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1、基础工程Foundation Engineering,第一部分天然地基浅基础设计,河北工程大学资源学院,第一部分 天然地基浅基础设计,第一章 地基基础设计原则与规定第二章 天然地基上的浅基础设计第三章地基基础与上部结构共同工作概述,第一章 地基基础设计原则与规定,一、有关基础的几个概念二、地基基础组合三、地基基础设计原则与要求四、地基变形特征与容许变形值五、建筑物安全等级与地基设计规定六、地基基础设计方法七、地基基础设计步骤（内容）,一、有关基础的几个概念,F,G,d,（埋深）,持力层,下卧层（承载力小）,地基,基础,do,Co,基顶,P,设计地面,1基础埋深（d）从设计地面（一般从室 外地面
2、算起）到基础底面的距离。2基顶埋深(do)基顶到设计地面的距离。要求：do1015cm（美观、保护基础）3基顶宽度（Co）基顶外缘到墙面或柱面 间的距离。4基础高（厚）度基础顶底面之间的距离。,5基础的作用 支撑上部结构（承受荷载）传递上部荷载（传给地基）扩散上部荷载（应力扩散）上受建筑物荷载 F 轴力基础 基础内力 剪力 下受地基反力 P 弯矩 6基底反力 P=F+G p=(F+G)/A,承上启下,第一章 地基基础设计原则与规定,一、有关基础的几个概念二、地基基础组合三、地基基础设计原则与要求四、地基变形特征与容许变形值五、建筑物安全等级与地基设计规定六、地基基础设计方法七、地基基础设计步骤
3、（内容）,二、地基基础（组合）方案类型 多数建筑物都涉及到地基、基础与上部结构三者的组合关系，只是组合类型不同而已。若不管上部结构，仅考虑地基基础两方面，就有如下四种组合方案：,天然地基,人工地基,浅基础,深基础,人工地基上浅基础,人工地基上深基础,天然地基上深基础,天然地基上浅基础,第一章 地基基础设计原则与规定,一、有关基础的几个概念二、地基基础组合三、地基基础设计原则与要求四、地基变形特征与容许变形值五、建筑物安全等级与地基设计规定六、地基基础设计方法七、地基基础设计步骤（内容）,三、地基基础设计原则与要求,（一）设计原则1建筑结构的功能要求为了保证建筑物的安全、稳定和正常使用，建筑结构
4、可靠度设计统一标准（GB 50068-2001）规定，建筑结构应满足如下功能要求：（1）安全性能承受在正常施工和正常使用过程中可能出现的各种作用。（结构荷载、施工荷载等）（2）适用性在使用过程中应具有良好的工作性能。（3）耐久性在正常维护条件下应能满足使用年限。（4）稳定性在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必须的整体稳定。,2地基基础设计要求建筑物的地基基础和上部结构是共同工作的，基础作为建筑物的下部结构，必须满足上述要求，基础设计原则为：设计基础应保证其本身有足够的强度、刚度和耐久性。（一旦破坏将危机整个建筑，隐蔽工程）地基承受建筑物全部荷载，一旦破坏，基础与上部结构都会发生不同程度的位移、
5、变形甚至破坏，因而地基也应适应建筑物的设计要求，地基的设计原则为：设计地基要有足够的强度、稳定性和不过量的变形。设计地基基础要因地制宜，就地取材。,三、地基基础设计原则与要求,（二）设计要求遵照上述设计原则，地基计算应按下列要求进行：1地基承载力（1）中心荷载 p f式中：p 基底面处的平均压力设计值（KN/m2）；f 地基承载力设计值（KN/m2）。,（2）偏心荷载除满足（1）的要求外，尚应满足：pmax1.2f,pmin0式中：pmax、pmin分别为基底边缘的最大和最小压力设计值（kN/m2）,2地基变形 S S（正常使用极限状态）3稳定性(对受水平荷载或建于斜坡及倾斜地层上的建筑物或构
6、筑物)KMr/Ms 1.2,地基变形值,地基允许变形值,滑动力矩,稳定系数,抗滑力矩,第一章 地基基础设计原则与规定,一、有关基础的几个概念二、地基基础组合三、地基基础设计原则与要求四、地基变形特征与容许变形值五、建筑物安全等级与地基设计规定六、地基基础设计方法七、地基基础设计步骤（内容）,四、地基变形特征与容许变形值,（一）地基变形特征,由于不同类型的建筑物变形特征不同，对地基变形的适应性也不同，因而计算变形时，要考虑不同建筑物采用不同的地基变形指标来比较和控制。,地基规范将地基变形依其特征分为四种：1沉降量基础中点的沉降值。2沉降差基础两点或两相邻单独基础沉降量之差。3倾斜基础在倾斜方向上
7、两端点的沉降差与其距离的比值。即tg=（S1-S2）/b4局部倾斜砌体承重结构沿纵墙610m内基础两点的沉降差与其距离的比值，即tg=（S1-S2）/L,椐调查分析，砌体结构墙体开裂多由于墙身局部倾斜过大所致，所以当地基不均匀，荷载差异大，建筑体形复杂时，就要验算墙身的局部倾斜。,（二）地基容许变形值1概念：正常使用条件下，建筑物所能承受的变形限度。2地基容许变形值 为了找出不同建筑物所能承受的变形限度，地基规范根据大量常见建筑物系统沉降观测资料，经过计算分析，总结出各类建筑的容许变形值。见58页，表221。,表中对不同建筑物分别列出了沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜的变形指标的容许值，地基设计
8、时应遵照执行。,作为建筑物的地基，首先应满足强度和变形两个条件。但在实际地基计算时，为了减少不必要的工作量，并不是对所有建筑物地基都进行变形验算，而是根据建筑物的安全等级、地基强度和建筑类型的具体情况来确定的。,第一章 地基基础设计原则与规定,一、有关基础的几个概念二、地基基础组合三、地基基础设计原则与要求四、地基变形特征与容许变形值五、建筑物安全等级与地基设计规定六、地基基础设计方法七、地基基础设计步骤（内容）,五、建筑物安全等级与地基设计规定,（一）建筑物安全等级建筑物破坏后都会造成一定的不良后果，只是严重程度不同而已。地基规范根据地基失效，造成建筑物破坏后果（危机人的生命，造成经济损失、
9、社会影响及修复的可能性）的严重程度，将建筑物划分为三个安全等级：,建筑物安全等级,地基基础设计等级(P35),（二）变形验算的规定 根据建筑物安全等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基设计应符合下列规定：1对各级建筑物地基均应进行承载力计算；2设计等级甲级和乙级的建筑物均应按地基变形进行设计。（准永久组合荷载）3表27（P36）所列的丙级建筑物（符合特殊条件的除外），可不做变形验算；,可不作地基变形计算的丙级建筑物范围,4对于表27所列范围以外的建筑物及表27以内符合下列特殊条件之一者，应进行地基变形验算。,（1）地基承载力小于130KPa,且体形复杂的建筑；（2）在基础上及其
10、附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，引起地基产生过大的不均匀沉降时；（3）软弱地基上的相邻建筑物距离过近可能发生倾斜时（4）地基内有厚度较大或厚度不均的填土，其自重固结未完成时。,第一章 地基基础设计原则与规定,一、有关基础的几个概念二、地基基础组合三、地基基础设计原则与要求四、地基变形特征与容许变形值五、建筑物安全等级与地基设计规定六、地基基础设计方法七、地基基础设计步骤（内容）,满足如下要求：1、承载力2、变形3、稳定4、基础本身（强度、刚度、耐久性、抗裂）,设计基本原则,两种极限状态设计,承载能力极限状态：以结构内力（地基荷载）超过其承载能力为依据各种失稳、结构破坏。正常使用极限状态：
11、以结构（地基）的变形、裂缝、振动参数（老化蠕变）的限值为依据。有时，间接通过应力控制（例如最大塑性深度的限制容许承载力）,六、地基基础设计方法,(一)三种设计理论,容许承载力法单一安全系数可靠度设计,1、容许承载力理论,承载力：塑性区开展范围：临塑荷载Pcr，临界荷载P1/4,，s/b（载荷试验）、计算公式荷载：标准值（组合）,F,塑性区,1、容许承载力理论,在载荷试验中可以由其比例界限确定；按一定沉降比人为规定，例如s/b0.002在理论计算中可以由塑性区发展理论中的临塑荷载pcrp1/4、p1/3确定。按容许承载力理论确定的承载力，其沉降一般也会满足要求，常常不需进行沉降验算。在这种设计中
12、，工程的安全性和可靠性是无定量的概念的。因而是一种经验的设计方法。其设计荷载可取为标准值或标准组合。,2、极限承载力理论安全系数法,承载力：极限承载力公式、平板载荷试验的极限值/安全系数（23）荷载采用标准值（组合）,2、极限承载力理论安全系数法,在这一理论方法中，其安全程度用单一的安全系数K表示，但这一安全系数反映多大的失事概率是不得而知的。,对于地基承载力问题，单一安全系数法的一般表达式为：,定值设计法,长期的经验的积累合理的综合判断工程的类比合理的反算,3、极限承载力理论分项系数,承载力：采用标准值除以承载力分项系数荷载：荷载效应组合的代表值分项系数设计值S（基本组合）,r、rR-分项系
13、数；r0-结构重要性系数0.91.1,3、极限承载力理论分项系数,基于可靠度理论的分项系数设计方法也是一种极限状态设计方法。由于工程中的荷载和抗力都是随机变量，有多少可能使荷载大于抗力而失事是一个随机事件，破坏的概率（可能性）决定于两个随机变量的均值（众值，中值及某个分位值）及其分布。,可靠度,其失事概率可用可靠度指标表示。如3.0,可靠度,这种设计理论能够明确地给出安全与失效的概率，然后通过经济、社会、技术的风险分析，给出最合理的设计值。所以是一种最科学合理的设计理论与方法，为国内外工程设计所广泛采用。我国颁布的建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）规定，对于各种结构设计应遵
14、循该理论方法。,岩土工程的不确定性,土层剖面与边界的不确定性现场与实验室岩土指标的不确定性现场应力与孔隙水压力的不确定性外加荷载及其分布的不确定性计算理论和方法的不确定性应力变形的机理不清楚。,(二)、荷载计算,1 极限状态：结构或者结构的一部分超过某一特定状态，而不能满足设计规定的某一功能要求时，这一特定状态为结构对于该功能的极限状态。（1）承载能力极限状态：一般是结构的内力超过其承载能力为依据；（2）正常使用极限状态：一般是以结构的变形、裂缝、振动参数等超过设计允许的限值为依据。,2 荷载种类：,永久荷载（恒荷载）：（1）不随时间变化(自重）；（2）变化与均值比可忽略（设备）；（3）单调变
15、化并趋于极值（正常水压力）：结构及基础自重、固定设备重量、土压力、正常稳定水位的水压力可变荷载（活荷载1）：变化与均值比不可忽略：屋面、楼面、吊车、雪、风荷载偶然荷载（特殊荷载、活荷载2）：在结构使用期间不一定出现，一旦出现其值很大，持续时间很短：地震、撞击、爆炸、,3荷载的代表值,（1）标准值：基本代表值，为设计基准期内最大荷载统计分布的特征值（如：均值、众值、中值）（2）组合值：对于可变荷载，组合超越概率与其出现概率相同（等于标准值）如：1台风设防地震最大楼面荷载（3）频遇值：对于可变荷载，超越概率为规定的较小比率；（4）准永久值：对于可变荷载，在设计基准期内，其超越的总时间为设计基准期一
16、半的荷载值。（人群活荷载沉降）,p,S：荷载,R：抗力,标准值,荷载与抗力的取值,4荷载与承载力的设计值,荷载S代表值分项系数（大于1）抗力R代表值/分项系数（大于1）,5 荷载效应：指在一定的外荷载作用下，在一定设计对象中的作用：轴力、水平力、力矩,基础上荷载及荷载效应,上部结构F、M、H：结构自重 屋面荷载 楼面荷载 活荷载基础自重G：设计地面高程（内外地面平均值）,F M,F,F H,F M,H,一般为前两种情况，横向力不大，只做校核,基础上荷载及荷载效应,6 荷载组合：按极限状态设计时，为保证结构的可靠性对于同时出现的各种荷载设计值的规定。,基本组合：承载能力极限状态设计时，永久作用与
17、可变作用的组合；（分项系数）偶然组合：承载能力极限状态设计时，（永久作用）（可变作用）（一个偶然作用）的组合；（大于基本组合）标准组合：正常使用极限状态设计时，采用标准值，（或组合值）为荷载代表的组合；（频遇组合）：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载，采用频遇值（或准永久值）为荷载代表的组合：（永久组合标准值）（主导可变荷载频遇值）（伴随可变荷载的准永久值）准永久组合：正常使用极限状态设计时，对于可变荷载，采用准永久值为荷载代表的组合,（1）基本组合荷载效应组合的设计值,（1）由可变荷载控制时：SQ1k:在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,（2）由永久荷载控制时：,组合值系数c1,rG
18、永久荷载分项系数11.2、1.3,Qi可变荷载,（2）标准组合荷载效应组合的设计值,SQ1k:在所有可变荷载中产生最不利荷载效应的一个,组合值系数c,（4）准永久组合荷载效应组合的设计值,准永久值系数q,民用建筑楼面均布活荷载的各种代表值,建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）中的规定,（1）按地基承载力确定基础底面积及埋深，传至基础底面上的荷载应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。承载力采用特征值。,组合值系数c,（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的荷载效应的准永久组合。不应计入风荷载和地震荷载。相应的限值应为地基变形的允许值。,准永久值系数q
19、,（3）在确定基础或承台高度、支挡结构高度、计算它们的内力、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反力，采用承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。,（a）由可变荷载控制时：,组合值系数c,（b）由永久荷载控制时：,组合值系数c,（c）对于由永久荷载控制的基本组合，也可采用简化规则：,R:结构构件抗力的设计值Sk:荷载效应的标准组合值,（4）计算挡土墙、地基或斜坡稳定基滑坡推力时，荷载效应，按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1：,组合值系数c,GB50007-2002的设计理论应用,地基承载力容许承载力稳定分析单一安全系数结构计算可靠度的分项系数,几种荷载组合的应用,地基承载力标准组合稳定分析基本组合，分项系数1，（单一安全系数法）结构设计基本组合沉降计算准永久组合,第一章 地基基础设计原则与规定,一、有关基础的几个概念二、地基基础组合三、地基基础设计原则与要求四、地基变形特征与容许变形值五、建筑物安全等级与地基设计规定六、地基基础设计方法七、地基基础设计步骤（内容）,
