基础工程课程设计任务书和指导书.docx
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基础工程课程设计任务书和指导书
柱下独立基础课程设计任务书
一、设计资料
1、地形
拟建建筑场地平整
2、工程地质条件
自上而下土层的详细情况如下：
①号土层：
杂填土，层厚约0.5m，含部分建筑垃圾；
②号土层：
粉质粘土，层厚1.2m，软塑，潮湿，承载力特征值fak=130kPa；
③号土层：
粘土，层厚1.5m，可塑、稍湿，承载力特征值fak=180kPa；
④号土层：
细砂，层厚2.7m，中密，承载力特征值fak=240kPa；
⑤号土层：
强风化砂质泥岩，厚度未揭露，承载力特征值fak=300kPa；
3、岩土设计技术参数
地基岩土物理力学参数如表1.1所示：
表1.1地基岩土物理力学参数
土层编号
土的名称
重度γ（kN/m3）
孔隙比e
液性指数IL
粘聚力c（kPa）
内摩擦角φ（°）
压缩模量Es（MPa）
标准贯入锤击数N
承载力特征值fak（kPa）
①
杂填土
18
②
粉质粘土
20
0.65
0.84
34
13
7.5
6
130
③
粘土
19.4
0.58
0.78
35
23
8.2
11
180
④
细砂
21
0.62
30
11.6
16
240
⑤
强风化砂质泥岩
22
18
22
300
4、水文地质条件
（1）拟建场地地下水对混凝土结构无腐蚀性；
（2）地下水位深度：
位于地表下1.5m；
5、上部结构资料
拟建建筑物为多层全现浇框架结构，框架柱截面尺寸为500mm×500mm，室外地坪标高同自然地面，室内外高差为450mm，柱网布置如图1.1所示。
1.6上部结构作用
上部结构作用在柱底的荷载效应标准组合值如表1.2所示。
图1.1柱网平面图
表1.2柱底荷载效应标准组合值
题号
FK（kN）
MK（kN.m）
VK（kN）
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
1
975
1548
1187
140
100
198
46
48
44
2
950
1432
1082
120
94
178
41
43
47
3
987
1620
1211
152
112
201
53
57
43
4
1005
1613
1198
135
121
186
44
47
52
5
1032
1615
1252
164
125
221
55
60
52
6
1056
1627
1275
177
130
234
51
67
58
7
1090
1730
1312
190
150
242
62
66
57
8
1150
1815
1370
210
175
271
71
73
67
9
1179
1825
1376
231
181
288
76
79
71
10
1218
1873
1433
235
193
297
80
83
74
11
1233
1795
1526
266
176
213
110
92
84
12
1256
1765
1564
172
169
197
123
130
112
13
1282
1883
1496
257
218
325
86
90
83
14
1339
1970
1560
284
242
355
96
95
89
15
1350
1900
1640
185
192
203
126
135
114
16
1402
2057
1618
231
266
377
102
104
98
17
1433
1861
1604
219
235
326
110
112
97
18
1487
1897
1625
224
231
307
106
108
110
19
1534
2140
1677
335
288
42
109
113
106
20
1543
2201
1730
216
235
58
117
98
112
21
1580
2630
1910
198
205
241
150
140
138
22
1598
2205
1727
365
309
428
120
117
114
23
1620
2314
1867
275
243
67
126
132
125
24
1634
2131
1768
223
189
81
135
154
121
25
1650
2050
1810
191
197
208
132
141
120
26
1667
2448
1945
334
284
423
112
117
108
27
1741
2562
2028
369
315
462
125
124
116
1.7材料
混凝土强度等级为C25~C30，钢筋采用HPB235、HRB335级。
二、设计分组
根据以上所给设计资料及学生人数，将学生划分为9组。
分组示意如下：
第1组，9人（题号1~9），基础持力层选③号土层，设计A轴柱下独立基础。
第2组，9人（题号10~18），基础持力层选③号土层，设计B轴柱下独立基础。
第3组，9人（题号19~27），基础持力层选③号土层，设计C轴柱下独立基础。
第4组，9人（题号1~9），基础持力层选④号土层，设计A轴柱下独立基础。
第5组，9人（题号10~18），基础持力层选④号土层，设计B轴柱下独立基础。
第6组，9人（题号19~27），基础持力层选④号土层，设计C轴柱下独立基础。
三、设计要求
每人根据所在组号和题号，完成指定轴线的柱下独立基础设计。
对于另外两根轴线的基础，只要求根据所给的荷载确定基础底面尺寸，以便画出基础平面图。
要求分析过程详细计算步骤完整，设计说明书面报告的编写应具有条理性，图纸整洁清晰。
四、设计内容
（1）设计柱下独立基础，包括确定基础埋置深度、基础底面尺寸、对基础进行结构内力分析、强度计算，确定基础高度，进行配筋计算并满足构造设计要求，地基沉降计算，编写设计计算书。
（2）绘制基础施工图，包括基础平面布置图、独立基础大样图，并提交必要的技术说明。
五、设计成果
1、设计计算书
设计计算书包括以下内容：
（1）确定地基持力层和基础埋置深度。
（2）确定基础底面尺寸，验算地基承载力。
（3）对基础进行抗冲承载力验算，确定基础高度。
（4）对基础进行正截面受弯承载力验算，确定基础底板配筋。
（5）地基沉降计算。
2、设计图纸
设计图纸包括以下内容：
基础平面布置图；独立基础大样图；设计说明。
注：
计算书与图纸均手写、手绘。
《柱下独立基础》课程设计指导书
1、课程设计的目的、内容
《基础工程》课程设计是《土力学》、《基础工程》课程学习后的实践性教学环节，是教学计划中的一个有机组成部分，是培养学生综合运用所学各门课程的基本理论、基本知识和基本技能，以及分析解决实际工程问题能力的重要步骤。
同时也是学生巩固并灵活运用所学专业知识的一种比较好的手段，可以锻炼学生理论联系实际的能力，是提高学生进行实际工程设计能力的必经之路。
2、课程设计的任务及要求
1、任务
柱下独立基础课程设计的任务包括：
（1）确定基础埋置深度；
（2）确定基础底面尺寸；（3）对基础进行结构内力分析、强度计算；（4）确定基础高度；（5）确定配筋计算并满足构造设计要求；（6）编写设计计算书；（7）绘制基础平面图及施工图并给出必要的技术说明。
2、要求
柱下独立基础设计的要求：
掌握基础埋置深度的确定原则、基础底面尺寸的确定方法、内力计算方法、配筋计算方法及绘制基础平面图、施工图的技巧。
地基基础设计是土木工程结构设计的重要组成部分、必须根据上部结构条件（建筑物的用途和安全等级、建筑布置以及上部结构类型等）和工程地质条件（建筑场地、地基岩土和气候条件等），结合考虑其他方面的要求（工期、施工条件、造价和节约资源等），合理选择地基基础方案，因地制宜，精心设计，以确保建筑物和构筑物的安全和正常使用。
3、独立基础的设计内容与步骤
1、初步设计基础的结构型式、材料与平面布置；
2、确定基础的埋置深度d；
3、计算地基承载力特征值fak，并经深度和宽度修正，确定修正后的地基承载力特征值fa；
4、根据上部结构作用在基础顶面的荷载及经过深度和宽度修正后的地基承载力特征值，计算出基础的底面积；
5、计算基础高度并确定剖面形状；
6、若地基持力层下部存在软弱土层时，则需验算软弱下卧层的承载力；
7、地基基础设计等级为甲、乙级建筑物和部分丙级建筑物应计算地基的变形；
8、验算建筑物或构筑物的稳定性（如有必要）；
9、基础西部机构的构造设计；
10、绘制基础施工图；
如果上述步骤1~7中有不满足要求的情况时，可对基础设计进行调整，例如采取加大基础埋深d或加大基础宽度b等措施，直到全部满足为止。
4、地基基础的设计基本规定
1、地基基础设计等级
根据地基基础复杂程度、建筑规模和功能特征，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，可将地基基础设计分为三个设计等级，设计时应根据具体情况按表1.1选用。
表1.1地基岩土物理力学参数
设计等级
建筑和地基类型
甲级
（1）重要的工业与民用建筑物；
（2）30层以上的高层建筑体型复杂、层数相差超过10层的高低层一体建筑物；
（3）大面积的多层地下建筑物（如地下车库、商场、运动场）；
（4）对地基变形有特殊要求的建筑物；
（5）复杂地质条件下的坡上建筑物（包括高边坡）；
（6）对原有工程影响较大的新建建筑物；
（7）场地和地基条件复杂的一般建筑物；
（8）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
除开甲级、丙级以外的工业与民用建筑；
丙级
（1）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；
（2）次要的轻型建筑物；
2、地基计算的规定
根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应符合下列规定。
（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）表1.2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算：
1）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底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；
3）软弱地基上的建筑物存在偏心荷载；
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；
（4）对经常受水平荷载作用的高层建筑、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）基坑工程营进行稳定性验算；
（6）当地下水埋深较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，应进行抗浮验算；
3、荷载效应最不利组合与相应的抗力限值
地基基础设计时，荷载效应最不利组合与相应的抗力限值按以下规定采用：
（1）按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传于基础或承台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或单桩承载力特征值。
（2）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。
（3）计算挡土墙土压力、地基或胁迫稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其荷载分项系数为1.0。
（4）在确定基础或桩台高度、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返利，应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的荷载分项系数。
当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。
（5）结构重要性系数γ0取值不应小于1.0。
表1.2可不作地基变形计算的设计等级为丙级建筑物范围
地基主要受力层情况
地基承载力特征值fak（kPa）
60~
80
80~
100
100~
130
130~
160
160~
200
200~
300
各土层坡度（%）
≤5
≤5
≤10
≤10
≤10
≤10
建筑类型
砌体承重结构、框架结构（层数）
≤5
≤5
≤5
≤6
≤6
≤7
单层排架结构（6m柱距）
单跨
吊车额定起重量（t）
5~10
10~15
15~20
20~30
30~50
50~
100
厂房跨度（m）
≤12
≤18
≤24
≤30
≤30
≤30
多跨
吊车额定起重量（t）
3~5
5~10
10~15
15~20
20~30
30~75
厂房跨度（m）
≤12
≤18
≤24
≤30
≤30
≤30
烟囱
高度（m）
≤30
≤40
≤50
≤75
≤100
水塔
高度（m）
≤15
≤20
≤30
≤30
≤30
容积（m3）
≤50
50~
100
100~
200
200~
300
300~
500
500~
1000
注：
（1）地基主要受力层系指条形基础底面下深度为3b（b为基础底面宽度），独立基础下为1.5b，且厚度均小于5m的范围（二层以下一般的民用建筑除外）；
（2）地基主要受力层中如有承载力特征值小于130kPa的土层时，表中砌体承重结构的设计，应符合地基规范第七章的有关要求；
（3）表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑，对于工业建筑可按厂房高度、荷载情况折合成与其相当的民用建筑层数；
（4）表中吊车额定起重量、烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值。
5、地基承载力特征值的确定
确定地基承载力特征值的方法主要有以下几种：
（1）按载荷试验确定。
（2）根据地基土的抗剪强度指标，按理论公式确定。
（3）应用地区建筑经验，采用工程地质类比法确定。
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、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式进行修正：
式中fa——修正后的地基承载力特征值，kPa；
fak——地基承载力特征值，kPa；
ŋb、ŋd——基础宽度、埋置深度的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表1.3取用；
γ——基底以下土的重度，地下水位以下取浮重度γ´，kN/m3；
b——基础底面宽度，m，当宽度小于3m时取3，当宽大大于6m时取6；
d——基础埋置深度，m，当埋置深度小于0.5m时按0.5m取值。
基础埋置深度一般自室外底面标高算起，在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然底面标高算起；对于地下室，当采用箱型基础或筏形基础时，基础埋置深度子室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础是，应从室内底面标高算起。
表1.3承载力修正系数
土的类别
ŋb
ŋd
淤泥和淤泥质土
0
1.0
人工填土；e或IL≥0.85的粘性土
0
1.0
红粘土
含水比αw>0.8
0
1.2
含水比αw≤0.8
0.15
1.4
大面积压实填土
压实系数>0.95、粘粒含量ρc≥10%的粉土
0
1.5
最大干密度大于2.1t/m3
0
2.0
粉土
粘粒含量ρc≥10%的粉土
0.3
1.5
粘粒含量ρc<10%的粉土
0.5
2.0
e及IL<0.85的粘性土
0.3
1.6
粉砂、细砂（不包括很湿与饱和时的稍密态）
2.0
3.0
中砂、粗砂、砾砂和碎石土
3.0
4.4
注：
1、强风化和全风化的岩石，可参照风化成的相应土类取值，其他状态下的岩石不修正。
2、地基承载力特征值按《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）附录深层平板载荷试验确定时ŋd取0。
6、柱下独立基础设计
1、基础底面尺寸的确定
确定基础底面尺寸时，首先，应满足地基承载力要求，包括持力层土的承载力计算和软弱下卧层的验算；其次，对部分建（构）筑物仍需要考虑地基变形的影响，验算建（构）筑物的变形特征值，并对基础底面尺寸作必要的调整。
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）根据“所有建筑物的地基计算均应满足承载力”的基本原则，按持力层的承载力特征值计算所需的基础底面尺寸，要求符合下式要求：
式中Pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值，kPa；
Pkmax——相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值，kPa；
fa——修正后的地基承载力特征值，kPa。
（1）轴心荷载作用下的基础：
由
得：
式中Pk——荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面处的竖向力值，kPa；
γG——基础及回填土的平均重度，一般去20kN/m3，地下水位以下取10kN/m3；
d——基础平均埋置深度，m；
A——基地面积，m2；
按上式计算出A后，先选定b或l，再计算另一边长，使A=bl，一般去l/b=1.0~2.0。
必须指出，在按上式计算A时，需要先确定修正后的地基承载力特征值fa，但fa值又与基础底面尺寸A有关，也就是上式中A与fa都是未知数，因此，可能需要通过反复试算进行确定。
在计算时，可先对地基承载力只进行深度修正，计算fa值，然后计算所得的A=bl，考虑是否需要进行宽度修正，使得A、fa之间相互协调一致。
（2）偏心荷载作用下的基础
偏心荷载作用下的基底压力计算公式为：
其中，
，当偏心距
时，基础边缘的最大压力按下式计算：
，其中，
式中，Mk——相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面处的力矩值，k.Nm；
W——基础底面的抵抗矩，m3；
ek——偏心距，m；
l——力矩作用方向的矩形基础底面边长，m；
b——垂直于力矩作用方向的矩形基础底面边长，m；
a——偏心荷载作用点至最大压力作用边缘的距离，m；
偏心荷载作用下，按下列步骤确定基础底面尺寸：
1）先不考虑偏心，按轴心荷载条件初步估算所需的基础底面积。
2）根据偏心距的大小，将基础底面积增大10%~40%，并以适当比例选定基础的长度和宽度，即取基础宽度b为：
，其中，n=l/b；
式中，n——基础的长宽比，对矩形截面，一般取1.2~2.0。
3）由调整后的基础底面尺寸计算基底最大压力Pkmax和最小压力Pkmin，并使其满足Pk≤fa和Pkmax≤1.2fa的要求。
如果不满足或者压力过小，地基承载力未能充分发挥，则应调整基础尺寸，直至最后确定合适的基础底面尺寸。
通常，基底的最小压力不宜出现负值，即要求偏心距ek≤l/b，但对于低压缩性土及短暂作用的荷载，可适当放宽至ek≤l/4。
2、软弱下卧层的验算
当地基压缩层范围内存在有软弱下卧层时，应按照下式验算软弱下卧层的承载力：
式中，Pz——软弱下卧层顶面处的附加应力设计值，kPa；
Pcz——软弱下卧层顶面处土的自重压力标准值，kPa；
fak——软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力设计值，kPa；
当上层土与下卧土层的压缩模量比值大于等于3时，对条形基础和矩形基础，上式中的Pz值可按下式进行简化计算：
式中，b——矩形基础和条形基础底边的宽度，m；
l——矩形基础底边的长度，m；
γm——基础埋置深度范围内土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3；
z——基础底面值软弱下卧层顶面的距离，m；
θ——地基压力扩散角，可按表1.4采用。
表1.4地基压力扩散角θ
Es1/Es2
z/b
0.25
0.50
3
5
10
6°
10°
20°
23°
25°
30°
注：
1、Es1为上层土压缩模量，Es2为下层土压缩模量；
2、z/b<0.25时取θ=0°，必要时，宜由实验确定，z/b>0.50时取θ值不变。
选择基础底面尺寸后，必要时还要对地基的变形或稳定性进行验算。
3、地基变形验算
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）按不同建筑物的地基变形特征，要求建筑物的地基变形计算值不应大于地基变形允许值，即s≤[s]
式中，s——地基变形计算值，为地基广义变形值，可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜等；
[s]——地基变形允许值，它是根据建筑物的结构特点、使用条件和地基土的类别而确定的，其值参见《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中的表5.4.3。
对于因建筑地基不均匀、荷载差异大及体形复杂等因素引起的地基变形，在砌体承重结构中应由局部倾斜控制；在框架结构和单层排架结构中应由相邻柱基的沉降差控制；在多层、高层建筑和高耸结构中应由倾斜值控制。
一般建筑物在施工期间完成的沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已基本完成，对于低压缩性粘土可认为已完成最终沉降量的50%~80%，对于中压缩性粘性土可认为已完成20%~50%，对于高压缩性粘性土可认为已完成5%~20%。
根据预估的沉降量，可预留建筑物有关部分之间的净空，考虑连接方法和施工顺序等。
4、基础底板厚度的确定
基础底板厚度由柱边抗冲切破坏的要求确定。
设计时先假定一个基础底板厚度h，然后再验算抗冲切能力。
对于矩形基础，柱短边一侧冲切破坏较柱长边一侧危险，所以一般只需根据短边一侧冲切破坏条件来确定底板厚度，即要求对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处以及基础变阶处的受冲切承载能力。
（1）中心荷载作用下
在中心荷载F作用下，按以下公式验算：
其中，
，
，
，
式中βkp——受冲切承载力界面高度影响系数，当h≤800mm时，βkp取1.0，当h≥2000mm时，βkp取0.9，其间按线性内插值取用；
ft——混凝土轴心抗拉强度设计值，N/mm2；
h0——基础冲切破坏锥体的有效高度，m；
am——冲切破坏锥体最不利一侧计算长度，m；
at——冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，m，当计算柱与基础交接处的受冲切承载力时取柱宽，当计算基础变阶处的受冲切承载力时取上阶宽；
ab——冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长，m（当冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内：
计算柱与基础交接处的受冲切承载力时，取柱宽加两倍基础有效高度，当冲切破坏锥体的底面在l方向落在基础底面以外，即a+2h0≥b：
ab=b）；
Pn——扣除基础自重及其上土重后相应荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力，N/mm2；
Al——冲切验算时取用的部分基底面积，m2；
Fl——相应于荷载效应基本组合时作用在Al上的地基土净反力设计值，kN；
F——相应于荷载效应基本组合时，上部结构传至基础顶面处的竖向荷载，kN；
（2）偏心荷载作用下
偏心
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