2018年岩土工程师基础知识考点：浅基础的结构设计

2018年岩土工程师基础知识考点：浅基础的结构设计

　　浅基础的结构设计

　　(一)无筋扩展基础

　　1.无筋扩展基础结构的设计原则

　　根据这类基础材料具有抗压强度高而抗拉、抗剪强度低的特点，在进行无筋扩展基础设计时必须使基础主要承受压应力，并保证基础内产生的拉应力和剪应力都不超过材料强度的设计值。具体设计中主要通过对基础的外伸宽度与基础高度的比值进行验算来实现。

　　2.无筋扩展基础的设计计算步骤

　　1)初步选定基础高度H

　　2)根据地基承载力条件初步确定基础宽度b。

　　3)按下列公式进一步验算基础的宽度：

　　b≤b0十2Htanα (17-3-12)

　　式中 H、b0、b2分别为基础的高度、顶面砌体宽度和外伸长度，如图17-3-2所示;tanα为基础台阶宽高比的允许值，。称为刚性角，tanα =[b2/H]可按建筑地基基础设计规范GB50007—2002表8.1.2选用。

　　如验算符合要求，则可采用原先选定的基础宽度和高度，否则应调整基础高度重新验算，直至满足要求为止。

　　(二)墙下条形基础

　　1.墙下条形基础结构的设计原则

　　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础底面宽度b和基础的高度h及基础底板配筋等。基底宽度应根据地基承载力要求确定，基础高度由混凝土的抗剪切条件确定，基础底板的受力钢筋配筋则由基础验算截面的抗弯能力确定。在确定基础底面尺寸或计算基础沉降时，应考虑设计地面以下基础及其上覆土重力的作用，而在进行基础截面设计(基础高度的确定、基础底板配筋)中，应采用不计基础与上覆土重力作用时的地基净反力计算。

　　【例题18】在进行基础设计时，截面设计验算的主要包括的内容中不含()。

　　A. 底面宽度b

　　B. 基础的高度h

　　C. 基础底板配筋

　　D. 层高

　　答案：D

　　【例题19】地基净反力中不包括()。

　　A. 基础自重

　　B.上覆土重力作用

　　C.上部结构作用于基础上的作用力

　　D. A+B

　　答案：D

　　2.基础截面的设计计算步骤

　　1)计算地基净反力

　　4)构造要求

　　墙下条形基础一般采用梯形截面，其边缘高度一般不宜小于200mm，坡度i≤1:3。基础混凝土的强度等级不宜低于C15。底板受力钢筋的最小直径不宜小于8mm，间距不宜大于200mm和小于100mm。当有垫层时，混凝土的保护层净厚度不宜小于35mm，无垫层时不宜小于70mm。底板纵向分布钢筋，直径6～8mm，间距250～300mm。

　　【例题20】按照构造要求，当无垫层施工基础混凝土时，其钢筋的保护层厚度不宜小于()。

　　A. 35mm

　　B. 45mm

　　C. 70mm

　　D. 90mm

　　答案：C

　　(三)柱下独立基础

　　1. 柱下独立基础的设计计算步骤

　　根据地基承载能力确定柱下独立基础的底面尺寸后，可根据其截面内力计算结果进行截面的设计验算，主要内容包括基础截面的抗冲切验算和纵、横方向的抗弯验算，并由此确定基础的高度和底板纵、横方向的配筋量。

　　1)基础截面的抗冲切验算与基础高度的确定

　　基础高度由柱与基础交接处以及基础变阶处的抗冲切破坏要求确定。设计时可先假设一个基础高度h，然后按下列公式验算抗冲切能力

　　这里βhp为受冲切承载力截面高度影响系数，当h不大于800mm时，βhp取1.0;当h≥200mm时，βhp取0.9，中间值线性内插;ft为混凝土抗拉强度设计值(kPa);h0为基础冲切破坏锥体的有效高度(m);am为基础冲切破坏锥体最不利一侧的计算长度(m);at为基础冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，在验算柱与基础交接处的抗冲切能力时，取柱宽a;在验算柱与基础变阶处的抗冲切能力时，取上阶宽;ab为基础冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长，当冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内，计算柱与基础交接处的受冲切承载力时，ab取柱宽a加两倍基础有效高度h0;计算基础变阶处的受冲切承载力时，ab取上阶宽加该处的两倍基础有效高度。当冲切破坏锥体的底面在l方向落在基础底面以外，即a+2h0≥l时，ab=l0

　　2)基础内力计算和配筋

　　当台阶的宽高比不大于2.5及偏心距不大于b/6(b为基础宽度)时，柱下单独基础在纵向和横向两个方向的验算截面I-I和Ⅱ—Ⅱ的弯矩可按下式计算

　　式中Pjmax、Pjmin、PjI分别为基底最大、最小和计算截面处的净反力设计值(kPa);a1为验算截面至基础边沿的距离(m);l、b分别为基础底面短边长度和长边长度(m);lc、bc分别为柱截面的宽度和高度(m)，当计算变阶处抗冲切时lc、bc取相应台阶的宽度和长度。

　　柱下单独基础的底板应在两个方向配置受力钢筋，底板长边方向和短边方向的受力钢筋面积As和AsⅡ(m2)分别为

　　这里d为钢筋直径，h0、d均以mm计，其余符号同前。

　　2.柱下独立基础的设计构造要求

　　柱下钢筋混凝土独立基础，除应满足墙下钢筋混凝土条形基础的一般要求外，尚应满足如下一些主要构造要求：

　　矩形独立基础底面的长边与短边的比值l/b，一般取1—1.5。阶梯形基础每阶高度一般为300-500mm。锥形基础的边缘高度，一般不宜小于200mm，也不宜大于500mm;锥形坡度角一般取250，最大不超过350。柱下钢筋混凝土单独基础的受力钢筋应双向配置。当基础宽度大于3m时，基础底板受力钢筋可缩短为0.9a交错布置，其中a=l-50mm(l为基础底面长边长度)。

　　(四)柱下条形基础

　　1.柱下条形基础的受力特点

　　柱下条形基础在其纵、横两个方向均产生弯曲变形，故在这两个方向的截面内均存在剪力和弯矩。柱下条形基础的横向剪力与弯矩通常可考虑由翼板的抗剪、抗弯能力承担，其内力计算与墙下条形基础相同。柱下条形基础纵向的剪力与弯矩一般则由基础梁承担，基础梁的纵向内力通常可采用简化法(直线分布法)或弹性地基梁法计算。

　　2.基础梁的纵向内力计算方法

　　当地基持力层土质均匀，上部结构刚度较好，各柱距相差不大(<20%)，柱荷载分布较均匀，且基础梁的高度大于1/6柱距时，地基反力可认为符合直线分布，基础梁的内力可按简化的直线分布法计算。当不满足上述条件时，宜按弹性地基梁法计算。

　　1)直线分布法

　　根据上部结构的刚度与变形情况，可分别采用静定分析法和倒梁法。

　　i)静定分析法

　　静定分析法是按基底反力的直线分布假设和整体静力平衡条件求出基底净反力，并将其与柱荷载一起作用于基础梁上，然后按一般静定梁的内力分析方法计算各截面的弯矩和剪力。

　　静定分析法适用于上部为柔性结构，且基础本身刚度较大的条形基础。本方法未考虑基础与上部结构的相互作用，计算所得的不利截面上的弯矩绝对值一般较大。

　　ⅱ)倒梁法

　　倒梁法的基本思路是:以柱脚为条形基础的固定铰支座,将基础梁视作倒置的多跨连续梁,以地基净反力及柱脚处的弯矩当作基础梁上的荷载,用弯矩分配法或弯矩系数法来计算其内力。

　　法适用于上部结构刚度很大，各柱之间沉降差异很小的情况。这种计算模式只考虑出现于柱间的局部弯曲，忽略了基础的整体弯曲，计算出的柱位处弯矩与柱间最大弯矩较均衡，因而所得的不利截面上的弯矩绝对值一般较小。

　　2)弹性地基梁法

　　i)文克勒(Winkler)地基模型

　　文克勒地基模型假定地基是由许多独立的且互不影响的弹簧组成，即假定地基任一点所受的压力强度p只与该点的地基变形s成正比：

　　p=ks (17-3-21)

　　式中

　　k—地基基床系数，表示产生单位变形所需的压力强度，kN/m3;

　　P—地基上任一点所受的压力强度，kPa;

　　s—p作用点位置上的地基变形，m。

　　文克勒地基模型忽略了地基中的剪应力，地基土越软弱，土的抗剪强度越低，该模型就越接近实际情况。对于抗剪强度较低的软粘土地基、薄压缩层地基及建筑物较长而刚度较差等情况，采用文克勒(Winkler)地基模型比较合适。

　　基床系数k可根据不同地基分别采用现场试验、载荷板试验、室内三轴试验或室内固结试验等方法获得。

　　ⅱ)弹性地基梁的解析解

　　图17-3-3(a)为文克勒地基上的基础梁，沿梁长x方向取微分段梁dx进行分析。其上作用分布荷载q和地基反力p，微分梁单元左右截面上的内力如图17—3-3(b)所示。

　　对地基的相对刚度愈大。

　　3，柱下条形基础的一般设计步骤：

　　1)按地基承载力设计值计算所需的条形基础底面积A，进而确定底板宽度b。

　　2)按墙下条形基础设计方法确定翼板厚度及横向钢筋的配筋。

　　3)基础梁的纵向内力计算与配筋。根据柱下条形基础的计算条件，选用简化法或弹性地墓梁法计算其纵向内力，再根据纵向内力计算结果，按一般钢筋混凝土受弯构件进行基础量纵向截面验算与配筋计算，同时应满足设计构造要求。

　　(五)筏板基础

　　筏板基础的设计一般包括基础梁设计与板的设计二部分，筏板上基础梁的设计计算方法与柱下条形基础相同，筏板的设计计算内容主要包括筏板基础地基计算、筏板内力分析、筏板截面强度验算与板厚、配筋量确定等。筏板基础地基承载力的验算公式与扩展基础相同。当地下水位较高时，验算公式中的地基压力项应减去基础底面处的浮力。筏板的内力计算可根据上部结构刚度及筏板基础刚度的大小分别采用刚性法或弹性地基基床系数法进行。

　　1.刚性法

　　当上部结构整体刚度较大，筏板基础下的地基土层分布均匀时，可不考虑整体弯曲而只计局部弯曲产生的内力。当持力层压缩模量Es≤4MPa或板厚H大于1/6墙间距离时，可认为基底反力成直线或平面分布，此时筏板基础的内力可按刚性法计算。采用刚性法计算时，在算出基底的地基净反力后，常用倒楼盖法和刚性板条法计算筏板的内力。

　　2.弹性地基基床系数法

　　当上部结构刚度与筏板基础刚度都较小时，应考虑地基基础共同作用的影响，而筏板内力可采用弹性地基基床系数法计算，即将筏板看成弹性地基上的薄板，采用数值方法计算其内力。目前较常用的数值方法是弹性地基板有限单元法。

　　(六)箱形基础

　　箱形基础是由底板、顶板、外侧墙及一定数量纵横较均匀布置的内隔墙构成的整体刚度很好的箱式结构，它一方面承受上部结构传来的荷载和不均匀地基反力引起的整体弯曲，同时其顶板和底板还分别受到顶板荷载与地基反力引起的局部弯曲。在分析箱形基础整体弯曲时，其自重按均布荷载处理;在进行底板弯曲计算时，应扣除底板自重。

　　1.基底反力计算

　　箱形基础的基底反力可根据《高层建筑箱形与筏形基础设计技术规范》 (JGJ6—99)提供的实用方法计算。

　　2.基础的内力分析

　　(1)框架结构中的箱形基础

　　箱基的内力应同时考虑整体弯曲和局部弯曲作用。计算中基底反力可采用基底反力系数法确定。局部弯曲产生的弯矩应乘以0.8的折减系数后叠加到整体弯曲的弯矩中。

　　(2)现浇剪力墙体系中的箱形基础

　　由于现浇剪力墙体系结构的刚度相当大，箱基的整体弯曲可不予考虑，箱基的顶板和底板内力仅按局部弯曲计算。考虑到整体弯曲可能产生的影响，钢筋配置量除符合计算要求外，纵、横方向支座钢筋尚应有0.15%和0.10%的配筋率连通配置，跨中钢筋按实际配筋率全部连通。

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