专题讲解地基基础设计的底层逻辑

一、为什么会有独立基础？

我们先想一下：①为什么主体要做独立基础？②独立基础的概念设计都包含哪些知识？

我们先举一个通俗易懂的例子： 大家看下面这只喵星人为什么会陷到雪里去呢？

我们根据力学原理都知道，物体所受压力的大小与受力面积之比叫做压强，压强用来比较压力产生的效果，压强越大，压力的作用效果越明显。

压强的计算公式是：p=F/S

它12斤的体重要通过它四条粗壮的小腿传到雪地上，但由于爪子的着地面积s太小，接触面的压强p过大，就使它陷了进去。

那我们怎么才能拯救喵星人呢？

我们看下图的小baby,他为何能稳稳的站在雪地上还滑行自如，因为他脚下的滑板与雪地的接触面积大，他的体重除以接触面积，压强算下来就很小了。

 

根据以上思路，我们回到结构设计本身，假设这里有个两层的框架结构，柱截面为600mm*600mm,跨度为7200mm*7200mm，假设土的承载力为200KPa，试问这两层的小框架能直接扎进土里吗？接下来，我们结合力学知识探讨一下：

我们先看一下《高规》5.1.8的条文说明中，钢筋混凝土结构单位面积重力：

我们都知道红色框区域为柱子的负荷区域，此区域的荷载都传递给了柱子，柱子受荷面积取中线范围内的荷载，该区域面积为

7.2*7.2m=51.84m2

根据《高规》5.1.8条文说明中框架结构单位面积的取值，我们取值为12KN/m2，按单层考虑，所以得出这颗柱子承担的荷载为

F1=51.84*12=622.08KN

那两层传递给柱子的荷载为

Fn=622.02*2=1244.16KN

柱截面为600*600的情况下，柱子底部平均每平方米接受的荷载为

F/A=1244.16/（0.6*0.6）=3822.3KN/m2

显然把柱子直接插到土里面对于土来说，是承担不了3822.3KN/m2的力，根据上面的计算公式来看，上部荷载Fn是不变的，要使地基土不破坏，就要保证增大受力面积，直到增加之后，这个数值小于200Kpa就可以了。相当于给每个柱子下面穿上雪橇，增大了结构体跟地面的接触面积，减小了接触面的压强，这样一个个“雪橇”承担起房屋的荷载， 所以独立基础应运而生 。

那么新的问题来了，如果楼很高呢？

我们按照刚才的逻辑往下来分析，假设土质还不错比如粘性土，在有一定的承载力的情况下，如果这个框架结构很高或者说这是个框架剪力墙结构柱子荷载很大的情况，如果继续按照独立基础来做就会发现独基的面积就会很大，几乎整片面积相连重叠，那么我们不如就把整片基础连起来，它就像一个大竹筏一样，承载着整个房子， 所以筏板基础应运而生 。

那只能做筏板基础吗？

我们说到剪力墙结构，大家第一反应该都是做筏板基础，其实不然。假设这里有一个十层的剪力墙结构，荷载算下来又不是很大的情况，那么根据刚才的原理，是不是就可以把“雪橇”连成条，这就是墙下条形基础，相比较做整块筏板要经济许多。所以说作为结构工程师，不要用固有的思维来做项目，还是要具体情况具体分析。

确定了基础形式，如何计算基础底面积呢？

我们有了“雪橇”新的问题就来了，宝宝的雪橇大人站上去可能还是会陷到雪里去，也就是说，大人需要滑雪之前需要配置一个面积更大的雪橇。同理，我们拿到一个建筑的时候，第一步算的就是基础底面积。那如何计算面积呢？我们还是借助雪橇进行思考。

大人在配置雪橇的时候，不仅仅要按照自己的体重去购买，还要加上身上滑雪服等装备的重量，然后去实配合适的雪橇。顺着这个思路，大家思考一下我们在计算独基底面积的时候，不仅仅要计算上部柱子传下来的荷载以及独基的自重，独基上土的重量也要加进来。

我们看一下《建筑地基基础设计规范》5.2条关于承载力的验算。在计算力的时候是Fk Gk的和，也就是标准组合（这里不展开讲为什么用标准组合）下上部结构传至基础顶面的竖向力 基础自重 基础上的土的重量的和来计算底面积。

同理，偏心的情况也是与上述方式相同，只是有个1.2倍的放大系数，这里就不展开讲了，具体可以看一下5.2条承载力计算的相关内容。

小干货1： 算基础底面积要用标准组合，同时要包括基础自重以及基础上土的重量。

 

二：独立基础的配筋逻辑

做设计的时候我们都知道主体的传力形式是上部荷载传到柱子，柱子传给基础，基础在传给土，然后土承受住了“一切”，让楼稳稳的站在地面上。那有人就会问，为什么做独立基础的时候，钢筋要画在底部呢？这时候我们要先回想一下悬挑梁的概念。

我们都知道悬挑梁上部钢筋受拉，下部钢筋受压，悬挑梁根部弯矩最大，在悬挑梁的上部需要配置抗拉钢筋。假设把喵星人放在悬挑板上，他的自重加上地球引力的作用，悬挑板的受拉面还是在上侧。我们刚才讲到土要承受“一切”，那土自然就会产生一个土反力施加到独立基础上，这时候柱子就作为了独立基础底板的支撑，在柱根处弯矩达到最大。这时的独立基础，就相当于一个倒过来的“悬挑板”，所以独基的受拉侧在底部，在独立基础底部要配置受拉钢筋。

大家可以回去思考一下，地基梁是否也跟独立基础的受力模式一样呢？这里要着重说明一下，地基梁和拉梁是两个概念，我们这里认为拉梁在正负零处，拉梁的受力模型还是与上部结构的框架梁相同，是不承担地基土的反力的。拉梁的作用前面公开课有讲到，这里不在赘述，可以联系范老师要相关的视频。

 

三：独立基础的冲切：

基础高度由混凝土抗冲切承载确定。在柱荷载作用下，如果基础高度（或阶梯高度）不足，则将沿柱周边（或阶梯高度变化处）产生冲切破坏，形成45°斜裂面的锥体，称为冲切破坏锥体。

在基础荷载作用下，地基发生连续剪切滑动面的一种地基破坏形式。其破坏特征是，当基础荷载达到某一数值时,首先在基础边缘的土体发生剪切破坏，随着荷载的增加，剪切破坏区不断扩大，最后在地基中形成连续的滑动面，基础急剧下沉并向一侧倾倒，基础两侧的地面向上隆起。

 

之前发表过一篇关于地基承载力知识点总结，大家可以点击链接查看， 干货 | 地基承载力知识点总结 ， 这里不在重复。

思考： 了解完独基的冲切原理，大家回去想一想，筏板的冲切以及桩基础的冲切的原理，做到举一反三。 欢迎大家在评论区讨论

四：桩基础的概念设计：

桩基础是通过承台把若干根桩的顶部联结成整体，共同承受动静荷载的一种深基础，而桩是设置于土中的竖直或倾斜的基础构件，其作用在于穿越软弱的高压缩性土层或水，将桩所承受的荷载传递到更硬、更密实或压缩性较小的地基持力层上，我们通常将桩基础中的桩称为基桩。 

《建筑地基基础设计规范》8.5.6单桩竖向承载力特征值的确定应符合下列规定：

承台：指的是为承受、分布由墩身传递的荷载，在桩基顶部设置的联结各桩顶的钢筋混凝土平台。承台简化受力原理与独基相似，同为受弯构件，所以受力钢筋同样要画在底部。

作为一名结构工程师，我们不仅要会画图会识图，更要弄懂结构设计的底层逻辑，对结构设计有较清晰的认知，从而触类旁通。

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