基礎工程課程設計指導

/基礎工程課程設計任務書題目：柱下獨立基礎課程設計指導教師：張玲玲西南科技大學土木工程與建筑學院20柱下獨立基礎課程設計任務書一、設計題目柱下獨立基礎設計二、設計資料1.地形：擬建建筑場地平整2.工程地質(zhì)資料：自上而下依次為：①雜填土：厚約0.5m,含部分建筑垃圾；②粉質(zhì)粘土：厚1.2m,軟塑,潮濕,承載力特征值fak=130KN/m2；③粘土：厚1.5m,可塑,稍濕,承載力特征值fak=180KN/m2；④全風化砂質(zhì)泥巖：厚2.7m,承載力特征值fak=240KN/m2；⑤強風化砂質(zhì)泥巖：厚3.0m,承載力特征值fak=300KN/m2；⑥中風化砂質(zhì)泥巖：厚4.0m,承載力特征值fak=620KN/m2；表1地基巖土物理力學參數(shù)表地層代號土名天然地基土重度〔γ孔隙比〔e凝聚力〔c內(nèi)摩擦角〔Φ壓縮系數(shù)<a1-2>壓縮模量〔Es抗壓強度〔frk承載力特征值〔fakkN/m3kPa度①雜填土18②粉質(zhì)粘土200.6534130.2010.0130③粘土19.40.5825230.228.2180④全風化砂質(zhì)泥巖2122300.8240⑤強風化砂質(zhì)泥巖2220253.0300⑥中風化砂質(zhì)泥巖2415404.06203.水文資料為：地下水對混凝土無侵蝕性。地下水位深度：位于地表下1.5m。4.上部結構資料：上部結構為多層全現(xiàn)澆框架結構,框架柱截面尺寸為500×500mm,室外地坪標高同自然地面,室內(nèi)外高差450mm。柱網(wǎng)布置見圖1。圖1柱網(wǎng)平面圖5.上部結構作用在柱底的荷載效應標準組合值見表2；上部結構作用在柱底的荷載效應基本組合值見表3；表2柱底荷載效應標準組合值題號Fk<KN>Mk<KN?m>Vk<KN>A軸B軸C軸A軸B軸C軸A軸B軸C軸197515481187140100198464844210321615125216412522155605231090173013121901502426266574115018151370210175271717367512181873143323519329780837461282188314962572183258690837133919701560284242355969589814022057161823126637710210498915342140167733528840210911310610159822051727365309428120117114表3柱底荷載效應基本組合值題號F<KN>M<KN?m>V<KN>A軸B軸C軸A軸B軸C軸A軸B軸C軸11268201215441831302586062582134221001627214163288727867314182250170624819531581867441496236017822742283539395885158424351863306251386104108966166724481945334284423112117108717412562202836931546212512411681823267421043913464911331361289199527832181425375523142147138102078286622454554025571561531496.材料：混凝土等級Ｃ20～C30,鋼筋HPB235、HPRB335級。三、設計分組課程設計人數(shù)為30人,根據(jù)以上所給資料及學生人數(shù),共劃分為3個組。具體如下：第1組共10人,基礎持力層選用③土層,設計A軸柱下獨立基礎；第2組共10人,基礎持力層選用③土層,設計B軸柱下獨立基礎；第3組共10人,基礎持力層選用③土層,設計C軸柱下獨立基礎；四、設計要求每人根據(jù)所在組號和題號,完成各自要求的軸線基礎設計。對另外兩根軸線的基礎,只要求根據(jù)所給荷載確定基礎底面尺寸,以便畫出整體基礎平面圖。五、設計內(nèi)容設計柱下獨立基礎,包括確定基礎埋深、基礎底面尺寸,對基礎進行結構內(nèi)力分析、強度計算,確定基礎高度、進行配筋計算并滿足構造設計要求,編寫設計計算書。繪制基礎施工圖,包括基礎平面布置圖、基礎大樣圖,并提出必要的技術說明。六、設計成果1.設計計算書〔1確定地基持力層和基礎埋置深度；〔2確定基礎底面尺寸,驗算地基承載力；〔3對基礎進行抗沖切承載力驗算,確定基礎高度；〔4對基礎進行正截面受彎承載力驗算,給基礎底板配筋；2.設計圖紙〔1基礎平面布置圖〔2獨立基礎大樣圖〔3設計說明要求分析過程詳細,計算步驟完整,設計說明書的編寫應具有條理性,圖紙整潔清晰。參考資料〔1《土力學與基礎工程》〔第2版,趙明華主編,XX理工大學出版社,2003〔2《基礎工程》〔第2版,周景星主編,清華大學出版社,2007?！?《混凝土結構〔上》〔第2版,吳培明主編,XX理工大學出版社,2003〔4《建筑結構荷載規(guī)范》〔GB50009-2001,中國建筑工業(yè)出版社,2002?！?《建筑地基基礎設計規(guī)范》〔GB50007-2002,中國建筑工業(yè)出版社,2002。〔6《混凝土結構設計規(guī)范》〔GB50010-2002,中國建筑工業(yè)出版社,2002?；A工程課程設計指導書題目：柱下獨立基礎課程設計指導教師：張玲玲西南科技大學土木工程與建筑學院20柱下獨立基礎課程設計指導書地基基礎設計是土木工程結構設計的重要組成部分,必須根據(jù)上部結構條件〔建筑物的用途和安全等級、建筑布置、上部結構類型等和工程地質(zhì)條件〔建筑場地、地基巖土和氣候條件等,結合考慮其他方面的要求〔工期、施工條件、造價和節(jié)約資源等,合理選擇地基基礎方案,因地制宜,精心設計,以確保建筑物和構筑物的安全和正常使用。一、獨立基礎的設計內(nèi)容與步驟〔1初步設計基礎的結構型式、材料與平面布置；〔2確定基礎的埋置深度d；〔3計算地基承載力特征值,并經(jīng)深度和寬度修正,確定修正后的地基承載力特征值；〔4根據(jù)作用在基礎頂面荷載F和深寬修正后的地基承載力特征值,計算基礎的底面積；〔5計算基礎高度并確定剖面形狀；〔6若地基持力層下部存在軟弱土層時,則需驗算軟弱下臥層的承載力；〔7地基基礎設計等級為甲、乙級建筑物和部分丙級建筑物應計算地基的變形；〔8驗算建筑物或構筑物的穩(wěn)定性〔如有必要時；〔9基礎細部結構和構造設計；〔10繪制基礎施工圖。如果步驟〔1～〔7中有不滿足要求的情況時,可對基礎設計進行調(diào)整,如采取加大基礎埋置深度d或加大基礎寬度b等措施,直到全部滿足要求為止。二、地基基礎設計基本規(guī)定1.地基基礎設計等級根據(jù)地基復雜程度、建筑物規(guī)模和功能特征以及由于地基問題可能造成建筑物破壞或影響正常使用的程度,將地基基礎設計分為三個設計等級,設計時應根據(jù)具體情況,按表1選用。表1地基基礎設計等級設計等級建筑和地基類型甲級重要的工業(yè)與民用建筑物30層以上的高層建筑體型復雜,層數(shù)相差超過10層的高低層連成一體建筑物大面積的多層地下建筑物〔如地下車庫、商場、運動場等對地基變形有特殊要求的建筑物復雜地質(zhì)條件下的坡上建筑物〔包括高邊坡對原有工程影響較大的新建建筑物場地和地基條件復雜的一般建筑物位于復雜地質(zhì)條件及軟土地區(qū)的二層及二層以上地下室的基坑工程乙級除甲級、丙級以外的工業(yè)與民用建筑物丙級場地和地基條件簡單、荷載分布均勻的七層及七層以下民用建筑及一般工業(yè)建筑物；次要的輕型建筑物2.地基計算的規(guī)定根據(jù)建筑物地基基礎設計等級及長期荷載作用下地基變形對上部結構的影響程度,地基基礎設計應符合下列規(guī)定：〔1所有建筑物的地基計算均應滿足承載力計算的有關規(guī)定?！?設計等級為甲級、乙級的建筑物,均應按地基變形設計?！?表2所列范圍內(nèi)設計等級為丙級的建筑物可不作變形驗算,如有下列情況之一時,仍應作變形驗算：①地基承載力特征值小于l30kPa,且體型復雜的建筑：②在地基基礎上及其附近有地面堆載或相鄰基礎荷載差異較大,可能引起地基產(chǎn)生過大的不均勻沉降時；③軟弱地基上的建筑物存在偏心荷載時；④相鄰建筑距離過近,可能發(fā)生傾斜時；⑤地基內(nèi)有厚度較大或厚薄不均的填土,其自重固結未完成時?！?對經(jīng)常受水平荷載作用的高層建筑、高聳結構和擋土墻等,以及建造在斜坡上或邊坡附近的建筑物和構筑物,尚應驗算其穩(wěn)定性。〔5基坑工程應進行穩(wěn)定性驗算?！?當?shù)叵滤癫剌^淺,建筑地下室或地下構筑物存在上浮問題時,尚應進行抗浮驗算。表2可不作地基變形計算的設計等級為丙級建筑物范圈地基主要受力層的情況地基承載力特征值建筑類型各土層坡度/%≤5≤5≤10≤10≤10≤10砌體承重結構、框架結構〔層數(shù)≤5≤5≤5≤6≤6≤7單層排架結構單跨吊車額定起重量/t5～1010～1515～2020～3030～5050～100廠房跨度/≤12≤18≤24≤30≤30≤30多跨吊車額定起重量/t3～55～1010～1515～2020～3030～75廠房跨度/≤12≤18≤24≤30≤30≤30煙囪高度/≤30≤40≤50≤75≤100水塔高度/≤15≤20≤30≤30≤30容積≤5050～100100～200200～300300～500500～1000注：①地基主要受力層系指條形基礎底面下深度為3b<b為基礎底面寬度,獨立基礎下為1.5b,且厚度均不小于5m的范圍〔二層以下一般的民用建筑除外；②地基主要受力層中如有承載力特征值的土層時,表中砌體承重結構的設計,應符合《建筑地基基礎設計規(guī)范》〔GB50007一2002第7章的有關要求；③表中砌體承重結構和框架結構均指民用建筑。對于工業(yè)建筑可按廠房高度、荷載情況折合成與其相當?shù)拿裼媒ㄖ訑?shù)；④表中吊車額定起重量、煙囪高度和水塔容積的數(shù)值系指最大值。3.荷載效應最不利組合與相應的抗力限值在地基基礎設計時,荷載效應最不利組合與相應的抗力限值應按下列規(guī)定采用：<1>按地基承載力確定基礎底面積及埋置深度時,傳至基礎底面上的荷載效應按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的標準組合。相應的抗力應采用地基承載力特征值。<2>計算地基變形時,傳至基礎底面上的荷載效應應按正常使用極限狀態(tài)下荷載效應的準永久組合,不應計入風荷載和地震作用。相應限值應為地基變形允許值。<3>計算擋土墻土壓力、地基或斜坡穩(wěn)定及滑坡推力時,荷載效應應按承載能力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合,但其分項系數(shù)均為1.0。<4>在確定基礎高度、配筋和驗算材料強度時,上部結構傳來的荷載效應組合和相應的基底反力,應按承載力極限狀態(tài)下荷載效應的基本組合,采用相應的分項系數(shù)。三、地基承載力特征值的確定確定地基承載力特征值的方法主要有以下幾種：〔1按載荷試驗確定〔2根據(jù)地基土的抗剪強度指標,按理論公式確定〔3應用地區(qū)建筑經(jīng)驗,采取工程地質(zhì)類比法確定當基礎寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時,從載荷試驗或其他原位測試、經(jīng)驗值等方法確定的地基承載力特征值,尚應按下式修正：式中：——修正后的地基承載力特征值〔KPa；——地基承載力特征值〔KPa；、——基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數(shù),按基底下土的類別查表3；——基底以下土的重度,地下水位以下取浮重度〔；——基底以上土的加權平均重度,地下水位以下取浮重度〔；B——基礎底面寬度<m>；當寬度小于3m按3m取值,大于6m按6m取值；d——基礎埋置深度<m>；當埋深小于0.5m時按0.5m取值,一般自室外地面標高算起。在填方整平地區(qū),可自填土地面標高算起,但填土在上部結構施工后完成時,應從天然地面標高算起。對于地下室,如采用箱形基礎或筏基時,基礎埋置深度自室外地面標高算起；當采用獨立基礎或條形基礎時．應從室內(nèi)地面標高算起。表3承載力修正系數(shù)土的類別淤泥和淤泥質(zhì)土01.0人工填土或大于等于0.85的粘性土01.0紅粘土含水比含水比00.151.21.4大面積壓實填土壓實系數(shù)大于0.95、粘粒含量的粉土最大干密度大于2.1t/m3的級配砂石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、細砂〔不包括很濕與飽和時的稍密狀態(tài)中砂、粗砂、礫砂和碎石土0.32.03.01.63.04.4注：①強風化和全風化的巖石,可參照所風化成的相應土類取值,其他狀態(tài)下的巖石不修正；②地基承載力特征值按建筑地基規(guī)范附錄深層平板載荷試驗確定時取0。四、柱下獨立基礎設計1.基礎底面尺寸的確定：確定基礎底面尺寸時,首先應滿足地基承載力要求,包括持力層土的承載力計算和軟弱下臥層的驗算；其次,對部分建〔構筑物,仍需考慮地基變形的影響,驗算建〔構筑物的變形特征值,并對基礎底面尺寸作必要的調(diào)整。《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2002根據(jù)"所有建筑物的地基計算均應滿足承載力"的基本原則,按持力層的承載力特征值計算所需的基礎底面尺寸。要求符合下式要求：式中：——相應于荷載效應標準組合時,基礎底面處的平均壓力值〔KPa；——相應于荷載效應標準組合時,基礎底面邊緣的最大壓力值〔KPa；——修正后的地基承載力特征值〔KPa。軸心荷載作用下的基礎：由：得：式中：——相應于荷載效應標準組合時,上部結構傳至基礎頂面處的豎向力值〔KPa；——基礎及回填土的平均重度,一般取20,地下水位以下取10；d——基礎平均埋深〔；A——基底面積〔；按上式計算出A后,先選定或,再計算另一邊長,使,一般取。必須指出,在按上式計算A時,需要先確定修正后的地基承載力特征值,但值又與基礎底面尺寸A有關,也即上式中的A與都是未知數(shù),因此,可能要通過反復試算確定。計算時,可先對地基承載力只進行深度修正,計算值；然后按計算所得的,考慮是否需要進行寬度修正,使得A、間相互協(xié)調(diào)一致。偏心荷載作用下的基礎：偏心荷載作用下的基底壓力計算公式：當偏心矩時,基礎邊緣的最大壓力按下式計算：式中——相應于荷載效應標準組合時,上部結構傳至基礎頂面處的力矩值〔KN；——基礎底面的抵抗矩〔；——偏心矩,〔；——力矩作用方向的矩形基礎底面邊長<>；b——垂直于力矩作用方向的矩形基礎底面邊長<>；——偏心荷載作用點至最大壓力作用邊緣的距離<>,。偏心荷載作用下,按下列步驟確定基礎底面尺寸：①先不考慮偏心,按軸心荷載條件初步估算所需的基礎底面積；②根據(jù)偏心距的大小,將基礎底面積增大〔10～40﹪,并以適當比例選定基礎長度和寬度,即取基礎寬度b為：式中：為基礎的長寬比,,對矩形截面,一般??；③由調(diào)整后的基礎底面尺寸計算基底最大壓力和最小壓力,并使其滿足和的要求。如不滿足要求,或壓力過小,地基承載力未能充分發(fā)揮,應調(diào)整基礎尺寸,直至最后確定合適的基礎底面尺寸。通常,基底的最小壓力不宜出現(xiàn)負值,即要求偏心距,但對于低壓縮性土及短暫作用的荷載,可適當放寬至。2.軟弱下臥層的驗算當?shù)鼗鶋嚎s層范圍內(nèi)存在有軟弱下臥層時,應按下式驗算軟弱下臥層承載力：式中——軟弱下臥層頂面處的附加壓力設計值〔KPa；——軟弱下臥層頂面處土的自重壓力標準值〔KPa；——軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后地基承載力設計值〔KPa。圖1軟弱下臥層承載力驗算圖當上層土與下臥土層的壓縮模量比值大于或等于3時,對條形基礎和矩形基礎,上式中的值可按式簡化計算：式中：b——矩形基礎和條形基礎底邊的寬度<m>；——矩形基礎底邊的長度<m>；——基埋深范圍內(nèi)土的加權平均重度,地下水位以下取浮重度〔；z——基礎底面至軟弱下臥層頂面的距離<m>；——為地基壓力擴散角,可按表4采用；表4地基壓力擴散角0.250.5035106°10°20°23°25°30°注：①為上層土壓縮模量,為下層土壓縮模量；②時取,必要時,宜由試驗確定；時值不變。選擇基礎底面尺寸后,必要時還要對地基的變形或穩(wěn)定性進行驗算。3.地基變形驗算：《建筑地基基礎設計規(guī)范》〔GB50007—2002按不同建筑物的地基變形特征,要求：建筑物的地基變形計算值,不應大于地基變形允許值,即：式中——地基變形計算值,為地基廣義變形值,可分為沉降量、沉降差、傾斜和局部傾斜等；——地基變形允許值,它是根據(jù)建筑物的結構特點,使用條件和地基土的類別而確定的,其值請參見《建筑地基基礎設計規(guī)范》〔GB50007—2002中的表。對于因建筑地基不均勻、荷載差異大及體形復雜等因素引起的地基變形,在砌體承重結構中應由局部傾斜控制；在框架結構和單層排架結構中應由相鄰柱基的沉降差控制；在多層、高層建筑和高聳結構中應由傾斜值控制。一般建筑物在施工期間完成的沉降量,對于砂土可認為其最終沉降量已基本完成,對于低壓縮性粘性土可認為已完成最終沉陷量的50％～80%,對于中壓縮粘性土可認為已完成20％～50%,對于高壓縮粘性土可認為已完成5％～20％。根據(jù)預估的沉降量,可預留建筑物有關部分之間的凈空,考慮連接方法和施工順序等。4.基礎高度的確定：圖2中心受壓柱基礎底板厚度的確定基礎高度由柱邊抗沖切破壞的要求確定,設計時先假設一個基礎高度h,然后再驗算抗沖切能力。中心荷載作用下：式中——受沖切承載力截面高度影響系數(shù),當時,取1.0；當時,取0.9；其間按線性內(nèi)插法取用；——混凝土軸心抗拉強度設計值〔；——基礎沖切破壞錐體的有效高度〔；——沖切破壞錐體最不利一側(cè)計算長度〔；——沖切破壞錐體最不利一側(cè)斜截面的上邊長,當計算柱與基礎交接處的受沖切承載力時,取柱寬；當計算基礎變階處的受沖切承載力時,取上階寬；——沖切破壞錐體最不利一側(cè)斜截面在基礎底面積范圍內(nèi)的下邊長,當沖切破壞錐體的底面落在基礎底面以內(nèi)〔圖2b,計算柱與基礎交接處的受沖切承載力時,取柱寬加兩倍基礎有效高度；當計算基礎變階處的受沖切承載力時,取上階寬加兩倍該處的基礎有效高度。當沖切破壞錐體的底面在方向落在基礎底面以外,即時〔圖2c>,；——扣除基礎自重及其上土重后相應于荷載效應基本組合時的地基土單位面積凈反力；——沖切驗算時取用的部分基底面積〔圖2b、c中的陰影面積；——相應于荷載效應基本組合時作用在上的地基土凈反力設計值。偏心荷載作用下：與中心荷載作用下基礎底板厚度計算基本相同,只需將公式中的用基礎邊緣處最大地基土單位面積凈反力代替即可；式中：——凈偏心距,5.基礎底板配筋由于單獨基礎底板在地基凈反力作用下,在兩個方向均發(fā)生彎曲,所以兩個方向都要配受力鋼筋。鋼筋面積按兩個方向的最大彎矩分別計算。圖3中心受壓柱基礎底板配筋計算〔a椎形基礎；〔b階梯形基礎中心荷載作用下:圖3中各種情況的最大彎矩計算公式：〔a柱邊〔I-I截面：〔b柱邊〔Ⅱ-Ⅱ截面：〔c階梯高度變化處〔Ⅲ—Ⅲ截面：〔d階梯高度變化處〔IV-IV截面：根據(jù)以上所算截面彎矩及對應的基礎有效高度,按《混凝土結構設計規(guī)范》〔GB50010—2002正截面受彎構件承載力計算公式,可以求出每邊所需鋼筋面積,或按下式簡化計算：偏心荷載作用下：圖4偏心受壓柱基礎底板厚度計算圖5偏心受壓基礎底板配筋計偏心受壓基礎底板配筋計算時,只需將中心受壓計算公式中的換成偏心受壓時柱邊〔或變階面處基底設計反力〔或與的平均值〔或即可〔圖4、5。五、現(xiàn)澆柱下獨立基礎構造要求1.基礎邊緣高度：錐形基礎邊緣高度一般不小于200mm,階梯形基礎每個臺階高度一般為300～500mm。2.基底墊層：墊層厚度不宜小于70mm,墊層混凝土強度等級應為C10；常做100mm厚C10素混凝土墊層,每邊各伸出基礎100mm。3.鋼筋：底板受力鋼筋直徑不小于10mm,間距不大于200mm,也不宜小于100mm；當基礎的邊長大于或等于2.5m時,底板受力鋼筋長度可減短10%,并宜均勻交錯布置。4.底板鋼筋的保護層：當有墊層時不小于40mm,無墊層時不小于70mm。5.混凝土：混凝土強度等級不應低于C20。圖6擴展基礎構造的一般要求〔a椎形基礎；〔b階梯形基礎；〔c鋼筋配置6.基礎插筋：現(xiàn)澆柱基礎中應留出插筋,插筋在柱內(nèi)的縱向鋼筋連接以優(yōu)先采用焊接或機械連接的接頭,插筋在基礎內(nèi)應符合下列要求：〔1插筋的數(shù)量、直徑、以及鋼筋種類應與柱內(nèi)的縱向受力鋼筋相同?！?插筋錨入基礎的長度等應滿足有關規(guī)范要求?！?基礎中插筋至少需分別在基礎頂面下100mm和插筋下端設置箍筋,且間距不大于800mm,基礎中箍筋直徑與柱中同〔圖7。圖7現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱與基礎連接基礎工程課程設計參考例題題目：柱下獨立基礎課程設計指導教師：張玲玲西南科技大學土木工程與建筑學院20獨立基礎課程設計實例取任務書中題號9A軸荷載作為實例,說明獨立基礎的設計方法。一、設計資料9號題A軸柱底荷載：①柱底荷載效應標準組合值：,,；②柱底荷載效應基本組合值：,,。持力層選用③號粘土層,承載力特征值kPa,框架柱截面尺寸為500×500mm,室外地坪標高同自然地面,室內(nèi)外高差450mm。二、獨立基礎設計1.選擇基礎材料：C25混凝土,HPB235鋼筋,預估基礎高度0.8。2.基礎埋深選擇：根據(jù)任務書要求和工程地質(zhì)資料,第一層土：雜填土,厚0.5,含部分建筑垃圾；第二層土：粉質(zhì)粘土,厚1.2,軟塑,潮濕,承載力特征值=130kPa第三層土：粘土,厚1.5,可塑,稍濕,承載力特征值=180kPa第四層土：全風化砂質(zhì)泥巖,厚2.7,承載力特征值=240kPa地下水對混凝土無侵蝕性,地下水位于地表下1.5。取基礎底面高時最好取至持力層下0.5,本設計取第三層土為持力層,所以考慮取室外地坪到基礎底面為。由此得基礎剖面示意圖如下：圖1基礎剖面示意圖3.求地基承載力特征值根據(jù)粘土,,查表2.6得,基底以上土的