第三章 连续基础

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第三章 连续基础
沈阳建筑大学 土木工程学院


3.1 概述 3.2 地基、基础与上部结构相互作用的概念 3.3 地基计算模型 3.4文科勒地基上梁的计算 3.5 地基上梁的数值分析(自学) 3.6 柱下条形基础 3.7 柱下交叉条形基础 3.8筏型基础与箱型基础 3.9刚性基础基底反力、沉降和倾斜计算数值分析 法(自学)
3.1 概述
连续基础:柱下条基、交叉条基、筏型基础和箱型基础。
连续基础特点:
(1)底面积大 (2)加大建筑物整体刚度 (3)箱基和筏基,可以提高地基承载力
连续基础 可以看成是地基上的梁和板。挠曲特征、基底反力和截
面内力分布与地基、基础及上部结构的相对刚度有关。
3.2 地基、基础与上部结构相互作用的概念
在下列情况下,可以考虑采用文克勒地基模型:
(1)地基主要受力层为软土。由于软土的抗剪强度低,因而能够承 受的剪应力值很小;
(2)厚度不超过基础底面宽度之半的薄压缩层地基。这时地基中产
生附加应力集中现象,剪应力很小;
(3)基底下塑性区相应较大时;
(4)支承在桩上的连续基础,可以用弹簧体系来代替群桩。
中心荷载下的刚性基础基底反
力分布是边缘大、中部小。在基 底边缘处,其值趋子无穷大。由 子土的抗剪强度有限,边缘处的 土体将首先发生剪切破坏,反力
(2)刚性基础
将被限制在一定的范围内,最终
的反力图虚线所示的马鞍形。 刚性基础能跨越基底中部,将所
承担的荷载相对集中地传至基底
边缘,这种现象称为基础的“架 越作用”。

3.2.1 地基与基础的相互作用 3.2.2 地基变形对上部结构的影响 3.2.3 上部结构刚度对基础受力状况的影响
3.2.1 地基与基础的相互作用
1 基底反力的分布规律
基础完全柔性
(1) 荷载的传递不受基础的约束也无扩散 的作用,则作用在基础上的分布荷载将 柔 直接传到地基上,产生与荷载分布相同、 性 大小相等的地基反力。 当荷载均匀分布时,反力也均匀分布, 基 而地基变形不均匀,呈中间大两侧递减 础 的凹曲变形。显然,要使基础沉降均 匀.则荷载与地基反力必须按中间小两 侧大的抛物线分布。
文克尔地基上有限长梁的解
有限长梁求解方法是利用无限长梁与 半无限长梁的解答,运用叠加原理求解。 可按如下方法进行:
1.将梁I两端无限延伸,成无限长梁Ⅱ,
按无限长梁方法解梁的内力相位移,并求
得在原来梁I的两端A、B处产生的内力MA、 VA和MB、VB 。 2.将梁I两端无限延长.但在A,B处 分别加上反向的MA 、PA(即VA),与MB 、 PB(即VB),恰好抵消两侧梁长对中间AB段 的影响,得梁Ⅲ。 3.将梁Ⅱ与梁Ⅲ计算结果叠加就得到 有限长梁AB在荷载P作用下的内力和位移。
实测基底反力图
结论:当刚性基 础埋深和基底 面积足够大,而 荷载又不太大 时,基底反力均 呈马鞍性分布.
就承受剪应力的能力而言,基础下中间部位的土体高于边缘处的土体、 因此当荷载继续增加时,基础下面边缘处土体的破坏范围不断扩大,反力进 一步从边缘向中间转移。其分布形式就成为③即钟形的分布。 如果地基土是无粘性土,没有粘结强度,且基础埋深很浅,边缘处土体 所受的压力几乎可以不计,该处土不具有强度,也就不能承受任何荷载,因
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3.4.3地基上梁的柔度指数
l 反映梁对地基相对刚度。同一地基,l 愈长,即l值愈大,表示梁的柔性愈大、故称l 为柔度指数。 对于文克尔地基上梁,按l可区分为: l≤/4 短梁(刚性梁) /4 < l< 有限长梁 l≥ 无限长梁(柔性梁)
3.6 柱下条形基础
柱下条形基础是常用于软弱地基架或排架结构的一种 基础类型。它具有刚度大、调整不均匀沉降能力强的优 点,但造价较高。在下列情况下可以采用柱下条形基础: (1)当地基较软弱,承载力较低,而荷载较大时或地基 压缩性不均匀时; (2)当荷载分布不均匀,有可能导致较大不均匀沉降差

s R
弹性半空间地基模型具有能够扩散应力和变形
的优点,可以反映邻近荷载的影响,但它的扩散能
力往往超过地基实际情况,所以计算所得的沉降量 和地表的沉降范围,常较实测结果为大,同时该模 型未能考虑到地基的成层性、非均质性以及土体应 力应变关系的非线形等重要因素。
异时;
(3)当上部结构对基础沉降比较敏感,有可能产生较大 次应力或影响使用功能时。
3.6.1 柱下条形基础构造要求
柱下条形基础的构造,除满足扩展基础的构造要求外,尚应符合下 列规定: 1 柱下条形基础梁的高度宜为柱距的1/4~1/8。翼板厚度不 应小于200mm。当翼板厚度大于250mm时,宜采用变厚度翼 板,其坡度宜小于或等于1∶3; 2 条形基础的端部宜向外伸出,其长度宜为第一跨距的0.25倍; 3 现浇柱与条形基础梁的交接处,其平面尺寸不应小于下图的规定:
2 地基非均匀性影响
地基压缩性不均匀时, 按常规设计法求得的 基础内力可能与实际 情况相差很大
3.2.2 地基变形对上部结构的影响
上部结构对基础不均匀沉降或挠曲的抵抗能力称 为上部结构刚度或整体刚度
根据整体刚度的大小,可将上部结构分为柔性结
构、敏感性结构和刚性结构三类。
典型的柔性结构是以屋架一柱一基础为承重体系的木结构 和排架结构。这类结构对不均匀沉降有很大的顺从性,基础间 的沉降差不会在主体结构中引起多少附加应力;但在高压缩性 地基上柱基不均匀沉降会引起维护结构的开裂,因此也不允许 过量的沉降或沉降差。
此反力的分布就可能成为④即抛物线的分布。
(3)基础相对刚度的影响
基础的架越作用的作用决定于基 础的相对刚度、 土的压缩性以及 基底下塑性区的大小. 一般来说,基础的相对刚度越强, 沉降越均匀,但基础的内力相应增 大。当地基局部软硬变化较大时, 可采用整体刚度较大的连续基础; 当地基为压缩性很低的土层时,宜 优先采用扩展基础,如采用连续基 础,抗弯刚度不宜太大,这样可以 取得较好的经济效果
d 4w Ec I 4 44 w 0 dx ks 4 Ec I
4
与梁抗弯刚度和地基集中基床系数有关,量纲为m-1,故其倒数1/ 称为特征长度,特征长度越大,梁的刚度越大。 微分方程的通解为:
w( x) ex (C1 cosx C2 sin x) ex (C3 cosx C4 sin x)
式中:C1, C2 ,C3 , C4——待定系数,根据荷载及边界条件确定。
l ——无量纲数。 l 反映梁对地基相对刚度。同一地基,l愈长,
即l值愈大,表示梁的柔性愈大、故称l为柔度指数。 对于文克尔地基上梁,按l可区分为: l</4 短梁(刚性梁) /4 < l< 有限长梁 性梁) l> 无限长梁(柔
二、弹性半空间地基模型
根据布辛奈斯克(Boussinesq)解,在弹性半空间表面上 作用一个竖向集中力P时,半空间表面上离竖向集中力作用点 距离为r处的地基表面沉降s为:
P(1 ) s E0r
2
2(1 2 ) b l 2 b 2 l l 2 b2 s b ln l ln p0 E0 b l
3.2.3 上部结构刚度对基础受力状况的影响
增大上部结构刚度,将减小基础挠曲和内力。 框架结构的刚度随层数增加而增加,但增加的速度逐渐减缓, 到达一定层数后便趋于稳定。由此可见,在框架结构中下部一定 数量的楼层结构明显起着调整不均匀沉降、削减基础整体弯曲的 作用,同时自身也将出现较大的次应力,且层次位置愈低,其作 用也愈大。 如果地基土的压缩性很低,基础的不均匀沉降很小,则考虑 地基一基础一上部结构三者相互作用的意义就不大。因此,在相 互作用中起主导作用的是地基,其次是基础,而上部结构则是在 压缩性地基上基础整体刚度有限时起重要作用的因素。
文克尔地基上无限长梁的解
1. 无限长梁上受集中力P0作用,以作用点为坐标原点,则梁对 称,边界条件有: ①当x → 时, w = 0 ②当x=0时,dw/dx = 0 ③当x=0时, V = -P0/2 2.无限长梁上作用一集力偶M0 时,边界条件有: ①当x → 时, w = 0 ②当x=0时, w=0 ③当x=0时, M =-M0/2
4 条形基础梁顶部和底部的纵向受力钢 筋除满足计算要求外,顶部钢筋按计算配 筋全部贯通,底部通长钢筋不应少于底部 受力钢筋截面总面积的1/3; 5 柱下条形基础的混凝土强度等级,不应 低于C20。
3.6.2 内力计算
1.简化计算法 分为:静定分析法(静定梁法)和倒梁法。 基本假设:基底反力为直线(平面)分布。
在比较均匀的地基上,上部结构刚度较好,荷 载分布较均匀,且条形基础梁的高度不小于1/6柱距 时,地基反力可按直线分布,条形基础梁的内力可 按连续梁计算。
3.3 地基计算模型

3.3.1文科勒地基模型 3.3.2弹性半空间地基模型 3.3.3有限压缩层地基模型
3.3.1 文科勒地基模型
在1867年,捷克工程师E,文克勒提出了如下的假设: 地基上任一点所受的压力强度P与该点的地基沉降量成正 比,即
p ks
该模型仍有其独持的适用性,如抗剪强度很低的半液 土(淤泥、软粘土)地基或基底下塑性区相对较大时。用这 种模型就比较合适。
3.3.3有限压缩层地基模型
模型假定土在完 全 侧限条件下的压缩 应变与附加应力成 正比。地基被看成 线性变形体,用叠 加原理把地基压力 与沉降之间的关系 来表达。
3.4 文科勒地基上梁的计算



3.4.1无限长梁的解答 3.4.2有限长梁的计算 3.4.3地基上梁的柔度指数 3.4.4基床系数的确定(自学)
从梁上截取微元dx,根据竖向静力平衡条件,由材料力学 得梁的挠曲微分方程:
d 2w Ec I 2 M dx dM d 4w 利用V Ec I 4 bp q dx dx
根据接触条件,沿梁全长的地基沉降应与梁的挠度相等,
对梁的无荷载部分(q=0),即可得到文克尔地基上梁挠曲微分方程。
网格划分
y
lj
y y
i
bj
j
0
x
j
x
i
x
图2-30 基底网格的划分
以沉降系数 ij 表示网格i的中点由作用于网格j上的
均布压力
p j 1/ f j
引起的沉降,则按叠加原理,
网格i中点的沉降应为所有n个网格上的基底压力分别引 起的沉降之总和,即:
i i1p1f1 i 2 p 2 f 2 ...... ijp n f n ijR j
均质地基上的多层多跨框架结构,其沉降通常是中部、端 部小。这种不均匀沉降会在框架中产生附加弯矩,还会引起柱 荷载重分配现象,这种现象随着上部结构刚度增大而加剧。
对于高压缩性地基上的框架结构,按常规方法设 计,结果常使上部结构偏于不安全。
刚性结构指的是烟囱、水塔、高炉、筒仓这类刚度很 大的高耸结构物,一般为独立基础。当地基不均匀或在邻 近建筑物荷载或地面大面积堆载的影响下,基础转动倾斜, 但几乎不会发生相对挠曲。
敏感性结构:如砖石砌体承重结构和钢筋混凝土框架结 构,不均匀沉降会引起较大附加应力的结构,
敏感结构对基础间的沉降差较为敏感,很小的沉降差就 足以引起可观的附加应力,若结构本身的强度储备不足,很 容易发生开裂现象。
上部结构的刚度愈大,其调整不均匀沉降的能力就愈强。 因此,可以通过加大或加强结构的整体刚度以及在建筑、结构 和施工等方面采取适当的措施来防止不均匀沉降。 基础刚度愈大,其挠曲愈小,上部结构的次应力也愈小。 对于高压缩性地基上的框架结构,基础刚度一般宜刚而不宜柔; 而对柔性结构,在满足允许沉降值的条件下,基础刚度宜小不 宜大,而且不一定需要采用连续基础。
j1
n
对于整个基础,上式可用矩阵形式表示为:
s1 s 2 s n
可简写为:
1112 1n R 1 R 21 22 2 n 2 n1 n 2 nn R N
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