1、第二章 天然地基上的浅基础,基础工程,主要内容,引言第一节 天然地基上浅基础的类型及构造第二节 基础埋置深度的确定及刚性扩大基础尺寸的拟定第三节 刚性扩大基础的验算 第四节 刚性扩大基础施工第五节 板桩墙围堰的计算 back,浅基础 埋入地层深度较浅 5m 结构形式和施工方法复杂 设计计算时需考虑基础侧面土体的影响 深水基础 采用深水围堰清除覆盖层 按浅基础形式将基础直接放在基岩上 施工方法较复杂,back,一、浅基础常用类型及适用条件 刚性基础 柔性基础二、浅基础的构造 (一)刚性扩大基础 (二)单独和联合基础 (三)条形基础(四)筏板和箱形基础,概念：,当基础在外力(包括基础自重)作用下，
2、基底承受着强度为的地基反力，基础的悬出部分,a-a断面左端，相当于承受着强度为的均布荷载的悬臂梁；在荷载作用下a-a断面将产生弯曲拉应力和剪应力。基础污工具有足够的截面使材料的容许应力大于由地基反力产生的弯曲拉应力和剪应力时，a-a断面不会出现裂缝，这时，基础内不需配置受力钢筋，这种基础称为刚性基础。,优点： 稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载。缺点： 自重大，并且当持力层为软弱土时，由于扩大基础面积有一定限制，需要对地基进行处理或加固后才能采用，否则会因所受的荷载压力超过地基强度而影响结构物的正常使用。,适用条件： 只要地基强度能满足要求，它是桥梁和涵洞等结构物首先考虑的基础形式。对于荷载
3、大或上部结构对沉降差较敏感的结构物，当持力层的土质较差又较厚时，不适宜的。,常用材料：,混凝土 抗压强度高、耐久性好，任意形状，标号不小于15号。 对于大体积混凝土基础，为了节约水泥用量，可掺入不多于砌体体积25%的片石(称片石混凝土)但片石的强度标号不应低于25号，也不应低于混凝士标号。粗料石 石料外形大致方整，厚度约20cm 30cm，宽度和长度分别为厚度1.01.5和2.54.0倍,石料标号不应小于25号，砌筑时应错缝，一般采用5号水泥砂浆。 片石 小桥涵基础，厚度不小于l5cm，不小于25号，5号或2.5号砂浆,back,概念：基础在基底反力作用下，在a-a断面产生弯曲拉应力和剪应力若
4、超过了基础圬工的强度极限值，为 了防止基础在a-a断面开裂甚至断裂，必须在基础中配置足够数量的钢筋。,优点：它整体性能较好，抗弯刚度较大。在外力作用下只产生均匀沉降或整体倾斜，这样对上部结构产生的附加应力比较小，基本上消除了由于地基沉降不均匀引起结构物损坏的影响。 缺点：钢筋和水泥的用量较大，施工技术的要求也较高。 适用条件：土质较差的地基上修建高层建筑时，采用这种基础形式是适宜的。 材料：钢筋混凝土灌筑 形式：柱下扩展基础、条形、十字形基础、筏板及箱形,back,地基强度低 墩台、墙、柱强度高 基础平面尺寸扩大 刚性扩大基础,单独和联合基础,条形基础,筏板和箱形基础,back,一、基础埋置深
5、度的确定(一)地基的地质条件 (二)河流的冲刷深度 (三)当地的冻结深度 (四)上部结构型式 (五)当地的地形条件 (六) 最小埋置深度简例二、刚性扩大基础尺寸的拟定（主要根据基础埋置深度确定基础平面尺寸和基础分层厚度）基础厚度 基础平面尺寸襟边 刚性角 back,要求： 变形较小，而强度又比较大的持力层，以保证地基强度满足要求，而且不致产生过大的沉降或沉降差。此外还要使基础有足够的埋置深度，以保证基础的稳定性，确保基础的安全。考虑因素： 地基的地质、地形条件、河流的冲刷程度、当地的冻结深度、上部结构形式，以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。,back,岩石地基： 覆盖
6、土层较薄的岩石地基： 一般应清除覆盖土和风化层后，将基础直接修建在新鲜岩面上。 如岩石的风化层很厚： 难以全部清除时，基础放在风化层中的埋置深度应根据其风化程度、冲刷深度及相应的容许承载力来确定。 岩层表面倾斜时： 不得将基础的一部分置于岩层上，而另一部分则置于土层上，以防基础因不均匀沉降而发生倾斜甚至断裂。 在陡峭山坡上修建桥台： 还应注意岩体的稳定性。,(一)地基的地质条件,(一)地基的地质条件,back,非岩石地基： 压缩层范围内为均质土: 基础埋置深度除应满足冲刷、冻胀等要求外，可根据荷载大小，由地基土的承载能力和沉降特性来确定(同时考虑基础需要的最小埋深)。 地层为多层土: 对大中型
7、桥梁、结构物基础持力层的选定，应通过较详细计算或方案比较后确定。,墩台修建 , 流水面积压缩，流速增加 ，水流冲刷河床 ， 防止桥梁墩、台基础四周和基底下土层被水流掏空冲走以致倒塌，基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下一定的深度，以保证基础的稳定性。小桥涵的基础底面应设置在设计洪水冲刷线以下不小于lm。基础在设计洪水冲刷总深度以下的最小埋置深度不应是一个定值 -河床地层的抗冲刷能力 -计算设计流量的可靠性 -选用计算冲刷深度的方法 -桥梁的重要性 -破坏后修复的难易程度等因素有关,(二)河流的冲刷深度,大、中桥基础的基底在设计洪水冲刷总深度以下的最小埋置深度见表2-1 计算冲刷深度时，应考虑
8、可能产生的不利因素：水利规划使河道变迁、水文资料不足。河床为变迁性和不稳定河段等时，上列数值应适当加大。 覆盖土层较薄的岩石地基，河床冲刷严重的大桥桥墩基础，基础应置于新鲜岩面或弱风化层中并有足够埋深，以保证其稳定性。也可用其它锚固等的措施，使基础与岩层能联成整体，以保证整个基础的稳定性。 风化层较厚，在满足冲刷深度要求下，一般桥梁的基础可设置在风化层内，此时，地基各项条件均按非岩石考虑。 back,(二)河流的冲刷深度,考虑冲刷时大、中桥梁基础基底最小埋置深度(m),back,(三)当地的冻结深度,公路基规规定 当上部结构为超静定结构时，基底应埋置在最深冻结线以下不小于0.25m；对静定结构
9、的基础，一般也按此要求，但在冻结较深地区，为了减少基础埋深，有些类别的冻土经计算后也可将基底置于最大冻结线以上。,产生冻胀的原因？,冬季气温下降，当地面下一定深度内土中的温度达到冰冻温度时，土中孔隙水分开始冻结，体积增大，使土体产生一定的隆胀。 如土温在较长时间内保持在冻结温度以下，水分能从未冻结土层不断地向冻结区迁移，引起地基的冻胀和隆起，这些都可能使基础遭受损坏。为了保证结构物不受地基土季节性冻胀的影响，除地基为非冻胀性土外，基础底面应埋置在天然最大冻结线以下一定深度。,back,(四)上部结构型式,上部结构的型式不同，对基础产生的位移要求也不同。 对中、小跨度简支梁来说，这项因素对确定基
10、础的理直深度影响不大。 对超静定结构 ， 便基础发生较小的不均匀沉降也会使内力产生一定变化。 如对拱桥桥台，为了减少可能产生的水平位移和沉降差值，有时需将基础设置在埋 藏较深的坚实上层上。back,当墩台、挡土墙等结构位于较陡的土坡上，在确定基础埋深时，还应考虑土坡连同结构物基础一起滑动的稳定性。 确定地基承载力时，是按地面为水平的情况下确定的，因而当地基为倾斜土坡时，应结合实际情况，予以适当折减并采取以下措施。 基础位于较陡的岩体上，可将基础做成台阶形，但要注意岩体的稳定性。,(五)地形条件,基础前缘至岩层坡面间必须留有适当的安全距离，（持力层岩石、土的类别及斜坡坡度）根据挡土墙设计要求，基
11、础前缘至斜坡面间的安全距离l及基础嵌入地基中的深度h与持力层岩石(或土)类的关系见表2-2。 但具体应用时，因桥梁基础承受荷载比较大，而且受力较复杂，采用表列，值宜适当增大，必要时应降低地基容许承载,back,地表土在温度和湿度的影响下，会产生一定的风化作用，其性质是不稳定的。加上人类和动物活动以及植物的生长作用，也会破坏地表土层的结构，影响其强度和稳定，所以一般地表土不宜作为持力层。为了保证地基和基础的稳定性，基础的理置深度(除岩石地基外)应在天然地面或无冲刷河流的河底以下不小于lm。 除此以外，在确定基础埋置深度时，还应考虑相邻结构物的影响，如新结构物基础比原有结构物基础深，则施工挖土有可
12、能影响原有基础的稳定。施工技术条件(施工设备、排水条件、支撑要求等)及经济分析等对基础埋深也有一定影响，这些因素也应考虑。 上述影响基础埋深的因素也适用于其它类型的基础(如沉井基础)。 back,(六)最小埋置深度,back,应根据墩、台身结构形式，荷载大小，选用的基础材料等因素来确定。,back,基底标高应按基础埋深的要求确定。 水中基础顶面一般不高于最低水位，在季节性流水的河流或旱地上的桥梁墩、台基础，则不宜高出地面，以防碰损。,基础厚度可按上述要求所确定的基础底面和顶面标高求得。在一般情况下，大、中桥墩、台混凝土基础厚度在1.02.0m左右。,基础平面形式一般应考虑墩、合身底面的形状而确
13、定，基础平面形状常用矩形。 基础底面长宽尺寸与高度有如下的关系式(图2-9) a=l+2Htg b=d+2Htg 式中： l-墩、台身底截面长度(m); d- 墩、台身底截面宽度(m); H- 基础高度(m); -墩、台身底截面边缘至基础边缘连线与垂线间的夹角。,back,定义： 刚性扩大基础的剖面形式一般做成矩形或台阶形，自墩、台身底边缘至基顶边缘的距离c称襟边。作用： 一方面是扩大基底面积增加基础承载力，同时也便于调整基础施工时在平面尺寸上可能发生的误差，也为了支立墩、合身模板的需要。取值： 应视基底面积的要求、基础厚度及施工方法而定。桥梁墩台基础襟边最小值为20cm-30cm。 基础较厚
14、(超过lm以上)时，可将基础的剖面浇砌成台阶形,back,基础悬出总长度(包括襟边与台阶宽度之和)按前面刚性基础的定义，应使悬出部分在基底反力作用下，在a-a截面所产生的弯曲拉应力和剪应力不超过基础污工的强度限值。所以满足上述要求时，就可得到自墩台身边缘处的垂线与基底边缘的联线间的最大夹角max，称为刚性角。 在设计时，应使每个台阶宽度ci与厚度ti保持在一定比例内，使其夹角i时，1-e0/0，这时,min1时，为基底平均压应力，当z/b2m或h3m，且h/b4时，上述一般地基土(除冻土和岩石外)的容许承载力可按下式计算: = 0+K11(b-2)+K22(h-3) 0-当b 2m或h 3m时
15、，地基土容许承载力，直接从规范查取，一般粘性土和砂土地基容许承 载力如表2-3和表2-4 ; b-基础验算剖面底面最小边宽(或直径)(m)，当bl0m时，按l0m计算; h -基础底面的埋置深度(m)，对于受水流冲刷的基础，由一般冲刷线算起;不受水流冲刷的基础，由天然地面算起，位于挖方内的基础，由开挖后地面算起,当h3m或d0.5m，除岩石地基外，地基承载力的设计值按下式计算: f= fk+b(b-3)+d0(d-0.5) f - 地基承载力的设计值； f k- 地基承载力的标准值； b -基础底面宽度(m)，当b6m时，按6m计算; d -基础底面的埋置深度(m)，室外地面标高算起； - 基
16、底下持力层土的天然容重; 0- 基底以上土的容重(如为多层土时用换算容重）; b ， d - 基础宽度和深度方面的修正系数。,f k- 地基承载力的标准值；,f k ff,f - 地基承载力的基本值；,f - 回归修正系数,f 1（2.88/ n +7.918/n2) - 变异系数 / - 据以查表的某一土性指标的试验平均值 - 标准差有两个指标时 1 2 - 第二个指标的折算系数,back,back,墩、台基础的设计计算，必须控制基底合力偏心距，避免墩、台发生倾斜，影响正常使用。若使合力通过基底中心，虽然可得均匀的应力，但这样做非但不经济，往往也是不可能的，所以在设计时按以下原则掌握。 对于
17、非岩石地基，以不出现拉应力为原则： 当墩、台仅受恒载作用时， e0 0.1(桥墩)e00.75 (桥台) 当墩、台受荷载组合、IV时， e0(作用时间短) 岩石地基上的基础，可以允许出现拉应力，根据岩石的强度 e0=1.21.5 其中: 基底以上外力合力作用点对基底形心轴的偏心距e0按下式计算： e0=M/N 墩、台基础基底截面核心半径按下式计算： =W/A 当外力合力作用点不在基底二个对称轴中任一对称轴上，或当基底截面为不对称时，可直接按下式求e0与的比值，使其满足规定的要求: e0/=1-maxA/N,back,基础倾覆或倾斜原因： 地基的强度和变形， 较大的单向水平推力而其合力作用点又离
18、基础底面的距离较高： 如挡土墙或高桥台受侧向土压力作用 大跨度拱桥在施工中墩、台受到不平衡的推力， 多孔拱桥中一孔被毁,合力偏心距愈大，则基础抗倾覆的安全储备愈小如图所示，因此，在设计时，可以用限制合力偏心距e0来保证基础的倾覆稳定性。 K0=y/ e0 K0 -称为抗倾覆稳定系数。 y -基底截面重心至压力最大一边的边缘的距离 e0 -外力合力偏心距e0=(Piei，十Tihi)/ pi 对主要荷载组合K0 1.5，在各种附加荷载组合时， K0 1.l-1.3。,基础倾覆稳定性与合力的偏心距,back,基础在水平推力作用下沿基础底面滑动的可能性即基础抗滑动安全度的大小，可用基底与土之间的摩擦
19、阻力和水平推力的比值Kc来表示，Kc称为抗滑动稳定系数。即 Kc=Pi/Ti。 式中： 基础底面(污工材料)与地基土之间的摩擦系数，在无实测资料时，可参照表2-6。,back,基础滑动稳定性验算,位于软土地基上较高的桥台需验算桥台沿滑裂曲面滑动的稳定性： 这种地基稳定性验算方法可按土坡稳定分析方法，即用圆弧滑动面法来进行验算。,台身做成不对称的形式 （应及时地在台后填土并夯实，以防台身后倾覆和转动） 也可在台后一定长度范围内填碎石、干砌片石或填石灰土，以增大填料的内摩擦角减小土压力，达到减小倾覆力矩提高抗倾覆安全度的目的。,地基与基础的验算不满足设计规定的要求时，必须采取设计措施：,拱桥桥台
20、基底四周做成的齿槛。 基底设计成倾斜形（受单向水平推力） 由图可见滑动力随角的增大而减小，从安全考虑,角不宜大于10，同时要保持基底以下土层在施工时不受扰动。 当高填土的桥台基础或土坡上的挡墙地基可能出现滑动或在土坡上出现裂缝时，可以增加基础的埋置深度或改用桩基础，提高墩台基础下地基的稳定性; 在土坡上设置地面排水系统拦截和引走滑坡体以外的地表水，以减少因渗水而引起土坡滑动的不稳定因素。,back,沉降量： 主要由竖向荷载作用下土压缩变形引起。沉降量过大将影响结结构正常使用和安全，应加以限制。修建在一般土质条件下的中、小型桥梁的基础，只要满足了地基强度要求，地基(基础)的沉降也就满足要求。但对
21、于下列情况，则必须验算基础的沉降，使其不大于规定或容许值： 1.修建在地质情况复杂、地层分布不均或强度较小的软粘土地基及湿陷性黄土上的基础; 2.修建在非岩石地基上的拱桥、连续梁桥等超静定结构的基础; 3.当相邻基础下地基土强度有显著不同或相邻跨度相差悬殊而必须考虑其沉降差时; 4.对于跨线桥、跨线渡槽要保证桥(或槽)下净空高度时。 地基土的沉降计算：分层总和法(用沉降计算经验系数ms修正) 。 对冻土、软土、湿陷性黄土可参阅本教材第六章。 对于公路桥梁，基础上结构重力和土重作用对沉降是主要的，汽车等活载沉降影响小，不予考虑。,在设计时，为了防止由于偏心荷载使同一基础两侧产生较大的不均匀沉降，
22、而导致结构物倾斜和造成墩、台顶面发生过大的水平位移等后果。 对于较低的墩、台可用限制基础上合力偏心距的方法来解决; 对于结构物较高，土质又较差或上部为超静定结构物时，则须验算基础的倾斜，从而保证结构物顶面的水平位移控制在容许范围以内。 =ltg十0式中：l -自基础底面至墩、台顶的高度(m); -基础底面的转角，tg=(s1-s2)/b，其中s1,s2分别为基础两侧边缘中心处按分层总和法求得 的沉降量,b为验算截面的底面宽度; 0-在水平力和弯矩作用下墩、台本身的弹性挠曲变形在墩、台顶所引起的水平位移; -根据上部结构要求，设计规定的墩、台顶容许水平位移值，1985年颁布的公路砖石及混凝土桥涵
23、设计规范(JTJ022-85)规定=0.5L(cm)，其中L为相邻墩、台间最小跨径长度，以m计，跨径小于25m时仍以25m计算。,back,一、旱地上基坑开挖及围护 （一）无围护基坑 （二）有围护基抗 1板桩墙支护 2喷射混凝土护壁 3. 混凝土围圈护壁 4其它方法 二、基坑排水 (一)表面排水法 (二)井点法降低地下水位 三、水中基坑开挖时的围堰工程 (一)土围堰和草袋围堰 (二)钢板桩围堰 (三)双壁钢围堰,刚性扩大基础施工,back,刚性扩大基础的施工：明挖 枯水或少雨季节，且不宜间断。挖至基底设计标高，立即对基底土质及坑底情况进行检验，验收合格后应尽快修筑基础，不得将基坑暴露过久。基坑
24、可用机械或人工开挖，接近基底设计标高应留30cm高度由人工开挖，以免破坏基底土的结构。 基坑开挖过程中要注意排水基坑尺寸要比基底尺寸每边大0.5ml.0m，以方便设置排水沟及立模板和砌筑工作。,back,竖直： 基坑较浅，地下水位较低或渗水量较少，不影响坑壁稳定时岩石地基或基坑较浅 又无地下水的硬粘土中采用斜坡形： 一般土质条件下开挖基坑时采用放坡开挖的方法 基坑深度在5m以内 施工期较短，地下水在基底以下，且土的湿度接近最佳含水量，土质构造又较均匀时，基坑坡度可参考表2-7选用,地基土的湿度较大 可能引起坑壁坍塌时，坑壁坡度应适当放缓。基坑顶缘有动荷载时 基坑顶缘与动荷载之间至少应留lm宽的
25、护道。如地质水文条件较差 应增宽护道或采取加固等措施，以增加边坡的稳定性。基坑深度大于5m时 可将坑壁坡度适当放缓或加设平台,back,板桩 是在基坑开挖前先垂直打入土中至坑底以下一定深度，然后边挖边设支撑，开挖基坑过程中始终是在板桩支护下进行。 板桩按材料的分类： 木板桩 ： 木板桩易于加工，但我国除林区以外现已很少采用。 钢筋混凝土板桩： 耐久性好，但制造复杂且重量大，防渗性能差，修建桥梁基础也很少采用。 钢板桩： 板薄，强度又大，能穿过较坚硬土层，锁口紧密，不易漏水，还可以焊接接长并能重复使用，且断面形式较多(图2-18)，可适应不同形状基坑。应用较广泛，但价格较贵。,板桩按支撑类型：无
26、支撑式： 无支撑式板桩墙由于墙身位移较大，仅适用于基坑较浅的情况，且要求板桩有足够的入土深度，以保持板桩墙的稳定。 支撑式： 支撑式板桩墙按设置支撑的层数可分为单支撑板桩墙和多支撑板桩。由于板桩墙多应用于较深基坑的开挖，故多支撑板桩墙应用较多。锚撑式： (图2-19a),back,back,back,适用：土质较稳定，渗水量不大，深度小于l0m，直径为6m-l2m的圆形基坑。对于有流砂或淤泥夹层的土质，也有使用成功的实例。 基本原理： 以高压空气为动力，将搅拌均匀的砂、石、水泥和速凝剂干料，由喷射机输料管吹送到喷枪，在通过喷枪的瞬间，加入高压水进行混合，自喷嘴射出，喷射在坑壁，形成环形混凝土护
27、壁结构，以承受土压力。 开挖分层： 采用喷射混凝土护壁时，可根据土质和渗水情况等情况坑壁可以接近陡立或稍有坡度，每开挖一层喷护一层，每层高度为lm左右，土层不稳定时应酌减;渗水较大时不宜超过0.5m。,混凝土的喷射顺序： 对无水、少量渗水坑壁可由下向上一环一环进行;对渗水较大坑壁，喷护应由上向下逆行，以防新喷的混凝土被水冲流;对有集中渗出的股水的基坑，可从无水或水小处开始，逐步向水大处喷护，最后用竹管将集中的股水引出。喷射作业应沿坑周分若干区段进行，区段长度一股不超过6m。,喷射混凝士厚度： 一般粘性土、砂土和碎卵石类土层，如无渗水，厚度为3cm8cm； 如有少量渗水，厚度为5cml0cm； 对稳定性较差的土，如淤泥、粉砂等，如无渗水，厚度为l0cm-15cm； 如有少量渗水，厚度为l5cm 当有大量渗水时，厚度为l5cm-20cm。 一次喷射是否能达到规定的厚度 主要取决于混凝土与土之间的粘结力和渗水量大小。如一次喷射达不到规定的厚度，则应在混凝土终凝后再补喷，直至达到规定厚度为止。,
