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讲稿02
讲 稿
(二)
【旧课复习】
天然地基上浅基础没计的原则、内容、步骤及天然地基上浅基础的类型。
时间控制在5分钟以内。
【新课导入】
采用直述式导入新课。
地基基础设计必须根据建筑物的用途和安全等级、建筑布置和上部结构类型,充分考虑建筑场地和地基岩土条件,结合施工条件以及工期、造价等方面要求,合理选择地基基础方案,因地制宜、精心设计,以保证建筑物的安全和正常使用。
时间控制在3分钟以内。
【教学内容】
第八章天然地基上的浅基础设计原理
第三节基础的埋置深度
基础埋置深度是指基础底面距地面的距离。
在满足地基稳定和变形的条件下,基础应尽量浅埋。
确定基础埋深时应综合考虑如下因素,但对一单项工程来说,往往只是其中一两个因素起决定作用。
一、与建筑物有关的一些要求
基础埋置深度首先决定于建筑物的用途,有无地下室、设备基础和地下设施,以及基础的形式和构造,因而基础埋深要结合建筑设计标高的要求确定;高层建筑筏形和箱形基础的埋量深度应满足地基承载力、变形和稳定性要求。
在抗震设防区,除岩石地基外,天然地基上的箱形和筏形基础其埋置深度不宜小于建筑物高度的1/15;桩箱或桩筏基础的埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/8~l/20。
位于基岩地基上的高层建筑物基础埋置深度,还要满足抗滑要求。
对于高耸构筑物(烟囱,水塔,简体结构),基础要有足够埋深以满足稳定性要求;对于承受上拔力的结构基础,如输电塔基础,悬索式桥梁的锚定基础,也要求有较大的埋深以满足抗拔要求。
另外,建筑物荷载的性质和大小影响基础埋置深度的选择,如荷载较大的高层建筑和对不均匀沉降要求严格的建筑物,往往为减小沉降,而把基础埋置在较深的良好土层上,这样,基础埋置深度相应较大。
此外,承受水平荷载较大的基础,应有足够大的埋深,以保证地基的稳定性。
二、工程地质条件
直接支承基础的土层称为持力层,其下的各土层为下卧层。
当上层土的承载力高于下层土的承载力时宜取上层土作为持力层,特别是对于上层为“硬壳层”时,尽量做“宽基浅埋”。
对于上层土较软的地基土,视土层厚度而考虑是否挖除,或采用人工地基,或选择其他基础形式。
当土层分布明显不均匀,或建筑物各部分荷载差别较大时,同一建筑物可采用不同的埋深来调整不均匀沉降。
对于持力层顶面倾斜的墙下条形基础可做成台阶状,如图2-10所示。
图2-10埋置深度不同的基础及墙下台阶条形基础
位于稳定土坡坡顶上的建筑,当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时,其基础底面外边缘线至坡顶的水平距离(图2-11)应符合下式要求.但不得小于2.5m。
条形基础
(2-1)
矩形基础
(2-2)
图2-11基础底面外边缘距坡顶的水平距离示意
式中
:
基础底面外边缘线至坡顶的水平距离;
:
垂直于坡顶边缘线的基础底面边长;
:
基础埋置深度;
:
边坡坡角。
当基础底面外边缘线至坡顶的水平距离不满足式(2—1)、式(2—2)的要求时,根据稳定性验算方法圆弧滑动面法确定基础距坡顶边缘的距离和基础埋深。
当边坡坡角大于45°、坡高大于8m时,还应进行坡体稳定性验算。
三、水文地质条件
有潜水存在时,基础底面应尽量埋置在潜水位以上。
若基础底面必须埋置在水位以下时,除应考虑施工时的基坑排水,坑壁围护和地基土扰动等问题,还应考虑地下水对混凝土的腐蚀性,地下水的防渗以及地下水对基础底板的上浮作用。
对埋藏有承压含水层的地基,选择基础埋深时,需防止基底因挖土卸载而隆起开裂。
必须控制基坑开挖深度,使承压含水层顶部的静水压力
与总覆盖压力
的比值
/
<1,否则应降低地下承压水水头。
静水压力
=
wh,h为承压含水层顶部压力水头高;总覆盖压力
=
1
1+
2
2,式中
1、
2分别为各土层的重度,水位下取饱和重度。
四、地基冻融条件
季节性冻土是冬季冻结、天暖解冻的土层。
土体中水冻结后发生体积膨胀,而产生冻胀。
位于冻胀区的基础在受到大于基底压力的冻胀力作用下会被上抬;而冻土层解冻土体强度降低产生融陷,建筑物随之下沉。
冻胀和融陷是不均匀的,往往造成建筑物的开裂损坏。
因此为避开冻胀区土层的影响,将基础底面宜设置在冻结线以下。
《建筑地基基础设计规范》(GB50007一2011)规定,基础的最小埋深为
(2-3)
式中
设计冻深;
基底下允许残留冻土层最大厚度,可根据基底压力的大小、基础形状、地基土的冻胀性和采暖情况按规范确定。
季节性冻土地区基础设计冻深由下式确定
(2-4)
式中
标准冻深,采用地表在平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不少于10年实测最大冻深的平均值;
土的类别对冻深的影响系数,取值见表2-1;
土的冻胀性对冻深的影响系数,取值见表2-2;
环境对冻深的影响系数,取值见表2-3。
表2-1土的类别对冻深的影响系数
土的类别
粘性土
细砂、粉砂、砂土
中、粗、砾砂
碎石土
影响系数
1.0
1.2
1.3
1.4
土的冻胀性
不冻胀
弱冻胀
冻胀
强冻胀
特强冻胀
影响系数
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
表2-2土的冻胀性对冻深的影响系数
周围环境
村、镇、旷野
城市近郊
城市市区
影响系数
1.00
0.95
0.90
表2-3环境对冻深的影响系数
在冻胀、强冻胀、特强冻胀地基上,应采用下列防冻害措施:
(1)对在地下水位以上的基础,基础侧面应回填非冻胀性的中砂或粗砂,其厚度不应小于10cm。
对在地下水位以下的基础,可采用桩基础,自锚式基础(冻土层下有扩大板或扩底短桩)或采取其他有效措施。
(2)宜选择地势高、地下水位低、地表排水良好的建筑场地。
对低洼场地,宜在建筑四周向外一倍冻深距离范围内,使室外地坪至少高出自然地面300~500mm。
(3)防止雨水、地表水、生产废水、生活污水浸入建筑地基,应设置排水设施。
在山区应设截水沟或在建筑物下设置暗沟.以排走地表水和潜水流。
(4)在强冻张性和特强冻胀性地基上.其基础结构应设置钢筋混凝土圈梁和基础梁,并控制上部建筑的长高比,增强房屋的整体刚度。
(5)当独立基础联系梁下或桩基础承台下有冻土时,应在梁或承台下留有相当于该土层冻胀量的空隙,以防止因土的冻胀将梁或承台拱裂。
(6)外门斗、室外台阶和散水坡等部位宜与主体结构断开,散水坡分段不宜超过1.5m,坡度不宜小于3%,其下宜填入非冻胀性材料。
(7)对跨年度施工的建筑,入冬前应对地基采取相应的防护措施;按采暖设计的建筑物,当冬季不能正常采暖,也应对地基采取保温措施。
五、场地环境条件
气候变化或树木生长导致的地基土胀缩、以及其他生物活动有可能危害基础的安全,因而基础底面应到达一定的深度,除岩石地基外,不宜小于O.5m。
为了保护基础,一般要求基础顶面低于设计地面至少0.1m。
对靠近原有建筑物基础修建的新基础,其埋深不宜超过原有基础的底面,否则新、旧基础间应保留一定的净距,其值应根据原有基础荷载大小、基础形式和土质情况确定。
不能满足上述要求时,应采取分段施工,设临时加固支撑,打板桩,地下连续墙等施工措施.或加固原有建筑物地基,以保证邻近原有建筑物的安全。
如果基础邻近有管道或沟、坑等设施时,基础底面一般应低于这些设施的底面。
临水建筑物,为防流水或波浪的冲刷,其基础底面应位于冲刷线以下。
第四节地基承载力的确定
地基基础设计首先应保证在上部结构荷载作用下.地基土不至于发生剪切破坏而失效。
因而,要求基底压力不大于地基承载力特征值.即基底尺寸应满足地基强度条件。
地基承载力特征值的确定方法可归纳为三类:
①根据土的抗剪强度指标以理论公式计算;②按现场载荷试验的p-s曲线确定;③其他原位测试。
这些方法各有长短,互为补充,可结合起来综合确定。
一、按土的抗剪强度指标以理论公式确定
土力学中介绍的地基临塑荷载pcr、临界荷载p1/4以及极限荷载pu均可用来衡量地基承载力。
对于给定的基础,地基从开始出现塑性区到整体破坏,相应的基础荷载有一个相当大的变化范围。
实践证明,地基中出现小范围的塑性区对安全并无妨碍,而且相应的荷载与极限荷载pu相比,一般仍有足够的安全度。
因此,《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)采用以临界荷载p1/4为基础的理论公式结合经验给出计算地基承载力特征值的公式为
(2-5)
式中
——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值,kPa;
Mb、Md、Mc——承载力系数,按表2-4确定;
b——基础底面宽度,m;大于6m时按6m取值,对于砂土,小于3m时按3m取值;
ck——基底下一倍宽深度内土的粘聚力标准值,kPa。
表2-4承载力系数Mb、Ma、Mc
土的内摩擦角标准值
(°)
Mb
Md
Mc
0
0
1.00
3.14
2
0.03
1.12
3.32
3
0.06
1.25
3.51
6
0.10
1.39
3.71
8
0.14
1.55
3.93
10
0.18
1.73
4.17
12
0.23
1.94
4.42
14
0.29
2.17
4.69
16
0.36
2.43
5.00
18
0.43
2.72
5.31
20
0.51
3.06
5.66
22
0.61
3.44
6.04
24
0.80
3.87
6.45
26
1.10
4.37
6.90
28
1.40
4.93
7.40
30
1.90
5.59
7.95
32
2.60
6.35
8.55
34
3.40
7.21
9.22
36
4.20
8.25
9.97
38
5.00
9.44
10.80
40
5.80
10.84
11.73
注
——基底下一倍短边宽深度内土的内摩擦角标准值。
式中的
与p1/4不同的是,当
≥24°时的Mb值是从砂土静载试验资料中取定的经验数值,它比理论值大得多,以便合理发挥砂土的承载力。
此外,p1/4计算公式是按均布条形荷载推导得出的,所以《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)规定,采用式(2-5)确定地基承载力设计值时,要求基础偏心距e≤b/30,式中b为偏心方向基础边长。
二、按载荷试验确定地基的承载力
测定地基承载力最可靠的方法是在拟建场地进行载荷试验。
载荷试验是工程地质勘察工作中的一项原位测试,分为浅层和深层平板载荷试验。
深层平板载荷试验适用于深部土层及大直径桩桩端土层的承载力测定。
浅层平板载荷试验可适用于确定浅层地基承压板影响范围内土层承载力。
载荷试验测试的岩土力学性质,包括地基变形模量、地基承载力以及黄土的湿陷性等。
试验装置一般由加荷稳压装置、反力装置及观测装置三部分组成。
加荷稳压装置包括承压板、立柱、加荷千斤顶及稳压器;反力装置包括地锚系统或堆重系统;观测装置包括百分表及固定支架等。
现行《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)规定承压板的面积宜为0.25~0.5m2,对软土不应小于0.5m2(正方形边长0.707m×0.707m或圆形直径0.798m)。
为模拟半空间地基表面的局部荷载,基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的三倍;应保持试验土层的原状结构和天然湿度;宜在拟试压表面用粗砂或中砂找平,其厚度不超过20mm;加荷等级不应少于8级,最大加载量不应少于荷载设计值的两倍。
载荷试验的观测标准:
(1)每级加荷后,按问隔10、10、10、15、15min,以后为每隔半小时读一次沉降,当在连续两小时内,每小时的沉降量小于0.1mm时,则认为已趋稳定,可加下一级荷载。
(2)当出现下列情况之一时,即可终止加载:
①承压板的周围的土有明显的侧向挤出(砂土)或发生裂纹(粘性土或粉土);②沉降s急骤增大,荷载沉降(p-s)曲线出现陡降段;③在某一荷载下,24h内沉降速率不能达到稳定标准;④s/b≥0.06(b为承压板宽度或直径)。
满足终止加载前三种情况之一者,其对应的前一级荷载定为极限荷载。
根据各级荷载及其相应的稳定沉降的观测数值,即可采用适当比例尺绘制荷载p与稳定沉降s的关系曲线(p-s曲线),必要时还可绘制各级荷载下的沉降与时间(s-t)的关系曲线,由p-s曲线可确定承载力特征值。
对于密实砂土、硬塑粘土等低压缩性土,其声p-s曲线通常有比较明显的起始直线段和陡降段,即可得到极限荷载,如图2-13(a)所示。
考虑到低压缩性土的承载力特征值一般由强度安全控制,故《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)规定取图中的p1,(比例界限荷载)作为承载力特征值。
此时,地基的沉降量很小,但是对于少数呈“脆性”破坏的土,p1与极限荷载pu很接近,当pu<2p·时,取pu-2作为承载力特征值。
对于有一定强度的中、高压缩性土,如松砂、填土、可塑粘土等,p-s曲线无明显转折点,但是曲线的斜率随荷载的增加而逐渐增大,最后稳定在某个最大值,即呈渐进破坏的“缓变型”,如图2-13(b)所示。
此时,极限荷载pu可取曲线斜率开始到达最大值时所对应的压力。
不过,要取得pu值,必须把载荷试验进行到有很大的沉降才行。
而实践中往往因受加荷设备的限制,或出于安全考虑,不能将试验进行到这种地步,因而无法取得pu值。
此外,土的压缩性较大,通过极限荷载确定的地基承载力未必能满足对地基沉降的限制。
(b)
(a)
图2-13荷载—沉降(p-s)曲线
事实上,中、高压缩性土的地基承载力,往往由沉降量控制。
由于沉降量与基础(或载荷板)底面尺寸、形状有关,而试验采用的载荷板通常总是小于实际基础的底面尺寸,为此,不能直接以基础的允许沉降值在p-s曲线上定出地基承载力。
由变形计算原理得知,如果载荷板和基础下的基底压力相同,且地基土是均匀的,则它们的沉降值与各自宽度b的比值(s/b)大致相等。
规范总结了许多实测资料,当压板面积为0.25~0.50m2时,规定取s=(0.010~0.015)b所对应的压力作为承载力特征值,但其值不应大于最大加载量的一半。
对同一土层,试验点数不应少于三个,如所得试验值的极差不超过平均值30%,则取该平均值作为地基承载力特征值fak,然后再按本节式(2-6)考
虑实际基础的宽度b和埋深d,得到修正后得地基承载力特征fa。
载荷板的尺寸一般比实际基础小,影响深度较小,试验只反映这个范围内土层的承载力。
如果载荷板影响深度之下存在软弱下卧层,而该层又处于基础的主要受力层内,如图2-14所示的情况,此时除非采用大尺寸载荷板做试验,否则荷载试验不能真实地揭示下卧层地基土承载力情况。
(b)
(a)
图2-14基础宽度对附加应力的影响
(a)荷载试验;(b)实际基础
三、按其他原位测试方法确定
1.旁压试验方法确定地基承载力
旁压试验又称横压试验,它的原理是通过旁压器.在竖直的孔内使旁压模膨胀并由该膜(或护套)将压力传给周围土体,使土体产生变形直至破坏,从而得到压力p与钻孔体积增量V(或径向位移)之间的关系曲线,称为p-V曲线(或p-s曲线)又称旁压曲线,如图2-15所示。
该曲线可分为三个阶段,第一阶段为橡皮膜膨胀与孔壁接触阶段,最后与孔壁完全贴紧,贴紧时的压力为p0,相当于原位总的水平应力。
第二阶段为相当于弹性变形阶段,压力pf为开始屈服的压力。
第三阶段发生局部塑形流动,最后达到极限压力p1。
图2-15压力p与钻孔体积增量V关系曲线
地基承载力的特征值可根据旁压曲线结合地区经验采用相应经验公式确定。
旁压试验适合于粘性土、粉土、砂土、碎石土、残积土、极软岩和软岩等。
2.螺旋压板载荷试验
螺旋压板载荷试验是20世纪70年代初发展起来的一种原位测试技术。
它是借助人力或机械力将螺旋板作为承压板旋人地下预定深度,用千斤顶通过传力杆向螺旋板施加压力,反力由螺旋地锚提供。
施加的压力由位于螺旋板上端的电测传感器测定,同时量测承压板的沉降。
螺旋压板载荷试验装置示意图如图2-16所示。
图2-16螺旋压板载荷试验装置示意图
1—反力装置;2—油压千斤顶;3—百分表;
4—横梁;5—传力杆接头;6—传力杆;
7—测力传感器;8—螺旋承压板
在某一深度的试验完成后,将螺旋板旋钻到下一个预定的试验深度,继续进行试验。
螺旋压板载荷试验适用于一定深度处(特别是地下水位以下)的砂土、粉土和粘性土层。
它可以在不同深度处的原位应力条件下进行试验,扰动较小,能较好地反映地基土的性状。
由螺旋压板载荷试验资料绘制p-s曲线和确定地基土承载力特征值的方法与常规载荷试验基本相同。
只不过在螺旋压板载荷试验中比例界限荷载p1和极限荷载pu中均已包含了上覆土自重压力的影响,故采用p1和pu确定地基土的承载力时,不必再进行深度修正。
另外,静力触探试验、标准贯入试验和十字板剪切试验等其他原位测试方法虽不能直接测定地基承载力,但可以采用与载荷试验结果对比分析的方法选择有代表性的土层同时进行载荷试验和原位测试,分别求得地基承载力和原位测试指标,积累一定数量的数据组,用回归分析的方法建立回归方程,间接地确定地基承载力。
由于这些方法比较经济、简便快速,能在较短的时间内获得大量承载力资料,因而在工程建设中得到大力推广。
我国幅员辽阔,土层分布的特点具有很强的地域性,各地区和各部门在使用各种测试仪器的过程中积累了很多地区性或行业性的经验,建立了许多地基承载力和原位测试指标之间的经验公式。
因而地基承载力的确定可结合当地或部门经验综合确定。
四、地基承载力特征值的修正
理论分析和工程实践均以证明,基础的埋深、基础底面尺寸影响地基的承载能力。
而上述原位测试中,地基承载力测定都是在一定条件下进行的。
因此,必须考虑这两个因素影响。
通常采用经验修正的方法来考虑实际基础的埋置深度和基础宽度对地基承载力的有利影响。
《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2002)规定采用如下公式进行计算
(2-6)
式中
——修正后的地基承载力特征值;
——地基承载力特征值,按载荷试验或其他原位测试方法确定;
、
——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数,按表2-5查取;
——基础底面以下土的重度,水位以下取有效重度;
b——基础底面宽度,m,当基宽小于3m按3m取值,大于6m按6m取值;
——基础底面以上土的加权平均重度,水位以下取有效重度;
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,可自填土地面标高算起,但填土在上部结构施工后完成时,应从天然地面标高算起。
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地面标高算起;当采用独立基础或条形基础时,应从室内地面标高算起。
表2-5承载力修正系数
土的类别
ηb
ηd
淤泥和淤泥质土
0
1.0
人工填土e或IL大于等于0.85的粘性土
0
1.0
红粘土
含水比aW>0.8
含水比aW≤0.8
0
0.15
1.2
1.4
大面积压实填土
压实系数大于0.95、粘粒含量ρc≥10%的粉土
最大干密度大于2.1t/m3的级配沙石
0
0
1.5
2.0
粉土
粘粒含量ρc≥10%的粉土
粘粒含量ρc<10%的粉土
0.3
0.5
1.5
2.0
e及IL小于0.85的粘性土
粉砂、细砂(不包含很湿与饱和时的稍密状态)
中砂、粗砂、砾砂和碎石土
0.3
2.0
3.0
1.6
3.0
4.4
注1.强风化和全风化的岩石,可参照所风化的相应土类取值,其他状态下的岩石不修正;
2.地基承载力特征值按深层平板载荷试验确定时ηd取0。
对于主楼和群楼一体的结构,主体结构地基承载力深度修正时,宜将基础底面以上范围内的荷载,按基础两侧的超载考虑,当超载宽度大于基础宽度两倍时,可将超载折算成土层厚度作为基础埋深,基础两侧超载不等时,取小值。
【例2—1】某场地土层分布及各项物理力学指标如图2-17所示,若在该场
地拟建下列基础:
①柱下扩展基础,底面尺寸为2.6m×4.8m,基础底面设置于粉质粘土层顶面;②高层箱形基础,底面尺寸12m×45m,基础埋深为4.2m。
试确定这两种情况下持力层承载力修正特征值。
图2-17【例2-1】图
解
(1)柱下扩展基础。
b=2.6m<3m按3m考虑,d=2.1m
粉质粘土层水位以上
查表2-5得ηb=0.3,ηd=1.6
将各指标值代入式(2-6)中得
=165+0+1.6
17
(2.1-0.5)
=208.5kPa
(2)箱形基础。
b=12m>6m按6m考虑,d=4.2m
基础底面位于水位以下
查表2-5得ηb=0.3,ηd=1.6
水位以下有效重度
kN/m3
或
kN/m3
基地以上土的加权平均重度为
kN/m3
将各指标代入式(2-6)得
fa=158+0.3
9.4
(6-3)+1.6
15.6
(4.2-0.5)
=258.8kPa
【例2—2】某柱下扩展基础(2.2m×3.0m),承受中心荷载作用,场地土为粉土,水位在地表以下2.0m,基础埋深2.5m,水位以上土的重度为
=17.6kN/m3,水位以下饱和重度为
=19kN/m3。
土的内聚力ck=l4kPa,内摩擦角
2l°,试按规范推荐的理论公式确定地基承载力特征值。
解由够
2l°,查表2-4并作内插,得Mb=0.56、Md=3.25、Mc=5.85
基底以上土得加权平均重度
kN/m3
有式(2-5)得
=0.56
(19-10)
2.2+3.25
15.9
2.5+5.85
14
=222.2kPa
【总结】
本讲对天然地基上浅基础埋置深度、地基承载力进行了讲授,学生应熟练掌握讲授的知识。
【作业布置】
无
【教学后记】
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