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1、土木工程专业基础工程课程设计指导书1前言1Ll地基基础设计的目的与任务11.2 地基基础的设计内容21.3 基础工程课程设计的基本要求32设计题目之某单层厂房柱下基础设计42.1 设计任务42.2 设计资料4221工程概况4222地勘资料62.2.3设计荷载113基础工程课程设计指南193.1 设计计算说明书的主要内容193.2 设计计算说明书的章节划分和内容组织193.3 设计和计算方法203.3.1 概述部分203.3.2 方案设计（或初步设计）213.3.3 技术设计（或详细设计）233.3.4 施工方案26规范及参考书271前言1.1 地基基础设计的目的与任务地基和基础是建筑体系的重要
2、组成部分。因为基础埋置于地基之中，两者之间密切相关，设计时必须认真考虑其相互间的影响，所以在实际工作中通常将两者合并在一起进行设计。地基基础设计的目的是根据上部结构的使用功能和结构形式在确定的场地条件下选择适宜的地基基础方案并确定其技术细节，使设计的地基基础在预定的使用期限内和规定的使用条件下能够安全正常地工作，在此基础上满足降低造价和保护环境的要求。地基基础设计的总体目标可以概括为：安全适用、技术先进、经济合理、确保质量和保护环境。地基基础设计的任务通常包含：1 .方案设计：目的是确定地基基础的技术方案，包括地基持力层的选取和基础结构形式的确定。2 .技术设计：包括地基检算和基础结构设计两者
3、。其任务是通过力学计算和结构措施两方面的手段来保证所设计的地基基础满足设计总体目标的要求。1.2 地基基础的设计内容地基基础的设计内容通常包括：1 .收集相关的设计资料，通常有：(1)上部结构的类型、安全等级和平面尺寸；(2)地基勘察资料；(3)作用于基础上的荷载的大小、性质、组合情况及作用位置。2 .初步确定地基基础的技术方案，包括：(1)选择地基类型和持力层。一般地，当天然地基能满足各项设计要求时，应优先选用天然地基，只有在天然地基不能满足要求时才考虑采用人工地基。持力层的选择及基础埋置深度的确定是一个复杂的问题，应综合考虑多方面的因素确定，在基础工程的教材中对此已有详细的论述，此处不赘述
4、；（2）根据上部结构的类型、荷载的大小与性质和地基持力层的承载力、埋置深度等因素决定基础的类型（浅基础或深基础，刚性基础或钢筋混凝土扩展基础等等）并初步确定基础的尺寸，选择基础的材料；（3）根据地质、水文和施工条件拟定施工方案，如基坑开挖的方式和基础的施工形式等。3 .地基基础的技术设计，包括：（1）采用浅基础时应进行下列设计和计算：1）地基检算，包括地基持力层和软弱下卧层的承载力检算，必要时还应进行基础沉降和地基基础的稳定性方面的检算；2）确定基础的平面尺寸和立面尺寸，使之满足相关要求；3）采用钢筋混凝土扩展基础、柱下条形基础等柔性基础时尚应计算基础的内力、检算基础的强度并配置钢筋；4）当上
5、述计算不能通过，或设计方案未达理想状态时调整设计方案，重新进行上述各项检算。（2）采用沉井基础时应进行下列设计和计算：1）确定沉井的平面形状，拟定沉井各部分尺寸；2）施工期间沉井下沉能力检算；3）考虑弹性抗力时沉井基础的整体检算；4）沉井结构强度检算（包括配筋）。（3）采用桩基础时应进行下列设计和计算：1）单桩承载力计算。应根据规范的规定采用相应的方法确定单桩的竖向承载力，对于承受水平荷载较大的桩基础，尚应确定单桩的水平承载力；2）根据桩基础的结构形式和受力情况选择适当的方法计算桩顶内力；3）检算单桩承载力是否满足要求；4）根据桩基础的结构形式和受力情况检算群桩基础的承载力，必要时计算基础的沉
6、降；5）当上述计算不能通过，或设计方案未达理想状态时调整设计方案，重新进行上述各项检算。当设计对象为建筑桩基础时，上述第3）步和第4）步可合并为一步。4.绘制施工图，计算工程数量，编制工程概预算。1.3基础工程课程设计的基本要求由于课时数的限制，在本次课程设计中只要求同学们完成上述设计任务中的一部分。这些题目均来源于工程实际，但根据基础工程课程教学的要求并结合同学们的实际情况进行了简化，目的是帮助同学们尽快上手，以期在课时有限的条件下达到更好的效果。通过本次课程设计，要求同学了解地基基础设计的全过程，掌握一种常用的基础结构和地基的设计计算方法，并具有一定的处理地基基础问题的能力。2设计题目之某
7、单层厂房柱下基础设计2.1设计任务本设计对象为某机械厂的装配车间。厂房基础顶面以上部分的建筑和结构设计工作已经完成。本课程设计的任务是完成柱下基础与地基的设计与检算。要求同学选择（或由任课教师分配）一个基础，按给定的条件完成相关的设计和计算工作，具体要求如下：1 .设计计算：（1）综合分析设计资料，对三种常用的房屋基础类型（刚性基础、钢筋混凝土扩展基础和桩基础）的技术合理性进行比较（限于课时，本次课程设计不考虑造价因素），选择较为合理的基础方案。确定所选柱下基础的类型，平面尺寸及埋深；（2）完成该基础（包括地基）的计算；（3）初步决定修筑基础的施工方案。2 .图纸：（1）基础总平面布置图（假定
8、所有基础均与自己设计的基础相同）；（2）基础结构图（应包含图纸说明和工程数量表）。3 .将上述成果整理成设计计算说明书。设计计算说明书应制作成WOrd文档。整个说明书应满足计算过程完整、计算步骤清楚、文字简明、符号规范和版面美观的要求，图纸应用CAD制作而且应该表达正确、布局合理和尺寸齐全。说明书用16开纸张打印，和图纸一起装订成册，交任课老师评阅。2.2设计资料2.2.1 工程概况该装配车间采用单层钢筋混凝土排架承重结构，设计跨度24m,柱距6m,车间内有2对30吨中级工作制桥式吊车。建筑平面图见图2-1。规定室内地面标高为土0.00,相当于黄海高程455.00m,室外地面标高为-0.15m
9、,柱顶标高为12.50m,轨顶图21装配车间平面图mm标高为9.80mo各柱在基础顶面处的截面形状为矩形，尺寸为：边柱Z1：长X宽=IooOX400mm；角柱Z2：长X宽=IoooX400mm；抗风柱Z3：长X宽=700x400mm；基础梁的横截面尺寸如图22,梁与柱之间的净距为20mm,置于柱子外侧的杯口基础上。图22基础梁的横截面尺寸2.2.2 地勘资料简化后的建筑场地“工程地质勘察报告”如下。XX工程地质勘察报告拟建工程为XX机械厂的装配车间，建筑场地位于该机械厂厂区内，厂房平面尺寸为42m24m,采用钢筋混凝土排架结构，结构的设计跨度为24m,柱距为6m。勘察工作按施工图设计阶段的要求
10、进行。自X年X月X日开始，至X年X月X日结束。共完成钻孔6个，并结合钻孔取原状土样XX个进行了室内土工实验。场地处地面平坦。拟建车间的西南角有一古河道，现己淤填。据钻探揭露，各地层的情况如下：第层：人工填土。分布于场地表面，以灰黑色粉土为主，伴有碎砖，炉渣等杂物的填土层。厚约0.51.2m,结构疏松，土质不均，平均天然重度为17.1kN.第层：粉质粘土。呈棕红色。除1#孔外各孔均有，厚度9.510.1m0硬塑可塑，土质较均匀。第层：粉土。呈褐黄色。仅在1#孔可见到，厚约3.3m,流塑。第层：淤泥。呈黑色，流塑。含大量有机质，有臭味。仅在1#孔见到，厚度约8.0r11o第层：粉质粘土。呈灰黄色，
11、仅在1#孔见到，厚约3.6m,夹有粉砂薄层，流塑。第层：粘土。呈黄黑色，各孔均可见到，没有钻透，据调查厚度在IOm以上。土质均匀，可塑硬塑。场区地下水属潜水，初见水位在2.53.1m深处，稳定水位在2.93.9m深处。地下水补给来源为大气降水，水位随季节变化，无侵蚀性。根据钻探及室内土工实验的情况分析，第层杂填土不宜用作建筑物地基。建议把基础埋置在强度较高的第层粉质粘土或第层粘性土中。其地基承载力标准值分别为：第层：=260kPa第层：=270kPa建议：受古河道影响的几个柱基采用桩基础；其余基础可采用柱下杯口单独基础。钻探点布置见图23,地质剖面见图2-4图2-6,土工试验成果见表21,地质
12、柱状图略。报告人：XXXX年X月X日图例4#11.5m钻孔位置钻孔编号钻孔深度地质剖面编号车间位置图2-3地质钻孔平面布置图I-I地质剖面图2-4().510.411.51454.40442.40-SZZ-轴线位置=4#1寸1454.800.610.711.5443.30图:22LI432.30厂房边线钻孔编号432.30绝对标高土层编号图2-6In-In剖面和图例2.2.3 设计荷载基础梁上的荷重（包括基础梁自重）按30kNm计算。各柱底（标高0.5m处）的内力设计值如下：(1)边柱Zl：(横向计算)M=265kN-mF=1400kNH=40kN(2)角柱Z2:(横向计算)M=350kN-m
13、F=100OkNH=65kN(3)抗风柱Z3:(纵向计算)M=200kN-mF=420kNH=35kN上述所谓纵向是指沿车间的长轴方向，横向是指沿车间的短轴方向。弯矩M以柱子的外侧受拉为正，剪力以指向车间内部为正。表2-1某机械厂装配车间土工试验成果报告试样编号取样深度/111土的分类名称天然含水量/%天然重度kNm3比重天然孔隙比液限/%塑限/%塑性指数液性指数压缩系数/MPa1内摩擦角粘聚力/kPa1孔-I3.00-3.40粉土32.919.52.720.85432.626.46.21.050.391605.62-25.00-5.40淤泥74.1115.62.661.97143.3123.
14、0120.32.641.126o30,1.20-39.00-9.40淤泥80.5915.22.682.18447.3126.0121.32.551.466。01.28-413.00-13.40粉质粘土29.0619.42.740.8130.4920.1710.320.8610.3323o39,5.96-516.60-17.00粘土26.120.22.750.71843.1520.6522.50.2420.2719o20,5.40-621.00-21.40粘土27.1219.72.730.78639.0821.7617.320.3090.2515o48,7.222孔-12.603.00粉质粘土2
15、4.420.12.70.68133.8121.3112.50.250.1925o15,6.22-28.00-8.40粉质粘土25.3520.32.710.68731.572110.570.4120.2216o55,8.64-311.00-11.40粘土25.5120.42.720.66937.7120.1117.60.250.1718o48.84-415.00-15.40粘土26.5919.92.70.71843.122.1920.910.210.2316o12,9.263孔-I5.00-5.40粉质粘土23.0820.12.710.62933.9620.0413.920.2180.2120o
16、15,6.224孔-14.10-4.50粉质粘土22.9419.92.730.68737.4323.9613.4700.2122o29,6.045孔-I7.507.90粉质粘土26.6420.12.720.74130.819.2711.530.6390.2320o27,7.26-213.10-13.50粘土28.9519.52.730.80548.329.6418.6600.2316o51,9.603基础工程课程设计指南由于同学们大多缺乏工程知识和设计经验，在开始阶段往往感到无从下手，为帮助同学们顺利完成本次课程设计，特编写了本课程设计指南，供参考。3.1设计计算说明书的主要内容设计计算说明书
17、通常应包含下述内容：（1）工程概况和设计任务。包括：工程名称，场地位置，上部结构的类型、尺寸，本人承担的课程设计任务；（2）地质勘察资料；（3）设计荷载；（4）方案设计。包括：基础选型，尺寸拟定，地基持力层的选取。需要阐明自己的思路和考虑的因素并列出必要的说明；（5）技术设计的过程。包括：计算项目，计算过程和计算结果，方案调整的理由和结果。需要阐明参数选取的理由、考虑的因素并列出必要的说明；（6）计算项目的一部分应编制程序上机计算，说明书中应列出框图、源程序和计算结果；（7）由设计结果形成的施工图，该图用CAD制作完成；（8）施工方案（初步）。包括：基础施工方式，主要施工机具，对浅基础尚应包括
18、基坑开挖方式和对于支挡结构的初步考虑。3.2设计计算说明书的章节划分和内容组织可参照下列方式进行设计计算说明书的章节划分和内容组织。第1章概述1.1 设计任务（包括：设计题目，工程名称，场地位置，上部结构的类型、尺寸，本人承担的课程设计任务）1.2 设计资料1.2.1 地基勘察资料（包括：场地描述，土层描述，土层剖面图，土性指标）1.2.2 设计荷载（列出设计荷载组合，包括荷载的数值，作用方向和位置,必要时辅以草图，荷载不完整时应补充计算）1.3 设计依据本次课程设计的依据为本课程设计指导书和相关规范。第2章方案设计（或初步设计）2.1 基础类型和尺寸（包括：基础型式的比较与选择，尺寸拟定，需
19、要阐明自己的思路，考虑的因素和必要的说明）2.2 地基持力层（包括：持力层选取，基础埋置深度。需要阐明自己的思路，考虑的因素和必要的说明）2.3 技术设计（或详细设计，以刚性扩大基础为例）3.1 地基检算3.1.1 地基承载力检算3.1.2 地基沉降计算（必要时进行）3.1.3 地基稳定性检算（必要时进行）3.2 基础立面设计3.2.1 基础高度计算（包括：立面尺寸计算，刚性角或台阶宽高比检算）3.2.2 基础置深度校核当采用的基础型式不是刚性扩大基础时，本章的形式和内容应作相应调整。设计结果应绘制成施工图。施工图以附图的形式装订于设计计算说明书的后面。第4章施工方案（初步）4.1 基础施工方
20、式（例如：浅基础的基坑开挖方式，是否需要降低水位，对于支挡结构的初步考虑，施工顺序等）4.2 主要施工机具（列出主要施工机具）3.3设计和计算方法以下按上述说明书的章节顺序讲述本课程设计的要求、设计方法和一些注意事项。1 .3.1概述部分在概述中应说明设计题目、设计任务的来源和内容、设计资料和设计的依据。设计依据除了本指导书外，尚可包括相关设计规范和技术手册。其余具体内容可参见4.2节。2 .3.2方案设计（或初步设计）鉴于同学们缺少施工技术、施工机械和施工组织方面的知识，亦不了解施工单位的技术和施工条件，这给基础方案的确定带来一定的困难。同学们可以根据自己掌握的知识,综合分析建筑场地的工程地
21、质和水文资料,考虑上部结构条件,对几种可能采用的基础类型进行比较，选择一个与上部结构的类型相匹配、适合于当地的水文地质条件而且施工难度不大的方案。建议从下面几个方面进行综合分析和比较：（1）上部结构的类型及荷载大小；（2）场地处的地质和水文条件；（3）基础结构的优势和局限性；（4）施工难易程度。以下是几种常用基础的方案设计内容与方法。3 .刚性基础（1）拟定基础的形式和尺寸1）确定基础埋深及基顶标高，并说明理由；2）拟定基础立面形式及平面尺寸拟定立面尺寸时应注意满足刚性角或台阶宽高比的要求，此外还应检查是否满足最小埋置深度的要求。（2）荷载计算题目给定的荷载只计算到柱底或河床面，所以在基础的尺
22、寸初步拟定后应计算作用于基底的荷载，以便检算地基承载力。对于柱下基础，作用于基底的荷载等于作用于柱底的荷载加上基础自重、基础上覆土的自重和由基础梁传来的压力。对于桥墩基础，应考虑：1）题目所给荷载作用位置以下的墩身和基础的自重；2）各种水位情况下墩身及基础所受浮力（是否计浮力视持力层的透水性而定，只考虑题目所给荷载作用位置以下部分）；3）台阶以上覆盖土的重力。将全部外力简化至基底中心，建议列表计算。（3）地基基础的检算1）地基强度检算（包含持力层强度和软弱下卧层强度）桥墩基础的最不利荷载组合为纵向主+附两孔满载（低水位）。2）基底偏心距检算桥墩基础有此项检算，最不利荷载组合为纵向主+附一孔轻载
23、（低水位）。3）基础倾覆和滑动稳定性检算桥墩基础有此项检算，最不利荷载组合为纵向主+附一孔轻载（高水位）。方案设计时各检算项目允许留有较多的安全储备，给以后技术设计时留下余地。4 .钢筋混凝土扩展基础本基础类型仅用于柱下独立基础。方案设计时的计算项目（除刚性角不作要求外）与刚性基础相同。5 .沉井基础（1）确定沉井的平面形状并拟定沉井各部分尺寸；6 2）施工期间沉井下沉能力检算D沉井结构自重及所受浮力；2）井壁摩擦力；3）下沉能力检算若下沉困难，要考虑调整方案或研究采用的措施。（3）荷载计算1）基础自重及所受浮力；2）河床下墩身自重及低水位墩身浮力；3）井顶上覆盖土重。全部外力简化至局部冲刷线
24、处基础截面中心，考虑纵向主+附两孔满载（低水位）和纵向主+附一孔重载（低水位），建议列表计算。（4）考虑弹性抗力时沉井基础的检算1）基底压应力和基础横向抗力检算最不利荷载组合为纵向主+附两孔满载（低水位）。2）墩顶水平位移检算最不利荷载组合为纵向主+附一孔重载（低水位）。7 .桩基础（以桥梁桩基础为例）（1）选定桩基类型考虑桩基为高承台还是低承台，考虑采用打入桩还是钻孔桩，确定设计为端承桩还是摩擦桩。（2）选择桩材与桩径；（3）拟定承台底面和顶面标高以及平面形状、尺寸；（4）估算桩长和桩数1）按纵向主+附两孔满载（低水位）将全部外力简化至承台底面中心；2）拟定桩长：a.柱桩：桩尖需插入硬层一定
25、深度。b.摩擦桩：求出门材，试求桩长，使门上接近月材。3）确定桩数。（5）配合承台设计进行桩的布置；（6）按低承台简化计算法初步检算单桩承载力。房屋建筑的桩基础一般均能满足低承台桩基础的简化算法的要求，可按简化算法进行计算，具体可参考教材。1 .3.3技术设计（或详细设计）基础方案确定后，同学们可以参照方案设计中所用的结构尺寸，对不满意处适当修改和细化后进行基础的结构计算，但不必重复初步设计的内容。当检算结果不满足要求时需进行方案调整，直至满足各项要求。计算项目的一部分应编制程序上机计算，说明书中应列出框图、源程序和计算结果。以下是几种常用基础的技术设计内容与方法。2 .刚性基础（1）确定基础
26、的形式和尺寸检查方案设计的结果是否满意，如未达理想状态可加以调整，调整时应注意满足基础刚性角和最小埋置深度的要求。（2）荷载计算如果基础的形式和尺寸未调整，可直接应用方案设计的结果，否则应重新计算。（3）地基基础的检算1）地基强度检算（包含持力层强度和软弱下卧层强度）；2）基底偏心距检算；3）基础倾覆和滑动稳定性检算如果基础方案未调整，上述检算可直接应用方案设计的结果，否则应重新计算。4）地基沉降计算5）杯口部分的构造车间的承重柱为预制结构，故基础应设置杯口，杯口的尺寸和配筋可采用标准配置，具体可参考李克钏主编基础工程第二版p60p.62或建筑地基基础设计规范GB50007第8.2.5条和8.
27、2.6条。请同学们注意，当检算不通过或安全系数偏大而造成浪费时，需重新设计，直至满足既安全又经济的要求。3 .钢筋混凝土扩展基础技术设计时的计算项目与刚性基础基本相同，但应增加基础自身强度的检算如下述。（1）抗弯计算抗弯计算的主要目的是为基础配置钢筋。（2）抗冲切计算抗冲切计算的目的是检算基础的厚度是否足够。（3）杯口部分的构造杯口部分的构造同刚性基础。4 .沉井基础检查方案设计的结果是否满意，如未达理想状态可加以调整，如需加以调整,则应重新计算方案设计中的相关内容，然后补充进行沉井基础的结构计算。（1）底节沉井检算1）竖向抗裂性检算；2）内隔墙强度检算；（2）刃脚内外侧竖直钢筋计算1）配筋：
28、最小配筋率不小于0.05%；2）向外弯曲时内力计算；3）向内弯曲时内力计算；4）内外侧钢筋配置。（3）刃脚水平钢筋计算1）内力计算；2）配置钢筋一般根据弯矩配置钢筋。如按构造配筋，应检算素混凝土的弯曲应力是否小于混凝土的容许弯曲应力值。（4）井壁水平钢筋检算1）内力计算；2）配置钢筋一般根据弯矩配置钢筋。如按构造配筋，应检算素混凝土弯曲应力是否小于混凝土的容许弯曲应力值。（5）井壁竖直钢筋检算D竖向最大拉力计算；2）检算纯混凝土的拉应力是否小于容许值，考虑是否配筋。（6）封底混凝土计算。（7）顶盖计算。以上各项计算方法可参考文献4或相关手册的沉井算例。4.桩基础（以桥梁桩基础为例）（1）拟定桩
29、基础各部分尺寸详细拟定桩基础各部分的尺寸，如与方案设计时相同，本步可略。（2）荷载计算取用纵向主+附两孔满载（低水位）和纵向主+附一孔重载（低水位）两种荷载组合，简化至承台底面中心。（3）计算变形系数a；（4）计算刚度系数。1、。2、。3和。4；（5）电算求解承台变位小儿和桩顶内力M、Hi、M;（6）绘制桩身弯矩图，剪力图和桩侧土的横向抗力图；（7）单桩的轴向承载力检算；（8）桩身配筋计算1）按桩身的最大弯矩配筋，也可将桩分为两段分段配筋。当桩身弯矩较小时可按构造配筋；2）按稳定性检算桩的承载力；3）按材料强度检算桩的承载力。（9）桩基承载力检算；（10）墩基水平位移检算最不利荷载组合为纵向主
30、+附一孔重载（低水位）。（11）桩与承台的联结强度检算。以上各项计算方法可参考文献4或相关手册的桩基算例。当桩基础能满足低承台桩基础的简化算法的要求时，可按简化算法进行计算，具体可参考教材。房屋建筑的桩基础一般均能满足低承台桩基础的简化算法的要求。5.施工图绘制设计结果应表示为施工图。图纸统一用标准A3图幅（297mm420mm）o标题栏的形式如下：东南大学土木工程学院班级姓名（图名）指导教师日期标题栏长度设计为150mm,左起第一栏长100mm,第二栏和第三栏各长25mm；高度设计为30mm,各行均分。图纸内容如下：（1）设计题目之一1）基础平面布置图；2）杯口基础的平、立面图或桩基础的平、立面图（包括配筋图）。（1）设计题目之二1）基础结构图；2）基础配筋图。当采用刚性基础时，第二张图纸为基础施工图，包括施工程序示意图及主要机具设备示意图。各图纸应包括图纸说明和工程数量表。4.3.4施工方案根据设计基础的具体情况，提出施工工序，施工方法，施工机具，以及施工中的注意事项。估计工程数量和材料用量。
