土力學(xué)與基礎(chǔ)工程：淺基礎(chǔ)

土力學(xué)與基礎(chǔ)工程主講教師:徐曉紅教材:土力學(xué)與基礎(chǔ)工程主編:華南理工大學(xué)等院校第2章淺基礎(chǔ)本章教學(xué)目標(biāo)1、掌握淺基礎(chǔ)設(shè)計內(nèi)容、方法、原則；了解淺基礎(chǔ)類型。2、掌握基礎(chǔ)埋置深度確定；了解地基承載力的確定方法；熟練掌握常用的計算方法。3、了解地基變形、穩(wěn)定性計算原則；熟練掌握基礎(chǔ)底面積的確定方法。4、熟練掌握無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)、墻下砼條形基礎(chǔ)、柱下砼獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計。5、掌握聯(lián)合基礎(chǔ)設(shè)計；熟悉減輕不均勻沉降的措施。樹立同學(xué)工程意識培養(yǎng)解決實(shí)際問題的能力。2.1概述地基基礎(chǔ)設(shè)計時，必須堅持因地制宜，就地取材，保護(hù)環(huán)境和節(jié)約資源的原則；根據(jù)巖土工程勘察資料，綜合考慮結(jié)構(gòu)類型，材料及施工條件等因素，精心設(shè)計。常見基礎(chǔ)有：淺基礎(chǔ)、深基礎(chǔ)、深淺結(jié)合基礎(chǔ)。天然地基上淺基礎(chǔ)優(yōu)點(diǎn)：便于施工，工期短，造價低，如能滿足強(qiáng)度和變形要求，宜優(yōu)先采用。本章主要討論天然地基上淺基礎(chǔ)，也適用于人工地基。（但注意修正參數(shù)不同）2.1.1淺基設(shè)計內(nèi)容1）選擇基礎(chǔ)材料，類型，進(jìn)行平面布置；2）確定地基持力層和基礎(chǔ)深度；3）確定地基承載力；4）底面尺寸，變形穩(wěn)定驗(yàn)算；5）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計；6）、繪圖、施工說明。淺基常規(guī)設(shè)計法1）常規(guī)設(shè)計法，把上部結(jié)構(gòu)、地基、基礎(chǔ)三者分離開來，分別對三者進(jìn)行計算。例框架結(jié)構(gòu)圖2-1。淺基設(shè)計存在問題1）滿足了靜力平衡條件，但忽略了三者變形的連續(xù)性，地基礎(chǔ)變形與沉降應(yīng)相一致，滿足變形協(xié)調(diào)條件。地基越軟，計算與實(shí)際差距越大，合理分析應(yīng)滿足靜力平衡，變形兩個條件，復(fù)雜情況應(yīng)采用上下結(jié)構(gòu)相互作用。2）常規(guī)法應(yīng)滿足下列條件：沉降較小或較均勻，基礎(chǔ)剛變較大；對連續(xù)基礎(chǔ)荷載柱距均勻。2.1.3設(shè)計原則

1）對地基計算要求，基礎(chǔ)設(shè)計分三個等級：甲、乙、丙符合下列相應(yīng)規(guī)定：a.所有基礎(chǔ)均應(yīng)滿足承載力計算規(guī)定；b.甲、乙級基礎(chǔ)均應(yīng)按地基變形設(shè)計；c.表2－2所列丙級可不做變形驗(yàn)算，但屬下列情況之一，仍作變形驗(yàn)算；d.對高層、高聳、擋土墻尚驗(yàn)算穩(wěn)定性；e.基坑工程驗(yàn)算穩(wěn)定；f.地下水較淺時進(jìn)行抗浮驗(yàn)算。2）關(guān)于荷載取值規(guī)定

a.按地基承載力確定基礎(chǔ)底面積、埋深時，按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合。抗力采用特征值b.計算地基變形時傳至基礎(chǔ)上荷載效應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合。不計入風(fēng)、地震作用。限值為地基變形允許值。c.計算擋土墻土壓力、基礎(chǔ)樁承臺高度內(nèi)力時，按承載力極限狀態(tài)下基本組合。地基土工程特性指標(biāo)的代表值應(yīng)分別為標(biāo)準(zhǔn)值、平均值、特征值?？辜羧?biāo)準(zhǔn)值、壓縮取平均值、荷載特征值。2.2淺基礎(chǔ)礎(chǔ)類型型擴(kuò)展基基礎(chǔ)是是把荷荷載側(cè)側(cè)向擴(kuò)擴(kuò)展到土土中，，使之之滿足足地基基承載力力和變變形的的要求求。擴(kuò)擴(kuò)展基礎(chǔ)礎(chǔ)包括括無筋筋擴(kuò)展展基礎(chǔ)礎(chǔ)。圖2-2。鋼筋筋混凝凝土擴(kuò)擴(kuò)展基基礎(chǔ)。圖圖2-3、圖2-42.2.1擴(kuò)展基基礎(chǔ)2.2.2聯(lián)合基基礎(chǔ)相鄰兩兩柱距距小或或一柱柱在邊邊圖圖2-52.2.3柱下條條基地基較較軟弱弱，荷荷載分分布不不均，，用擴(kuò)擴(kuò)展基基礎(chǔ)可可能發(fā)發(fā)生較較大不不均勻勻沉降降時，，將一一方向向上若若干柱柱子的的基礎(chǔ)礎(chǔ)連成成一體體。圖圖2-62.2.4交叉條形基礎(chǔ)兩方調(diào)整不均沉降降圖。圖2-7、2-8。2.2.5筏形基礎(chǔ)面積較大或使用要要求抗彎剛度大，，整體性好。2.2.6箱型基礎(chǔ)2.2.7殼體基礎(chǔ)發(fā)揮抗壓性能好特特點(diǎn)2.3基礎(chǔ)埋置深度選擇擇基礎(chǔ)埋置深度：指指基礎(chǔ)底面至地面面（設(shè)計地面）的的距離。是基礎(chǔ)設(shè)設(shè)計重要一環(huán)，關(guān)關(guān)系到地基基礎(chǔ)方方案的優(yōu)劣，造價價的高低，施工難難易。2.3.1與建筑物有關(guān)的條條件1）建筑物用途，有有無地下室，設(shè)備備基礎(chǔ)和地下設(shè)施施，基礎(chǔ)型式和構(gòu)構(gòu)造，不宜小于0.5m；2）高層建筑應(yīng)滿足足承載力變形，穩(wěn)穩(wěn)定性，箱基礎(chǔ)埋埋深應(yīng)滿足抗滑要要求。筏基、箱基基不宜小于建筑高高度的1/15，樁筏或樁箱基礎(chǔ)礎(chǔ)不宜小于建筑高高度的1/18—1/20；3）作用在地基上荷荷載大小和性質(zhì)。。2.3.2工程地質(zhì)條件1）持力層：直接承承受基礎(chǔ)的土層，，其下的各土層稱稱為下臥層。2）地基受力層：條條基底面下深度3b，獨(dú)基下1.5b，且厚度不小于5m范圍（沉降計算深深度）。為滿足承承載力和變形要求求，基礎(chǔ)應(yīng)埋在良良好的土層上，在在受力層內(nèi)有下臥臥層時，下臥層承承載力變形也應(yīng)滿滿足要求。3）良好土層：對小小型建筑。粘土堅堅硬，硬塑，可塑塑狀態(tài)粘土層。中中密（15<N<30）密實(shí)（N>30）狀態(tài)的砂土，碎碎石土及低、中壓壓縮性土。4）軟弱土層，壓縮縮系數(shù)高，軟塑、、流塑粘土，松散散狀態(tài)砂土，未處處理填土，高壓縮縮性土層；5）基礎(chǔ)埋深確定原原則a.自上而下都是良好好土層，埋深由其其它條件和最小埋埋深確定。b.自上而下都是軟弱弱土層，不滿足承承載力變形要求，，則應(yīng)采用連續(xù)基基礎(chǔ)、人工地基或或深基礎(chǔ)。小型a.c.上為軟弱土層，下下部為良好土層。。持力層選擇取決決于上部軟弱土層層厚度?！?m就選下部良好土層層為持力層，較厚厚時按b處理。d.上部為良好土層，，下部為軟弱土層層。對低層建筑宜宜選上層為持力層層盡量淺埋、加大大基底到軟弱層距距離，應(yīng)力擴(kuò)散，，需驗(yàn)算下弱層承承載力。e.當(dāng)?shù)鼗至觾A斜斜時，同一建筑基基礎(chǔ)可以采用不同同埋深，由深到淺淺過渡。2.3.3水文地質(zhì)條件a.基礎(chǔ)應(yīng)埋在地下水水位以上，對底面面低于地下水位的的基礎(chǔ)，應(yīng)考慮施施工問題，地基保保護(hù)，基坈降水，，是否產(chǎn)生流砂、、管涌等現(xiàn)象，對對侵蝕性水，基礎(chǔ)礎(chǔ)采用防蝕水泥。。b.設(shè)計時應(yīng)考慮上浮浮托力，如地下室室、地下貯罐上浮浮，地下室防滲。。c.基坑，坑底土的總總覆蓋壓力大于承承壓含水層頂部靜靜水壓力γh>γw·hw土不被承壓水沖破破（即流土）2.3.4地基凍融條件1）凍土：當(dāng)?shù)鼗镣恋臏囟鹊陀跀z氏氏零度時，土中部部分孔隙水將凍結(jié)結(jié)形成凍土。由季季節(jié)性凍土和多年年凍土兩類。2）凍脹現(xiàn)象：由細(xì)細(xì)粒土組成，凍結(jié)結(jié)前含水率較高。。凍結(jié)其地下水位位低于凍結(jié)深度1.5~2.0m，凍深處土成為冰冰晶體，未凍結(jié)深深度區(qū)自由水和結(jié)結(jié)合水會不斷地向向凍結(jié)區(qū)遷移、聚聚集，使晶體擴(kuò)大大，土發(fā)生膨脹、、隆起。導(dǎo)致建筑筑物開裂。3）融陷：土層解凍凍，含水量增加，，土體處于飽和軟軟化狀態(tài)，承載力力降低，建筑下陷陷，稱融陷。導(dǎo)致致建筑物開裂。4）是否產(chǎn)生凍脹現(xiàn)現(xiàn)象與下列因素有有關(guān)。土粒徑大小小，含水量多少，，地下水位高低有有關(guān)。5）規(guī)范把土凍脹性性分類：不凍脹、、弱凍脹、凍脹脹、強(qiáng)凍脹、特強(qiáng)強(qiáng)凍脹。6）可凍脹土中最小小埋深。dmin=Zd–hmaxZd=Z0ΨzsΨzwΨze(設(shè)計凍深)Z0—標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)凍深hmax-允許殘留凍土層厚厚度Ψzs—土類別對凍深影響響系數(shù)Ψzw—土的凍脹性對凍深深影響系數(shù)ΨZe—環(huán)境對凍深影響系系數(shù)2.3.5場地環(huán)境條件2.4淺基礎(chǔ)的地基承載載力1)淺基礎(chǔ)的地基承載載力是指地基承受受荷載的能力。2)地基承載力特征值值：在保證地基穩(wěn)穩(wěn)定的條件下，使使建筑物的沉降量量不超過允許值的的地基承載力稱為為地基承載力特征征值。以fa表示。fa=pu/K允許沉降的Sa的函數(shù)抗力采用承載力特特征值。2.4.1地基承載力的概念念2.4.2地基承載力的特征征值的確定1）按土的抗剪強(qiáng)度度指標(biāo)確定2）按地基載荷試驗(yàn)驗(yàn)確定3）按規(guī)范承載力表表確定4）按建筑經(jīng)驗(yàn)確確定1）按土的拉剪強(qiáng)度度指標(biāo)確定a.地基極限承載力fa=Pu/KK——安全系數(shù)K=2~3，取值與地基基礎(chǔ)礎(chǔ)設(shè)計等級、荷載載的性質(zhì)、土的抗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的可可靠程度以及地基基條件等因素有關(guān)關(guān)。b.規(guī)范推薦的理論公公式。fa=MbYb+MdYmd+McCkc.按理論公式計算幾幾點(diǎn)說明a）影響最大的是抗抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取取值。應(yīng)選擇原狀狀土樣以三軸壓縮縮實(shí)驗(yàn)中的不固結(jié)結(jié)不排水試驗(yàn)。每每層土實(shí)驗(yàn)數(shù)量不不得少于6組。b）地基承載力還與與基礎(chǔ)的大小、形形狀、埋深以及荷荷載情況有關(guān)。對對飽和軟土當(dāng)φk>0，增大b可提高承載力。c）與埋深d有關(guān)，但對實(shí)體基基礎(chǔ)，增加的承載載力將被基礎(chǔ)和回回填土重量的相應(yīng)應(yīng)增加抵消。特別別是飽和土Md=1。d）進(jìn)行地基變形驗(yàn)驗(yàn)算。e）內(nèi)磨擦角標(biāo)準(zhǔn)值值和粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值值。2）按地基載荷試驗(yàn)驗(yàn)確定載荷試驗(yàn)包括淺層層平板載荷試驗(yàn)、、深層平板試驗(yàn)及及螺旋板載荷試驗(yàn)驗(yàn)。前者適用于淺淺基，后二者適用用于深基。根據(jù)載荷荷試驗(yàn)成成果p-s曲線確定定地基承承載力特特征值分分二種情情況。a.對密實(shí)砂砂土、硬硬塑粘土土等低壓壓縮性土土，由強(qiáng)強(qiáng)度安全全控制，，按規(guī)范范規(guī)定以以直線段段末點(diǎn)把把對應(yīng)的的壓力p1（比例界界限荷載載）作為為承載力力特征值值。對于于呈脆性性破壞的的土，pl與pu很近，pu∠2pl時，取pu/2作為特征征值。b.對松砂、、填土、、可塑粘粘土，由由允許沉沉降量控控制。當(dāng)當(dāng)壓板面面積為0.25--0.5平方米時時，規(guī)范范規(guī)定可可取沉降降s=(0.01--0.015)b所對應(yīng)的的荷載作作為承載載力特征征值。此此值不大大于最大大加載量量的一半半。同一一層土要要有三個個以上試試驗(yàn)點(diǎn)，，當(dāng)極差差不超過過平均值值30%時取平均均值為fak。3）按規(guī)范范承載力力表確定定規(guī)范給出出了按野野外鑒別別結(jié)果、、室內(nèi)物物理、力力學(xué)指標(biāo)標(biāo)，或現(xiàn)現(xiàn)場動力力觸探試試驗(yàn)錘擊擊數(shù),查取地基基承載力力特征值值的表格格，求得得fak。N=μ-1.645σσ當(dāng)基礎(chǔ)寬寬度大于于3m或埋置深深度大于于0.5m時，從載載試驗(yàn)規(guī)規(guī)范表格格方法確確定的承承載力特特征值，，應(yīng)修正正2.4.3地基變形形驗(yàn)算1、建筑物物地基變變形計算算值，不不應(yīng)大于于地基變變形允許許值。2、變形特特征分四四種：沉降量－－獨(dú)立基基礎(chǔ)中心心點(diǎn)沉降降值或基基礎(chǔ)沉降降平均值值沉降差－－相鄰兩兩個柱基基的沉降降量之差差；傾斜－傾傾斜方向向兩端點(diǎn)點(diǎn)沉降差差與其距距離比值值；局部傾斜斜－在6－10m內(nèi)基礎(chǔ)兩兩點(diǎn)的沉沉降差與與其距離離的比值值。地基變形形允許值值確定涉涉及許多多因素：：規(guī)范分分析了國國內(nèi)外各各類建筑筑物的有有關(guān)資料料，提出出了建筑筑物地基基變形的的允許值值，對表表中未包包括的建建筑物，，其地基基變形允允許值應(yīng)應(yīng)根據(jù)上上部結(jié)構(gòu)構(gòu)對地基基變形的的適應(yīng)能能力和使使用上要要求確定定。3、在計算算地基變變形時應(yīng)應(yīng)符合下下列規(guī)定定：a.由于建筑筑地基不不均勻，，荷載差差異很大大，體型型復(fù)雜等等因素，，引起的的地基變變形，對對于砌體體承重結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)由由局部傾傾斜值控控制，0.002－0.003。對框架架和單層層排架結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)由由相鄰柱柱基沉降降差控制制，對于于多層、、高層、、高聳結(jié)結(jié)構(gòu)應(yīng)由由傾斜值值控制，，必要時時，應(yīng)控控制平均均沉降量量。b.必要時，，需預(yù)估估建筑物物在施工工期間和和使用期期間地基基變形值值。一般多層層建筑在在施工期期間完成成的沉降降量對砂砂土完成成80%，低壓縮縮性土50%－80%，中壓縮縮性土20%－50%，高壓縮縮性土5%－20%。c.計算地基基變形最最終沉降降量為：：地基變形形計算深深度：d.計算地基基變形時時，應(yīng)考考慮相鄰鄰荷載的的影響，，其值按按應(yīng)力疊疊加原理理，采用用角點(diǎn)法法計算。。e.當(dāng)建筑物物地下室室基礎(chǔ)埋埋置較深深時，需需要考慮慮開控基基坑地基基的回彈彈?；貜棌椬冃瘟苛浚篺.在同一整體大大面基礎(chǔ)上建建有多棟高、、低建筑，應(yīng)應(yīng)該按上部結(jié)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)與與地基的共同同作用進(jìn)行變變形計算。2.5基礎(chǔ)底面尺寸寸的確定1、按承載力計計算底面壓力力應(yīng)符合下列列要求。軸心荷載作用用Pk≤faPk——相應(yīng)于荷載效效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合合時，基礎(chǔ)底底面處平均壓壓力。Pk=（Fk+Gk）/AA=Fk/(fa-rGd+rwhw)fa——修正后的地基基承載力特征征值。2、當(dāng)偏心荷載載作用時除滿滿足Pk≤fa，還應(yīng)符合pkmax≤1.2fa2.5.1按地基持力層層承載力計算算基底尺寸2.5.2軟弱下臥層承承載力驗(yàn)算當(dāng)?shù)鼗芰訉臃秶鷥?nèi)有軟軟弱下臥層時時應(yīng)按下式驗(yàn)驗(yàn)算：基底處附加應(yīng)應(yīng)力：條形基礎(chǔ)矩形基礎(chǔ)當(dāng)軟弱下臥層層為壓縮性高高而且較厚的的軟粘土，或或當(dāng)上部結(jié)構(gòu)構(gòu)對基礎(chǔ)沉降降有一定要求求時，除承載載力應(yīng)滿足上上述要求外，，還應(yīng)驗(yàn)算包包括軟弱下臥臥層的基礎(chǔ)沉沉降量。2.5.3按允許沉降差差調(diào)整基礎(chǔ)底底面尺寸1、基本概念同一建筑荷載載不同的柱基基礎(chǔ)，如果只只按統(tǒng)一的來來確定底面尺尺寸各基礎(chǔ)沉沉降是不同的的。地基沉降降彈性力學(xué)公公式：2、調(diào)整基礎(chǔ)底底面值：減小到：基礎(chǔ)尺寸為：：2.5.4地基穩(wěn)定性驗(yàn)驗(yàn)算1、地基穩(wěn)定性性可采用圓弧弧滑動面法進(jìn)進(jìn)行驗(yàn)算。2、位于穩(wěn)定土土坡坡頂上建建筑，當(dāng)基礎(chǔ)礎(chǔ)b≤3m時，基礎(chǔ)外邊邊距坡頂水平平距離：2.6擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計計1、無筋擴(kuò)展基基礎(chǔ)內(nèi)容適用用范圍：指由磚，毛石石，混凝土或或毛石砼和三三合土等材料料組成的墻下下條基或柱下下獨(dú)立基礎(chǔ)。。適用于多層層民用建筑和和輕型廠房。。2.6.1無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)礎(chǔ)設(shè)計2、基礎(chǔ)高度應(yīng)應(yīng)符合下列要要求：抗拉、抗剪強(qiáng)強(qiáng)度較低，必必須控制內(nèi)拉拉剪應(yīng)力，結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計時通通過控制材料料強(qiáng)度等級和和臺階高寬比比來確定基礎(chǔ)礎(chǔ)截面尺寸，，不需要進(jìn)行行內(nèi)力分析和和強(qiáng)度計算。。2.6.2墻下鋼筋混凝凝土條形基礎(chǔ)礎(chǔ)設(shè)計截面設(shè)計包括括確定基礎(chǔ)高高度和底板配配筋。計算時時以基礎(chǔ)凈反反力P；取1m計算單元。1、構(gòu)造要求2、軸心荷載作作用1）基礎(chǔ)高度，，由受剪承載載力確定：h≥V/0.7ftV=Pjb12）基礎(chǔ)底板配配筋3）偏心荷載時時2.6.3柱下砼獨(dú)立基基礎(chǔ)1、構(gòu)造要求2、軸心荷載作作用1）基礎(chǔ)高度，，按砼受沖切切承載力確定定：錐體落在基礎(chǔ)礎(chǔ)底面之內(nèi)設(shè)計時先假設(shè)設(shè)ho代入公式計算當(dāng)時時2)底板配筋平行l(wèi)方向：3）偏心荷載作作用：以Pjmax代入上式，計計算基礎(chǔ)高度度，底板配筋筋2.7聯(lián)合基礎(chǔ)2.7.1概述1、雙柱聯(lián)合合基礎(chǔ)分類類矩形：用于于柱矩較小小時，為使使基底壓力力均勻，底底面形心應(yīng)應(yīng)接近荷載載合力作用用點(diǎn)。矩形：梯梯形：連梁式：柱柱矩較大，，加設(shè)阻止止轉(zhuǎn)動2、規(guī)定假定定1）基礎(chǔ)是剛剛性的，高高度不小于于柱矩1/6時，可視剛剛性；2）基底壓力力為線性分分布；3）地基主要要受力層范范圍土質(zhì)均均勻；4）不考慮上上部結(jié)構(gòu)剛剛度影響。。聯(lián)合基礎(chǔ)2.7.2矩形聯(lián)合基基礎(chǔ)設(shè)計步驟1、計算柱荷荷載合力作作用點(diǎn)位置置：對柱1中心取矩2、確定基礎(chǔ)礎(chǔ)長度，使使基底形心心與荷載重重心重。3、按地基土土承載力確確定基礎(chǔ)底底面寬度。。荷載采用標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)組合4、按反力線線性分布假假定計算基基底凈反力力設(shè)計值，，用靜定分析析法計算基基礎(chǔ)內(nèi)力，，畫彎矩、、剪力圖。。5、根據(jù)受沖沖切和剪切切承載力確確定基礎(chǔ)高高度。一般般假定h=l1/6，驗(yàn)算取柱柱2沖切FL——相應(yīng)與