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1、第二章 浅基础设计,陈 立 宏 北京交通大学土建学院隧道与岩土工程研究所,博士 副教授,2.1 概述2.2 基础设计一、埋深的确定二、基础尺寸的确定三、基础的结构设计2.3 减轻不均匀沉降危害的措施2.4 地基基础可靠性分析2.5 基础的设计算例,第二章 建筑工程刚性基础与扩展基础,2.1 概述,预备知识：基础工程分类一、设计原则二、设计内容三、设计依据四、设计步骤,预备知识：地基基础分类,一、天然地基与人工基础二、基础的分类三、浅基础的分类,下卧层,持力层（受力层）,地基Ground,基础Foundation,F,G,上部建筑Construction,F,G,d,埋深d：q=d:均布荷载,持
2、力层（受力层）,下卧层,地基,基础,地基与基础,主要受力层,一。地基分类,一、天然地基与人工地基天然地基:未处理的天然状态的地基。人工地基:人工处理过的地基,二。基础分类,浅基础:埋深小于5m，或者埋深大于5m，但是小于基础宽度。采用基坑法施工深基础:埋深大于5m，且一般采用特殊方法施工。桩基础：桩承台,两侧（四周）的摩阻力忽略不计。所以不是简单的深浅概念。,三。浅基础的分类,（一）按基础刚度分刚性（无筋扩展）基础扩展基础（二）按基础的结构型式分：独立基础、条形基础、箱型基础、筏型基础、壳型基础,（一）按基础刚度分,刚性基础砖、石、灰土，素混凝土材料抗拉强度很低有基础台阶宽高比（刚性角）要求,
3、1:1.0 1:1.5与材料和荷载有关,（一）按基础刚度分,扩展基础(柔性基础)钢筋混凝土要满足抗弯,抗剪和抗冲切等结构要求,(二)按基础的结构形式分类,1独立基础:柱下或墙下（土质较好）,Individual footing,pad foundation,2 条型基础,墙下条形基础,柱下（一般是土质差）,Strip foundation,十字交叉基础（条形基础的变种）,柱下:土质差,或荷载很大,四面单独基础相互相连,4 筏形（筏板）基础,柱下（土质更差,单独基础联成整体）,特殊要求：荷载、防渗游泳馆平板式、梁板式：筏下可以有肋,板下地基土有时需要处理,Mat foundation,5 箱形基
4、础,由底板、墙和顶板形成箱，整体性更好,底板,外墙,内墙,6壳体基础：高耸建筑物,2.1 概述,一、设计原则二、设计内容三、设计依据四、设计步骤,一、设计原则,1.安全性 基础强度、地基土强度（承载力）2.可用性 沉降、差异沉降、倾斜、耐久性3.耐久性4.经济性,二、设计内容,1.结构材料、型式2.基础埋深3.基础尺寸4.基础结构：配筋、构造。5.方案比选,三、设计依据,规范各种相关地质、水文、建筑物、材料供应、施工技术水平等等,GB 50007-2002 建筑地基基础设计规范TB10002.1-99铁路桥涵设计基本规范,四、设计步骤,1.收集必需资料2.确定基础所受荷载3.确定基础埋深4.确
5、定基础尺寸5.结构设计6.进行各种强度、承载力以及沉降的验算7.经济技术比较，方案优化,2.1 概述2.2 基础设计一、埋深的确定二、基础尺寸的确定三、基础的结构设计2.3 减轻不均匀沉降危害的措施2.4 地基基础可靠性分析2.5 基础的设计算例,第二章 天然地基上的浅基础,22 基础设计埋深确定,一、基本原则在满足承载力的条件下尽量浅埋。省工省时省料，但是有如下基本要求：除岩石以外，D大于50cm,（表土扰动，植物，冻融，冲蚀）基础顶距离表土大于10cm，保护,（二）结构要求,1.地下室，地下管道（上下水，煤气电缆）应在基底以上，便于维修要求地下室,作用:提高承载力减少变形（补偿基础）,F,
6、2.新旧及相邻建筑物有一定距离否则要求支护并且要严格限制支护的水平位移L/H=12,L,H,（二）结构要求,3.基础埋深不同时(1)主楼与裙房,高度不同,分期施工设置后浇带(2)台阶式相连,如山坡上的房屋,L/H=12,（二）结构要求,（三）地基及地质水文条件,1.地下水位以上,否则开挖降水,费用大扰动2.土层分布情况(1)浅基础还是深基础(桩基础)(2)天然还是人工地基(3)如果是天然地基,基础埋深的确定 根据底层分布,软土(很深),在满足其他要求下尽量浅埋,只有低层房屋可用,否则处理,尽量浅埋但是如h1太小就为II,I II,h1 4m桩基或处理,（三）地基及地质水文条件,IV,III,（
7、四）冻土,1928-1929 Casagrande做了较深入的研究,美国北部:冰深45cm,冻胀13cm,=8%12%,60%110%,冰透镜达13cm,1.冻胀危害及机理,（1）冻胀及冻拔 地面隆起(不均匀)翻浆,融陷,强度降低如果冻结深度大于融沉，称为永冻土,毛细水,土颗粒,结合水,冰,冻胀中的水分转移,冻胀丘Pingo,冬季季节融化层，由上而下和由下而上冻结，过水断面缩小，冻结层上水处于承压状态，同时冻结过程中水分发生迁移产生聚冰层。随冻结面向下发展，当冻结层上水的压力大于上覆土层强度时，地表就发生隆起，便形成冻胀丘。,黑龙江地区：冻胀引起的房屋开裂,2 发生冻胀的条件,（1）土的条件
8、一般是细颗粒土。砂土的毛细高度小，发生冰冻体积膨胀，孔隙水排走，骨架不变。太细的土，水分供应不及时，冻胀也不明显。（2）温度条件 低于冻结温度（3）水力条件含水量，具有开放性条件，如粉土冻胀最严重,3 按冻胀的地基分类（四类）,不冻胀 岩,砾,粗中细砂，较干的其他土 粉砂 14%地下水位1.5m 粉土 19%2.0m 粘性土 p+2 2.0m,弱冻胀,粉砂 14%地下水位 1.5m 14%19%1.5m 粉土 19%2.0m 19%22%2.0m 粘性土 p+2 2.0m p+2 p+5 2.0m,冻胀 粉砂 14%19%地下水位 1.5m 19%1.5m粉土 19%22%2.0m 22%26
9、%2.0m 粘性土 p+2 p+5 2.0m p+5 p+9 2.0m,强冻胀 粉砂 19%地下水位 1.5m 粉土 22%26%2.0m 26%粘性土p+5 p+9 2.0m p+9,4.考虑冻胀的基础埋深,冻胀 dmin=z0t-dfr*z0 标准冻结深度是多年实测最大冻结深度的平均值*t 采暖系数由于采暖实际冻深减少与室内外地面高差及位置有关*dfr 残留冻土厚度，指允许留有一定冻土厚度,北京 1.0m哈尔滨 2.0m满洲里2.5m,采暖影响系数t,室内高于室外，h大 采暖的影响小，t=1.0房屋中段t小，角段大不采暖的房屋(仓库)，t=1.1，因为不见阳光,h,残留冻土厚度dfr,强冻
10、胀 dfr=0冻胀 dfr=0.15z0 t弱冻胀 dfr=0.17z0 t+0.26,埋深选择要点总结,基础埋置深度，简称埋深，指从室外地面标高算起至基础底面的深度。选择基础埋深是基础设计工作中的重要一环，它关系到地基是否可靠、施工难易及造价高低。在满足地基稳定和变形要求的前提下，基础宜埋浅，除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。建筑功能结构要求工程地质、水文地质条件地基冻胀,2.1 概述2.2 基础设计一、埋深的确定二、基础尺寸的确定三、基础的结构设计2.3 减轻不均匀沉降危害的措施2.4 地基基础可靠性分析2.5 基础的设计算例,第二章 天然地基上的浅基础,二 基础设计尺寸确定,1、基
11、础上荷载计算上部结构F：结构自重 屋面荷载 楼面荷载 活荷载折减基础自重G：设计地面高程（内外地面平均值）荷载组合情况,F M,F,F H,F M,H,工民建一般为前两种情况，横向力不大，只做校核桥涵基础通常需计算横向力的影响,G,G,G,G,1、基础上荷载计算,G为基础及其台阶上填土的平均重度，通常采用20 KN/m3,G,2、承载力的确定,承载力的设计值的确定fk 特征值,f设计值确定f的方法(4种),载荷试验公式计算物性+查表工程类比,（1）荷载试验,通过载荷试验确定地基承载力特征值,fa=pu/F,荷载试验包括浅层平板荷载试验、深层平板试验及螺旋板荷载试验pu为荷载试验的极限承载力F为
12、安全系数，一般取23取fa的平均值为fak考虑深度和宽度修正，计算承载力设计值,b6m按6m,砂土3m按3m综合分析确定,承载力修正系数,(2)理论公式,通过公式计算fv=Mb b+Md 0d+McckfvP1/4当荷载偏心距（为偏心方向基础边长）时，可以采用建筑地基基础设计规范推荐的、以地基临界荷载为基础的理论公式来计算地基承载力特征值,承载力系数,(3)规范查表,按野外鉴别结果、室内物理、力学指标，或现场动力触探试验锤击数查取地基承载力特征值的表格，这些表格是将各地区荷载试验资料经回归分析并结合经验编制的 砂土承载力特征值（kPa）,(4)工程类比,在拟建场地附近，常有不同时期建造的各类建
13、筑物。调查这些建筑物的结构类型、基础形式、地基条件和使用现状，对于确定拟建场地的地基承载力具有一定的参考价值。在按建筑经验确定承载力时，需要了解拟建场地是否存在人工填土、暗浜或暗沟、土洞、软弱夹层等不利情况。对于地基持力层，可以通过现场开挖，根据土的名称和所处的状态估计地基承载力。这些工作还需在基坑开挖验槽时进行验证。,(I)一级建筑物,高、重、重要（20层）,通过载荷试验,通过公式计算fv=Mb b+Md 0d+McckfvP1/4,(II)一部分特殊二级建筑物,例如6、7层以上高层主要通过公式计算fv=Mb b+Md 0d+Mcck,(III)一般的二级建筑物（普通民用楼）,物性和承载力表
14、确定fk,中心荷载*荷载F+G G=Ad,是基础加土的平均容重=20KN/m3*承载力设计值f（暂不做宽度修正）,*基底面积F+G=Af,3、底面积A的确定,4、长和宽的确定,(I)单独刚性基础blA,确定b,l,F,l,l0,b0,b,bt,h,(II)条形基础 取单位长度,确定基础宽度,F,h,bb0+2htg 确定h砖墙:承重墙b 6070cm,b0为24,37,48cm 非承重墙b 50cm,偏心荷载,以柱下独立基础为例（1）按中心荷载确定底面积A1,(2)考虑偏心A=(1.11.4)A1 根据偏心大小根据A初步确定b和l,F M,e,F+G,(III)扩展基础,埋置深度和平面尺寸的确
15、定方法与刚性基础相同基础高度较小,F,验算,初步确定了埋深和尺寸后,需要一系列验算：持力层承载力软弱下卧层承载力沉降,5、承载力验算,根据初步确定的埋深d与b，确定f(1)中心荷载,3、承载力验算,(2)偏心荷载 高层建筑(筏,箱基)考虑地震可能出现eb/6,此时pmin0,M,实际基底与土之间不能传递拉应力，基底压应力分布如图。一部分脱开。要求3a0.75b，即脱开面积小于25%以上条件不满足时*增加A*增加l,减少b,A不变*采用不对称柱,e,采用不对称柱,6、软弱下卧层承载力验算,基底平均压应力 p=(F+G)/A 基底原自重应力 c0gd基底附加应力 p0=p-c0扩散角：与Es1/E
16、s2及z/b有关,F,P-c0,d,z,c0,cz,软土,Es1,Es2,当持力层下有软土时，需验算,软弱下卧层顶部附加应力 承载力只做深度修正，不做宽度修正,地基扩散角,z=0.25b z=0.5b,3 6o 23o,5 10o 25o,=Es1/Es2,10 20o 30o,5、沉降验算,一级和部分二级建筑，在满足承载力要求外，还要验算沉降大部分二级建筑物查表确定承载力，无需验算沉降，表213变形允许值，表214,沉降计算,(1)基本原理:分层总合法,方法:土力学中讲过的任何方法,e-p,logp,Es 规范为方便采用“附加应力系数法”有应力的量纲(2)计算最终沉降S=Si 计算深度 S
17、0.025S,z0,zi-1,zi,Hi,zi,b,(3)地基最终沉降,S=sSs沉降计算经验系数,因为在前面计算中,忽略了侧向变形及取样扰动s=1.40.2,(1)与土质软硬Es有关,是多层平均值,(2)与基底净附加应力p0/fk的大小有关,沉降不满足时,修改设计,增大尺寸(减少p0)增加埋深(减少p0),尤其增加地下室-补偿基础地基处理调整荷载,6 稳定性验算,倾覆；沿基础底面滑移；基础与地基一起整体失稳。一般工民建建筑物通常不进行稳定性验算,7、抗震验算,动荷载和抗震承载力拟静力法,2.1 概述2.2 基础设计一、埋深的确定二、基础尺寸的确定三、基础的结构设计2.3 减轻不均匀沉降危害的
18、措施2.4 地基基础可靠性分析2.5 基础的设计算例,第二章 天然地基上的浅基础,2.2 基础设计结构设计,基础高度的确定扩展基础的结构设计,1、高度的确定,(1)单独刚性基础blAbb0+2htg,l l0+2htg满足d h+0.1m,确定b,l 和h,=45o(1:1)30o(1:2),F,l,l0,b0,b,bt,h,(2)条形基础 取单位长度,确定基础宽度,F,h,bb0+2htg 确定h砖墙:承重墙b 6070cm,b0为24,37,48cm 非承重墙b 50cm,扩展基础的4种破坏形式,扩展基础的4种破坏形式,纯剪切破坏构件试验表明，受弯矩和剪力共同作用的，纯剪不起控制作用斜压破
19、坏出现条件：F大，跨度小实际不起控制作用，不必验算斜截面剪切破坏条基：剪压破坏单独基础：冲切破坏弯曲破坏,(3)钢筋混凝土柱下基础,(3)钢筋混凝土柱下基础,抗冲切验算：中心荷载钢筋混凝土柱下基础一般只在地板的底面处配抗弯钢筋,Pe:地基净反力Ac：冲切锥外阴影部分面积,bm为冲切锥体破坏面上边周长和下边周长的平均值，m,偏心荷载,（4）墙下钢筋砼条形基础,高度满足剪切要求,2、弯曲破坏,（1）基础底板内力简化计算，悬臂板,中心受压,S,b,b,l,a,2、钢筋混凝土柱下基础,偏心受压,3、构造要求,自学,2.1 概述2.2 基础设计一、埋深的确定二、基础尺寸的确定三、基础的结构设计2.3 减
20、轻不均匀沉降危害的措施2.4 地基基础可靠性分析2.5 基础的设计算例,第二章 天然地基上的浅基础,2.4 减轻不均匀沉降危害的措施,建筑措施结构措施施工措施,体型简单控制长高比设置沉降缝控制间隔调整标高,2.4 减轻不均匀沉降危害的措施,建筑措施结构措施施工措施,减轻自重设置圈梁调整基底应力加强基础刚度选用适应不均匀沉降的结构,2.4 减轻不均匀沉降危害的措施,建筑措施结构措施施工措施,合理工序减少土体扰动防止不利影响,2.1 概述2.2 基础设计一、埋深的确定二、基础尺寸的确定三、基础的结构设计2.3 减轻不均匀沉降危害的措施2.4 地基基础可靠性分析2.5 基础的设计算例,第二章 天然地
21、基上的浅基础,Risk=V*Probability风险失效后果*概率,风险与可靠度,可靠度分析 研究影响结构稳定性的材料、荷载等各项参数的变异特征 计算结构的可靠度指标和失效概率,风险,风险失效后果失效可能性,风险与可靠度,Casagrande(1965)风险,风险作为一种用来包含和评估工程实践中诸多不确定和无法预测因素而导致工程失事的一种手段时，是所有岩土工程中先天固有的,1970s 概率方法和可靠度进入岩土工程领域80s 大发展时期我国建筑、水利、铁道、港口、公路等专业规范的“转轨”,安全系数,极限状态设计法,失效概率,传统方法,2000，国际大坝会议将“风险分析在大坝安全和管理中的应用”
22、作为专题（问题76）开展了讨论(Stewart,2000)，共收到22个国家的48篇论文。2000,墨尔本,世纪岩土工程会议(GeoEng 2000)，各国家和各学术机构开始编制有关风险分析的指导手册、规范,风险与可靠度,1965 Casagrande 1970s 概率方法和可靠度进入岩土工程领域80s 大发展时期,澳大利亚，荷兰。,风险与可靠度,1.可靠度分析基础,可靠度：通常是指在一段时间内，一定荷载条件作用下，完成预定功能或系统运行正常的一种度量。功能函数 式中X为一向量，其中分量xi(i=1,2,n)为影响系统可靠度的n个随机变量,g(x)0，系统安全g(x)0，系统“破坏”或“失效”
23、g(x)=0,系统达到极限运行状态g(x)=0称为系统的极限状态方程,失效概率：系统“破坏”或“失效”（g(x)0）的概率,Y:荷载,x:抗力,可靠度指标b,定义 PF失效概率 标准正态分布函数 b 为折减变量空间原点到 失效面的最短距离,2.1 概述2.2 基础设计一、埋深的确定二、基础尺寸的确定三、基础的结构设计2.3 减轻不均匀沉降危害的措施2.4 地基基础可靠性分析2.5 基础的设计算例,第二章 天然地基上的浅基础,2.5 基础的设计算例,要求掌握基础设计过程、方法,例题1,某厂房柱的截面尺寸ab=600mm400mm,由柱传给基础地面处（0.00）的竖向荷载设计值F=800KN，沿长
24、边a方向的力矩设计值M=220KNm,且水平荷载设计值H=50KN。基础埋置深度2.0m，又已知地质资料为：地表下第一层为杂填土，厚度2m，其天然重度为=17.6KN/m3，第二层土为粉质粘土，天然重度为=19.4KN/m3，其承载力标准值为fk=210KPa,1)确定基础底面尺寸；2）若粉质粘土的承载力修正系数为b=0，d=1.6，检算地基的承载力；3)刚性基础，计算基础高度4）扩展基础的高度如何确定5）假设粉质粘土厚为3m，其下为软土，重度18KN/m3，承载力修正系数为b=0，d=1.60，扩散角为15o，验算下卧层承载力,参考答案：1）先按中心荷载估算基底面积 A1=F/（f-d）=8
25、00/（210-202）=4.71m2 考虑偏心荷载作用，将基底面积扩大1.21.3倍，现取1.3，A=1.3A1=6.12m2 现采用3m2m的基础 2）检算地基的承载力 f=fk+b(b-3)+0d(d-0.5)=210+1.617.6(2-0.5)=252.2KPa G=d A=20232=240KN,M=220+502=320KNmpmax=(F+G)/A+M/W=(800+240)/(32)+320/(1/6232)=173.3+106.7=280KN0p=(F+G)/A=173.3KNf=252.2 满足要求3）采用砖体材料时，基础高度应按照允许刚性角（台阶宽高比）的要求确定采用钢
26、筋混凝土材料时，基础高度应满足抗冲切验算的要求,例题2,某工厂厂房设计框架结构独立基础。地基土分3层：表层人工填土，天然重度，层厚0.8m；第层为粉土，层厚1.2m；第层为粘土，层厚8.6m。基础埋深d2m，位于第层粘土顶面。上部荷载N1600kN，M400kNm，水平荷载Q50kN，作用在粉土层顶。设计柱基底面尺寸。,思考题,甲乙两座基础埋深一致，地基反力相同，甲的基础面积是乙的4倍，请问两者的沉降孰大孰小？为什么宽大的基础，例如箱筏基础等都是沉降控制设计？,案例分析1,在北京拟建一20层高楼,筏基计划放置在砂砾石地基上，其承载力270kPa,但是开挖到设计基底高程时，发现尚有12m的软弱土层，承载力为160kPa。施工技术人员在软弱土层上用水泥掺土夯实作了一层70cm厚的垫层，经1m1m承压板的载荷试验，结果达到270kPa，问此地基可否直接用于建上述高层建筑的筏板基础。,小 结,浅基础分类基础设计应力计算地基承载力埋深的确定底面尺寸高度和配筋构造要求减轻不均匀沉降的措施可靠度设计思想,小结,基础底面面积确定持力层承载力验算软弱下卧层承载力验算沉降验算高度确定刚性基础：刚性角扩展基础：冲切验算结构设计构造要求扩展基础：弯矩配筋,
