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。深基础埋入地层较深，结构形式和施工方法较浅基础复杂，在设计计算时需考虑基础侧面土体的影响。天然地基浅基础的特点:由于埋深浅，结构形式简单，施工方法简便，造价也较低，因此是建筑物最常用的基础类型。第一节天然地基上浅基础的类型、构造及适用条件一、浅基础常用类型及适用条件刚性基础：刚性基础：基础在外力（包括基础自重）作用下，基底的地基反力为，此时基础的悬出部分（图2-1b），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。当基础圬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（图2-1b）。是桥梁、涵洞和房屋等建筑物常用的基础类型。其形式有：刚性扩大基础（图2-1b及图2-2）图2－1基础类型柔性基础：柔性基础：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，可将刚性基础尺寸重新设计，并在基础中配置足够数量的钢筋，这种基础称为柔性基础（图2-1a）。柔性基础主要是用钢筋混凝土浇筑，常见的形式有柱下扩展基础、条形和十字形基础（图2-5）筏板及箱形基础（图2-6、图2-7），其整体性能较好，抗弯刚度较大。二、浅基础的构造（一）刚性扩大基础（图2-2）将基础平面尺寸扩大以满足地基强度要求，这种刚性基础又称刚性扩大基础，其平面形状常为矩形，其每边扩大的尺寸最小为0.20m～0.50m，作为刚性基础，每边扩大的最大尺寸应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，以减少基础自重，节省材料。它是桥涵及其它建筑物常用的基础形式刚性扩大基础（二）单独和联合基础（图2-3）单独基础是立柱式桥墩和房屋建筑常用的基础形式之一。它的纵横剖面均可砌筑成台阶式（图2-3a、b），但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。个别情况下柱下基础用钢筋混凝土浇注时，其剖面也可浇筑成锥形（图2-3c）。单独和联合基础（三）条形基础（图2-4）条形基础分为墙下和柱下条形基础，墙下条形基础是挡土墙下或涵洞下常用的基础形式。其横剖面可以是矩形或将一侧筑成台阶形。如挡土墙很长，为了避免在沿墙长方向因沉降不匀而开裂，可根据土质和地形予以分段，设置沉降缝。有时为了增强桥柱下基础的承载能力，将同一排若干个柱子的基础联合起来，也就成为柱下条形基础（图2-5）。其构造与倒置的T形截面梁相类似，在沿柱子的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的。在桥梁基础中，一般是做成刚性基础，个别的也可做成柔性基础。挡土墙下的条形基础第二节浅基础的设计与计算刚性扩大基础的设计与计算的主要内容：基础埋置深度的确定；刚性扩大基础尺寸的拟定；地基承载力验算；基底合力偏心距验算；基础稳定性和地基稳定性验算；基础沉降验算。一、基础埋置深度的确定在确定基础埋置深度时，必须考虑把基础设置在变形较小，而强度又比较大的持力层上，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。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。确定基础的埋置深度时，必须综合考虑以下各种因素的作用。（一）地基的地质条件覆盖土层较薄（包括风化岩层）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。如岩层表面倾斜时，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时，还应注意岩体的稳定性。当基础埋置在非岩石地基上，如受压层范围内为均质土，基础埋置深度除满足冲刷、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当地质条件较复杂如地层为多层土组成等或对大中型桥梁及其它建筑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。（二）河流的冲刷深度在有水流的河床上修建基础时，要考虑洪水对基础下地基土的冲刷作用，洪水水流越急，流量越大，洪水的冲刷越大，整个河床面被洪水冲刷后要下降，这叫一般冲刷被冲下去的深度叫一般冲刷深度。同时由于桥墩的阻水作用，使洪水在桥墩四周冲出一个深坑，这叫局部冲刷。在有冲刷的河流中，为了防止桥梁墩、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不小于1m。（三）当地的冻结深度在寒冷地区，应该考虑由于季节性对的冰冻和融化对地基土引起的冻胀影响。于冻胀性土，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。为了保证建筑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。（四）上部结构型式对中、小跨度简支梁桥来说，这项因素对确定基础的埋置深度影响不大。对超静定结构即使基础发生较小的不均匀沉降也会使内力产生一定变化。例如对拱桥桥台，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土层上。（五）当地的地形条件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。由于在确定地基容许承载力时，一般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。若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。（六）保证持力层稳定所需的最小埋置深度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。加上人类和动物的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，基础的埋置深度（除岩石地基外）应在天然地面或无冲刷河底以下不小于1m。在确定基础埋置深度时，还应考虑相邻建筑物的影响，如新建筑物基础比原有建筑物基础深，则施工挖土有可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。二、刚性扩大基础尺寸的拟定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。水中不高于基础顶面一般最低水位，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1.0～2.0m左右。基础平面尺寸：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线与垂线间的夹角tan2)(tan2)(HdbHla顺桥向宽度横桥向长度基础剖面尺寸：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，如图2-18所示。自墩、台身底边缘至基顶边缘距离c1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、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。图2-18刚性扩大基础剖面、平面图基础悬出总长度: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，在a-a截面（图2-18b）所产生的弯曲拉力和剪应力不超过基础圬工的强度限值。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≤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基底应力计算（大桥的桥墩受撞击后桥梁为什么垮掉了？）中心荷载作用下：基底应力计算公式偏心荷载作用下：基底应力计算公式及基底应力计算公式的分析基底应力冲新分布后的计算公式三、地基与基础的承载力验算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。（一）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。式中：——基底应力（kPa）；N——基底以上竖向荷载（kN）；A——基底面积（m2）；M——作用于墩、台上各外力对基底形心轴之力矩，其中Ti为水平力，hi为水平作用点至基底的距离，Pi为竖向力，ei为竖向力Pi作用点至基底形心的偏心距，eo为合力偏心距；W——基底截面模量（m3），对矩形基础，为基底核心半径；——基底处持力层地基容许承载力（kPa）。][maxminWMAN二地基强度验算持力层强度验算公式：确定地基容许承载力的方法：1、借鉴周围建筑的经验2、公式计算3、查规范：宽度小于２米，深度小于３米４、否则需要修正地基容许承载力：公式（二）软弱下卧层承载力验算当受压层范围内地基为多层土（主要指地基承载力有差异而言）组成，且持力层以下有软弱下卧层（指容许承载力小于持力层容许承载力的土层），这时还应验算软弱下卧层的承载力，验算时先计算软弱下卧层顶面A（在基底形心轴下）的应力（包括自重应力及附加力）不得大于该处地基土的容许承载力式中：——相应于深度(h+z)以内土的换算重度（kN/m3）；——深度为（h+ｚ）范围内土层的换算重度（kN/m3）；h——基底埋深（m）；z——从基底到软弱土层顶面的距离（m）；a——基底中心下土中附加应力系数，可按土力学教材或规范提供系数表查用；——由计算荷载产生的基底压应力（kPa），当基底压应力为不均匀分布且z/b（或z/d）1时，为基底平均压应力，当z/b（或z/d）≤1时，按基底应力图形采用距最大应力边b/3～b/4处的压应力（其中b为矩形基础的短边宽度，d为圆形基础直径）；——深度为ｈ范围内的土的容重——软下卧层顶面处的容许承载力（kPa），zhZhhzh][)()(21图2-20软弱下卧层承载力验算四、基底合力偏心距验算控制基底合力偏心距ｅ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，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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五、基础稳定性和地基稳定性验算基础