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1、建筑地基基础设计的若干问题 华南理工大学建筑设计研究院方小丹2013 4 1 地基承载力的确定方法 地基承载力特征值characteristicvalueofsubgradebearingcapacity指由载荷试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值 其最大值为比例界限值 修正后的地基承载力特征值revisedcharacteristicvalueofsubgradebearingcapacity指在保证地基稳定的条件下 地基变形不超过允许值的地基承载力 修正后的地基承载力特征值 也即地基容许承载力 其定义涉及二方面的内容 地基的强度和变形 影响地基强度的主要因素有
2、a 土的物理力学指标 粘聚力 内摩擦角 重度 基底以上土的加权平均重度等 b 基础宽度 c 基础埋深 d 地下水位 影响地基变形的主要因素有 a 基底平均附加压力p0 b 土的力学性质如压缩模量或变形模量 泊松比等 c 基础的尺寸 形状及平面布置 d 压缩层厚度 由此可知 当设计还未开始时 地基承载力的容许值就无从确定 地基承载力容许值的确定过程也就是地基计算过程 对 地基承载力特征值的经验值 作二方面的修正 1 深度 宽度修正即强度方面的修正 2 控制变形方面的修正 包括沉降 沉降差的计算 必要时应调整地基承载力取值 确定地基承载力的常规方法有 a 根据土的抗剪强度指标由理论公式计算 b 查
3、表 c 平板荷载试验 d 借鉴已有建筑的经验 必要时 也可由几种方法综合确定 全风化 强风化岩的载荷试验 岩石地基还是土基 常规的确定地基承载力的方法各有其优缺点 实用上 可互为参照 互为补充 尤其重要的是设计人的经验 包括借鉴及合理利用他人的经验 2 地基变形的估算 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 乙级建筑物应进行地基变形计算 均应按地基变形设计 有可靠经验 下列情况可不作变形计算 浅基础持力层为中 微风化岩 或十五层以下 基础为条形 筏形基础 持力层地基承载力特征值 300kPa的碎石土 密实砂 硬塑至坚硬残积土层或强风化岩层 桩基础持力层为中 密实砂
4、层 卵 碎石层 且没有软弱下卧层 硬塑至坚硬残积土层及岩层的建筑物 2当地基压缩层为残积土 全风化和强风化岩层且比较均匀时 地基最终变形量可按下式计算 6 3 5 4 式中s 地基最终变形量 mm 土的变形模量 MPa 按式 4 3 9 确定 相应于荷载效应准永久组合标准值的基底附加应力 MPa b 基础宽度 mm 经验系数 按当地经验取值 缺乏经验时 可按表6 3 5 2取值 表6 3 5 2沉降计算经验系数单独基础方形0 5 0 8 矩形0 7 1 2 条形基础1 0 1 5 片筏基础0 3 0 5注 1矩形基础长边与短边之比a b 1 5 4 条形基础长边与短边之比a b 4 2片筏基础
5、宽度b 50m 宽度大时取较小值 长边与短边之比a b 1 5时取较大值 当地基压缩层各土层压缩性差别较大时 地基最终变形量可按下式计算 6 3 5 5 6 3 5 6 式中h 变形计算深度 单独基础可取h 1 1 5 b 矩形基础可取h 1 5 2 b 条形基础可取h 2 3 b 片筏基础可取h 0 5 0 9 b 变形计算深度范围内土变形模量的当量值 基岩层的厚度 基岩层的变形模量 第层土的变形模量 基底起自上至下第层土的厚度 在计算深度范围内存在中微风化基岩时 式 6 3 5 6 中及可不计 5花岗岩和泥质软岩的残积土 全风化岩及强风化岩的变形模量值 应按浅层平板荷载试验确定 对乙级 丙
6、级工程 当无条件试验时 可用实测标准贯入击数N 按下式估算 MPa 式中 载荷试验与标准贯入试验对比而得的经验系数 N 实测 未经修正 标准贯入击数 例1 某花岗岩残积土层上的柱下扩展基础 平面尺寸4X5m 竖向荷载作用下的柱轴力为600t 土层的标贯击数为15击 持力层的承载力特征值为30t m2 试估算基础的最终沉降 解 由式 4 3 9 N 15 E0 2 3X15 34 5Mpa 3450t m2由式 6 3 5 4 最终沉降S 0 6X30X4 3450 0 02m 2cm 例2 其它条件同例1 但基底以下0 2m为花岗岩残积土 标贯击数为15击 2 4m为花岗岩强风化层 标贯击数为
7、55击 其余为中风化岩层 试估算基础的最终沉降 解 由式 4 3 9 残积层E01 3450t m2 花岗岩强风化层E02 300X55 16500t m2h 1 5b 1 5X4 6m 由式 6 3 5 6 变形模量当量值E0 4X2X3450 2X2X16500 2X2 4X2 7800t m2 最终沉降S 0 6X30X4 7800 0 009m 0 9cm 工程实例1 广东汕头市旧殡仪馆2 广州市西郊某住宅 3 广东省常用的桩型及其优缺点 人工挖孔灌注桩钻孔灌注桩钢管护壁机械成孔灌注桩冲击成孔灌注桩旋挖桩 振动沉管灌注桩锤击沉管灌注桩大直径锤击沉管灌注桩内击沉管灌注桩打入式预应力混凝土
8、管桩静压预应力混凝土管桩预制混凝土方桩 依成桩方式 可分排土桩 挤土桩 部分挤土桩 例如 排土桩 钻孔桩 人工挖孔桩挤土桩 静压 锤击预制桩部分挤土桩 开口预应力管桩 预钻孔预制桩 4 桩的承载力验算 单桩竖向承载力特征值应符合下列规定 1 竖向荷载效应标准组合 在轴心竖向力作用下 单桩竖向力 11 1 在偏心竖向力作用下 除满足式 11 1 外 尚应满足 11 2 2 竖向荷载与风荷载效应标准组合 在轴向竖向力作用下 11 3 在偏心竖向力作用下 除满足式 11 3 外 尚应满足 11 4 3 竖向荷载与地震作用效应标准组合 在轴心竖向力作用下 11 5 在偏心竖向力用下 除满足式 11 5
9、 外 尚应满足 11 6 除按地基岩土条件确定单桩竖向承载力特征值外 桩身尚应满足截面承载力要求 5 用于控制或减少建筑物沉降的桩 10 1 8 式中 单桩极限承载力值 但桩身截面承载力仍应满足10 2 7条规定 取重要性系数 1 6 基桩的承载力试验与检测 属下列情况之一者 设计 施工前应进行桩的静荷载试验 1地基基础设计等级为甲级的桩基且没有相同桩型在相似工程地质条件下的试桩资料作参考 2采用新的桩型或新的成桩工艺 对桩的承载力取值尚无可靠的经验 3对桩的成桩质量或承载力取值没有把握 当不具备静载试桩的条件时 大直径嵌岩桩的承载力特征值 可根据持力层岩样单轴抗压强度或持力层原位载荷试验结果
10、及桩身混凝土芯样强度等综合确定 其他情况的桩基承载力特征值可根据经验公式 有关参数 土的抗剪强度指标估算 并可按相同桩型 相近承载力取值及相似工程地质条件的试桩资料综合确定 人工挖孔桩终孔时 应进行桩端持力层检验 大直径嵌岩桩应检验孔底3倍桩身直径或5m深度范围内有无土洞 溶洞 破碎带或夹层等不良地质情况 必要时可抽取岩芯进行抗压强度试验或原位岩石地基载荷试验 持力层为灰岩时钻取岩芯检验的判断 施工完成后的工程桩应进行桩身完整性检验和竖向承载力试验 抗拔桩应进行抗拔承载力试验 承受较大水平力或永久水平力的桩应进行水平承载力试验 当大直径嵌岩桩静载试验有困难时 其竖向承载力可由桩身混凝土质量 桩
11、底基岩性状结合桩底沉渣等情况综合评定 工程实例广州琶洲会展 中国出口商品交易会新展馆 广州珠江新城西塔花都某高层住宅广西南宁九洲大厦 7 桩的竖向承载力 由岩土条件决定的桩竖向承载力 广东省地基基础规范根据工程经验提高了细 中 粗砂 角砾 圆砾 砾砂 卵碎石的端阻力取值 使按经验公式的计算承载力与试桩结果更为接近 增加了全风化和强风化岩的侧阻力 端阻力特征值的经验值 嵌岩桩承载力的计算沿用公路桥涵地基基础规范 仅依据试验和工程经验提高了桩侧阻的取值 花岗岩地层泥浆护壁钻孔桩的侧阻力问题 工程实例1 东莞广电中心2 广州长隆集团后勤用房3 中山嘉明电力有限公司生产控制大楼4 东莞厚街文化中心 除
12、按地基岩土条件确定桩竖向承载力特征值外 桩身混凝土强度应满足桩的承载力设计要求 1对于轴向受压的混凝土灌注桩和预制桩 当不考虑桩身构造配筋的作用时 按下式验算桩身截面强度 式中 工作条件系数 灌注桩取0 75 0 85 水下灌注桩取低值 预制桩取0 8 0 9 fc 桩身混凝土轴心抗压强度设计值 Ap 桩身横截面面积 Q 相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值 理论与工程实践证明 低桩台中的桩 即使桩周土非常软弱 也不会有稳定问题 根据 混凝土结构设计规范 轴心受压构件正截面受压承载力的计算公式 不考虑稳定的影响 即取稳定系数 不考虑钢筋的作用 由桩身材料决定的钢筋砼预制桩 取工作条件系数
13、为0 8 0 9 相当于安全系数K 1 35 1 4 0 8 0 9 2 36 2 1 现场灌注桩取工作条件系数为0 75 0 85 相当于安全系数K 1 35 1 4 0 75 0 85 2 52 2 22 对照 工业与民用建筑地基基础设计规范 TJ7 74 钢筋混凝土结构设计规范 TJ10 74 及 工业与民用建筑灌注桩基础设计与施工规程 JGJ4 80 不考虑钢筋的作用 桩身强度的安全系数提高了约36 62 工程实践表明 灌注桩的施工除确保砼质量外 保证桩身的完整性 不颈缩 不夹泥 不断桩 甚至更为重要 预应力管桩的正截面承载力计算可参照厂家提供的资料 砼受压强度设计值应扣除予压应力的影
14、响 即取 实用上也可取5MPa 8 桩的负摩擦问题 桩周负摩阻力产生的原因 1桩周存在欠固结土层2桩侧存在软土层 且地面大面积堆载 包括新近填土 3桩基完工后桩侧土层中地下水位下降 设计可采取的应对措施 当满足桩最小中心距的要求时 群桩的负摩阻力可视为各单桩负摩阻力之和 但算得的负摩阻力不应大于中性点以上的桩间土重 未考虑端阻作用的摩擦桩或桩端持力层为软 可塑粘性土时 可把中性点以上的桩侧摩阻力视为零 验算单桩的承载力 桩端持力层为密实的砂 砾砂层 卵 碎石层及基岩时 应将负摩阻力作为附加下拉荷载 验算桩中性点处的桩身截面承载力 对于负摩阻力较大 桩长变化较大 持力层土层较不均匀 建筑物对差异
15、沉降控制要求较严格的结构 宜适当加强承台间地梁的强度 刚度及上部结构的整体刚度 工程实例 江门某工程汕头市粮食局某粮食仓库 9 柱下扩展基础的承载力验算 承载力验算包括受冲切承载力 受剪切承载力和受弯承载力验算 受剪切承载力问题讨论临界截面 柱下扩展基础的受冲切 受剪承载力验算 对矩形截面柱的矩形基础应验算柱与基础交接处及基础变阶处的受冲切承载力 受冲切承载力应按下列公式验算 9 2 7 1 9 2 7 2 9 2 7 3 并满足 9 2 7 4 一般来说 柱下单独基础板双向受力 墙下条形基础板单向受力 冲切与剪切 其破坏机理类似 承载力均受混凝土的抗拉强度所控制 不同的是剪切破坏面可视为平面
16、 而冲切破坏面则可视为空间曲面 如截圆锥 截角锥或棱台及其它不规则曲面等 剪切又称单向剪切 onewayshear 冲切有时也称冲剪 又称双向剪切 punching twowayshear 对于双向受力的柱下单独基础应验算控制截面的受冲切承载力 必要时应验算抗剪承载力 对于单向受力的墙下条形基础只需验算控制截面的受剪承载力 实际工程中有这种情况 由于场地或柱网布置所限 柱下独立基础长边与短边之比大于2 基础底板近乎单向受力 应验算基础的受剪切承载力 新版国标 建筑地基基础设计规范 已做了改进 要求底板宽大于柱截面宽 2倍板厚的基础应验算基础板的受剪承载力 对于验算控制截面 有不同的做法 国标 混凝土结构设计规范 根据大量的试验结果 以支座边的剪力值即最大剪力值为依据进行分析 得出了承受均布荷载为主的无腹筋一般受弯构件的受剪承载力计算公式 因此 把构件剪力最大的截面即柱 墙等支座边处作为验算控制截面比较合理 美国混凝土学会 ACI 钢筋混凝土房屋建筑规范 把受剪验算截面定于距支座边处 较之支座边处 计算剪力减少了 但其受剪承载力计算的材料强度值相应低取 仅为受冲切承载力计算时的一半 国标
