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1、同济大学地下建筑与工程系袁聚云,基础工程设计原理,2-1,第二章（1）,第一节.概述第二节 浅基础的类型第三节 基础的埋置深度补充材料 地基承载力(土质学与土力学 第九章)第四节 地基承载力的确定及验算 第五节 基础底面尺寸的确定第六节 地基的变形验算第七节 地基基础的稳定性验算第八节 减轻不均匀沉降危害的措施,第二章 浅基础设计的基本原理,第一节.概述,第二章 浅基础设计的基本原理,1.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的基础称作浅基础。,2.浅基础的荷载传递,上部结构,基础,应力和变形,地基,荷载,基底压力,3.地基基础设计考虑的
2、主要因素,基础设计时，除须保证基础结构本身具有足够的强度和刚度外，同时还须选择合理的基础尺寸和布置方案，使地基的反力和沉降在允许的范围之内。因此，基础设计包括地基与基础两部分，又常称为地基基础设计。,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。,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
3、性也不同，因此针对具体问题需要采取不同的解决方法。,地基基础设计是一项极其复杂且细致的工作，为了能找到最为合理和最为有利的设计方案，必须综合考虑这些相互关联的因素，才能做到精心设计。,第二节 浅基础的类型,一、无筋扩展基础,定义：通常由砖、块石、毛石、素混凝土、三合土和灰土等材料建造的基础。,特点：抗压性能较好，但抗拉、抗剪强度不高。,设计要求：发生在基础内的拉应力和剪应力不超过其材料强度设计值。可通过限制基础外伸宽度与基础高度的比值来实现。,设计要求：在宽高比的限制下，基础相对高度一般较大，几乎不会发生弯曲变形，此类基础习惯上称之为刚性基础。,应用范围：无筋扩展基础可用于六层和六层以下（三合
4、土基础不宜超过四层）的民用建筑和砌体承重的厂房。,无筋扩展基础又可分为墙下条形基础和柱下独立基础。,（a）墙下条形基础；（b）柱下独立基础图2-1 无筋扩展基础分类（d为柱中纵向钢筋直径）,在桥梁基础中，通常采用如图2-2所示的刚性扩大基础。,图2-2 桥梁工程中常用的刚性扩大基础,二、钢筋混凝土扩展基础）,当刚性基础的尺寸不能同时满足地基承载力和基础埋深的要求时，则需则需采用钢筋混凝土扩展基础。钢筋混凝土扩展基础具有较好的抗剪能力和抗弯能力，通常也称之为柔性基础或有限刚度基础。,特点：具有较好的抗剪能力和抗弯能力。,设计要求：采用扩大基础底面积的方法来满足地基承载力的要求，但不必增加基础的埋
5、深；选择合适的基础材料、高度与配筋来满足基础抗剪和抗弯要求。,钢筋混凝土扩展基础种类：独立基础、条形基础、筏板基础、箱形基础和壳体基础等。,基础底面形状：轴心受压柱下一般为正方形，偏心受压柱下一般为矩形。,1.柱下钢筋混凝土独立基础,钢筋混凝土独立基础主要是指柱下单独基础。常见于桥梁工程、工业厂房等。,截面形式：现浇台阶形或锥形基础和预制柱杯口形基础。,图2-3,2.钢筋混凝土条形基础,分为墙下条形基础、柱下条形基础和十字交叉条形基础。,墙下条形基础：横截面积根据受力条件又可分为不带肋和带肋两种。可看作是钢筋混凝土独立基础的特例，其计算属于平面应变问题，只考虑在基础横向受力发生破坏。,图2-4
6、,2.钢筋混凝土条形基础,柱下条形基础：当地基承载力较低且柱下钢筋混凝土独立基础的底面积不能承受上部结构荷载时，常把若干柱子的基础连成一条，构成柱下条形基础。目的是将承受的集中荷载较均匀地分布到条形基础底面积上，以减小地基反力，并通过形成的基础整体刚度来调整可能产生的不均匀沉降。一个方向的单列柱基连在一起便成为单向条形基础。,图2-5,2.钢筋混凝土条形基础,十字交叉条形基础：当单向条形基础的底面积仍不能承受上部结构荷载时，可将纵横柱基础均连在一起，构成十字交叉条形基础。十字交叉条形基础可承担10层以下民用住宅。,图2-6,图2-7,3.筏板基础,3.筏板基础,当地基承载力低，而上部结构的荷重
7、又较大，以至于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，或相邻基槽间距很小时，可采用钢筋混凝土满堂基础即筏板基础。,筏板基础有更大的整体刚度，有利于调整地基的不均匀沉降，较能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。筏板基础分为平板式和梁板式两种类型。,筏板基础可在六层住宅中使用，也可在50层的高层建筑中使用，如美国休斯敦市的52层壳体广场大楼就是采用天然地基上的筏板基础，它的厚度为2.52m。,平板式筏基是一块等厚度（不得小于200mm）的钢混平板；,梁板式筏基是在筏板上沿柱轴纵横向设置基础梁而形
8、成。,图2-8,4箱形基础,箱形基础是由钢筋混凝土底板、顶板、侧墙、内隔墙组成，形成一个整体性好、空间刚度大的箱体。箱形基础比筏板基础具有更大的抗弯刚度，可视为绝对刚性基础，产生的沉降通常较为均匀。适用于软弱地基上的高层、重型或对不均匀沉降有严格要求的建筑物。与筏板基础比较，箱形基础的地下室被分割，空间较小，而筏板基础的地下室空间则较大。箱形基础埋深较深，基础空腹，卸除了基底处原有的地基自重压力，因此大大地减小了作用于基础底面的附加应力，减少建筑物的沉降，这种基础又称之为补偿基础。,箱形基础的材料消耗量较大，施工技术要求高，且还会遇到深基坑开挖带来的问题和困难，是否采用，应与其他可能的地基基础
9、方案作技术经济比较后再确定。,4箱形基础,常用于筒形构筑物（如烟囱、水塔、粮仓、中小型高炉等）的基础，主要有M型组合壳、正圆锥壳和内球外锥组合壳三种形式。,5、壳体基础,壳体结构的内力主要是轴向压力，这就充分利用了混凝土结构受压性能好的特点，因而具有材料省和造价低等优点。根据工程实践统计，中小型筒形构筑物的壳体基础，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，一般情况下在壳体基础施工时不必支模，土方挖运量也较少。但是，施工技术则要求较高，目前主要用于筒形构筑物的基础。,除以上介绍的主要类型基础外，还有不少其它类型的基础，如不埋式薄板基础、无筋倒圆台基础、折板
10、基础等。,5、壳体基础,第三节 基础的埋置深度,基础埋置深度(简称埋深):基础底面到天然地面的垂直距离。,确定浅基础埋深的原则：凡能浅埋的应尽量浅埋；除岩石地基外(至少0.1m)，最小埋深不宜小于0.5m(主要是考虑到基础的稳定性、动植物的影响等因素)；为保护基础，基础顶面一般不露出地面，要求基础顶面低于地面至少0.1m；水下基础考虑到水流冲刷的影响(应将基础埋置在冲刷深度以下)；要求满足地基稳定性和变形条件。影响基础埋深的因素很多，应综合考虑以下几个方面：,(1)建筑物的用途和荷载性质 基础埋深的选择取决于: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。,对于高层建筑
11、，为了满足稳定性要求，减少建筑物整体倾斜，防止倾覆和滑移，在地震区，基础埋深不宜小于建筑物高度1/15。对于受有上拔力的结构（如输电塔）基础，也要求有较大的埋深以满足抗拔要求。当管道与基础相交时，基础埋深应低于管道，并在基础上面预留足够间隙的孔洞，以防止基础沉降压坏管道。与基础刚度也有关，如用砖石等脆性材料砌筑的刚性基础，为了防止基础本身材料的破坏，基础的构造高度往往很大，因此刚性基础埋深要大于钢筋混凝土柔性基础。对于桥墩基础，其基础顶面应位于河流最低水位以下，其埋置深度还应考虑河床的冲刷深度。,如果有地下室，则基础埋置深度受地下室空间高度的控制，一般埋深较深；如有地下设施，基础埋置深度还决定
12、于设施的空间要求。,(2)工程地质和水文地质条件,我国沿海软土地区多为沉积土，沉积土在沉积过程中条件变化大，土层性质变异很大。软土的特点是：土层松软、孔隙比大、压缩性高、强度低，层厚大，属于不良地基。以下的软土地区应特别注意：上海、福建、宁波、天津、连云港、温州等地区。根据工程地质条件选择合适的土层作为基础的持力层是确定基础埋深的重要因素。持力层：直接支撑基础的土层称为持力层。下卧层：持力层以下的各土层称为下卧层。软弱下卧层：其承载力明显小于持力层的下卧层。地基持力层应尽可能选择承载力高而压缩性小的土层，当持力层下存在软弱下卧层时，应同时考虑软弱下卧层的强度和变形要求。,通常在选择基础埋深时大
13、致会遇到以下几种情况：1）在整个压缩层范围内均为承载能力良好的低压缩性土层，此时基础埋深可按满足建筑功能和结构构造要求的最小值选取。2）地基上部为软弱土层而下部为良好土层情况，当软弱土层厚度较小(小于2m)时，宜选取下部良好土层作为地基持力层；当软弱土层厚度较大时，应从施工技术和工程造价等方面综合分析天然地基、人工地基或深基础形式的优劣，从中选出合适的基础形式和埋深。3）浅层土为良好的地基持力层而其下为软弱下卧层(软土地区地表普遍存在23m的“硬壳层”)，此时基础应尽量浅埋，即采用所谓的“宽基浅埋”形式，软弱下卧层的强度及沉降控制要求对基础埋深的确定影响很大。,4）在整个压缩层范围内均为高压缩
14、性的软弱土层，此时不宜采用天然地基作为持力层，可对天然地基进行地基处理后，再考虑建筑功能和结构构造要求选定基础埋深。5）如果在持力层下埋藏有承压含水层时，选择基础埋深必须考虑承压水的作用，以免在开挖基坑时，坑底土被承压水冲破，从而引起突涌或流砂现象。,(3)考虑相邻建筑物基础埋深的影响,如果新建的建筑物与已有的相邻建筑物距离过近，为保证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置深度。如果新建的建筑物荷载很大，而基础埋深又深于相邻原有建筑物的基础埋深，解决的办法是：设计时考虑与原有建筑物之间保持一定的距离，其数值与荷载大小及土质条件有关，一般取相邻两基础底面
15、高差的12倍。如不能满足上述要求，则必须采取其它可靠的加固和支护措施。,(4)考虑地基土冻胀和融陷的影响,在寒冷地区，地面下一定深度范围内的土会产生冻结，形成冻土。由于土在冻结时体积膨胀，产生冻胀现象。细粒土层（粘土、粉土、粉砂）有冻胀的特点。,如基础埋置在冻结深度范围内，则在冬天因冻胀而上抬，造成门窗不能开启，严重的甚至引起墙体开裂。到了春夏季节，冻土溶化以后强度降低，产生融陷现象，基础下陷。为了防止产生上述不利的影响，必须将基础埋置在冻结深度以下。季节性冻土层厚度一般在50cm以上，最厚达3m。冻胀影响因素：土粒径大小、土中含水量以及地下水补给的可能性等。,对于结合水含量极少的粗颗粒土，因
16、不发生水分迁移，故不存在冻胀问题。在相同条件下，粘性土的冻胀性比粉砂严重得多。细粒土的冻胀与含水量有关，如果冻胀前，土处于含水量很少的坚硬状态，冻胀就很微弱。冻胀程度还与地下水位高低有关，若地下水位高或通过毛细水能使水分向冻结区补充，则冻胀较严重。,根据野外冻胀观测和建筑物的调查，可将季节性冻土按土的类别、冻前天然含水量、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离、平均冻胀率等将地基土的冻胀性分为不冻胀、弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀五类，见表2-2。,季节性冻土地基的设计深度zd可按下式计算：,式中：zd设计冻深；z0标准冻深。系采用在地表平坦、裸露、城市之 外的空旷场地中不少于10年实测最大冻深的
17、平均值；zs土的类别对冻深的影响系数，按表2-3(a)；zw土的冻胀性对冻深的影响系数，按表2-3(b)；ze环境对冻深的影响系数，按表2-3(c)。,对于不冻胀地基，基础的埋深可不考虑冻胀深度的影响。对于弱冻胀、冻胀、强冻胀和特强冻胀的基础最小埋深，可按下式计算：,式中 dmin 基础最小埋深；hmax基础底面下允许残留冻土层的最大厚度，按表2-3(d)查取。当有充分依据时，基底下允许残留冻土层厚度也可根据当地经验确定。满足基础最小埋深是防止冻害的一个基本要求，在冻胀较大的地基上，还应根据情况采取相应的防冻措施。,补偿基础概念 为了减小拟建建筑物的沉降量，选用补偿基础是一种很好的基础型式。建
18、筑物的沉降是与建筑物基底附加压力成正比的，因此，理论上当建筑物基底附加压力为零时，建筑物的沉降也为零。基底附加压力p0公式为：,式中,作用在基底的荷载，kN；,基础底面积，m2；,基础的埋深，m；,埋置深度内土重度的加权平均值，kN/m3。,此时作用在基础底面的附加压力p0等于零，亦即建筑物的重力等于基坑挖去的总土重，这样的基础称为全补偿基础；,因此，只能通过增加基础埋深来减小基底附加压力p0，若基础的埋深d 达到：,当建筑物的设计确定后，基底总压力p也相应确定了。,大于，,则称为部分补偿基础。以上二者统,称为补偿基础。,补偿基础的埋深一般很深，若在强度很低的软土中开挖深基坑，深基坑开挖过程中的一切可能发生的问题均需要引起注意，如坑壁的稳定问题，坑底回弹问题等均需要验算。,
