基础工程课件第二章

第二章 天然地基上的浅基础 2.1基础设计的内容和方法

地基基础是建筑物的重要组成部分。设计时，除必须要考虑场地条件（工程地质和水文地质条件），也要考虑建筑物的型式和特点（使用要求、上部结构类型和特点、安全等级、建筑布置），还要考虑对施工的要求（工期、施工条件）、环境保护和工程造价等各种因素，综合分析、精心设计。确保建筑物的安全、正常使用，并充分发挥地基的承载力，就必须深入实际，调查研究，因地制宜确定设计方案。

地基按是否经过加固处理分为人工地基和天人地基两类。可直接承托基础建造不需要加固的天然地层称为天然地基但天然地基很软弱，须事先经过人工加固才能修建基础的底层称为人工基础。天然地基施工简单，造价低；而人工地基一般比天然地基施工复杂，造价高，因此在一般情况下，应首选天然地基。 （图）

基础按埋置深度可分浅基础和深基础。一般将只需要经过开挖、排水等普通施工程序就可以建造、埋置深度不超过5cm的称为浅基础。另外，虽然埋置深度大于5cm，但小于基础宽度的大尺寸基础（如箱形基础），也成为浅基础。将采用桩基、沉井和地下连续墙等某些特殊的施工方法修建的基础称为深基础。

实际上浅基础和深基础并没有一个绝对明确的界限。对于某些特殊情况，如基础在土层中深度较浅，但在水下部分较深时，常见的深水中的桥墩基础，称为深水基础，设计施工中应该作为深基础考虑。

在进行天然地基浅基础设计时，要保证基础本身有足够的强度和稳定性以支撑上部结构的荷载，同时还要考虑地基的强度、稳定性和变形必须在容许范围内。因而基础设计有常称为地基与基础设计。满足上述要求的方案可能不止一个，需要根据技术经济指标以及施工条件等各方面因素来进行详细鼻尖，从中确定最合理的方案。 一、基础设计的等级：

依据我国《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002），根据地基复杂程度、建筑物的规模和特征以及由于地基问题肯能造成的对建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地基设计分为三个设计等级，设计时应根据具体情况，分为甲、乙、丙三个等级。

二、基础材料： 1基础材料

基础埋在土中，经常受潮和容易受侵蚀，本身属于建筑物的隐蔽部分，发生破坏不容易发现，也不容易修复，所以在基础的材料强度和耐久性方面必须有足够的保证。因此，对于基础的材料要有一定的要求。同时应该兼顾就地取材、充分利用地方材料的原则，并满足技术经济的要求。

常用的基础材料有砖、石、混凝土（包括毛石混凝土）、钢筋混凝土等、此外，在我国北方还利用灰土、在南方利用三合土等地方性材料作为基础材料。

三、浅基础设计的基本原则和内容：

1浅基础在设计和计算上因满足以下基本原则： （1）对防止地基土体剪切破坏和丧失稳定性方面，应具有足够的安全度。

（2）应控制地基变形量，是指不超过建筑物的地基变形允许值，以免引起对基础不利截面和上部结构的损坏、或影响建筑物的使用功能和外观。

（3）基础的形式、构造和尺寸，除应该符合使用要求、满足地基承载力（稳定性）的要求外，还需满足对基础结构的承载力，刚度和耐久性的要求。。

（4）设计中应结合当地的施工条件和材料来源，力求做到便于施工和减少工程量。

2地基设计应满足的极限状态：

为了保证建筑物的安全使用，同时充分发挥地基的承载力，在地基基础设计中一般应满足以下两种极限状态：

（1）承载力极限状态：为了保证地基具有足够的强度和稳定性。

（2）正常使用极限状态：为了保证地基的变形值在容许范围内，地基在荷载及其他因素的影响下，要发生变形（均匀沉降或不均匀沉降），变形过大时肯能危害到建筑物结构的安全（裂缝、倒坍或是其他不容许的变形），或者影响建筑物的正常使用。

因此，对地基变形的控制，实质上是根据建筑物的要求而制定的。地基设计时，应使用不超过房屋和构筑物的容许变形值。

３地基基础设计的方法：

对地基基础的强度和稳定性安全度的评价主要为地基承载力、土体的整体稳定性、基础的滑移稳定性和基础的抗浮稳定性。根据工程的不同特点和建筑物的等级、使用年限，有所侧重，有的甚至需要多种验算。

（１）按地基承载力进行设计。此类验算只要求基底压力小于或等于地基承载力，不要求验算变形。

（２）设计等级为甲、乙级建筑物及丙类建筑以外的建筑物均应进行地基变形计算，对于丙类建筑物有以下情况的

仍进行地基变形验算：地基承载力特征值小于130kPa，且体型复杂的建筑；在基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，因此地基产生过大的不均匀沉降时；软弱地基上的相邻建筑存在偏心荷载时；相邻建筑如距离过近，可能发生倾斜时；地基内有较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。

4地基变形的类型和容许变形：

按地基变形特点，可把变形分为沉降、沉降差、倾斜和局部倾斜四种类型。如表：

地基变形类型

地基 变形 类型 沉 基础中心 降 的沉降量 量 基础中1主要用于地基比较均心点沉匀时的单层排架结构柱降量计基，在满足容许沉降量算方法后不可在验算相邻主机参见的沉降量2在决定工艺特征 图例 计算 在什么情况下需进行该方法 项计算 《地基上考虑沉降所预留建筑

基础设物有关部分之间净空计规间、连接方法即施工顺范》（GB 序时也需要用到沉降50007-量，此时往往需要分别2002） 预估施工期间和使用期间的地基变形值 沉 相邻两个 降 单独基础S2 差 沉降量的差 及单层排架结构的相邻柱基沉降差2相邻结构物影响存在时3在原有基础附近堆积重物时4但必须考虑在使用过程中结构本身与之有联系部分的标高变动时 倾 单独基础 斜 在倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值 tanθ= 对有较大偏心荷载的基础和高耸构筑物基础，其地基不均匀或附近堆有地面荷载时，要验算倾斜。在地基比较均匀且无相邻荷载影响时，高耸构筑物的沉降量在S=S1-控制地基不均匀沉降、荷载差异大时框架结构满足容许沉降量后，可不验算倾斜值。 局 砖石承重 部 结构沿纵倾 墙6～tanθ= 一般承重墙房屋。距离l可根据具体建筑物情况，如横隔墙的间距而定。一般应将沉降计算点选择在低级不均匀、荷载相差很大或体形复杂的局部段落的纵横墙交点处。

2.2浅基础的分类 浅基础分类如下：

1按刚度分类：浅基础按刚度分为刚性基础和柔性基础 （1）刚性基础：是指用抗压性能较好，而抗拉、抗剪性能较差的建材建造的基础。因为刚性基础的材料特性使它受荷载后基础不允许产生挠曲变形和开裂，故要求刚性基础需要具有非常大的抗弯刚度。设计时必须规定材料强度及质量、限制台阶的高宽比、限制建筑物层高和

斜 10m内两点的沉降差与其距离的比值 一定的地基承载力，而不必进行繁杂的内力分析和截面强度计算。刚性基础多用于墙下条形基础和荷载不大的柱下独立基础。可用于6层或6层以下的民用建筑和墙承重的厂房。刚性基础的台阶高宽比要求一般可表示为

b-刚性基础任意台阶的宽度，mm

α-刚性角，即基础上部结构的垂线与基底边缘连线的最大夹角

Hi-相应bi的台阶高度

tanα-刚性基础台阶高宽比的容许值 （2）柔性基础：

用钢筋混凝土修建的基础称为柔性基础。这种基础不受刚性角的限制，基础剖面可做成扁平形状，基础自重大大减轻，就可用较小的基础高度把上部荷载传到较大的基础基础底面上去，以适应地基承载力的要求。与刚性基础相比，柔性基础钢材、水泥用量增加，技术复杂、造价较高。

3按构造分类：

浅基础按构造可分为独立基础、条形基础、十字交叉基础、筏板基础、箱形基础和壳体基础。

（1）独立基础：整个或局部结构物下的无筋或配筋的单个基础，常用于柱基、烟囱、水塔、高炉、机器设备的基础。独立基础是柱基础中最常用和最经济的形式。

分为柱下独立基础墙下独立基础

（2）条形基础：指基础长度远远大于其宽度的一种基础形式，按上部结构分为墙下条形基础和柱下条形基础。常用砖石建造，但在基础宽度过宽，有必要减少其构造高度时，或在需要加强纵向墙体承受不均匀沉降引起的拉力时，也可用钢筋混凝土建造。

（3）独立构筑物的大块基础 （4）壳体基础 （5）筏板基础 （6）箱形基础

2.3基础埋置深度的选择

基础埋置深度是指基础底面至底面（一般指设计底面）的距离。

确定建筑物基础埋深的主要因素如下： 1建筑物的类型和用途

2作用在地基上的荷载大小和性质 3地基的工程地质条件 4地基的水文地质条件

5相邻房屋和构筑物的基础埋置深度 6地基的冻融条件 2.4地基承载力的确定

地基竖向承载力的确定是一个非常重要而又十分复杂

的问题。地基承载力是在保证地基强度和稳定的情况下不产生大沉降和不均匀沉降的地基承载力受荷载的能力。当按照地基承载力确定基础底面积及埋深时，传至基础底面上的荷载应按照正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的土抗力叫做地基承载力特征值。确定地基承载力时，与下列因素有关：

（1）土的物理力学性质。直接影响承载力的高低。 （2）地基土的成因及其堆积年代。堆积年代越久一般承载力越高

（3）地下水。 （4）建筑物的特性 （5）建筑物的尺寸。 目前确定承载力的方法有:

根据现场荷载试验确定、根据地基承载力理论公式计算确定、根据原为触探试验结果确定、在土质基本相同的条件下，参照邻近建筑物的经验确定。

一、用现场荷载试验确定持力层地基承载力： 对设计等级为甲级的建筑，为进一步了解地基土的变形性能和承载能力，必须做现场原位荷载试验，以确定地基承载力。

现场试验是通过一定面积的荷载板（承压板）向地基逐级施加荷载，测出地基土的压力与变形特征，从而确定地基

土的承载力及其沉降值。当荷载板与基础面积尺寸相同时能真实反映荷载板下1～2倍荷载宽度或直径范围内地基图强度、变形的综合性状。荷载试验的结果通常比较可靠，但这种做法因为试验的时间过长，另外使较大荷载板下地基。土产生破坏，要施加很大的荷载，这些都给试验带来一定的困难，所以一般都用一个小尺寸的荷载板做实验，但承压板的面积不应小于0.25m,对于软土不应小于0.5m。

地基土荷载试验结果有呈急剧破坏的“陡降型”和呈渐进破坏的“缓变型”两种。根据荷载试验曲线确定承载力特征值的方法，地基基础规范作了如下规定：

（1）当p-s曲线上有比例界限时，取该界限比例所对应的的荷载值。

（2）当极限荷载小于比例界限的荷载值的2.0倍时，取极限荷载值的一半。

（3）但不能按上述两点确定时，如压板面积为0.25-0.50m,可取s/b=0.01-0.015，所对应的荷载值，但其值不应大于最大加载量的一半。

二、按理论公式计算：

建立在某些假设基础上的有关承载力的理论公式很多，因此，各有一定的适用范围。《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2002）参照了p1/4的承载力理论公式，根据试验和经验做了局部修正，当偏心距e小于或等于0.033倍基础底面

2

2

2

宽度时，根据图的抗剪强度指标确定地基承载力特征值计算式如下：

fa=Mbγb+ Mdγmd+ Mcck

fa——有土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值； Mb、Md、Mc——承载力系数，与土的内摩擦角有关 γ——基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度 γm——基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度

d——基础埋置深度

b——基础底面宽度，大于6cm时按6cm考虑，对于砂土小于3cm时按3cm考虑

ck——基底下一倍短边宽度深度内土的粘聚力标准值。 三、用现场原位触探试验：

我国许多地区积累了不少触探试验资料。通过相关分析对比，许多地区建立了区域性的承载力经验公式。

四、凭建筑经验确定： 五、承载力特征值的修正:

当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从荷载试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应该按下式修正：

fa= fak +ηbγ(b-3)+ ηdγm(d-0.5) fa——修正后的地基承载力特征值，kPa

fak——地基承载力特征值，kPa

ηb、ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底土的类别查表

d——基础埋置深度，m。一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土底面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然底面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外底面标高算起；如果采用独立基础或条形基础时，应从室内地面算起。

2．5基础底面尺寸的确定

一、根据持力层承载力确定地基尺寸 1作用在基础上的荷载：

为了按地基承载力确定基础底面积，必须分析传到基础底面上的各种基本组合的荷载，作用在基础上的荷载有四种：

(A)中心竖向荷载（B）偏心竖向荷载（C）中心竖向荷载及水平荷载（D）偏心竖向荷载及水平荷载

不论轴向力F、水平力H、和力矩M，都是由荷载和活荷载两部分组成。

荷载是作用在结构上的不变荷载，包括建筑物及基础的自重、固定设备重量、土压力和正常水位时的水压力等。从地基沉降看来，恒载是长期作用的结果，是引起地基沉降的主要因素。

活荷载有两种，一种称为普通活荷载，如楼面及屋面活荷载、吊车荷载、雪荷载及风荷载等，另一种称为特殊活荷载（又称偶然活荷载），如地震、风力等，这种特殊活荷载发生的机会不多，作用的时间很短。活荷载是作用在结构上的可变荷载，在沉降计算中只考虑普通活荷载，但在地基稳定性验算中要考虑特殊活荷载。

作用在基础上的荷载对地基产生的作用是在竖向荷载作用下，基础将发生沉降；在力矩作用下，还将发生倾斜；在水平荷载作用下，可能沿基础底面滑动、沿地基内部滑动或影响到基础的倾覆稳定性等，因此需要进行相应的验算。

按地基承载力确定基础底面积及埋深时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下的荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值。

计算地基变形时，传至基础底面上的荷载应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震

荷载。

计算挡土墙的土压力、地基稳定性及滑坡推动力时，荷载应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为1.0.

2基础底面尺寸

选择基础埋深d后，根据持力层的地基承载力fa，可初步确定基础底面的尺寸。

（1） 中心荷载作用下基础底面的尺寸

地处底面尺寸确定首先必须保证在荷载作用下地基应具有足够的安全度。因此，各类建筑物浅基础的地基承载力验算均应满足下列要求

pkfa

fa——修正后地基承载力特征值，kPa

pk——基础底面处的平均压力值。当基础底面位于地下水位以下时，应扣除基础底面处的浮力，kPa

pk=

式中：Fk——上部结构传至基础顶面的竖向力值，kN A——基础底面积m

Gk——基础和基础上的土重，kN

Gk=

式中：

2

γG——基础及其台阶上的土的平均重度，kN／m；一般取γG=20 kN／m

3

3

d——基础埋深，m 据此有

故基地面积为

（1）墙下条形基础。基础一般采用对称形式，使基础底面形心与荷载作用线位于同一垂线上，避免基础发生倾斜。

作用于条形基础上的荷载去1m长度为计算单位，有

b——基础底面宽度，m （2）柱下单独基础。 矩形基础

l—矩形基础底面长度，m。按上式算出A后，先选定b，即可算出另一边长l。

方形基础

b—方形基础边长

（2）偏心荷载作用下基础底面的尺寸 1）按中心荷载初步计算底面积A1或b1

2）考虑偏心作用的程度，把底面积A1或适当提高10%-40%，作为偏心荷载作用下的基础底面积的第一次近似值，即

A=(1.1-1.4)A1

3)按初步估算得出底面积A，按偏心受压力计算基底的最大边缘压力Pmax和最小边缘压力Pmin，Pmax和Pmin相差过多是不利的，特别是在软土地基上，会造成基础倾斜。因此，有时也可将基础做成不对称的形式，使外荷对于基础底面形心的偏心距尽量减小，这样，Pmax和Pmin相差可不致过大。判断是否满足下列两式

Mk——作用在基础底面的力矩值 W——基础底面的抵抗矩

当基础受到竖向压力Fk+Gk和两个方向的力矩Mx和My的作用时，基础底面某点（x,y）的承压力可按下式计算

Mkx——作用于基础底面对X轴的力矩 Mky——作用于基础底面对Y轴的力矩 Ix——基础底面对X轴的惯性矩 Iy——基础底面对Y轴的惯性矩 x,y——所计算点的坐标 二、刚性基础高度的确定

刚性基础宽度确定后，应该按刚性角的要求，确定刚性基础的高度。为了满足刚性角的要求，基础的两侧外伸长度与基础高度的比应满足容许宽高比，即

则基础高度h

三、软弱下卧层承载力验算：

一般情况下只要基地面积的持力层承载力满足要求就可以，但实际上有时会遇到地基下卧层较为软弱的情况，此时则必须验算软弱下卧层的强度，要求作用在下卧层顶面的全部压力不超过下卧层的承载力，即

对于矩形基础可得

式中:b——矩形基础或条形基础底边宽度 l——矩形基础底边长度

pc——基础底面处土的自重压力标准值 z——基础底面至软弱下卧层顶面的距离 θ——地基压力扩散线与垂直线的夹角

对条形基础，仅考虑宽度方的扩散，并沿基础纵向取单位长度单位长度作为计算单元，可得：

对于沉降已经确定的建筑或经过预压的地基，可适当提高地基的承载力。

2.6 地基变形与稳定验算

一、地基的变形验算：

按地基承载力确定的基础底面尺寸，一般可以保证建筑物不发生地基剪切破坏而具有足够的安全度。但是，建筑物的荷载作用在地基上，总会引起地基发生或大或小的变形，如变形较大，会引起建筑物的开裂、倾斜，甚至破坏或影响建筑物的外观和正常使用。因此，对于各类建筑结构，控制器不利的沉降，使之不会影响建筑物的正常使用甚至破坏，也是地基基础设计的一个基本内容。

如果要求计算地基变形，则在基础底面尺寸初步决定后，还应进行地基变形验算。设计时按地基变形值不超过其容许值的条件，以保证不致因地基变形过大而影响建筑物的正常使用或危害安全。变性条件不能满足，需调整基础底面尺寸或采取其他措施。 1建筑物地基变形的容许值[s]即 s<[s]

建筑物地基变形的容许值[s]

地基变形的容许值[s]的确定设计许多因素，由于不同的建筑物的结构类型、整体刚度、使用要求的差异，对地基不均匀沉降的敏感程度、结构强度储备、建筑物的具体使用要求等不同。《建筑地基基础设计规范》综合分析了国内外各类建筑的有关资料，根据建筑物的类型、变性特征、地基土类别，规定了地基变形容许值。对于表中未包括的其他建筑物的地基变形容许值，可根据上部结构对地基变形的适应能力和使用上的要求规定。 2地基变形的计算

击数按地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质的直线变形理论，其最终变形量可采用分层综合法计算。 3地基沉降的观测

对于重要的、新型的、体型复杂的房屋和结构物，或使用上对不均匀沉降有严格控制要求的房屋和结构物，还应进行系统的沉降观测。

沉降点的布置应根据建筑物的体型、结构、工程地质条件等综合设计，一般设在建筑物四周的角点、转角处中点以及沉降缝和新老建筑物连接处的两侧，或地基条件有明显变化的区段内，测点间隔距离8-12m，并注意不影响施工和不被施工破坏。

沉降观测的时间应从施工开始时就开始进行，民用建筑每增高一层观测一次。工业建筑应在不同的荷载阶段分别进行观测，施工完工后可逐渐拉开观测间隔时间直到沉降稳定为止。稳定的

标准为半年的沉降量不超过2mm.当工程有特殊要求时，应根据要求进行观测。

2.7减轻地基不均匀沉降危害的措施

在荷载作用下，地基发生变形即建筑物产生沉降是难以避免的。但是地基变形量过大将会影响建筑物的正常使用，导致建筑物的损坏，甚至破坏。特别时不良地基上的建筑物。如果考虑不周，处理不当，极易造成工程事故。因此，如何减少建筑物的不均匀沉降，采取适当的措施，是建筑物设计中的一个重要课题。

一、建筑措施： 1建筑体型力求简单

建筑体型包括建筑物的平面和里面形式两个方面，考虑到建筑物的使用功能和美观要求，建筑师往往将建筑物的体型设计的复杂多变、平面布置复杂、立面高差明显。因此使地基受力状态很不一致，差异沉降量增大，易使建筑物产生裂缝甚至破坏。 2增强结构的整体刚度

建筑物的长高比时衡量结构刚度的一个重要指标。长高比越大，结构的整体刚度就越弱，抵抗弯曲变形和调整不均匀沉降的能力就越差。 3设置沉降缝

沉降缝时从屋面到基础把建筑物断开，将建筑物分割成若干个长高比较小、体型简单、整体刚度好、结构类型相同、自成沉降体系的独立单元。通过合理设置沉降缝可有效地减少不均匀沉

降的危害。沉降缝通常宜设置在建筑物的如下部分：

复杂建筑平面的转折部位 建筑物高度或荷载突变处 长高比较大的建筑物的适当部位

地基土压缩性或土层构造显著变化处或地基处理方法不同处 建筑结构类型不同处 分期建造房屋的交接处 4相邻建筑物基础净距控制 5建筑物标高的控制 二、结构措施 1减轻建筑物的自重 2设置圈梁

3调整基底附加压力 4选用合适的结构形式 三、施工措施

合理安排施工顺序，也可调整一部分沉降差，必要时适当放慢施工速度，使高总建筑与附属建筑有一定的施工间隔。另外对于高层建筑在主裙楼相交处合理设置后浇带，也是减少不均匀沉降的有效措施之一。

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