基礎(chǔ)工程第2天然地基上的淺基礎(chǔ)

第2章 天然地基上的淺基礎(chǔ) 本 章 提 要本章是本課程最重要的內(nèi)容之一，主要介紹了淺基礎(chǔ)的分類、地基承載力的確定、基礎(chǔ)埋深的確定、地基驗(yàn)算及各種形式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原理及方法。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，要求能對(duì)剛性基礎(chǔ)、擴(kuò)展基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、十字交叉基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)及箱形基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后介紹了淺基礎(chǔ)的施工的要點(diǎn)及減輕基礎(chǔ)不均勻沉降的措施。 2.1 概述 2.1.1 地基基礎(chǔ)方案分類 地基可以分為天然地基和人工地基。 基礎(chǔ)可以根據(jù)埋置深度及施工工藝特點(diǎn)將其分為淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)。 (a)天然地基 (b)人工地基圖2.1 天然地基和人工地基 (a)淺基礎(chǔ)示意圖 (b)深基礎(chǔ)示意圖圖2.2 淺基礎(chǔ)與深基礎(chǔ)示意圖 2.1.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí) 按照我國(guó)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB500072002)(以下簡(jiǎn)稱地基基礎(chǔ)規(guī)范)，根據(jù)地基復(fù)雜程度、建筑物的規(guī)模和特征以及由于地基問(wèn)題可能造成建筑物破壞或影響程度，將地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)分為3個(gè)設(shè)計(jì)等級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況，按表2.1選用。 2.1.3 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的基本原則 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下3個(gè)基本原則： 1)地基基礎(chǔ)應(yīng)具有足夠的安全度，防止地基土體強(qiáng)度破壞及喪失穩(wěn)定性 所有建筑物的地基均應(yīng)進(jìn)行地基承載力計(jì)算；如經(jīng)常承受水平荷載作用的高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)和擋土墻等，對(duì)于建造在斜坡上或邊坡附近的建筑物和構(gòu)筑物，尚應(yīng)驗(yàn)算其穩(wěn)定性；具有多層地下室的深基坑開(kāi)挖工程應(yīng)驗(yàn)算土體的整體穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)叵滤癫剌^淺，存在上浮問(wèn)題時(shí)，尚應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。 2)應(yīng)進(jìn)行必要的地基變形計(jì)算，使之不超過(guò)規(guī)定的地基變形允許值，以免引起基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的損壞或影響建筑物的正常使用。 對(duì)于甲級(jí)、乙級(jí)建筑物及表2.2所列范圍以外的丙級(jí)建筑物均應(yīng)進(jìn)行地基變形計(jì)算，對(duì)于表2.2所列范圍以內(nèi)的丙級(jí)建筑物如有下列情況之一者，仍應(yīng)進(jìn)行地基變形計(jì)算： 地基承載力特征值小于130kPa,且體型復(fù)雜的建筑； 在基礎(chǔ)上及其附近有地面堆載或相鄰基礎(chǔ)荷載差異較大，引起地基產(chǎn)生過(guò)大的不均勻沉降時(shí)； 軟弱地基上的相鄰建筑存在偏心荷載時(shí)； 相鄰建筑距離過(guò)近，可能發(fā)生傾斜； 地基內(nèi)有厚度較大或厚薄不均的填土，其自重固結(jié)未完成時(shí)。 其他情況下的丙級(jí)建筑物在滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性的情況下，可不做變形驗(yàn)算。 3)基礎(chǔ)的材料形式、構(gòu)造和尺寸，除應(yīng)能適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)、符合使用要求、滿足上述地基承載力、穩(wěn)定性和變形要求外，還應(yīng)滿足對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和耐久性的要求。 2.1.4 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用的荷載效應(yīng)組合 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，所采用的荷載效應(yīng)最不利組合與相應(yīng)的抗力限值應(yīng)按下列規(guī)定： 1)按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積及埋深或按單樁承載力確定樁數(shù)時(shí)，傳至基礎(chǔ)或承臺(tái)底面上的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合。相應(yīng)的抗力應(yīng)采用地基承載力特征值或單樁承載力特征值。 2)計(jì)算地基變形時(shí)，傳至基礎(chǔ)底面上的荷載效應(yīng)應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合，不應(yīng)計(jì)入風(fēng)荷載和地震作用，相應(yīng)的限值應(yīng)為地基變形允許值。 3)計(jì)算擋土墻土壓力、地基或斜坡穩(wěn)定及滑坡推力時(shí)，荷載效應(yīng)應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，但其分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。 4)在確定基礎(chǔ)或樁臺(tái)高度、支擋結(jié)構(gòu)截面、計(jì)算基礎(chǔ)或支擋結(jié)構(gòu)內(nèi)力、確定配筋和驗(yàn)算材料強(qiáng)度時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載效應(yīng)組合和相應(yīng)的基底反力，應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)的基本組合，采用相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)。 當(dāng)需要驗(yàn)算基礎(chǔ)裂縫寬度時(shí)，應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。 5)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全等級(jí)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限、結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)應(yīng)按有關(guān)規(guī)范的規(guī)定采用，但結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0不應(yīng)小于1.0。 正常使用極限狀態(tài)下，荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合值Sk應(yīng)用式(2.1)表示：Sk=SGk+SQ1k+c2SQ2k+cnSQnk (2.1) 荷載效應(yīng)的準(zhǔn)永久組合值Sk應(yīng)用下式表示：Sk=SGk+q1SQ1k+q2SQ2k+qnSQnk (2.2) 對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的基本組合，也可采用簡(jiǎn)化規(guī)則，荷載效應(yīng)基本組合的設(shè)計(jì)值S按下式確定：S=1.35SkR (2.4) 2.1.5 基礎(chǔ)的材料要求 磚 磚基礎(chǔ)所用的磚和砂漿的強(qiáng)度等級(jí)，根據(jù)地基土的潮濕程度和地區(qū)的寒冷程度而有不同的要求。按照砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50003-2001)的規(guī)定，地面以下或防潮層以下的磚砌體，所用的材料強(qiáng)度等級(jí)不得低于表2.3所規(guī)定的數(shù)值。此外，用石灰及砂所制成的灰砂磚和其他輕質(zhì)磚均不得用于基礎(chǔ)。 石料 料石(經(jīng)過(guò)加工，形狀規(guī)則的石塊)、毛石和大漂石有相當(dāng)高的強(qiáng)度和抗凍性，是基礎(chǔ)的良好材料。特別在山區(qū)，石料可以就地取材，應(yīng)該充分利用。做基礎(chǔ)的石料要選用質(zhì)地堅(jiān)硬、不易風(fēng)化的巖石。石塊的厚度不宜小于15cm。石料和砂漿的強(qiáng)度等級(jí)要求見(jiàn)表2.3。 混凝土 混凝土的耐久性、抗凍性和強(qiáng)度都比磚好，便于機(jī)械化施工和預(yù)制，且對(duì)于同樣的基礎(chǔ)寬度，用混凝土?xí)r，基礎(chǔ)的高度可以小一些。但是混凝土基礎(chǔ)造價(jià)稍高，水泥用量較大，通常多用于地下水位以下的基礎(chǔ)及墊層。強(qiáng)度等級(jí)一般采用C7.5到C10。為節(jié)約水泥用量，可以在混凝土中摻入20%30%的毛石，稱為毛石混凝土基礎(chǔ)。 鋼筋混凝土 鋼筋混凝土具有較強(qiáng)的抗彎、抗剪能力，是質(zhì)量很好的基礎(chǔ)材料。用于荷載大、土質(zhì)軟弱的情況或地下水位以下的擴(kuò)展基礎(chǔ)、筏形基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)和殼體基礎(chǔ)。對(duì)于一般的鋼筋混凝土基礎(chǔ)，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于C15，殼體基礎(chǔ)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于C20。 灰土 我國(guó)在1000多年以前就采用灰土作為基礎(chǔ)墊層，效果很好?；A(chǔ)砌體下部受力不大時(shí)，也可以利用灰土代替磚、石料或混凝土。作為基礎(chǔ)材料用的灰土，一般為三七灰土，即用三分石灰和七分粘性土(體積比)拌勻后分層夯實(shí)?；彝了玫氖冶仨氃谑褂们凹铀疇F成粉末，并過(guò)510mm篩子。土料宜用粉質(zhì)粘土，不要太濕或太干。簡(jiǎn)易的判別方法就是所謂拌和后的灰土要“捏緊成團(tuán)，落地開(kāi)花”?；彝恋膹?qiáng)度與夯實(shí)的程度關(guān)系很大，要求施工后達(dá)到干重度不小于14.515.5kN/m3。施工時(shí)常用每層虛鋪220250mm，夯實(shí)后成150mm來(lái)控制，稱為一步灰土。夯實(shí)合格的灰土，承載力標(biāo)準(zhǔn)值可采用200250kPa?；彝猎谒杏不?，早期強(qiáng)度 低，抗水性差;此外，灰土早期的抗凍性也較差。所以灰土作為基礎(chǔ)材料，一般只用于地下水位以上。若在灰土中加入適量的水泥做成三合土，可以有更高的強(qiáng)度和抗水性。 2.1.6 天然地基上淺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和一般步驟 充分掌握擬建場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件和地質(zhì)勘察資料 選擇基礎(chǔ)類型和平面布置方案 確定地基持力層和基礎(chǔ)埋置深度(詳見(jiàn)2.3節(jié))。 確定地基承載力(詳見(jiàn)2.4節(jié))。 按地基承載力(包括持力層和軟弱下臥層)確定基礎(chǔ)底面尺寸。 進(jìn)行必要的地基穩(wěn)定性和地基變形計(jì)算。 進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證基礎(chǔ)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性。 繪制基礎(chǔ)施工詳圖，并提出必要的技術(shù)說(shuō)明。 2.2 淺基礎(chǔ)的類型 2.2.1 按基礎(chǔ)剛度分類 淺基礎(chǔ)按剛度可分為剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ)。 (1)剛性基礎(chǔ) 剛性基礎(chǔ)是指用抗壓性能較好，而抗拉、抗剪性能較差的材料建造的基礎(chǔ)(圖2.3) 又稱為無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)，常用材料有磚、三合土、灰土、混凝土、毛石、毛石混凝土等。 (a)磚基礎(chǔ) (b)毛石基礎(chǔ) (c)混凝土基礎(chǔ)或毛石混凝土基礎(chǔ) (d)灰土基礎(chǔ)或三合土基礎(chǔ)圖2.3 剛性基礎(chǔ)舉例 剛性基礎(chǔ)多用于墻下條形基礎(chǔ)和荷載不大的柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。 剛性基礎(chǔ)的基礎(chǔ)高度應(yīng)符合(2.5)式要求： 采用無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)的鋼筋混凝土柱，其柱腳高度h1不得小于b1(圖2.4(b)，并不應(yīng)小于300mm且不小于20d(d為柱中的縱向受力鋼筋的最大直徑)。 圖2.4 剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ) 2)柔性基礎(chǔ) 用鋼筋混凝土修建的基礎(chǔ)稱為柔性基礎(chǔ)，如圖2.4(c)所示。 與剛性基礎(chǔ)相比，柔性基礎(chǔ)鋼材、水泥用量增加，技術(shù)復(fù)雜、造價(jià)較高。 2.2.2 按基礎(chǔ)構(gòu)造分類 淺基礎(chǔ)按構(gòu)造可以分為獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、十字交叉基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)和殼基礎(chǔ)。 (1)獨(dú)立基礎(chǔ) 獨(dú)立基礎(chǔ)(也稱“單獨(dú)基礎(chǔ)”)，是整個(gè)或局部結(jié)構(gòu)物下的無(wú)筋或配筋的單個(gè)基礎(chǔ)，通常柱基、煙囪、水塔、高爐、機(jī)器設(shè)備基礎(chǔ)多采用獨(dú)立基礎(chǔ)，如圖2.5所示。 (2)條形基礎(chǔ) 條形基礎(chǔ)是指基礎(chǔ)長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其寬度的一種基礎(chǔ)形式，按上部結(jié)構(gòu)形式，可分為墻下條形基礎(chǔ)和柱下條形基礎(chǔ)。 圖2.5 鋼筋混凝土柱下單獨(dú)基礎(chǔ) 1)墻下條形基礎(chǔ) 2)柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ) (3)十字交叉基礎(chǔ) 當(dāng)荷載很大，采用柱下條形基礎(chǔ)不能滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用雙向的柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)形成的十字交叉條形基礎(chǔ)(又稱交叉梁基礎(chǔ))，見(jiàn)圖2.11。圖2.9 墻下鋼筋砼條形基礎(chǔ) 圖2.10 柱下條形基礎(chǔ) 圖2.11 柱下十字交叉基礎(chǔ) (4)筏板基礎(chǔ) 當(dāng)?shù)鼗浫醵奢d很大，采用十字交叉基礎(chǔ)也不能滿足地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用筏板基礎(chǔ)，即用鋼筋混凝土做成連續(xù)整片基礎(chǔ)，俗稱“滿堂紅”，見(jiàn)圖2.12。圖2.12 筏板基礎(chǔ) (5)箱形基礎(chǔ) 高層建筑由于建筑功能與結(jié)構(gòu)受力等要求，可以采用箱形基礎(chǔ)。 (6)殼體基礎(chǔ) 如圖2.14所示，由正圓錐形及其組合形式的殼體基礎(chǔ)，用于一般工業(yè)與民用建筑柱基和筒形的構(gòu)筑物(如煙囪、水塔、料倉(cāng)、中小型高爐等)基礎(chǔ)。 圖2.13 箱形基礎(chǔ)示意 (a)正圓錐殼 (b)M型組合殼 (c)內(nèi)球外錐組合殼圖2.14 殼體基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式 2.3 基礎(chǔ)埋置深度的選擇 基礎(chǔ)埋置深度是指基礎(chǔ)底面至地面(一般指設(shè)計(jì)地面)的距離。 選擇基礎(chǔ)埋深的原則是：在保證建筑物基礎(chǔ)安全穩(wěn)定、耐久使用的前提下，應(yīng)盡量淺埋，以便節(jié)省投資，方便施工。 基礎(chǔ)埋深的選擇主要考慮以下幾個(gè)方面： 建筑物的使用條件、結(jié)構(gòu)形式、荷載大小和性質(zhì)； 工程地質(zhì)與水文條件； 環(huán)境條件，包括氣候條件和相鄰建筑物的影響。 (1)建筑功能及結(jié)構(gòu)條件的要求 某些建筑物特定的使用功能要求特定的基礎(chǔ)形式。 結(jié)構(gòu)物荷載大小和性質(zhì)不同，對(duì)地基土的要求也不同，因而會(huì)影響基礎(chǔ)埋置深度的選擇。 (2)工程地質(zhì)條件 (3)水文地質(zhì)條件 選擇基礎(chǔ)埋深時(shí)應(yīng)注意地下水的埋藏條件和動(dòng)態(tài)。 對(duì)埋藏有承壓含水層的地基(圖2.16)，確定基礎(chǔ)埋深時(shí)，必須控制基坑開(kāi)挖深度，防止基坑因挖土減壓而隆起開(kāi)裂。要求基底至承壓含水層頂間保留土層厚度 (槽底安全厚度)h0為： (4)地基凍融條件 根據(jù)土的類別、凍前天然含水量大小和平均凍脹率的大小，將地基土劃分為不凍脹、弱凍脹、凍脹、強(qiáng)凍脹和特強(qiáng)凍脹5類(表2.5)。 季節(jié)性凍土地基的最小埋深為： 式中hmax基礎(chǔ)底面下允許出現(xiàn)凍土層的最大厚度，見(jiàn)表2.6。 表2.7 土的巖性對(duì)凍深的影響系數(shù)zs表2.8 土的凍脹性對(duì)凍深的影響系數(shù)zw表2.9 環(huán)境對(duì)凍深的影響系數(shù)ze注：環(huán)境影響系數(shù)一項(xiàng)，當(dāng)城市市區(qū)人口為20萬(wàn)50萬(wàn)時(shí)，按城市近郊取值；當(dāng)城市市區(qū)人口大于50萬(wàn)小于或等于100萬(wàn)時(shí)，只計(jì)入市區(qū)影響；當(dāng)城市市區(qū)人口超過(guò)100萬(wàn)時(shí)，除計(jì)入市區(qū)影響外，尚應(yīng)考慮5公里以內(nèi)的郊區(qū)近郊影響系數(shù)。 2.4 地基承載力計(jì)算 地基承載力特征值可由荷載試驗(yàn)或其他原位測(cè)試、公式計(jì)算，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等方法綜合確定。 2.4.1 地基承載力特征值的修正 地基承載力設(shè)計(jì)值： 2.4.2 按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),用理論公式確定 根據(jù)土力學(xué)地基承載力的理論可知，按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、計(jì)算的地基臨塑荷載Pcr、極限荷載Pu以及臨界荷載P1/3(或P1/4)等，均可用來(lái)衡量地基土體強(qiáng)度方面的承載力。我國(guó)建筑基礎(chǔ)規(guī)范推薦以P1/4為基礎(chǔ)的理論計(jì)算公式，該公式表示如下： 式中：Nb、Nd、Nc分別稱作承載力系數(shù)，僅與土體的有關(guān)； 因此，對(duì)承受豎向偏心荷載和水平力都不大的基礎(chǔ)，當(dāng)偏心距e0.033b(b為偏心方向基礎(chǔ)邊長(zhǎng))時(shí)，建筑基礎(chǔ)規(guī)范提出了對(duì)式(2.11)進(jìn)行修改的計(jì)算公式，并應(yīng)滿足變形要求： 2.4.3 按荷載試驗(yàn)確定地基承載力特征值 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)一定面積的載荷板(亦稱承壓板)上向地基逐級(jí)施加荷載，測(cè)出地基土的壓力與變形特征，它能反映荷載板下12倍荷載板寬度或直徑范圍內(nèi)地基土強(qiáng)度、變形的綜合性狀。 荷載試驗(yàn)分為淺層平板和深層平板試驗(yàn)，利用載荷試驗(yàn)記錄而成的p-s曲線(圖2.17)來(lái)確定地基承載力特征值。 按下述方法之一確定地基承載力特征值fak： 當(dāng)載荷試驗(yàn)p-s曲線上有明顯的比例極限時(shí)，取該比例極限所對(duì)應(yīng)的荷載值p1(圖2.17(a)； 當(dāng)極限荷載pu能確定，且pu1.5p1時(shí)，取荷載極限值pu的一半； 圖2.17 p-s曲線 不能按上述兩種方法確定時(shí)(圖2.17(b)，如壓板面積為0.250.50m2，對(duì)低壓縮性土和砂土，可取s/b=0.010.015所對(duì)應(yīng)的荷載值，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。 同一土層參加統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于3個(gè)，且基本值的極差(即最大值與最小值)不超過(guò)平均值的30%，取此平均值作為地基承載力特征值fak。 2.5 地 基 計(jì) 算 地基計(jì)算包括地基承載力驗(yàn)算、地基變形驗(yàn)算、地基穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2.5.1 地基承載力計(jì)算 (1)中心荷載作用下的基礎(chǔ) 要求基礎(chǔ)底面處的平均壓力標(biāo)準(zhǔn)值不超過(guò)持力層土的地基承載力的設(shè)計(jì)值，即： 基礎(chǔ)底面處的平均壓力標(biāo)準(zhǔn)值的確定，可按基底壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，中心荷載下基底壓力為均勻分布，如圖2.18所示，計(jì)算公式為： (2) 偏心荷載作用下的基礎(chǔ) 圖2.18 中心荷載作用下的基礎(chǔ) 圖2.19 單向偏心荷載作用下的基礎(chǔ) 基礎(chǔ)在偏心荷載作用下(圖2.19)，除應(yīng)符合公式(2.11)要求外，尚應(yīng)符合下列要求： 在偏心荷載作用下，基礎(chǔ)底面處的最大壓力設(shè)計(jì)值的確定，可按基底壓力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法確定p，即基底壓力為線性分布(如圖2.19)，采用下列公式計(jì)算： 其中，公式(2.16) 、(2.17)適用于偏心距e=Mk/(Fk+ Gk)l/6(l為偏心方向基礎(chǔ)邊長(zhǎng))。 當(dāng)偏心距e=Mk/(Fk+Gk)b/6(b為偏心方向基礎(chǔ)邊長(zhǎng))時(shí)，這時(shí)基底壓力分布如圖2.20所示。pkmax按式2.18計(jì)算： 2.5.2 軟弱下臥層強(qiáng)度驗(yàn)算 在成層地基中，有時(shí)在持力層以下有高壓縮性的土層，將此土層稱為軟弱下臥層。圖2.20 基底壓力分布圖 要求作用在軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之和不超過(guò)它的承載力特征值,即： 當(dāng)持力層與軟弱下臥層的壓縮模量比值Es1/Es23時(shí)，對(duì)矩形和條形基礎(chǔ)，假設(shè)基底處的附加應(yīng)力(p0=p-0d)向下傳遞時(shí)按某一角度向外擴(kuò)散分布于較大的面積上，根據(jù)基底與軟弱下臥層頂面處擴(kuò)散面積上的附加應(yīng)力相等的條件，可得： 矩形基礎(chǔ) 條形基礎(chǔ) 2.5.3 地基變形驗(yàn)算 (1)地基特征變形 地基特征變形一般分為：沉降量、沉降差、傾斜、局部?jī)A斜。 沉降量指基礎(chǔ)某點(diǎn)的沉降值(圖2.22(a)。 沉降差一般指相鄰柱基中點(diǎn)的沉降量之差(圖2.22(b)。 傾斜指基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值(圖2.22(c)。 局部?jī)A斜指砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱向610m基礎(chǔ)兩點(diǎn)的沉降差與其距離的比值(圖2.22(d)。圖2.22 地基特征變形 (2)地基變形計(jì)算公式 1)基本公式 2)計(jì)算原理 按分層總和法，地基內(nèi)第i層土的計(jì)算沉降量的表達(dá)式為圖2.23 地基沉降計(jì)算Ai=ziHi=p0(izi-i-1zi-1) (2.24) 壓縮模量為Es 時(shí) 地基沉降計(jì)算深度符合下式要求： 當(dāng)無(wú)相鄰載荷影響，基礎(chǔ)寬度在130 m范圍內(nèi)時(shí)，基礎(chǔ)中點(diǎn)的地基變形計(jì)算深度也可按下列簡(jiǎn)化公式計(jì)算： 當(dāng)建筑物地下室基礎(chǔ)埋深較深時(shí)，需要考慮開(kāi)挖基坑地基土的回彈，該部分回彈變形量可按式(2.30)計(jì)算： (3)地基特征變形驗(yàn)算 對(duì)于需要進(jìn)行變形驗(yàn)算的建筑物采用下列變形驗(yàn)算公式：表2.16 建筑物的地基變形允許值注：有括號(hào)者僅使用于中壓縮性土； l為相鄰柱基中心距離/mm，Hg為自室外地面起算的建筑物高度/m。 2.5.4 地基穩(wěn)定驗(yàn)算 在水平和豎向荷載共同作用下，地基失穩(wěn)破壞的形式有兩種：一種是沿基底產(chǎn)生表層滑動(dòng)，如圖2.24(a)所示；另一種是深層整體滑動(dòng)破壞，如圖2.24(b)所示。 (a)表層滑動(dòng)面 (b)深層滑動(dòng)面圖2.24 地基滑動(dòng)破壞 表層滑動(dòng)時(shí)穩(wěn)定安全系數(shù) 當(dāng)判定地基失穩(wěn)形式屬于深層滑動(dòng)時(shí)，可用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行驗(yàn)算。圖2.25 例2.2圖 2.6 剛性基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 2.6.1 概述 剛性基礎(chǔ)是指用磚、三合土、灰土、混凝土、毛石、毛石混凝土等材料建造的基礎(chǔ)。 通常，剛性基礎(chǔ)的荷載有以下三種情況(圖 2.26)：一種中心荷載下的基礎(chǔ)；二、三種偏心荷載下的基礎(chǔ)。圖2.26 剛性基礎(chǔ)的荷載 2.6.2 中心荷載作用下剛性基礎(chǔ)的設(shè)計(jì) (1)確定基礎(chǔ)底面積A(矩形、條形或正方形) 對(duì)于矩形單獨(dú)基礎(chǔ)，按式(2.36)計(jì)算出A后，先選定b或l，再計(jì)算另一邊長(zhǎng)，使Alb，一般取 l/b1.02.0。 對(duì)于條形基礎(chǔ)，取1m長(zhǎng)計(jì)算，底面積A=1b，式(2.36)可改寫(xiě)為： 對(duì)于正方形基礎(chǔ)，底面積A=bb，公式(2.36)可改寫(xiě)為： (2)確定基礎(chǔ)的高度 2.6.3 偏心荷載作用下剛性基礎(chǔ)的設(shè)計(jì) 按中心荷載作用下的公式(2.36)，計(jì)算基礎(chǔ)底面積A0。 計(jì)算基底的最大和最小的邊緣壓力pkmax、pkmin 對(duì)于矩形基礎(chǔ)，W=lb2/6；對(duì)于條形基礎(chǔ)，取1m長(zhǎng)計(jì)算，W=b2/6。 對(duì)于混凝土基礎(chǔ)，當(dāng)基礎(chǔ)底面處的平均壓力超過(guò)300kPa時(shí)， 2.6.4 剛性基礎(chǔ)的構(gòu)造 (1) 磚基礎(chǔ)細(xì)部構(gòu)造(a)二一間收 (b)二皮一收 圖2.28 磚基礎(chǔ)構(gòu)造 磚基礎(chǔ)一般做成臺(tái)階式，俗稱“大放腳”。 其砌筑方式有兩種，一是“二皮一收”，如圖2.28(b)所示，另一是“二一間收”，如圖2.28(a)所示。 (2)砌石基礎(chǔ) (3)素混凝土基礎(chǔ) (4)灰土基礎(chǔ) 2.7 鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)系指柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)和墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)。 2.7.1 基礎(chǔ)的破壞形式 (1)純剪切破壞 純剪切破壞是指沿墻或柱子邊緣，以及基礎(chǔ)變截面處(如圖2.35(a)中的1-1或2-2截面)，產(chǎn)生豎向剪切破壞。圖2.35 擴(kuò)展基礎(chǔ)破壞形式 剪力滿足 (2)斜截面剪切破壞 當(dāng)組合后不出現(xiàn)拉應(yīng)力或拉應(yīng)力較小，而壓應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)混凝土的抗壓強(qiáng)度時(shí)，混凝土被壓碎破壞，稱為剪壓破壞。 (3)彎曲破壞 2.7.2 柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的抗沖切驗(yàn)算 受沖切承載力應(yīng)按下列公式驗(yàn)算：圖2.36 計(jì)算階形基礎(chǔ)的受沖切承載力截面位置1沖切破壞錐體最不利一側(cè)的斜截面；2沖切破壞錐體的底面線2.7.3 柱下獨(dú)立基礎(chǔ)底板的配筋 圖2.37 矩形基礎(chǔ)底板的計(jì)算示意 對(duì)于矩形基礎(chǔ)，當(dāng)臺(tái)階高寬比小于或等于2.5和偏心距小于或等于1/6基礎(chǔ)寬度時(shí)，任意截面的彎矩可按下列公式計(jì)算(圖2.37)： 鋼筋面積： 2.7.4 墻下條形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì) 墻下條形基礎(chǔ)的受力條件是平面應(yīng)變,即破壞只發(fā)生在寬度方向,常常由于底板產(chǎn)生斜裂縫而破壞,因此按抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算底板的厚度,由式(2.50)確定： 當(dāng)為混凝土墻時(shí), 當(dāng)為磚墻時(shí)， 基礎(chǔ)配筋面積由下式計(jì)算： 墻身材料為混凝土?xí)r： 墻身材料為磚砌體時(shí)： 2.7.5 擴(kuò)展基礎(chǔ)的構(gòu)造要求 (a)階梯形基礎(chǔ) (b)杯口基礎(chǔ) (c)錐形基礎(chǔ) (d)底板受力鋼筋示意圖2.38 擴(kuò)展基礎(chǔ)構(gòu)造的一般要求表2.18 柱的插入深度h1/mm 注：a)h為柱截面長(zhǎng)邊尺寸；ha為雙肢柱整個(gè)截面長(zhǎng)邊尺寸；hb為雙肢柱整個(gè)截 面短邊尺寸； b) 柱軸心受壓或小偏心受壓時(shí)，h1可適當(dāng)減小，偏心距大于2h(或2d)時(shí)，h1應(yīng)適當(dāng)加大。表2.19 基礎(chǔ)的杯底厚度和杯壁厚度注：a)雙肢柱的杯底厚度值，可適當(dāng)加大； b)當(dāng)有基礎(chǔ)梁時(shí)，基礎(chǔ)梁下的杯壁厚度應(yīng)滿足其支承寬度的要求； c)柱子插入杯口部分的表面應(yīng)鑿毛，柱子與杯口之間的空隙，應(yīng)用比基礎(chǔ)混 凝土強(qiáng)度等級(jí)高一級(jí)的細(xì)石混凝土充填密實(shí)，當(dāng)達(dá)到材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上時(shí)方能進(jìn)行上部吊裝。表2.20 杯壁構(gòu)造配筋注：表中鋼筋置于杯口頂部，每邊兩根。 圖2.39 例2.4圖(基礎(chǔ)平面) 圖2.40 例2.4圖(基礎(chǔ)剖面) 1)基礎(chǔ)抗沖切驗(yàn)算 2)底板配筋 2.8 地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)相互作用的概念 2.8.2 相對(duì)剛度的影響 (a)結(jié)構(gòu)絕對(duì)柔性 (b)結(jié)構(gòu)絕對(duì)剛性 (c)結(jié)構(gòu)相對(duì)剛性圖2.41 相對(duì)剛度的影響 在上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與地基的共同作用中，通常將“上部結(jié)構(gòu)+基礎(chǔ)”與地基之間的剛度比稱為“相對(duì)剛度”。 2.8.3 工程處理中的規(guī)定 2.8.4 基礎(chǔ)的分析方法分類 圖2.42 不考慮共同作用的分析方法示意 (1)不考慮共同作用分析法 (2)考慮基礎(chǔ)地基共同作用分析法 (3)考慮上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用分析法 圖2.43 考慮地基-基礎(chǔ)共同作用的分析方法示意圖 基底任一點(diǎn)的位移wi與該點(diǎn)的地基變形si也相一致： 2.9 柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 2.9.1 柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)的構(gòu)造要求圖2.44 柱下條形基礎(chǔ)的構(gòu)造 2.9.2 柱下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)簡(jiǎn)化計(jì)算方法 (1)基礎(chǔ)底面尺寸的確定 如果荷載合力不可能調(diào)到與基底形心重合，或者偏心距超過(guò)基礎(chǔ)長(zhǎng)度的3%，基底反力按梯形分布(見(jiàn)圖2.45(b)，并按下式計(jì)算： 圖2.45 簡(jiǎn)化計(jì)算法的基底反力分布 (2)翼板的計(jì)算寬度b方向的凈反力： ： 計(jì)算彎矩和剪力：圖2.46 翼板的計(jì)算簡(jiǎn)圖 (3)內(nèi)力分析方法 實(shí)用中有兩種簡(jiǎn)化的內(nèi)力計(jì)算方法倒梁法和靜力平衡法(靜定分析方法) 1)靜力平衡法 用基礎(chǔ)各截面的靜力平衡條件求解內(nèi)力的方法稱靜力平衡法。圖2.47 靜力平衡法示意圖2.48 例2.5圖 2)倒梁法圖2.49 倒梁法計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2.50 例2.6圖圖2.51 例2.6計(jì)算結(jié)果 2.9.3 彈性地基梁方法 基床系數(shù)法(又稱“文克勒法”，E.WinKLer，1867年)。 (1)基本假定 文克勒地基模型假定地基上任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度p與該點(diǎn)的地基沉降s成正比，即： (2)撓曲微分方程及其通解圖2.52 文克爾地基模型圖2.53 彈性地基梁受力計(jì)算簡(jiǎn)圖 根據(jù)文克爾假設(shè)，上式可寫(xiě)成 (3)無(wú)限長(zhǎng)梁和半無(wú)限長(zhǎng)梁的解 1)無(wú)限長(zhǎng)梁受集中荷載 (a)受集中荷載作用 (b)受力偶作用 圖2.54 無(wú)限長(zhǎng)梁 圖2.55 F1(x)、F2(x)、F3(x)、F4(x)與x之間關(guān)系圖 2)無(wú)限長(zhǎng)梁受力偶作用 3)無(wú)限長(zhǎng)梁受均布載荷圖2.56 無(wú)限長(zhǎng)梁受均布荷載作用 4)半無(wú)限長(zhǎng)梁受集中力作用 圖2.57 半無(wú)限長(zhǎng)梁 5)半無(wú)限長(zhǎng)梁受力偶作用圖2.58 有限長(zhǎng)梁 6)有限長(zhǎng)梁 解析解 疊加法圖2.59 彈性地基梁 2.10 十字交叉條形基礎(chǔ) 當(dāng)上部結(jié)構(gòu)荷載較大而地基承載力又較低時(shí)，為了擴(kuò)大基礎(chǔ)的底面積和增強(qiáng)基礎(chǔ)的剛性，常采用由縱向、橫向條形基礎(chǔ)組成的十字交叉條形基礎(chǔ)，如圖2.11所示(見(jiàn)2.2節(jié))。 2.10.1 構(gòu)造要求 2.10.2 節(jié)點(diǎn)荷載分配圖2.60 十字交叉條形基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)荷載分配 (1)靜力平衡條件 分配在x,y方向的豎向荷載之和應(yīng)等于節(jié)點(diǎn)處荷載，即： (2)節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)條件 x和y方向基礎(chǔ)在交叉處的沉降相等。即: 2.10.3 節(jié)點(diǎn)荷載的簡(jiǎn)化計(jì)算公式 節(jié)點(diǎn)類型如圖2.61所示。圖2.61 交叉條形基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)類型 (1)內(nèi)柱節(jié)點(diǎn) x向基礎(chǔ)在Pix作用下i節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的沉降為 同理可得y向基礎(chǔ)在Piy作用下節(jié)點(diǎn)I的沉降為 (2)邊柱節(jié)點(diǎn) (3)角柱節(jié)點(diǎn) 2.10.4 節(jié)點(diǎn)分配荷載的調(diào)整 設(shè)調(diào)整前的地基平均反力為 調(diào)整后地基平均反力為 分配荷載增量為： 圖2.62 例2.7圖 于是,調(diào)整后節(jié)點(diǎn)荷載在x、y兩向的分配荷載分別為 2.11 筏板基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 2.11.1 構(gòu)造要求 筏板基礎(chǔ)的底面形狀和尺寸應(yīng)考慮使上部結(jié)構(gòu)荷載的合力點(diǎn)接近基礎(chǔ)底面的形心。 梁板式筏基底板的板格應(yīng)滿足沖切承載力的要求。 筏基礎(chǔ)配筋的確定 地下室底層柱、剪力墻與梁板式筏基的基礎(chǔ)梁連接的構(gòu)造要求，柱、墻的邊緣至基礎(chǔ)梁邊緣的距離不應(yīng)小于50mm，如圖2.64所示。圖2.63 筏基礎(chǔ)角部配筋構(gòu)造圖2.64 地下室底層柱或剪力墻與基礎(chǔ)梁連接的構(gòu)造要求 2.11.2 設(shè)計(jì)原則 (1)地基承載力驗(yàn)算 則基底反力可按式(2.124)計(jì)算： 對(duì)于矩形筏板基礎(chǔ)，基底反力可按下列偏心受壓公式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算(圖2.65)： 圖2.65 矩形筏板基礎(chǔ)表2.23 地基土抗震承載力調(diào)整系數(shù)s 注：fak為地基土承載力的特征值。 (2)地基變形計(jì)算 最終沉降 當(dāng)采用土的變形模量計(jì)算箱形和筏形基礎(chǔ)的最終沉降量s時(shí)，可按式(2.135)計(jì)算 沉降計(jì)算深度zn， (3)整體傾斜 橫向整體傾斜計(jì)算值T (4)筏基抗沖切驗(yàn)算 最大剪應(yīng)力max 圖2.66 內(nèi)柱沖切臨界截面示意圖 圖2.67 剛性板條法 2.11.3 筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力分析 (1)倒樓蓋法 (2)剛性板條法 以圖2.67(a)中的ABCH板條為例。 柱荷載總和為： 基底的凈平均值為： 柱荷載的修正系數(shù)為： 修正的基底平均凈反力可按式(2.145)計(jì)算： 圖2.68 例2.8圖 2.12 箱形基礎(chǔ)設(shè)計(jì) 箱形基礎(chǔ)是由頂板、底板、外墻和內(nèi)墻組成的空間整體結(jié)構(gòu)，一般由鋼筋混凝土建造，空間部分可結(jié)合建筑使用功能設(shè)計(jì)成地下室，是多層和高層建筑中廣泛采用的一種基礎(chǔ)形式。 2.12.1 構(gòu)造要求 箱型基礎(chǔ)的平面尺寸應(yīng)根據(jù)地基強(qiáng)度、上部結(jié)構(gòu)的布局和荷載分布等條件確定。 偏心距e宜符合 箱形基礎(chǔ)的高度(底板底面到頂面的外包尺寸)應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度和使用要求，一般取建筑物高度1/81/12，也不宜小于箱形基礎(chǔ)長(zhǎng)度的1/8。 開(kāi)口系數(shù)應(yīng)符合下式要求： 圖2.71 施工縫構(gòu)造要求圖2.72 采用箱形基礎(chǔ)時(shí)上部結(jié)構(gòu)的嵌固部位 非抗震設(shè)計(jì) 抗震設(shè)計(jì) 2.12.2 箱基設(shè)計(jì)原則 對(duì)于天然地基上的箱形基礎(chǔ)，箱基設(shè)計(jì)包括地基承載力驗(yàn)算、地基變形計(jì)算、整體傾斜驗(yàn)算等，驗(yàn)算方法與筏形基礎(chǔ)相同。 2.12.3 基底反力 在大量實(shí)測(cè)資料整理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了高層建筑箱形基礎(chǔ)底反力實(shí)用計(jì)算法 圖2.73 箱形基礎(chǔ)基底反力實(shí)測(cè)分布曲線 2.12.4 箱形基礎(chǔ)的內(nèi)力分析 (1)上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆剪力墻體系時(shí) (2)當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為框架體系時(shí) 上部結(jié)構(gòu)的總折算剛度。 圖2.74 公式(2.151)中符號(hào)示意 箱形基礎(chǔ)的整體彎曲彎矩。 2.12.5 基礎(chǔ)強(qiáng)度計(jì)算 (1)頂板與底板 底板受沖切承載力按下式計(jì)算： 當(dāng)?shù)装鍏^(qū)格為矩形雙向板時(shí)，底板受沖切所需的厚度h0按下式計(jì)算： 底板斜截面受剪承載力應(yīng)符合下式要求： (2)內(nèi)墻與外墻 箱形基礎(chǔ)的內(nèi)、外墻，除與剪力墻連接外，其墻身截面應(yīng)按下式驗(yàn)算： (3)洞口 1)洞口過(guò)梁正截面抗彎承載力計(jì)算 上梁 下梁 2)洞口過(guò)梁截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算 其中 3)洞口加強(qiáng)鋼筋圖2.77 洞口上下過(guò)梁的有效截面積 圖 2.78 例題2.9圖 圖2.79 工程地質(zhì)剖面圖2.80 荷載計(jì)算結(jié)果表2.30 基礎(chǔ)沉降計(jì)算圖2.81 基礎(chǔ)橫向傾斜計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2.82 基底反力圖2.83 整體彎曲計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2.84 箱基橫截面慣性矩計(jì)算簡(jiǎn)圖 圖2.85 局部彎曲計(jì)算簡(jiǎn)圖圖2.86 底板抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算 2.13 淺基礎(chǔ)施工要點(diǎn) 本節(jié)簡(jiǎn)要介紹淺基礎(chǔ)施工中的主要問(wèn)題，包括基坑開(kāi)挖、放坡及支擋、坑內(nèi)排水與降低地下水位，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)制作等。 2.13.1 基坑開(kāi)挖 1)準(zhǔn)備工作 2)土方開(kāi)挖 3)驗(yàn)槽 4)異常情況的處理 松軟土的處理 局部軟硬、高差的處理表2.31 一般常用土方機(jī)械的特性及適用范圍 空穴處理 流砂處理 橡皮土的處理 5)地面排水 6)基坑開(kāi)挖的安全措施 2.13.2 基坑邊坡 (1)豎直開(kāi)挖坑壁的條件 粘性土由于具有內(nèi)聚力，可以保持一定高度的豎直坑壁，其高度可按式(2.170)計(jì)算： (2)基坑邊坡的坡度 (3)坑壁支護(hù) 根據(jù)支撐的材料可以分為鋼(木)支撐、鋼(木)板樁、鋼筋混凝土護(hù)坡樁和地下連續(xù)墻。 2.13.3 坑內(nèi)排水的一般規(guī)定 淺基坑或排水量不大的基坑可在基坑底做成一定的坡度，并按需要在基坑邊設(shè)置排水溝，在四角或每隔3040m設(shè)置一個(gè)直徑為7080cm的集水井。 2.13.4 人工降低地下水位 人工降低地下水位常用井點(diǎn)降水的方法。 2.13.5 鋼筋混凝土基礎(chǔ)的制作 (1)柱基礎(chǔ)澆筑 (2)條形基礎(chǔ)澆筑 (3)大體積混凝土澆筑 1)大體積混凝土基礎(chǔ)的整體性要求 2)大體積混凝土基礎(chǔ)的澆筑方案，分為全面分層、分段分層和斜面分層3種 3)澆筑大體積混凝土的防裂措施 4)節(jié)省混凝土的措施 2.14 減輕地基不均勻沉降的措施 2.14.1 建筑措施 (1)建筑物體型力求簡(jiǎn)單 建筑物體型是指其平面形狀與立面輪廓。 (2)控制建筑物長(zhǎng)高比及合理布置縱橫墻 長(zhǎng)高比大的建筑物整體剛度小，縱墻很容易因撓曲變形過(guò)大而開(kāi)裂(圖2.88)。 (3)設(shè)置沉降縫 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沉降縫的位置通常選擇在下列部位上。 平面形狀復(fù)雜的建筑物的轉(zhuǎn)折部位； 建筑物的高度或荷載突變處； 圖2.89 基礎(chǔ)沉降縫構(gòu)造 長(zhǎng)高比較大的建筑物適當(dāng)部位； 地基土壓縮性顯著變化處； 建筑結(jié)構(gòu)(包括基礎(chǔ))類型不同處； 分期建造房屋的交界處。 (4)控制相鄰建筑物基礎(chǔ)的間距 (5)調(diào)整建筑物的局部標(biāo)高 2.14.2 結(jié)構(gòu)措施 (1)減輕建筑物自重 (2)設(shè)置圈梁 (3)減小或調(diào)整基底附加壓力 (4)增強(qiáng)上部結(jié)構(gòu)剛度或采用非敏感性結(jié)構(gòu) 2.14.3 施工措施