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地基基础课程设计指导书任务书

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2020年4月19日
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《土力学与地基基础》课程设计任务书

题目：柱下钢筋混凝土独立基础
1.1 设计资料
1.地形：拟建建筑场地平整
2.工程地质资料：自上而下依次为：
① 杂填土：厚约0.5m，含部分建筑垃圾；
② 粉质粘土：厚1.2m，软塑，潮湿，承载力特征值=130；
③ 粘土：厚1.5m，可塑，稍湿，承载力特征值=180；
④ 全风化砂质泥岩：厚2.7m,承载力特征值=240
⑤ 强风化砂质泥岩：厚3.0m,承载力特征值=300
⑥ 中风化砂质泥岩：厚4.0m,承载力特征值=620

3、水文资料为：
地下水对混凝土无侵蚀性。
地下水位深度：位于地表下1.5m。

4、上部结构资料：
上部结构为多层全现浇框架结构，室外地坪标高同自然地面，室内外高差450mm。柱网布置见下图：

上部结构作用在柱底的荷载标准值见表2
：

上部结构作用在柱底的荷载效应基本组合设计值见表3：

5、材料：混凝土等级Ｃ25~C30，钢筋Ⅰ、Ⅱ级。

1.2 设计要求：
每班分为3个组。
第1组共十八人，基础持力层选用③土层，设计 A轴柱下独立基础；
第2组共十八人，基础持力层选用④土层，设计 B轴柱下独立基础；
第3组共十八人，基础持力层选用③土层，设计 C轴柱下独立基础；
每人根据所在组号和题号，完成各自要求的轴线基础设计。对另外两根轴线的基础，只要求根据所给荷载确定基础底面尺寸。

1.3 设计内容
１、设计柱下独立基础
包括确定基础埋深、基础底面尺寸，对基础进行结构的内力分析、强度计算，确定基础高度、进行配筋计算，并满足构造设计要求，编写设计计算书。
２、绘制基础施工图
包括基础平面布置图、基础大样图，并提出必要的技术说明。

1.4 地基基础设计成果
1 地基基础设计计算书
（1）设计计算书封面
封面上应写明设计题目、学生姓名、专业、年级、指导教师姓名、完成日期
（2）目录及正文格式
（格式另见附属文件）。
2 设计图纸
设计要求：绘制比例为1：100或1：200 A3图纸打印稿
《土力学与地基基础》课程设计指导书
地基基础设计是土木工程结构设计的重要组成部分，必须根据上部结构条件（建筑物的用途和安全等级、建筑布置、上部结构类型等）和工程地质条件（建筑场地、地基岩土和气候条件等），结合考虑其它方面的要求（工期、施工条件、造价和节约资源等），合理选择地基基础方案，因地制宜，精心设计，以确保建筑物和构筑物的安全和正常使用。基础设计可按下列步骤进行：
( 1 ) 选择基础的材料、类型，进行基础平面布置；。
( 2 ) 选择地基持力层；
( 3 ) 地基承载力验算，确定基础底面尺寸；
( 4 ) 地基变形验算；
( 5 ) 基础结构设计；
( 6 ) 基础施工图绘制，并提出必要的技术说明。

1.1 柱下独立基础设计

1、地基承载力特征值的确定：
确定地基承载力特征值的方法有以下儿种：
（1）按载荷试验确定
（2）按野外鉴别结果确定
（3）按物理力学指标确定。
（4）按原位测试结果确定
（5）根据地基土的抗剪强度指标，按理论公式确定
（6）应用地区建筑经验，采取工程地质类比法确定

2、地基承载力特征值的修正
当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其它原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式修正：

式中：——修正后的地基承载力特征值KPa；
——地基承载力特征值KPa； 
、——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查教材表4
——基底以下土的重度，地下水位以下取浮重度（）；
——基底以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度（）；
b——基础底面宽度(m)；当宽度小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；
d ——基础埋置深度(m)；当埋深小于0.5m时按0.5m取值，一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时．应从室内地面标高算起。

承载力修正系数 表4
土的类别

淤泥和淤泥质土
0
1.0
人工填土
或大于等于0.85的粘性土
0
1.0

红粘土
含水比
含水比
0
0.15
1.2
1.4

大面积压实填土
压实系数大于0.95、粘粒含量的粉土
最大干密度大于2.1t/m³的级配砂石
0
0
1.5
2.0

粉土
粘粒含量的粉土
粘粒含量的粉土
0.3

0.5
1.5

2.0
或均小于0.85的粘性土
粉砂、细砂（不包括很湿与饱和时的稍密状态）
中砂、粗砂、砾砂和碎石土
0.3
2.0
3.0
1.6
3.0
4.4
注：①强风化和全风化的岩石，可参照所风化成的相应土类取值，其它状态下的岩石不修正；
②地基承载力特征值按建筑地基规范附录深层平板载荷试验确定时取0。

1、 基础底面尺寸的确定：
确定基础底面尺寸时，首先应满足地基承载力要求，包括持力层土的承载力计算和弱弱下卧层的验算；其次，对部分建（构）筑物，仍需考虑地基变形的影响，验算建（构）筑物的变形特征值，并对基础底面尺寸作必要的调整。
《建筑地基基础设计规范》根据“所有建筑物的地基计算均应满足承载力”的基本原则，按持力层的承载力特征值计算所需的基础底面尺寸。要求符合下式要求：

式中：——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；
——相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值；
——修正后的地基承载力特征值。

（1）轴心荷载作用下的基础：
由：
得：
式中：——相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面处的竖向力值；
——基础及回填土的平均重度，一般取20,地下水位以下取10；
d —— 基础平均埋深（m）；
A ——基底面积（m²）；

按上式计算出A后，先选定或，再计算另一边长，使，一般取。
必须指出，在按上式计算A时，需要先确定修正后的地基承载力特征值，但值
又与基础底面尺寸A有关，也即上式中的A与都是未知数，因此，可能要经过重复试算确定。计算时，可先对地基承载力只进行深度修正，计算值；然后按计算所得的,考虑是否需要进行宽度修正，使得A、间相互协调一致。

（2）偏心荷载作用下的基础：
偏心荷载作用下的基底压力计算公式：

当偏心矩时，基础边缘的最大压力按下式计算：

式中 ——相应于荷载效应标准组合时，上部结构传至基础顶面处的力矩值（KN）；
——基础底面的抵抗矩（m³）；
——偏心矩，（m）；
——力矩作用方向的矩形基础底面边长(m)；
b——垂直于力矩作用方向的矩形基础底面边长(m)；
——偏心荷载作用点至最大压力作用边缘的距离(m)，。
偏心荷载作用下，按下列步骤确定基础底面尺寸：
① 先不考虑偏心，按轴心荷载条件初步估算所需的基础底面积；
② 根据偏心距的大小，将基础底面积增大（10～30）%，并以适当比例选定基础长度和宽度，即取基础宽度b为：

式中：为基础的长宽比，，对矩形截面，一般取；
③ 由调整后的基础底面尺寸计算基底最大压力和最小压力，并使其满足和的要求。 如不满足要求，或压力过小，地基承载力未能充分发挥，应调整基础尺寸，直至最后确定合适的基础底面尺寸。
一般，基底的最小压力不宜出现负值，即要求偏心距，但对于低压缩性土及短暂作用的荷载，可适当放宽至。

4、软弱下卧层的验算：
当地基压缩层范围内存在有软弱下卧层时，应按下式验算软弱下卧层承载力：

式中：——软弱下卧层顶面处的附加压力设计值；
——软弱下卧层顶面处土的自重压力标准值；
——软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力设计值。
当上层土与下卧土层的压缩模量比值大于或等于3时，对条形基础和矩形基础，上式中的值可按式简化计算：

式中： b——矩形基础和条形基础底边的宽度(m)；
—— 矩形基础底边的长度(m)；
——基埋深范围内土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度（）；
z ——基础底面至软弱下卧层顶面的距离(m)；
——为地基压力扩散角，可按表5采用；
地基压力扩散角 表5

0.25
0.50
3
5
10
6°
10°
20°
23°
25°
30°
注：①为上层土压缩模量，为下层土压缩模量；
②时取，必要时，宜由试验确定；时值不变。

选择基础底面尺寸后，必要时还要对地基的变形或稳定性进行验算。

5、 地基变形验算：
《建筑地基基础设计规范》按不同建筑物的地基变形特征，要求：建筑物的地基变形计算值，不应大于地基变形允许值，即：

式中：——地基变形计算值，为地基广义变形值，可分为沉降量、沉降差、倾斜和局部倾斜等；
——地基变形允许值，它是根据建筑物的结构特点，使用条件和地基土的类别而确定的,其值请参见《建筑地基基础设计规范》（GB50007— ）中的表5.3.4。
对于因建筑地基不均匀、荷载差异大及体形复杂等因素引起的地基变形，在砌体承重结构中应由局部倾斜控制；在框架结构和单层排架结构中应由相邻柱基的沉降差控制；在多层、高层建筑和高耸结构中应由倾斜值控制。
一般建筑物在施工期间完成的沉降量，对于砂土可认为其最终沉降量已基本完成，对于低压缩性粘性土可认为已完成最终沉陷量的50％一80 % ，对于中压缩粘性土可认为已完成20％一50 % ，对于高压缩粘性土可认为已完成5％一20％。根据预估的沉降量，可预留建筑物有关部分之间的净空，考虑连接方法和施工顺序等。

6、 基础高度的确定：
基础高度由柱边抗冲切破坏的要求确定，设计时先假设一个基础高度 h ，然后再验算抗冲切能力。
中心荷载作用下：

式中 ——受冲切承载力截面高度影响系数，当时，取1.0；当时，取0.9；其间按线性内插法取用；
——混凝土轴心抗拉强度设计值；
——基础冲切破坏锥体的有效高度；
——冲切破坏锥体最不利一侧计算长度；
——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；
——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（图2-2b ） ，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，取上阶宽加两倍该处的基础有效高度。当冲切破坏锥体的底面在方向落在基础底面以外，即时（图2-2c ) , ；
——扣除基础自重及其上土重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力；
—— 冲切验算时取用的部分基底面积（图 2—2 b、c 中的阴影面积）；
——相应于荷载效应基本组合时作用在上的地基土净反力设计值。
偏心荷载作用下：与中心荷载作用下基础底板厚度计算基本相同，只需将公式中的用基础边缘处最大地基土单位面积净反力代替即可；

式中：——静偏心距， 。

7、 基础底板配筋：
由于单独基础底板在地基净反力作用下，在两个方向均发生弯曲，因此两个方向都要
配受力钢筋。钢筋面积按两个方向的最大弯矩分别计算。

(1) 中心荷载作用下:
图2-3 中各种情况的最大弯矩计算公式：
（a） 柱边（I-I截面）：
（b） 柱边（Ⅱ-Ⅱ截面）：
（c） 阶梯高度变化处（Ⅲ—Ⅲ截面）：
（d） 阶梯高度变化处（IV-IV截面）：
根据以上所算截面弯矩及对应的基础有效高度，按《混凝土结构设计规范》（GB50010— ）正截面受弯构件承载力计算公式，能够求出每边所需钢筋面积，或按下式简化计算：

(2) 偏心荷载作用下：

偏心受压基础底板配筋计算时，只需将中心受压计算公式中的换成偏心受压时柱边（或变阶面处）基底设计反力（或）与的平均值（或）即可（图2-4、5）。

1.2 现浇柱下独立基础构造要求：

1、基础边缘高度： 锥形基础边缘高度一般不小于200mm，阶梯形基础每个台阶高度一般为300～500 mm。
2、基底垫层：垫层厚度不宜小于70mm，垫层混凝土强度等级应为C10；常做100mm厚C10素混凝土垫层，每边各伸出基础100mm。
3、钢筋：底板受力钢筋直径不小于10mm，间距不大于200mm，也不宜小于100mm；当基础的边长大于或等于2.5m时，底板受力钢筋长度可减短10%，并宜均匀交错布置。
4、底板钢筋的保护层：当有垫层时不小于40mm，无垫层时不小于70mm。
5、混凝土：混凝土强度等级不应低于C20。

锥形基础和阶梯形基础在满足上述构造要求时，可按图2-7要求。

6、基础插筋：现浇柱基础中应留出插筋，插筋在柱内的纵向钢筋连接以优先采用焊接或机械连接的接头，插筋在基础内应符合下列要求：
（1）插筋的数量、直径、以及钢筋种类应与柱内的纵向受力钢筋相同。
（2）插筋锚入基础的长度等应满足有关规范要求。
（3）基础中插筋至少需分别在基础顶面下100mm和插筋下端设置箍筋，且间距不大于800mm，基础中箍筋直径与柱中同。

1.2. 设计参考资料
（1）《土力学与地基基础》教材
（2）建筑地基基础设计规范（GB50007- ）