高层建筑基础分析与设计-作者-袁聚云-5本科2011秋第五章-天然地基上的高层建筑基础

2023/9/21在线教务辅导网：教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187

或者直接输入下面地址：2023/9/22地基基础设计基本原则要求：①基础底面压力应小于地基容许承载力值；②建筑物的沉降应小于容许变形值；③避免地基滑动，防止建筑物失稳。

我国地域辽阔，已建高层建筑采用天然地基的箱基或筏基为数不少。实践表明：天然地基上的箱基或筏基在高层建筑中有广泛应用的前景。第五章天然地基上的高层建筑基础

2023/9/23一、地基承载力确定确定地基承载力的方法有经验查表法、原位测试法和理论计算公式法。1.经验查表确定承载力以载荷试验为依据，将大量室内试验资料经过对比统计分析，建立土的物理力学指标与各类土的承载力基本值f0之间的关系，编制相应的地基承载力基本值表(表5-1和表5-2)。第一节地基承载力与基础埋置深度2023/9/242023/9/25地基土承载力基本值表是收集各地载荷试验资料，经回归分析并结合经验修正后编制的，使用时均以指标的平均值查取，试验样品的数量及试验结果的离散程度的影响均没有反映。地基承载力基本值还应通过概率统计来进行修正，将从表中查出的地基承载力基本值f0乘以小于1的回归修正系数。

2023/9/262.现场载荷试验确定地基承载力

载荷试验是原位测试中确定承载力最为常用的一种方法。载荷试验曲线特性明显，典型的p-s曲线可分成三个阶段(图5-1)：Oa:压密阶段;ab:局部剪切阶段;bc:整体剪切破坏阶段。

2023/9/27在压密阶段内，荷载与变形成正比，土中各点剪应力均小于土的抗剪强度，土体处于弹性平衡状态，a点相应的荷载称为临塑荷载pcr。在局部剪切阶段，p-s不再保持线性关系，基础边缘下地基土局部范围内的剪切应力达到土的抗剪强度而出现塑性区；随着荷载继续增加，塑性区逐渐扩大，直至土中形成连续的滑动面，b点所对应的荷载称为极限荷载pu。在整体破坏阶段，即使荷载不再增加，荷载板也会急剧下沉，地基变形不断开展，土体自底板四周隆起，地基失稳而破坏。2023/9/28pcr和pu的量值存在尺寸效应问题，荷载板尺寸愈大，变形愈大，而此时pcr，pu亦愈大。因此，根据载荷试验p-s曲线确定地基承载力不应忽视尺寸效应。现场原位测试方法除静载荷试验常用外，尚有其他方法，如标准贯入试验、旁压仪测试、动力触探试验、静力触探试验等。2023/9/293.理论计算公式确定地基承载力

计算地基承载力的理论公式有很多种，主要可划分为假定刚塑体计算极限承载力的公式和考虑弹塑性影响（即允许局部塑性区开展的）计算允许承载力的公式两大类。

(1)地基极限承载力

地基土的破坏与基础埋深、荷载施加的速率和土的压缩性等有关。魏锡克提出地基破坏的三种基本类型(图5-1)。2023/9/2102023/9/211现有理论公式都假设土为刚塑性体，按弹性-塑性平衡问题求解，考虑的都是整体剪切破坏。对于局部剪切破坏，一般在整体剪切破坏解答的基础上，考虑由于压缩性影响而引起的折减。2023/9/212

当地基中达到极限平衡发生整体剪切破坏时，作用在地表上的荷载即为极限荷载。关于极限承载力的理论公式，首先是1920年由普朗特尔根据塑性理论推导出无重量介质的极限承载力公式。太沙基考虑到基础底面摩擦力对地基变形的约束作用，修正了普朗特尔解的滑动面形状，推导出极限承载力公式。汉森研究了水平荷载对滑动面的影响，提出了倾斜荷载作用下滑动面的形状及极限承载力公式。魏锡克对承载力公式又做了改进。2023/9/213普朗特尔和太沙基公式推导的假定：

1.均质地基中心荷载条件下条形基础

2.假定滑动面的形状

3.认为在全部滑动面上土体均达到极限平衡分别考虑由于基础底面下土的自重、土的粘聚力c和基础两侧超载q的作用下所引起的土抗力，根据脱离体的静力平衡条件，求解后叠加，可得出地基极限承载力理论值。其基本形式为：2023/9/214

极限承载力的通式包括有三项：第一项cNc，反映了土的粘聚力的作用；第二项qNq，反映了基础两侧边载（一般指基础埋深范围内的土重）的作用；第三项γbNr反映了基础底面下滑动土体深度范围内的土体重量的作用，具体反映为基础的宽度与地基土的重度的作用。这三项中的承载力系数都是土的内摩擦角的函数。上述这些因素的变动都会对地基承载力造成影响。

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计算所得的地基极限承载力必须除以安全系数才能作为地基设计中的地基承载力特征值fa。安全系数取值是一个较为复杂的问题，要和当地工程实践中采用该式所得到的经验等综合考虑后确定，一般在2~3，所得值的出入很大。

2023/9/216(2)容许状态计算公式

临塑荷载公式p1/4公式《建筑地基基础设计规范》根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值该公式是在条形基础、均布荷载、均质土条件下推导出的。2023/9/2172023/9/218二、基础埋置深度确定

在确定高层建筑的基础埋置深度时，应考虑建筑物的高度、体型、土质、抗震设防烈度等因素，并应满足抗倾覆和抗滑移的要求。抗震设防区天然土质地基上的箱形和筏形基础，其埋深不宜小于建筑物高度的1/15；当桩与箱基底板或筏板连接的构造符合规定时，桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/18。2023/9/219三.基底压力与承载力验算

1.箱形和筏形基础底面的压力值：(1)当受轴心荷载作用时(2)当受偏心荷载作用时

2023/9/220

2.基础底面压力应符合下列公式的要求

(1)当受轴心荷载作用时

p≤fa

(2)当受偏心荷载作用时

pmax≤1.2fa

式中：fa——地基承载力特征值，按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》确定。

(3)对于非抗震设防的高层建筑箱形和筏形基础，尚应符合下式要求：

pmin≥0(不出现拉应力)2023/9/221

3.对于抗震设防的建筑，箱形和筏形基础的基础底面压力除应符合上面(1)及(2)的要求外，尚应按下列公式进行地基土抗震承载力的验算：

pz≤fSE

pE,max≤1.2fSE

fSE＝ξsfafSE——调整后的地基土抗震承载力特征值；pE,max——基础底面地震效应组合的边缘最大压力值；ξs——地基土抗震承载力调整系数，按表5-4取值。pz——基础底面地震效应组合的平均压力值；2023/9/222当基础底面地震效应组合的边缘最小压力出现零应力时，零应力区的面积不应超过基础底面面积的25％。2023/9/223第二节地基稳定性验算

地基稳定性问题地基承载力不足引起的地基失稳；水平荷载引起建筑物基础的倾覆和滑动失稳；位于土坡坡顶的建筑物地基失稳。对应的工程背景地基中存在软弱土层；承受较大水平力或倾覆力矩的建筑物，如受风和地震作用的高层建筑或高耸构筑物；承受拉力的高压线塔基础；承受水压力和土压力的挡土墙、堤坝或桥台；位于斜坡或坡顶上的建筑物，由于荷载或环境因素的影响，造成边坡失稳。2023/9/224《高层建筑箱形与筏形基础技术规范》对箱基或筏基的构造要求有：(1)基础埋置深度；(2)荷载偏心率。

规范规定：当建筑物基础满足抗滑移和抗倾覆的前提要求时，可按构造要求满足基础的稳定性。2023/9/225

满足下述构造要求，一般能保证建筑物的稳定性。(1)基础埋置深度天然地基上的箱基或筏基埋深不宜小于建筑物高度的1/15，桩箱或桩筏基础的埋深(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/18。(2)荷载偏心率建筑物的重心和基础平面的形心应尽量重合。当不能重合时，偏心距不宜大于0.1ρ

。不能满足上述要求时，则必须进行稳定性验算！W为与偏心距方向一致的基底截面抵抗矩，A为面积。2023/9/226一、水平荷载作用下防止滑移

设作用于箱形或筏形基础顶部的水平荷载（风载、地震荷载或其他荷载）为Q，箱形或筏形基础侧壁填土能可靠的传递被动土压力和摩擦力的高度h0≤D，计算简图如下。2023/9/227

水平剪力Q由垂直于剪力方向侧壁的被动土压力合力P、基底摩擦力合力F1，侧壁（平行于剪力方向）摩擦力合力F2之和来平衡，于是应满足：

式中K为安全系数，取1.2~1.5。2023/9/228Al—基底面积；A2—平行于剪力方向的两侧壁有效面积(A2=2bh0)；S—地基土抗剪强度，对于饱和软土S=0.5qu(qu为土的无侧限抗压强度)，对于一般土S=ccu+ptgfcu；(ccu、fcu

为固结不排水抗剪强度试验指标，p为基底平均压力)；fh—土与混凝土之间摩擦系数，据试验或经验取值；sh—静止土压力。F1、F2按公式计算：2023/9/229二、偏心、水平荷载作用下防止建筑物倾覆

高层建筑的重心应尽量与其基础平面的形心重合，不能重合时设计应尽量使偏心距e≤0.1W/A，这样有利于稳定。当承受有较大水平荷载时，为防止整体覆需按不同情况进行稳定性验算。在强震区、强风区水平荷载多来自地震力或风力，其施力方向并不能确定，当竖向总荷载存在偏心情况，应以不利的荷载组合情况验算。2023/9/2302023/9/2311.水平荷载作用下（竖向荷载偏心距e＝0）

2.偏心和水平荷载作用下Mr—抗倾覆力矩标准；Mc—倾覆力矩标准值；P—竖向总荷载标准值（P＝F＋G）；Q—水平总荷载标准值。抗倾覆稳定性安全系数k=Mr/Mc不宜小于1.5。2023/9/232三、防止地基整体滑动、建筑物倾覆地基整体滑动形成的滑裂面在空间通常形成一个弧形面，对于均质土可简化为平面问题的圆弧面。地基整体滑动稳定性取决于最危险滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩Mr与滑动力矩M0的比值。丧失稳定状态M0＞Mr极限平衡状态M0＝Mr稳定状态M0<Mr整体稳定性的安全系数：k=Mr/M0

k一般取1.2~1.30。2023/9/233

地基整体滑动稳定性验算方法，一般采用极限平衡理论的圆弧滑动条分法。基础受到的竖向荷载为P，水平荷载为Q，埋深为d。稳定性分析步骤如下：

1.地面水平，假定最危险滑动圆弧通过基础外侧底边，滑动的圆心位于将滑动土体平分的垂直线上。

2.将滑动土体划分为等分土条，土条宽度为b，并忽略土条自重产生的滑动力和抗滑力对整体稳定的影响。

3.滑动力矩计算滑动土体的附加荷载2023/9/2344.抗滑力矩计算抗滑力矩包括滑动面上摩阻力和粘聚力合力产生的力矩。基底压力在相应土条宽度bi范围内滑动面上法向力合力：此时摩阻力：地基整体滑动安全系数为：沿滑动面土的粘聚力发生的抗滑力为：则抗滑力矩：2023/9/235第三节地基变形计算与验算当采用土的压缩模量计算箱形和筏形基础的最终沉降量ｓ时，可按下式计算：浅基础一、最终沉降量第一种计算方法—压缩模量2023/9/2362023/9/237为什么要考虑回弹变形？

建筑物从砌筑基础以至建成使用期间，地基处于逐步加载受荷的过程；当外荷小于或等于pc时，地基沉降变形s1是由地基回弹转化为再压缩的变形；当外荷大于pc时，除上述s1外，还由于附加压力p0=p-pc产生地基固结沉降变形s2，地基最终沉降变形为s=sl+s2；按分层总和法计算公式如前。

高层建筑施工开挖基坑相当于卸除该深度土自重压力pc的荷载，地基发生回弹变形；2023/9/238

回弹再压缩模量E's和压缩模量Es如何确定？Es可通过室内回弹再压缩试验确定，其压力的施加应模拟实际加卸荷的应力状态。2023/9/239Es通过室内固结试验确定，所施加的最大压力值应大于土的自重压力与预计的附加压力之和。压缩模量的计算应取自重压力至自重压力与附加压力之和的压力段。地基沉降计算经验系数的确定方法一般应按地区经验采用；在缺乏地区经验时，可按《建筑地基基础设计规范》（GB50007－2002）的规定取，与压缩模量Es及基底附加压力p0(或桩端土平面附加应力)有关，如表5-5所示:2023/9/2402023/9/241如图5-8所示，按地基土的天然分层面划分计算土层，引入土层平均附加应力的概念，通过平均附加应力系数，将基底中心以下地基中zi,zi-1

深度范围的附加应力按等面积原则化为相同深度范围内矩形分布时的分布应力大小，再按矩形分布应力情况计算土层的压缩量：土层的压缩量计算方法(分层总和法)2023/9/2422023/9/243二、最终沉降量第二种计算方法—变形模量当采用土的变形模量计算箱形和筏形基础的最终沉降量ｓ时，可按下式计算2023/9/2442023/9/245关于计算荷载pk

一般地基沉降变形计算是以附加压力作为计算荷载的，采用总荷载pk作为地基沉降计算压力的建议，对大基础是适宜的。对高层建筑箱形及筏形基础地基沉降计算，采用总荷载作为计算压力较采用附加压力合理。这是因为：近似考虑了深埋基础（或补偿基础）计算中的复杂问题;近似解决了大面积开挖基坑坑底的回弹再压缩问题。2023/9/246沉降计算深度znzn计算式β-调整系数，按下表取值2023/9/247变形模量E0采用野外载荷试验资料算得的变形模量Eo，基本上解决了试验土样扰动的问题，土中应力状态与实际情况接近，因此原位载荷试验确定变形模量最理想。变形模量缺点是试验工作量大，时间较长。目前我国采用旁压仪确定变形模量或标准贯入试验及触探资料，间接推算与原位载荷试验建立关系，以确定变形模量，也是一种有前途的方法。2023/9/248三、两种计算方法的比较与选用我国《高层建筑箱形基础设计与施工规程》(JGJ6-80)的地基沉降变形计算方法采用分层总和法，并乘以沉降计算经验系数，由于高层建筑实测沉降观测资料较