基础工程课程设计概述.docx

课程名称：《基础工程》

设计题目：柱下钢筋混凝土独立基础
院 系： 土木工程系
专 业：
年 级：
学 号：
姓 名：
指导教师：

西南交通大学峨眉校区

2017 年 4月 20 日
目 录

第一部分 课程设计任务书 2
（一）设计题目： 2
（二）设计资料： 2
（三）设计要求： 5
（四）设计内容 5
第二部分 设计步骤 6
1、扩展基础可按下列步骤进行设计： 6
2、无筋扩展基础可按下列步骤进行设计： 6
第三部分 设计说明书 7
3.1 设计参数拟定 7
3.1.1选择柱子，确定荷载 7
3.1.2 基础材料及立面形式的选择 7
3.1.3持力层的选择 8
3.1.4基础埋置深度d的确定： 8
3.2 具体设计计算： 9
3.2.1 已知常用数据 9
3.2.2 地基承载力特征值的确定 9
3.2.3 计算作用在基础底面的荷载 13
3.3基础底面尺寸的拟定 14
3.3.1 基本要求 14
3.1.2 基础底面的压力的确定公式 15
3.1.3 轴心荷载下基础底面积尺寸的拟定 16
3.1.4 偏心荷载作用下的基础底面尺寸A的拟定 18
4 持力层承载力的验算实例 21

第一部分 课程设计任务书
（一）设计题目：
柱下钢筋混凝土独立基础
（二）设计资料：
1、 地形：拟建建筑场地平整；
2、 工程地质资料详见表2.1。
地基岩土物理力学参数表 表2.1

地
层
代
号

土
名
天然地基土
厚度
重度（γ）
孔隙比
（e）
凝聚力
（c）
内摩
擦角
（Φ）
压缩
系数
(a1-2)
压缩
模量
（Es）
抗压
强度
（frk）
承载力特征值
（fak）
m
KN/m³

度

①
杂填土
0.5
18

②
粉质粘土
1.2
20
0.65
34
13
0.20
10.0

130
②
粘土
1.5
19.4
0.58
25
23
0.22
8.2

180
④
全风化砂质泥岩
2.7
21

22
30

0.8
240
⑤
强风化砂质泥岩
3.0
22

20
25

3.0
300
⑥
中风化砂质泥岩
4.0
24

15
40

4.0
620

3、水文资料为：
地下水对混凝土无侵蚀性。后面实例的水位深度为1.5m
个人的地下水位深度在下表中选择其一。具体可由学习委员安排。
水位深度/m
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8

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,图中仅画出了1-6列柱子，其余7-10列柱子和3-1列柱子对称。

图2-1 柱网平面图
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：
柱底荷载标准值 表2
柱号
Fk (KN)
Mk (KN•m)
Vk (KN)
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
1
975
1548
1187
140
100
198
46
48
44
2
1032
1615
1252
164
125
221
55
60
52
3
1090
1730
1312
190
150
242
62
66
57
4
1150
1815
1370
210
175
271
71
73
67
5
1218
1873
1433
235
193
297
80
83
74
6
1282
1883
1496
257
218
325
86
90
83
7
1339
1970
1560
284
242
355
96
95
89
8
1402
2057
1618
231
266
377
102
104
98
9
1534
2140
1677
335
288
402
109
113
106
10
1598
2205
1727
365
309
428
120
117
114

柱底荷载效应基本组合设计值 表3
柱号
F (KN)
M (KN•m)
V (KN)
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
A轴
B轴
C轴
1
1268
2012
1544
183
130
258
60
62
58
2
1342
2100
1627
214
163
288
72
78
67
3
1418
2250
1706
248
195
315
81
86
74
4
1496
2360
1782
274
228
353
93
95
88
5
1584
2435
1863
306
251
386
104
108
96
6
1667
2448
1945
334
284
423
112
117
108
7
1741
2562
2028
369
315
462
125
124
116
8
1823
2674
2104
391
346
491
133
136
128
9
1995
2783
2181
425
375
523
142
147
138
10
2078
2866
2245
455
402
557
156
153
149

5、材料：混凝土等级Ｃ25～C30，钢筋Ⅰ、Ⅱ级。
6、根据以上所给资料及学生人数，可划分为若干个组。
如：第1组共十人，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组共十人，基础持力层选用③土层，设计 C轴柱下独立基础；
（三）设计要求：
　　上述设计资料表2.1 中的土层厚度和水位深度是后面实例的原始地层厚度，大家的地层厚度和实际水位深度根据学习委员的安排，在该表的基础上先进行改变地层厚度，所以每个人的地层参数都有差别。
大家根据任务书的详细要求和后面的指导，完成各自的轴线基础设计。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。如②-B轴柱下独立基础设计
（四）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。

第二部分 设计步骤

1、扩展基础可按下列步骤进行设计：
1）选择基础的材料并初步拟定立面的形式和高度；
2）选择地基持力层并决定基础的埋置深度；
3）计算基础底面积并决定其尺寸（循环试算）；
4）必要时计算地基基础的稳定性和沉降；
5）检算基础的抗冲切、抗剪和抗弯曲承载力并配置钢筋；
6）决定基础的细部尺寸并绘制结构图。
2、无筋扩展基础可按下列步骤进行设计：
1）选择基础的材料和立面形式；
2）选择地基持力层并决定基础的埋置深度；
3）计算基础底面积并决定其尺寸（循环试算）；
4）必要时计算地基基础的稳定性和沉降；
5）检算基础的刚性角或台阶的宽高比；
6）决定基础的细部尺寸并绘制结构图。
第三部分 设计说明书

鉴于本设计任务书为钢筋混凝土基础的设计，所以以下主要介绍扩展基础的设计过程。
3.1 设计参数拟定
3.1.1选择柱子，确定荷载
1、选择柱子（？—？）
按照班级的分配，你做的是？—？柱子，例如“①—A”柱子。
2、柱底荷载
即柱下独立基础顶面所受的荷载。例如下表中所示，具体的数据从表2和表3中选择。例如选择①—A号柱子，从表2中找到标准值，从表3中找到设计值，然后将其分别填入表4中。
表4 柱定所受荷载
项目
（）
（· m）

标准值
975
140
46
设计值
1268
183
60
3.1.2 基础材料及立面形式的选择
因为本设计任务书已经要求设计为钢筋混凝土基础，所以本部分只需要拟定的是以下3项。
1、混凝土的标号为C？，则ft= ? N/mm2。
如“C25”混凝土，则
2、钢筋的类型为？级钢筋，例如拟选用I级钢筋
用C25混凝土，则。
3、立面形式初步定为 ？ （请选择是锥形或者阶梯形）。
3.1.3持力层的选择
1、本设计中地基持力层拟选用 ？ 土层。
其承载力特征值为：= ；空隙比= （并判断大于或者小于0.85；）
可塑吗？如是，则液性指数范围为什么范围？
例如：选择“③”土层（粘土）。承载力特征值为：=180 ；空隙比=0.58<0.85；
可塑:液性指数范围为
3.1.4基础埋置深度d的确定：
1、首先应有,同时考虑基础通常做在地下水位以上，以便于施工，而此处以 ？ 例如③土层（粘土））层作为地基持力层，故基础底面位于地表以下 ？处（例如1.7m）。因此将基础埋深确定为 ？ （例如1.7m）。
2、判断是否在地下水位以下。如果你的基础底面在水位以上，则不考虑施工排水方法，否则同上描述，要求说明基础施工排水。
例如上述选择。1.7m时，因其低于地下水位0.2m，故考虑在施工时进行基槽排水。
，
3）由于未告知基础顶面的埋深，暂时设为在天然地表下0.5m处。

3.2 具体设计计算：
3.2.1 已知常用数据
项目
（）
（）
数值
20
10
其中，为基础以及台阶上填土的平均容重，为地下水的容重。
3.2.2 地基承载力特征值的确定
1、按照建筑地基基础设计规范（GB50007——2002）规定，地基承载力特征值可由载荷试验或其它原位测试公式计算并结合工程实践经验等方法综合确定。
2、地基承载力特征值的修正方法有2种。
1）第一种
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；
——地基承载力特征值； 
——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()；
——基础底面宽度(m)；当宽度小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；
——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。
、——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，查规范如表5。
承载力修正系数 表5
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，其他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。
2）第二种修正方法
当偏心距e小于或等于0.033倍基础底面宽度b时，根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算并应满足变形要求

——修正后的地基承载力特征值KPa；
，，——承载力系数，按照规范取值，如表6所示；
——基础底面宽度大于6m时按6m取值，对于砂土小于3m时按3m取值；
——基底下一倍短边宽深度内土的粘聚力标准值
表6 承载力系数
土的内摩擦角标准值Φk（。）
Mb
Md
Mc
0
0
1.00
3.14
2
0.03
1.12
3.32
4
0.06
1.25
3.51
6
0.10
1.39
3.71
8
0.14
1.55
3.93
10
0.18
1.73
4.17
12
0.23
1.94
4.42
14
0.29
2.17
4.69
16
0.36
2.43
5.00
18
0.43
2.72
5.31
20
0.51
3.06
5.66
22
0.61
3.44
6.04
24
0.80
3.87
6.45
26
1.10
4.37
6.90
28
1.40
4.93
7.40
30
1.90
5.59
4.95
32
2.60
6.35
8.55
34
3.40
7.21
9.22
36
4.20
8.25
9.97
38
5.00
9.44
10.80
40
5.80
10.84
11.73
3、软弱下卧层地基承载力特征值的修正方法
软弱下卧层地基承载力特征值的修正，类似于一般持力层的地基承载力，不同之处在于，软弱下卧层地基承载力特征值的修正仅在软弱下卧层顶面处经深度修正，修正后的软弱下卧层地基承载力设计值用表示。具体计算方法如下：

——修正后的软弱下卧层地基承载力特征值；
——地基承载力特征值；
——软弱下卧层顶面以上土的加权平均重度，即高度范围内的土层的加权平均重度，地下水位以下取浮重度（）；
——软弱下卧层顶面埋置深度(m) ，； （——基础埋置深度，m ）
——软弱下卧层地基承载力修正系数，按软弱下卧层土的类别查表5。

3.2.3 计算作用在基础底面的荷载
1、竖向力=？
本设计任务书中已知的荷载为柱子底面，即基础顶面的荷载，计算该步，需要将其化简到基础底面，所以要在的数值上增加。
地下水位在基础底面以下时，

地下水位在基础底面以上时，

2、弯矩
本设计任务书中已知的荷载为柱子底面，即上部结构传至基础顶面的弯矩，如果在地面或者基础顶面以下还存在水平力时，则计算该步，要在的数值上增加由于水平力对基底产生的弯矩，二者之和即为基底的弯矩。
另外，如果已知资料所给的弯矩，已经明确是作用在基底，则说明已经考虑了上述水平力的作用，或者没有水平力，就不再考虑水平力对基底的产生的弯矩了。
对于桥梁桥墩下方的独立基础，由于风荷载，地震力，水流的冲刷等都会对基底产生水平力和因此形成的弯矩作用，所以应该注意仔细计算，不要落掉任何一个荷载。否则后面的所有计算就会功亏一篑。
3.3基础底面尺寸的拟定
3.3.1 基本要求
《建筑地基基础设计规范》（GB50007——2002）规定：首先，基础底面面积应满足地基承载力要求，包括持力层土的承载力计算和软弱下卧层的验算；
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。
根据“所有甲级、乙级、丙级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。
3.1.2 基础底面的压力的确定公式
1)当轴心荷载作用时，如图所示。

——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；
——基础自重和基础上的土重；如图，当室内外地坪高程不一致时，计算的深度取其二者的平均高度。
——基础底面面积。
2)当偏心荷载作用时

——相应于荷载效应标准组合时作用于基础底面的力矩值；
——基础底面的抵抗矩；
——相应于荷载效应标准组合时基础底面边缘的最小压力值；
3.1.3 轴心荷载下基础底面积尺寸的拟定
1．确定基础底面积的一般步骤
轴心荷载作用下基础底面积的一般步骤如下：
(1)以代替（或仅作深度修正），计算基础的底面积并决定基础的平面尺寸；
(2)计算；
(3)重新计算基底压力；
(4)如满足相关要求且富余不多，则A可用；否则调整尺寸后返回步骤 (2)重新计算直至满足要求。
2、计算基础底面积
已知地基承载力计算公式及上述的验算条件

可以得：

所以轴心荷载作用下基础底面积的计算，当然要求满足公式，将上述已知的，经过修正的地基持力土层的承载力特征值（或者暂以代替）和初步拟定的基础埋深带入公式中。
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，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，如需要，则再将宽度修正后的带入上式，重新计算一个A，使得A、间相互协调一致。
同时注意，当基础埋深范围内，有地下水时，水上=20，水下。所以上述公式中的计算分水上和水下，水上取，水下取。具体用下面的例子加以说明。
例如，
上述确定A是否就满足要求呢？需要判断验算条件是否成立，否则，需要重新调整A的尺寸。

3、拟定
在的基础上，就可以分配给长宽两个方向的尺寸，。如，上述，这样就可以拟定，当然工程实际中也可以是别的一系列的数据，（如有的资料介绍的一般取），但是通常考虑宽度方向为，这样在的修正公式中，就不需要再对宽度进行了修正了，省去了该部的重复计算。
注意，分配具体数据后的的乘积一定要满足，且富于不多，这样是为考虑工程的经济性。
例如，当，则为
。
3.1.4 偏心荷载作用下的基础底面尺寸A的拟定
1、计算轴心荷载作用下的
如图所示基础承受偏心荷载作用，此时基础底面的拟定，首先忽略弯矩，首先计算轴心荷载作用下的基础底面积。暂不确定长度和宽度尺寸。
2、偏心荷载的作用下的A
根据偏心距的大小，将基础底面积增大（10～40）%，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；
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。
通常，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()；
—— 矩形基础底边的长度()；
——基埋深范围内土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，（）；
——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7采用；
地基压力扩散角 表7

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。

4 持力层承载力的验算实例
1、偏心距的计算
偏心距等于作用在基础底面总弯矩和总竖向力的比值，即

2、基底压力的计算
1）当偏心距，为小偏心，持力层承载力的验算条件为

所以基底压力的计算采用公式为
时，
已经假设基础底面宽度，而基础埋深d=1.7m，
基底下土为粘土：，查《土力学地基基础》P300表7.10知其承载力修正系数=0.3 ，=1.6，

2）、基础底面尺寸（前面已初步假设基础顶面位于地表以下0.5m）：
基础顶面（柱底）受力： =975，=140， =46
① 先按中心荷载进行初算（=20）
中心荷载作用下基础底面积：

，取为
② 考虑偏心荷载作用的不利影响
a:加大基础底面面积10%
取
b:基础及台阶上土自重：（地下水位以下用浮容重）

c:计算基底抵抗矩：

d:计算基础边缘最大最小应力：
e:验算基础底面应力：
,安全，
，
不安全，需要调整。
③调整如下：
a:加大基础底面面积15%

取为
b:基础及台阶上土自重：（地下水位以下用浮容重）

C:计算基底抵抗矩：

d:计算基础边缘最大最小应力：
e:验算基础底面应力：
，安全，

安全，因此截面尺寸选用

3）、基础高度的确定：
由于初步设定基础顶面埋深为0.5m,即初定h=1200mm,考虑基础下设垫层。
柱底（基顶）荷载效应基本组合设计值：
=1268 ，=183， =60
①①基础底面最大的地基土单位面积净反力：

② 系数C：
选用C25混凝土，则，对于矩形基础有：

③ 基础有效高度
由相关公式可知基础有效高度

④ 基础底板厚度：h’
由于基础底面下考虑设置垫层，故

⑤ 设计时采用基础底板厚度h
取2级台阶，各级台阶厚度取为300mm，则
,可以
实际基础采用有效高度：
4）基础底板弯矩计算：（）
因，基础下设有垫层，厚度取为100mm>70mm可以。
基底净反力：

(a):柱边（Ⅰ-Ⅰ截面）

其中，
由几何关系容易得到，

而

(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）

故由以上计算可知：
基础底面宽度b方向上的控制弯矩（亦即最大弯矩）：
基础底面长度方向上的控制弯矩（亦即最大弯矩）：
5）基础底板的配筋
根据以上所算得的截面弯矩及对应的基础有效高度（=560mm）,按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）正截面受弯构件的承载力计算公式，可以求出每边所需钢筋面积。
基础底板受力钢筋面积（选用一级钢筋HPB235）：
宽度b方向：
基础底板每1m配筋面积：
采用，实际每1m配筋：，可以，
长度方向：
每1m配筋面积：
由于构造要求底板受力钢筋直径不小于10mm，间距不大于200mm，而所求得的
故按构造要求配，实际每1m配筋，取为：
6）、绘制基础底板配筋施工图如下：

1、 相邻轴线（即B、C轴）柱底截面尺寸的确定
B轴：
① 地基承载力特征值计算同A-A轴
②荷载标准值：
③按中心荷载初算
中心荷载作用下基础底面积：

，取
④考虑偏心荷载的不利影响
a:加大基础底面面积10%
取为
b:基础及台阶上土自重（在地下水位以下用浮容重）：

C:计算基底抵抗矩：

d:计算基础边缘最大最小应力：
e:验算基础底面应力：
，安全

安全，
所以基底截面尺寸选为：
，可以。
C轴：
① 地基承载力特征值计算同A-A轴；
② 荷载标准值：
③ 按中心荷载初算：
中心荷载作用下基础底面积：

，取
④ 考虑偏心荷载的不利影响：
a:加大基础底面面积10%
，取为
b:基础及台阶上土自重：（地下水位以下用浮容重）

C:计算基底抵抗矩：

d:计算基础边缘最大最小应力：
e:验算基础底面应力：
，安全

安全，所以基底截面尺寸选为：
，可以