第7章天然地基上的浅基础设计(土力学与地基基础教案)

第7章天然地基上的浅基础设计一、知识点：7.1概述7.2地基、基础与上部结构相互作用的概念7.2.1基本概念7.2.2地基与基础的相互作用7.2.3上部结构刚度的影响7.3浅基础的若干类型7.3.1刚性基础7.3.2扩展基础7.3.3柱下条形基础7.4基础埋置深度的选择7.4.1与建筑物有关的条件7.4.2工程地质条件7.4.3水文地质条件7.4.4地基冻融条件7.4.5场地环境条件7.5地基承载力设计值7.5.1按土的抗剪强度指标确定7.5.2按地基载荷试验确定7.5.3按规范承载力表确定7.6浅基础的设计与计算7.6.1轴心荷载作用下基础底面积的确定7.6.2偏心荷载作用下基础底面积的确定7.6.3软弱下卧层的验算7.6.4地基变形验算7.7防止不均匀沉降损害的措施7.7.1建筑措施7.7.2结构措施7.7.3施工措施二、重点难点：一、重点：常用的刚性基础、扩展基础的设计方法。理解地基、基础与上部结构相互作用的概念。掌握浅基础的类型及适用条件；基础埋置深度的选择；地基承载力设计值；基础底面尺寸的确定；软弱下卧层地基承载力的验算方法。掌握刚性基础剖面尺寸确定及扩展基础的配筋计算。二、难点：地基、基础与上部结构相互作用的概念。地基承载力设计值；基础底面尺寸的确定；软弱下卧层地基承载力的验算方法。三、本章内容：§7.1概述按旧书204页讲，第一节全部讲完§7.2地基、基础与上部结构相互作用的概念7.2.1基本概念按旧书205页讲，讲到“以便阐明有关概念”7.2.2地基基础与上部结构的关系按新书206页讲，讲到“更好地设计地基基础方案”7.2.3基础刚度地影响建筑物基础的沉降、内力以及基底反力的分布，除了与地基因素有关外，还受基础及上部结构的制约。此处只限于考虑基础本身刚度的作用而忽略上部结构的影响。为了建立基本概念，以下先讨论柔性基础和刚性基础两种极端情况。一、柔性基础柔性基础的抗弯刚度很小。它好比放在地上的柔软薄膜，可以随着地基的变形而任意弯曲。基础上任一点的荷载传递到基底时不可能向旁扩散分布，就象直接作用在地基上一样；所以，柔性基础的基底反力分布与作用于基础上的荷载分布完全一致。如果假设地基是均质的弹性半空间，则可利用角点法求得柔性基础底面任意点的沉降。所得的计算结果以及工程实践经验都表明，均布荷载下柔性基础的基底沉降是中部大，边缘小[图7-14(b)]。由此可见，缺乏刚度的基础，由于无力调整基底的不均匀沉降，就不可能使传至基底的荷载改变其原来的分布情况。如果要使柔性基础底面的沉降趋于均匀，显然就得增大基础边缘的荷载，并使中部的相应减少，这样，荷载和反力就应该变成如图7-14(a)所示的非均布的形状了。二、刚性基础刚性基础具有非常大的抗弯刚度，受荷后基础不挠曲，因此，原来是平面的基底，沉降后仍然保持平面。如基础的荷载合力通过基底形心，则沿基底的沉降处处相同。这样，根据以上柔性基础沉降均匀时基底反力分布不均匀的论述，可以推断，中心荷载下刚性基础基底反力的分布也应该是边缘大，中部小，而当荷载偏心时，沉降后基底为一倾斜平面，由此可见，具有刚度的基础，在调整基底沉降使之趋于均匀的同时，也使基底压力发生由中部向边缘转移的过程．此处把刚性基础能跨越基底中部，将所承担的荷载相对集中地传至基底边缘的现象叫做基础的“架越作用”。7.2.4地基软硬的影响按新书208页讲述7.2.5上部结构刚度的影响一、上部结构完全柔性按新书208到209页讲二、上部结构绝对刚性烟囱、水塔、高炉、筒仓这类的高耸结构物之下整体配置的独立基础与上部结构浑然一体，使整个体系具有很大的刚度，当地基不均匀或在邻近建筑物荷载或地面大面积堆载的影响下，基础转动倾斜，但几乎不会发生相对挠曲。此外，体型简单、长高比很小，通常采用框架，剪力墙或简体结构的高层建筑，其下常配置相对挠曲很小的箱形基础、桩基及其它型式的深基础，也可以作为刚性结构考虑。对天然地基上的刚性结构的基础应验算其整体倾斜和沉降量。显然，随着地基抵抗变形能力的增强，考虑地基-基础-上部结构三者相互作用的意义也将相应降低。可以说：在相互作用中起主导作用的是地基，其次是基础，而上部结构则是在压缩性地基上基础整体刚度有限时起重要作用的因素。§7.3基础的划分和基础材料一、基础的划分按新书184页讲二、基础材料1、刚性基础的材料2、钢筋混凝土按新书184到185页讲§7.5浅基础的若干类型本节只介绍通常可按常规设计的三类浅基础。7.3.1刚性基础（无筋扩展基础(刚性基础)刚性基础是指使用砖、毛石、以及灰土获三合土等材料建成的基础，其特点是抗压性能好而抗弯性能差，适用于六层和六层以下（三合土基础不宜超过四层）的民用建筑和墙承重的厂房。其中用砖或毛石砌筑时，在地下水位以上可用混合砂浆，水下则应用水泥砂浆。荷载较大、或要减小基础构造高度(0H)时，可采用强度等级较低的混凝土基础，也可用毛石混凝土基础以节约水泥。我国华北和西北地区，环境比较干燥，还广泛采用灰土做基础。灰土是用石灰和土配制而成的。石灰以块状生石灰为宜，经消化1～2天后立即使用；土料用塑性指数较低的粘性土。在我国南方则常用三合土基础。灰土基础和三合土基础都是在基槽内分层夯实而成的。不配筋基础的材料都具有较好的抗压性能，但抗拉、抗剪强度却不高。新书187页接着讲到“扩展基础前”7.3.2扩展基础按新书188页讲7.3.3柱下条形基础按新书190页讲§7.4基础埋置深度的选择选择基础的埋置深度是基础设计工作中的重要一环，因为它关系到地基是否可靠、施工的难易及造价的高低。影响基础埋深选择的因素很多，但就每项工程来说，往往只是其中一、二种因素起决定作用。设计时要善于从实际情况出发，首先抓住主要因素进行考虑。基础埋置深度按下列条件确定：7.4.1与建筑物有关的条件某些建筑物需要具备一定的使用功能或宜采用某种基础型式，这些要求常成为其基础埋深选择的先决条件，例如必须设置地下室或设备层的建筑物、半埋式结构物、须建造带封闭侧墙的筏板基础或箱形基础的高层或重型建筑、带有地下设施的建筑物、或具有地下部分的设备基础等等。位于土质地基上的高层建筑，由于竖向荷载大，又要承受风力和地震力等水平荷载，其基础埋深应随建筑高度适当增大，才能满足稳定性要求。位于岩石地基上的高层建筑，常须依靠基础侧面土体承担水平荷载，其基础埋深应满足抗滑要求。输电塔等受有上拔力的基础，应有较大的埋深以提供所需的抗拔力。烟囱、水塔和筒体结构的基础埋深也应满足抗倾覆稳定性的要求。确定冷藏库或高温炉窑一类建筑物基础的埋深时，应考虑热传导引起地基土的低温(冻胀)或高温(干缩)效应。7.4.2工程地质条件直接支承基础的土层称为持力层，其下的各土层称为下卧层。为了保证建筑物的安全，必须根据荷载的大小和性质给基础选择可靠的持力层。上层土的承载力大于下层土时，如有可能，宜取上层土作持力层，以减少基础的埋深。当上层土的承载力低于下层土时，如果取下层土为持力层，所需的基础底面积较小，但埋深较大，若取上层土为持力层，情况相反。哪一种方案较好，有时要从施工难易、材料用量等方面作方案比较后才能肯定。当基础存在软弱下卧层时，基础宜尽量浅埋，以便加大甚底至软弱层的距离。在按地基条件选择埋深时，还经常要求从减少不均匀沉降的角度来考虑。例如当土层的分布明显不均匀或各部位荷载轻重差别很大时，同一建筑物的基础可采用不同的埋深来调整不均匀沉降量。对墙基础，如地基持力层顶面倾斜，必要时可沿墙长将基础底面分段做成高低不同的台阶状，以保证基础各段都具有足够的埋深。分段长度不宜小于相邻两段底面高差的l～2倍，且不宜小于lm。7.4.3水文地质条件选择基础埋深时应注意地下水的埋藏条件和动态。对底面低于潜水面的基础，除应考虑基坑排水、坑壁围护以及保护基土不受扰动等措施外，还应考虑可能出现的其他施工与设计问题，例如：出现涌土、流砂现象的可能性，地下水对基础材料的化学腐蚀作用，地下室防渗；轻型结构物由于地下水顶托而上浮的可能性；地下水浮托力引起基础底板的内力变化等。7.4.4地基冻融条件季节性冻土是冬季冻结，天暖解冻的土层，在我国分布很广。细粒土(粉砂、粉土和粘性土)冻结前的含水量如果较高、而且冰结期间的地下水位低于冻结深度不足1.5～2.0m，则有可能发生冻胀。位于冻胀区内的基础受到的冻胀力如大于基底以上的荷重，基础就有被抬起的可能，土层解冻融陷，建筑物就随之下沉。地基土的冻胀与融陷一般是不均匀的，容易导致建筑物开裂损坏。对于埋置于可冻胀土中的基础，其最小埋深mind应由下式确定：mind=frtdz0(7-5)式中0z(标准冻深)，t(采暖对冻深的影响系数)和frd(基底下允许残留冻土层的厚度)可按《建筑地基基础设计规范》的有关规定确定。对于冻胀性地基上的建筑物，规范还指明所宜采取的防冻害措施。7.4.5场地环境条件基础埋深应大于因气候变化或树木生长导致地基土胀缩、以及其他生物活动形成孔洞等可能到达的深度，除岩石地基外，不宜小于0.5m。为了保护基础，一般要求基础顶面低于设计地面至少0.1m。对靠近原有建筑物基础修建的新基础，其埋深不宜超过原有基础的底面，否则新、旧基础间应保留一定的净距，其值依原有基础荷载和地基土质而定，且不宜小于该相邻基础底面高差的1-2倍，不能满足上述要求时，应采取适宜措施以保证邻近原有建筑物的安全。如果基础邻近有管道或沟、坑等设施时，基础底面一般应低于这些设施的底面。濒临河、湖等水体修建的建筑物基础，如受到流水或波浪冲刷的影响，其底面应位于冲刷线之下。§7.5地基承载力设计值地基基础设计首先必须保证在荷载作用下的地基对土体产生剪切破坏而失效方面，应具有足够的安全度。为此，各级建筑物浅基础的地基承载力验算均应满足下列要求：p≤f(7-6)式中p—基础底面处的平均压力设计值，以传至基础底面的荷载按基本组合的设计值计算，f—地基竖向承载力设计值。地基竖向承载力(以后都简称承载力)设计值的确定方法可归纳为三类；1)根据土的抗剪强度指标以理论公式计算；2)按现场载荷试验的额e－p曲线（压缩曲线）确定；（书63页）3)按规范提供的承载力表确定。应当指出，这些方法是各有长短、互为补充的。必要时可以按多种方法综合确定，不过，确定的精细程度宜按建筑物安全等级以及地基岩土条件、结合当地经验适当选择，以免出现不必要的过份严格和无区别地随意简化这两种偏向。尤其是，如果掌握了这些方法，在实践中又能充分调查并合理利用当地已有的经验，往往只须通过不多的勘察测试工作，就能比较正确地确定地基承载力了。例如，在拟建建筑场地附近，常有不同时期建造的建筑物。调查这些原有建筑物的地基情况，基础型式和大小，上部结构的类型和构造、是否存在裂缝及其它损坏现象等等，对于新建筑物地基承载力设计值的确定具有很大的参考价值。进行这样的调查，也是锻炼我们处理地基基础问题实际能力的重要途径之一。7.5.1按土的抗剪强度指标确定一、规范推荐的理论公式对竖向荷载偏心和水平力都不大的基础来说，当荷载偏心距e≤b/30(b为偏心方向基础边长)时，还可以采用《建筑地基基础设计规范》推荐的式7-5计算。7.5.2按地基载荷试验确定在现场通过一定尺寸的载荷板对扰动较少的地基土体直接施荷，所测得的成果一般能反映相当于1—2倍载荷板宽度的深度以内土体的平均性质。这样大的影响范围为许多其它测试方法所不及。载荷试验虽然比较可靠，但费时、耗资而不能多做。规范只要求对一级建筑物采用载荷试验，理论公式计算及其它原位试验等方法综合确定，对于成份或结构很不均匀的土层，如杂填土、裂隙土、风化岩等，它则显出用别的方法所难以代替的作用。规范地基承载力表所提供的经验性数值也是以静载荷试验成果为基础的。有关载荷试验方法以及确定承载力和变形参数的内容已经分别在第三章和第六章中介绍，此处不再赘述。新书198页，“由于建筑物基础面积。。。。。”7.5.3按规范承载力表确定我国国家标准《建筑地基基础设计规范GBJ7—89》以各地区静载荷试验资料为基础，通过统计分析，对各类土建立了按野外鉴别结果、室内物理、力学指标，或现场动力触探试验