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柱下独立基础课程设计指导372020年4月19日文档仅供参考基础工程课程设计任务书题 目：柱下独立基础课程设计指导教师：黄晋浙江理工大学科艺学院建筑系 10月9日柱下独立基础课程设计任务书一、设计题目柱下独立基础设计二、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：杂填土：厚约0.5m，含部分建筑垃圾；粉质粘土：厚1.2m，软塑，潮湿，承载力特征值fak=130KN/m2；粘土：厚1.5m，可塑，稍湿，承载力特征值fak=180KN/m2；全风化砂质泥岩：厚2.7m,承载力特征值fak=240KN/m2；强风化砂质泥岩：厚3.0m,承载力特征值fak=300KN/m2；中风化砂质泥岩：厚4.0m,承载力特征值fak=620KN/m2；表1 地基岩土物理力学参数表地层代号土名天然地基土重度（）孔隙比（e）凝聚力（c）内摩擦角（）压缩系数(a1-2)压缩模量（Es）抗压强度（frk）承载力特征值（fak）kN/mkPa度杂填土18粉质粘土200.6534130.2010.0130粘土19.40.5825230.228.2180全风化砂质泥岩2122300.8240强风化砂质泥岩2220253.0300中风化砂质泥岩2415404.06203.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，框架柱截面尺寸为500500 mm，室外地坪标高同自然地面，室内外高差450mm。柱网布置见图1。图1 柱网平面图5.上部结构作用在柱底的荷载效应标准组合值见表2；上部结构作用在柱底的荷载效应基本组合值见表3；表2 柱底荷载效应标准组合值题号Fk(KN)Mk (KNm)Vk (KN)A轴B轴C轴A轴B轴C轴A轴B轴C轴197515481187140100198464844210321615125216412522155605231090173013121901502426266574115018151370210175271717367512181873143323519329780837461282188314962572183258690837133919701560284242355969589814022057161823126637710210498915342140167733528840210911310610159822051727365309428120117114表3 柱底荷载效应基本组合值题号F (KN)M (KNm)V (KN)A轴B轴C轴A轴B轴C轴A轴B轴C轴11268 15441831302586062582134221001627214163288727867314182250170624819531581867441496236017822742283539395885158424351863306251386104108966166724481945334284423112117108717412562202836931546212512411681823267421043913464911331361289199527832181425375523142147138102078286622454554025571561531496.材料：混凝土等级20C30，钢筋HPB235、HPRB335级。三、设计分组课程设计人数为60人，根据以上所给资料及学生人数，共划分为20个组。具体如下：第1组共10人，基础持力层选用土层，设计 A轴柱下独立基础；第2组共10人，基础持力层选用土层，设计 B轴柱下独立基础；第3组共10人，基础持力层选用土层，设计 C轴柱下独立基础；四、设计要求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，以便画出整体基础平面图。五、设计内容设计柱下独立基础，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。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。六、设计成果1.设计计算书 （1）确定地基持力层和基础埋置深度；（2）确定基础底面尺寸，验算地基承载力； （3）对基础进行抗冲切承载力验算，确定基础高度； （4）对基础进行正截面受弯承载力验算，给基础底板配筋；2. 设计图纸（1）基础平面布置图（2）独立基础大样图（3）设计说明要求分析过程详细，计算步骤完整，设计说明书的编写应具有条理性，图纸整洁清晰。参考资料（1）土力学与基础工程（第2版），赵明华主编，武汉理工大学出版社， （2）基础工程（第2版），周景星主编，清华大学出版社， 。（3）混凝土结构（上）（第2版），吴培明主编，武汉理工大学出版社， （4）建筑结构荷载规范（GB50009- ），中国建筑工业出版社， 。（5）建筑地基基础设计规范（GB50007 - ），中国建筑工业出版社， 。（6）混凝土结构设计规范（GB50010 - ），中国建筑工业出版社， 。基础工程课程设计指导书题 目：柱下独立基础课程设计指导教师：黄晋浙江理工大学科艺学院建筑系 10月9日柱下独立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。一、独立基础的设计内容与步骤（1）初步设计基础的结构型式、材料与平面布置； （2）确定基础的埋置深度d ； （3）计算地基承载力特征值，并经深度和宽度修正，确定修正后的地基承载力特征值 ；（4）根据作用在基础顶面荷载 F 和深宽修正后的地基承载力特征值，计算基础的底面积； （5）计算基础高度并确定剖面形状； （6）若地基持力层下部存在软弱土层时，则需验算软弱下卧层的承载力； （7）地基基础设计等级为甲、乙级建筑物和部分丙级建筑物应计算地基的变形；（8）验算建筑物或构筑物的稳定性（如有必要时）；（9）基础细部结构和构造设计；（10）绘制基础施工图。如果步骤（1）（7）中有不满足要求的情况时，可对基础设计进行调整，如采取加大基础埋置深度d或加大基础宽度b等措施，直到全部满足要求为止。二、地基基础设计基本规定1.地基基础设计等级根据地基复杂程度、建筑物规模和功能特征以及由于地基问题可能造成建筑物破坏或影响正常使用的程度，将地基基础设计分为三个设计等级，设计时应根据具体情况，按表1选用。表1 地基基础设计等级设计等级建筑和地基类型甲级重要的工业与民用建筑物 30 层以上的高层建筑体型复杂，层数相差超过10层的高低层连成一体建筑物大面积的多层地下建筑物（如地下车库、商场、运动场等）对地基变形有特殊要求的建筑物复杂地质条件下的坡上建筑物（包括高边坡）对原有工程影响较大的新建建筑物场地和地基条件复杂的一般建筑物位于复杂地质条件及软土地区的二层及二层以上地下室的基坑工程乙级除甲级、丙级以外的工业与民用建筑物丙级场地和地基条件简单、荷载分布均匀的七层及七层以下民用建筑及一般工业建筑物；次要的轻型建筑物2.地基计算的规定根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计应符合下列规定：（1）所有建筑物的地基计算均应满足承载力计算的有关规定。（2）设计等级为甲级、乙级的建筑物，均应按地基变形设计。（3）表2所列范围内设计等级为丙级的建筑物可不作变形验算，如有下列情况之一时，仍应作变形验算： 地基承载力特征值小于 l30 kPa ，且体型复杂的建筑： 在地基基础上及其附近有地面堆载或相邻基础荷载差异较大，可能引起地基产生过大的不均匀沉降时； 软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时； 相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时； 地基内有厚度较大或厚薄不均的填土，其自重固结未完成时。 （4）对经常受水平荷载作用的高层建筑、高耸结构和挡土墙等，以及建造在斜坡上或边坡附近的建筑物和构筑物，尚应验算其稳定性。 （5）基坑工程应进行稳定性验算。（6）当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算。表2 可不作地基变形计算的设计等级为丙级建筑物范圈 地基主要受力层的情况地基承载力特征值建筑类型各土层坡度 /%5510101010砌体承重结构、框架结构（层数）555667单层排架结构单跨吊车额定起重量/t510101515202030305050100厂房跨度 /121824303030多跨吊车额定起重量/t355101015152020303075厂房跨度/121824303030烟囱高度 /30405075100水塔高度 /1520303030容积50501001002002003003005005001000注： 地基主要受力层系指条形基础底面下深度为 3b ( b为基础底面宽度），独立基础下为1.5b，且厚度均不小于5m的范围（二层以下一般的民用建筑除外）； 地基主要受力层中如有承载力特征值的土层时，表中砌体承重结构的设计，应符合建筑地基基础设计规范（GB 50007一 ）第7章的有关要求； 表中砌体承重结构和框架结构均指民用建筑。对于工业建筑可按厂房高度、荷载情况折合成与其相当的民用建筑层数； 表中吊车额定起重量、烟囱高度和水塔容积的数值系指最大值。3. 荷载效应最不利组合与相应的抗力限值在地基基础设计时，荷载效应最不利组合与相应的抗力限值应按下列规定采用： (1) 按地基承载力确定基础底面积及埋置深度时，传至基础底面上的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合。相应的抗力应采用地基承载力特征值。(2) 计算地基变形时，传至基础底面上的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，不应计入风荷载和地震作用。相应限值应为地基变形允许值。 (3) 计算挡土墙土压力、地基或斜坡稳定及滑坡推力时，荷载效应应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，但其分项系数均为 1.0 。 (4) 在确定基础高度、配筋和验算材料强度时，上部结构传来的荷载效应组合和相应的基底反力，应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。三、地基承载力特征值的确定确定地基承载力特征值的方法主要有以下几种：（1）按载荷试验确定（2）根据地基土的抗剪强度指标，按理论公式确定（3）应用地区建筑经验，采取工程地质类比法确定当基础宽度大于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表3； 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。表3承载力修正系数土的类别淤泥和淤泥质土01.0人工填土或大于等于0.85的粘性土01.0红粘土含水比含水比00.151.21.4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/m的级配砂石001.52.0粉土粘粒含量的粉土粘粒含量的粉土0.30.51.52.0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0.32.03.01.63.04.4注：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；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。四、柱下独立基础设计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。建筑地基基础设计规范GB50007- 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（KPa）； 相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值（KPa）； 修正后的地基承载力特征值（KPa）。（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（KPa）； 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（）；A 基底面积（）；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（）； 偏心矩，（）； 力矩作用方向的矩形基础底面边长()；b 垂直于力矩作用方向的矩形基础底面边长()； 偏心荷载作用点至最大压力作用边缘的距离()，。偏心荷载作用下，按下列步骤确定基础底面尺寸： 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； 根据偏心距的大小，将基础底面积增大（1040），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。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。2.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（KPa）； 软弱下卧层顶面处土的自重压力标准值（KPa）； 软弱下卧层顶面处经深度修正后地基承载力设计值（KPa）。图1 软弱下卧层承载力验算图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4采用；表4 地基压力扩散角0.250.50351061020232530注：为上层土压缩模量，为下层土压缩模量；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。3.地基变形验算： 建筑地基基础设计规范（GB50007 ）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5080 % ，对于中压缩粘性土可认为已完成2050 % ，对于高压缩粘性土可认为已完成520。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。 4.基础高度的确定：图2 中心受压柱基础底板厚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 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： 净偏心距，5.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。图3 中心受压柱基础底板配筋计算（a）椎形基础； （b）阶梯形基础(1) 中心荷载作用下:图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（-截面）：（c）阶梯高度变化处（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： 图4 偏心受压柱基础底板厚度计算 图5 偏心受压基础底板配筋计 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4、5）。五、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300500 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。图6 扩展基础构造的一般要求（a）椎形基础；（b）阶梯形基础；（c）钢筋配置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（图7）。图7现浇钢筋混凝土柱与基础连接基础工程课程设计参考例题题 目：柱下独立基础课程设计指导教师：黄晋浙江理工大学科艺学院建筑系 10月9日 独立基础课程设计实例取任务书中题号9 A轴荷载作为实例，说明独立基础的设计方法。一、设计资料9号题 A轴柱底荷载： 柱底荷载效应标准组合值：，； 柱底荷载效应基本组合值：，。持力层选用号粘土层，承载力特征值kPa，框架柱截面尺寸为500500 mm，室外地坪标高同自然地面，室内外高差450mm。二、独立基础设计1.选择基础材料：C25混凝土，HPB235钢筋，预估基础高度0.8。2.基础埋深选择：根据任务书要求和工程地质资料，第一层土：杂填土，厚0.5,含部分建筑垃圾；第二层土：粉质粘土，厚1.2, 软塑，潮湿，承载力特征值 = 130kPa第三层土：粘土，厚1.5, 可塑，稍湿，承载力特征值 = 180kPa第四层土：全风化砂质泥岩，厚2.7,承载力特征值 = 240kPa地下水对混凝土无侵蚀性，地下水位于地表下1.5。取基础底面高时最好取至持力层下0.5，本设计取第三层土为持力层，因此考虑取室外地坪到基础底面为。由此得基础剖面示意图如下：图1基础剖面示意图3.求地基承载力特征值根据粘土，查表2.6得 ，基底以上土的加权平均重度持力层承载力特征值（先不考虑对基础宽度修正）（上式d按室外地面算起）4.初步选择基底尺寸取柱底荷载标准值：， 计算基础和回填土重时的基础埋深基础底面积：由于偏心不大，基础底面积按20增大，即：初步选定基础底面面积，且不需要再对进行修正。5.验算持力层地基承载力回填土和基础重： 偏心距： ，满足。基底最大压力： 因此，最后确定基础底面面积长，宽。6.计算基底净反力取柱底荷载效应基本组合设计值：，。净偏心距 基础边缘处的最大和最小净反力7.基础高度(采用阶梯形基础)柱边基础截面抗冲切验算（见图2）图2 冲切验算简图（a）柱下冲切；（b）变阶处冲切，。初步选定基础高度，分两个台阶，每阶高度均为400的。（有垫层）。，取因偏心受压，取冲切力：抗冲切力：，满足8.变阶处抗冲切验算，取冲切力：=抗冲切力：，满足9.配筋计算选用的HPB235 级钢筋，（1）基础长边方向-截面（柱边）柱边净反力： 悬臂部分净反力平均值：弯矩： - 截面（变阶处）比较和，应按配筋，实际配则钢筋根数：，（2）基础短边方向因为该基础受单向偏心荷载作用，因此，在基础短边方向的基底反力可按均匀分布计算，取：与长边方向的配筋计算方法相同，可得-截面（柱边）的计算配筋值，- 截面（变阶处）的计算配筋值。因此按在短边方向配筋，实际配。则钢筋根数 ，10.基础配筋大样图：见施工图11.确定B、C两轴柱子基础底面尺寸由任务书得：9号题B、C两柱子基底荷载分别为：B轴：，；C轴：，；由前面计算得持力层承载力特征值计算基础和回填土重时的基础埋深B轴基础底面积：基础底面积按20增大，即：初步选定基础底面面积，且，不需要再对进行修正。C轴基础底面积：基础底面积按20增大，即：初步选定基础底面面积，且，不需要再对进行修正。12.B、C两轴持力层地基承载力验算（略） 根据以上计算，能够绘制出基础平面布置图和A轴柱子基础大样图。见基础平面布置图。图3 基础平面图图4 基础大样图设计说明：1.+0.000相当于绝对标高见建筑图；2.本工程持力层选用号土层，地基承载力特征值；3.基坑开挖后需通知甲方及勘查单位验槽，符合要求后方可施工垫层；4.材料：混凝土C25，钢筋HPB235 5.保护层：40mm；6.垫层做法：混凝土C10，厚100mm，出基础边100mm。