抗剪强度指标确定的地基承载力特征值Mb,Md,Mc

—承载力系数，按表2-3采用；

—基础底面以下土重度，地下水位以下取有效重度b—基础底面宽度。当基础宽大于6m时仍按6m考虑。对于砂土，小于3m时仍按3m考虑；

—基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度(kN/m3)（从室外地面标高计算）；d—基础埋置深度(m)，一般从室外地面标高计算；ck—基底下一倍基宽深度内土的粘聚力标准值(kPa)。规范理论公式e≤L/302023/2/4492023/2/4502023/2/451按地基载荷试验确定浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验、螺旋板载荷试验埋深>3m水位以上2023/2/4522023/2/453

①当载荷试验p-s曲线上有明显的比例极限时，取该比例极限所对应的荷载值p1②当极限荷载pu能确定，且pu＜2p1时，取荷载极限值pu的一半；③不能按上述两种方法确定时，如压板面积为0.25～

0.50m2，对低压缩性土和砂土，可取s=（0.01～0.015）b所对应的荷载值，但其值不应大于最大加载量的一半。

用平板载荷试验确定fak2023/2/454按规范承载力表确定各地区规范给出现场动力触探试验、标准贯入试验、旁压试验等查地基承载力特征值fak的表格2023/2/455地基承载力特征值的修正当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其他原位测试、规范表格等方法确定的地基承载力特征值，应按下式修正：

+

+

2023/2/456fa–修正后的地基承载力特征值；fak—地基承载力特征值；ηbηd—基础宽度和埋深的地基承载力修正系数;

—基础底面以下土重度，地下水位以下取有效重度b—基础底面宽度。当基底宽度小于3m时按3m考虑，大于6m时按6m考虑。

—基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度(kN/m3)（从室外地面标高计算）；d—基础埋置深度(m)，一般从室外地面标高计算；

+

+

2023/2/4572023/2/458为何要进行深宽修正按载荷试验及其他原位测试方法确定的地基承载力都是在基础宽度（b）和埋深（d）在一定情况下（b<3m，d<0.5m）的特征值fak，如基础的实际宽度或埋深超过规定的标准，则根据地基承载力的基本概念，实际地基承载力也有所变化，因此需要修正。2023/2/459为何要进行深宽修正从地基的变形来看，基础埋深越大，在同样的基底压力下，附加压力越小，所产生的变形也越小；从地基的强度来看，基础埋深越大，地基的极限承载力p1/4、pu也都越大。因此，地基承载力可以随基础的埋深增大。而提高基础宽度对地基承载力的影响则不同，从地基的变形来看，基础越宽，在同样的基底压力下，地基的压缩层厚度愈大，所产生的变形也越大，所以对基础宽度的修正要慎重；但从地基的强度来看，则基础越宽，地基的极限承载力p1/4、pu也越大。2023/2/460按建筑经验确定调查拟建场地附近的各类建筑物类型、基础型式、地基条件和使用状况等，对确定拟建场地的地基承载力提供一定的参考。2023/2/461地基变形验算（必要时）验算地基变形变形计算值△≤变形允许值[△]（2）甲、乙级建筑物均应按地基变形设计（3）丙级建筑物有些需作变形验算2023/2/462----软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值----软弱下卧层顶面处的附加压力设计值----软弱下卧层顶面处土的自重压力标准值7.4.6软弱下卧层强度验算2023/2/4632023/2/4642023/2/4652023/2/4662023/2/467例:图2023/2/4682023/2/4692023/2/4702023/2/4717.5在础尺寸设计初步设计基础的结构型式、材料与平面布置确定基础的埋置深度d计算地基承载力特征值，并进行深宽修正根据荷载和地基承载力计算基础底面积。计算高度并确定剖面形状地基下部存在软弱下卧层，对其验算部分建筑计算地基变形（甲、乙和部分丙）验算建筑物稳定（如有必要时）基础细部结构和构造设计绘制施工图2023/2/472中心荷载作用下的基础计算2023/2/4732023/2/474按地基持力层承载力计算基底尺寸时，要求

+

+

2023/2/4752023/2/476柱下单独基础方形矩形墙下条形基础2023/2/477三、偏心荷载作用下的基础计算（一）基础地面尺寸根据直线分布假设：

式中Mk--------作用在基础底面的力矩，kN.m

W-------基础底面的抵抗矩，m32023/2/478偏心荷载作用下基础底面积尺寸按试算法确定：（1）按中心受压估算基底面积：考虑偏心荷载，假定的基础面积增大10%~40%。

2023/2/4792023/2/480（2）按初估的基础底面积A核算基底最大和最小压力：平均基底压力满足：（3-13）2023/2/4817.6扩展基础设计2023/2/482无筋扩展基础设计抗拉强度和抗剪强度低拉应力剪应力材料强度等级台阶宽高比控制控制台阶宽高比:台阶宽度与高度的比值刚性角2023/2/483适用于基底压力较小或地基土承载力较高的6层和6层以下的一般民用建筑或墙承重的轻型厂房。常采用块石、混凝土、砖、灰土和三合土等材料建造设计原则：通过限制刚性角来保证基础内产生的拉应力和剪应力不超过材料的强度设计值。2023/2/484基础的构造高度应满足下列要求：－基础顶面处的上部砌体宽度，－刚性角缺点：用料多、自重大、需要较大埋深。2023/2/4852023/2/486灰土基础毛石基础砖基础混凝土和毛石混凝土基础2023/2/487(1)砖基础细部构造2.6.4刚性基础的构造(a)二一间收(b)二皮一收2023/2/4882.6.4刚性基础的构造2023/2/489(2)砌石基础2023/2/490(3)素混凝土基础2023/2/491(4)灰土基础2023/2/492钢筋混凝土扩展基础墙下钢筋混凝土扩展基础（墙下条形基础）柱下钢筋混凝土扩展基础（柱下单独基础）2023/2/493(一)墙下钢筋混凝土条形基础计算地基净反力：仅由基础顶面荷载所产生的地基反力。2023/2/4942023/2/495一、柱下钢筋混凝土单独基础(一)设计内容与步骤根据相应荷载组合和地基承载力，确定基础尺寸按抗剪和抗冲切验算，确定基础高度(含突变截面)进行变形验算对基础截面的面积大小变化处进行内力验算，确定基础配筋构造验算2023/2/496(二)柱下钢筋混凝土单独基础构造一般要求现浇柱基础（1）角锥形基础（2）阶梯形基础（3）预制柱基础2023/2/4972023/2/4982023/2/499预制柱基础2023/2/41002023/2/4101排架柱的杯形基础：柱子与基础刚接钢架的杯形基础：柱子与基础铰接。2023/2/4102(一)墙下钢筋混凝土条形基础构造无肋的板受力钢筋横向布置底板厚度不宜小于200mm纵向配置分布钢筋6~8mm抵御不均匀沉降时，纵向也应配受力筋带肋条性基础。一般采用I级钢筋，直径Ф8~16软土地区：100mm厚砂石垫层配筋构造2023/2/4103（三）柱下钢筋混凝土单独基础计算基础高度计算（抗冲切验算）基础底板内力及配筋计算（抗弯验算）2023/2/41041、基础高度确定（抗冲切验算）

2023/2/41052023/2/4106Shearfailure:partofthefootingcomesoutofthebottomThistypeoffailureisactuallyacombinationoftensionandshearoninclinedfailuresurfaces.2023/2/41072023/2/4108(4-2)2023/2/41092023/2/4110hp-----冲切截面高度影响系数,当基础高度h不大于

800mm时，hp

取1.0；当h大于不大于

2000mm时，hp

取0.9；其间按线形内插法取用。2023/2/41112023/2/4112矩形基础正方形基础有垫层h=h0+40mm无垫层h=h0+75mm2023/2/41132、基础底板内力及配筋计算

（抗弯验算）2023/2/4114AflexuralfailueWeanalyzethismodeoffailurebytreatingthefootingasaninvertedcantileverbeamandresistingtheflexuralstressesbyplacingtensilesteelreinforcementnearthebottomofthefooting2023/2/4115a1----------任意截面I-I至基底边缘最大反力处的距离2023/2/4116计算截面所需钢筋面积为：注意：通常基础长向的钢筋放在下层。阶梯形基础应计算柱边、基础变阶处的抗弯2023/2/41177.12地基基础与上部结构共同工作的概念常规设计方法地基、基础与上部结构的相互作用2023/2/4118常规设计法只考虑静力平衡条件没有考虑变形协调条件常规设计方法的条件沉降较小或较均匀基础刚度较大2023/2/4119相互作用基本条件两个条件1）静力平衡外荷载和基底反力作用下满足2）变形协调挠度=沉降量

2023/2/4120

结构、基础、地基平衡方程变形协调条件

上部结构√×基础√×地基√2023/2/4121

结构、基础＋地基平衡方程变形协调条件

上部结构√×基础√√地基√2023/2/4122

结构＋基础＋地基平衡方程变形协调条件

上部结构√√基础√√地基√2023/2/41237.12.2基础刚度的影响

建筑物基础的内力、基底大小与分布及沉降量除与地基的特性相关，还受基础本身与上部结构刚度大小所制约。1、基底反力的分布规律仅考虑基础本身刚度影响。1）柔性基础抗弯刚度很小的基础，随着地基变形任意弯曲，不能扩散应力，因此基底反力分布与作用于基础上的荷载分布完全一致。沉降呈碟形，若要使柔性基础的沉降趋于均匀，就必须增大基础边缘的荷载。2023/2/4124柔性基础2023/2/41252）刚性基础抗弯刚度极大，原来是平面的基底，沉降后依然保持平面。基底反力呈马鞍形。架越作用：刚性基础能跨越基底中部，将所承担荷载相对集中地传至基底边缘，这种现象称基础的“架越作用”。2023/2/4126刚性基础2023/2/41273）基础相对地基刚度影响基础相对地基的刚度越强沉降越均匀，但内力增大，局部软硬变化时，采用连续基础。当地基为岩石或压缩性很低的土层时，优先考虑采用扩展基础。2023/2/41284）临近荷载影响受影响一侧沉降加大，引起反力卸载，反力向基础中部转移。2.地基非均质性影响同样荷载在不同地基上，情况不同。荷载分布不同，地基相同，情况不同，注意功能布置。2023/2/41292023/2/41302023/2/41313.2.2地基变形对上部结构影响上部结构刚度：上部结构对基础不均匀沉降抵抗能力称为上部结构刚度。分为柔性、敏感性、刚性三类。排架结构、木结构，柔性，基础沉降不会对结构内力产生大附加应力，围护结构开裂。砌体结构、框架结构，属敏感结构，基础沉降会引起较大附加内力。烟囱、水塔、剪力墙，刚性结构，只发生倾斜，不会挠曲。2023/2/4132上部结构刚度对基础受力状况影响绝对刚性上部结构，上部柱可视为铰支座。完全柔性上部结构，上部不参与工作。绝大多数建筑介于二者之间。现在不能定量判断，只能定性判断。剪力墙体系和筒体结构→刚性排架→柔性地基压缩性低→沉降小考虑三者作用不大，起主导作用是地基。2023/2/41