第二章 天然地基上的浅基础

第二章天然地基上的浅基础浅基础的定义埋入地层深度较浅，施工一般采用敞开挖基坑修筑的基础天然地基浅基础的特点结构形式简单，施工方法简便，造价也较低建筑物最常用的基础类型天然地基上的浅基础天然地基上浅基础的类型、构造及适用条件刚性扩大基础施工板桩墙的计算地基容许承载力的确定刚性扩大基础的设计与计算计算实例1天然地基上浅基础的类型、构造及适用条件浅基础常用类型及适用条件浅基础的构造1.1浅基础常用类型及适用条件图2－1基础类型刚性基础柔性基础刚性基础的特点稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载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建筑物的正常使用所以对于荷载大或上部结构对沉降差较敏感的建筑物，当持力层的土质较差又较厚时，刚性基础作为浅基础是不适宜的柔性基础的特点其整体性能较好，抗弯刚度较大刚性基础常用的材料主要有混凝土，粗料石和片石混凝土是修筑基础最常用的材料，它的优点是强度高、耐久性好，可浇筑成任意形状的砌体，混凝土强度等级一般不宜小于C15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）1.2浅基础的构造刚性扩大基础单独和联合基础条形基础筏板和箱形基础2刚性扩大基础施工刚性扩大基础的施工可采用明挖的方法进行基坑开挖，开挖工作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，验收合格后应尽快修筑基础，不得将基坑暴露过久。基坑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0.5m～1.0m，以方便设置排水沟及立模板和砌筑工作。基坑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。水中开挖基坑还需先修筑防水围堰。注意事项2刚性扩大基础施工旱地上基坑开挖及围护基坑排水水中基坑开挖时的围堰工程2.1旱地上基坑开挖及围护无围护基坑适用于基坑较浅，地下水位较低或渗水量较少，不影响坑壁稳定时，此时可将坑壁挖成竖直或斜坡形。竖直坑壁只适宜在岩石地基或基坑较浅又无地下水的硬粘土中采用。在一般土质条件下开挖基坑时，应采用放坡开挖的方法。有围护基坑板桩墙支护喷射混凝土护壁喷射混凝土护壁适用范围:宜用于土质较稳定，渗水量不大，深度小于10m，直径为6m～12m的圆形基坑喷射混凝土护壁的基本原理是以高压空气为动力，将搅拌均匀的砂、石、水泥和速凝剂干料，由喷射机经输料管吹送到喷枪，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，形成环形混凝土护壁结构，以承受土压力喷射混凝土护壁要求有熟练的技术工人和专门设备，对混凝土用料的要求也较严，用于超过10m的深基坑尚无成熟经验混凝土围圈护壁混凝土围圈护壁则适应性较强，可以按一般混凝土施工，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。2.2基坑排水常用的基坑排水方法:表面排水、井点法降低地下水位2.3水中基坑开挖时的围堰工程在水中修筑桥梁基础时，开挖基坑前需在基坑周围先修筑一道防水围堰，把围堰内水排干后，再开挖基坑修筑基础。如排水较因难，也可在围堰内进行水下挖土，挖至预定标高后先灌注水下封底混凝土，然后再抽干水继续修筑基础。在围堰内不但可以修筑浅基础，也可以修筑桩基础等。围堰的定义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等。围堰的要求围堰顶面标高应高出施工期间中可能出现的最高水位0.5m以上，有风浪时应适当加高。修筑围堰将压缩河道断面，使流速增大引起冲刷，或堵塞河道影响通航，因此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间产生的土压力、水压力以及其他可能发生的荷载，满足强度和稳定要求。围堰应具有良好的防渗性能。刚性扩大基础的设计与计算基础埋置深度的确定刚性扩大基础尺寸的拟定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。所拟定的基础尺寸，应是在可能的最不利荷载组合的条件下，能保证基础本身有足够的结构强度，并能使地基与基础的承载力和稳定性均能满足规定要求，并且是经济合理的。基础厚度：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。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。这样，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1.0～2.0m左右。基础平面尺寸：基础平面形式一般应考虑墩、台身底面的形状而确定，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。tan2)(tan2)(HdbHla顺桥向宽度横桥向长度基础剖面尺寸：刚性扩大基础的剖面形式一般做成矩形或台阶形。襟边:自墩、台身底边缘至基顶边缘距离c1,其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、台身模板的需要。其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。基础悬出总长度（包括襟边与台阶宽度之和），应使悬出部分在基底反力作用下，所产生的弯曲拉力和剪应力不超过基础圬工的强度限值。刚性角: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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≤max，这时可认为属刚性基础，不必对基础进行弯曲拉应力和剪应力的强度验算，在基础中也可不设置受力钢筋。刚性角max的数值是与基础所用的圬工材料强度有关。基础每层台阶高度ti，通常为0.50m～1.00m，在一般情况下各层台阶宜采用相同厚度。刚性扩大基础的验算验算地基承载力基底合力偏心距地基与基础稳定性基础沉降地基承载力验算地基承载力验算包括持力层强度验算，软弱下卧层验算和地基容许承载力的确定。持力层强度验算持力层是指直接与基底相接触的土层持力层承载力验算要求荷载在基底产生的地基应力不超过持力层的地基容许承载力][maxminWMANiiiiePhTM对公路桥梁，通常基础横向长度比顺桥向宽度大的多，同时上部结构在横桥向布置常是对称的，故一般由顺桥向控制基底应力计算。但对通航河流或河流中有漂流物时，应计算船舶撞击力或漂流物撞击力在横桥向产生的基底应力，并与顺桥向基底应力比较，取其大者控制设计。在曲线上的桥梁，除顺桥向引起的力矩Mx外，尚有离心力（横桥向水平力）在横桥向产生的力矩My；若桥面上活载考虑横向分布的偏心作用时，则偏心竖向力对基底两个方向中心轴均有偏心距,并产生偏心距Mx=N·ex，My=N·ey。故对于曲线桥，计算基底应力时，应按下式计算：][maxminyyxxWMMMAN软弱下卧层承载力验算软弱下卧层:指容许承载力小于持力层容许承载力的土层zhZhhzh][)()(21当软弱下卧层为压缩性高而且较厚的软粘土，或当上部结构对基础沉降有一定要求时，除承载力应满足上述要求外，还应验算包括软弱下卧层的基础沉降量。基底合力偏心距验算控制基底合力偏心距的目的是尽可能使基底应力分布比较均匀，以免基底两侧应力相差过大，使基础产生较大的不均匀沉降，使墩、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，根据有关设计规范的规定，按以下原则掌握。对于非岩石地基：以不出现拉应力为原则当墩、台仅受恒载作用时，基底合力偏心距e0应分别不大于基底核心半径的0.1倍（桥墩）和0.75倍（桥台）；当墩、台受荷载组合Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时，由于一般是短时的，因此对基底偏心距的要求可以放宽，一般只要求基底偏心距e0不超过核心半径即可。对于修建在岩石地基上的基础：可以允许出现拉应力，根据岩石的强度，合力偏心距e0最大可为基底核心半径的1.2～1.5倍，以保证必要的安全储备（具体规定可参阅有关桥涵设计规范）。在验算基底偏心距时，应采用计算基底应力相同的最不利荷载组合。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：ANemin010eNePhTMiiii基础稳定性和地基稳定性验算基础稳定性验算包括基础倾覆稳定性验算和基础滑动稳定性验算对某些土质条件下的桥台、挡土墙还要验算地基的稳定性，以防桥台、挡土墙下地基的滑动基础倾覆稳定性验算抗倾覆稳定系数:00eyK不同的荷载组合，在不同的设计规范中，对抗倾覆稳定系数K0的容许值均有不同要求，一般对主要荷载组合K0≥1.5，在各种附加荷载组合时，K0≥1.1～1.3。基础滑动稳定性验算抗滑动稳定系数iicTPK验算桥台基础的滑动稳定性时，如台前填土保证不受冲刷，可同时考虑计入与台后土压力方向相反的台前土压力，其数值可按主动或静止土压力进行计算。抗滑动稳定系数Kc值，必须大于规范规定的设计容许值，一般根据荷载性质，K0≥1.2～1.3。修建在非岩石地基上的拱桥桥台基础，在拱的水平推力和力矩作用下，基础可能向路堤方向滑移或转动，此项水平位移和转动还与台后土抗力的大小有关。地基稳定性验算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。在验算时一般假定滑动面通过填土一侧基础剖面角点A，但在计算滑动力矩时，应计入桥台上作用的外荷载（包括上部结构自重和活载等）以及桥台和基础的自重的影响，然后求出稳定系数满足规定的要求值。基础沉降验算基础的沉降验算包括沉降量，相邻基础沉降差，基础由于地基不均匀沉降而发生的倾斜等。基础的沉降主要由竖向荷载作用下土层的压缩变形引起。沉降量过大将影响结构物的正常使用和安全，应加以限制。在确定一般土质的地基容许承载力时，已考虑这一变形的因素，所以修建在一般土质条件下的中、小型桥梁的基础，只要满足了地基的强度要求，地基（基础）的沉降也就满足要求。但对于下列情况，则必须验算基础的沉降，使其不大于规定的容许值：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。地基土的沉降可根据土的压缩特性指标按《公桥基规》的单向应力分层总和法（用沉降计算经验系数ms修正）计算。对于公路桥梁，基础上结构重力和土重力作用对沉降是主要的，汽车等活载作用时间短暂，对沉降影响小，所以在沉降计算中不予考虑。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，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，从而保证建筑物顶面的水平位移控制在容许范围以内。][tan0l地基容许承载力的确定地基容许承载力的确定一般有以下四种方法：1．在土质基本相同的条件下，参照邻近建筑物地基容许承载力；2．根据现场荷载试验的p-s曲线；3．按地基承载力理论公式计算；4．按现行规范提供的经验公式计算。按照我国《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）（以下简称为《公桥基规》）提供的经验公式和数据来确定地基容许承