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.ppt
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1、第7章 天然地基上浅基础设计,Carl Terzaghi,7.1 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。,地基基础设计的原则 安全可靠 经济合理 技术先进
2、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。,下卧层,地基与基础,持力层(受力层),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。,
3、好土层,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。,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。,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,方案组合,原则:造价
4、低 易施工 安全合理 技术先进,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,基础的结构和构造设计,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
5、之为刚性基础。 应用范围:刚性基础可用于六层和六层以下(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。,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
6、示意图,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,,无筋扩展基础结构分析,宽高比,浅基础分类,刚性基础台阶宽高比允许值:,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,柱下独立基础最经济,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,浅基础分类,浅基础分类,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,Strip foundation,条形基础的 主要受力层深度 3.0b,浅基础分类,柱下:土质更较差,浅基础分类,3)十字交叉钢筋混凝土条形基础(双向条形基础),柱下
7、:土质更差,或荷载很大,四面基础相连,浅基础分类,Cross Strip footing,4) 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,筏板基础 (a)、(b)平板式;(c)、(d)梁板式,浅基础分类,浅基础分类,5) 箱形基础,有筏、墙和顶板形成箱,整体性更好,浅基础分类,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
8、济和施工条件等因素加以综合确定。,浅基础分类,浅基础分类,3 基础材料 1)砖基础:低层建筑墙下基础。砌筑方便,强度低抗冻性差。 2)毛石基础:毛石指未经加工凿平的石材,毛石基础应采用未经风化的硬质岩石砌筑而成 。 要求: 材料:MU20毛石;M5砂浆 台阶高度和基础墙:400mm 台阶宽度:200mm。 错缝搭砌,缝内砂浆应饱满 特点:砌筑较方便,抗冻性好,适于6层及以下墙承重结构。 3)混凝土和毛石混凝土基础 特点:强度、耐久性、抗冻性都较好,适用于荷载较大或位于地下水位以下的基础。掺入毛石要求:占体积30%,尺寸300mm ,应冲洗干净 。材料一般取15。 4)灰土基础 灰土是用石灰和粘
9、性土混合配制而成。 灰土基础的厚度不小于300mm,条形基础宽度不小于600mm,独立砖基础不小于700mm 5)三合土基础 三合土是由石灰、砂和骨料(碎石、碎砖或矿渣等)按体积比1:2:4或1:3:6配合比,加入适量的水配置而成,7.3基础的埋置深度,基础埋置深度(埋深):是指基础底面到天然地面的垂直距离。 持力层:直接支承基础的土层。 下卧层:持力层下的各土层称为下卧层。选择基础的埋深实际上也就是选择合适的地基持力层。,基础埋置深度确定,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,但是有下基本要求: 1. d大于50cm,不受表土扰动,植物,冻融,冲蚀的影响
10、2 . 基础顶距离表土大于10cm,保护基础 还应考虑下列影响因素: 建筑物的用途以及基础的型式和构造; 作用在地基上的荷载大小和性质 ; 工程地质和水文地质条件; 相邻建筑物的基础埋深 ; 地基土冻胀和融陷的影响 。,地基土层组成类型,好,软,(A),(B),A:考虑荷载情况,按最小埋深要求确定;,B:考虑人工地基,按最小埋深要求确定;,(C),C:地基土分为两层,上硬下软:,硬土层厚度满足要求时,尽量浅埋;,硬土层厚度很薄时( 1/4b), 按B情况考虑;,硬土层厚度较薄时,可提高室外设计地面。,好,软,工程地质和水文地质条件,D: 地基土分为两层,上软下硬:,软土2m,埋于好土上;,软土
11、25m,轻型可浅埋软土上,荷载较大埋于好土层;,软土5m,轻型可浅埋软土上,荷载较大可采用人工地基 浅埋,荷载大应埋于好土层,或选其它基础方案。,(D),(E),地基土层组成类型,E: 地基土由若干软硬交替土层组成,根据减少沉降与工程量原则,按上述方法确定。,好,软,工程地质和水文地质条件,建筑物用途及基础构造,地下室、设施及设备基础,无筋扩展基础构造要求,基础深埋,作用在地基上的荷载大小与性质,水文地质条件,相邻建筑物影响,L(12)H,H,原基础,新基础埋深相邻的,否则:L(12)H,否则:分段施工;加固。,新基础,地基土冻胀和融陷的影响,按冻胀要求确定基础最小埋深,式中,dmin,zd,
12、hmax,zd设计冻深,hmax允许最大残留冻深,Z0 标准冻深(观测平均值),h、z实测冻土厚度与地表冻胀量,冻深影响系数(土类、冻胀性、环境),7.4.1 基本规定 1.地基基础设计等级 建筑地基基础设计规范(GB500072011)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。,7.4 地基计算,2.地基基础设计和计算应满足的三项基本原则(地基的强度和变形、基础) (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
13、计规范(GB500072011)P7页表302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。,3、荷载取值(关于荷载效应最不利组合与相应的抗力限值) (1) 按地基承载力确定基础底面积及埋置深度时,传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载的标准组合。相应的抗
14、力应采用地基承载力特征值 (2) 设计地基变形时,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。相应限值应为地基变形允许值 (3) 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 (4) 在确定基础高度,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地反力,应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合,采用相应的分项系数,7.4.2 承载力计算,偏心荷载作用时:,基础底面的承载力,应符合下列要求:,轴心荷载作用时: pkfa 式中 pk相应于荷载效应标准组合时,基础底面
15、的平均压应力值,kPa; fa修正后的地基承载力特征值。,式中 相应于荷载效应标准组合时,基础底面边缘处的最大、最小的压应力值,kPa。,基础底面压力计算 轴心荷载作用时:,式中 Fk相应于荷载效应标准组合时,上部结构传至基础顶面的竖向力; Gk基础自重和基础上的土重,Gk=GAd; G基础及回填土的平均重度,G=20kN/m3,地下水位以下扣除浮力10kN/m3; A基础底面积。,偏心荷载作用时:,Mk相应于荷载效应标准组合时,作用于基础底面的力矩值; W基础底面的抵抗矩,W=bl2/6。,偏心荷载(eb/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),pk
16、max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。,7.4.3 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。,一、现场载荷试验确定承载力特征值fak,地基承载力计算,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
17、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0.250.5m2,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,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
18、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。,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,b,l,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
19、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。,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载力特征值的修正值f 。,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:,例7-2 某建
20、筑物为承受中心荷载的柱下独立基础,基础底面尺寸为3.0m2.0m,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:,7.4.5 地基变形验算,1、地基特征变形: 沉降量 基础某点的沉降值 沉降差 相邻柱基中点的沉降量之差 倾斜 础倾斜方向两端点的沉降差与其距离之比 局部倾斜 砌体承重结构沿纵向610米基础两点的 沉降差与其距离之比 2、地基特征变形的验算:视具体情况(见规范), 验算地基特征变形 ,使 ss。 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,地基变形验算,7.4.
21、6 软弱下卧层强度验算,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:,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,附加应力Pz的计算:按扩散角原理简化计算。
22、 当持力层与软弱下卧土层的压缩模量比值Es1Es23,假设基底处的附加应力向下传递时按某一角度向外扩散,分布于较大面积上,根据基底与软弱下卧层顶面处扩散面积上的附加应力相等的条件,得,矩形基础: 条形基础:,式中 b条形和矩形基础底面宽度(m); l一一矩形基础底面长度,(m); m 基础埋深范围内土加权平均重度(地下水下取浮重度),(kNm3); d基础埋深(从天然地面算起), (m); z基础底面至软弱下卧层顶面的距离, (m); 地表压力扩散角,见表711(p302); Pk基底平均压力设计值,kPa。,7.5 基础尺寸设计,前两节介绍如何确定基底埋深和地基承载力,本节介绍如何根据承载力
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