第二章 天然地基上的浅基础

基础工程长沙理工大学岩土教研室蒋中明第二章天然地基上的浅基础本章重点：浅基础的类型及适用条件，刚性扩大基础设计与计算本章难点：板桩墙计算、桥台刚性扩大基础算例常见地基基础方案：•1、天然地基浅基础；•2、人工地基浅基础；•3、深基础；•4、深浅结合基础（如桩-筏，桩-箱基础）第二章天然地基上的浅基础•地基基础设计内容和一般步骤：•1、选择基础的材料、类型，确定平面布置；•2、选择基础的埋置深度，即确定地基持力层；•3、确定地基承载力特征值；•4、根据传至基础底面上的荷载效应和地基承载力特征值，确定基础底面积；第二章天然地基上的浅基础•地基基础设计内容和一般步骤：•5、根据传至基础底面上的荷载效应进行相应的地基验算（变形和稳定性验算）；•6、根据传至基础底面上的荷载效应确定基础构造尺寸，进行必要的结构计算；•7、绘制基础施工图第一节浅基础类型和适用条件一、浅基础类型第一节浅基础类型和适用条件•刚性基础和柔性基础的定义和形式刚性基础：基础截面内不配置受力钢筋的基础形式：刚性扩大基础、柱下独立基础、条形基础材料：砖、石材、素混凝土第一节浅基础类型和适用条件•刚性基础和柔性基础的定义和形式柔性基础：基础截面内配置有受力钢筋的基础形式：柱下扩展基础、条形和十字形基础、筏形基础、箱形基础材料：钢筋混凝土常见浅基础形式毛石基础素混凝土基础砖基础常见浅基础形式墙下钢筋砼基础常见浅基础形式常见浅基础形式常见浅基础形式常见浅基础形式常见浅基础形式第一节浅基础类型和适用条件浅基础适用条件刚性基础优点：稳定性好、施工简便、能承受较大荷载；刚性基础缺点：自重大、当持力层为软弱土时，因扩大基础面积有一定限制需要对地基进行处理加强。适用条件：土质较好、地基承载力较高的土。柔性基础优点：整体性好、抗弯刚度大；柔性基础缺点：钢筋和水泥用量大、施工技术要求高。适用条件：土质较差、地基承载力较低的土第二节刚性扩大基础施工•基坑开挖方式：机械开挖和人工开挖基坑支护：围护和不围护基坑尺寸：比基础底面尺寸每边大0.5~1.0m地下水位较高时应采取基坑排水措施！第二节刚性扩大基础施工•一、旱地上基坑开挖及围护（一）无围护基坑适用条件：基坑较浅、地下水位较低、土质较好开挖方式：竖直开挖(硬粘土、岩石)或放坡开挖（放坡坡度见P14.表2－1）第二节刚性扩大基础施工•一、旱地上基坑开挖及围护（二）有围护基坑适用条件：基坑较深、地下水位高、土质较差开挖方式：竖直开挖围护方式：板桩墙支护、喷混凝土支护、混凝土围圈护壁等板桩墙支护•材料：木板桩、钢筋混凝土板桩和钢板桩•板桩墙支撑方式：无支撑式、支撑式和锚撑式喷混凝土支护•适用条件：土质较稳定、渗水量不大、基坑深度小于10m、直径为6~12m圆形基坑。•支护原理：用高压空气为动力，将混凝土喷射到坑壁上形成环形混凝土护壁结构，承担土压力。•喷射混凝土厚度：•土质较好（粘性土、砂土和碎石类土），无地下水时：3-8cm;有少量渗水时：5-10cm•土质较差(淤泥、粉砂土等)无渗水时，10-15cm；有少量渗水时15cm;大量渗水时:15-20cm。混凝土围圈护壁•成型方式：现场现浇普通混凝土而成，壁厚：15-30cm。•支护原理：混凝土环形结构承受土压力。•适用条件：较广（除流砂及呈塑性流动状态的粘土外均可）第二节刚性扩大基础施工•二、基坑排水常用方法:表面排水法和井点降水法1、表面排水法（集水井降水）：在基坑开挖过程中，在基坑四周开挖集水沟汇集坑壁和坑底渗水，并引向一个或多个集水坑，然后用水泵抽水排出基坑的排水方法。优点：设备简单、费用低。适用条件：除饱和粉细砂土外的土层均可。表面排水法（集水井降水）集水井降水法1－排水沟；2－集水井；3－离心式水泵；4－基础边线；5－原地下水位线；6－降低后地下水位线第二节刚性扩大基础施工•二、基坑排水2、井点降水法：在基坑外围或一侧、二侧埋设井点管深入含水层内，井点管的上端通过连接弯管与集水总管连接，集水总管再与真空泵和离心水泵相连，启动抽水设备，地下水便在真空泵吸力的作用下，经滤水管进入井点管和集水总管，排出空气后，由离心水泵的排水管排出，使地下水位降低到基坑底以下的排水方法。井点降水法示意图HyiiixRKqHyxRKqHylnln2222降水曲面位置考虑井点管相互影响的置单根井点管降水曲面位第二节刚性扩大基础施工•2、井点降水法优点：机具设备简单，使用灵活，装拆方便，降水效果好；基坑边坡的稳定好，不会发生流砂和坑壁坍塌等现象；降水费用较低。适用条件：渗透系数0.1～0.8m/d的砂土。三、围堰工程•围堰种类土石围堰、钢板桩围堰、双壁钢围堰、地下连续墙围堰钢板桩围堰1800导梁支撑工40图1钢板桩围堰示意图导梁工40承台长14.7m支撑工40墩身承台宽6.7m单位：cm支撑工401000封底混凝土承台第一层支撑基底-9.0m-11.5导梁每(1)层亚粘土-5.8m水位2.0m2.5m第二层支撑第三层支撑第四层支撑河床线每(2)层粉砂夹亚粘土每(3)层亚粘土导梁400250350180250270100钢板桩围堰施工工艺流程拔出钢板桩拆除模板砼养护基础、墩身砼灌注安装模板围堰内清基钢板桩吊运就位插打钢板桩导框安装定位测量施工准备双壁钢围堰地下连续墙围堰第三节板桩墙计算板桩墙作用:支挡基坑四周土体,防止土体下滑、防止渗水、防止涌水、以及因渗水引起的流砂。板桩墙承受的荷载：土压力和水压力。板桩墙计算内容：侧压力计算、板桩插入深度（确保板桩墙稳定性）、板桩墙截面内力（验算板桩墙材料强度、确定板桩截面尺寸）、板桩支撑（锚撑）计算、基坑稳定性验算、水下混凝土封底计算。第三节板桩墙计算•一、侧压力计算计算假定：不考虑板桩墙的实际变形计算理论：朗金理论计算公式：ppaazKzpzKzp)245(tan:)245(tan:22被动主动第三节板桩墙计算•一、侧压力计算ppaazKzpzKzp)245(tan:)245(tan:22被动主动1、对粘性土，式中用等代内摩擦角e替代，以考虑粘聚力的影响！！！等代内摩擦角换算见教材P22表2－2。2、地下水考虑：1）土层透水时：土重取浮容重+静水压力2）土层不透水时：土重取饱和容重（土面以上的水作为均布超载）第三节板桩墙计算•二、悬臂式板桩墙计算破坏形式：侧压力作用下的转动破坏(绕O点)。Ep2EAEp1/Khtabco计算假定：1、侧压力按直线分布；2、假定Ep2作用位置位于桩端b点；插入深度t应在计算值基础上适当增加10～20％，以修正Ep2作用位置假定影响！第三节板桩墙计算•二、悬臂式板桩墙算例计算方法与步骤：1、计算朗金主动、被动土压力；2、力学平衡条件计算插入深度t、及修正t；3、按剪应力等于零求反弯点t0;4、计算最大弯矩Ep2EAEp1/KH＝1.8mtabcot0=19kN/m3=30°c=0第三节板桩墙计算•三、单支撑（锚碇式）板桩墙计算TEAaboEp/KTEAMmaxQ=0第三节板桩墙计算•三、单支撑（锚碇式）板桩墙计算Ep/KTEAMmaxQ=0计算方法：1、计算简图：将板桩墙作为两点支撑竖直梁；支点1为支撑杆或锚碇拉杆，支点2为板桩下端土体；2、支撑类型：简支（板桩埋入土层较浅）或固定（埋入土层较深）；3、土压力分布：见下页单支撑板桩墙土压力分布EAbo+Mmax-MmaxEp1Ep2yaEAaboMmaxQ=0Ep/Kht简支支撑固定支撑三、单支撑板桩墙计算4、简支支撑板桩墙计算步骤：1）计算朗金主动、被动土压力；2）按力矩平衡条件（o＝0）计算插入深度t（不修正）；3）按H＝0求锚杆拉力；4）按剪应力等于零求反弯点t0;5）计算最大弯矩，确定板厚Ep/KTEAMmaxQ=0o三、单支撑板桩墙计算5、固定支撑板桩墙计算步骤：1）根据太沙基经验关系式确定反弯点位置y(P25表2-3)2）在反弯点处将板桩切开，然后计算朗金主动、被动土压力；3）按力矩平衡条件（o＝0）计算c截面上的剪力；4）按力矩平衡条件（b＝0）计算插入深度t；5）按力学平衡条件求锚杆拉力EAbo+Mmax-MmaxEp1Ep2yac第三节板桩墙计算•四、多支撑板桩墙计算多支撑目的:减小板桩弯矩多层支撑层数和间距确定方法:1、等弯矩布置：2、等反力布置：多支撑板桩墙土侧压力：土压力值介于静止土压力和主动土压力之间（因土体达不到主动极限平衡），并呈抛物线分布。太沙基板桩土压力分布经验图代替实际分布图以便于计算。太沙基板桩土压力分布经验图•四、多支撑板桩墙计算（a）（b）（c）多支撑板桩墙计算土压力（a）密砂；（b）松砂；（c）粘土第三节板桩墙计算•五、基坑稳定性验算（一）坑底流砂验算原则：板桩有足够如土深度以增加渗流路径，减小向上动水压力。安全条件：bwiKb-土的有效容重)/(1'thhi第三节板桩墙计算•五、基坑稳定性验算（二）坑底隆起验算验算软土基坑坑壁在自重环坑顶荷载作用下是否会导致坑底发生隆起。2/)(2xHqMdSu-滑动面上不排水抗剪强度2),(20xdSxMuSu滑动力矩qW阻滑力矩安全系数应满足2.1)2(HqSKus第三节板桩墙计算•六、封底混凝土厚度计算封底计算目的：防止封底混凝土及围堰在内外水头差的作用下浮起；防止封底混凝土产生向上挠曲而折裂。封底厚度计算方法：1）按抗浮起计算2）按抗折强度计算两者取较大值。wcwhx0][3422Hxxlwc第四节地基容许承载力的确定•一、地基容许承载力确定方法：1）类比法：土质基本相同条件下，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。第四节地基容许承载力的确定•二、公路桥涵地基规范方法和步骤：1）确定土的分类名称；2）确定土的状态；3）确定土的容许承载力；)3()2(][][22110hKbK符号具体解释见p32。第五节刚性扩大基础设计与计算•设计与计算主要内容埋置深度；基础尺寸；地基承载力验算；基底合力偏心距验算；基础稳定性；地基稳定性验算；基础沉降验算。第五节刚性扩大基础设计与计算•一、埋置深度确定基础埋深要求：1）基础设置在变形较小、强度较高持力层：目的是保证地基强度满足要求、避免产生过大沉降或沉降差；2）埋置深度足够大：目的保证基础稳定性、确保基础安全。第五节刚性扩大基础设计与计算•基础埋深设计应考虑的因素：1、地基的地质条件：覆盖层较薄时，基础宜直接修建在新鲜岩面上；覆盖层（风化层）较厚时，基础埋深根据风化程度、冲刷深度和容许承载力确定；岩层表面倾斜时，应避免基础同时放置在岩石和土体上。第五节刚性扩大基础设计与计算•基础埋深设计应考虑的因素：2、河流的冲刷深度：基础埋置在设计洪水的最大冲刷线以下不小于1米。大中型桥梁最小埋深要求见p35表2－7。3、当地的冻结深度4、上部结构形式第五节刚性扩大基础设计与计算•基础埋深设计应考虑的因素：5、当地的地形条件：基础设置在较陡斜坡上时，应避免土坡和基础一同失稳现象发生；斜坡上基础埋深与持力层土类关系p36见表2－8。6、保证持力层稳定所需的最小埋置深度；为保证地基和基础稳定性，埋置深度应在天然地面或无冲刷河底以下不小于1米。第五节刚性扩大基础设计与计算•二、基础尺寸的拟定基础厚度：根据基础结构形式、荷载大小和选用的基础材料等因素确定。底面标高：按埋深确定；顶面标高：不高于地面和最低水位。基础厚度＝顶面标高－底面标高一般大中型桥墩、台砼基础厚度1.0~2.0m。第五节刚性扩大基础设计与计算•二、基础尺寸的拟定基础平面尺寸：根据墩、台地面形状确定，一般为矩形。长度：a=l+2Htan；宽度：b=d+2Htan；。l为墩、台底截面长度；d为墩、台底截面宽度；H为基础高度；为墩、台底截面边缘至基础边缘与垂线间的夹角（刚性角）。a/2l/2db第五节刚性扩大基础设计与计算•二、基础尺寸的