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1、土力学与地基基础第8章 浅基础设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望8.1 8.1 概述概述几个概念：几个概念：d基础基础地基地基埋深埋深第八章第八章 浅基础设计浅基础设计FdG主主要要受受力力层层持力层（受力层）持力层（受力层）下卧层下卧层条形基础条形基础 3b独立基础独立基础 1.5b且且 5m（二层以下民用建筑除外）（二层以下民用建筑除外）主要受力层深度：主要受力层深度：持力层持力层基础直接接触的土层，天然地基或者桩基础。持力层具有较高的强度（
2、满足承载力需要），基础直接接触的土层，天然地基或者桩基础。持力层具有较高的强度（满足承载力需要），相对较高的压缩模量。深度满足基础埋深的要求相对较高的压缩模量。深度满足基础埋深的要求 下卧层下卧层主要受力层范围，持力层以下各个土层。当土层强度低于持力层时称主要受力层范围，持力层以下各个土层。当土层强度低于持力层时称“软弱下卧层软弱下卧层”基础类型：基础类型：天然地基上的浅基础天然地基上的浅基础桩基础桩基础人工地基上的浅基础人工地基上的浅基础深基础深基础换土垫层，水泥土桩、碎石桩复合地基等换土垫层，水泥土桩、碎石桩复合地基等人工地基：人工地基：埋深埋深5m5m特殊方法施工特殊方法施工考虑侧壁阻力
3、作用考虑侧壁阻力作用沉井基础沉井基础沉箱基础沉箱基础桩基础也属深基础桩基础也属深基础浅基础：浅基础：埋深小于埋深小于5m5m，或者埋深大于，或者埋深大于5m5m，但，但是小于基础宽度。两侧（四周）的摩阻力忽是小于基础宽度。两侧（四周）的摩阻力忽略不计。所以不是简单的深浅概念。略不计。所以不是简单的深浅概念。浅基础的类型浅基础的类型按基础刚度分按基础刚度分无筋扩展基础（刚性基础）无筋扩展基础（刚性基础）单独基础（独立基础）、条形基础、单独基础（独立基础）、条形基础、筏型基础、箱型基础、壳型基础筏型基础、箱型基础、壳型基础按结构形式分按结构形式分扩展基础（柔性基础）扩展基础（柔性基础）按基础刚度分
4、按基础刚度分 无筋扩展基础无筋扩展基础扩展基础扩展基础(柔性基础柔性基础)1:1.0 1:2.0与材料和荷与材料和荷载有关载有关F bth0F 砖、石、灰土，素混凝土砖、石、灰土，素混凝土 材料抗压性能好，抗拉、抗材料抗压性能好，抗拉、抗 剪强度很低剪强度很低要求基础台阶宽高比（刚性角）要求基础台阶宽高比（刚性角）符合一定条件（表符合一定条件（表8.1）钢筋混凝土钢筋混凝土要满足抗弯、抗剪和抗冲切要满足抗弯、抗剪和抗冲切等结构要求等结构要求基础不受刚性角限制，其剖基础不受刚性角限制，其剖面可做成扁平形状，用较小面可做成扁平形状，用较小的基础高度把上部荷载传到的基础高度把上部荷载传到较大的基础地
5、面以适应承载较大的基础地面以适应承载力的需要。力的需要。按基础结构形式分按基础结构形式分1 1 单独基础单独基础2 2 条形基础条形基础 柱下或者墙下设置类似梁的条形柱下或者墙下设置类似梁的条形的基础，的基础，基础长度远远大于其宽度，基础长度远远大于其宽度，是在独立基础不能满足的情况下用的是在独立基础不能满足的情况下用的,提高基础的整体性提高基础的整体性 独立基础一般用于小型的框独立基础一般用于小型的框架结构架结构,直接设立在柱下直接设立在柱下,每每个独立基础没有联系个独立基础没有联系 3 十字交叉基础十字交叉基础条形基础的变种条形基础的变种十字交叉钢筋混凝土条形基础。当单向条形基础的底面积仍
6、不能承受上部结构荷载的作用时，可把纵横柱的基础均连在一起，从而成为十字交叉条形基础，以增大承载力，并减小不均匀沉降。十字交叉条形基础可承担10层以下的民用住宅。4 4 筏形（筏板）基础筏形（筏板）基础 当地基承载力低，而上部结构的荷载又较大，以致十字交叉条形基础仍不能提供足够的底面积来满足地基承载力的要求时，可采用钢筋混凝土满堂基础，这种满堂基础称为筏板基础。它类似一块倒置的楼盖，比十字交叉条形基础具有更大的整体刚度，有利于调整地基的不均匀沉降，能够较好的适应上部结构荷载分布的变化。特别对于有地下室的房屋或大型贮液结构，如水池、油库等，筏板基础是一种比较理想的基础结构。筏板基础可分为平板式和梁
7、板式两种类型。平板式筏板基础是一块等厚度的钢筋混凝土平板;若柱距较大，柱荷载相差也较大时，板内也会产生较大的弯矩，此时宜在板上沿柱轴纵横向设置基础梁即形成梁板式筏板基础 底板底板外外墙墙内内墙墙5 5 箱形基础箱形基础由底板、墙和顶板形成箱，整体性更好由底板、墙和顶板形成箱，整体性更好刚性大，并且挖去了很多土，减少了基础底面的附加压力，刚性大，并且挖去了很多土，减少了基础底面的附加压力，使建筑物沉降量大大减少，因此又称使建筑物沉降量大大减少，因此又称“补偿性基础补偿性基础”当地基承载力较低，上部结构荷载较大，采用十字交叉条形基础无法满足承载力要求，又不允许采用桩基时，可考虑采用箱形基础。6 6
8、 壳体基础壳体基础高耸建筑物高耸建筑物 为了充分发挥钢筋和混凝土材料的受力特点，可以使用结构内力主要是轴向压力的壳体结构作为筒形构筑物（如烟囱、水塔、粮仓、中小型高炉等）的基础。壳体基础具有材料省和造价低等优点。可比一般梁、板式的钢筋混凝土基础节约混凝土50%左右，节省钢筋30%以上。此外，施工时一般情况下可不必支模，土方挖运量也较少。但对施工技术的要求较高，目前主要用于筒形构筑物的基础。设计要求设计要求满足：满足：承载力、变形要求承载力、变形要求设计内容设计内容确定：确定：埋深、型式、结构尺寸（长埋深、型式、结构尺寸（长 宽宽 高）、材料高）、材料验算：验算：承载力、变形、结构本身强度承载力
9、、变形、结构本身强度设计规范设计规范1 1 建筑地基基础设计规范（建筑地基基础设计规范（GBJ7-89GBJ7-89）2 2 建筑地基基础设计规范（建筑地基基础设计规范（GB50007-2002GB50007-2002）设计等级设计等级(p74表表4.2）02规范：规范：设计等级设计等级甲级甲级 乙级乙级 丙级丙级设计方法设计方法允许（容许）承载力设计方法允许（容许）承载力设计方法由于岩土性质的变异性很大，在岩土工程中，普遍还没有达到采用可靠度设计的水平。因此，我国的国家标准建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)与大多数国家一样，仍然是采用总安全系数的方法来体现岩土工程的安全性，属于
10、容许承载力方法的范畴，这是由岩土工程技术水平的发展现状所决定的。8.2 8.2 基础埋置深度基础埋置深度原则：原则：在满足承载力的条件下尽量浅埋在满足承载力的条件下尽量浅埋基本要求：基本要求：1.除岩石以外，除岩石以外，d大于大于50cm（表土扰动，植物，（表土扰动，植物，冻融，冲蚀）冻融，冲蚀）2.基础顶距离表土大于基础顶距离表土大于10cm，保护，保护3.桥要求在冲刷深度以下桥要求在冲刷深度以下其它控制因素其它控制因素埋深：基础底面到天然地面垂直距离。一般自室外地面标高算起。埋深：基础底面到天然地面垂直距离。一般自室外地面标高算起。1 1 建筑物的用途、结构类型及荷载性质与大小建筑物的用途
11、、结构类型及荷载性质与大小基础埋深的选择首先需建筑物的用途、有无地下室、设备基础和地下设施、基础的类型和构造条件等。如果有地下室、设备基础和地下设施，基础的埋深则要结合建筑设计标高的要求确定。基础的埋深还取决于基础的构造高度，例如用砖石等脆性材料砌筑的无筋扩展基础，为了防止基础本身材料的破坏，基础的构造高度往往很大，因此无筋扩展基础的埋深一般要大于钢筋混凝土扩展基础。对于高层建筑，为了满足稳定性的要求、减少建筑物的整体倾斜以及防止倾覆和滑移、在抗震设防区天然地基上的箱形基础和筏板基础，其埋深不宜小于建筑物高度的1/15。对于作用有较大水平荷载的基础，还应满足稳定要求，当这类基础建筑位于岩石地基
12、上时，基础埋深还应满足抗滑要求。对于受有上拔力的结构（如输电塔等）基础，也要求有较大的埋深以满足抗拔要求。对不均匀沉降较敏感的建筑物，如层数不多而平面形状较复杂的框架结构，应将基础埋置在较坚实和厚度比较均匀的土层上。因地基持力层倾斜或建筑物使用上的要求，基础可做成台阶形，由浅向深逐步过渡，台阶的高宽比一般为1:21 1 建筑物的用途、结构类型及荷载性质与大小建筑物的用途、结构类型及荷载性质与大小 当管道(上下水，煤气电缆)与基础相交时，基础埋深应低于管道，并在基础上面预留有足够间隙的孔洞，以防止基础沉降压坏管道。对于桥墩基础，其基础顶面应位于河流最低水位以下。为防止桥梁墩台基础四周和基底以下土
13、层被水流淘空冲走导致坍塌，其埋置深度还应考虑河床的冲刷深度，基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下一定的深度，以保证基础的稳定性。一般情况下，小型桥涵的基础底面应设置在设计洪水冲刷线以下不少于1m。在满足其在满足其他要求下他要求下尽量浅埋尽量浅埋只有低层房只有低层房屋可用，否屋可用，否则处理则处理尽量浅埋。尽量浅埋。但是如但是如h h1 1太太小就为小就为IIIIh1 5m桩基桩基或处理；或处理；好土好土软土软土好土好土 I II III IV好土好土软土软土软土软土(很深很深)h12 2 工程地质和水文地质条件工程地质和水文地质条件工程地质条件工程地质条件（根据土层分布情况确定埋深）根据土层
14、分布情况确定埋深）（加固上层土或用短桩基础 施工是否方便，是否经济）尽量在地下水位以上尽量在地下水位以上,否则开挖降水否则开挖降水,费用大费用大有承压水时，防止承压水顶破基底有承压水时，防止承压水顶破基底基坑基坑水文地质条件水文地质条件3 3 相邻建筑物的基础埋深相邻建筑物的基础埋深为了保证在新建建筑物施工期间，相邻的原有建筑物的安全和正常使用，新建建筑物的基础埋深不宜深于相邻原有建筑物的基础埋深。若新建建筑物荷载很大，楼层高，基础埋深一定要超过原有建筑物的基础埋深时，为避免新建建筑物对原有建筑物的影响，设计时应考虑与原有基础保持有一定的净距。具体数值应根据荷载大小、基础形式和土质条件而定，一
15、般取相邻两基础底面高差的12倍若基础净距不能满足要求，应采用其它措施，如分段施工，设临时加固支撑，如板桩、水泥搅拌桩挡墙或地下连续墙等施工措施，或加固原有建筑物地基，以避免新基坑开挖使原有基础地基松动。冻土冻土多年冻土（冻结时间多年冻土（冻结时间 3 3年年）季节性冻土季节性冻土 作为建筑地基的冻土，根据持续时间可分为季节性冻土和多年冻土两大类。多年冻土是指冻结状态持续三年或三年以上的土；季节性冻土是指冻土地表层冬季冻结、夏季全部融化的土。季节性冻土在我国主要分布于东北、西北、华北地区，季节性冻土层厚度一般在50cm以上，有些地方冻土层厚度可达3m。若基础埋于冻胀土内，由于土体膨胀在基础周围和
16、基础底部，产生冻胀力使基础上抬，造成门窗不能开启，严重的甚至会引起墙体开裂。当温度升高土体解冻时，又由于土中水分的高度集中，使土质变得十分松软而引起融陷，且建筑物各部分的融陷也是不均匀的。多次冻融会使建筑物遭致严重的破坏。土具有冻胀和融陷的特点，因此，在季节性冻土地区设计建筑物时应考虑地基冻胀和融陷对基础埋深的影响。4 4 地基土冻胀和融陷的影响地基土冻胀和融陷的影响发生冻胀的条件发生冻胀的条件（1 1）土的条件）土的条件 一般是细颗粒土（结合水含量多）一般是细颗粒土（结合水含量多）（2 2）温度条件）温度条件 低于冻结温度低于冻结温度（3 3）水力条件）水力条件 若地下水位高或通过毛细水能使
17、若地下水位高或通过毛细水能使 水分向冻结区补充，则冻胀较严水分向冻结区补充，则冻胀较严 重。所以，在季节性冻土地区，重。所以，在季节性冻土地区，基础应埋在冻结深度以下。基础应埋在冻结深度以下。外因外因内因内因土的冻胀性土的冻胀性土的冻胀性土的冻胀性衡量指标衡量指标冻胀性分类冻胀性分类（根据土的类别、含水量大小、地下水位高低）（根据土的类别、含水量大小、地下水位高低）平均冻胀率：平均冻胀率：不冻胀不冻胀不冻胀不冻胀 1%弱冻胀弱冻胀弱冻胀弱冻胀 1%3.5%冻胀冻胀冻胀冻胀 3.5%6%强冻胀强冻胀强冻胀强冻胀 6%12%注意：注意：碎石、砂等中碎石、砂等中粒径小于粒径小于0.075mm的的颗粒
18、含量太高也会导颗粒含量太高也会导致冻胀致冻胀冻结前土的体积；冻结后土的体积；冻结引起的土的体积增量。P181P181表表8-28-2考虑冻胀的基础埋深考虑冻胀的基础埋深按按0202规范规范dmin zd-hmax z zd d:设计冻深设计冻深h hmaxmax：容许残留冻土层最大厚度容许残留冻土层最大厚度zd=z0 zs zw ze标标准准冻冻深深土土类类别别冻冻胀胀性性环环境境影响系数影响系数Z Z0 0 标准冻深：标准冻深：北北 京京 0.81.0m哈尔滨哈尔滨 2.0m满洲里满洲里 2.8m 10年的实测最年的实测最大冻深平均值大冻深平均值8.3 8.3 地基承载力和基础底面尺寸初步确
19、定地基承载力和基础底面尺寸初步确定极限承载力极限承载力承载力承载力容许承载力：承载力特征值容许承载力：承载力特征值通常所说的承载力指容许承载力通常所说的承载力指容许承载力一、地基承载力一、地基承载力理论公式计算承载力（总结）：临界荷载临界荷载 P1/4、P1/3临塑荷载临塑荷载 Pcr极限荷载极限荷载Pu（极限承载力）（极限承载力）普朗特尔普朗特尔-雷斯诺公式雷斯诺公式太沙基公式太沙基公式斯凯普顿公式斯凯普顿公式汉森公式汉森公式我国规范中取：我国规范中取：fa=Mb b+Md md+Mcck以临界荷载以临界荷载P1/4为理论基础为理论基础1 1 通过公式计算通过公式计算2 2 通过载荷试验确定
20、通过载荷试验确定3 3 通过经验确定通过经验确定P111(5.28)P111(5.28)fa=fak+b(b-3)+d m(d-0.5)进行深度和宽度修正：进行深度和宽度修正：fak：按现场载荷试验或其它原位测试、经验值等按现场载荷试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值；方法确定的地基承载力特征值；fa：深宽修正后的承载力特征值深宽修正后的承载力特征值 b、d：宽度和埋深修正系数宽度和埋深修正系数p113表表5.3 ：基础底面以下土的重度基础底面以下土的重度 m：基础底面以上土的加权平均重度基础底面以上土的加权平均重度b：大于大于6m按按6m考虑，小于考虑，小于3m按按3m考虑
21、考虑承载力公式计算：承载力公式计算：fa=Mb b+Md md+Mcck fa：承载力特征值承载力特征值 Mb、Md、Mc：承载力系数，由承载力系数，由 k 查表查表5-2 b：基底宽度，大于基底宽度，大于6m按按6m考虑，考虑，对于砂土小于对于砂土小于3m按按3m考虑考虑 ck：基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力FdG主主要要受受力力层层持力层（受力层）持力层（受力层）下卧层下卧层条形基础条形基础 3b独立基础独立基础 1.5b且且 5m（二层以下民用建筑除外）（二层以下民用建筑除外）主要受力层深度：主要受力层深度：持力层持力层基础直接接触的土层，天然地基或者桩
22、基础。持力层具有较高的强度（满足承载力需要），基础直接接触的土层，天然地基或者桩基础。持力层具有较高的强度（满足承载力需要），相对较高的压缩模量。深度满足基础埋深的要求相对较高的压缩模量。深度满足基础埋深的要求 下卧层下卧层主要受力层范围，持力层以下各个土层。当土层强度低于持力层时称主要受力层范围，持力层以下各个土层。当土层强度低于持力层时称“软弱下卧层软弱下卧层”确定基础类型和埋深后，已知基础底面尺寸，即可进行地基土持力层承载力地基土持力层承载力验算。若地基受力层范围内存在有承载力低于持力层的土层，称为软弱下卧层，还须验算软弱下卧层的承载力软弱下卧层的承载力。若基础底面尺寸不知道，可以根据外
23、荷载和地基承载力进行地基基础设计。基础尺寸初步确定：基础尺寸初步确定：GFdF 作用在顶面的荷载，作用在顶面的荷载，kNkNG 基础及台阶上填土总重，基础及台阶上填土总重，kNkNA 基底面积基底面积，m m2 2 G 基础及回填土平均重度，一般基础及回填土平均重度，一般 取取 20 20 kN/mkN/m3 3d 基础埋深，基础埋深，m mfa=fak+d m(d-0.5)暂不做宽度修正暂不做宽度修正单独基础，中心荷载单独基础，中心荷载二、基础底面尺寸初步确定二、基础底面尺寸初步确定条形基础，中心荷载条形基础，中心荷载持力层承载力验算：持力层承载力验算：根据初步确定的埋深根据初步确定的埋深d
24、 d与与A(b)A(b),确定最终的承载力修确定最终的承载力修正值正值f fa a承载力验算承载力验算GFd偏心荷载时：偏心荷载时：将上面计算的将上面计算的 A 或或 b 扩大至扩大至 1.11.4 倍倍根据根据 A A 可初步确定可初步确定 b b 和和 L L首先根据中心荷载公式加以扩大初选截面尺寸首先根据中心荷载公式加以扩大初选截面尺寸持力层承载力验算：持力层承载力验算：根据初步确定的埋深根据初步确定的埋深d d与与A(b)A(b),确定确定最终的承载力修正值最终的承载力修正值fafa承载力验算承载力验算pmax 1.2faF+G eebpmaxpmin作用于基础底面作用于基础底面形心上
25、的力矩形心上的力矩M=(F+G)e 基基础础底底面面抵抵抗抗矩矩；矩矩形形截截面面W=lb 2/6 l讨论：讨论：当 e0，基底压力呈梯形分布;当e=b/6时，pmax0，pmin=0，基底压力呈三角形分布;当eb/6时，pmax0，pmin0，基底出现拉应力；pmaxpmineb/6pmaxpminb/6b/2-e3(b/2-e)bleb/2-e3(b/2-e)总结：对于独立基础：对于独立基础：当 eb/6时 当eb/6时，对于条形基础：对于条形基础：当 eb/6时 当eb/6时，pmax 1.2fa 在软土地区，持力层一般不太厚，在持力层以下受力层范围内存在软在软土地区，持力层一般不太厚，
26、在持力层以下受力层范围内存在软土层（即称软弱下卧层），此时只满足持力层的要求是不够的，还须验算土层（即称软弱下卧层），此时只满足持力层的要求是不够的，还须验算软弱下卧层的强度。软弱下卧层的强度。验算要求：传递到软弱下卧层顶面处的附加应力和土的自重应力之和验算要求：传递到软弱下卧层顶面处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能力，即不超过软弱下卧层的承载能力，即软弱下卧层顶面处的附加应力，软弱下卧层顶面处的附加应力，kPakPa；软弱下卧层顶面处土的自重应力，软弱下卧层顶面处土的自重应力，kPakPa；软弱下卧层顶面处软弱下卧层顶面处经深度修正后经深度修正后的地基承载力的地基承载力.
27、软弱下卧层承载力验算软弱下卧层承载力验算下卧层承载力特征值仅需下卧层承载力特征值仅需进行深度修正进行深度修正以扩散角以扩散角 向下传递，均匀地分布在下卧层上。根据扩散后作用在下卧向下传递，均匀地分布在下卧层上。根据扩散后作用在下卧层顶面处的合力与扩散前在基底处的合力相等的条件，即：层顶面处的合力与扩散前在基底处的合力相等的条件，即：在实用上，一般按照简单的应力扩散原理计算软弱下卧层顶面处的在实用上，一般按照简单的应力扩散原理计算软弱下卧层顶面处的附加应力。附加应力。如图所示，作用在基底面处的附加压力如图所示，作用在基底面处的附加压力p=(F+G)/A,c c=m md d矩形面积基础：条形面积
28、基础：czcz=i ih hi i=mzmz(z+d)(z+d)下卧层承载力特征值仅需下卧层承载力特征值仅需进行深度修正进行深度修正mzmz=zz3 其它验算：其它验算：水平荷载较大时，稳定验算水平荷载较大时，稳定验算建筑在斜坡上时，稳定验算建筑在斜坡上时，稳定验算抗震验算抗震验算PhPv建筑物需满足地基变形要求建筑物需满足地基变形要求计算原理：计算原理：分层总和法分层总和法部分建筑物可不做变形验算部分建筑物可不做变形验算沉降量、沉降差、倾斜等沉降量、沉降差、倾斜等4地基变形验算：地基变形验算：计算方法：计算方法：规范推荐规范推荐“应力面积法应力面积法”方法方法按基础刚度分按基础刚度分无筋扩展
29、基础（刚性基础）无筋扩展基础（刚性基础）单独（单独（独立）基础、条形基础、筏独立）基础、条形基础、筏型基础、箱型基础、壳型基础型基础、箱型基础、壳型基础按结构形式分按结构形式分扩展基础（柔性基础）扩展基础（柔性基础）浅基础的类型浅基础的类型本章小结本章小结基础设计步骤：基础设计步骤：1 1 计算各土层的承载力计算各土层的承载力2 2 确定基础埋深确定基础埋深3 3 根据承载力初步确定基础尺寸根据承载力初步确定基础尺寸4 4 地基承载力验算、稳定验算地基承载力验算、稳定验算5 5 地基变形验算地基变形验算6 6 基础结构设计基础结构设计冲切验算冲切验算抗弯验算抗弯验算刚性角？刚性角？刚性基础刚性基础扩展基础扩展基础通过公式计算通过公式计算通过载荷试验确定通过载荷试验确定通过经验确定通过经验确定本章结束