1、1 天然地基上浅基础的类型及构造2 刚性扩大基础施工3 板桩墙围堰的计算4 地基容许承载力的确定5 刚性扩大基础的设计与计算 第二章 天然地基上的浅基础 1 天然地基上浅基础的类型 构造及适用条件 浅基础 埋入地层深度较浅 一般采用敞开挖基坑修筑的基础 浅基础在设计计算时可以忽略基础侧面土体对基础的影响 基础结构形式和施工方法也较简单 天然地基浅基础的特点 埋深浅 结构形式简单 施工方法简便 造价较低 是建筑物最常用的基础类型 浅基础常用类型及适用条件刚性基础 稳定性好 施工简便 承载力较大 对地基承载力要求较高 开挖深度大 柔性基础 整体性较好 抗弯刚度较大 材料用量大 施工技术要求高 刚性
2、扩散角的概念 台阶宽高比的概念 与基础开挖深度的关系 浅基础的类型刚性基础 按材料 圬工混凝土 按构造 刚性扩大基础 墩柱 柱下单独基础条形基础 柔性基础 按材料 钢筋混凝土 按构造 柱 墙 下扩张基础条形 十字交叉基础筏形 箱形基础 墙下钢筋混凝土条形基础 无肋的 有肋的 柱下扩展基础 联合基础 柱下条形基础 交叉条形基础 筏形基础 箱形基础 浅基础的适用性刚性基础 适用条件 地基承载力条件较好 上部荷载较小 上部结构为非敏感性结构 不利条件 对地基承载力要求高 非岩石地基上变形较大 不适于敏感性上部结构 柔性基础 主要用于建筑地基基础 浅基础的构造 刚性扩大基础基础平面形状常为矩形 每边扩
3、大的尺寸最小为0 20m 0 50m 每边扩大的最大尺寸受到材料刚性角的限制 当基础较厚时 可在纵横两个剖面上都做成台阶形 单独和联合基础单独基础是立柱式桥墩常用的基础形式之一 纵横剖面均可砌筑成台阶式 柱下单独基础用石或砖砌筑时 则在柱子与基础之间用混凝土墩连接 柱下基础用钢筋混凝土浇注时 剖面也可浇筑成锥形 条形基础 墙下条形基础 挡土墙下或涵洞下常用的基础形式 柱下条形基础 同一排几个柱子的基础联合起来 成为柱下条形基础 墙下条形基础 柱下条形基础 墙下条形基础横剖面可以是矩形或将一侧筑成台阶形 若挡土墙纵向很长 可根据土质和地形予以分段 设置沉降缝 柱下条形基础一般为倒T形截面 沿柱子
4、排列方向的剖面可以是等截面的 也可以如图那样在柱位处加腋 桥梁基础中的条形基础一般做成刚性基础 个别的也可做成柔性基础 地基土很软 需扩大底板面积 又要求基础具有空间刚度调整不均匀沉降 可在柱下纵 横方向均设置条形基础 是房屋建筑常用基础形式 也称十字条形基础 筏形和箱形基础筏形和箱形基础是房屋建筑常用的基础形式 当上部传来荷载较大 地基土质软弱且不均匀 可采用筏形或箱形基础 既扩大基底面积又增加基础的整体性 避免建筑物局部发生不均匀沉降 筏形基础有平板式和梁板式两种形式 箱形基础由顶板 底板及纵横隔墙组成空间箱体 刚度远大于筏形基础 同时顶板和底板间的空间可利用作地下室 适用于地基软弱土层厚
5、 建筑物对不均匀沉降较敏感或荷载较大而基础建筑面积不太大的高层建筑 2 刚性扩大基础施工 主要内容 基础的定位与放样 旱地浅基础施工 水下浅基础施工 技术要点 可采用明挖的方法进行基坑开挖 应尽量在枯水或少雨季节进行 且不宜间断 基坑挖至基底设计标高应立即对基底土质及坑底情况进行检验 验收合格应尽快修筑基础 不得将基坑暴露过久 可用机械或人工开挖 接近基底设计标高留30cm由人工开挖 以免破坏基底土的结构 开挖过程中注意排水 基坑尺寸要比基底尺寸每边大0 5m 1 0m 以方便设置排水沟及立模板和砌筑工作 开挖时根据土质及开挖深度对坑壁予以围护或不围护 围护的方式有多种多样 水中开挖基坑还先修
6、筑防水围堰 基础的定位放样目的 将设计图上的墩台基础位置 用适当的测量方法测定到地面上 进行施工放样 定位测量方法 直接丈量法三角网交会法 A B C D为基坑顶部四角的边桩 A B C D 为基坑底部四角的边桩 a b c d e f g h为基底边角 旱地浅基础施工基坑开挖及坑壁围护无围护基坑适用条件基坑较浅 地下水位较低或渗水量较少 不影响坑壁稳定 开挖方式直立开挖 适宜在岩石地基或基坑较浅又无地下水的硬粘土 斜坡开挖 一般土质条件 稳定边坡基坑深度5m以内 施工期较短 基坑底在地下水位以上 土的湿度正常 接近最佳含水量 土层构造均匀 基坑开挖坡度可参照p 14表2 1取用 硬粘性土可采
7、用自立坑壁 最大高度可按下式估算 C 坑壁土的粘聚力 土的重度 q 基坑顶护道上的均布荷载 坑壁土的内摩擦角 K 安全系数 可采用1 25 无围护基坑 基坑施工的注意事项 有围护基坑适用条件基坑边坡不易稳定 并有地下水影响 敞坡开挖工程量过大 有邻近建筑物 敞坡开挖有限制 常用支护形式板桩墙 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 板桩材料 木板桩 主要适用于中小桥 涵洞等基坑的开挖 钢筋混凝土板桩 耐久性好 自重大 抗渗能力差 钢板桩 强度大 穿透能力强 防渗性好 构造形式 无支撑 适于开挖深度不大的基坑 单支撑 多支撑 适于开挖
8、深度较大的基坑 锚撑式 有支撑基坑开挖 喷射混凝土护壁 宜用于土质较稳定 渗水量不大 深度小于10m 直径为6m 12m的圆形基坑 工艺特点 施工进度快 设备简单 减小开挖工作量 设计要点 护壁厚度的确定 相关因素 地质条件 渗水量 基坑直径 基坑深度 喷层厚度 D 基坑直径 p 土侧压力 按主动土压力计算 喷射混凝土容许压应力 混凝土围圈护壁适用条件 适应性较强 可按一般混凝土施工 基坑深度可达15m 20m 除流砂及呈流塑状态粘土外 可适用于其它各种土类 施工方法 自上而下分层开挖 开挖一层 灌注一层混凝土壁 顶层一次整体浇筑 以下各层间隔开挖和浇筑 上下层混凝土纵向接缝错开 开挖面均匀分
9、布对称施工 及时浇筑混凝土壁支护 每层坑壁无混凝土壁支护总长度不大于周长的一半 分层高度以垂直开挖面不坍塌为原则 一般顶层高2m左右 以下每层高1m 1 5m 其他形式 在建筑上也有采用水泥搅拌桩 粉喷桩 SMW桩 钢筋混凝土桩 地下连续墙等形式作为基坑支护 基坑排水基坑在地下水位以下 随基坑下挖 渗水不断涌集基坑 施工过程中必须不断地排水 以保持基坑干燥 便于基坑挖土和基础的砌筑与养护 排水方式表面排水法 井点法降低地下水位 表面排水法基本原理及适用性基本原理及特点基本原理 基坑四周开挖集水沟汇集渗水 引向一个或数个集水坑 在基坑下挖以前 先挖沟和坑 特点 设备简单 费用低 适用性 适合于岩
10、石 碎石类土 粘性土地基 不适于粉细砂地基 设计要点 渗水量估算集水坑排水 F1 q1 基坑底面积 基坑底面平均渗水量 F2 q2 基坑侧面积 基坑侧面平均渗水量 有不渗水板桩墙截水时的渗水量 K 土的渗透系数 H 地下水位距基坑底的深度 U 板桩围堰周长 q 单位渗水量 确定渗水量Q后 按 1 5 2 0 Q确定抽水能力 水泵数量 井点法降低地下水位的基本原理与适用性类型轻型井点 喷射井点 电渗井点 深井泵井点 基本原理 在施工过程中通过井点不断抽水 降低地下水位 适用性 粉细砂地基 设计要点 水量Q 井点数量 间距 抽水能力 无压完全井 井底到达不透水层 环圈井点涌水量 H 含水层厚度 R
11、 单井抽水影响半径 抽水试验 S 水位降低值 X0 基坑假想半径 矩形基坑的长宽比不大于5时 换算半径 F 环井所围面积 无压不完全井 井底未达不透水层 环圈井点涌水量 H0 有效含水带深度 由下表确定 水下浅基础施工水下浅基础施工方式改河截流法围堰法围堰的定义 在水中修筑基础时 开挖基坑前需在基坑周围修筑一道防水围堰 把围堰内水排干后 再开挖基坑修筑基础 围堰的种类土围堰草 麻 袋围堰钢板桩围堰双壁钢围堰地下连续墙围堰 木 竹 笼围堰a 木笼围堰 b 木笼架围堰 钢板桩围堰 围堰的施工要求围堰顶面标高应高出施工期可能出现最高水位0 5m以上 有风浪时应适当加高 修筑围堰压缩河道断面 流速增大
12、引起冲刷 或堵塞河道影响通航 要求河道断面压缩一般不超过流水断面积的30 对两边河岸河堤或下游建筑物有可能造成危害时 必须征得有关单位同意并采取有效防护措施 围堰内尺寸应满足基础施工要求 留有适当工作面积 由基坑边缘至堰脚距离一般不少于1m 围堰结构应能承受施工期的土压力 水压力及其他可能的荷载 满足强度和稳定要求 应具有良好的防渗性能 各种围堰的特征与适用性土围堰和草 麻 袋围堰 适用于在水深较浅 2m以内 流速缓慢 0 5m s 河床渗水较小的河流 土围堰用粘性土填筑或砂夹粘土芯墙筑成 若堰外流速较大 可在外侧用草袋柴排防护 还可用竹笼片石围堰和木笼片石围堰做水中围堰 其结构由内外二层装片
13、石的竹 木 笼中间填粘土心墙组成 粘土芯墙厚度不小于2m 钢板桩围堰 水较深 可采用钢板桩围堰 修建水下桥梁基础常用单层钢板桩围堰 其支撑和导向系统的框架结构称 围囹 或 围笼 图2 14 一般适用于河床为砂土 碎石土 半干硬粘土 双壁钢围堰 在深水中修建桥梁基础可采用双壁钢围堰 双壁钢围堰一般做成圆形结构 它本身实际上是个浮式钢沉井 双壁围堰内外壁板间距一般为1 2m 1 4m 这就使围堰刚度很大 围堰内无需设支撑系统 图2 15 地下连续墙围堰 可以兼作基础的一部分 也可以当作围堰或支护使用 3 板桩墙的计算 板桩墙的作用与特征板桩墙的作用挡住基坑四周土体 防止土体下滑 防止水从坑壁周围渗
14、入或从坑底上涌 避免渗水过大或形成流砂而影响基坑开挖 板桩墙受力特征与计算方法主要承受土压力和水压力 板桩墙本身是挡土构造 土压力的分布与大小与板桩墙的变形有关 不考虑板桩的实际变形 按古典土压力理论计算坑壁侧向压力 板桩墙计算的主要内容板桩墙侧向压力板桩入土深度板桩墙截面内力板桩支撑的计算基坑稳定性验算水下混凝土封底计算 侧向压力计算板桩墙土压力计算比较复杂 由于大多是临时结构 常采用比较粗略的近似计算方法 不考虑板桩墙实际变形 沿用古典土压力理论计算作用于板桩墙上的土压力 一般用朗金理论来计算不同深度z处每延米宽度内的主 被动土压力强度pa pp kPa q 坑顶均布荷载 z 距坑面的深度
15、 土的内摩擦角 对于粘性土 上式中的内摩擦角用等代内摩擦角代替 见p 26表2 2 朗肯主动 被动土压力系数水压力的考虑透水性地基 土按浮容重考虑 计算全部静水压力 水下不透水粘性土层 静水压力算到不透水层顶面 不透水层重度用饱和容重 土面上水头按满布超载考虑 悬臂式板桩墙的计算适用条件 板桩不设支撑 墙身位移较大 通常用于挡土高度不大的粉土或粘性土临时性支撑结构 计算原理悬臂式板桩墙的破坏一般是板桩绕桩底端b点以上的某点o转动 在转动点o以上的墙身前侧以及o点以下的墙身后侧 产生被动抵抗力 在相应的另一侧产生主动土压力 由于精确确定土压力分布规律比较困难 一般近似地假定土压力的分布图形如图示
16、 墙身前侧被动土压力 bcd 其合力为Ep1 并考虑有一定的安全系数K 一般取K 2 墙身后主动土压力 abe 合力EA 桩下端作用有被动土压力Ep2 计算方法Ep2的作用位置不易确定 计算时假定作用在桩端b点 对b点取平衡力矩确定板桩入土深度t 考虑到Ep2的实际作用位置应在桩端以上一段距离 因此 在最后求得板桩的入土深度t后 再适当增加10 20 的入土深度 最大弯矩位置可按入土深度墙身所受剪力为零确定 然后算出墙身最大弯矩 验算墙身强度 单支撑 锚碇式 板桩墙计算当基坑开挖高度较大 不能采用悬臂式板桩墙 此时可在板桩顶部附近设置支撑或锚碇拉杆 成为单支撑板桩墙 如图2 19所示 板桩墙位
17、移与支撑条件两端简支 板桩墙入土深度较浅 在坑壁主动土压力作用下板桩底端有少量向前位移 墙前产生被动土压力 计算时除以安全系数K 墙下端可看成简支 一端简支 一端弹性嵌固 板桩墙入土深度较深 底端入土部分无位移 转动也很少并受到限制 板桩下端可视为嵌固 板桩下端简支时的计算以支撑点O为中心取力矩平衡方程 水平向静力平衡方程 a 支撑或锚杆间距 求出支撑力T后 再根据剪力为零条件求出最大弯矩Mmax 进行墙身强度验算 板桩下端固定时的计算等值梁法 板桩下端为嵌固支承时 净土压力零点K与弯矩零点位置接近 假定K点就是弯矩零点 则单支撑板桩的计算可简化为两个相连的简支梁的计算 土压力零点位置K由等值
18、梁AK按静力平衡条件计算支撑反力T及K点的剪力QK 由等值梁KN求出板桩入土深度t力矩平衡方程 M 0 同时 板桩下端固定时 板桩的入土深度 根据剪力为零的条件求出最大弯矩Mmax 进行墙身强度验算 多支撑板桩墙计算当坑底在地面或水面以下很深时 为减少板桩弯矩可设置多层支撑 支撑层数及位置根据土质 坑深 支撑结构杆件材料强度 及施工要求等因素拟定 板桩支撑的层数和支撑间距布置等弯矩布置 当板桩强度已定 板桩作为常设构件 可按支撑间最大弯矩相等的原则设置 等反力布置 当支撑作为常备构件 并要求各层支撑断面都相等 可把各层支撑的反力设计成相等 从施工角度出发 支撑间距不小于2 5m 支撑按轴向受压
19、杆设计 若支撑很长 应考虑自重产生的弯矩影响 土压力分布特征多支撑板桩上的土压力分布与板桩墙位移有关 多支撑板桩墙的施工程序往往是先打好板桩 然后边挖土边支撑 板桩下端在土压力作用下容易向内倾斜 位移与挡土墙绕墙顶转动相似 墙后土体达不到主动极限平衡状态 土压力不能按库仑或朗肯理论计算 试验结果证明土压力呈中间大 上下小的抛物线形分布 其变化在静止土压力与主动土压力之间 太沙基和佩克根据实测及模型试验结果 提出作用在板桩墙上的土压力分布经验图形 计算方法 简化计算方法 将外力近似地分配到支撑上 中间支撑承受相邻上下各半跨荷载 土压力和水压力 对最上面的支撑点取矩 由力矩平衡条件求出板桩入土深度
20、 板桩下端嵌固条件 可根据土质的密实程度假定铰接或固定于基坑底面以下 t 2 t 3 但不小于1 0m 按多跨连续梁验算板桩与支撑 三角形荷载下多支撑板桩的合理间距和内力计算用表 基坑稳定性验算基坑流砂验算流砂 若坑底土为粉砂 细砂等 在基坑内抽水可能引起流砂的危险 稳定条件 板桩有足够的入土深度以增大渗流长度 减少向上动水力 验算方法基坑内抽水后引起水头差h 图2 26 产生渗流 最短渗径为h1 t 在流程t中动水力是垂直向上的 要求此动水力不超过土的有效重度 b 据此 不产生流砂条件为 K 安全系数 取2 0 i 水力梯度 w 水的重度 由此可计算确定满足渗透稳定的板桩入土深度t 基坑隆起
21、验算基坑隆起 开挖较深的软土基坑时 在坑壁土体自重和坑顶荷载作用下 坑底软土可能受挤在坑底发生隆起现象 验算方法 简化方法 假定地基破坏时发生如图2 24所示滑动面 滑动面圆心在最底层支撑点A处 半径为x 垂直面上的抗滑阻力不予考虑 则滑动力矩为 稳定力矩为 Su 滑动面上不排水抗剪强度 对于饱和软粘土 则 0 Su cu 定义安全系数K Mr Md如基坑处土质均匀 则基坑抗隆起安全系数为 封底混凝土厚度计算有时钢板桩围堰需进行水下封底混凝土后在围堰内抽水修筑基础和墩身 抽干水后封底混凝土底面因围堰内外水头差而受向上的静水压力 若板桩围堰和封底混凝土之间的粘结作用不被静水压力破坏 则封底混凝土
22、及围堰有可能被水浮起 或者封底混凝土产生向上挠曲而折裂 破坏模式浮起挠曲折裂 验算方法抗浮起验算当板桩打入基底下深度不大 平衡浮力主要靠封底混凝土自重 若封底混凝土最小厚度为x 如图2 33 则 考虑未计算桩土间摩阻力和围堰自重的修正系数 具体数值由经验确定 w 水的重度 c 混凝土重度 h 封底混凝土顶面处水头高度 底板抗折裂验算板桩打入基坑下较深 板桩与土之间摩阻力较大 加上封底层及围堰自重整个围堰不会浮起 此时封底层厚度由强度确定 一般按容许应力法并简化计算 假定封底为简支单向板 其顶面在静水压力作用下产生弯曲拉应力 求解上式可解得封底混凝土层厚x W 封底层每米宽断面的截面模量 l 围堰宽度 水下混凝土容许弯曲应力 考虑水下混凝土表层质量较差 养护时间短等因素 不宜取值过高 一般用100 200kPa 封底混凝土灌注时厚度宜比计算值大于0 25 0 50m 以便在抽水后将顶层浮浆 软弱层凿除 保证质量 当需要进一步计算封底混凝土层厚度时可参照教材第五章沉井基础进行计算
