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第三讲 独立基础(浅基础)
第三讲 独立基础（浅基础）
天然地基上结构较简单的浅基础，最为经济，如能满足要求，宜优先选用。天然地基、人工地基上浅基础设计的原则和方法基本相同，只是采用人工地基上的浅基础方案时，尚需对选择的地基处理方法进行设计，并处理好人工地基与浅基础的相互影响。
独立基础：当建筑物上部结构采用框架结构或单层排架结构承重时，基础常采用方行、圆柱形和多边形等形式的独立式基础，这类基础称为独立式基础，也称单独基础，是整个或局部结构物下的无筋或配筋基础。一般是指结构柱基，高烟囱，水塔基础等的形式（大块实体基础、单柱基础、墙下条形基础）。
独立基础类型：阶形基础、坡形基础、杯形基础。
3.1 基础设计所需资料、设计内容和步骤
3.1.1 独立基础设计所需资料
（1）建筑场地的地地形图
（2）岩土工程勘察成果报告
（3）建筑物平面图、立面图，荷载，特殊结构物布置与标高
（4）建筑物场地环境，临近建筑物基础类型与埋深，地下管线分布
（5）工程总投资与当地建筑材料供应情况
（6）施工队伍技术力量与工期要求
3.1.2 基础设计内容、步骤
（1）初步拟定基础的结构型式、材料和平面布置；
（2）确定基础的埋置深度；
（3）计算作用在基础顶面的荷载
（4）确定地基承载力；
（地基承载力：是指地基土单位面积上承受荷载的能力，以kN／m2或kPa计。

地基承载力特征值：在保证地基稳定的前提下，使建筑物的沉降不超过容许值的地基承载力）
（5）根据作用在基础顶面的荷载与地基承载力，计算基础的底面积，并以此确定基础的长、宽；
（6）设计基础高度与剖面形状
（7）若地基持力层存在软弱下卧层时需验算下卧层的承载力
（8）进行地基变形与稳定性验算；
（9）进行基础细部结构设计；
（10）绘制基础施工图，提出施工说明。
注：（1）~（8）中有不满足要求的情况时，可对基础设计进行调整，如采取改变基础埋置深度火加大基础宽度、长度等措施，但应注意富余不应过大，应满足经济要求。
3.2 基础埋置深度
基础埋置深度确定原则（考虑因素）：
1）基础埋深不应小于按各种破坏因素而定的最小埋深（保证持力层不受外界破坏因素影响）；
（2）以满足各种力学验算为前提，应在最小埋深以下选择地基承载力较高的土层作为持力层。
即：在大于最小埋深的条件下选择最浅的高承载力地层作为持力层。
3.2.1桥涵明挖基础最小埋深和基础埋置深度
（1）为了保证持力层稳定的最小埋深
Ø 不埋置在不稳定的地表层（旱地、无水流冲刷处或设有铺砌防护层时，应在地面以下2m以下，困难情况时不得小于1m）
（2）有水流冲刷时基础埋深应考虑水流的冲刷作用
一般冲刷深度：河床面在水流冲刷后下降的深度
局部冲刷深度：在一般冲刷的同时由于墩台的阻水作用在墩台周围形成的附加冲刷深度
冲刷总深度：一般冲刷深度+局部冲刷深度
安全值的考虑（见教材表3-1）
（3）寒冷地区土的冻胀融陷与基础埋深关系
土的标准冻结深度：地表无积雪和草皮覆盖时，多年实测最大冻深的平局值
Ø 为保证建筑物不受冻胀，基底应埋置在冻结线以下一定深度
Ø 冻胀与强冻胀土，应在冻胀线以下不少于0.25m，弱冻胀土不小于冻结深度的80%
Ø 涵洞基础出入口与两端洞口向内各2m范围内基底应埋置于冻结线以下0.25m
概念：土的标准冻结深度→多年实测最大冻深的平均值。
满足以上3条规定的基础埋深为最小埋深，它是保证基础安全的先决条件和最低要求。合适的持力层要在最小埋深以下的各土层中寻找。
综合考虑各种因素，得出可以比较的具体数值之后，再作出判断。
3.2.2 建筑基础埋置深度的选择
受下列因素影响：
（1）建筑物的类型和用途
Ø 有地下室、地下管沟和设备基础时，基础埋深要局部或整个加深（注意刚性基础刚性角的控制要求）
Ø 对沉降敏感的建筑物应将基础埋置在较坚实的土层上
Ø 基础需要不同埋深时，应采用台阶形基础，由浅入深
Ø 地下管线通过基础时，基础应保留足够的空隙
Ø 相邻建筑基础存在高差时，应保持基础之间的净距（相邻基础底面高差的1~2倍），否则应采取相应的支护措施
（2）作用在基础上的荷载大小和性质
Ø 承受较大竖向荷载的基础应选择好的持力层
Ø 承受水平荷载的基础应考虑埋深抗滑
Ø 承受拉拔荷载的基础应考虑埋深抗拔
Ø 地震区避免液化土作持力层
（3）工程地质条件和水文地质条件
应选择具有足够强度、稳定可靠的地层作为持力层
Ø 地基土在深度方向上均匀
Ø 地基由两层土组成，上层土性差，下层土性好
Ø 地基由两层土组成，上层土性好，下层土性差
Ø 应尽可能讲基础置于地下水位以上，注意排水与围护
Ø 注意持力层下的承压水，避免破坏隔水层
（4）地基土的冻胀和融陷的影响
3.3 基础上的荷载
基础上的荷载：作用于基础上的各种荷载所组成的合力
计算荷载：基础上实际可能同时出现的荷载组合
荷载取值方法：
（1）容许应力设计法（工作应力设计法）（铁路公路）
（2）极限状态设计法（可靠度设计法）（房建）
计算荷载=主要荷载+附加荷载+特殊荷载
3.3.1 主要荷载
3.3.1.1恒载（始终作用在结构上，且任何时候都要考虑的一类荷载）
（1）结构自重
（2）浮力（注意在验算稳定性时和验算基底应力、偏心时的区别）
（3）土压力
（4）预应力（提高材料强度和刚度，防止裂缝出现）
（5）混凝土收缩和徐变
3.3.1.2活载
（1）铁路列车重量
（2）公路活载
（3）离心力
（4）冲击力
（5）列车活载所产生的土压力
（6）人行道荷载
3.3.2附加荷载
（1）制动力或牵引力
（2）风力
（3）列车横向摇摆力
（4）流水压力
（5）冰压力
（6）温度变化的影响
（7）冻胀力
3.3.3特殊荷载
（1）船只或排筏撞击力
（2）地震作用
（3）施工荷载
3.3.4荷载组合原则
各种荷载，其特性和出现几率不同，不会全部同时作用在结构上，或者不是同时出现最大值，它们对结构的强度、刚度和稳定性三方面的影响也不一致。因此，在桥梁设计中，对某种要求应选取导致结构物出现最不利情况的各种荷载进行检算，即最不利荷载组合。
教材P69

3.4 基础的设计计算
3.4.1基础尺寸的初步拟定
桥梁墩台的刚性扩大基础
依据参数：①地基基本允许承载力〔s〕
②上部结构荷载（如桥跨的计算跨度L，桥墩的高度H）
拟定原则：①形状与墩、台形状相符
②分层扩大：每层≥1m，常用1m
层数一般不超过3层，如继续扩大，基底应力不一定会降下来。
③满足刚性角的要求
④襟边尺寸≥0.2m
为便于施工立模、放线误差的调整
房建中的基础
中心受压（轴心荷载作用下）
因为 基础底面处的平均压力为：

f为修正后的地基承载力特征值（基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时由地基承载力特征值修正而来）
所以 基底面积为
为基础与上覆土的平均重度，按经验通常可取
（1）若为柱下矩形基础，则：取基础底面长边l与宽度b的比例为l/b=n（一般取n≤2）。有
（2）若为柱下矩形基础，则：开方上式即得基础宽度。
（3）若为墙下条形基础，则：
偏心受压（偏心荷载作用下）
可以通过上述方法求得基底面积A之后，再考虑偏心影响×（1.1~1.2），再进行检算。
几个基本概念：
（1）地基承载力：地基所能承受荷载的能力。
（2）地基容许承载力：保证满足地基稳定性的要求与地基变形不超过允许值，地基单位面积上所能承受的荷载。
（3）地基承载力基本值：按标准方法试验，未经数理统计处理的数据。可由土的物理性质指标查规范得出的承载力。
（4）地基承载力标准值：在正常情况下，可能出现承载力最小值，系按标准方法试验，并经数理统计处理得出的数据。可由野外鉴别结果和动力触探试验的锤击数直接查规范承载力表确定，也可根据承载力基本值乘以回归修正系数即得。
（5）地基承载力的特征值：正常使用极限状态计算时的地基承载力。即在发挥正常使用功能时地基所允许采用抗力的设计值。它是以概率理论为基础，也是在保证地基稳定的条件下，使建筑物基础沉降计算值不超过允许值的地基承载力。（一般为承载力设计值）
在设计结构物基础时，各行业使用《规范》不同，地基容许承载力、地基承载力设计值与特征值在概念上有所不同，但在使用含义上相当。
3.4.2地基强度验算
持力层强度检算
目 的 控制基底：最大压应力≤地基的容许承载力
检算内容 所有外力向基底形心处简化

式中A为基底面积，m2；W为基底的截面模量，m3
注：地基容许承载力与地基基本承载力之间的关系。
注：若持力层为岩层，当出现拉应力时，即为负值时，应考虑应力重分布现象。（注意应力重分布和内力重分布的概念：内力重分布相对于构件或结构而言；应力重分布相对于截面而言，随着荷载的增大或减小，应力分布形式随之发生变化，如荷载增大时从三角形发展到矩形）
判 式 或
软弱下卧层强度检算
目 的 控制软弱下卧层顶面处：总应力≤地基的容许承载力
检算内容 求下卧层顶面处总的应力
《桥规》公式法

为基底压应力，（线性分布）其取值与z值相关，公式中各个符号的含义见《桥规》与教材。
由圣维南原理可知：z/b＞1时，的取值与基底荷载分布形式无关，即采用基底平均压应力。
圣维南原理 如将物体的一部分边界上面力变换为分布不同但静力等效的面力（主矢同，对某点力矩同），则近处应力分布将有显著改变，但远处所受影响可以不计。
引申此处即有：一定深度处，土中应力分布与基底压力分布形式关系不大，只取决于合力大小和作用点位置。
3.4.3基底偏心距的检算
目 的 使地基应力较均匀分布，控制基础两侧产生过大的不均匀沉降，从而限制墩身倾斜所引起的墩顶位移。
检算内容 基底截面所有外力的合力偏心
原则：设计时一般以基底不出现拉应力为原则，只要控制其偏心距，使其不超过某一数值即可。
即偏心距e为：

式中：，—作用于基底重心上的竖向合力力矩和总力矩
判式
—基底截面核心半径。
《桥规》中对c的规定
影响因素：①荷载性质、大小；②地基土的性质
仅受恒载：非岩石地基上，合力作用点应尽量接近于重心。[c]≤1.5主要荷载+附加荷载、主要荷载+地震力在地基土质、基底反力不同时有差异。
3.4.4基础的倾覆和抗滑稳定性检算
基础的倾覆稳定性检算
目 的 保证墩台在最不利荷载作用下，不致绕基底外缘转动而发生倾覆现象。
检算内容 桥墩在外力作用下，在基底处合成为三个力：、、，则倾覆稳定系数为：

判 式 ，施工荷载或地震力时
关于y的一些注意事项
y的概念：在沿截面重心与合力作用点的连线上，自截面重心至检算倾覆轴的距离（m）
凹多边形，倾覆轴应取基底截面的外包线
计算力矩时，应视各力绕基底截面重心的方向区别正负
基础的抗滑稳定性检算
目 的 保证基础的位置稳定性
检算内容 在作用下，基础有沿底面滑走的趋势，阻力为：
故其滑动稳定系数为：
f为基底与持力层土之间的摩擦系数，可采用试验资料或查表取得。
判 式 ，施工荷载：，地震力：
3.4.5 沉降检算
目 的 限制墩台沉降量
非岩石地基上修建了建筑物后，建筑物会发生沉降，桥梁基础同样也会发生沉降，为保证铁路的正常运营，必须限制墩台的沉降量。
《桥规》在确定地基承载力时，已经考虑的地基变形的因素，如：当b>10m时，仍取10m。b越大，应力影响范围越大，引起沉降越大。因此当满足强度要求时，就间接满足了沉降要求。但在特殊情况下，必须进行沉降检算。
特殊情况见《桥规》第12.1.12条
如：相邻墩台基础下地基土有显著的不同或相邻跨度差别悬殊时必须考虑差异沉降时；非岩石地基上的超静定结构基础，如拱桥、连续梁桥等；黄土、软土、冻土等特殊土地基；考虑净高控制的跨线桥等；快速铁路（客专与高铁）。
检算内容
计算总沉降
采用分层总和法计算恒载作用下（按所有荷载一次施加，与施工过程有偏差）的最终沉降量。
因为 活载作用时间段，对沉降影响不大，饱和粘土的固结未完成。
且 修建基础开始，沉降就开始发生，随着施工进行，沉降也不断增加，因此，施工期间已完成总沉降的一部分，而可在浇注顶帽混凝土时进行调整，即将顶帽加高，这样一来，对上部线路与运营产生影响的，只有
故 计算墩台基础的沉降量
判 式 容许沉降
静定结构：L以m代入（L为相邻跨中较短的跨度）
墩台均匀沉降量（mm）
相邻墩台均匀沉降量之差（mm）
①不等跨时取小跨；②<24m，按24m计
超静定结构：根据沉降差所引起的结构次应力来确定
判别式：
3.4.5 地基整体稳定性检算
目 的 确保墩台不致于连同土坡滑动；路基不致于沿滑动弧面滑动
建在斜坡上的基础（尤其是受有水平荷载的），如：墩台位于较陡的土坡上，或桥台建于软土上且台后填土较高时，基础可能会连同地基一起下滑，要防止下滑，就需要加深基础的埋置深度。
检算内容 圆弧条分法分析在整体稳定性
判 式 稳定安全系数
措施 ①位于稳定土坡坡顶，当b<3m时（b为基础边长），基础底面外缘至坡顶的水平距离s不得小于2.5m，且l（基础外缘至坡面的距离）应满足：对于条形基础，不得小于3.5b，对于矩形基础，不得小于2.5b②当边坡坡脚，坡高D>8m，则应检算整体稳定性。
3.5防止和减轻不均匀沉降危害的措施
主要从建筑措施、结构措施、施工措施三个方面来考虑。
3.5.1建筑措施
1. 建筑物体型力求简单：增加整体刚度，减少不均匀沉降
平面：力求简单，避免附件应力重叠
立面：建筑物高低（轻重）相差不大
反之亦然，当高低（荷载）相同，地基承载力不同时，见秦皇岛的老龙头长城。
2. 控制长高比（L/H）与合理布置墙体
合理布置墙体实质上就相当于提高梁截面的W
思考：倒“八”字裂纹是如何产生的？是什么样的沉降趋势造成的？
3. 设置沉降缝 划分多个独立沉降单元（疏导）
① 长高比过大的建筑物的适当部位
② 平面形状复杂的建筑物转折部位
③ 地基土的压缩性有显著变化处
④ 建筑物的高度或荷载有很大差别处
⑤ 建筑物结构（包括基础）类型截然不同处
⑥ 分期建造房屋的交界处
⑦ 拟设置伸缩缝处（沉降缝可兼作伸缩缝）
思考： 沉降缝缝宽为何随建筑物高度不同而变化？怎样变化？
4. 相邻建筑物净间距的考虑
避免引起附加应力，导致互倾开裂
根据地基的压缩性、影响建筑物的荷载大小和面积、被影响建筑物的刚度等因素来确定。
5. 调整某些设计标高
① 根据预估沉降量适当提高室内地坪和地下设施的标高
② 可适当提高沉降较大的结构或设备的标高
③ 在结构物之间，应预留足够的净空
思考：在设计中，荷载大（主楼）的标高与荷载小（裙楼）的标高，哪个应该调整的高些？
3.5.2结构措施
1. 减轻建筑物的自重
① 减轻墙体自重：轻质高强墙体材料如混凝土墙板、空心砌块、多孔砖、其他轻质墙
② 轻型结构
预应力钢筋混凝土结构、轻钢结构、轻型空间结构
③ 减少基础和回填土的重量
采用自重轻，回填土少的基础形式
如：壳体基础、浅埋钢筋混凝土条形基础、架空地下室、半地下室。等
2. 设置圈梁
对象：砖混结构中与构造柱连为一体，提高整体性
注意：联成闭合系统
3. 减小或调整基底附加压力
① 设置地下室（补偿性基础设计）
② 改变基础底面尺寸
③加大基础埋深
4. 加强基础刚度
加强基础刚度，提高抗弯抗剪能力，必要时可考虑配筋。
5. 采用非敏感性的结构
一般静定结构 如：以屋架—柱—基础为承载体系的木结构或排架结构（单层厂房）、三铰拱（不但考虑竖向力还考虑水平力）等。对不均匀沉降不敏感。
实例：铁道学院体育馆（柱下独立基础，排架结构）、结构实验室为一般简支桥梁
3.5.3施工措施
在施工过程中合理安排施工程序，注意某些施工方法，也可以调整部分不均匀沉降。
1. 拟建相邻建筑物之间轻重悬殊时，应该怎么办？
2. 已建轻型建筑物周围，不宜堆放重物（桥墩、厂房旁）
3. 拟建密集建筑物群内如有采用桩基础的建筑物时，先设桩
4. 注意开挖基坑进行降水，对邻近建筑物的影响
5. 开挖基坑后，尽量减少扰动原状土。
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