土建工程基础课件——4.3 基础设计.pptx
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土建工程基础4.3基础设计基础概述基础埋置深度地基承载力的确定和验算浅基础设计返回主要内容基础:
建筑物上部承重结构向下的延伸和扩大,它承受建筑物的全部荷载,并把这些荷载连同本身的重量一起传到地基上。
地基:
承受由基础传来荷载的土层,不是建筑物的组成部分。
其中:
持力层:
具有一定的地耐力,直接承受建筑荷载,并需进行力学计算的土层。
下卧层:
持力层以下的土层。
(图2.1)4.3.1基础的概念地基按土层性质不同,分为天然地基和人工地基两大类。
天然地基:
凡天然土层具有足够的承载力,不需经人工加固或改良便可作为建筑物地基人工地基:
当建筑物上部的荷载较大或地基的承载力较弱,须预先对土壤进行人工加固或改良后才能作为建筑物地基按材料分:
砖基础、毛石基础、混凝土基础、毛石混凝土基础、灰土基础和钢筋混凝土基础按构造形式分:
条形基础、独立基础、井格基础、筏式基础、箱形基础和桩基础等无筋扩展基础:
由砖、毛石、混凝土或毛石混凝土、灰土和三合土等材料制成的墙下条形基础或柱下独立基础扩展基础:
由钢筋混凝土制成的柱下独立基础和墙下条形基础深度:
浅基础和深基础基础的类型和构造条形基础条形基础:
基础沿墙体连续设置成长条状,是砌体结构建筑墙下基础的基本形式。
砖条形基础砖条形基础一般由垫层、大放脚和基础墙三部分组成。
大放脚的做法有间隔式和等高式两种(图2.5)。
毛石基础毛石基础是用毛石和水泥砂浆砌筑而成,其剖面形状多为阶梯形(图2.6)。
混凝土基础混凝土基础是用不低于C15C15的混凝土浇捣而成,其剖面形式有阶梯形和锥形(图2.7)。
钢筋混凝土基础因配有钢筋,可以做得宽而薄,其剖面形式多为扁锥形(图2.8)。
当房屋为骨架承重或内骨架承重,且地基条件较差时,为提高建筑物的整体性,避免各承重柱产生不均匀沉降,常将柱下基础沿纵横方向连接起来,形成柱下条形基础(图2.9)或十字交叉的井格基础(图2.10)。
独立基础常用的断面形式有阶梯形、锥形、杯形等,如图2.11所示。
独立基础整片基础包括筏板基础和箱形基础。
筏板基础当建筑物上部荷载较大,或地基土质很差,承载能力小,采用独立基础或井格基础不能满足要求时,可采用筏板基础。
图2.12(a)、(b)。
箱形基础箱形基础是一种刚度很大的整体基础,它是由钢筋混凝土顶板、底板和纵、横墙组成的,如图2.12(c)所示。
整片基础当建筑物的荷载较大,而地基的弱土层较厚,地基承载力不能满足要求,采取其他措施又不经济时,可采用桩基础。
桩基础由承台和桩柱组成(图2.13)。
桩基础钢筋混凝土预制桩施工打桩打桩用的机具主要包括桩锤、桩架和动力装置三部分。
桩锤桩锤是对桩施加冲击力,将桩打入土中的主要机具,施工中常用的桩锤有落锤、单动汽锤、双动汽锤、柴油锤和振动桩锤,桩架桩架是将桩吊到打桩位置,并在打桩过程中引导桩的方向不致发生偏移,保证桩锤能沿要求方向冲击的主要备。
桩架种类和高度的选择,应根据桩锤的种类、桩的长度、施工地点的条件等确定。
桩架目前应用最多的是多功能桩架、步履式桩架和履带式桩架。
动力装置落锤以电源为动力,再配置电动卷扬机、变压器、电缆等。
蒸汽锤以高压蒸汽为动力,配以蒸汽锅炉、蒸汽绞盘等;气锤以压缩空气为动力,配有空气压缩机、内燃机等;柴油锤的桩锤本身有燃烧室,不需要外部动力。
静力压桩是用静力压桩机或锚杆将预制钢筋混凝土桩分节压入地基土中的一种沉桩施工工艺。
静力压桩适用于在软土、填土及一般黏性土层中应用,特别适合于在居民稠密及危房附近、环境要求严格的地区沉桩,但不宜用于地下有较多孤石、障碍物或有厚度大于2m的中密以上砂夹层,以及单桩承载力超过1600kN的情况。
静力压桩机分机械式和液压式两种。
其中机械式由桩架、卷扬机、加压钢丝绳、滑轮组和活动压梁组成,如图2.9所示,施压部分在桩顶端部,施加静压力约600kN2000kN,此种桩机装配费用较低,但设备高大笨重,行走移动不便,压桩速度较慢。
液压式由压拔装置、行走机构及起吊装置等组成,采用液压操作,自动化程度高,结构紧凑,行走方便快速,施压部分在桩身侧面,它是当前国内较广泛采用的一种新型压桩机械。
钢筋混凝土灌注桩施工灌注桩是直接在施工现场的桩位上成孔,然后在孔内灌注混凝土或钢筋混凝土而成。
与预制桩相比,具有施工噪声低、振动小、挤土影响小、无需接桩等优点。
但成桩工艺复杂,施工速度较慢,质量影响因素较多。
根据成孔工艺的不同,分为泥浆护壁钻孔灌注桩、沉管灌注桩、爆扩成孔灌注桩和人工挖孔灌注桩。
图2.15沉管灌注桩施工程序锤击沉管灌注桩成桩过程人工挖孔灌注桩钢筋混凝土护壁形式壳体基础概念:
由正圆锥形及其组合型式构成;特点充分利用基础材料的抗压性能;节省材料,具有良好的经济效果用途:
主要用于特种结构;4.3.2基础的埋置深度及其影响因素基础的埋置深度由室外设计地面到基础底面的距离,称为基础的埋置深度,简称基础的埋深(图2.2)。
埋深大于等于5m5m为深基础,小于5m5m为浅基础。
土层构造情况作用在地基上的荷载和性质地下水位(图2.3)冻结深度(图2.4)相邻建筑物基础其他因素影响基础埋深的因素4.3.3地基承载力计算和验算地基变形的三个阶段压密变形阶段局部剪切阶段整体破坏阶段压密变形阶段OaOp(kPa)aS(mm)地面基础ps局部剪切阶段abOp(kPa)abS(mm)基础p地面p整体破坏阶段bcOp(kPa)abcS(mm)地面基础p地基承载力、极限承载力、容许承载力地基承载力:
地基对基础及上部结构载荷的承受能力,其大小取决于地基、基础及上部结构两个方面。
极限承载力:
地基由塑性变形达到整体破坏阶段的界限压力,pu(ultimatebearingcapacit)t)y,即地基能承受的最大荷载强度CRp(OpkPa)abcS(mm)pu比例界限:
当塑性区刚刚出现时的荷载称,也称为临塑荷载容许承载力容许承载力:
指满足
(1)地基不会产生剪切破坏而失稳;
(2)地基变形引起的建筑物沉降及沉降差等应限制在允许范围内时地基土所能承担的最大荷载。
(allowablebearingcapacity)地基承载力的特征值characteristicvalueofsubgradebearingcapacity是指载荷试验测定的地基土压力变形曲线线形变形段内规定的变形所对应的压力值,其最大值为比例界限值。
涵义:
在发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值。
地基承载力特征值的确定方法建筑地基基础设计规范(CODEFORDESIGNOFBUILDINGFOUNDATION,GB50007-2002)规定:
地基承载力特征值可由载荷试验或其它原位测试、公式计算、并结合工程实践经验等方法综合确定。
原位测试(如载荷试验等)理论公式计算工程实践经验一般原则1.对一级建筑物或缺乏成熟经验的特殊性土、有特殊要求的工程应采用理论计算法结合有关原位测试方法确定,并宜用载荷试验验证;2.对需要变形计算的二级建筑物可采用理论计算法结合有关原位测试方法确定;3.对不需要进行变形计算的二级建筑物可采用工程经验并结合有关原位测试方法确定4.对三级建筑物可采用查表法或邻近建筑物的经验确定根据理论公式确定地基承载力的特征值一、按塑性变形区发展范围确定二、地基极限承载力(破坏载荷)的计算一、按塑性变形区发展范围确定地基承载力的特征值基本思路:
条形基础下某点的主应力s1、s3的大小极限平衡条件设深度为z的一点达到塑性区zf(bo)在一定荷载下,塑性区只能达到一个最大深度求出zmax2231j)sstan2(450j)2ctan(4502213j)sstan2(450j)2ctan(450注意:
只有当土中某点处于极限平衡条件时,才满足上式,即只有A点才满足。
假设条形基础宽度为b,埋置深度为d,基底作用条形均布压力p0,在地基中任一点M引起的大、小主应力的公式为M130Dzp0ppgDs(b00sinb00)gzgD0pssinb)gzgDgD(b00p03221(s1331s)ccotj1(ss)sinjDpgcgtanjb)sinj0zp0gD(sinb0max,塑性区的最大深度z,可由代入上式,求得zmax0db0此式为塑性区的边界方程dz0求得jp2b00zDpgDcgtanjj)2gD(cotj(pp0max这样,根据地基土的性质,让塑性区发展到一定的深度是容许的,将容许发展的这个深度带入上式,求得p即为容许承载力临塑荷载:
当塑性区刚刚出现时的荷载称为临塑荷载,也称为比例荷载临界荷载:
实际工程中将Zmax控制在1/3-1/4B,相应的荷载称为临界荷载GB50007-2002规定:
当偏心距e小于或等于0.033倍基础底面宽度时,根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算,并应满足变形要求cckdgfaMbgbMmdMfa由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值Mb、Md、MC计算或查表g基础底面以下土的重度,地下水位以下取浮重度gm基础底面以上土的加权平均重度,地下水位以下取浮重度值d基础埋置深度(m),一般自室外地面标高算起ck基础底面下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准b基础底面宽度,大于6m时按6m取值,对于砂土小于3m时按3m取值承载力系数,按jk4.3.4无筋扩展基础设计基础尺寸设计包括:
基础底面的长度、宽度与基础的高度。
根据已经确定的基础类型、埋置深度,计算地基承载力特征值和作用在基础底面的荷载值,进行基础尺寸设计。
一一确定基础尺寸、1作用在基础上的荷载计算、
(1)竖向荷载:
上部结构自重、屋面荷载、楼面荷载、基础自重。
(2)水平荷载:
土压力、水压力、风压力。
(3)力矩1)作用在基础底面的荷载2)荷载计算顺序统上,荷载计算应按传力系统,自下而上,由屋面荷载开始计算累计至设计地面。
,当室内外地平不同时时对于外墙或外柱可累,计到室内外设计地面的平均高程。
外墙(柱)荷载累计高程3)计算单元无门、窗的墙体,且作用在墙上的荷载是均布荷载(如一般的内横墙),可沿墙的长度方向取1m计算;。
有门、窗的墙体,且作用在墙上的荷载是均布荷载(如一般的外纵墙),可取1个开间长度算出总荷载,再均分到全段上,得到每米长度上的荷载。
对作用有梁等集中荷载的墙体,应考虑集中荷载在墙内的扩散作用,计算段的选取根据实际情况而定。
初算多层住宅条形基础的荷载每层可,按30kN/m计算。
A按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时传于基础或承台底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下的标准组合。
相应的抗力应采用地基承载力特征值或单桩承载力特征值。
4)荷载代表值及荷载效应组合5)基础受力情况2中心荷载作用下基础尺寸、1)计算基础底面积A(矩形)或基础底面宽度b(条形、正方形)aApFGfGgGdAFfagGdAgG基础及其上填土的平均容重,20kN/m。
3刚性基础尺寸确定
(1)独立基础通常中心荷载作用下采用正方形基础,即faFgGdAAlbfaFgGdb如因场地等原因有必要采用矩形基础时,可查应力系数表选择合适的l/b,以使应力与沉,降计算方便。
(2)条形基础当基础长度l/b10时,为条形基础,取l=1.0m则,faFgGdAfaFgGdbA1b当用前述公式得到的基础宽度(指短边)大于3m时,需要修正承载力fa,再重新计算。
2)确定基础高度按刚性角要求,确定基础高度。
tanabth2tanabtbb0tanahd0刚性基础高度刚性基础高度3偏心荷载作用下基础尺寸、偏心荷载作用下基础底面受力不均匀,需要加大基础底面面积通常采用逐次渐近,试算法进行计算。
(1)先按中心荷载作用下的公式,初算基底面积A1。
(2)考虑偏心不利的影响,加大基底面积10%40%。
偏心小时可用10%,偏心大时可用40%。
(2)考虑偏心不利的影响,加大基底面积10%40%。
偏心小时可用10%,偏心大时可用40%。
则偏心荷载作用下的基础底面积为。
A(1.11.4)A1ppFGMAWminmax偏心荷载基础计算(3)计算基底边缘最大与最小应力。
F(4)基底应力验算。
amaxp1.2fafpmaxpmin2如不满足要求求或应力过小,地基承载力未,能充分发挥应调整基础尺寸直至满足上式,要求而又能发挥地基的承载力为止。
基础高度确定方法与中心荷载作用的方法相同。
必要时时还应进行软弱下卧层承载力和变形的,验算。
A对(c)、(d)情况,基础的设计方法相同,但还应考虑
(1)水平力H在基底引起的弯矩M,并从而改变基底压力p的分布。
(2)水平力H一般假定均匀分布于基底全面积,在沉降分析时要计算基底水平荷载的影响。
(3)当水平力H较大时。
还要校核基础埋深是否满足地基的稳定性。
二、无筋扩展基础构造11、砖基础(100200mm)基础上的防潮层(2030mm)2砌石基础、台阶形的砌石基础每台阶至少有两层砌石每台阶高度,300mm。
为保证上一层砌石的边能压紧下一层砌石的边块,每台阶伸出长度150mm。
3素混凝土基础、素混凝土基础可以做成台阶形或梯形断面。
做成台阶形时,总高度h350mm时,做一层;350mm900mm时,做成三层。
每个台阶的高度不宜大于500mm。
素混凝土基础刚性基础上的钢筋混凝土柱子4灰土基础、灰土基础一般与砖、砌石、混凝土等材料配合使用,做在基础下部,厚度通常采用350mm450mm(2步或3步),台阶高宽比为1:
1.5。
由于基槽边角处灰土不容易夯实,所以用灰土基础时,实际的施工宽度应比计算宽度每边各放出50mm以上。
灰土基础(单位:
mm)4.3.5扩展基础设计扩展基础无筋扩展基础钢筋混凝土扩展基础墙下钢筋混凝土条形基础柱下钢筋混凝土独立基础一一无筋扩展基础设计、fdaa-gGFkgGAdAfAFk+1.1.基底面积,求bbPkfaFKhb0bh2tgatga(bb0)/2tgahbb0台阶宽高比允许值,见表2.2.根据宽高比,确定hh1.构造要求
(1)基础边缘高度
(2)基底垫层(3)钢筋墙下钢筋混凝土条形基础设计4混凝土5配筋边缘高度垫层每边伸出基础50-100mm506050602.轴心荷载作用nblbpFF墙下混凝土条形基础在均布线荷载F(kN/m)作用下的受力情况如同一受pn作用的倒置悬臂梁。
pn是指由上部结构设计荷载F在基底产生的净反力(不包括基础自重和基础台阶上回填土所引起的反力)。
若取沿墙长度l1.0m的基础板分析:
pnFpn相应于荷载效应基本组合时的地基净反力设计值(kPa);上部结构传至地面标高处的荷载设计值(kN/m);墙下钢筋混凝土条形基础宽度(m);2.轴心荷载作用212Mna1p在pn作用下,将在基础底板内产生弯距M和剪力V,其值在图中-截面(悬臂板跟部)最大。
Vpna1VM式中:
a1基础底板根部的剪力设计值(kN/m)基础底板根部的弯矩设计值(kNm/m)。
截面-至基础边缘的距离(m)。
对于墙下钢筋混凝土条形基础,其最大弯矩、剪力的位置符合下列规定:
当墙体材料为混凝土时,取a1b1;如为砖墙且放脚不大于1/4时,取a1b114砖长基础底板厚度墙下钢筋混凝土条形基础底板属不配箍筋和弯起钢筋的受弯钢筋,应满足混凝土的抗剪切条件:
注:
为了防止因M、N作用而使基础底板发生弯曲破坏和剪切破坏,基础底板应有足够的厚度和配筋。
V0.7bhfth0n1VpahtV0.7bf0h混凝土轴心抗拉强度设计值基础底板有效高度,即基础底板厚度减去钢筋保护层厚度(有垫层40,无垫层70)和1/2倍的钢筋直径。
bFpn荷载效应基本组合时的地基净反力ht0V0.7bfhV0.7bhfth0bh混凝土轴心抗拉强度设计值;式中:
fth0基础底板有效高度(mm),即基础板厚度减去钢筋保护层厚度(有垫层40mm,无垫层70mm)和1/2倍的钢筋直径;截面高度影响系数,140(800h)hb当h0800mm时,取h0800mm;0当h2000mm时,取h2000mm0。
式中:
As-每米长基础底板受力钢筋截面积;fy-钢筋抗拉强度设计值。
注意:
实际计算时,将各数值代入上式时的单位应统一,即MooSS22取N,h取,fy取N/,A为。
公式:
soyMA0.9hf=基础底板配筋应符合混凝土结构设计规范正截面受弯承载力计算公式。
也可按简化公式计算。
(按简化矩形截面单筋板x=x/h0=0.2)212paMn1
(2)偏心荷载作用n,maxn,minbp)2a1(ppn,pn,min计算基底净反力的偏心矩:
j,0e=M(b)F6基础边缘最大和最小净反力:
n,0j,maxj,min6ep
(1)Fbb=悬臂根部1-1截面处的净反力:
处理:
1)pj按pj,max取值;M,V偏大,偏安全;2)pj按1/2(pj,max+pj,1)取值;M,V偏小,偏经济,不安全;
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