1、第第7 7章章 天然地基上浅基础设计天然地基上浅基础设计 Carl Terzaghi 7.1 概述概述 前面几章为土力学问题，7、8章为基础问题，9章是关于 地基处理的。地基基础设计必须结合工程地质条件、建筑 材料及施工技术等因素，将上部结构、地基、基础综合考 虑，使基础工程安全可靠、经济合理、技术先进、施工方 便。目前，大多数基础型式从施工的角度并不存在太大的 困难，关键在于安全可靠和经济合理。 n本章主要介绍根据基础的受力特性及构造特点划分的浅基本章主要介绍根据基础的受力特性及构造特点划分的浅基 础的类型、浅基础的设计计算、浅基础的设计方法及减小础的类型、浅基础的设计计算、浅基础的设计方法
2、及减小 地基不均匀沉降危害的主要措施地基不均匀沉降危害的主要措施 n掌握浅基础设计计算方法；掌握浅基础设计计算方法； n了解减小地基沉降危害的主要措施。了解减小地基沉降危害的主要措施。 n地基基础设计的原则地基基础设计的原则 安全可靠安全可靠 经济合理经济合理 技术先进技术先进 便于施工便于施工 n地基基础设计的一般要求地基基础设计的一般要求 基础要有足够的强度、刚度和耐久性基础要有足够的强度、刚度和耐久性 地基要有足够的承载力、不产生过大变形和足够的稳定性地基要有足够的承载力、不产生过大变形和足够的稳定性 a.承载力：承载力： b.变形：变形： c.稳定性：稳定性： ak fp amaxka
3、k f2 .1pfp 且且 ss 地基基础设计考虑的主要因素地基基础设计考虑的主要因素 (1) 建筑基础所用的材料及基础的结构型式；建筑基础所用的材料及基础的结构型式； (2) 基础的埋置深度；基础的埋置深度； (3) 地基土的承载力；地基土的承载力； (4)基础的形状和布置，以及与相邻基础、地下构筑物基础的形状和布置，以及与相邻基础、地下构筑物 和地下管道的关系；和地下管道的关系； (5) 上部结构类型、使用要求及对不均匀沉降的敏感性；上部结构类型、使用要求及对不均匀沉降的敏感性； (6) 施工期限、施工方法及所需的施工设备等。施工期限、施工方法及所需的施工设备等。 下卧层下卧层 地基与基础
4、 D 埋深埋深D q = D q = D D 均布荷载均布荷载 持力层（受力层）持力层（受力层） 地基地基 基础 F G 主 要 受 力 层 天然地基：地基范围内的土层都是好土层（一般fa150kpa）， 基础直接埋置在未经加固的天然地层之上。 D D 好土层好土层 人工地基： 若天然的地基很弱，不能满足上部结构荷载的要求， 则地基要事先经过人工加固后再修建基础。这样的地基称 为人工地基。 软土软土 n深基础： 基础的埋置深度超过基础的埋置深度超过5 5米米，要采用特殊的方法、装备施工要采用特殊的方法、装备施工 ，或者基础的埋置深度大于基础的宽度，在设计中必须考虑，或者基础的埋置深度大于基础的
5、宽度，在设计中必须考虑 基坑侧壁摩擦力的影响。这样的基础称之为基坑侧壁摩擦力的影响。这样的基础称之为深基础深基础。如如桩基桩基 、沉井、沉井。 浅基础: (1)埋深小于埋深小于5m的柱基或墙基；的柱基或墙基； (2)埋深小于基础宽度的筏埋深小于基础宽度的筏 基、箱基；基、箱基； (3)不考虑侧面摩擦力。用一般方法、工艺施工。不考虑侧面摩擦力。用一般方法、工艺施工。 桩基础和深基础 新加坡发展银行,四墩, 每墩直径7.3m 将荷载传递到下部好土层,承载力高 大直径钻孔桩大直径钻孔桩 风化砂岩及粉砂岩风化砂岩及粉砂岩 部分风化及部分风化及 不风化泥岩不风化泥岩 桩基础桩基础 原则：造价低原则：造价
6、低 易施工易施工 安全合理安全合理 技术先进技术先进 天然地基天然地基 人工地基人工地基 深基础深基础 浅基础浅基础 方案方案 选择选择 n基础类型 地基基础类型 No 结构、地质和环境资料结构、地质和环境资料 基础结构类型与布置方案基础结构类型与布置方案 确定地基承载力特征值及修正值确定地基承载力特征值及修正值 变形和稳定验算变形和稳定验算 基础设计图、施工图、预算书基础设计图、施工图、预算书 确定持力层、基础埋深确定持力层、基础埋深 确定基础的初步尺寸确定基础的初步尺寸 基础的结构和构造设计基础的结构和构造设计 根据天然地基上浅基础的受力特点和构造特点可将浅基础分为两大类： 浅基础分类浅基
7、础分类 7.27.2浅基础的类型浅基础的类型 刚性基础:通常由砖、块石、毛石、 素混凝土、三合土和灰土等材料建造 的基础。 设计要求：发生在基础内的拉应力 和剪应力不超过其材料强度设计值， 可通过限制基础外伸宽度与基础高度 的比值来实现。在宽高比的限制下， 基础相对高度一般较大，几乎不会发 生弯曲变形，此类基础习惯上称之为 刚性基础。 应用范围：刚性基础可用于六层和六 层以下（三合土基础不宜超过四层 ） 柔性基础:即钢筋混凝土基础。 特点：具有较好的抗剪能力和抗 弯能力。 设计要求：采用扩大基础底面积 的方法来满足地基承载力的要求， 但不必增加基础的埋深；选择合 适的基础材料、高度与配筋来满
8、足基础抗剪和抗弯要求。 种类：独立基础、条形基础、筏 板基础、箱形基础和壳体基础等。 浅基础分类浅基础分类 1.无筋扩展基础结构分析 材料共同特点 ： n具有较好的抗压性能具有较好的抗压性能 n抗拉、抗弯、抗剪强度很低抗拉、抗弯、抗剪强度很低 倒置短悬臂梁弯拉破倒置短悬臂梁弯拉破 坏（见图）坏（见图） n 无筋扩展基础的 受力示意图 如图，基础高度：如图，基础高度： tan2)( tan 00 11 bbH bh 刚性角，与材料和荷载刚性角，与材料和荷载 有关，有关， b0 b b1 h1 H0 b2 无筋扩展基础结构分析 宽高比 浅基础分类浅基础分类 刚性基础台阶宽高比允许值： 基础材料基础
9、材料材料标号材料标号 台阶宽高比允许值台阶宽高比允许值 PK100100100 PK200200 200b/6）下基底压力 计算示意图 b力矩作用方向基础底面边 长 当偏心距eb/6时(如图)，pkmax应按下式计算： 式中l垂直于力矩作用方向的 基础底面边长； a合力作用点至基础底面 最大压力边缘的距离。 la GF p kk k 3 ）(2 max + 7.4.3 地基承载力特征值fak 地基承载力特征值含义： 发挥正常使用功能时所允许采用的抗力设计值，因此,地基 承载力特征值实质上是地基容许承载力。 地基承载力特征值可由荷载试验或其他原位测试、公式计 算并结合工程实践经验定。 确定方法：
10、 1、按静荷载试验方法确定； 2、根据土的强度指标计算； 3、当地经验法； 4、根据规范表格确定。 一、现场载荷试验确定承载力特征值fak 地基承载力计算地基承载力计算 千斤顶千斤顶 荷载板荷载板 一、现场载荷试验一、现场载荷试验ps曲线确定曲线确定fak 地基承载力计算地基承载力计算 （1）当）当ps曲线上有明显的曲线上有明显的 比例界限时，取该比例界限比例界限时，取该比例界限 所对应的荷载值；所对应的荷载值； （2）当极限荷载小于对应比）当极限荷载小于对应比 例界限的荷载值的例界限的荷载值的2倍时，取倍时，取 极限荷载值的一半；极限荷载值的一半； (3) 不能按上述两款要求确定时，当压板面
11、积为不能按上述两款要求确定时，当压板面积为0.250.5m2， 可取可取s/b=0.010.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载所对应的荷载，但其值不应大于最大加载 量的一半。量的一半。 优缺点: 应力影响深度有限,只为（12）b，只能反映持力层的承载 力 间接原位测试的方法间接原位测试的方法 平板载荷试验是直接测定地基承载力的原位测试方法，而其他平板载荷试验是直接测定地基承载力的原位测试方法，而其他 的原位测试方法，如静力触探、动力触探、标准贯入试验等不的原位测试方法，如静力触探、动力触探、标准贯入试验等不 能直接测定地基承载力，但是可以将其结果与各地区的载荷实能直接测定地基承载力，但
12、是可以将其结果与各地区的载荷实 验结果相比较，积累一定数量的数据，间接地确定地基承载力。验结果相比较，积累一定数量的数据，间接地确定地基承载力。 这种方法在中国已有丰富经验，在工程建设中应用较广泛。但这种方法在中国已有丰富经验，在工程建设中应用较广泛。但 是当地基基础设计等级为甲级和乙级时，应结合室内实验成果是当地基基础设计等级为甲级和乙级时，应结合室内实验成果 综合分析，不宜单独使用。综合分析，不宜单独使用。 二、根据土的强度理论计算确定 fa = Mbb + Md md + Mcck fa :承载力特征值修正值 此公式的计算值与以前介绍的p1/4=NB /2+Nq d+Ncc的计算 值基本
13、一样，形式变化而已 基础宽度b大于6m按6m计算，砂土小于3m按3m计算， 先初步估计b, b为基础短边 地基承载力计算地基承载力计算 b l 三、根据三、根据规范规范承载力表确定承载力表确定 89年的年的地基规范地基规范： 根据大量试验资料及建筑实践经验综合确定各种土的承载力，制订表格 。设计者按土的物理、力学性质指标，依据表格确定地基承载力基 本值。 02年的年的地基规范地基规范： 取消了74年和89年的地基承载力表，允许各地根据自己的情况，制定地 方性的建筑地基规范，确定地基承载力表等参数。实际上，将全国 统一的地基承载力表地域化。 四、地基承载力特征值的修正 (7.11) 修正后的地基
14、承载力特征值； , 从原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征 值。 ) 5 . 0() 3(+dbff mdbaka a f ak f mdmb5 . 0,3 例例71 某柱基础底面尺寸为某柱基础底面尺寸为3.0m 4.8m，埋置，埋置 深度为深度为d=2.0m，场地上土层分布如图，场地上土层分布如图6-23所示，所示， 持力层地基承载力特征值持力层地基承载力特征值fk=176kNm2，试确，试确 定持力层地基承载力特征值的修正值定持力层地基承载力特征值的修正值f 。 解解 该持力层为该持力层为e0.85及及IL 2.5m，且符合，且符合 要求要求: 可不进行稳定验算可不进行稳定验算 对条
15、形基础对条形基础: 对矩形基础对矩形基础: 变形验算的选择变形验算的选择 （1 1）与柔性结构有关的地基变形特征）与柔性结构有关的地基变形特征 通常柔性结构指排架结构，一般在低、中压缩性地基上不通常柔性结构指排架结构，一般在低、中压缩性地基上不 会产生沉降破坏，但在高压缩性地基上应注意下列变形特征：会产生沉降破坏，但在高压缩性地基上应注意下列变形特征： 砌体墙填充的边排柱（尤其是端部抗风柱）砌体墙填充的边排柱（尤其是端部抗风柱）- - 验算验算沉降差沉降差 单层排架柱基（尤其是多跨排架的中排柱基）验算单层排架柱基（尤其是多跨排架的中排柱基）验算沉降量沉降量 对有桥式吊车的厂房，应对有桥式吊车的
16、厂房，应限制相邻柱基限制相邻柱基沉降差沉降差引起的吊车引起的吊车 轨道面的轨道面的倾斜倾斜，以防导致吊车滑行或卡轨。，以防导致吊车滑行或卡轨。 （2 2）与敏感性结构有关的地基变形特征）与敏感性结构有关的地基变形特征 所谓敏感性结构指对不均匀沉降敏感的框架结构和砌体承所谓敏感性结构指对不均匀沉降敏感的框架结构和砌体承 重结构。由于一般砌体的抗拉、抗剪强度较低，在地基不均匀重结构。由于一般砌体的抗拉、抗剪强度较低，在地基不均匀 变形影响下，易沿纵墙开裂破坏；而框架结构则主要是由于相变形影响下，易沿纵墙开裂破坏；而框架结构则主要是由于相 邻柱基的不均匀沉降在上部结构中产生较大次应力，使强度超邻柱基
17、的不均匀沉降在上部结构中产生较大次应力，使强度超 过安全储备而破坏。因此：过安全储备而破坏。因此： 砌体承重结构砌体承重结构- - 验算验算局部倾斜局部倾斜 框架结构框架结构-验算相邻柱基的验算相邻柱基的沉降差沉降差 （3 3）与刚性结构有关的地基变形特征）与刚性结构有关的地基变形特征 所谓刚性结构指高层建筑和高耸结构物。所谓刚性结构指高层建筑和高耸结构物。 高耸结构和长高比很小的高层建筑，地基变形的主要特征高耸结构和长高比很小的高层建筑，地基变形的主要特征 是建筑物的整体是建筑物的整体倾斜倾斜； 对地基较均匀、且无相邻荷载影响的高耸结构，则注意控对地基较均匀、且无相邻荷载影响的高耸结构，则注
18、意控 制制沉降量沉降量。 高耸及高层建筑容易产生倾斜的主要原因是地基不均匀及高耸及高层建筑容易产生倾斜的主要原因是地基不均匀及 相邻建筑影响，此外这类结构受水平荷载大、重心高，容易重相邻建筑影响，此外这类结构受水平荷载大、重心高，容易重 心偏移引起偏心力矩而影响倾覆稳定性，故倾斜允许值随高度心偏移引起偏心力矩而影响倾覆稳定性，故倾斜允许值随高度 增加而递减。增加而递减。 沉降观测与地基变形值的预估沉降观测与地基变形值的预估 沉降观测目的沉降观测目的 u 通过对观测结果的分析通过对观测结果的分析 来验证计算方法；来验证计算方法； u 可预测沉降发展的趋势可预测沉降发展的趋势 及时采取处理措施。及
19、时采取处理措施。 预估预估 施工期间施工期间 使用期间使用期间 变形值变形值 便于预留便于预留 建筑物有关部建筑物有关部 分间净空分间净空 预估地基预估地基 变形值变形值 考虑考虑 土的土的 压缩性压缩性 多层建多层建 筑在施筑在施 工期间工期间 完成的完成的 沉降量沉降量 u 砂土砂土- 80%以上以上 u 低压缩性土低压缩性土 5080% u 中压缩性土中压缩性土 2050% u 高压缩性土高压缩性土 520% 变形不满足时的措施变形不满足时的措施 1) 适当调整基底尺寸适当调整基底尺寸(改变基底附加压力改变基底附加压力); 2) 适当调整基础埋深适当调整基础埋深; 3) 改用其它基础型式
20、改用其它基础型式; 4) 采用人工地基处理方案采用人工地基处理方案; 5) 从建筑从建筑结构及施工等方面采取措施以防止地结构及施工等方面采取措施以防止地 基不均匀沉降对上部结构造成的损害。基不均匀沉降对上部结构造成的损害。 7.6 7.6 无筋扩展基础设计无筋扩展基础设计 刚性基础：刚性基础：指用抗压性能好而抗拉、抗剪性能较差的材料建造 的基础。 要求：除保证地基承载力和变形满足要求，尚应保证基础本身 材料不发生强度破坏。 方法：对于刚性基础，为保证基础不因受过大的冲切应力或剪 应力而破坏，把基础的宽高比限制在一定的容许值内（表7.1， P283） 若不能满足宽高比，可调整高度或改用钢筋砼基础
21、。 n进行刚性基础设计时先选择合适的基进行刚性基础设计时先选择合适的基 础埋置深度础埋置深度d, 并按构造要求初步选定并按构造要求初步选定 基础高度基础高度H，然后根据地基承载力要，然后根据地基承载力要 求初步确定基础宽度求初步确定基础宽度b，再按刚性角，再按刚性角 的要求进一步验算基础的宽度：的要求进一步验算基础的宽度： b b0+2h tg F ll0 b0 b bt h 基础高度的确定基础高度的确定 单独无筋扩展基础单独无筋扩展基础 b b0+2h tg l l 0 +2h tg 满足满足d h+0.1m 确定确定h t b tg h =45o (1:1) 30o (1:2) 7.7 7
22、.7 扩展基础设计扩展基础设计 一、适用范围：上部结构荷载较大，偏心荷载，承受弯矩，水平荷载一、适用范围：上部结构荷载较大，偏心荷载，承受弯矩，水平荷载 的建筑物的建筑物 二、二、 扩展基础的构造要求扩展基础的构造要求 1、一般要求、一般要求 （1）基础边缘高度：锥形不小于）基础边缘高度：锥形不小于200mm，台阶形为，台阶形为300500mm （2）基底垫层：）基底垫层：100mm厚厚C10素混凝土垫层素混凝土垫层 （3）钢筋：）钢筋：10以上，间距以上，间距100 200mm 混凝土保护层：不小于混凝土保护层：不小于40mm （无垫层不小于（无垫层不小于70mm） （4）混凝土等级：不小于
23、）混凝土等级：不小于C20。 2、柱下独立基础、柱下独立基础 （1）伸出插筋和柱锚固）伸出插筋和柱锚固 （2）插筋下端设置箍筋）插筋下端设置箍筋 3、墙下条形基础、墙下条形基础 （1）h300mm （2）分布筋）分布筋8300mm （3）锥形边缘）锥形边缘200mm，坡度不大于，坡度不大于1：3。 三、扩展基础计算 设计内容： 选择基底埋深： 计算基础底面所需要的面积A，确定底面尺寸； 确定基础高度： 1）对于柱下扩展基础，验算柱与基础和基础变阶处得抗冲切 能力； 2）对于墙下条形扩展基础，验算墙与基础和基础变阶处的抗 剪切能力。 基础底板的弯矩计算，基础底板配筋； 施工图。 埋置深度和平面尺
24、寸的确定方法刚性基础相同 （1）基础底板厚度）基础底板厚度 柱下钢筋混凝土单独基础的底板厚度（即基础高度）柱下钢筋混凝土单独基础的底板厚度（即基础高度） 主要由受冲切承载力计算决定。主要由受冲切承载力计算决定。 对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础 交接处以及基础变阶处的受冲切承载力；交接处以及基础变阶处的受冲切承载力； 受冲切承载力应按下列公式验算：受冲切承载力应按下列公式验算： 冲切破坏锥体最不利冲切破坏锥体最不利 一侧计算长度一侧计算长度 作用在冲切面上的地基净反力作用在冲切面上的地基净反力 基础有效高度基础有效高度 （2 2）基础底板配筋）基础底
25、板配筋 基础底板的配筋，应按受弯承载力确定。对于柱下单独内力基础底板的配筋，应按受弯承载力确定。对于柱下单独内力 采用简化计算方法计算：采用简化计算方法计算： 即将单独基础的底板视为嵌固在柱子边或基础变阶处（阶梯形基础）即将单独基础的底板视为嵌固在柱子边或基础变阶处（阶梯形基础） 2 2、偏心荷载作用：、偏心荷载作用： 对于偏心荷载，将公式中的Ps以 Ps,max 代替，偏安全。 0.70.7 4.45 2.39 7.30 5.45 2.39 1.957）0.378m 378mm 378mm 423mm 7.31 45mm45mm mmNmkN albb P M S + + 6 2 2 108
26、 .4288 .428 ) 2 . 18 . 32() 2 . 18 . 3 ( 24 173 )2()( 24 7.41 7.8 有时还需要在重建筑物竣工后歇一有时还需要在重建筑物竣工后歇一 段时间后再建造轻的邻近建筑物段时间后再建造轻的邻近建筑物 ( 或建筑物单元或建筑物单元 ) 。当高层建筑的主、裙。当高层建筑的主、裙 楼下有地下室时楼下有地下室时 , 可在裙楼相交的裙楼一侧适当位置可在裙楼相交的裙楼一侧适当位置 ( 一般是跨度处一般是跨度处 ) 设设 置施工后浇带置施工后浇带 , 同样以先主楼后裙楼的施工顺序同样以先主楼后裙楼的施工顺序 , 减轻不均匀沉降的影响。减轻不均匀沉降的影响。
27、 （2）在软弱土地基础上，在已建房屋周围和在建房屋外，都应避免长时）在软弱土地基础上，在已建房屋周围和在建房屋外，都应避免长时 间堆放大量集中的地面荷载间堆放大量集中的地面荷载 , 以免引起新、旧房屋的附加沉降。以免引起新、旧房屋的附加沉降。 （3）细粒土尤其是淤泥及淤泥质土的结构性很强，施工时应尽可能地保）细粒土尤其是淤泥及淤泥质土的结构性很强，施工时应尽可能地保 持地基土的原状结构。在开挖基坑时，可暂不挖到基底标高，保留约持地基土的原状结构。在开挖基坑时，可暂不挖到基底标高，保留约 200mm， 等基坑内基础砌筑或浇筑时再挖，如槽底已扰动等基坑内基础砌筑或浇筑时再挖，如槽底已扰动 , 可先
28、挖去扰可先挖去扰 动部分动部分 , 再用砂、碎石等回填处理。再用砂、碎石等回填处理。 7.13.3 补偿性基础设计 减轻自重，加大埋深。 假使基础有足够埋深，使得基底实际压力（扣除地下水的浮托力）等 于该处原有土体自重压力，亦即开挖基坑移去的土体重量，补偿（替换） 了建筑物（含基础及复土）的全部重量，这样就不会改变地基内原有的应 力状态，无须担心会有沉降和剪切破坏问题。 补偿性基础 欠补偿 P0 0 全补偿 P0 0 超补偿 P0 0 上述设想理论上成立，但须面对2个问题： * 实体基础，挖去土重不够补偿基础及其上之重； * 施工有一个过程，外荷产生的基底压力与原有自重应力不可能直接及时替 换产生变形强度问题。
