基础工程03刚性基础与扩展基础

nullnull 基础工程 电子null2.刚性基础与扩展基础2.1 概 述刚性基础或无筋扩展基础——由素混凝土、砖、毛石、灰土和三合土等材料砌筑、高度由刚性角控制、基础部分扩大了的基础 钢筋混凝土扩展基础（或柔性基础）——当不便于采用刚性基础或采用刚性基础不经济时，做成钢筋混凝土材料的基础。（例柱下钢筋混凝土独立基础和墙下钢筋混凝土条形基础）2.1 概 述2.1 概 述2.1 概 述 构造要求 基础埋置深度的选择 地基承载力 刚性基础与扩展基础的计算基本内容2.1.1 刚性基础构造要求2.1.1 刚性基础构造要求图2-1图2.1 刚性基础构造示意 d——柱中纵向钢筋直径 2.1.1 刚性基础构造要求砖基础 毛石基础 素混凝土基础 上述基础材料都要符合强 度等级要求 灰土基础 石灰和土（粘性土）按其 体积比3：7或2：8构成 三合土基础 由石灰：砂：碎砖（或碎 石）按1：2：4～1：3：6配成刚性角： 式中 bi——无筋扩展基础任一台阶的宽度(mm) Hi——相应的台阶高度(mm) tanα——无筋扩展基础台阶宽高比的允许值，按表选用 2.1.1 刚性基础构造要求null无筋扩展基础台阶高宽 比的允许值null图2-2图2.2 砖基础剖面图 （a）“两皮一收”砌法； （b）“二一间隔收”砌法2.1.1 刚性基础构造要求null刚性基础的特点 稳定性好，简便 用于≤6层的民用建筑、荷载较小的桥梁基础以及 涵洞等； 刚性基础局限性 当基础承受荷载较大时，则用料多，自重大，埋深 也加大 null2.1.2 钢筋混凝土扩展基础 墙下钢筋混凝土条形基础 砌体承重墙体及挡土墙、涵洞下常采用 的基础形式 柱下钢筋混凝土独立基础 建筑物中的柱、桥梁中的墩常用的基础形式null图2.3 墙下钢筋混凝土扩展基础 （a）无肋 （b）有肋2.1.2 钢筋混凝土扩展基础构造要求null（1）锥形基础的边缘高度不宜小于200mm，坡度i≤1：3； 小于250mm时，可做成等厚度板。阶梯形基础的每阶高度，宜为300～500mm。（2）基础下的垫层厚度一般为100mm。（3）底板受力钢筋的最小直径不宜小于10mm,间距不宜大 于200mm和小于100mm。当有垫层时，混凝土的保护层净 厚度不宜小于40mm，无垫层时不宜小于70mm。纵向分布 筋，直径不小于8mm，间距不大于300mm。（4）混凝土强度等级不宜低于C20。（6）当地基软弱或承受荷载有差异时，为了增强基础的整体和抗弯能力，可采用带肋的墙基础。肋部的纵向钢筋和箍筋按经验确定。（5）根据经验,初选时基础的高度一般大于或等于b/8。2.1.2 钢筋混凝土扩展基础构造要求null图2.4 柱下钢筋混凝土单独基础 （a）台阶型 （b）锥台型 （c）杯口型2.1.2 钢筋混凝土扩展基础构造要求2.2 基础埋置深度的选择2.2 基础埋置深度的选择 持力层——直接支撑基础的土层 下卧层——持力层以下的各土层 选择基础埋置深度，也就是选择合适的地基持力层持 力 层下 卧 层图2.5 基础埋置深度示意2.2 基础埋置深度的选择应考虑因素： 建筑结构条件与场地环境条件 工程地质条件 水文地质条件 地基冻融条件2.2 基础埋置深度的选择2.2 基础埋置深度的选择 ——建筑结构条件与场地环境条件 结构条件 荷载大小 荷载性质 场地环境 图2.6 相 邻 基 础 埋 深2.2 基础埋置深度的选择 ——建筑结构条件与场地环境条件2.2 基础埋置深度的选择 ——场地环境条件2.2 基础埋置深度的选择 ——场地环境条件若满足图示（b≤3m，a≤2.5m ）则 条形基础 矩形基础 不满足要求时，应进行地基稳定性验算 d图2.7 土坡坡顶处基础的埋深null地基由多层土组成，上好下软，基础应尽量浅埋 地基上软下好，应具体，进行方案比较 地基在水平方向倾斜较大时，基础埋深如图处理 基础在风化岩层中时2.2 基础埋置深度的选择 ——工程地质条件图2.8 台 阶 形 过 渡 处 理2.2 基础埋置深度的选择 ——水文地质条件2.2 基础埋置深度的选择 ——水文地质条件遇水时，基底应尽量放在地下水位以上 基底低于潜水面时，要考虑基坑排水、支护和地下水水质问题 若遇承压水时，应验算基坑的稳定性 桥墩基础应埋置在最大冲刷线下一定深度 null图2.9 基坑下埋藏有承压含水层的情况2.2 基础埋置深度的选择 ——水文地质条件null冻胀机理 冻胀现象 影响冻胀的因素（土类、地下水位及气温） 冻融条件考虑 先按规范进行地基土冻胀性的划分（五类），后再进行最小埋深dmin的计算 式中 hmax——基底下允许残留冻土层的最大厚度 ——设计冻深 2.2 基础埋置深度的选择 ——地基冻融条件 2.3 地基承载力 2.3 地基承载力定义：地基土单位面积上承受荷载的能力称为地基承载力 三个问题 地基承载力的基本概念及基本验算 影响地基承载力大小的因素 确定地基承载力的方法 2.3 地基承载力 2.3 地基承载力 建筑物因地基问题引起破坏的两种主要原因： 基础过大的沉降或者沉降差 地基产生滑动破坏总安全系数设计原则 容许承载力设计原则，同时满足强度（p[s]）条件 概率极限状态设计原则地基承载力设计原则定fa（特征值）null《建筑地基规范》要求:pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值 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 fa ——修正后的地基承载力特征值 《公路桥涵地基与基础设计规范》要求： σmax——基底最大压应力 [σ]——地基土修正后的容许承载力——基本验算2.3 地基承载力 影响因素： 影响因素： 地基土的成因与堆积年代 地基土的物理力学性质 地下水 上部结构情况2.3 地基承载力 确定地基承载力的常用方法： 确定地基承载力的常用方法：按土的抗剪强度指标以理论公式计算 按现场载荷试验或其它原位试验确定 按有关规范提供的承载力或经验公式确定 原则：不过分严格，也不随意简化2.3 地基承载力 2.3.1 按土的抗剪强度指标确定2.3.1 按土的抗剪强度指标确定公式 来由 式中 pu——地基极限承载力，按魏锡克或汉森等理论公式 （或称为“以土的抗剪强度指标”）计算 A′——与土接触的有效基底面积 A ——基底面积 ∵null魏锡克：2.3.1 按土的抗剪强度指标确定null2.3.1 按土的抗剪强度指标确定汉森： 图2.10null 2.3.2 按地基载荷试验确定图2.11 载荷试验示意图（堆载）规范规定甲级必须进行 该法优点：成果可靠 该法缺点：费时、耗资null2.3.2 按地基载荷试验确定null 同一土层参加统计的试验点不应少于三点，符合要求后，取该平均值作为地基承载力特征值fakp-s线有明显比例界限时（密砂、硬土）fak=p1 极限荷载能确定，且pu<2.0p1时, 取fak=0.5pu 当不能按上述两点确定(中、高压缩性土的缓变型曲线)，取s/b=0.01～0.015时对应荷载作为fak2.3.2 按地基载荷试验确定图2.12 按载荷试验成果确定地基承载力基本值 (a)低压缩性土；（b）高压缩性土 null 方法：（1）钻孔，贯入器放入孔底；（2）63.5kg重锤以76cm高度自由下落将贯入器击入土中15cm （3）继续打入30cm的锤击数N′标准贯入试验得标准贯入击数N′修正后得标准贯入击数N查表得：承载力标准值其他原位测试 ——标准贯入试验图2.13图2.13 标准贯入器构造图null其他原位测试 ——按静力触探试验确定地基承载力比贯入阻力：根据比贯入阻力查经验表格或由经验公式计算 确定承载力特征值图2.14 静力触探示意图2.3.3 按地基规范承载力公式确定《建筑地基规范》推荐的公式(P1/4) 条件：荷载偏心距e<0.033b(b为偏心方向基础边长) 式中 ——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值 、 、 ——承载力系数，根据φk查规范表 ——基础底面宽度 ——基底下一倍短边宽的深度范围内土的内摩擦角标准值及土的粘聚力标准值 ——基础底面以下土的重度，水下取浮重度 ——基础埋深范围内各层土的加权平均重度 2.3.3 按地基规范承载力公式确定null宽度与深度修正条件： b>3m, d>0.5m； 修正后的地基承载力特征值fa为： 式中： fak——从载荷试验或其他原位试验测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值 ——分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，查规范表格 建规承载力的修正与提高：2.3.3 按地基规范承载力 公式确定2.3.3 按地基规范承载力公式确定 当b>2m, d>3m，且h/b≤4，则容许承载力为： 式中 [σ0]——当基础宽度b≤2m，埋深h≤3m时的容许承载力，查规范表得，见后页 k1、k2——分别为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，查规范表《公路桥涵规范》2.3.3 按地基规范承载力公式确定null《公路桥涵规范》从表中查得承载力[σ0]，步骤如下： Dr、N 查表得σ0[σ]=[σ0]粘性土Ip IL砂类土（粒径级配）定态前公式YN各种地基规范承载力公式区别：各种地基规范承载力公式区别：《建筑地基规范》与《公路桥涵地基规范》的区别：前者无表，但容许制定地方性经验表格或规范；后者仍然保留全国统一的承载力表格 《港口工程地基规范》采用极限承载力除以抗力分项系数的方法 2.3.3 按地基规范承载力公式确定式中 Fk——地基极限承载力的竖向分力标准值 γR——抗力分项系数【 例 题 1 】【 例 题 1 】 某桥梁基础，基础埋置深度(一般冲刷以下)h＝5.2m，基础底面短边尺寸b＝2.6m。地基土为一般粘性土，天然孔隙比e＝0.85，液性指数IL＝0.7，土在水面以下的重度(饱和状态)γ0＝27kN／m3。 要求按《公路桥涵地基规范》： (1)查表确定地基土的容许承载力； (2)计算对基础宽度、埋深修正后的地基容许承载力。【 例 题 2 】【 例 题 2 】 某大学4幢教职工住宅楼，均为6层建筑。经岩土工程勘察结果，该住宅楼地基分为下列4层： 表层为人工填土，层厚1.0m～2.7m； 第②层为粉土层，层厚0m～2.7m； 第③层为粉砂层，层厚1.3m～2.9m； 第④层为粉质粘土，层厚超过6m。 对此粉质粘土层进行了标准贯入试验与轻型动力触探试验等原位测试，并取原状土进行了物理力学性试验。有关试验数据如下表所示，计算此粉质粘土的地基承载力。 粉质粘土层测试数据表承载力归总表 （多种方法综合确定）承载力归总表 （多种方法综合确定）2.4 刚性基础与扩展基础 的设计计算2.4 刚性基础与扩展基础 的设计计算要点： 地基承载力验算 基底合力偏心距 地基与基础稳定性 基础变形验算（沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜）null2.4.1 地基承载力验算——也称为按地基承载力来计算基底尺寸A1.中心受荷基础 图2.15 中心荷载作用下的基础因为：null ① 方形基础 ② 矩形基础 （需先选定b或l，一般取l/ b ＝1.0～2.0 ） ③ 条形基础 沿长度方向取l m计算，则： 2.4.1 地基承载力验算2.偏心荷载作用下2.偏心荷载作用下2.4.1 地基承载力验算Wx、Wy——基础底面对x轴和y轴的截面抵抗矩，m3 ex 、ey——荷载对x轴和y轴的偏心距，m 要求：图2.16 偏心荷载作用下的基础偏心荷载下逐次渐近试算法求A偏心荷载下逐次渐近试算法求A思路：先试算，后验算 步骤： ① 先按中心荷载作用下的公式预估A中 ② 取A偏 =（1.1～1.4） A中 ③ 据A偏初选边长l和b ④ 验算偏心距e和基底边缘最大压力； ⑤ 调整l 和b2.4.1 地基承载力验算null【例2.1】柱截面300mm×400mm，作用在柱底的荷载标准值：中心垂直荷载700kN，力矩80kN·m，水平荷载13kN。其他参数见图2.17 。 试根据持力层地基承载力确定基础底面尺寸。2.4.1 地基承载力验算null图2.17 例 题 题 图null【 解】 ① 求地基承载力特征值 根据粘性土e＝0.7， IL＝0.78,查规范表得：ηb＝0.3，ηd＝1.6 。 持力层承载力特征值fa(先不考虑对基础宽度进行修正)： null② 初步选择基底尺寸 计算基础和回填土重Gk时的基础埋深 d=1/2(1.0+1.3)=1.15m 由公式： 由于偏心不大，基础底面积按20%增大，即 初步选择基底尺寸 A=l×b=2.4×1.6=3.84m2(≈3.88m2)，且b=1.6m<3m，不需再对fa进行修正。null③ 验算持力层地基承载力 基础和回填土重 偏心距 满足。null基底最大压应力 ： （满足） 最后，确定该柱基础底面长l=2.4m ，宽b=1.6m。null验算思路：传递到软弱下卧层顶面处的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层的承载力，即： 式中 Pz——软弱下卧层顶面处的附加应力值 pcz——软弱下卧层顶面处土的自重应力值 fa——软弱下卧层顶面处经深度修正后的 地基承载力特征值 2.4.2 软弱下卧层的验算null2.4.2 软弱下卧层的验算图2.18 软弱下卧层顶面附加应力计算附加应力Pz的简化计算 ——压力扩散角法矩形基础：条形基础：式中 θ——地基压力扩散角，查规范表确定null【例2.2】图中柱基础荷载标准值， 若基础底面寸， 。试根据图中资料验算基础底面是否满足地基承载力要求。2.4.2 软弱下卧层的验算null图2.19 例题题图null2.4.3 基础与地基的稳定性验算 地基抗水平滑动的稳定性验算 基础倾覆稳定性验算 地基整体滑动稳定验算图2.20 地基抗水平滑动图2.21 贯入软土层深处的圆弧滑动面安全系数：null轴心荷载作用下基础结构设计（1）地基净反力pj 仅有基础顶面的荷载设计值所产生的地基反力。沿墙长度方向取1m计算，则图2.22 墙下钢筋混凝土条形基础 受力分析 在pj作用下，图中Ⅰ-Ⅰ截面弯矩与剪力：pjV 图M 图2.4.4钢筋混凝土扩展基础 结构设计1.墙下钢筋混凝土条形基础null（2）基础底板高度 由于基础内不配箍筋和弯筋，故基础底板高度由砼的抗剪切条件确定： （3）基础底板配筋 每米墙长的受力钢筋截面 面积： 式中 fy ——钢筋抗拉强度设计值 h 0——基础有效高度,0.9h0为截面内力臂的近似值。 式中 ft——砼轴心抗拉强度设计值 βh——截面高度影响系数2.4.4钢筋混凝土扩展基础 结构设计null图2.23 墙下钢筋混凝土条形基础的验算截面基础高度验算 如图，基础验算截面处的剪力：式中 a——验算截面Ⅰ-Ⅰ距基础边缘的距离剪力确定之后，基础有效高度h0由混凝土的抗剪条件确定。基础底板配筋 该配筋由验算截面处的弯矩M决定式中 pⅠ——计算截面的地基净反力弯矩确定后，就可计算出基础底板的配筋面积。 偏心荷载作用：2.柱下钢筋混凝土独立基础2.柱下钢筋混凝土独立基础基础底板厚度 ——由抗冲切验算定 中心荷载作用： 图2.24 冲切破坏示意图式中 Fj——地基净反力设计值，Fj=PjAl am——冲切破坏锥体最不利一侧计算长度偏心荷载作用时，将上式中的Pj换成Pjmax则可。基础底板配筋 ——由抗弯验算确定基础底板配筋 ——由抗弯验算确定在轴心荷载或偏心荷载 作用下，对于矩形基础， 当满足： 台阶宽高比α≤2.5 偏心距≤ 图2.25 矩形基础底板的计算示意图求出M后，由此可计算底板长、短边方向的受力钢筋面积AsⅠ和AsⅡ。null要求 s< [s] 式中 s——地基变形特征值，包括：沉降量、沉降差、倾斜、局部倾斜。按土力学中的方法计算 [s]——相应的允许地基变形特征值。它是根据建筑物的结构态度、使用条件和地基土的类别查规范而确定的2.4.5 地基变形验算1.基本概念null2.4.5 地基变形验算null2.4.5 地基变形验算null 3.建筑物的地基变形允许值4.减轻不均匀沉降损害的措施4.减轻不均匀沉降损害的措施(1) 采用柱下条形基础、筏基和箱基等结构刚度较大、整体性较好的浅基础 (2) 采用桩基或其他深基础 (3) 采用各种地基处理方法 (4)建筑、结构、施工方面的常用措施 2.4.5 地基变形验算减轻不均匀沉降损害的建筑措施减轻不均匀沉降损害的建筑措施 建筑体型力求简单 控制建筑物长高比及合理布置纵横墙 设置沉降缝 控制相邻建筑物基础的间距 调整建筑物的局部标高2.4.5 地基变形验算null图2.26 建筑物开裂实例图2.4.5 地基变形验算减轻不均匀沉降损害的建筑措施null (a)(b)适于混合结构房屋 (c)适于框架结构房屋 基 础 沉 降 缝null 减轻建筑物自重 设置圈梁 减小或调整基底附加压力 上部结构采用非敏感性结构 2.4.5 地基变形验算减轻不均匀沉降损害的结构措施null 图2.27 圈梁截面示意图 （a）钢筋混凝土圈梁 （b）钢筋砖带圈梁 2.4.5 地基变形验算减轻不均匀沉降损害的结构措施null 合理安排施工次序 注意施工方法 保持地基土的原状结构2.4.5 地基变形验算减轻不均匀沉降损害的施工措施