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1、1,建筑结构原理及设计,第八章 地基和基础结构,.,2,建筑物的全部荷载均由其下的地层来承担。受建筑物影响的那一部分地层称为地基；建筑物向地基传递荷载的下部结构称为基础。,建筑物,上部结构,基 础,地 基,地基及基础的概念,.,3,地基及基础的重要性,组成地层的土或岩石是自然界产物。建筑物建造在地层上面，所以建筑物场地的工程地质条件是决定地基基础设计和施工的先决条件。,建筑物的地基和基础是建筑物的根本，它们一旦出现问题，建筑物的安全和正常使用必然受到影响。建筑物的事故，绝大多数都与地基和基础有关。,4,第八章 地基和基础结构,8.1 地基土的分类和工程特性 土是由矿物颗粒（固相）、水（液相）和
2、空气（气相）三部分组成的三相体系。1、基本物理指标 土的相对密度ds、含水量w和重度，由实验室直接测定。2、换算指标可由基本物理量换算得到 土的干密度d、饱和密度sat、有效密度、孔隙比e、饱和度st。,物理指标,5,6,3、反映粘性土塑性性质的指标 0 缩限ws 塑限wp 液限wL 含水量w 固态 半固态 可塑状态 流动状态 塑想指数：lp=wL-wp(8.1.1)液性指数：lL=(w-wp)/(wL-wp)=(w-wp)/lp(8.1.2)4、渗透系数k8.1.2 地基土的工程分类 按建筑地基基础 设计规范土划分为：碎石土、砂土、粉土、粘性土四大类。,(1)碎石土。碎石土为粒径大于2mm的
3、颗粒含量超过全重50%的土。碎石土可按粒组含量和颗粒形状分为漂石、块石、卵石、碎石、圆砾和角砾。(2)砂土。砂土为粒径大于2mm的颗粒含量不超过全重50%、粒径大于0.075mm的颗粒超过全重50%的土。砂土可分为砾砂、粗砂、中砂、细砂和粉砂。(3)粉土。粉土为塑性指数Ip10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过全重50%的土，它介于砂土与粘性土之间.(4)粘性土。粘性土是塑性指数 Ip 大于10的土，按表17-2分为粘土、粉质粘土。,7,8.1.3 土的工程特性指标1、压缩性指标 土的压缩性高低，常用压缩性指标定量表示。压缩性指标，通常由工程地质勘察取天然结构的原状土样，进行室内压缩试验
4、测定。,8,9,e-p压缩曲线,压缩系数 a,e为空隙比值,为了便于比较，通常采用压力段由p1=100kPa 增加到p2=200kPa 时的压缩系数a1-2 来评定土的压缩性如下：,p压应力,10,2、抗剪强度（1）粘性土的抗剪强度 其抗剪强度由凝聚力c和 c 内摩擦角两部分组成。粘性土的内摩擦角值因粘粒含量增多而减少。另外，浸水后粘性土的抗剪强度降低。例如，土质边坡在雨季时经常失去稳定，发生大面积滑坡。（2）无粘性土的抗剪强度 无粘性土的透水性强，颗粒间无凝聚力。0,11,3、地基承载力 地基承载力是指地基上单位面积承受荷载的能力。荷载的增加使地基变形相应增大，同时地基承载力也逐渐增大，这是
5、地基土的重要特性。由于建筑物的使用功能要求，不允许发生过大的沉降或沉降差变形，但往往是当变形达到或超过正常使用的限值时,地基土抗剪强度仍有富余。所以，地基承载力是地基按正常使用极限状态设计时单位面积所能承受的最大荷载值。地基承载力即地基允许承载力。,12,13,14,15,8.1.4软弱地基处理 软弱地基是指主要由淤泥、淤泥质土、填土、杂质土或其他高压缩土土层构成的地基。软弱土含水量高、孔隙比较大、抗剪强度低、压缩性较高、渗透系数很小等工程特性。主要处理方法有：换垫层法、预压法、强夯法、深层密实法和深层搅拌法。8.2 地基基础设计基本规定1、建筑地基基础设计等级 建筑地基基础设计等级分为甲、乙
6、、丙三级，如书中表8.2.1所列。,16,2、地基设计原则（1）地基承载力计算（2）变形验算（3）稳定性验算3、荷载效应组合和抗力取值8.3 地基计算1、地基承载力计算（1）基础埋置深度（2）地基承载力计算1）荷载效应组合和抗力取值 传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应标准组合值SK(p62,公式4.3.8)计算，抗力计算应采用地基承载力特征值fak或修正后的地基承载力特征值fa。,基础的埋深,17,2）承载力计算 Nk轴心荷载作用时 认为基础底面的压应力均匀分布，pk承载力计算公式为：pkfa(8.3.1)Nk偏心荷载作用时 Vk Mk 认为基础底面的压应力值为非均匀的线性
7、分布，承载力计算公式为：(pk,max+pk,min)/2 fa(8.3.2)pk,max pk,min pk,max 1.2fa(8.3.3),18,2、变形验算（1）建筑物地基的变形特征 分四种主要类型：沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜。（2）地基变形允许值表8.3.1（3）变形验算 计算沉降等变形时，传至基础底面的荷载效应值应按正常使用极限状态下荷载效应准永久值Sq计算，不应计入风荷载和地震作用。计算地基的最终变形量，是把地基沉降计算范围内的土层划分为若干分层，计算各分层的压缩量后求其总和。,19,有时要分别预估建筑物地基在施工期间和使用期间的变形值。3、稳定性验算 有两类建筑物需要验算稳
8、定性：经常承受水平荷载的建筑和高耸结构物、建造在斜坡上的建筑物和构筑物。8.4 基础结构型式及应用8.4.1 浅基础 浅基础按结构型式可分为：独立基础、条形基础、筏形基础、箱形基础等。根据材料又可分无筋扩展基础、扩展基础。,20,21,扩展基础,钢筋混凝土基础,22,墙下条基,柱下条基（可形成井格形）,23,施工中的柱下条形基础,24,框架柱下条形基础,25,独立柱式基础,26,27,片筏基础,28,箱型基础,壳体基础,29,8.4.2 桩基础 桩基础承载原理：一是桩身和侧向土体的摩擦作用向周围土体扩散荷载，二是通过桩端阻力把荷载传至坚硬的土层。按承载作用机理桩可分为摩擦型桩和端承型桩。按受力
9、状态，桩基可分为抗压桩、抗拔桩、水平受荷桩和复合受荷桩等。桩基中的桩型有预制钢筋混凝土桩、预应力混凝土管桩、钢管桩及混凝土灌注桩等。,30,31,桩承基平台,32,8.5 无筋扩展基础 无筋扩展基础通常是指由砖、石、混凝土或毛石混凝土、灰土、三合土等材料建造的基础，也称刚性基础或大放脚基础。适用于六层和六层以下的房屋建筑和砖墙承重的厂房。设计无筋扩展基础时，先根据地基承载力要求（式8.3.1)确定基础的底面尺寸，再按构造要求，其底面宽度应满足下式要求：bb0+2H0tan(8.5.1)混凝土基础底面处的平均压应力超过300kPa时，应进行抗剪验算：V0.7ftA(8.5.2),33,8.6 扩
10、展基础1、一般构造要求,2、扩展基础设计计算（1）墙下条形基础 可取条形基础长度方向l=1m的范围作为计算单元。1）底板宽度b 基础顶面的竖向力为Fk，基础和基础上方回填土的平均重度为（一般取20kN/m3)，基础埋深为d,底面积为A=lb(取l=1m)，则基础自重和基础上方的土自重标准值：GK=Ad 修正后的地基承载力的特征值为fa，一般假定轴心受,34,35,压基础底面的压应力pk均匀分布，则应满足：pk=(Fk+Gk)/Afa(8.6.1)故 bFk/(fa-d)(8.6.2)b1 F 纵向分布钢筋2）基础高度H0 受力钢筋上部传至基础顶面的竖向力为F H0 h0则地基土单位面积净反力:
11、as pj b pj=F/b(8.6.3)a1 底板最大剪力：V=pjb1/2(8.6.4)pj设计时一般先确定基础高度H0，pja1/2再按下式验算 V V0.7fth0(8.6.5)M pja12/2,3）底板受力钢筋的计算 M=pja12/2 每米长度基础板内的受力钢筋截面面积为：As=M/(0.9h0fy)(8.6.7)【例8.6.1】某教学楼墙下条形基础埋深d=0.9米，设置混凝土垫层。已知砖墙厚370mm，墙身传至基础顶面的可变荷载标准值qk=30kN/m,永久荷载标准值gk=115kN/m,修正后的地基承载力特征值fa=110kN/m2。试设计该基础（不设肋梁）。【解】根据构造要
12、求，墙身放脚60mm，采用C20混凝土（ft=1.1N/mm2),HPB235级钢筋（fy=210N/mm2),基础及填土重度=20kN/m3。,36,370 0.000 0.0200 6250700 900 300 100 200 b1 10120 b=1800(1)基础宽度Fk=qk+gk=(30+115)kN/m=145kN/mbFk/(fa-d)=145/(110-200.9)=1.58m取b=1.8m,37,(2)基础高度按构造要求，基础高度不宜小于300mm，现取H0=300mm，边缘高度200mm。轴心压力设计值F=1.2gk+1.4qk=1.2 115+1.4 30=180kN
13、/m基础底面净压应力pj=F/b=180/1.8=100kN/m2b1=(1.8-0.37)/2=0.72m设计剪力值V=pjb1/2=1000.72/2=36kN,38,基础有效高度h0=V/(0.7bft)=36103N/(0.71800mm1.10N/mm2)=26mm基础板高度(p343混凝土保护层厚度)H0=h0+c=26mm+40mm=66mm300mm设定的H0值满足要求，h0=(300-40-5)mm=255mm(3)基础底板配筋设计弯矩值a1=b1+0.06m=(0.72+0.06)m=0.78mM=pja12/2=100kN/m2(0.78m)2/2=30.4kN.m每米长
14、度基础底板所需受力钢筋:,39,40,As=M/(0.9h0fy)=30.4106/(0.9250210)=631mm2查附录A-1选用 10120（As=654mm2)分布钢筋选用6250。(2)独立柱基础 一般，基础承受偏心受压荷载，Fk+Gk基础底面积A=bl,Mk1）基础底面尺寸 b 偏心受压基础底面土压力为 Fk+Gk eb/6 截面模量）偏心距 e=Mk/(Fk+Gk)3a,41,当eb/6时，pk,min取为0，同时pk,max按下式计算：pk,max=2(Fk+Gk)/3la(8.6.9)偏心受压基础底面尺寸的确定，利用试算法。先用Fk+Gk按轴心受压基础计算底面面积A，然后取
15、它的1.21.4倍作为偏心受压基础的底面积估算值。基础长边与短边之比b/l的值不应大于2.0，一般可取1.21.5。然后计算基础底面土的压应力，并检验是否同时符合式(8.3.2)和式(8.3.3)的要求。若不符合，须调整底面尺寸重新验算。2）基础高度H0 如果独立柱基础高度不足，将发生冲切破坏。冲切破坏锥体有四个梯形斜向冲切面。,42,N N M M H0 h0 45o 45o 45o pj pj h0 h0 bb b1 bb b1 h0 45o h0 设计时，可仅对地基净反力较大、受冲切面积最小的一侧冲切面进行冲切承载力验算。验算公式如下：F10.7bftbmh0(8.6.10),43,bm
16、=(b1+bb)/2(8.6.11)F1=p1A(8.6.12)A上图中阴影面积 相应于荷载效应基本组合的基础底面边缘最大、最小地基反力设计值pj,max,pj,min按下式计算：pj,max=F/A+M/W(8.6.13a)pj,min=F/A-M/W(8.6.13b)3)基础底板配筋 在土反力的作用下，独立基础底板的两个方向都发生弯矩，受力钢筋应沿双向按计算配筋，沿基础长边方向的钢筋应放置在短边钢筋的下层。,底板弯矩的计算可以简化，按柱与基础底板交接处或变阶处挑出的倒置悬臂板计算。当台阶的高宽比不大于2.5和偏心距不大于1/6基础宽度时，基础板任意截面的弯矩可按下式计算M=a12(2l+a
17、)(pj,max+pj,)+(pj,max-p)l/12(8.6.14)F M=(l-a)(2b+b)(pmax+pj,)/48 M(8.6.15)a1 As=M/(0.9h0fy)(8.6.16)pj,max pj,min As=M/(0.9h0fy)(8.6.16)l b,44,b,a,h,a,【例8.6.2】设计现浇柱下独立基础。基础埋深d=1.3m，设置混凝土垫层（C15）。柱上传来轴向压力Fk=715kN,F=960kN,力矩Mk=208kN.m,M=285kN.m,剪力Vk=26kN,V=35kN。柱截面尺寸400600mm2。混凝土强度等级C25，HRB335钢筋。修正后的地基承
18、载力特征值fa=195kN/m2。【解】（1）根据埋置深度和构造要求，初步确定基础高度H0=800mm,底板边缘高度200mm。（2）确定基础底面尺寸 先按轴心受压计算基础底面面积 AFk/(fa-d)=715kN/(195kN/m2-20kN/m3 1.3m)=4.23m2,45,预估基础底面面积为其1.2-1.5倍,大致为5.1-5.9m2。现选b=3.0m,l=2.0m，则A=3.02.0=6米m2。所以 Gk=Ad=20kN/m3 6.0m2 1.3m=156kN W=lb2/6=2.0m(3.0m)2/6=3.0m3基础底面边缘最大、最小压应力 pk,max=(Fk+Gk)/A+(M
19、k+VkH0)/w=(715kN+156kN)/6.0m2+(208kN.m+26kN 0.8m)/3.0m3=221.5kN/m21.2fa=234kN/m2 pk,min=(Fk+Gk)/A-(Mk+VkH0)/w=68.9kN/m2fa=195kN/m2满足要求。,46,1150 A 600 a1 ab 1150 25 500 300 275 350 850 400 950 200 2000 200 100 1500 1500 100 3000 100 425 500 300 1500 275 3000 925 1500 525 F M V 250 2000 1 2 350 800 H0
20、 450 1000.1500 1500 50 200 h 1610 1312264.3kN/m2 55.7kN/m2 3000 200 180.9kN/m2,47,（3）验算基础高度 该基础可能形成冲切破坏的锥体面有变阶处锥体斜面1（高度550mm），柱边锥体斜面2（高度800mm）。地基净反力pj,max=F/A+(M+VH0)/W=960/6.0+(285+350.8)/3.0=264.3kN/m2Pj,min=F/A-(M+VH0)/W=55.7kN/mm2按比例可算得相应于柱边、变阶处的地基净压应力值如图中所示，分别为180.9kN/m2、200kN/m2。,48,1）变阶处高度验算h
21、0=550mm-(40+10)mm=500mm（保护层厚40mm，钢筋直径10mm)。al=400mm+2275mm=950mmab=950mm+2500mm=1950mmam=(al+ab)/2=1450mm考虑冲切荷载基础底面多边形面积AA=2.0m0.425m-2(0.025m)2/2=0.85m2冲切荷载L Fl=pjA=264.3kN/m20.85m2=224.7kNh=1.0,ft=1.27N/mm2,则由公式8.6.100.7hftamh0=0.71.01.271450500=644.5kNFL=224.7kN 满足要求。,49,2）柱边缘基础高度验算,50,50 45o 750
22、 A 400 200 2000 ac=1900 450 750 300 1500 3000 F M V 250 2 350 800 H0 450 1500 1500 50 200 264.3kN/m2 180.9kN/m2 55.7kN/m2,h0=800mm-(40+10)mm=750mma=400mm,ac=400mm+2750mm=1900mmam=(a+ac)/2=1150mmA=2.0m0.45m-2(0.05m)2/2=0.875m2F1=pjA=264.3kN/mm20.875m2=231.26kNh=1.0,ft=1.27N/mm2,则由公式8.6.100.7hftamh0=0
23、.71.01.271150750=766.7kNFL=231.26kN 满足要求。(4)底板配筋计算 按比例算得相应于截面-、截面-的地基净反力设计值分别为pj1=180.9kN/m2，Pj1=200kN/m2。,51,截面-处a1=1200mm,a=400mm,h01=750mm,则弯矩值M=a12(2l+a)(pj,max+pj,)+(pj,max-pj,)l/12=255.1kN.mAs=M/(0.9h0fy)=1263mm2截面-处a1=925mm,a=950mm,h01=450mm,则弯矩值M=a12(2l+a)(pj,max+pj,)+(pj,max-pj,)l/12=173.0kN.mAs=M/(0.9h0fy)=1424mm21263mm2故长边方向应按As要求配筋，选1312（As=1470mm2)沿短边方向按轴心受压计算。从略。,52,8.7 柱下条形基础1、一般构造要求2、柱下条形基础的计算,53,
