《浅基础设计》ppt课件

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第八章天然地基上浅基础设计CarlTerzaghi 内容提要与学习目的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。 天然地基上的浅基础设计第一节浅基础的类型第二节浅基础的计算第三节浅基础设计第四节减小地基不均匀沉降危害的措施 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： 可选择的方案有三种天然地基上的浅基础人工地基上的浅基础天然地基上的深基础√宜优先选用 天然地基：天然土层，不对地基土做处理浅基础：(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DD 下卧层地基与基础D埋深Dq=D均布荷载持力层（受力层）地基基础FG主要受力层 人工地基：经过地基处理，加固上部土层，提高承载力。软土 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 可选择的方案有三种天然地基上的浅基础人工地基上的浅基础天然地基上的深基础√宜优先选用 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：浅基础分类第一节浅基础的类型刚性基础：材料具有较好的抗压性能，但抗拉、抗剪强度却不高柔性基础：钢筋混凝土基础，其抗弯和抗剪性能良好 刚性基础(无筋扩展基础)有基础台阶宽高比(刚性角)要求柔性基础（扩展基础)钢筋混凝土要满足抗弯,抗剪和抗冲切等结构要求Fbth0F浅基础分类第一节浅基础的类型 2按基础材料分类砖石料混凝土钢筋混凝土灰土三合土浅基础分类 2柔性基础的结构形式分类1)钢筋混凝土独立基础:柱下或墙下,土质较好柱下单独基础最经济，适用于荷载不大，场地均匀的地基土。独立基础的主要受力层深度1.5b 上部结构的荷载小，地基承载力大，可采用墙下独立基础节约材料。 2)钢筋混凝土条型基础墙下或柱下条形基础,条型基础是墙基础的主要形式Stripfoundation条形基础的主要受力层深度3.0b浅基础分类 柱下:一般是土质差,两侧单独基础相连 交叉钢筋混凝土条形基础柱下:土质更差,或荷载很大,四面基础相连纵向条形基础横向条形基础浅基础分类CrossStripfooting 3)筏板基础土质更差,单独基础联成整体,游泳馆,筏下有肋,板下处理浅基础分类Matfoundation 图8-6筏板基础(a)、(b)平板式；(c)、(d)梁板式 4)箱形基础有筏、墙和顶板形成箱，整体性更好底板外墙内墙浅基础分类 2按基础的结构形式单独基础Individualfootingpadfoundation条形基础Stripfooting筏板基础Matfoundation箱形基础Boxfoundation浅基础分类Matfoundation 在实际情况下，一般遵循刚性基础→柱下独立基础、墙下条形基础→交叉条形基础→筏板基础→箱形基础的顺序来选择基础形式。当然，在选择过程中应尽量做到经济、合理。只有在上述情况下不行时，才考虑运用桩基等深基础的形式，以避免过多的浪费。总之，究竟采用何种形式的浅基础，应根据建筑物的工程地质条件、技术经济和施工条件等因素加以综合确定。 第二节浅基础的计算一、地基基础的设计方法(一)容许承载力设计方法地基的容许承载力(1)基底压力不能超过地基的极限承载力，并且有足够的安全度。(2)地基变形不能超过允许变形值 (二)概率极限状态设计方法极限状态是满足设计规定功能要求的特定状态。极限状态一般分为两类：承载能力极限状态和正常使用极限状态以概率理论为基础的极限状态设计方法荷载作用效应S和结构抗力R的关系：R－S=ZZ<0结构处于失效状态Z＝0结构处于极限状态 二荷载计算1、荷载种类永久(恒)荷载（G）:(1)不随时间变化,(2)变化与均值比可以忽略,(3)单调变化并趋于极值。可变(活)荷载(Q):变化与均值比不可以忽略偶然(特殊)荷载：在结构使用期间不一定出现，一旦出现其值很大，持续时间很短。荷载计算 2荷载效应上部结构F：结构自重屋面楼面荷载活荷载基础自重G：设计地面高程（内外地面平均值）FMFFHFMH一般为前两种情况，横向力不大，只做校核荷载计算GGGG 3、荷载组合极限状态设计基本组合：承载能力极限状态设计时，永久作用与可变作用的组合，冲切验算标准组合：正常使用极限状态设计时，采用标准值为荷载代表的组合，承载力验算，确定基础底面积及埋深，确定桩数时准永久组合：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载采用准永久值为荷载代表的组合,沉降验算 三、地基基础设计等级《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)根据地基复杂程度、建筑物规模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，将地基基础设计等级分为甲、乙、丙三个设计等级。 设计等级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 四、对地基基础设计的要求（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）《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)P7页表3．0．2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算(4)对经常受水平荷载作用的高层建筑和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性验算；（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。 （3）《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)P7页表3．0．2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，但果如有下列情况之一时，仍应做变形验算：1)地基承载力特征值小于130kPa，且体形复杂的建筑；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，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时；3)软弱地基上的建筑存在偏心荷载时；4)相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时；5）地基内有厚度较大或厚薄不均匀的填土，其自重固结未完成时。 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 五、基础的埋置深度下卧层持力层（受力层）FGD埋深基础埋置深度是指设计地面到基础底面的距离。 基础埋深和尺寸五、基础埋深确定基础埋深确定的基本原则在满足承载力的条件下尽量浅埋。省工省时省料，但是有如下基本要求：1、D大于50cm,2、基础顶距离表土大于10cm，3、桥要求在冲刷深度以下D大于10cmD≥50cm (1)建筑物的用途，有无地下式、设备基础和地下设施，基础的形式与构造；(2)作用在地基上的荷载大小和性质；(3)工程地质和水文地质条件；(4)相邻建筑物的基础埋深；(5)地基土冻胀和融陷的影响。D大于10cmD≥50cm五、基础埋深确定 (一)建筑的用途和结构类型1地下室，地下管道(上下水，煤气电缆)应在基底以上，便于维修F管道美国世贸大厦地下7层地下室作用:承载力、变形、补偿基础 建筑物的结构类型不同，对不均匀沉降的敏感程度就不同。敏感的结构如框架结构，应将基础埋于较坚实、较均匀的土层上，所以它的埋深就可能较深；不敏感的结构如简支结构，基础可以置于软弱的土层上，所以它的埋深就可能较浅。基础埋深还取决于基础的构造高度，如无筋扩展基础由于要满足刚性角的要求，基础的构造高度较大，因此无筋扩展基础埋深往往大于钢筋混凝土扩展基础。 1新建筑物基础埋深浅2新旧相邻建筑物有一定距离L/H=1~2否则要求支护严格限制支护水平位移(二)相邻建筑物和构筑物的影响新旧LH 基础埋深不同时(1)主楼与裙房高度不同,分期施工(2)台阶式相连,如山坡上的房屋或者验算边坡稳定性三基础埋深和尺寸台北国际金融中心(二)结构要求L/H=1~2 (三)工程地质水文地质条件1地下水位以上否则开挖降水,费用大扰动2土层分布情况(1)浅基础还是深基础(桩基础)(2)天然还是人工地基(3)天然地基,埋深根据土层分布定基础埋深和尺寸台北国际金融中心珠海祖国广场 在满足其他要求下尽量浅埋只有低层房屋可用,否则处理尽量浅埋但是如h1太小就为IIh1<2m基底在好土h1=2m~4m高楼好土,低楼软土h1>4m桩基或处理(三)工程地质水文条件好土软土(很深)好土软土软土好土IIIIIIIVh1基础埋深和尺寸h1 (四)地基冻融条件1冻胀危害及机理(1)冻胀及冻拔地面隆起(不均匀)翻浆,融陷,强度降低如果冻结深度大于融沉，称为永冻土地下冰 基础埋深和尺寸冻胀丘 基础埋深和尺寸 基础埋深和尺寸 1发生冻胀的条件(1)土的条件一般是细颗粒土。砂土的毛细高度小，发生冰冻时体积膨胀，孔隙水容易排走，骨架不变。太细的土，水分供应不及时，冻胀也不明显。(2)温度条件低于冻结温度(3)水文条件含水量，具有开放性条件，如粉土冻胀最严重考虑冻胀的基础埋深 3按冻胀的地基土分类不冻胀，弱冻胀，冻胀，强冻胀，特强冻胀P161,表7－4土的冻胀性分类冻胀率=冻胀量/冻前厚度土类，含水量，地下水位Z0标准冻深－多年实测最大冻结深度的平均值,夏季地面开始往下算。北京1.0m，哈尔滨2.0m，满洲里2.5m考虑冻胀的基础埋深设计冻深zd＝(h’-h)冻胀后地面原地面hh’实测冻土厚度zd 3考虑冻胀的基础埋深设计冻结深度zd＝z0zszwzeZ0标准冻深；考虑冻胀的基础埋深设计冻深zd＝(h’-h)冻胀后地面原地面hzdh’实测冻土厚度 4考虑冻胀的基础埋深设计冻结深度zd＝z0zszwzeZ0标准冻深；soil,,envi.考虑冻胀性，基础最小埋置深度dmin＝zd-hmaxhmax---基底下允许出现冻土层最大厚度zdz0dmin室内地面hmax 3考虑冻胀的基础埋深dmin=zd–hmaxZd设计冻深；hmax允许残留冻土最大厚度ZdZ0dmin室内地面hmax考虑冻胀的基础埋深 （五）作用在地基上的荷载的大小和性质荷载大小不同，对持力层的要求也不同。建筑物荷载的性质也影响基础埋深的选择。承受轴向压力为主的基础，其埋深只需要满足地基的强度和变形要求；对于承受水平荷载的基础，还需有足够的埋深以满足稳定性要求；对于承受上拔力的基础(输电塔基础)，也要求有较大的埋深以保证足够的抗拔阻力。而高层建筑由于荷载大，且承受风力和地震力等水平荷载，为满足稳定性的要求，减少建筑物的整体倾斜，基础埋深一般不应少于1/12～1/8的地面以上建筑物的高度。 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 六、地基承载力的确定地基极限承载力是地基土体所能承受的最大荷载。要求作用在基底的压应力不超过地基的极限承载力，并有足够的安全度，而且所产生的变形不能超过建筑物的允许变形。满足以上两项要求时，地基单位面积上所能承受的荷载就称为地基的承载力。《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)中称为地基承载力的特征值，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ024-85)中称为地基的容许承载力。 承载力的确定一、荷载试验或其他原位测试方法二、承载力理论公式三、规范方法千斤顶荷载板六、地基承载力的确定地基计算 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fak地基承载力计算（1）当p～s曲线上有明显的比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；（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0.25～0.5m2，可取s/b=0.01～0.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。 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，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(1)动力触探试验动力触探是利用一定的锤击能量，使触探杆打入土层一定深度，根据其所需的锤击数来判断土的工程性质。动力触探根据探头的型式分为圆锥动力触探和标准贯入试验。圆锥动力触探根据锤击能量的大小可分为轻型、重型和超重型三种 常用动力触探类型及规格表 （1）轻型圆锥动力触探轻型圆锥动力触探的试验设备主要由锥头、触探杆、穿心锤三部分组成。穿心锤重10kg。试验时，先用轻便钻具钻至试验土层标高，然后对试验土层进行连续触探。试验时，使穿心锤从50cm的高度自由下落，将触探杆竖直打人土中，记录每打入土层30cm所需的锤击数N10。该试验设备简单，操作方便，一般用于贯入深度小于4m的土层。 ②标准贯入试验标准贯入试验主要适用于砂土、粉土和一般黏性土。其试验设备主要由标准贯入器、触探杆、穿心锤组成。穿心锤重63.5kg。触探试验前，先用钻具钻到试验土层标高以上约15cm处，再进行试验。试验时，穿心锤以落距76cm自由下落，将贯入器竖直打入土中15cm，以后记录每打入土中30cm的锤击数，即为实测锤击数N。 静力触探试验静力触探是利用静压力将装有传感器的触探头以匀速压入土中，由于土层的软硬程度不同，触探头所受阻力不一样。土越软，贯入阻力越小；土越硬，贯入阻力越大。传感器将这种大小不同的贯入阻力信号输入电子测量仪中，从而达到了解土层工程性质的目的。 单用（桥）探头双用（桥）探头多用（孔压）探头 触探主机为液压传动式的，反力装置为自重式。 表2-24地基基本承载力f0与PS(qc)经验关系式(Mpa).序号提出者经验关系式范围值PS(qc)土层1武汉联合试验组f0=0.1043Pa+0.02690.3—6.0粘性土2交通部三航院f0=0.1Pa+0.0250.5—2.5长江三角洲土3兖州煤矿设计院f0=0.1012Pa+0.0590.35—3.0淮北粘性土4江苏省建筑设计院f0=0.084Pa+0.050.35—5.7南京粘性土5青岛城建局f0=0.074Pa+0.08241.0—0.5青岛粘性土6连云港规划建筑设计院f0=0.0807Pa+0.049滨海软土7铁三院f0=5.8(Pa)1/2-0.046PS单位(kPa)IP>7粘性土8铁四院f0=0.112Pa+0.0050.085—0.9软土9武汉冶金勘察公司f0=0.02Pa+0.055.0长江中下游粉细砂土 现场载荷试验确定承载力特征值fak经验方法确定确定承载力特征值fak深度宽度修正的特征值fa地基承载力计算b、d为宽度深度修正系数，按持力层土查表 二、按规范方法确定地基土的承载力fa=Mbb+Mdmd+Mcckfa:承载力特征值修正值——相当与p1/4=NB/2+Nqd+Ncc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 三、按理论公式确定地基土的承载力 例6—1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fɑk=176kN／m2，试确定持力层地基承载力特征值的修正值fɑ。 例6—1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fɑk=176kN／m2，试确定持力层地基承载力特征值的修正值fɑ。解该持力层为e<0.85及IL<0.85的黏土层，查表6—9得ηb=0.3，ηd=1.6基底以上土的加权平均重力密度为： 例6-2某建筑物为承受中心荷载的柱下独立基础，基础底面尺寸为3.0m×2.0m，埋深d=1.5m，地基土为粉土，土的物理力学性质指标：，，，试确定持力层承载力特征值。解根据查表得： 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 基本条件：基底平均压力p不大于持力层承载力的特征值fa轴心荷载pkfa偏心荷载pkfapmax≤1.2fa七、根据持力层承载力确定基础底面尺寸1)确定基础尺寸2)验算持力层承载力持力层承载力GFfa 1、中心荷载（1）柱下单独基础底面积A的确定荷载F+GG=AGd,G是基础加土的容重=20kN/m3承载力特征值fa(暂不做宽度修正)基底面积F+G≤AfaGF基础底面积pkfa 1、中心荷载(2)墙下条形基础底面积A的确定荷载F+GG=AGd,G是基础加土的容重=20kN/m3承载力特征值fa(暂不做宽度修正)GF基础底面积 中心荷载作用下基础面积的确定步骤1、先进行承载力深度修正确定fa2、计算A0，确定b、l3、重新计算fa4、验算 2偏心荷载以柱下独立基础为例(1)按中心荷载确定底面积A1(2)考虑偏心A=(1.1~1.4)A1根据偏心大小根据A初步确定b和lFMeF+G持力层承载力和基础底面积pkfapmax≤1.2fa 偏心荷载作用下基础面积的确定1、不考虑偏心影响，按中心荷载计算A12、考虑偏心影响，令A=（1.1-1.4)A1，确定b、l3、重新计算fa4、验算 偏心荷载作用下基础面积的确定4、验算 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 八、软弱下卧层的验算土层一般是成层的，其承载力随深度而增加，而外荷载引起的附加应力则随深度而衰减，因此，只要基底持力层承载力满足设计要求即可以了。但也有不少情况，持力层不厚，在持力层以下受力层范围内存在软弱土层(即软弱下卧层)，软弱下卧层的承载力比持力层小得多。只满足持力层承载力的要求是不够的，还须验算软弱下卧层的承载力。要求传递到软弱下卧层顶面的附加应力和土的自重应力之和不超过软弱下卧层的承载力设计值，即: 八、软弱下卧层的验算faz----软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值．pcz----软弱下卧层顶面处的自重应力标准值．pz----软弱下卧层顶面处的附加应力标准值． 八、软弱下卧层的验算当上层土与软弱下卧层的压缩模量比值大于或等于3时，按照简单的应力扩散角原理计算。作用在基础底面处的附加应力以扩散角θ向下传递均匀地分布在软弱下卧层上，根据扩散前后压力相等的条件 八、软弱下卧层的验算faz----软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值．pcz----软弱下卧层顶面处的自重应力标准值． 地基应力扩散角θEs1/Es2z/b0.250.50３6°23°５10°25°１020°30° 上层土为素填土,γ1=17.5kN/m3,厚度2.0m.持力层为粘性土，厚度2.5m，重力密度γsat=18kN/m3，e=0.7，IL=0.78，压缩模量Es2=9MPa,承载力特征值fak2=195kPa.下层土为淤泥质土，Es3=1.8MPa,fak3=78kPa.Fk=1350kN,Mk=650kN.m,Pk=170kN,Vk=140kN.试确定矩形基础底面尺寸。 解（1）初步选择基础的底面尺寸持力层为粘性土，厚度2.5m，重力密度γsat=18kN/m3，e=0.7，IL=0.78，fak2=195kPa.Fk=1350kN,Mk=650kN.m,Pk=170kN,Vk=140kN.设A=1.2A0=1.2*9.8=11.76m2取基础l/b=2，得b=2.5m,l=5m（2）求修正后的地基承载力特征值由e=0.7，IL=0.78，查表得ηb=0.3ηd=1.6 解（3）验算持力层承载力满足设计要求 解（4）软弱下卧层验算下卧层顶面处的自重应力pcz=17.5*2+8*2.5=55.5kpa软弱下卧层为淤泥质土，查表得ηb=0ηd=1.０ 解（4）软弱下卧层验算pcz=17.5*2+8*2.5=55.5kpa故基础尺寸可选2.5*5.0m 九地基变形验算(一)地基变形要求甲级和部分乙级建筑，在满足承载力要求外，还要验算沉降大部分乙级建筑物查表确定承载力，无需验算沉降S≤[S]地基变形特征值沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜、平均沉降、相对弯曲地基变形验算 ①沉降量—指基础中心点的沉降量；②沉降差—指相邻两单独基础的沉降量之差；③倾斜—指单独基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值，倾斜为④局部倾斜—指砌体承重结构沿纵墙6～10m之内基础两点的沉降差与其距离的比值。如图所示，局部倾斜为 沉降计算时的荷载准永久组合2沉降计算(1)分层总和法计算最终沉降S’=Si’计算深度确定s’0.025S’地基变形验算 平均附加应力系数法：Ai=p0(izi-I-1zi-1)si=Ai/Esis=ssiz0zi-1ziHizib地基变形验算（２）规范法 (3)地基最终沉降S=sS’s沉降计算经验系数,因为在前面计算中,忽略了侧向变形及取样扰动s=1.4~0.2,(1)与土质软硬Es有关,是多层平均值,(2)与基底净附加应力p0/fk的大小有关，地基变形验算 3沉降不满足时,修改设计增大尺寸(减少p0)增加埋深(减少p0),尤其增加地下室-补偿基础地基处理调整荷载地基变形验算 一、按持力层承载力确定基础底面尺寸下卧层D埋深Dq=D均布荷载持力层（受力层）基础FG主要受力层地基承载力验算 初步确定了埋深和尺寸后,需要一系列验算(一)持力层验算1承载力的设计值的确定b>6m按6m,<3m按3m荷载板试验fa=Mbb+Mdmd+Mcck根据实际宽度和深度计算fa:承载力特征值（设计值）地基承载力验算 2承载力验算根据初步确定的D与b，确定宽深修正后的fa(1)中心荷载(2)偏心荷载**高层建筑*地震可能出现e