基础工程设计原理3浅基础结构设计.pdf
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1、第三章 浅基础结构设计第三章 浅基础结构设计 第一节 概述第一节 概述 第二节 地基基础与上部结构共同作用概念第二节 地基基础与上部结构共同作用概念 第三节 无筋扩展基础第三节 无筋扩展基础 第四节 墙下条形基础第四节 墙下条形基础 第五节 柱下独立基础第五节 柱下独立基础 第六节 柱下条形基础第六节 柱下条形基础 第七节 十字交叉条形基础第七节 十字交叉条形基础 第八节 筏形基础第八节 筏形基础 第九节 箱形基础第九节 箱形基础 第一节概述第一节概述 浅基础除受到来自浅基础除受到来自上部结构的荷载上部结构的荷载作用外,同时还受到作用外,同时还受到 地基反力地基反力的作用,其截面内力(弯矩、剪
2、力、扭矩等) 是这 的作用,其截面内力(弯矩、剪力、扭矩等) 是这两种荷载共同作用两种荷载共同作用的结果。的结果。 设计基础的截面尺寸和截面配筋,以保证基础内产生的 压应力、 拉应力和剪应力都不超过 设计基础的截面尺寸和截面配筋,以保证基础内产生的 压应力、 拉应力和剪应力都不超过材料强度材料强度的设计值; 另外, 还要使设计的基础结构满足 的设计值; 另外, 还要使设计的基础结构满足构造构造要求。 浅基础结构设计具体内容与 要求。 浅基础结构设计具体内容与基础类型基础类型有关。有关。 一、浅基础受力一、浅基础受力 二、浅基础设计内容二、浅基础设计内容 由砖、石、素混凝土等材料建造的由砖、石、
3、素混凝土等材料建造的无筋扩展基础无筋扩展基础, 因其截面抗压强度高而抗拉、抗剪强度低,在进行设计 时采用 , 因其截面抗压强度高而抗拉、抗剪强度低,在进行设计 时采用控制基础宽高比控制基础宽高比的方法使基础主要承受压应力, 并保证基础内产生的拉应力和剪应力都不超过材料强度 的设计值。 由钢筋混凝土材料建造的 的方法使基础主要承受压应力, 并保证基础内产生的拉应力和剪应力都不超过材料强度 的设计值。 由钢筋混凝土材料建造的钢筋混凝土扩展基础钢筋混凝土扩展基础,其 截面的抗拉、抗剪强度较高,基础的形状布置也比较灵 活,截面设计验算的内容主要包括 ,其 截面的抗拉、抗剪强度较高,基础的形状布置也比较
4、灵 活,截面设计验算的内容主要包括基础底面尺寸基础底面尺寸、截面 高度 截面 高度和和截面配筋截面配筋等。钢筋混凝土扩展基础的等。钢筋混凝土扩展基础的基底面积基底面积通 常根据 通 常根据地基承载力和对沉降及不均匀沉降地基承载力和对沉降及不均匀沉降的要求确定,的要求确定, 基础高度基础高度由混凝土的由混凝土的抗剪切和抗冲切条件抗剪切和抗冲切条件确定,而基础 的 确定,而基础 的受力钢筋配筋量受力钢筋配筋量则由基础验算截面的则由基础验算截面的抗弯能力抗弯能力确定。确定。 二、浅基础设计内容(续)二、浅基础设计内容(续) 1、常规设计法(本教材主要介绍)、常规设计法(本教材主要介绍) 将上部结构与
5、地基基础分离开,视上部结构底端为固 定支座或固定铰支座,不考虑荷载作用下各墙柱端部的相 对位移,并按此进行上部结构内力分析,这种分析与设计 方法称为常规设计法。 将上部结构与地基基础分离开,视上部结构底端为固 定支座或固定铰支座,不考虑荷载作用下各墙柱端部的相 对位移,并按此进行上部结构内力分析,这种分析与设计 方法称为常规设计法。 2、共同作用设计方法(今后发展方向)、共同作用设计方法(今后发展方向) 考虑上部结构与地基、基础相互影响并满足变形协调 条件的设计方法称为共同作用设计方法,包括 考虑上部结构与地基、基础相互影响并满足变形协调 条件的设计方法称为共同作用设计方法,包括部分共同作 用
6、分析法和全部共同作用分析法 部分共同作 用分析法和全部共同作用分析法。 三、设计方法三、设计方法 第二节 地基基础与上部结构共同作用概念第二节 地基基础与上部结构共同作用概念 一、不考虑共同作用的分析方法一、不考虑共同作用的分析方法: 该法是假定基础底面反力呈直线分布反力呈直线分布的结构力学方法,分 析时将上部结构、基础与地基按静力平衡条件分割成3个独 立部分进行求解 按静力平衡条件分割成3个独 立部分进行求解。该法只满足静力平衡条件,但忽略了3者 在接触部位的变形协调条件 忽略了3者 在接触部位的变形协调条件,没有考虑支座与基底反力的 重分配和调整。 二、考虑地基与基础共同作用分析方法二、考
7、虑地基与基础共同作用分析方法 该法要求按地基土层情况选用合适地基模型使基础地基 在接触处满足静力平衡和变形协调条件 选用合适地基模型使基础地基 在接触处满足静力平衡和变形协调条件,同时仅按静力 平衡条件将上部结构与基础分割开 仅按静力 平衡条件将上部结构与基础分割开,用结构力学方法计 算柱端作用力。 (1)完全柔性基础 完全柔性基础 )完全柔性基础 完全柔性基础,对地基的变形无约束作用,因此,完全 柔性基础与地基变形一致,基底反力分布与作用在基 础上的荷载分布也完全一致。 (2)绝对刚性基础)绝对刚性基础 为保证变形协调,变形协调,绝对刚性基础绝对刚性基础对荷载的传递和地基的变 形要起调整与约
8、束作用,基底反力的分布只与基础荷载合 力的大小和作用点有关, 而与荷载的分布情况无关。 实际基础为有限刚 性体 有限刚 性体, 反力分布 曲线的性状决定于 基础与地基的相对 刚度 相对 刚度 三、考虑上部结构与基础共同作用分析方法三、考虑上部结构与基础共同作用分析方法 该法仅考虑上部结构与基础的变形协调,不考虑与地基 的共同作用,假设地基是变形体且地基是变形体且基底反力线性分布基底反力线性分布。 (1)上部结构为绝对刚性结构)上部结构为绝对刚性结构 当基础为刚度较小的柱下条形或筏形基础时,上部结 构约束基础不能发生整体弯曲,基础犹如倒置的连续 梁或板,基础柱位处相当于不动铰支座,地基反力为 荷
9、载。此时,基础仅在支座间发生局部弯曲。 (2)上部结构为绝对柔性结构)上部结构为绝对柔性结构 当基础是刚度较小的柱下条形或筏形基础,上部结构对基 础变形没有或仅有很小的约束作用,可以完全随着地基而 变形,上部结构和基础都将发生较大的整体弯曲,同时基 础因受地基反力作用在跨间还产生局部弯曲。 实际工程中结构均为有限 刚度。随着上部结构刚度 的增加,基础挠曲和内力 将减小,同时上部结构因 柱端的位移而产生的附加 应力将更大。 实际工程中结构均为有限 刚度。随着上部结构刚度 的增加,基础挠曲和内力 将减小,同时上部结构因 柱端的位移而产生的附加 应力将更大。 四、考虑上部结构、地基和基础共同作用分析
10、方法:四、考虑上部结构、地基和基础共同作用分析方法: 该法的基本原则是要求将3者作为一个共同工作的整体进 行设计,即要求3者相互之间在连接处不仅要满足静力平 衡条件,而且必须满足变形协调条件。 不仅要满足静力平 衡条件,而且必须满足变形协调条件。三者将按各自的 刚度对变形产生相互制约作用,从而使整个体系的内力 和变形发生变化。 五、当前采用共同作用分析方法时存在的为问题五、当前采用共同作用分析方法时存在的为问题 (1)需建立能正确反映结构刚度影响的分析理论与计算 方法 (2)需建立能合理反映土的变形特性的地基计算模型及 参数。 基底反力基底反力在用于不同的计算目的时其取值不同,在确定在用于不同
11、的计算目的时其取值不同,在确定基 础底面尺寸或计算基础沉降 基 础底面尺寸或计算基础沉降时,应时,应考虑设计地面以下基础 及其上覆土重力的作用 考虑设计地面以下基础 及其上覆土重力的作用,采用,采用基底压力基底压力进行计算;而在进 行 进行计算;而在进 行基础截面设计基础截面设计(基础高度的确定、基础截面配筋)中, 应采用 (基础高度的确定、基础截面配筋)中, 应采用不计基础与上覆土重力作用时的不计基础与上覆土重力作用时的地基净反力地基净反力计算。计算。 基底反力基底反力的分布受多种因素影响,但基础相对刚度是主 要因素, 的分布受多种因素影响,但基础相对刚度是主 要因素,基底反力基底反力分布假
12、设是基础内力计算的前提,应根 据基础形式和地基条件等正确确定。对 分布假设是基础内力计算的前提,应根 据基础形式和地基条件等正确确定。对墙下条形基础和柱 下独立基础 墙下条形基础和柱 下独立基础,基地反力通常采用,基地反力通常采用直线分布直线分布。对。对柱下条形基 础和筏板基础等 柱下条形基 础和筏板基础等,当地基持力层土质均匀,上部结构刚度 较好,各柱距相差不大,柱荷载分布较均匀时,地基反力 可认为 ,当地基持力层土质均匀,上部结构刚度 较好,各柱距相差不大,柱荷载分布较均匀时,地基反力 可认为符合直线分布符合直线分布,基础梁的内力可按简化的直线分布 法计算。当 ,基础梁的内力可按简化的直线
13、分布 法计算。当不满足上述条件不满足上述条件时,宜按时,宜按弹性地基梁板法弹性地基梁板法计算。计算。 六、基底反力的分布形式与计算方法六、基底反力的分布形式与计算方法 第三节 无筋扩展基础第三节 无筋扩展基础 一、无筋扩展基础结构设计原则一、无筋扩展基础结构设计原则 2 h ?必须使基础主要必须使基础主要承受压应力承受压应力,并保证基础内产生的拉应力 和剪应力都 ,并保证基础内产生的拉应力 和剪应力都不超过不超过材料强度的材料强度的设计值设计值。 ?上述原则主要通过主要通过对上述原则主要通过主要通过对基础的外伸宽度与基础高度 的比值 基础的外伸宽度与基础高度 的比值进行验算来实现。同时,其基础
14、宽度还应满足进行验算来实现。同时,其基础宽度还应满足地基承 载力 地基承 载力的要求的要求 二、无筋扩展基础的构造要求二、无筋扩展基础的构造要求 设计无筋扩展基础时应按其材料特点材料特点满足相应的构造要求。 1. 砖基础砖基础 砖基础采用的砖强度等级应不低于MU10,砂浆不低于 M5,在地下水位以下或地基土潮湿时应采用水泥砂浆砌筑。 基础底面以下一般先做100mm厚的混凝土垫层,垫层伸出基 础底面50mm,混凝土强度等级为C10。垫层的宽度和高度不 计入基础的宽度和埋深中 垫层的宽度和高度不 计入基础的宽度和埋深中。 砖基础顶层及底层一 般应为两皮砖(高度 为 砖基础顶层及底层一 般应为两皮砖
15、(高度 为120),每层收 进1/4砖长( 60) ),每层收 进1/4砖长( 60) 2. 混凝土和毛石混凝土基础混凝土和毛石混凝土基础 混凝土基础一般用C15以上的素混凝土做成。基础断面多为台 阶形(每层台阶高度不宜大于500 mm, 一般不超过三层台阶) 或锥形。基础总高度H350mm时做一层台阶, 350mm 900mm时做三层台阶。 3. 毛石混凝土基础毛石混凝土基础 毛石混凝土基础是在混凝土基础中埋入2530(体积比) 的毛石形成,且用于砌筑的石块直径不宜大于30 cm和基础宽 度的1/4。基础剖面多为台阶形, 每阶高度一般为500 4. 毛石浆砌基础毛石浆砌基础 毛石基础采用未加
16、工或仅稍作修整的未风化的硬质岩 石,高度一般不小于20cm。当毛石形状不规则时,其高度应 不小于15cm。砌筑时, 在地下水位以上用混合砂浆, 水位以 下用水泥砂浆。毛石基础剖面一般为台阶形, 每阶高度 400mm, 每步伸出宽度200mm。 5. 三合土、灰土基础三合土、灰土基础 三合土基础由石灰、砂和集料(矿渣、碎砖或碎石)加 适量的水充分搅拌均匀后,铺在基槽内分层夯实而成。三合 土的配合比(体积比)为124或136,在基槽内每层 虚铺22cm,夯实至15cm。 灰土基础由由熟化后的石灰和黏土按比例拌和并夯实而 成。常用的配合比( 体积比) 有3:7和2:8,铺在基槽内分层 夯实,每层虚铺
17、2225cm,夯实至15cm。其最小干密度要求 为:粉土 15.5 kN/m3,粉质粘土 15.0 kN/m3,粘土 14.5 kN/m3 三、无筋扩展基础的设计计算步骤三、无筋扩展基础的设计计算步骤 1. 初步选定基础高度初步选定基础高度H ; 2 h 根据构造要求构造要求初步选定基础高度H:混凝土基础的高度不 宜小于200mm,一般为300mm。三合土基础和灰土基础,基 础高度应为150mm的倍数。砖基础的高度应符合砖的模数, 一般为60mm的倍数。 2. 根据地基承载力条件确定基础所需根据地基承载力条件确定基础所需最小宽度最小宽度bmin; G F b fd G F A fd 或或 3.
18、 根据基础台阶宽高比的允许值确定基础的根据基础台阶宽高比的允许值确定基础的上限宽度上限宽度bmax; tg2 0max Hbb+= (a) 0 (b) 0 1 2 2 1 (a) 墙下无筋扩展基础 (b) 柱下无筋扩展基础 = H b g 2 t基础台阶宽高比的允许值可按表3-1选用 4. 在最小宽度在最小宽度bmin与上限宽度与上限宽度bmax之间选定一个合适的值为 设计基础宽度。如出现情况 之间选定一个合适的值为 设计基础宽度。如出现情况 bmin bmax, 则应调整基础高度重 新验算,直至满足要求为止。 则应调整基础高度重 新验算,直至满足要求为止。 5. 当无筋扩展基础由不同材料叠合
19、而成时,若下部材料强度 小于上部材料,应对 当无筋扩展基础由不同材料叠合而成时,若下部材料强度 小于上部材料,应对接触部分作接触部分作抗压抗压验算验算。 6. 对混凝土基础,当基础底面平均压力超过对混凝土基础,当基础底面平均压力超过300kPa时,尚应 对台阶高度变化处的 时,尚应 对台阶高度变化处的断面进行抗剪验算断面进行抗剪验算,验算公式如下:,验算公式如下: 0t 7 . 0bhfV 式中式中 V剪力设计值剪力设计值(N); ft混凝土轴心抗拉强度设计值混凝土轴心抗拉强度设计值(MPa); b、h0台阶高度变化处的剪切面宽度与有效高度台阶高度变化处的剪切面宽度与有效高度(mm) 。 【解
20、】【解】(1) 地基承载力特征值的深宽修正地基承载力特征值的深宽修正 先按基础宽度b小于3m考虑,不作宽度修正。由于持力层土的 孔隙比及液性指数均小于0.85,查表2-9,得d=1.6 【例题例题3-1】某承重砖墙宽度240mm,混凝土基础的埋深为 1.5m,上部结构传来的轴向压力Fk200kN/m。持力层为粉质 粘土,其天然重度 =17.5kN/m3,孔隙比e=0.843,液性指数 IL=0.76,地基承载力特征值fak150 kPa,地下水位在基础底面 以下。试设计此基础。 kPa 178.0= = dff daka )5 . 05 . 1 (5 .176 . 1150)5 . 0( 0
21、+= m 35. 1= )5 . 120178( 200 = a min = df F b G k (2) 按承载力要求初步确定基础最小宽度按承载力要求初步确定基础最小宽度 故初步选定基础宽度为1.40 m。 (3) 基础剖面布置基础剖面布置 采用砖和素混凝土混合基础,初步选定混凝土基础高度 H=0.3m。大放脚采用标准砖砌筑,共砌5阶,每阶宽度b1= 60 mm, h1= 120mm,大放脚的底面宽度: b0= 240+2560 = 840 mm 60 60 840 1400 120300 防潮层 1500 实际宽高比为(bmin-b0)/2H=(1400800)/2/300=0.9333
22、(4) 按台阶的宽高比要求验算基础的宽度按台阶的宽高比要求验算基础的宽度 基础采用C10素混凝土砌筑,而基底的平均压力为 kPa 8 .172= 0 . 14 . 1 5 . 14 . 120200 = k + = A GF p kk 933. 00 . 1tan 2 =Hb mbm Htgbbmax35. 144. 10 . 13 . 0284. 02 min0 =+=+= 查表3-1,得基础台阶的允许宽高比 或或 取基础宽度为1.4m满足设计要求。 本例中易出现的错误:本例中易出现的错误:1地基承载力确定错误;2未按基 底压力计算值确定允许宽高比;3基础宽度取了比计算值 1地基承载力确定错
23、误;2未按基 底压力计算值确定允许宽高比;3基础宽度取了比计算值b bmax max 大的值。大的值。 取基础宽度为1.4m满足设计要求。 冲切 弯曲 2 1 2 1 纯剪 斜压 第四节墙下条形基础第四节墙下条形基础 一、扩展基础的几种可能破坏模式一、扩展基础的几种可能破坏模式 墙下钢筋混凝土条形基础的内力计算一般可按平面应变平面应变问题 处理。在长度方向可取单位长度单位长度计算。 截面设计验算的内容截面设计验算的内容主要包括基础底面宽度基础底面宽度b和基础的高度h基础的高度h 及基础底板配筋基础底板配筋等 。 基底宽度基底宽度应根据地基承载力地基承载力要求确定; 基础高度基础高度由混凝土的抗
24、剪切条件抗剪切条件确定; 基础底板的受力钢筋配筋受力钢筋配筋则由基础验算截面的抗弯能力抗弯能力确定。 二、设计原则 三、设计步骤 二、设计原则 三、设计步骤 1. 计算地基净反力计算地基净反力 地基净反力 :仅由基础顶面的荷载设计值所产生的地基反力 条形基础底面地基净反力pj为: 2 min max 6 b M b N p j = 2. 基础验算截面选取及其剪力计算基础验算截面选取及其剪力计算 取验算截面为台阶处截面I,设bI为验算截面I距基础边缘 的距离。当墙体材料为混凝土时,验算截面I在墙脚处,bI 等于基础边缘至墙脚的距离a; 当墙体材料为砖墙且墙脚 伸出不大于1/4砖长时, 验算截面I
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