10第10章天然地基上的浅基础设计

244第10章天然地基上的浅基础设计教学内容：浅基础的常用类型、地基容许承载力的计算、刚性扩大基础的尺寸的拟定、刚性扩大基础的验算。教学要求：要求学生掌握浅基础的常用类型，掌握基础埋置深度的设置和尺寸拟定以及刚性扩大基础的验算。教学重点：基础埋置深度的设置和尺寸拟定以及刚性扩大基础的验算。10.1概述任何结构物都建造在一定的地层上，结构物的全部作用都由它下面的地层来承担。受结构物影响的那一部分地层称为地基，结构物与地基接触的部分称为基础。桥梁上部结构为桥跨结构，而下部结构包括桥墩、桥台及其基础。基础工程包括结构物的地基与基础的设计与施工。地基与基础承受各种作用后，其本身将产生附加的应力和变形。为了确保建筑物的使用与安全，地基与基础必须具有足够的强度和稳定性，且变形也必须在允许范围内。根据地层变化情况、上部结构的要求、作用特点和施工技术水平，可采用不同类型的地基与基础。地基可分为天然地基与人工地基。直接放置基础的天然土层称为天然地基。若天然地层土质过于软弱或者有不良的工程地质问题，需要经过人工加固或处理后才能修筑基础，这种地基称为人工地基。基础根据埋置深度分为浅基础和深基础。将埋置深度较浅（一般不超过5m或者埋深小于基础的宽度)，且施工简单的基础称为浅基础；由于土质不良，需将基础置于较深的强度较高的土层上，且施工较复杂的基础称为深基础（通常大于5m）。基础埋置在土层内深度虽较浅，但在水下部分较深，如深水中桥墩基础，称为深水基础，在设计和施工中有些问题需要作为深基础考虑。公路桥梁及人工构造物常用天然地基上的浅基础，当受各种因素的影响需要设置深基础时，常采用桩基础或沉井基础。我国公路桥梁设计和施工中，最常用的深基础是桩基础。10.1.1基础工程设计与施工所需资料桥梁的地基与基础在设计及施工开始之前，除了应掌握有关全桥的资料，包括上部结构形式、跨径、作用、墩台结构等及国家颁发的桥梁设计和施工技术规范外，还应注意地质、水文资料的搜集和分析，重视土质和建筑材料的调查与试验。主要应掌握的地质、水文、地形等资料如表10-1所列，其中各项资料内容范围可根据桥梁工程规模、重要性及建桥地点工程地质、水文条件的具体情况和设计阶段确定取舍。资料取得的方法和具体规定可参阅《公路工程地质》、《土质学与土力学》及《桥涵水文》等有关教材和手册。（一）桥位（包括桥头引道）平面图及拟建上部结构及墩台形式、总体构造及有关设计资料大中型桥梁基础在进行初步设计时，应掌握经过实地测绘和调查取得的桥位地形、地貌、洪水泛滥线、河道主河槽和河床位置等资料及绘成的地形平面图，比例为1：500-1：5000，测绘范围应根据桥梁工程规模、重要性和河道情况确定。若桥址有不良工程地质现象，如滑坡、崩坍和245泥石流等以及河道弯曲、主支流会合、河岔、河心滩和活动砂洲等，均应在图上示出。桥梁上部结构的形式、跨径和墩台的结构形式、高度、平面尺寸等对地基与基础设计方案的选择和具体的设计计算都有很大的制约作用，如超静定结构的上部结构对地基、基础的沉降有较严格的要求，上部结构、墩台的永久作用和可变作用是地基基础的主要作用，除了特殊情况，基础工程的设计作用标准、等级应与上部结构一致，因此应全面获得上部结构及墩台的总体设计资料。（二）桥位工程地质勘测报告及桥位地质纵剖面图对桥位地质构造进行工程评价的主要资料，包括河谷的地质构造、桥位及附近地层的岩性，如地质年代、成因、层序、分布规律及其工程性质（产状、构造、结构、岩层完整及破碎程度、风化程度等），以及覆盖层厚度和土层变化关系等资料，应说明建桥地点一定范围各种不良工程地质现象或特殊地貌（如溶洞、冲沟、陡崖等）的成因、分布范围、发展规律及其对工程的影响（小型桥梁及地质条件单一的地点，勘测报告可以省略）。（三）地基土质调查试验报告在进行施工详图及施工设计时，应掌握地基土层的类别及物理力学性质。可通过工程地质勘测时调查、钻（挖）取各层地基上足够数量的原状土（岩）样，用室内或原位试验方法得到各层土的物理力学指标，如粒径级配、塑性指数、液性指数、天然含水量、密度、孔隙比、抗剪强度指标、压缩特性、渗透性指标以及必要时的作用试验、岩石抗压强度试验等的结果。将这些结果编制成表，在绘制成的土（岩）柱状剖面图中予以说明。因为需要根据土质调查试验报告评定各土层的强度和稳定性，报告中应有各层土的颜色、结构、密实度和状态等的描述资料，对岩石还应包括有关风化、节理、裂隙和胶结质等情况的说明。地基土质调查资料还应包括地下水及其随季节升降的标高，在冰冻地区应掌握土层的冻结深度、冻融情况及有关冻土力学数据。如地基内遇到湿陷性黄土、多年冻土、软粘土、含大量有机质土或膨胀土、盐碱土时，对这些土层的特性还应有专门的试验资料，如湿陷性指标、冻土强度、可溶盐和有机质含量等。（四）河流水文调查资料设计桥梁墩台的基础，要有通过计算和调查取得的比较可靠的设计冲刷深度数据，并了解设计洪水频率的最高洪水位、低水位和常年水位及流量、流速、流向变化情况，河流的下蚀、侵蚀和河床的稳定性，架桥地点河槽、河滩、阶地淹没情况，并应注意收集河流变迁情况和水利设施及规划。在沿海地区尚应了解潮汐、潮流有关资料及对桥梁的影响。还应有河水及地下水侵蚀性的检验资料。基础工程有关设计和施工需要的地质、水文、地形及现场各种调查资料表10-l资料种类资料主要内容资料用途桥位平面图（或桥址地形图）（l）桥位地形（2）桥位附近地貌、地物（3）不良工程地质现象的分布位置（4）桥位与两端路线平面关系（5）桥位与河道平面关系（l）桥位的选择，下部结构位置的研究（2）施工现场的布置（3）地质概况的辅助资料（4）河岸冲刷及水流方向改变的估计（5）墩台、基础防护构造物的布置桥位工程地质勘测报告及工程地质纵剖面图（1）桥位地质勘测调查资料，包括河床地层分层土（岩）类及岩性，层面标高，钻孔位置及钻孔柱状图（2）地质、地史资料的说明（3）不良工程地质现象及特殊地貌的调查勘测资料（l）桥位、下部结构位置的选定（2）地基持力层的选定（3）墩台高度、结构形式的选定（4）墩台、基础防护构造物的布置地基土质调查试验报（l）钻孔资料（2）覆盖层及地基土（岩）层状生成分布情况（3）分层土（岩）层状生成分布情况（l）分析和掌握地基的层状（2）地基持力层及基础埋置深度的研究与确定（3）地基各土层强度及有关计算参数的选定246（4）作用试验报告（5）地下水位调查（4）基础类型和构造的确定（5）基础沉降计算河流水文调查报告(l）桥位附近河道纵横断面图(2）有关流速、流量、水位调查资料（3）各种冲刷深度的计算资料（4)通航等级、漂浮物、流冰调查资料（l）确定根据冲刷要求基础的埋置深度（2）桥墩身水平作用力计算（3）施工季节、施工方法的研究其他调查资料地震（l）地震记录（2）震害调查（l）确定抗震设计强度（2）抗震设计方法和抗震措施的确定（3)地基土振动液化和岸坡滑移分析研究建筑材料（l）就地可采取、可供应的建筑材料种类、数量、规格、质量、运距等（2)当地工业加工能力、运输条件（3）工程用水调查（l）下部结构采用材料种类的确定（2)就地供应材料的计算和计划安排气象（l）当地气象台有关气温变化、降水量、风向风力等记录资料（2）实地调查采访记录（l）气温变化的确定（2）基础埋置深度的确定（3）风压的确定（4）施工季节和方法的确定附近桥粱的调查（l)附近桥梁结构形式、设计书、图纸、现状（2）地质、地基土（岩）性质（3）河道变动、冲刷、淤泥情况（4）营运情况及墩台变形情况（l）掌握架桥地点地质、地基土情况（2)基础埋置深度的参考（3）河道冲刷和改道设计时的参考施工调查资料（l）施工方法及施工适宜季节的确定（2)工程用地的布置（3）工程材料、设备供应、运输方案拟定（4）工程动力及临时设备的规划（5）施工临时结构的规划10.1.2作用与作用效应组合在我国现行的公路桥梁设计规范中作用分为永久作用、可变作用和偶然作用。永久作用（恒载）是指结构在设计使用期内其值不随时间变化,或其变化与平均值相比可忽略不计的作用；可变作用是指结构在设计使用期内其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略的作用。可变作用按其对桥涵结构的影响程度又可分为基本可变作用(活载)和其他可变作用；偶然作用是指结构在设计使用期内不一定出现，但一旦出现其值很大，且持续时间很短的作用。作用在桥梁墩台上的永久作用包括结构物的自重、土重及土的自重产生的侧压力、水的浮力、预应力结构中的预应力、超静定结构中因混凝土的收缩徐变和基础变位而产生的影响力，活载有汽车作用、汽车冲击力、离心力、汽车引起的土侧压力、人群作用、平板挂车或履带车作用引起的土侧压力；其它可变作用有风力、汽车制动力、流水压力、冰压力、支座摩阻力，在超静定结构中尚须考虑通过基础温度变化的影响力，偶然作用有船只或漂浮物的撞击力、施工作用和地震作用。这些作用传给地基。各种作用和外力并非同时作用于桥梁上，它们发生的几率也各不相同，因此在设计桥涵的时候，应根据结构物的特性，考虑他们同时作用的可能性进行适当的组合。基础结构设计的效应组合按下列规定采用：按承载能力极限状态设计时，结构构件自身承载力及稳定性应采用作用效应基本组合和偶然组合进行验算。1）基本组合：承载力极限状态设计时，永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合。2472）偶然组合：承载力极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应、一种偶然作用标准值效应的组合。当基础结构需要进行正常使用极限状态设计时，有作用短期效应组合和长期效应组合。1）短期效应组合：正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应的组合。2）长期效应组合：正常使用极限状态设计时，永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应的组合。10.1.3基础工程设计计算步骤与原则地基、基础、墩台和上部结构是共同工作且相互影响的，地基的任何变形都必定引起基础、墩台和上部结构的变形；不同类型的基础也会影响上部结构的受力和工作；上部结构的力学特征也必然对基础的类型与地基的强度、变形和稳定条件提出相应的要求，地基和基础的不均匀沉降对于超静定的上部结构的影响较大，较小的基础沉降差就会引起上部结构产生较大的内力。同时合理的上部结构、墩台结构型式也具有调整地基基础的受力，改善位移情况的能力。因此，基础工程应紧密结合上部结构、墩台特性和要求进行；上部结构的设计也应充分考虑地基的特点，把整个结构物作为一个整体，考虑其整体作用和各个组成部分的共同作用。全面分析结构物整体和各组成部分的设计可行性、安全性和经济性；把强度、变形和稳定性紧密的与现场条件、施工条件结合起来，全面分析，综合考虑。基础工程设计算的目的是设计一个安全、经济和可行的地基基础，以保证结构物的安全和正常使用，因此，基础工程设计计算的基本原则是：（1）基础底面的应力小于地基的容许承载力;（2）地基及基础的变形值小于结构物要求的沉降值;（3）地基及基础整体稳定有足够保证;（4）基础本身的强度满足要求。地基与基础方案的确定主要取决于地基土层的工程性质与水文地质条件、作用特性、上部结构的结构形式及使用要求，以及材料的供应和施工技术等因素。方案选择的原则是：力求使用上安全可靠、施工技术上简便可行和经济上合理。因此，必要时应作不同方案的比较，从中选出较为适宜与合理的设计方案和施工方案。天然地基上浅基础的设计通常按如下步骤进行：（1）阅读和分析建筑物场地的地质勘察资料和建筑物的设计资料，进行相应的现场勘察和调查；（2）选择基础的结构类型和建筑材料；（3）选择持力层，确定合适的基础埋置深度；（4）初步拟定基础的尺寸，确定地基的承载力和作用在基础上的作用效应组合；（5）进行地基与基础的计算，包括地基强度验算、地基变形和稳定性以及基础的合力偏心距、基础的稳定性验算等。10.2浅基础的类型与构造248d-柱中纵向钢筋直径bb0b2H0bH0b0hb1b1b2aa图10-2无筋扩展基础构造示意图图10-2无筋扩展基础构造示意图a)hNWab)a地面或最大冲刷线NWah图10-1柔性基础和刚性基础示例图1