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天然地基的基礎設計有哪些方法?

基礎的上方為上部結構的墻、柱,而基礎底面以下則為地基土體。基礎承受上部結構的作用並對地基表面施加壓力(基底壓力),同時,地基表面對基礎產生反力(地基反力)。兩者大小相等,方向相反。

基礎所承受的上部荷載和地基反力應滿足平衡條件。地基土體在基底壓力作用下產生附加應力和變形,而基礎在上部結構和地基反力的作用下則產生內力和位移,地基與基礎互相影響、互相制約。進壹步說,地基與基礎之間,除荷載的作用外,還與它們抵抗變形或位移的能力有著密切關系。而且,基礎及地基也與上部結構的荷載和剛度有關,即地基、基礎和上部結構是互相影響、互相制約的。它們原來互相連接或接觸的部位,在各部分荷載、位移和剛度的綜合影響下,壹般仍然保持連接或接觸,墻柱底端位移、該處基礎的變位和地基表面的沈降相壹致,滿足變形協調條件。上述概念可稱為地基—基礎—上部結構的相互作用。為了簡化計算,在工程設計中,通常將上部結構、基礎和地基三者分離開來,分別對三者進行計算:視上部結構底端為固定支座或固定鉸支座,不考慮荷載作用下各墻柱端部的相對位移,並按此進行內力分析;而對基礎與地基,則假定地基反力與基底壓力呈直線分布,分別計算基礎的內力與地基的沈降。這種傳統的分析與設計方法,可稱為常規設計法。

這種設計方法,對於良好均質地基上剛度大的基礎和墻柱布置均勻、作用荷載對稱且大小相近的上部結構來說是可行的。在這些情況下,按常規設計法計算的結果,與進行地基-基礎-上部結構相互作用分析的差別不大,可滿足結構設計可靠度的要求,並已經過大量工程實踐的檢驗。基底壓力壹般並非呈直線(或平面)分布,它與土的類別性質、基礎尺寸和剛度以及荷載大小等因素有關。在地基軟弱、基礎平面尺寸大、上部結構的荷載分布不均等情況下,地基的沈降和應力將受到基礎和上部結構的影響,而基礎和上部結構的內力和變位也將調整。如按常規方法計算,墻柱底端的位移、基礎的撓曲和地基的沈降將各不相同,三者變形不協調,且不符合實際。而且,地基不均勻沈降所引起的上部結構附加內力和基礎內力變化,未能在結構設計中加以考慮,因而也不安全。

只有進行地基-基礎-上部結構的相互作用分析,才能合理進行設計,做到既降低造價又能防止建築物遭受損壞。目前,這方面的研究工作已取得進展,人們可以根據某些實測資料和借助電子計算機,進行某些結構類型、基礎形式和地基條件的相互作用分析,並在工程實踐中運用相互作用分析的成果或概念。

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