基础工程课程设计指导书

《基础工程》课程设计指导书

一、课程设计的目的、内容

《基础工程》课程设计是《土力学》、《基础工程》后的实践性教学环节，是教学计划中的一个有机组成部分；是培养学生综合运用所学各门课程的基本理论、基本知识和基本技能，以分析解决实际工程问题能力的重要步骤；是学生巩固并灵活运用所学专业知识的一种比较好的手段；也是锻炼学生理论联系实际能力和提高学生工程设计能力的必经之路。

本课程设计主要包括柱下独立基础设计、柱下条形基础设计和桩基础设计三部分内容。由于时间限制，在设计过程中，学生只需进行其中一项。

二、课程设计的任务及要求

1、任务

（1）柱下独立基础课程设计的任务包括：①基础埋置深度的确定；②基础底面尺寸的确定；③对基础进行结构内力分析、强度计算；④确定基础高度；⑤确定配筋计算并满足构造设计要求；⑥编写设计计算书；⑦绘制基础平面图及施工图并给出必要的技术说明。

（2）桩基础设计的任务包括：①确定桩长及截面尺寸；②确定单桩承载力特征值；③确定桩数并进行桩的布置；④桩身和承台计算并满足构造设计要求；⑤编写设计计算书；⑥绘制桩基础平面布置图及施工图并给出必要的技术说明。

2、要求

（1）柱下独立基础设计的要求：掌握基础埋置深度的确定原则、基础底面尺寸的确定方法、内力计算方法、配筋计算方法及绘制基础平面图、施工图的技巧。

（2）桩基础设计的要求：掌握桩基础设计过程中的桩长、截面尺寸确定原则、单桩承载力特征值计算方法、桩数确定方法及承台设计方法，了解构造要求，掌握桩基础平面布置图及施工图绘制方法，并能给出必要的设计说明。

第一部分：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、建筑布置以及上部结构类型等）和工程地质条件（建筑场地、地基岩土和气候条件等），结合考虑其他方面的要求（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。

3、计算地基承载力特征值载力特征值

。

，并经深度和宽度修正，确定修正后的地基承

4、根据上部结构作用在基础顶面的荷载及经深度和宽度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、基础细部结构的构造设计。 10、绘制基础施工图。

如果上述步骤1-7中有不满足要求的情况时，可对基础设计进行调整，例如采取加大基础埋深或加大基础宽度等措施，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，可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1.1选用。

表1.1 地基基础设计等级

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1.2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：

1）地基承载力特征值小于

，且体型复杂的建筑。

2）在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。

3）软弱地基上的建筑物存在偏心荷载时。 4）相邻建筑距离过近，可能发生倾斜时。

5）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1.2 可不作地基变形计算的设计等级为丙级建筑物范围

注：①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）;

②地基主要受力层中如有承载力特征值小于130kpa的土层时，表中砌体承重结构的设计，应符合地基规范第七章的有关要求；

③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；

④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以下规定采用：

（1）按地基承载力确定基础底面积及埋深或按单桩承载力确定桩数时，传于基础或承台底面上的荷载效应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或单桩承载力特征值。

（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。相应的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，荷载效应按承载能力极限状态下荷载效

应的基本组合，但其荷载分项系数为1.0。

（4）在确定基础或桩台亮度、支挡结构截面、计算基础或支挡结构内力、确定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，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的荷载分项系数。

当需要验算基础裂缝宽度时，应按正常使用极限状态荷载效应标准组合。

（5）结构重要性系数γ0取值不应小于1.0。 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，采用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，从载荷试验或其他原位测试、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、埋置深度的地基承载力修正系数，按基底下土的类别查

表1.3取用。

——基底以下土的重度，地下水位以下取浮重度

，kN/m3。

——基底以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度，kN/m3。

——基础底面宽度，m，当宽度小于3m时按3m取值，当宽度大于6m时按

6m取值；

——基础埋置深度，m，当埋置深度小于0.5m时按0.5m取值。 基础埋置深度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，当采用箱形基础或筏形基础时，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1.3 承载力修正系数

注：1、强风化和全风化的岩石，可参照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《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）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》（GB50007-2002）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 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——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

值，kPa；

——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力

可得

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20kN/m3，地下水位以下取10k

N/m3；

——基础平均埋置深度，m；

——基底面积，m2。、

按上式计算出A后，先选定b或l，再计算另一边长，使A=lb，一般取l/b=1.0~2.0。

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fa，但fa值又与基础底面尺寸A有关，也即上式中的A与fa都是未知数，因此，可能药通过反复试算确定。在计算时，可先对地基承载力只进行深度修正，计算f

a

值；然后按计算所得的A=lb，考虑是否需要进行宽度修正，使得A、fa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为

其中

当偏心距时，基础边缘的最大压力按下式计算：

其中

式中 Mk——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，kNm;

W——基础底面的抵抗矩，m3； ek——偏心距，m；

l——力矩作用方向的矩形基础边长，m；

b——垂直于力矩作用方向的矩形基础底面边长，m； a——偏心荷载作用点至最大压力作用边缘的距离，m。

偏心荷载作用下，按下列步骤确定基础底面尺寸：

1）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。 2）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的长度和宽度，即取基础宽度b为

其中

。

式中 ——基础的长宽比，对矩形截面，一般取

3）由调整后的基础底面尺寸计算基底最大压力使其满足

和

和最小压力，并

的要求。如果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

。

，但对于低压

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的承载力（见图1.1）：

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。

当上层土与下卧土层的压缩模量比值大于等于3时，对条形基础和矩形基础，上式中的

值可按下式进行简化计算：

式中

——矩形基础和条形基础底边的宽度，m；

——矩形基础底边的长度

kN/m3；

——基础埋置深度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；

——地基压力扩散角，可按表1.4采用。

表1.4 地基压力扩散角θ

注：1、Esl为上层土压缩模量；Es2为下层土压缩模量；

2、z/b<0.25时取θ=0°，必要时，宜由试验确定；z/b>0.50时θ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》（GB50007-2002）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，其值参见《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）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，对于低压缩性粘土可认为已完成最终沉降量的50%~80%，对于中压缩性粘性土可认为已完成20%~50%，对于高压缩性粘性土可认为已完成5%~20%。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、基础底板厚度的确定

基础底板厚度由柱边抗冲切破坏的要求确定。设计时先假定一个基础底板厚度h，然后再验算抗冲切能力。对于矩形基础，柱短边一侧冲切破坏较柱长边一侧危险，所以一般只需根据短边一侧冲切破坏条件来确定底板厚度，即要求对矩形截面柱的矩形基础，应验算柱与基础交接处[见图1.2（a）]以及基础变阶处的受冲切承载能力。

（1）中心荷载作用下

在中心荷载F作用下，按以下公式验算：

其中

式中

——受冲切承载力截面高度影响系数，当

时，

时取1.0

，当

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，N/mm2；

——基础冲切破坏锥体的有效高度，m；

——冲切破坏锥体最不利一侧计算长度，m；

——冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长，m，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，m

{当冲切破坏锥体的底面落在基础底面以内（见图1.2b）：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l方向落在基础底面以外，即

（见图1.2c）：ab=b}；

——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，对偏心受压基础可取基础边缘处最大地基土单位面积净反力，N/mm2；

m2；

——冲切验算时取用的部分基底面积（见图1.2b、c中的阴影面积），

N；

——相应于荷载效应基本组合时作用在Al上的地基土净反力设计值，k

——相应于荷载效应基本组合时，上部结构传至基础顶面处的竖向荷载

值，kN。

（2）偏心荷载作用下

偏心荷载作用下基础底板厚度计算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（见图1.3）：

其中

式中 ——净偏心距；

——相应于荷载效应基本组合时，上部结构传至基础底面处的力矩值，

kNm。

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，所以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。

（1）中心荷载作用下

图1.4中各种情况的最大弯矩计算公式如下：

1）柱边（I-I截面）：

2）柱边（II-II截面）：

3）阶梯高度变化处（III-III截面）：

4）阶梯高度变化处（IV-IV截面）：

根据以上所算截面弯矩M及对应的基础底板有效高度h0，按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）正截面受弯构件承载力计算公式，可以求出每边所需钢筋面积，也可按下式简化计算：

式中

——每1m长基础底板受力钢筋截面面积，mm2；

——钢筋抗拉强度设计值，N/mm2。

注意：实际计算时，将各数值代入上式时的单位应统一，即M的单位取Nmm/m，h0的单位取mm，fy的单位取N/mm2，As的单位取mm/m。

（2）偏心荷载作用下

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pn换成偏心受压时柱边处（或变阶面处）基底设计反力

（

）与

的平均值

2

[或]即可（见图1.3、图1.5）。

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300~500mm。

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后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

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C25。

扩展基础构造的一般要求如图1.6所示。 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（见图1.7）。

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