2019巖土工程師基礎知識點：淺基礎的結構設計

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淺基礎的結構設計

(一)無筋擴展基礎

1.無筋擴展基礎結構的設計原則

根據(jù)這類基礎材料具有抗壓強度高而抗拉、抗剪強度低的特點，在進行無筋擴展基礎設計時必須使基礎主要承受壓應力，并保證基礎內產生的拉應力和剪應力都不超過材料強度的設計值。具體設計中主要通過對基礎的外伸寬度與基礎高度的比值進行驗算來實現(xiàn)。

2.無筋擴展基礎的設計計算步驟

1)初步選定基礎高度H

2)根據(jù)地基承載力條件初步確定基礎寬度b。

3)按下列公式進一步驗算基礎的寬度：

b≤b0十2Htanα (17-3-12)

式中 H、b0、b2分別為基礎的高度、頂面砌體寬度和外伸長度，如圖17-3-2所示;tanα為基礎臺階寬高比的允許值，。稱為剛性角，tanα =[b2/H]可按建筑地基基礎設計規(guī)范GB50007—2002表8.1.2選用。

如驗算符合要求，則可采用原先選定的基礎寬度和高度，否則應調整基礎高度重新驗算，直至滿足要求為止。

(二)墻下條形基礎

1.墻下條形基礎結構的設計原則

墻下鋼筋混凝土條形基礎的內力計算一般可按平面應變問題處理，在長度方向可取單位長度計算。截面設計驗算的內容主要包括基礎底面寬度b和基礎的高度h及基礎底板配筋等?；讓挾葢鶕?jù)地基承載力要求確定，基礎高度由混凝土的抗剪切條件確定，基礎底板的受力鋼筋配筋則由基礎驗算截面的抗彎能力確定。在確定基礎底面尺寸或計算基礎沉降時，應考慮設計地面以下基礎及其上覆土重力的作用，而在進行基礎截面設計(基礎高度的確定、基礎底板配筋)中，應采用不計基礎與上覆土重力作用時的地基凈反力計算。

【例題18】在進行基礎設計時，截面設計驗算的主要包括的內容中不含()。

A. 底面寬度b

B. 基礎的高度h

C. 基礎底板配筋

D. 層高

答案：D

【例題19】地基凈反力中不包括()。

A. 基礎自重

B.上覆土重力作用

C.上部結構作用于基礎上的作用力

D. A+B

答案：D

2.基礎截面的設計計算步驟

1)計算地基凈反力

4)構造要求

墻下條形基礎一般采用梯形截面，其邊緣高度一般不宜小于200mm，坡度i≤1:3?；A混凝土的強度等級不宜低于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。當有墊層時，混凝土的保護層凈厚度不宜小于35mm，無墊層時不宜小于70mm。底板縱向分布鋼筋，直徑6～8mm，間距250～300mm。

【例題20】按照構造要求，當無墊層施工基礎混凝土時，其鋼筋的保護層厚度不宜小于()。

A. 35mm

B. 45mm

C. 70mm

D. 90mm

答案：C

(三)柱下獨立基礎

1. 柱下獨立基礎的設計計算步驟

根據(jù)地基承載能力確定柱下獨立基礎的底面尺寸后，可根據(jù)其截面內力計算結果進行截面的設計驗算，主要內容包括基礎截面的抗沖切驗算和縱、橫方向的抗彎驗算，并由此確定基礎的高度和底板縱、橫方向的配筋量。

1)基礎截面的抗沖切驗算與基礎高度的確定

基礎高度由柱與基礎交接處以及基礎變階處的抗沖切破壞要求確定。設計時可先假設一個基礎高度h，然后按下列公式驗算抗沖切能力

這里βhp為受沖切承載力截面高度影響系數(shù)，當h不大于800mm時，βhp取1.0;當h≥200mm時，βhp取0.9，中間值線性內插;ft為混凝土抗拉強度設計值(kPa);h0為基礎沖切破壞錐體的有效高度(m);am為基礎沖切破壞錐體最不利一側的計算長度(m);at為基礎沖切破壞錐體最不利一側斜截面的上邊長，在驗算柱與基礎交接處的抗沖切能力時，取柱寬a;在驗算柱與基礎變階處的抗沖切能力時，取上階寬;ab為基礎沖切破壞錐體最不利一側斜截面在基礎底面積范圍內的下邊長，當沖切破壞錐體的底面落在基礎底面以內，計算柱與基礎交接處的受沖切承載力時，ab取柱寬a加兩倍基礎有效高度h0;計算基礎變階處的受沖切承載力時，ab取上階寬加該處的兩倍基礎有效高度。當沖切破壞錐體的底面在l方向落在基礎底面以外，即a+2h0≥l時，ab=l0

2)基礎內力計算和配筋

當臺階的寬高比不大于2.5及偏心距不大于b/6(b為基礎寬度)時，柱下單獨基礎在縱向和橫向兩個方向的驗算截面I-I和Ⅱ—Ⅱ的彎矩可按下式計算

式中Pjmax、Pjmin、PjI分別為基底最大、最小和計算截面處的凈反力設計值(kPa);a1為驗算截面至基礎邊沿的距離(m);l、b分別為基礎底面短邊長度和長邊長度(m);lc、bc分別為柱截面的寬度和高度(m)，當計算變階處抗沖切時lc、bc取相應臺階的寬度和長度。

柱下單獨基礎的底板應在兩個方向配置受力鋼筋，底板長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，其余符號同前。

2.柱下獨立基礎的設計構造要求

柱下鋼筋混凝土獨立基礎，除應滿足墻下鋼筋混凝土條形基礎的一般要求外，尚應滿足如下一些主要構造要求：

矩形獨立基礎底面的長邊與短邊的比值l/b，一般取1—1.5。階梯形基礎每階高度一般為300-500mm。錐形基礎的邊緣高度，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350。柱下鋼筋混凝土單獨基礎的受力鋼筋應雙向配置。當基礎寬度大于3m時，基礎底板受力鋼筋可縮短為0.9a交錯布置，其中a=l-50mm(l為基礎底面長邊長度)。

(四)柱下條形基礎

1.柱下條形基礎的受力特點

柱下條形基礎在其縱、橫兩個方向均產生彎曲變形，故在這兩個方向的截面內均存在剪力和彎矩。柱下條形基礎的橫向剪力與彎矩通?？煽紤]由翼板的抗剪、抗彎能力承擔，其內力計算與墻下條形基礎相同。柱下條形基礎縱向的剪力與彎矩一般則由基礎梁承擔，基礎梁的縱向內力通?？刹捎煤喕?直線分布法)或彈性地基梁法計算。

2.基礎梁的縱向內力計算方法

當?shù)鼗至油临|均勻，上部結構剛度較好，各柱距相差不大(<20%)，柱荷載分布較均勻，且基礎梁的高度大于1/6柱距時，地基反力可認為符合直線分布，基礎梁的內力可按簡化的直線分布法計算。當不滿足上述條件時，宜按彈性地基梁法計算。

1)直線分布法

根據(jù)上部結構的剛度與變形情況，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梁上，然后按一般靜定梁的內力分析方法計算各截面的彎矩和剪力。

靜定分析法適用于上部為柔性結構，且基礎本身剛度較大的條形基礎。本方法未考慮基礎與上部結構的相互作用，計算所得的不利截面上的彎矩絕對值一般較大。

ⅱ)倒梁法

倒梁法的基本思路是:以柱腳為條形基礎的固定鉸支座,將基礎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作基礎梁上的荷載,用彎矩分配法或彎矩系數(shù)法來計算其內力。

法適用于上部結構剛度很大，各柱之間沉降差異很小的情況。這種計算模式只考慮出現(xiàn)于柱間的局部彎曲，忽略了基礎的整體彎曲，計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立的且互不影響的彈簧組成，即假定地基任一點所受的壓力強度p只與該點的地基變形s成正比：

p=ks (17-3-21)

式中

k—地基基床系數(shù)，表示產生單位變形所需的壓力強度，kN/m3;

P—地基上任一點所受的壓力強度，kPa;

s—p作用點位置上的地基變形，m。

文克勒地基模型忽略了地基中的剪應力，地基土越軟弱，土的抗剪強度越低，該模型就越接近實際情況。對于抗剪強度較低的軟粘土地基、薄壓縮層地基及建筑物較長而剛度較差等情況，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)場試驗、載荷板試驗、室內三軸試驗或室內固結試驗等方法獲得。

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梁，沿梁長x方向取微分段梁dx進行分析。其上作用分布荷載q和地基反力p，微分梁單元左右截面上的內力如圖17—3-3(b)所示。

對地基的相對剛度愈大。

3，柱下條形基礎的一般設計步驟：

1)按地基承載力設計值計算所需的條形基礎底面積A，進而確定底板寬度b。

2)按墻下條形基礎設計方法確定翼板厚度及橫向鋼筋的配筋。

3)基礎梁的縱向內力計算與配筋。根據(jù)柱下條形基礎的計算條件，選用簡化法或彈性地墓梁法計算其縱向內力，再根據(jù)縱向內力計算結果，按一般鋼筋混凝土受彎構件進行基礎量縱向截面驗算與配筋計算，同時應滿足設計構造要求。

(五)筏板基礎

筏板基礎的設計一般包括基礎梁設計與板的設計二部分，筏板上基礎梁的設計計算方法與柱下條形基礎相同，筏板的設計計算內容主要包括筏板基礎地基計算、筏板內力分析、筏板截面強度驗算與板厚、配筋量確定等。筏板基礎地基承載力的驗算公式與擴展基礎相同。當?shù)叵滤惠^高時，驗算公式中的地基壓力項應減去基礎底面處的浮力。筏板的內力計算可根據(jù)上部結構剛度及筏板基礎剛度的大小分別采用剛性法或彈性地基基床系數(shù)法進行。

1.剛性法

當上部結構整體剛度較大，筏板基礎下的地基土層分布均勻時，可不考慮整體彎曲而只計局部彎曲產生的內力。當持力層壓縮模量Es≤4MPa或板厚H大于1/6墻間距離時，可認為基底反力成直線或平面分布，此時筏板基礎的內力可按剛性法計算。采用剛性法計算時，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算筏板的內力。

2.彈性地基基床系數(shù)法

當上部結構剛度與筏板基礎剛度都較小時，應考慮地基基礎共同作用的影響，而筏板內力可采用彈性地基基床系數(shù)法計算，即將筏板看成彈性地基上的薄板，采用數(shù)值方法計算其內力。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

箱形基礎是由底板、頂板、外側墻及一定數(shù)量縱橫較均勻布置的內隔墻構成的整體剛度很好的箱式結構，它一方面承受上部結構傳來的荷載和不均勻地基反力引起的整體彎曲，同時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。在分析箱形基礎整體彎曲時，其自重按均布荷載處理;在進行底板彎曲計算時，應扣除底板自重。

1.基底反力計算

箱形基礎的基底反力可根據(jù)《高層建筑箱形與筏形基礎設計技術規(guī)范》 (JGJ6—99)提供的實用方法計算。

2.基礎的內力分析

(1)框架結構中的箱形基礎

箱基的內力應同時考慮整體彎曲和局部彎曲作用。計算中基底反力可采用基底反力系數(shù)法確定。局部彎曲產生的彎矩應乘以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

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

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