1、第二章第二章 淺基礎設計淺基礎設計 陳陳 立立 宏宏 北京交通大學土建學院北京交通大學土建學院隧道與巖土工程研究所隧道與巖土工程研究所博士博士 副教授副教授2.1 概述概述2.2 基礎設計基礎設計一、埋深的確定一、埋深的確定二、基礎尺寸的確定二、基礎尺寸的確定三、基礎的結構設計三、基礎的結構設計2.3 減輕不均勻沉降危害的措施減輕不均勻沉降危害的措施2.4 地基基礎可靠性分析地基基礎可靠性分析2.5 基礎的設計算例基礎的設計算例第二章第二章 建筑工程剛性基礎與擴展基礎建筑工程剛性基礎與擴展基礎 2.1 概述概述預備知識：基礎工程分類預備知識：基礎工程分類一、設計原則一、設計原則二、設計內容二、

2、設計內容三、設計依據三、設計依據四、設計步驟四、設計步驟預備知識：地基基礎分類預備知識：地基基礎分類一、天然地基與人工基礎一、天然地基與人工基礎二、基礎的分類二、基礎的分類三、淺基礎的分類三、淺基礎的分類下臥層d埋深d q = d均布荷載持力層（受力層）地基ground基礎foundationfg主要受力層上部建筑constructionfgd 埋深d：q=d:均布荷載持力層（受力層）下臥層地基基礎地基與基礎主要受力層一。一。地基分類地基分類一、天然地基與人工地基一、天然地基與人工地基天然地基天然地基: 未處理的天然狀態的地基。未處理的天然狀態的地基。人工地基人工地基: 人工處理過的地基人工處

3、理過的地基二。基礎分類二。基礎分類淺基礎淺基礎: 埋深小于埋深小于5m，或者埋深大于，或者埋深大于5m，但是小，但是小于基礎寬度。采用基坑法施工于基礎寬度。采用基坑法施工深基礎深基礎: 埋深大于埋深大于5m，且一般采用特殊方法施工，且一般采用特殊方法施工。樁基礎：樁基礎：樁承臺樁承臺兩側（四周）的兩側（四周）的摩阻力忽略不計。摩阻力忽略不計。所以不是簡單的所以不是簡單的深淺概念。深淺概念。三。淺基礎的分類（一一）按基礎剛度分）按基礎剛度分剛性（無筋擴展）基礎剛性（無筋擴展）基礎擴展基礎擴展基礎（二）按基礎的結構型式分：（二）按基礎的結構型式分：獨立基礎、條形基礎、箱型基礎、獨立基礎、條形基礎、

4、箱型基礎、 筏型基礎、殼型基礎筏型基礎、殼型基礎（一）按基礎剛度分 剛性基礎剛性基礎磚、石、灰土，素混凝土磚、石、灰土，素混凝土材料抗拉強度很低材料抗拉強度很低有基礎臺階寬高比（有基礎臺階寬高比（剛性角剛性角）要求）要求0hbtgt1:1.0 1:1.5與材料和荷與材料和荷載有關載有關f btb0h0（一）按基礎剛度分擴展基礎擴展基礎(柔性基礎柔性基礎)鋼筋混凝土鋼筋混凝土要滿足抗彎要滿足抗彎,抗剪和抗沖切等結構要求抗剪和抗沖切等結構要求f(二)按基礎的結構形式分類1獨立基礎: 柱下或墻下（土質較好）individual footing, pad foundation2 條型基礎墻下條形基礎,

5、 柱下（一般是土質差）strip foundation3十字交叉基礎（條形基礎的變種）柱下:土質差,或荷載很大,四面單獨基礎相互相連4 筏形（筏板）基礎 柱下（土質更差,單獨基礎聯成整體）, 特殊要求：荷載、防滲游泳館 平板式、梁板式：筏下可以有肋,板下地基土有時需要處理mat foundation5 箱形基礎由底板、墻和頂板形成箱，整體性更好底板外墻內墻6殼體基礎：高聳建筑物2.1 概述概述一、設計原則一、設計原則二、設計內容二、設計內容三、設計依據三、設計依據四、設計步驟四、設計步驟一、設計原則一、設計原則1.安全性安全性 基礎強度、地基土強度（承載力）基礎強度、地基土強度（承載力）2.可

6、用性可用性 沉降、差異沉降、傾斜、耐久性沉降、差異沉降、傾斜、耐久性3.耐久性耐久性4.經濟性經濟性二、設計內容二、設計內容1.結構材料、型式結構材料、型式2.基礎埋深基礎埋深3.基礎尺寸基礎尺寸4.基礎結構：配筋、構造。基礎結構：配筋、構造。5.方案比選方案比選三、設計依據三、設計依據規范規范各種相關地質、水文、建筑物、材各種相關地質、水文、建筑物、材料供應、施工技術水平等等料供應、施工技術水平等等 gb 50007-2002 建筑地基基礎設建筑地基基礎設計規范計規范 tb10002.1-99鐵路橋涵設計基鐵路橋涵設計基本規范本規范四、設計步驟1.收集必需資料收集必需資料2.確定基礎所受荷載

7、確定基礎所受荷載3.確定基礎埋深確定基礎埋深4.確定基礎尺寸確定基礎尺寸5.結構設計結構設計6.進行各種強度、承載力以及沉降的驗算進行各種強度、承載力以及沉降的驗算7.經濟技術比較，方案優化經濟技術比較，方案優化2.1 概述概述2.2 基礎設計基礎設計一、埋深的確定一、埋深的確定二、基礎尺寸的確定二、基礎尺寸的確定三、基礎的結構設計三、基礎的結構設計2.3 減輕不均勻沉降危害的措施減輕不均勻沉降危害的措施2.4 地基基礎可靠性分析地基基礎可靠性分析2.5 基礎的設計算例基礎的設計算例第二章第二章 天然地基上的淺基礎天然地基上的淺基礎22 基礎設計埋深確定基礎設計埋深確定一、基本原則一、基本原則

8、在滿足承載力的條件下盡量淺埋。省工省時省料，在滿足承載力的條件下盡量淺埋。省工省時省料，但是有如下但是有如下基本要求基本要求：1.除巖石以外，除巖石以外，d大于大于50cm,（表土擾動，植物，（表土擾動，植物，凍融，沖蝕）凍融，沖蝕）2.基礎頂距離表土大于基礎頂距離表土大于10cm，保護，保護（二）（二） 結構要求結構要求1.地下室，地下管道（上下水，煤氣電纜）應在基底以上，便于維修要求地下室,作用:提高承載力減少變形（補償基礎）f2. 新舊及相鄰建筑物有一定距離否則要求支護并且要嚴格限制支護的水平位移l/ h=12lh（二）（二） 結構要求結構要求3. 基礎埋深不同時 (1) 主樓與裙房,

9、高度不同,分期施工設置后澆帶 (2) 臺階式相連, 如山坡上的房屋l/ h=12（二）（二） 結構要求結構要求（三）地基及地質水文條件1.地下水位以上地下水位以上,否則開挖降水否則開挖降水,費用大擾動費用大擾動2.土層分布情況土層分布情況 (1)淺基礎還是深基礎淺基礎還是深基礎(樁基礎樁基礎) (2)天然還是人工地基天然還是人工地基 (3)如果是天然地基如果是天然地基,基礎埋深的確定基礎埋深的確定 根據底層分布根據底層分布好土好土軟土軟土(很深很深)好土好土軟土軟土軟土軟土好土好土在滿足其他要在滿足其他要求下盡量淺埋求下盡量淺埋只有低層房屋只有低層房屋可用可用,否則處理否則處理盡量淺埋但是如盡

10、量淺埋但是如h1太小就為太小就為ii i iih1 4m樁基或處樁基或處理理h1（三） 地基及地質水文條件iviii（四）（四） 凍土凍土1928-1929 casagrande做了較深入的研究,美國北部:冰深45cm,凍脹13cm,=8%12%, 60%110%, 冰透鏡達13cm1.凍脹危害及機理（1 1）凍脹及凍拔）凍脹及凍拔 地面隆起地面隆起( (不均勻不均勻) ) 翻漿翻漿, ,融陷融陷, ,強度降低強度降低如果凍結深度大于融沉，如果凍結深度大于融沉，稱為永凍土稱為永凍土毛細水毛細水土顆粒土顆粒結合水結合水冰冰凍脹中的水分轉移凍脹丘pingo冬季季節融化層，由上而下和由下而上凍結，過

11、水斷面縮小，凍結層上水處于承壓狀態，同時凍結過程中水分發生遷移產生聚冰層。隨凍結面向下發展，當凍結層上水的壓力大于上覆土層強度時，地表就發生隆起，便形成凍脹丘。黑龍江地區：凍脹引起的房屋開裂2 發生凍脹的條件（1） 土的條件土的條件 一般是細顆粒土。一般是細顆粒土。 砂土的毛細高度小，發生冰凍體積膨脹，孔隙水砂土的毛細高度小，發生冰凍體積膨脹，孔隙水排走，骨架不變。太細的土，水分供應不及時，排走，骨架不變。太細的土，水分供應不及時，凍脹也不明顯。凍脹也不明顯。（2） 溫度條件溫度條件 低于凍結溫度低于凍結溫度（3） 水力條件水力條件含水量，具有開放性條件，如粉土凍脹最嚴重含水量，具有開放性條件

12、，如粉土凍脹最嚴重3 按凍脹的地基分類（四類） 不凍脹不凍脹 巖巖,礫礫,粗中細砂，較干的其他土粗中細砂，較干的其他土 粉砂粉砂 14% 地下水位地下水位1.5m 粉土粉土 19% 2.0m 粘性土粘性土 p+2 2.0m弱凍脹弱凍脹粉砂粉砂 14% 地下水位地下水位 1.5m 14% 19% 1.5m 粉土粉土 19% 2.0m 19% 22% 2.0m 粘性土粘性土 p +2 2.0m p+2 p+5 2.0m凍脹凍脹 粉砂粉砂 14% 19% 地下水位地下水位 1.5m 19% 1.5m粉土粉土 19% 22% 2.0m 22% 26% 2.0m 粘性土粘性土 p+2 p+5 2.0m

13、p+5 p+9 2.0m強凍脹強凍脹 粉砂粉砂 19% 地下水位地下水位 1.5m 粉土粉土 22% 26% 2.0m 26%粘性土粘性土 p+5 p+9 2.0m p+94.考慮凍脹的基礎埋深凍脹凍脹 dmin=z0 t-dfr*z0 標準凍結深度標準凍結深度是多年實測最大凍結深度的平均值是多年實測最大凍結深度的平均值* t 采暖系數采暖系數由于采暖實際凍深減少由于采暖實際凍深減少與室內外地面高差及位置有關與室內外地面高差及位置有關* dfr 殘留凍土厚度殘留凍土厚度，指允許留有一，指允許留有一定凍土厚度定凍土厚度北京 1.0m哈爾濱 2.0m滿洲里2.5m采暖影響系數t室內高于室外，室內高

14、于室外， h大大 采暖的影響小，采暖的影響小， t=1.0房屋中段房屋中段 t小，角段大小，角段大不采暖的房屋不采暖的房屋(倉庫倉庫)， t=1.1，因為不見陽光，因為不見陽光h 殘留凍土厚度dfr強凍脹強凍脹 dfr=0凍脹凍脹 dfr=0.15z0 t弱凍脹弱凍脹 dfr=0.17z0 t+0.26ddfrz0 tz0埋深選擇要點總結 基礎埋置深度，簡稱埋深，指從室外地面標高算起至基礎底面的深度。 選擇基礎埋深是基礎設計工作中的重要一環，它關系到地基是否可靠、施工難易及造價高低。在滿足地基穩定和變形要求的前提下，基礎宜埋淺，除巖石地基外，基礎埋深不宜小于0.5m。 建筑功能 結構要求 工程

15、地質、水文地質條件 地基凍脹2.1 概述概述2.2 基礎設計基礎設計一、埋深的確定一、埋深的確定二、基礎尺寸的確定二、基礎尺寸的確定三、基礎的結構設計三、基礎的結構設計2.3 減輕不均勻沉降危害的措施減輕不均勻沉降危害的措施2.4 地基基礎可靠性分析地基基礎可靠性分析2.5 基礎的設計算例基礎的設計算例第二章第二章 天然地基上的淺基礎天然地基上的淺基礎二二 基礎設計尺寸確定基礎設計尺寸確定1、基礎上荷載計算、基礎上荷載計算上部結構上部結構f：結構自重結構自重 屋面荷載屋面荷載 樓面荷載樓面荷載 活荷載折減活荷載折減基礎自重基礎自重g：設計地面高程（內外地面平均值）設計地面高程（內外地面平均值）

16、荷載組合情況荷載組合情況f mff hf mh工民建一般為前兩種情況，橫向力不大，只做校核橋涵基礎通常需計算橫向力的影響gggg1、基礎上荷載計算、基礎上荷載計算fg為為基礎及其臺階上填土的平均重度，通常采用基礎及其臺階上填土的平均重度，通常采用20 kn/m3()/pfgamaxminfgmpawgf mgggd2、 承載力的確定承載力的設計值的確定fk 特征值, f設計值確定f的方法(4種)載荷試驗載荷試驗公式計算公式計算物性物性+查表查表工程類比工程類比（1）荷載試驗 通過載荷試驗確定地基承載力特征值 , fa=pu/f,荷載試驗包括淺層平板荷載試驗、深層平板試驗及螺旋板荷載試驗pu為荷

17、載試驗的極限承載力f為安全系數，一般取23 取fa的平均值為fak 考慮深度和寬度修正，計算承載力設計值 (0.5)(3)akdbffdb b6m按按6m, 砂土砂土b/6, 此時pmin0，系統安全g(x)0，系統“破壞”或“失效”g(x)=0, 系統達到極限運行狀態g(x)=0稱為系統的極限狀態方程 失效概率：系統“破壞”或“失效”（ g(x)0 ）的概率y: 荷載x: 抗力可靠度指標可靠度指標b b定義 pf失效概率 標準正態分布函數 b b 為折減變量空間原點到為折減變量空間原點到 失效面的最短距離失效面的最短距離1(1)fpb b b2.1 概述概述2.2 基礎設計基礎設計一、埋深的

18、確定一、埋深的確定二、基礎尺寸的確定二、基礎尺寸的確定三、基礎的結構設計三、基礎的結構設計2.3 減輕不均勻沉降危害的措施減輕不均勻沉降危害的措施2.4 地基基礎可靠性分析地基基礎可靠性分析2.5 基礎的設計算例基礎的設計算例第二章第二章 天然地基上的淺基礎天然地基上的淺基礎2.5 基礎的設計算例基礎的設計算例 要求掌握基礎設計過程、方法例題1某廠房柱的截面尺寸ab=600mm400mm, 由柱傳給基礎地面處（0.00）的豎向荷載設計值f=800kn，沿長邊a方向的力矩設計值m=220knm,且水平荷載設計值h=50kn。基礎埋置深度2.0m， 又已知地質資料為：地表下第一層為雜填土，厚度2m

19、，其天然重度為=17.6kn/m3，第二層土為粉質粘土，天然重度為=19.4kn/m3，其承載力標準值為fk=210kpa, 1) 確定基礎底面尺寸；2）若粉質粘土的承載力修正系數為b=0，d=1.6，檢算地基的承載力；3) 剛性基礎，計算基礎高度4）擴展基礎的高度如何確定5）假設粉質粘土厚為3m，其下為軟土，重度18kn/m3，承載力修正系數為b=0，d=1.60，擴散角為15o，驗算下臥層承載力2.0mfh雜填土粉質粘土參考答案：1）先按中心荷載估算基底面積 a1=f/（f-d）=800/（210-202）=4.71m2 考慮偏心荷載作用，將基底面積擴大1.21.3倍，現取1.3， a=1.3a1=6.12m2 現采用3m2m的基礎 2）檢算地基的承載力 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 滿足要求3）采用磚體材料時，基礎高度應按照允許剛性角（臺階寬高比）的要求確定采用鋼筋混凝土材料時，基礎高度應滿足抗沖切驗算的要求例題2某工廠廠房設計框架結構