天然地基基础设计.ppt

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1、第五章,天 然 地 基 上 的 浅 基 础,清华大学水利系岩土所 2006年4月,5.1 概述 5.2 基础埋置深度 5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定 5.4 地基承载力验算和变形验算 5.5 抗震设计 5.6 基础结构设计 5.7 共同作用概念 5.8 减轻不均匀沉降危害的措施,本章目录,5.1 概述,几个概念：,5.1 概述,基础类型：,天然地基上的浅基础,桩基础,人工地基上的浅基础,深基础,换土垫层，水泥土桩、碎石桩复合地基等,人工地基：,埋深5m,特殊方法施工,考虑侧壁阻力作用,沉井基础沉箱基础,桩基础也属深基础,浅基础：埋深小于5m，或者埋深大于5m，但是小于基础宽度。两侧（四周

2、）的摩阻力忽略不计。所以不是简单的深浅概念。,5.1 概述,主要受力层,持力层（受力层）,下卧层,条形基础 3b 独立基础 1.5b 且 5m （二层以下民用建筑除外）,主要受力层深度：,浅基础的类型,按基础刚度分,无筋扩展基础（刚性基础）,单独基础（独立基础）、条形基础、筏型基础、箱型基础、壳型基础,按结构形式分,扩展基础（柔性基础）,5.1 概述,按基础刚度分,无筋扩展基础,扩展基础 (柔性基础),1:1.0 1:2.0 与材料和荷载有关,砖、石、灰土，素混凝土 材料抗拉强度很低 要求基础台阶宽高比（刚性角）符合一定条件,钢筋混凝土 要满足抗弯、抗剪和抗冲切等结构要求,5.1 概述,按基础

3、结构形式分,1 单独基础,2 条形基础,5.1 概述,3 十字交叉基础,条形基础的变种,5.1 概述,4 筏形（筏板）基础,5.1 概述,5 箱形基础,由底板、墙和顶板形成箱，整体性更好,5.1 概述,6 壳体基础,高耸建筑物,5.1 概述,5.1 概述,设计要求,满足：承载力、变形要求,设计内容,确定：埋深、型式、结构尺寸（长 宽 高）、材料,验算：承载力、变形、结构本身强度,设计规范,1 建筑地基基础设计规范（GBJ7-89）,2 建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）,5.1 概述,设计等级,02规范：,设计等级,甲级,乙级,丙级,设计方法,允许（容许）承载力设计方法,极限状态

4、设计方法,承载能力极限状态,正常使用极限状态,5.1 概述,荷载规定,荷载 分类,永久荷载,可变荷载,偶然荷载（特殊荷载）：爆炸力、撞击力,建筑结构荷载规范（GB50009-2001）,荷载的标准值,荷载的准永久值,5.1 概述,荷载组合,基本组合,标准组合,准永久组合,正常使用极限状态下的承载力验算,正常使用极限状态下的变形验算，不记入风荷载和地震作用,水平荷载较大的建筑物、挡土墙等，承载力极限状态下的稳定验算,5.1 概述,民用建筑楼面均布活荷载的代表值,类别,住宅 宿舍 办公室 教室 试验室,食堂 餐厅,礼堂 剧场 影院,商店车站 机场大厅,健身房 舞台,书库档案库,标准值 (KN/m2

5、),组合值系数c,准永久值系数q,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,5.0,0.7,0.7,0.7,0.7,0.7,0.9,0.4 0.5,0.5,0.3,0.5,0.5,0.8,5.2 基础埋置深度,原则：,在满足承载力的条件下尽量浅埋,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 桥要求在冲刷深度以下,其它控制因素,5.2 基础埋置深度,1 建筑物的用途、结构类型及荷载性质与大小,地震区，除岩石地基外，天然地基的筏形和箱形基础埋深不宜小于建筑物高度的1/15,地下管道（上下水，煤气电缆）应在基底以上，便于维修,基础埋深不同时

6、(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,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。,5.2 基础埋置深度,2 工程地质和水文地质条件,尽量在地下水位以上,否则开挖降水,费用大,有承压水时，防止承压水顶破基底,5.2 基础埋置深度,根据土层分布情况确定,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,h1 5m桩基或处理；,5.2 基础埋置深度,3 地基土的冻胀,5.2 基础埋置深度,冻土,多年冻土（冻结时间3年）,季节性冻土,发生冻胀的条件,（1）土的条件 一般是细颗粒土,（2

7、）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,外因,内因,土的冻胀性,5.2 基础埋置深度,土的冻胀性,衡量指标,冻胀性分类,平均冻胀率：,不冻胀 1% 弱冻胀 1% 12%,注意：碎石、砂等中粒径小于0.075mm的颗粒含量太高也会导致冻胀,新讲义表2-10,5.2 基础埋置深度,考虑冻胀的基础埋深,按02规范,dmin zd - hmax,zd: 设计冻深 hmax：容许残留冻土层最大厚度,zd=z0 zs zw ze,标 准 冻 深,土 类 别,冻 胀 性,环 境,影响系数,Z0 标准冻深： 北 京 0.81.0m 哈尔滨 2.0m 满洲里 2.8m

8、,10年的实测最大冻深平均值,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,极限承载力,承载力,容许承载力：设计承载力,通常所说的承载力指容许承载力,理论公式计算承载力：,临界荷载 P1/4、P1/3,临塑荷载 Pcr,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,阶段1：弹性段,阶段2：局部塑性区,阶段3：完全破坏段,极限荷载Pu （极限承载力）,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,Zmax=0 ：,Zmax= B/4 或 B/3 ：,Pcr = 0 dNq+cNc,P1/4 = B N1/4+0 d Nq+cNc,临界荷载,P1/3= B N1/3+0 d Nq+cNc,临塑荷载,极限荷载（极限承载力）

9、 Pu 计算,1 普朗德尔-瑞斯纳公式,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,2 太沙基公式,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,太沙基极限承载力：,一个半经验的公式,3 斯凯普顿公式,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,对于饱和软粘土地基 0：,条形基础下：,普朗德尔-瑞斯纳公式的特例,矩形基础下：,斯凯普顿公式,4 汉森公式,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,在原有极限承载力公式上修正：,基础形状修正,深度修正,荷载倾斜修正,地面倾斜修正,基底倾斜修正,理论公式计算承载力（总结）：,临界荷载 P1/4、P1/3,临塑荷载 Pcr,极限荷载Pu （极限承载力）,普朗特尔-雷斯诺公式,

10、太沙基公式,斯凯普顿公式,汉森公式,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,我国规范中取：,fa=Mbb+Md md+Mcck,以临界荷载P1/4为理论基础,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,1 通过公式计算,2 通过载荷试验确定,3 通过经验确定,GBJ7-89 规范：,推荐查表方法,GB50007-2002 规范：,取消了相关表格,承载力公式计算：,fa=Mbb+Md md+Mcck, fa：承载力特征值（设计值）,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定, Mb、Md 、Mc：承载力系数，由 k 查表, b：基底宽度，大于6m按6m考虑， 对于砂土小于3m按3m考虑, ck：基底下一倍短边

11、宽深度内土的粘聚力,查表计算：,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,GBJ7-89 规范,fk=f f0, fk：承载力标准值, f0：承载力基本值（查表）, f ：承载力修正系数,变异系数,粘性土 e、IL 粉 土 e、w 砂 土 N63.5 淤 泥 w,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,fa=fak+b(b-3)+dm(d-0.5),进行深度和宽度修正：,fak ：查表计算或静载荷试验确定的承载力标准值,fa ：深宽修正后的承载力特征值（设计值）,b、d ：宽度和埋深修正系数, ：基础底面以下土的重度,m ：基础底面以上土的加权平均重度,b ：大于6m按6m考虑，小于3m按3m考虑,

12、5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,基础尺寸初步确定：,F 作用在顶面的荷载，kN,G 基础及台阶上填土总重，kN,A 基底面积，m2,G 平均重度，一般取 20 kN/m3,d 基础埋深，m,f=fak+dm(d-0.5),暂不做宽度修正,单独基础，中心荷载,5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定,条形基础，中心荷载,偏心荷载时：,将上面计算的 A 或 b 扩大至 1.11.4 倍,根据 A 可初步确定 b 和 L,5.4 地基承载力验算和变形验算,1 持力层承载力验算：,根据初步确定的埋深d与b，确定f,承载力验算,偏心荷载时：,5.4 地基承载力验算和变形验算,pmax1.2f 高层建筑

13、(筏,箱基) ：pmin0 考虑地震可能出现 eb/6, 此时允许 pmin0，但0应力区不能超过 25%,要求：,以条形面积为例,eb/6: 梯形,eb/6: 三角形,偏心荷载时：,5.4 地基承载力验算和变形验算,偏心荷载时：,5.4 地基承载力验算和变形验算,增加面积 A A不变，改变 b 和 l，具体看偏心方向 采用不对称柱,若不满足承载力要求，则考虑：,5.4 地基承载力验算和变形验算,2 软弱下卧层承载力验算：,注意：,下卧层承载力 f 只做深度修正,条基无后一项,扩散角可查表,3 其它验算：,水平荷载较大时，稳定验算,建筑在斜坡上时，稳定验算,抗震验算,5.4 地基承载力验算和变

14、形验算,后面介绍,建筑物需满足地基变形要求,计算原理：分层总和法,部分建筑物可不做变形验算,沉降量、沉降差、倾斜等,5.4 地基承载力验算和变形验算,新讲义表2-7,4 地基变形验算：,计算方法：规范推荐“平均附加应力系数”方法,高大钊书中将其称为“应力面积法”,5.4 地基承载力验算和变形验算,沉降不满足时，需要：,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,5.5 抗震设计,5.5.1 概述 5.5.2 地基抗震验算 5.5.3 饱和砂土与粉土的振动液化 5.5.4 抗震设计要点,5.5.1 概述,地震定义：,由内力地质作用和外力地质作用引起的

15、地壳振动现象的总称,唐山地震：24万人,关东地震：大火、龙卷风,阪神地震,地震类型,构造地震：占90%,火山地震,陷落地震,激发地震：水库诱发、核爆炸,甘肃地震：20万人,5.5 抗震设计,苏门答腊地震：20 万人,1995年阪神地震,1995年1月17日，日本兵库县南部阪神淡路地区发生了里氏7.2级强烈地震，死5438人，伤24523人，直接经济损失约800亿美元。 震区的大开等多个地铁车站遭到严重的破坏。 现代地下结构在地震中遭到严重破坏的第一个实例。,地震：严重的自然灾害,5.5 抗震设计,震 源：发生地震的部位,震 中：震源在地面的投影,震 中 距：地面上某一点到震中的距离,震源深度：

16、震源到震中距离。 深度60km，浅源地震；占95%以上,5.5 抗震设计,地震波：,1 体波：在地球内传播,2 面波：在只限于在地球表面传播，由体波反射 所形成的次生波。振幅大，破坏力大,纵波：又称压力波或P波，破坏力小，速度快,横波：又称剪切波或S波，破坏力大，速度慢,瑞利波：又称R波，在地表作椭圆运动,乐甫波：又称L波，在地表作蛇行摆动,传播速度：纵波 横波 面波,5.5 抗震设计,震级：表示地震本身强度大小的等级， 是衡量震源释放能量大小的一种量度,M: 震级 A: 标准地震仪在距震中100km处记录的以微米为单位记录的最大水平地动位移（单幅值）,里希特（Richter)里氏,M5： 破

17、坏 M7： 强烈,一般1M8.5，震级增加一级能量增加30倍左右,5.5 抗震设计,上限?,烈度：地面及建筑物受地震影响的强烈的程度,烈度大小：,12度（中国）,比震中烈度低一度：近震 比震中烈度低2度及以上：远震,震级 震源深度 距震中距离 场地岩土情况,与,等有关,5.5 抗震设计,5.5 抗震设计,地震烈度的定量 描述极其复杂,地震烈度表,基本烈度：一个地区今后一定时期内，一般场地条件下可能遭遇的最大地震烈度。目前我国基本上取50年超越概率为10的烈度值作为基本烈度,抗震设防烈度：一个地区作为抗震设防依据的烈度,设计烈度：各类不同建筑物抗震设计所采用的烈度,甲类构造物：专门设计，采用特殊

18、抗震措施。 乙类构造物：烈度提高一度 丙类构造物：按设防烈度 丁类构造物：降低一度（6度时不降）,一般6度以下可不进行地震作用计算,5.5 抗震设计,场地土类型,场地覆盖层厚度,建筑场地类别： ,场地土类型,中硬,坚硬,中软,软弱,根据土层剪切波速划分,5.5 抗震设计,建筑场地类别：,地震震害：,地震液化,地震滑坡和地裂,软土震陷,5.5 抗震设计,5.5 抗震设计,抗震承载力：,pE=s f,s=11.5（软硬），抗震承载力提高系数，可查表,在动荷载作用下，动强度有所高 特殊荷载，安全系数可降低,5.5.2 地基抗震验算,5.5 抗震设计,地震作用（地震力）计算：,FE=Geq,Geq 等

19、效重力荷载：单层=Ge，多层=0.85Ge 相应于结构物基本周期 T 的地震影响系数,5.5 抗震设计,地震影响系数：,我国规范，查图,T 结构物的基本周期 Tg 场地的特征周期,取决于,场地类别 （）,地震类型 （近震，远震）,内因,外因,max 与地震烈度有关 =0.040.32（69度）,?,5.5 抗震设计,基底压力计算：,FE,将地震作用等效为惯性力,按静荷载分析计算拟静力法,验算要求：,0应力面积 25%,GE 结构的总重力荷载 G 基础与周围土的混合重 FE 、M 地震惯性力和力矩,M,地震液化：,5.5.3 饱和砂土与粉土的振动液化,对于饱和松砂、细砂，在振动荷载下(剪切力)土

20、有由松变密的趋势。这个过程中，由于水来不及排走，颗粒在一段时间内处于悬浮状态。有效应力变为零，抗剪强度丧失液化,液化条件：,饱和；松散；细砂或粉土,注意：,粘土有粘聚力c, 不易液化,密砂, 不液化,埋深15m以下，一般不液化,5.5 抗震设计,液化机理示意,5.5 抗震设计,地基液化可能性判断方法,5.5 抗震设计,1 规范法 2 抗液化剪应力法（H.B.Seed） 3 动力反应分析法 4 概率统计法（谷本喜一）,规范推荐的地基液化可能性判断方法,1 初步判别 2 标准贯入试验判别,若初步判别为不液化土，可不进行第二步判别,5.5 抗震设计,以下情况不液化： 第四纪晚更新世(Q3) 烈度为6

21、度 小于0.005mm（粘粒）的百分率： 7度：不少于10 8度：不少于13 9度：不少于16 非液化土层du很厚,地下水位dw很深，即满足下列条件之一则不液化： du d0+ db- 2 dw d0+ db- 3 du+ dw 1.5d0+ 2db- 4.5,1 初步判别,地面以下15米内有饱和砂土、粉土，要进行初判,5.5 抗震设计,2 标准贯入试验判别,对于初步判别为液化的土，进一步判断,ds标惯点深度； dw 地下水深度； c 粘粒含量（去掉百分号），小于3时取c 3； N0 基准标惯击数，可查表,N63.5 Ncr,N63.5 Ncr,液化,不液化,5.5 抗震设计,地基土液化的等级

22、,已判断为液化土的地基，要进一步判断地基的液化等级。,轻微 ILE = 05,中等 ILE = 515,严重 ILE 15,5.5 抗震设计,液化指数 ILE,NiNcr 才计入,抗震设计基本原则：,5.5.4 抗震设计要点,加大埋深；增强地基、上部结构整体性,抗震设计规范：拟静力法,1 以预防为主,“小震不坏，大震不倒”,2 选择有利地形,选择较好场地； 使建筑物基本周期避开地层特征周期（卓越周期）,3 做好基础设计,5.5 抗震设计,防止液化的工程措施：,全部消除液化沉降的措施,采用桩基； 深基础； 加密法； 挖除全部可液化土层,部分消除液化沉降的措施,加密；挖除,减小液化不均匀沉降危害的

23、措施,减小埋深，离开液化土层； 箱基、筏基、十字交叉基础； 增加上部结构刚度、近对称,5.5 抗震设计,5.6 基础结构设计,刚性基础（无筋扩展基础）,1:1.0 1:2.0,有刚性角要求,新讲义表2-8,5.6 基础结构设计,安全,不安全,安全,浪费,5.6 基础结构设计,一层台阶,两层台阶,锥形断面,5.6 基础结构设计,柔性基础（扩展基础）,5.6 基础结构设计,单独基础抗冲切验算,pe为地基净反力 Ac为阴影面积 bp冲切锥的中线,Fl V,Fl = pe Ac,V = 0.7h ftbph0,其中：,中心荷载,5.6 基础结构设计,偏心受荷时：,偏心荷载,对危险部位进行冲切验算,原理

24、同上,注意： 冲切验算控制扩展基础的高度,M,5.6 基础结构设计,抗弯验算,抗弯验算控制扩展基础的配筋,5.7 共同作用概念,常规设计,上部结构、基础、地基分开考虑,共同作用举例,适应变形能力强，内力大,适应变形能力差，内力小,5.8 减轻不均匀沉降危害的措施,建筑措施,体型简单,设沉降缝,结构措施,减轻自重，如摩天大楼，钢结构,采用筏基、箱基等整体性好的基础,施工措施,坑底土保护，坑底 20cm 保护层,适当安排施工顺序,广州某工程,清华主楼,本章小结,5.1 概述 5.2 基础埋置深度 5.3 地基承载力和基础尺寸初步确定 5.4 地基承载力验算和变形验算 5.5 抗震设计 5.6 基础结构设计 5.7 共同作用概念 5.8 减轻不均匀沉降危害的措施,按基础刚度分,无筋扩展基础（刚性基础）,单独（ 独立）基础、条形基础、筏型基础、箱型基础、壳型基础,按结构形式分,扩展基础（柔性基础）,浅基础的类型,基础设计步骤：,1 计算各土层的承载力,2 确定基础埋深,3 根据承载力初步确定基础尺寸,4 地基承载力验算、稳定验算,5 地基变形验算,6 基础结构设计,冲切验算,抗弯验算,刚性角？,刚性基础,扩展基础,通过公式计算,通过载荷试验确定,通过经验确定,本章结束,