刚性基础与扩展基础的设计计算刚性基础与扩展基础的设计计算

刚性基础与扩展基础的设计计算刚性基础与扩展基础的设计计算

2010-04-1909:242-4-1地基承载力验算如前所述直接支承基础的地基土层称为持力层在持力层下面的各土层称为下卧层若某下卧层承载力较持力层承载力低则称为软弱下卧层。地基承载力的验算应进行持力层的验算和软弱下卧层的验算。下面首先介绍持力层的验算。 1.中心受荷基础各级各类建筑物浅基础的地基承载力验算均应满足式2.5的要求。即基础底面的平均压力不得大于修正后的地基承载力特征值。如图2.9示一单独基础其埋深为d承受作用于基础顶面且通过基础底面中心的竖向荷载Fk基础底面积为A基底平均压力表示为: 2-16 式中Fk-相应于荷载效应标准组合时上部结构传至基础顶面的竖向力值Gk-基础自重和基础上的土重。对一般实体基础可近似地取GkγGAdγG为基础及回填土的平均重度可取γG20kN/m3但在地下水位以下部分应扣去浮托力。将Gk代入式2-16并满足pk≤fa可得: 2-17 对墙下条形基础通常沿墙长度方向取1m进行计算此时可得基础宽度为: 2-18 式2-18中的Fk为基础每米长度上的外荷载kN/m。2.偏心受荷基础工程实践中有时基础不仅承受竖向荷载还可能承受柱、墩传来的弯矩及水平力作用例如建筑物框架柱可能承受单向弯矩及剪力、也可能承受双向弯矩和剪力河流中的漂流物如木筏、大的冰块等对桥墩横桥向产生的弯矩及剪力曲线上修筑的弯桥除顺桥向引起力矩外尚有离心力横桥向水平力在横桥向产生力矩。此时基底反力将呈梯形或三角形分布如图2-10所示。略2-4-2软弱下卧层验算建筑场地土大多数是成层的一般土层的强度随深度而增加而外荷载引起的附加应力则随深度而减小因此只要基础底面持力层承载力满足设计要求即可。但是也有不少情况持力层不厚在持力层以下受力层范围内存在软弱土层其承载力很低如我国沿海地区表层土较硬在其下有很厚一层较软的淤泥、淤泥质土层此时仅满足持力层的要求是不够的还需验算软弱下卧层的强度要求传递到软弱下卧层顶面处土体的附加应力与自重应力之和不超过软弱下卧层的承载力即pzpcz≤faz2-22 式中pz-相应于荷载效应标准组合时软弱下卧层顶面处的附加应力值pcz-软弱下卧层顶面处土的自重压力值faz-软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值。根据弹性半空间体理论下卧层顶面土体的附加应力在基础中轴线处最大向四周扩散呈非线性分布如果考虑上下层土的性质不同应力分布规律就更为复杂。《地基规范》通过试验研究并参照双层地基中附加应力分布的理论解答提出了以下简化方法:当持力层与下卧软弱土层的压缩模量比值Es1/Es2≥3时对矩形和条形基础式2-22中pz可按压力扩散角的概念计算。如图2-11所示假设基底处的附加压力p0pk-pc在持力层内往下传递时按某一角度θ向外扩散且均匀分布于较大面积上根据扩散前作用于基底平面处附加压力合力与扩散后作用于下卧层顶面处附加压力合力相等的条件得到pz的表达式如下: 对于矩形基础2-23 对于条形基础2-24 式中l、b-分别为基础的长度和宽度pc-基础底面处土的自重应力z-基础底面到软弱下卧层顶面的距离θ-压力扩散角可按表2-4采用。按双层地基中应力分布的概念当上层土较硬、下层土软弱时应力分布将向四周更为扩散也就是说持力层与下卧层的模量比Es1/Es2越大应力扩散越快故θ值越大。另外按均质弹性体应力扩散的规律荷载的扩散程度随深度的增加而增加表2-4中的压力扩散角θ的大小就是根据这种规律确定的。图2-11软弱下卧层顶面附加应力计算表2-4地基压力扩散角θ Esl/Es2z/b0.250.503 106° 10° 20°23°25° 30°注:1、Esl为上层土压缩模量Es2为下层土压缩模量2、z/b0.25时取θ0°必要时宜由试验确定z/b0.50时θ值不变。2.4.3基础和地基的稳定性验算在承载力验算中实际上只验算了竖向荷载作用下地基的稳定性而未涉及水平荷载的作用。对经常承受水平荷载的建构筑物如水工建筑物挡土结构以及高层建筑和高耸建筑地基的稳定问题可能成为地基的主要问题。在水平和竖向荷载共同作用下地基失去稳定而破坏的形式有三种:一种是沿基底产生表层滑动第二种是偏心荷载过大而使基础倾覆另一种是深层整体滑动破坏。 1.地基抗水平滑动的稳定性验算当水平荷载较大而竖向荷载相对较小的情况下一般需验算地基抗水平滑动稳定性目前地基的稳定验算仍采用单一安全系数的方法当表层滑动时定义基础底面的抗滑

动摩擦阻力与作用于基底的水平力之比为安全系数即2-25 式中K-表层滑动安全系数根据建筑物安全等级取1.21.4 FG-作用于基底的竖向力的总和H-作用于基底的水平力的总和f-基底与地基土的摩擦系数。2.基础倾覆稳定性验算基础倾覆或倾斜除了地基的强度和变形原因外往往发生在承受较大的单向水平推力而其合力作用点又离基础底面的距离较高的结构物上如挡土墙或高桥台受侧向土压力作用大跨径拱桥在施工中墩、台受到不平衡的推力以及在多孔拱桥中一孔被毁等此时在单向恒载推力作用下均可能引起墩、台连同基础的倾覆和倾斜。下略2-4-4钢筋混凝土扩展基础结构设计 1.墙下钢筋混凝土条形基础墙下钢筋混凝土条形基础的内力计算一般可按平面应变问题处理在长度方向可取单位长度计算。截面设计验算的内容主要包括基底宽度b和基础的高度h及基础底板配筋等。关于基底宽度的确定已在2-4-1中讨论过在此仅讨论基础高度及基础底板配筋的确定。⑴地基净反力的概念如前所述基底反力为作用于基底上的总竖向荷载包括墙或柱传下的荷载及基础自重除以基底面积。通常认为仅由基础顶面标高以上部分传下的荷载所产生的地基反力为地基净反力并以pj表示。在进行基础的结构设计中常需用到净反力因为基础自重及其周围土重所引起的基底反力恰好与其自重相抵对基础本身不产生内力。⑵基础高度的验算锥形基础的边缘高度已在2-1节中介绍这里从抗剪的角度介绍其它任意截面高度的确定。图2-12示基础验算截面处的剪力VIkN/m为2-26 这里bI为验算截面I-I距基础边缘的距离。当墙体材料为混凝土时验算截面I-I在墙脚处bI等于基础边缘至墙脚的距离a当墙体材料为砖墙、且墙脚伸出不大于1/4砖长时验算截面I-I在墙面处bIa0.06m。当荷载无偏心时基础验算截面的剪力可简化为如下形式: 2-27 a砖墙情况b混凝土墙情况图2-12墙下条形基础的验算截面剪力确定之后基础有效高度h0由混凝土的抗剪切条件确定。⑶基础底板的配筋基础底板的配筋由验算截面的弯矩值决定弯矩计算式如下2-28 弯矩确定后可以计算沿基础长度方向每延米基础底板的配筋面积。墙下钢筋混凝土条形基础纵向分布钢筋的直径不小于8mm间距不大于300mm每延米分布钢筋的面积不宜小于受力钢筋面积的1/10。2.柱下钢筋混凝土独立基础与墙下条形基础一样在进行柱下独立基础设计时一般先由地基承载力确定基础的底面尺寸然后再进行基础截面的设计验算。基础截面的设计验算内容主要包括基础截面的抗冲切验算和抗弯验算由抗冲切验确定基础的合适高度由抗弯验算确定基础底板的双向配筋。⑴抗冲切验算柱与基础相连处局部受压若基础高度不足则容易产生冲切破坏沿柱边或基础台阶变截面处产生近似于45o方向斜拉裂缝形成冲切锥体为此必须进行抗冲切验算。抗冲切验算的基本原则是基础可能冲切面以外地基净反力产生的冲切力应小于基础可能冲切面即冲切角锥体上的混凝土抗冲切力。以矩形底面基础为例见图2-13受冲切承载力可按下列公式计算: F1≤0.7βhpftamh02-29 amatab/22-30 FlpjA12-31 式中βhp-受冲切承载力截面高度影响系数当h不大于800㎜时取1.0当h大于等于2000㎜时取0.9期间按线性内插法取用ft-混凝土轴心抗拉强度设计值h0-基础冲切破坏锥体的有效高度am-冲切破坏锥体最不利一侧计算长度at-冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长当计算柱与基础交接处的受冲切承载力时取柱宽当计算基础变阶处的受冲切承载力时取上阶宽ab-冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围的下边长当冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内图2-13a、b计算柱与基础交接处的受冲切承载力时取柱宽加两倍基础有效高度当计算基础变阶处的受冲切承载力时取上阶宽加两倍基础有效高度。当冲切破坏锥体的底面在l方向落在基础底面以外即a2h≥l时图2-13cabl Al-冲切验算时取用的部分基底面积图2-13a、b中的阴影面积ABCDEF或图2-13c中的阴影面积ABCD Fl-相应于荷载效应基本组合时作用在Al上的地基土净反力设计值。当不满足式2-32的要求时可适当增加基础高度后重新验算直到满足为止。图2-13计算阶形基础的受冲切承载力截面位置a柱与基础交接处b基础变阶处1-冲切破坏锥体最不利一侧的斜截面2-冲切破坏锥体的底面线2.2基础配筋计算在轴心荷载或单向偏心荷载作用下对于矩形基础当台阶的宽高比小于或等于2.5和偏心距小于或等于1/6