2019巖土工程師基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：淺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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淺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(一)無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)

1.無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

根據(jù)這類(lèi)基礎(chǔ)材料具有抗壓強(qiáng)度高而抗拉、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，在進(jìn)行無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)必須使基礎(chǔ)主要承受壓應(yīng)力，并保證基礎(chǔ)內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都不超過(guò)材料強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值。具體設(shè)計(jì)中主要通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)的外伸寬度與基礎(chǔ)高度的比值進(jìn)行驗(yàn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.無(wú)筋擴(kuò)展基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

1)初步選定基礎(chǔ)高度H

2)根據(jù)地基承載力條件初步確定基礎(chǔ)寬度b。

3)按下列公式進(jìn)一步驗(yàn)算基礎(chǔ)的寬度：

b≤b0十2Htanα (17-3-12)

式中 H、b0、b2分別為基礎(chǔ)的高度、頂面砌體寬度和外伸長(zhǎng)度，如圖17-3-2所示;tanα為基礎(chǔ)臺(tái)階寬高比的允許值，。稱(chēng)為剛性角，tanα =[b2/H]可按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007—2002表8.1.2選用。

如驗(yàn)算符合要求，則可采用原先選定的基礎(chǔ)寬度和高度，否則應(yīng)調(diào)整基礎(chǔ)高度重新驗(yàn)算，直至滿(mǎn)足要求為止。

(二)墻下條形基礎(chǔ)

1.墻下條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則

墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)的內(nèi)力計(jì)算一般可按平面應(yīng)變問(wèn)題處理，在長(zhǎng)度方向可取單位長(zhǎng)度計(jì)算。截面設(shè)計(jì)驗(yàn)算的內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)底面寬度b和基礎(chǔ)的高度h及基礎(chǔ)底板配筋等。基底寬度應(yīng)根據(jù)地基承載力要求確定，基礎(chǔ)高度由混凝土的抗剪切條件確定，基礎(chǔ)底板的受力鋼筋配筋則由基礎(chǔ)驗(yàn)算截面的抗彎能力確定。在確定基礎(chǔ)底面尺寸或計(jì)算基礎(chǔ)沉降時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)地面以下基礎(chǔ)及其上覆土重力的作用，而在進(jìn)行基礎(chǔ)截面設(shè)計(jì)(基礎(chǔ)高度的確定、基礎(chǔ)底板配筋)中，應(yīng)采用不計(jì)基礎(chǔ)與上覆土重力作用時(shí)的地基凈反力計(jì)算。

【例題18】在進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，截面設(shè)計(jì)驗(yàn)算的主要包括的內(nèi)容中不含()。

A. 底面寬度b

B. 基礎(chǔ)的高度h

C. 基礎(chǔ)底板配筋

D. 層高

答案：D

【例題19】地基凈反力中不包括()。

A. 基礎(chǔ)自重

B.上覆土重力作用

C.上部結(jié)構(gòu)作用于基礎(chǔ)上的作用力

D. A+B

答案：D

2.基礎(chǔ)截面的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

1)計(jì)算地基凈反力

4)構(gòu)造要求

墻下條形基礎(chǔ)一般采用梯形截面，其邊緣高度一般不宜小于200mm，坡度i≤1:3?；A(chǔ)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C15。底板受力鋼筋的最小直徑不宜小于8mm，間距不宜大于200mm和小于100mm。當(dāng)有墊層時(shí)，混凝土的保護(hù)層凈厚度不宜小于35mm，無(wú)墊層時(shí)不宜小于70mm。底板縱向分布鋼筋，直徑6～8mm，間距250～300mm。

【例題20】按照構(gòu)造要求，當(dāng)無(wú)墊層施工基礎(chǔ)混凝土?xí)r，其鋼筋的保護(hù)層厚度不宜小于()。

A. 35mm

B. 45mm

C. 70mm

D. 90mm

答案：C

(三)柱下獨(dú)立基礎(chǔ)

1. 柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟

根據(jù)地基承載能力確定柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的底面尺寸后，可根據(jù)其截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行截面的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，主要內(nèi)容包括基礎(chǔ)截面的抗沖切驗(yàn)算和縱、橫方向的抗彎驗(yàn)算，并由此確定基礎(chǔ)的高度和底板縱、橫方向的配筋量。

1)基礎(chǔ)截面的抗沖切驗(yàn)算與基礎(chǔ)高度的確定

基礎(chǔ)高度由柱與基礎(chǔ)交接處以及基礎(chǔ)變階處的抗沖切破壞要求確定。設(shè)計(jì)時(shí)可先假設(shè)一個(gè)基礎(chǔ)高度h，然后按下列公式驗(yàn)算抗沖切能力

這里βhp為受沖切承載力截面高度影響系數(shù)，當(dāng)h不大于800mm時(shí)，βhp取1.0;當(dāng)h≥200mm時(shí)，βhp取0.9，中間值線性?xún)?nèi)插;ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(kPa);h0為基礎(chǔ)沖切破壞錐體的有效高度(m);am為基礎(chǔ)沖切破壞錐體最不利一側(cè)的計(jì)算長(zhǎng)度(m);at為基礎(chǔ)沖切破壞錐體最不利一側(cè)斜截面的上邊長(zhǎng)，在驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)交接處的抗沖切能力時(shí)，取柱寬a;在驗(yàn)算柱與基礎(chǔ)變階處的抗沖切能力時(shí)，取上階寬;ab為基礎(chǔ)沖切破壞錐體最不利一側(cè)斜截面在基礎(chǔ)底面積范圍內(nèi)的下邊長(zhǎng)，當(dāng)沖切破壞錐體的底面落在基礎(chǔ)底面以?xún)?nèi)，計(jì)算柱與基礎(chǔ)交接處的受沖切承載力時(shí)，ab取柱寬a加兩倍基礎(chǔ)有效高度h0;計(jì)算基礎(chǔ)變階處的受沖切承載力時(shí)，ab取上階寬加該處的兩倍基礎(chǔ)有效高度。當(dāng)沖切破壞錐體的底面在l方向落在基礎(chǔ)底面以外，即a+2h0≥l時(shí)，ab=l0

2)基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算和配筋

當(dāng)臺(tái)階的寬高比不大于2.5及偏心距不大于b/6(b為基礎(chǔ)寬度)時(shí)，柱下單獨(dú)基礎(chǔ)在縱向和橫向兩個(gè)方向的驗(yàn)算截面I-I和Ⅱ—Ⅱ的彎矩可按下式計(jì)算

式中Pjmax、Pjmin、PjI分別為基底最大、最小和計(jì)算截面處的凈反力設(shè)計(jì)值(kPa);a1為驗(yàn)算截面至基礎(chǔ)邊沿的距離(m);l、b分別為基礎(chǔ)底面短邊長(zhǎng)度和長(zhǎng)邊長(zhǎng)度(m);lc、bc分別為柱截面的寬度和高度(m)，當(dāng)計(jì)算變階處抗沖切時(shí)lc、bc取相應(yīng)臺(tái)階的寬度和長(zhǎng)度。

柱下單獨(dú)基礎(chǔ)的底板應(yīng)在兩個(gè)方向配置受力鋼筋，底板長(zhǎng)邊方向和短邊方向的受力鋼筋面積As和AsⅡ(m2)分別為

這里d為鋼筋直徑，h0、d均以mm計(jì)，其余符號(hào)同前。

2.柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)構(gòu)造要求

柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，除應(yīng)滿(mǎn)足墻下鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)的一般要求外，尚應(yīng)滿(mǎn)足如下一些主要構(gòu)造要求：

矩形獨(dú)立基礎(chǔ)底面的長(zhǎng)邊與短邊的比值l/b，一般取1—1.5。階梯形基礎(chǔ)每階高度一般為300-500mm。錐形基礎(chǔ)的邊緣高度，一般不宜小于200mm，也不宜大于500mm;錐形坡度角一般取250，最大不超過(guò)350。柱下鋼筋混凝土單獨(dú)基礎(chǔ)的受力鋼筋應(yīng)雙向配置。當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3m時(shí)，基礎(chǔ)底板受力鋼筋可縮短為0.9a交錯(cuò)布置，其中a=l-50mm(l為基礎(chǔ)底面長(zhǎng)邊長(zhǎng)度)。

(四)柱下條形基礎(chǔ)

1.柱下條形基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)

柱下條形基礎(chǔ)在其縱、橫兩個(gè)方向均產(chǎn)生彎曲變形，故在這兩個(gè)方向的截面內(nèi)均存在剪力和彎矩。柱下條形基礎(chǔ)的橫向剪力與彎矩通?？煽紤]由翼板的抗剪、抗彎能力承擔(dān)，其內(nèi)力計(jì)算與墻下條形基礎(chǔ)相同。柱下條形基礎(chǔ)縱向的剪力與彎矩一般則由基礎(chǔ)梁承擔(dān)，基礎(chǔ)梁的縱向內(nèi)力通?？刹捎煤?jiǎn)化法(直線分布法)或彈性地基梁法計(jì)算。

2.基礎(chǔ)梁的縱向內(nèi)力計(jì)算方法

當(dāng)?shù)鼗至油临|(zhì)均勻，上部結(jié)構(gòu)剛度較好，各柱距相差不大(<20%)，柱荷載分布較均勻，且基礎(chǔ)梁的高度大于1/6柱距時(shí)，地基反力可認(rèn)為符合直線分布，基礎(chǔ)梁的內(nèi)力可按簡(jiǎn)化的直線分布法計(jì)算。當(dāng)不滿(mǎn)足上述條件時(shí)，宜按彈性地基梁法計(jì)算。

1)直線分布法

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的剛度與變形情況，可分別采用靜定分析法和倒梁法。

i)靜定分析法

靜定分析法是按基底反力的直線分布假設(shè)和整體靜力平衡條件求出基底凈反力，并將其與柱荷載一起作用于基礎(chǔ)梁上，然后按一般靜定梁的內(nèi)力分析方法計(jì)算各截面的彎矩和剪力。

靜定分析法適用于上部為柔性結(jié)構(gòu)，且基礎(chǔ)本身剛度較大的條形基礎(chǔ)。本方法未考慮基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的相互作用，計(jì)算所得的不利截面上的彎矩絕對(duì)值一般較大。

ⅱ)倒梁法

倒梁法的基本思路是:以柱腳為條形基礎(chǔ)的固定鉸支座,將基礎(chǔ)梁視作倒置的多跨連續(xù)梁,以地基凈反力及柱腳處的彎矩當(dāng)作基礎(chǔ)梁上的荷載,用彎矩分配法或彎矩系數(shù)法來(lái)計(jì)算其內(nèi)力。

法適用于上部結(jié)構(gòu)剛度很大，各柱之間沉降差異很小的情況。這種計(jì)算模式只考慮出現(xiàn)于柱間的局部彎曲，忽略了基礎(chǔ)的整體彎曲，計(jì)算出的柱位處彎矩與柱間最大彎矩較均衡，因而所得的不利截面上的彎矩絕對(duì)值一般較小。

2)彈性地基梁法

i)文克勒(Winkler)地基模型

文克勒地基模型假定地基是由許多獨(dú)立的且互不影響的彈簧組成，即假定地基任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度p只與該點(diǎn)的地基變形s成正比：

p=ks (17-3-21)

式中

k—地基基床系數(shù)，表示產(chǎn)生單位變形所需的壓力強(qiáng)度，kN/m3;

P—地基上任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度，kPa;

s—p作用點(diǎn)位置上的地基變形，m。

文克勒地基模型忽略了地基中的剪應(yīng)力，地基土越軟弱，土的抗剪強(qiáng)度越低，該模型就越接近實(shí)際情況。對(duì)于抗剪強(qiáng)度較低的軟粘土地基、薄壓縮層地基及建筑物較長(zhǎng)而剛度較差等情況，采用文克勒(Winkler)地基模型比較合適。

基床系數(shù)k可根據(jù)不同地基分別采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、載荷板試驗(yàn)、室內(nèi)三軸試驗(yàn)或室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)等方法獲得。

ⅱ)彈性地基梁的解析解

圖17-3-3(a)為文克勒地基上的基礎(chǔ)梁，沿梁長(zhǎng)x方向取微分段梁dx進(jìn)行分析。其上作用分布荷載q和地基反力p，微分梁?jiǎn)卧笥医孛嫔系膬?nèi)力如圖17—3-3(b)所示。

對(duì)地基的相對(duì)剛度愈大。

3，柱下條形基礎(chǔ)的一般設(shè)計(jì)步驟：

1)按地基承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算所需的條形基礎(chǔ)底面積A，進(jìn)而確定底板寬度b。

2)按墻下條形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法確定翼板厚度及橫向鋼筋的配筋。

3)基礎(chǔ)梁的縱向內(nèi)力計(jì)算與配筋。根據(jù)柱下條形基礎(chǔ)的計(jì)算條件，選用簡(jiǎn)化法或彈性地墓梁法計(jì)算其縱向內(nèi)力，再根據(jù)縱向內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，按一般鋼筋混凝土受彎構(gòu)件進(jìn)行基礎(chǔ)量縱向截面驗(yàn)算與配筋計(jì)算，同時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)構(gòu)造要求。

(五)筏板基礎(chǔ)

筏板基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)一般包括基礎(chǔ)梁設(shè)計(jì)與板的設(shè)計(jì)二部分，筏板上基礎(chǔ)梁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法與柱下條形基礎(chǔ)相同，筏板的設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容主要包括筏板基礎(chǔ)地基計(jì)算、筏板內(nèi)力分析、筏板截面強(qiáng)度驗(yàn)算與板厚、配筋量確定等。筏板基礎(chǔ)地基承載力的驗(yàn)算公式與擴(kuò)展基礎(chǔ)相同。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，驗(yàn)算公式中的地基壓力項(xiàng)應(yīng)減去基礎(chǔ)底面處的浮力。筏板的內(nèi)力計(jì)算可根據(jù)上部結(jié)構(gòu)剛度及筏板基礎(chǔ)剛度的大小分別采用剛性法或彈性地基基床系數(shù)法進(jìn)行。

1.剛性法

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)整體剛度較大，筏板基礎(chǔ)下的地基土層分布均勻時(shí)，可不考慮整體彎曲而只計(jì)局部彎曲產(chǎn)生的內(nèi)力。當(dāng)持力層壓縮模量Es≤4MPa或板厚H大于1/6墻間距離時(shí)，可認(rèn)為基底反力成直線或平面分布，此時(shí)筏板基礎(chǔ)的內(nèi)力可按剛性法計(jì)算。采用剛性法計(jì)算時(shí)，在算出基底的地基凈反力后，常用倒樓蓋法和剛性板條法計(jì)算筏板的內(nèi)力。

2.彈性地基基床系數(shù)法

當(dāng)上部結(jié)構(gòu)剛度與筏板基礎(chǔ)剛度都較小時(shí)，應(yīng)考慮地基基礎(chǔ)共同作用的影響，而筏板內(nèi)力可采用彈性地基基床系數(shù)法計(jì)算，即將筏板看成彈性地基上的薄板，采用數(shù)值方法計(jì)算其內(nèi)力。目前較常用的數(shù)值方法是彈性地基板有限單元法。

(六)箱形基礎(chǔ)

箱形基礎(chǔ)是由底板、頂板、外側(cè)墻及一定數(shù)量縱橫較均勻布置的內(nèi)隔墻構(gòu)成的整體剛度很好的箱式結(jié)構(gòu)，它一方面承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載和不均勻地基反力引起的整體彎曲，同時(shí)其頂板和底板還分別受到頂板荷載與地基反力引起的局部彎曲。在分析箱形基礎(chǔ)整體彎曲時(shí)，其自重按均布荷載處理;在進(jìn)行底板彎曲計(jì)算時(shí)，應(yīng)扣除底板自重。

1.基底反力計(jì)算

箱形基礎(chǔ)的基底反力可根據(jù)《高層建筑箱形與筏形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》 (JGJ6—99)提供的實(shí)用方法計(jì)算。

2.基礎(chǔ)的內(nèi)力分析

(1)框架結(jié)構(gòu)中的箱形基礎(chǔ)

箱基的內(nèi)力應(yīng)同時(shí)考慮整體彎曲和局部彎曲作用。計(jì)算中基底反力可采用基底反力系數(shù)法確定。局部彎曲產(chǎn)生的彎矩應(yīng)乘以0.8的折減系數(shù)后疊加到整體彎曲的彎矩中。

(2)現(xiàn)澆剪力墻體系中的箱形基礎(chǔ)

由于現(xiàn)澆剪力墻體系結(jié)構(gòu)的剛度相當(dāng)大，箱基的整體彎曲可不予考慮，箱基的頂板和底板內(nèi)力僅按局部彎曲計(jì)算?？紤]到整體彎曲可能產(chǎn)生的影響，鋼筋配置量除符合計(jì)算要求外，縱、橫方向支座鋼筋尚應(yīng)有0.15%和0.10%的配筋率連通配置，跨中鋼筋按實(shí)際配筋率全部連通。

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