第四章-浅平基构造与设计

概述远古、史前，建筑活动中就有了地基基础工艺。半坡村新石器时代遗址、殷墟遗址，都有土台和基础。河北赵县赵州桥（隋朝李春）桥台基础置于密实砂土层上，1300多年沉降仅几厘米桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算位于天然地基上、埋置深度5m的一般基础或埋深度5m，但小于基础宽度的大尺寸基础桥梁基础埋置深度无冲刷河流河底或地面至基础底面的距离冲刷河流局部冲刷钱至基础底面的距离根据埋置深度浅基础深基础一、二、三、深基础与浅基础区别Hb局部冲刷线桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算埋置深度施工方法设计计算原理基础结构形式深基础浅基础不太深的未加固过的天然土层上明挖基坑(敞坑开挖)施工简单刚性基础弹性基础施工复杂埋置深设计中考虑侧面土对基础的弹性抗力不计土弹性抗力素混凝土或块石，层层扩大，矩形、八角形钢筋混凝土受力本身不变形预应力钢筋混凝土桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算•一、基础设计内容与一般步骤•相关资料的收集•确定基础埋置深度•选择基础类型•确定地基承载力•设计基础尺寸•按规范进行强度、变形、稳定性检算•绘制基础设计图、施工图•编写设计说明书•工程概预算第一节基础设计原则桥梁墩台基础第二节铁路实体墩构造与设计1.桥渡、线路资料；2.桥址处的地形(河床纵断面，水流方向等)；3.工程地质资料(各土层厚度及物理、力学性质、岩面标高及其倾斜度、基岩中有无断层、溶洞、破碎带等)4.水文资料(如：高水位、低水位、施工水位、流速、冲刷深度等)；5、料源、交通，电力供应情况进行调查铁路桥涵地基基础设计规范01122[]23kbkHσσγγ=+−+−（）（）Hb2γ1γ地基容许承载力基本承载力宽度修正系数深度修正系数2m10mb≤≤3mH≥局部冲刷线桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算•二、基础设计准则•1.基础本身的强度及地基土的强度不得超限(尚应检算软弱下卧层的强度)；•2.基础倾斜不得过大，合力偏心应小于容许值；•3.基础不得倾倒及滑走，应检算其倾覆和滑动稳定•4.基础要耐久可靠，靠建筑材料和埋深保证；•5.有时还要检算基础的沉降或沉降差,特别是超静定结构;墩很高时，需检算墩台顶的水平位移；•6．当墩台修筑在较陡的土坡上，或桥台筑于软土上且台后填土较高时，还应检算墩台连同土坡沿滑动弧面的滑动稳定性。①地基的地质、地形条件②河流的冲刷程度③当地的冻结深度④上部结构形式⑤保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件埋置深度第二节基础埋置深度确定桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算一、地基的地质条件地质条件是确定基础埋置深度的主要因素之一。1、岩石地基①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岩石，将基础直接修建在新鲜岩面上。②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。③如岩层表面倾斜时:应尽可能避免将基础的一部分置于岩层上，而另一部分则置于土层上。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算2、非岩石地基①受压范围内为均质土基础埋置深度可在排除冲刷、冰冻等因素后，主要根据荷载大小、地基土的承载力和最小埋深来确定②地层为多层的交错分布时可出现不只一层可作为持力层的土层，应综合冲刷，冻深要求，上部结构对地基要求，施工条件等考虑。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算以防基础由于不均匀沉降而发生倾斜甚至断裂。在陡峭的山坡上修建桥台时，还应注意岩体的稳定性。二、河流的冲刷深度为了防止桥墩台基础四周和基底下土层被水流掏空冲走，不致使墩台基础失去支持而倒塌，基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下一定的深度，以保证基础的稳定性。根据《铁路工程水文勘测设计规范》对于非岩石河床而无冲刷处或河床设有铺砌防冲处，基底埋在地面以下不应小于2.0m，困难情况下不应小于1.0m；在有冲刷处，基底埋在墩台局部冲刷线下不应小于下列安全值：对于一般桥梁，安全值为2.0m加冲刷总深度的10%；对于技术复杂、修复困难或重要的特大桥、大桥，安全值为3.0m加冲刷总深度的10%。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算H局部冲刷线对于冻胀，强冻胀土应在冻结线以下不小于0.25m；对于弱胀冻土，应不小于冻结深度。冻结线h无冲刷处或河床设有铺砌防冲处，基底埋在地面以下不应小于2.0m，困难情况下不应小于1.0m；有冲刷时，对于一般桥梁，安全值为2.0m加冲刷总深度的10%；对于技术复杂、修复困难或重要的特大桥、大桥，安全值为3.0m加冲刷总深度的10%。三、当地的冻结深度在寒冷地区，由于冬季气温下降，当地面下一定深度内土中的温度达到冻结温度时，孔隙中的水份开始冻结，体积增大，使土体产生一定的隆胀。引起地基的冻胀和隆起，这些都可能使基础遭受损坏。基础底面应埋置在天然最大冻结线以一定的深度。《桥规》规定：除不冻胀土外，对于冻胀，强冻胀土应在冻结线以下不小于0.25m；对于弱胀冻土，应不小于冻结深度。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算土的标准冻结深度系指地表无积雪和草皮覆盖时，多年实测最大冻深的平均值。附我国北方各地的冻结深度大致如下，满州里2.6m，齐齐哈尔2.4m、佳木斯或哈尔滨2.2m，牡丹江2.Om、长春1.7m、沈阳1.2m、锦州1.1m、太原1.0m、北京0.8-1.0，大连0.7m、天津0.5-0.7,济南0.5m。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算四、上部结构型式上部结构型式的不同，对基础产生的位移要求也不同。对中、小跨度的简支梁桥来说，这项因素对确定基础的埋置深度影响不大。但对超静定结构即使基础发生较小的不均匀的位移也会使内力产生一定的变化。例如拱桥桥台为了减少可能产生的水平位和抗沉降差值，有时需将基础设置在埋藏较深的坚实土层上。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算五、地形条件如墩台，挡土墙等结构位于较陡的土坡上时，要考虑土坡连同结构物基础一起滑动的稳定性。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。基础前缘至岩层坡面间必须留有适当的安全距离，其数值与持力层岩石(或土)种类及倾斜坡坡度等因素有关。基础前缘至斜坡面间的安全距离L及基础嵌入地基中的深度h与持力层岩石(或土)类的关系见表4—2，桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算桥梁基础承受荷载比较大，而且受力情况比较复杂，因此，表列的L值宜适当增大，必要时应降低地基容许承载力，以防止邻近边缘部分地基下沉过大。持力层种类较完整坚硬岩石砂类、砾石及土层0.250.601.001.00一般岩石松软岩石0.25~0.500.60~1.501.00~2.001.50~2.50h(m)L(m)桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算六、保证持力层稳定所需的最小埋置深度地表土性质是不稳定的。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流的河底以下不小于2m，困难情况下不小于1m。施工技术条件(施工设备、排水条件，支撑要求、经济性等)对基础采用的埋置深度也有一定的影响，这些也应该综合考虑。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算第三节浅平基的设计计算建筑在不太深的未加固过的天然土层上，这种基础的底面应是平的(在倾斜岩面上者可作成台阶式)，故称浅平基。施工方法也较简单，一般采用明挖基坑(敞坑开挖)的施工方法，故又名明挖基础或敞坑基础。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算稳定性好施工简便能承受较大荷载只要地基强度能满足要求应优先采用浅平基的特点桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算地表水或施工水位较高荷载大时上部结构对差异变形量敏感性持力层的土质较差又较厚有涌砂现象不宜使用情况一、浅平基构造矩形八角形（园形墩身）1平面形状桥梁墩台基础第五节基础类型及特点平面形状常为矩形，立面形状可为单层或多层台阶扩大形式。α为基础刚性角，其不应超过某一限值，以防基础开裂破坏。αα基础常用材料有混凝土，片石混凝土，浆砌片石等。c为襟边，作用扩大基地面积，调整施工误差，立模需要，值20～50cm。2构造特点及尺寸[a]石砌30~35o45o~50混凝土C=20～50cmHi=0.5~1.01m检算内容二、设计计算项目材料强度基底应力基底偏心稳定性检算滑走稳定检算倾覆稳定检算桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算当检算桥台基底时，还需计算基础部分的土压力和活载土压力(如控制滑动稳定的加载图式Ⅲ)。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算N，P、M：墩身底部截面(即基顶)上的合力；N基：基础重N土：基础台阶上土重N浮：浸水部分墩台与基楚的水浮力(当为透水地基时)N水：基础台阶上的水柱重(当为不透水地基时)㈠基底检算中的荷载桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算①透水土验算稳定时：考虑设计频率的水位时的浮力，计算基底应力或基底偏心：考虑常水位(包括地表水或地下水)的水浮力（碎石土，砂类土，粘砂土等）：②不透水土（粘土、岩石且基础混凝土与岩石接触良好时）不考虑水浮力③不能肯定是否透水（砂粘土）时，应分别按透水与不透水两种情况检算，取其不利者，1、浸水部分墩台与基础的水浮力N浮的计算：2、对基础台阶上的土重N土和基础自重N基可按其各自的容重乘以其体积即得，但对容重，视基底的透水性(参照上项计算中有关内容)而定，3、对基础部分所受的土压力和活载土压力同桥台台身检算部分，4、当需计算流水压力时，仍按第二章公式计算，但应注意所用的流速v，在检算稳定性时用设计频率水位的流速，计算基底偏心或基底应力时则采用常水位的流速。桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算（二）基底应力检算按偏心受压公式来计算其基底应力。由于埋深较浅，略去基础四周的摩阻力和弹性抗力的作用。基底应力检算公式：式中：A——基底面积；[σ]—地基容许承载力IxIy—基底截面绕重心轴x和y的截面惯性矩桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算][maxminσσ≤•∑±•∑±∑=xxyyIyMIxMAN][maxminσσ≤•∑±∑=yyIxMAN桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算注意注意①桥台基础需对前端或后端分别进行检算（原因）0minσ②如表示在基础的一侧出现了拉应力，除混凝土浇筑在岩石地基上外，一般基底与土之间是不能承受拉力的，需考虑基底应力的重分布(计算方法同桥墩截面)。③当受压土层范围内地基的持力层以下有软弱下卧层时，还须验算软弱土层的土应力。σ其验算方法见《桥规》有关规定及土力学有关公式。（三）基底偏心检算墩台基础的设计计算中，必须控制合力的偏心距，其目的是尽可能使基底应力分布比较均匀，以免基底两端应力相差过大，使基础产生较大的不均匀沉降，墩、台发生倾斜，影响正常使用。要使各种荷载组合条件下都能做到合力通过基底中心是不可能的，欲使起控制作用的荷载组合接近基底中心虽然属可能，但往往是很不经济的。为此，在基底容许产生一定的偏心。单向的偏心时偏心矩按下式检算：桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算][eNMe≤∑∑=桥梁墩台与基础第四章浅平基的设计与计算式中：e——外力对基底截面重心的偏心矩;［e]—容许偏心矩。非岩石地基仅承受恒载[e]=0[e]=ρ承受主加附当土的基本承载力σ0≤200kPa时，对桥台[e]=0.8ρ岩石地基节理不发育，较发育和节理发育的硬质岩[e]=1.5ρ其它岩石地基[e]=1.2ρ承受主加附《桥规》对不同地基土和不同的荷载组合情况规定了容许偏心距[e]的限值：基底核心半径，ρ=W/A(4-3)式中：W—相当于应力较小边缘的截面抵抗矩，A为基底面积。外力作用点不在基底二个对称轴中的任一对称轴上，或者基底截面为不对称时，为了省略计算ρ的工作，可直接按下式求e与ρ的比值，使其满足规定的要求。(4—4)式中符号意义同前。但应注意∑N,σmin应在同一种荷载组合情况下求得。A