第七章 天然地基上浅基础的设计.docx
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第七章天然地基上浅基础的设计
第七章天然地基上浅基础的设计
第七章天然地基上浅基础的设计
第七章天然地基上浅基础的设计
课堂教学
实践教学
课时
8
内容提要
1．地基基础设计的基本规定；
2．地基承载力的确定；
3．无筋扩展基础的设计；
4.钢筋混凝土扩展基础的设计。
能力培养要求
1．了解地基基础设计的基本规定；
2．能够正确选择持力层，确定地基承载力；
3．根据持力层承载力进行基础底面尺寸的计算；
4．掌握无筋扩展基础的设计；
5．了解钢筋混凝土扩展基础的设计。
教学形式
教师主讲、课堂讨论、学生讲评、提问答疑、工程案例分析等
复习旧课
土力学知识架构及反馈信息
时间
10min
第一次课
第一节地基基础设计的基本规定
第二节基础埋置深度的选择
教学目标
1．了解地基基础设计等级；
2．了解地基基础设计的一般要求；
3．熟悉荷载取值和抗力限值。
教学内容设计及安排
第一节地基基础设计的基本规定
【基本内容】
浅基础的定义
通常将基础的埋置深度小于基础最小宽度，且只需经过挖槽、排水等普通施工程序就可建造。
【注意】
在进行地基基础设计时，由于各种建筑物有不同的结构类型和不同的使用要求，同时建筑物地基的土质条件和建筑物对不均匀沉降的敏感性也不同，因此针对具体问题需要采取不同的解决方法。
一、地基基础设计等级
三级：
甲乙丙
【讨论】：
划分有无严格的规定？
二、浅基础设计时应考虑的主要因素
（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。
三、地基基础设计的一般要求
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．甲级、乙级建筑物，均应按变形设计；
3．某些丙级建筑物可不做变形验算，见表7-2；
4．高层建筑、高耸建筑、挡土墙，应验算稳定性；
5．基坑工程的稳定性验算。
6．地下室或地下构筑物的抗浮验算。
【讨论】：
何谓地基主要持力层？
指条形基础底面下深度为3b（底面宽度），独立基础底面下深度为1.5b，且厚度均不小于5m的深度范围。
四、荷载取值和抗力限值
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．甲级、乙级建筑物，均应按变形设计；
3．某些丙级建筑物可不做变形验算，见表7-2；
4．高层建筑、高耸建筑、挡土墙，应验算稳定性；
5．基坑工程的稳定性验算。
第二节基础埋置深度的选择
确定基础的埋置深度时，必须综合考虑以下各种因素的作用。
一、地基的地质条件
覆盖土层较薄（包括风化岩层）的岩石地基，一般应清除覆盖土和风化层后，将基础直接修建在新鲜岩面上；如岩石的风化层很厚，难以全部清除时，基础放在风化层中的埋置深度应根据其风化程度及相应的容许承载力来确定。
如岩层表面倾斜时，不得将基础的一部分置于岩层上，而另一部分则置于土层上，以防基础因不均匀沉降而发生倾斜甚至断裂。
当基础埋置在非岩石地基上，如受压层范围内为均质土，基础埋置深度除满足、冻胀等要求外，可根据荷载大小，由地基土的承载能力和沉降特性来确定（同时考虑基础需要的最小埋深）。
二、荷载的大小和性质
荷载大，埋深相应增加。
承受水平荷载、上拔力的建筑基础，应有较大埋深。
三、当地的冻结深度
在寒冷地区，应该考虑由于季节性的冰冻和融化对地基土引起的冻胀影响。
对于冻胀性土，如土温在较长时间内保持在冻结温度以下，水分能从未冻结土层不断地向冻结区迁移，引起地基的冻胀和隆起，这些都可能使基础遭受损坏。
为了保证建筑物不受地基土季节性冻胀的影响，除地基为非冻胀性土外，基础底面应埋置在天然最大冻结线以下一定深度。
四、上部结构型式及基础构造
上部结构的型式不同，对基础产生的位移要求也不同。
对中、小跨度简支梁桥来说，这项因素对确定基础的埋置深度影响不大。
但对超静定结构即使基础发生较小的不均匀沉降也会使内力产生一定变化。
例如对拱桥桥台，为了减少可能产生的水平位移和沉降差值，有时需将基础设置在埋藏较深的坚实土层上。
五、相邻建筑物的影响
新建筑物尽量浅于原建筑物的埋深。
【讨论】：
从下列确定基础埋置深度所必须考虑的条件中，指出错误的论述，为什么？
A在任何条件下，基础埋置深度都不应小于0.5m；
B基础的埋置深度必须大于当地地基土的设计冻深；
C岩石地基上的高层建筑的基础埋置深度必须满足大于1/15建筑物高度以满足抗滑稳定性的要求；
D确定基础的埋置深度时应考虑作用在地基上的荷载大小和性质。
教学辅助资料
多媒体课件
【提问答疑】
【本节小结】
【复习思考】
1．浅基础与深基础定义与两者区别？
2．浅基础设计原则？
3．浅基础类型。
【课后作业】
课后反馈意见
复习旧课
浅基础与深基础定义、浅基础设计原则。
第二次课
第三节地基承载力的确定
教学目标
1．了解载荷试验、静力触探试验和标贯试验原理；
2．掌握按上述原位试验确定地基承载力；
3．能够按地基规范确定地基承载力。
4．能够按地基规范确定地基承载力。
教学内容设计及安排
第三节地基承载力确定
一、按原位测试成果确定地基承载力
【基本内容】
按载荷试验和静力触探试验确定地基承载力的优点——避免了钻探取样以及由此引起的对土样扰动的影响。
（一）载荷试验法
现场载荷试验——在建造建筑物的场地上先挖一试坑，再在试坑的底板放一荷载板，并在其上安装加荷及量测设备等。
然后逐级加荷并测读相应的沉降量，绘出P～S曲线。
最后从P～S曲线中得到极限荷载Pu。
根据《建筑地基基础设计规范》的规定，通过荷载试验得出P～S曲线后，可按下述方法确定地基承载力基本值：
①当P～S曲线有明确的比例界限时，取该比例极限所对应的荷载值P0作为地基承载力特征值fak；
②当极限荷载能Pu小于对应比例界限荷载P0值的2倍时，取极限荷载值Pu的一半作为地基承载力fak；
③不能按上述两点确定时，可按限制沉降量取值。
当承压板面积为0.25～0.50m2，可采用[S]＝0.01b～0.015b所对应的荷载值作为地基承载力特征值fak，但其值不应大于最大加载量的一半。
规范规定，同一土层参加统计的试验点不应少于三点，基本值的极差（最大值与最小值之间的差值）不得超过平均值的30％，当符合以上规定时取其平均值作为该土层地基承载力特征值fak。
（二）静力触探试验法
——就是用静压力将装有探头的触探器压入土中，通过压力传感器及电阻应变仪测出
土层对探头的贯入阻力。
探头贯入阻力的大小直接反映了土的强度的大小，因而通常把贯入阻力与荷载试验所得到的地基容许承载力建立相应的关系，从而即可按照实测的贯入阻力确定地基的容许承载力值。
（三）标准贯入试验法
标准贯入试验的主要设备为标准贯入器。
它是由外径为51mm、内径为35mm的对口取土管组成的。
试验时，先行钻孔，再把上端接有钻杆的标准贯入器放至孔底，然后用质量为63.5kg的锤，以76cm的高度自由下落将贯入器先击入土中15cm，然后测记续打30cm的锤击数N、，该击数N、称为标准贯入击数。
二、按地基规范确定地基承载力
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；
ηb、ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查表；
γ——基础底面以下土的重度，kN/m3，地下水位以下取有效重度；
b——基础底面宽度，m，当宽度小于3m按3m计，大于6m按6m计；
γ0——基础底面以上土的加权平均重度，kN/m3，地下水位以下取有效重度；
d——基础埋置深度，m。
【讨论】基础埋置深度d一般自室外地面标高算起。
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，应从天然地面标高算起。
对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地下室地面标高算起。
三、按地基土体强度指标计算
（一）计算指标的确定
根据土的抗剪强度指标计算地基承载力特征值采用的是抗剪强度指标的标准值。
采用的内摩擦角标准值ϕk、粘聚力标准值ck，可按下列规定计算：
1、根据室内n组三轴压缩试验的结果，按下式公式计算某一土性指标的变异系数、试验平均值和标准值：
式中δ——变异系数
μ——试验平均值
σ——标准差
2、按下列公式计算内摩擦角和粘聚力的统计修正系数ϕ、c：
ϕ＝
c＝
式中ϕ——内摩擦角的统计修正系数；
c——粘聚力的统计修正系数；
δϕ——内摩擦角的变异系数；
δc——粘聚力的变异系数。
（3）内摩擦角标准值
ϕk＝ϕϕm
式中ϕm——内摩擦角的试验平均值。
粘聚力标准值
ck＝ccm
（二）计算公式及应用条件
当荷载偏心距e小于或等于0.033倍基础底面宽度（即e≤0.033b，b是弯距作用平面内的基础底面尺寸）时，根据由试验和统计得到的土的抗剪强度指标标准值，可按下列计算地基承载力特征值
式中fa——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，kPa；
Mb、Md、Mc、——承载力系数，按表7－9确定；
b——基础底面宽度，m，b>6m时按6m计，对于砂土b<3m按3m计；
关于上述公式的几点说明：
1、该公式仅适用于e≤0.033b的情况，这是因为用该公式确定承载力相应的理论模式是基底压力呈均匀分布。
2、该公式中的承载力系数Mb、Md、Mc是以界限塑性荷载P1/4理论公式中的相应系数为基础确定的。
考虑到内摩擦角大时理论值Mb偏小的实际情况，所以对一部分系数按试验结果作了调整。
3、按该公式确定地基承载力时，只保证地基强度有足够的安全度，未能保证满足变形要求，故还应进行地基变形验算。
【补充例题】某粉质粘土的试验数据如下表所示，γ0＝15kN/m3，γ＝17kN/m3，基底尺寸2.6×1.6m，d＝2.5m，计算其地基承载力。
测试项目
数据
样本数（n）
平均值
内摩擦角ϕ
200，220，250，190，260，210
6
22.20
粘聚力c（kPa）
3，5，2，6，10，4
6
5
1．计算内摩擦角标准值：
ϕk
⑴计算标准差
δϕ＝
＝2.448
⑵计算变异系数：
⑶计算修正系数：
ϕ＝
⑷计算标准值：
ϕk＝ϕϕm＝0.91×22.20
2．计算粘聚力标准值ck
⑴计算标准差：
δ＝2.828
⑵计算变异系数：
δc＝
＝
⑶计算修正系数：
ϕ＝
＝0.91
⑷计算标准值：
ck＝ccm＝0.533×5＝2.665kPa
3．计算承载力。
依ϕk＝20.20查表得：
Mb＝0.51，Md＝3.06，Mc＝5.66
所以：
＝0.51×17×1.6＋3.06×15×2.5＋5.66×2.665
＝143.7kPa
教学辅助
资料
多媒体课件等
【提问答疑】
【本次课小结】
1．确定地基承载力有三种方法，不同建筑方法不同。
2．地基承载力设计值的确定；
【复习思考】
1.根据土的物理性质指标如何利用地基规范确定承载力基本值
、标准值
和设计值
？
2.确定地基承载力设计值有哪些方法？
3.选择基础埋深应考虑哪些因素？
4.地基基础的设计有哪些要求和规定？
5.确定地基承载力有哪些方法？
课后反馈意见
复习旧课
第三节浅基础承载力的确定
第三次课
第四节基础底面尺寸的确定
第五节无筋扩展基础设计
教学目标
1.掌握基础底面尺寸的确定方法
2.熟练掌握无筋扩展式基础的设计
教学内容设计及安排
第四节基础底面尺寸的确定
一、中心荷载作用下基础底面尺寸
1.基础底面积A
取基础底面处诸力平衡得：
N+G≤fA
N≤fA-G=fA-γGdA=（f-γGd）A
A≥N/（f-γGd）
对于条形基础，取L=1，则B≥N/（f-γGd）
例题：
已知土层的物理力学性质指标如图所示，拟在该地建造条形基础，已知地面以上的设计荷载N=456kN/m，基础埋深D=2m。
试确定基础底面宽度。
IP
IL
e
≤10
＞10
0
0.5
1.0
0
0.5
1.0
0.7
250
210
190
310
250
20
0.8
200
170
150
260
210
160
解题思路：
利用已知条件求出土的重度，代入公式计算。
二、偏心荷载作用下基础底面尺寸
对于偏心荷载作用下的基础，先利用中心荷载的计算公式求出底面尺寸A，然后扩大,A1=（10%~40%）A，再进行承载力验算，直到满足要求为止。
三、地基承载力验算
地基承载力验算包括持力层强度验算，软弱下卧层验算和地基容许承载力的确定。
（一）持力层强度验算
持力层是指直接与基底相接触的土层，持力层承载力验算要求荷载在基底产生的地基应力不超过持力层的地基容许承载力。
其计算式为：
式中：
——基底应力（kPa）；
N——基底以上竖向荷载（kN）；
A——基底面积（m2）；
M—各外力对基底形心轴之力矩，
W——基底截面模量（m3），对矩形基础，
为基底核心半径；
（二）软弱下卧层承载力验算
当受压层范围内地基为多层土（主要指地基承载力有差异而言）组成，且持力层以下有软弱下卧层（指容许承载力小于持力层容许承载力的土层），这时还应验算软弱下卧层的承载力，验算时先计算软弱下卧层顶面A（在基底形心轴下）的应力（包括自重应力及附加力）不得大于该处地基土的容许承载力（图1）。
即
式中：
——相应于深度（h+z）以内土的换算重度（kN/m3）；
——深度h范围内土层的换算重度（kN/m3）；
h——基底埋深（m）；
z——从基底到软弱土层顶面的距离（m）；
——基底中心下土中附加应力系数，可按土力学教材或规范提供系数表查用；
——软下卧层顶面处的承载力（kPa）。
图1软弱下卧层承载力验算
当软弱下卧层为压缩性高而且较厚的软粘土，或当上部结构对基础沉降有一定要求时，除承载力应满足上述要求外，还应验算包括软弱下卧层的基础沉降量。
第五节无筋扩展基础设计
主要根据基础埋置深度确定基础平面尺寸和基础分层厚度。
所拟定的基础尺寸，应是在可能的最不利荷载组合的条件下，能保证基础本身有足够的结构强度，并能使地基与基础的承载力和稳定性均能满足规定要求，并且是经济合理的。
基础厚度：
应根据结构形式，荷载大小，选用的基础材料等因素来确定。
基底标高应按基础埋深的要求确定,基础厚度可按上述要求所确定的基础底面和顶面标高求得。
基础平面尺寸：
基础平面形式一般应考虑底面的形状而确定，基础平面形状常用矩形。
基础底面长宽尺寸与高度有如下的关系式。
式中：
l——截面长度（m）；
d——截面宽度（m）；
H——基础高度（m）；
α——截面边缘至基础边缘线与垂线间的夹角。
基础剖面尺寸：
刚性扩大基础的剖面形式一般做成矩形或台阶形，如图2所示。
自墩、台身底边缘至基顶边缘距离c1称襟边，其作用一方面是扩大基底面积增加基础承载力，同时也便于调整基础施工时在平面尺寸上可能发生的误差，也为了支柱身模板的需要。
其值应视基底面积的要求、基础厚度及施工方法而定。
基础襟边最小值为20cm～30cm。
基础较厚（超过1m以上）时，可将基础的剖面浇砌成台阶形，如图2所示。
基础悬出总长度（包括襟边与台阶宽度之和），应使悬出部分在基底反力作用下，在a-a截面所产生的弯曲拉力和剪应力不超过基础材料的强度限值。
所以满足上述要求时，就可得到自基础边缘处的垂线与基底边缘的联线间的最大夹角αmax，称为刚性角。
在设计时，应使每个台阶宽度ci与厚度ti保持在一定比例内，使其夹角αi≤αmax，这时可认为属刚性基础，不必对基础进行弯曲拉应力和剪应力的强度验算，在基础中也可不设置受力钢筋。
刚性角αmax的数值是与基础所用的材料强度有关。
基础每层台阶高度在一般情况下各层台阶宜采用相同厚度。
教学辅助资料
多媒体课件
【提问答疑】
【本次课小结】
1．掌握重要概念：
刚性角、地基承载力；
2．持力层验算、软弱下卧层验算；
【复习思考】
1.地基基础的设计有哪些要求和规定？
2.确定地基承载力有哪些方法？
3.如何按地基承载力确定基础底面尺寸？
课后反馈意见
复习旧课
基础底面尺寸的确定？
何为刚性角？
第四次课
第六节扩展基础设计
第七节减轻不均匀沉降的措施
教学目标
1.掌握扩展基础基础底面尺寸和结构设计方法
2.掌握减轻不均匀沉降的建筑措施和结构措施
教学内容设计及安排
第六节扩展基础设计
一、扩展基础的构造要求
1、一般要求
（1）基础边缘高度：
锥形不小于200mm，台阶形为300~500mm
（2）基底垫层：
100mm厚C10素混凝土垫层
（3）钢筋：
Φ10以上，间距100~200mm
混凝土保护层：
不小于40mm（无垫层不小于70mm）
（4）混凝土等级：
不小于C20。
2、柱下独立基础
（1）伸出插筋和柱锚固
（2）插筋下端设置箍筋
3、墙下条形基础
（1）h≥300mm
（2）分布筋≥Φ8@300mm
（3）锥形边缘≥200mm，坡度不大于1：
3。
二、扩展基础的计算
1、墙下条形基础底板厚度和配筋
（1）中心荷载作用
式中，pn—地基净反力设计值；
V—基础根部剪力设计值；
M—基础根部弯距设计值；
a1—截面Ⅰ—Ⅰ到基础边缘距离。
底板厚度：
要求
配筋：
（2）偏心荷载作用：
把上式中pn以pn,max代替
2、柱下独立基础底板厚度和配筋
（1）中心荷载作用
①基础底板厚度：
验算冲切能力，要求
式中，βh—截面高度影响系数；
—混凝土轴心抗拉强度设计值；
h0—破坏锥体有效高度；
am—破坏锥体不利一侧计算长度
Fl—地基净反力设计值；
pn—地基单位面积净反力。
②基础底板配筋：
（1）柱边（截面Ⅰ——Ⅰ）
（2）柱边（截面Ⅱ——Ⅱ）
（3）阶梯高度变化处（Ⅲ——Ⅲ截面）
（4）阶梯高度变化处（Ⅳ——Ⅳ截面）
第七节减轻不均匀沉降的措施
一、建筑措施
（1）建筑物体型力求简单
建筑物体型系指其平面形状与立面轮廓。
①平面形状简单,如用"一"字形建筑物；
②立面体型变化不宜过大,砌体承重结构房屋高差不宜超过1~2层。
（2）控制建筑物长高比及合理布置纵横墙
二层以上的砌体承重房屋，当预估的最大沉降量超过120mm时,长高比不宜大于2.5；对于平面简单、内外墙贯通，横墙间隔较小的房屋，长高比的限制可放宽至不大于3.0。
不符合上述条件时,可考虑设缝。
合理布置纵横墙,是增强砌体承重结构房屋整体刚度的重要措施之一。
当遇地基不良时，应尽量使内、外纵墙都贯通；另外，缩小横墙的间距，也可有效地改善房屋的整体性，从而增强调整不均匀沉降的能力。
（3）设置沉降缝
①平面形状复杂的建筑物的转折部位；
②建筑物的高度或荷载突变处；
③长高比较大的建筑物适当部位；
④地基土压缩性显著变化处；
⑤建筑结构（包括基础）类型不同处；
⑥分期建造房屋的交界处。
（4）控制相邻建筑物基础的问距
①同期建造的两相邻建筑之间的影响，特别是当两建筑物轻（低）重（高）差别太大时，轻者受重者的影响更甚；
②原有建筑物受邻近新建重型或高层建筑物的影响。
（5）调整建筑物的局部标高
由于沉降会改变建筑物原有标高，严重时将影响建筑物的正常使用，甚至导致管道等设备的破坏，可采取下列措施调整建筑物的局部标高。
①根据预估沉降，适当提高室内地坪和地下设施的标高；
②将相互有联系的建筑物各部分包括设备中预估沉降较大者的标高适当提高；
③建筑物与设备之间应留有足够的净空；
④有管道穿过建筑物时，应留有足够尺寸的孔洞，或采用柔性管道接头。
二、结构措施
（l）减轻建筑物自重
①减轻墙体重量：
许多建筑物（特别是民用建筑物）的自重,大部分以墙体重量为主，宜选择轻型高强墙体材料，如：
轻质高强混凝土墙板、各种空心砌块、多孔砖及其他轻质墙等，都能不同程度地达到减少自重的目的。
②选用轻型结构：
采用预应力钢筋混凝土结构、轻钢结构及各种轻型空间结构。
③减少基础和回填土重量：
首先是尽可能考虑采用浅埋基础，例如：
钢筋混凝土独立基础、条形基础、壳体基础等；如果要求大量抬高室内地坪时，底层可考虑用架空层代替室内厚墙填土。
（2）设置圈梁
对于砌体承重房屋，不均匀沉降的损害突出地表现为墙体的开裂。
因此，实践中常在基础顶面附近、门窗顶部楼面处设置圈梁，每道圈梁应尽量贯通外墙、承重内纵墙及主要内横墙，并在平面内形成闭合的网状系统。
这是砌体承重结构防止出现裂缝和阻止裂缝开展的一项十分有效的措施。
（3）减小或调整基底附加压力
①减小基底附加压力可设置地下室、或半地下室、架空层，以挖除的土重去补偿（抵消）一部分甚至全部的建筑物重量，达到减小沉降的目的。
②改变基底尺寸：
按照沉降控制的要求,选择和调整基础底面尺寸，针对具体工程的不同情况考虑，尽量做到有效又经济合理。
（4）增强上部结构刚度或采用非敏感性结构
根据地基、基础与上部结构共同作用的概念，上部结构的整体刚度很大时，能调整和改善地基的不均匀沉降在设计中合理设计上部结构的刚度和强度,地基不均匀沉降（相当于支座位移）所产生的附加应力是完全可以承受的。
因此，上部结构的选型和处理对地基不均句沉降的影响很大，结构造型一定要明确，各部分要相互统一，刚则刚，柔则柔，切忌"藕断丝连"。
三、施工措施
合理安排施工程序、注意某些施工方法，也能收到减小或调整不均匀沉降的效果。
当拟建的相邻建筑物之间轻（低）重（高）悬殊时，一般应按先重后轻的程序施工;有时还需要在重建筑物竣工后歇一段时间后再建造轻的邻近建筑物（或建筑物单元）。
当高层建筑的主、裙楼下有地下室时,可在裙楼相交的裙楼一侧适当位置（一般是跨度处）设置施工后浇带,同样以先主楼后裙楼的施工顺序,减轻不均匀沉降的影响。
在软弱土地基础上，在已建房屋周围和在建房屋外，都应避免长时间堆放大量集中的地面荷载,以免引起新、旧房屋的附加沉降。
细粒土尤其是淤泥及淤泥质土的结构性很强，施工时应尽可能地保持地基土的原状结构。
在开挖基坑时，可暂不挖到基底标高，保留约200mm，等基坑内基础砌筑或浇筑时再挖，如槽底已扰动,可先挖去扰动部分,再用砂、碎石等因填处理。
教学辅助
多媒体课件
【提问答疑】
【本次课小结】
1．掌握重要概念：
沉降缝、地基承载力；
2．了解减轻不均匀沉降的建筑措施和结构措施；
【复习思考】
1.沉降缝的设置部位？
2.减轻不均匀沉降的建筑措施有哪些？
3.减轻不均匀沉降的结构措施有哪些？
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