中南大学基础工程课件第二章天然地基上的浅基础

土木工程本科生专业课程——基础工程第二章天然地基上的浅基础 2.1概述2.2浅基础的类型及构造2.3浅基础的施工方法2.4地基基础与上部结构的共同作用2.5防止不均匀沉降的措施2.6基础埋置深度的选择2.7浅基础的设计计算主要内容 2.1概述2.1.1浅基础与深基础的区别判断依据浅基础深基础埋置深度≦5m>5m设计计算是否考虑基础侧摩阻不考虑考虑施工时是否敞开挖基坑修基础是否施工方法简单复杂结构形式简单复杂工程造价低较高 2.1概述2.1.2浅基础设计应满足的基本要求1.强度要求地基：对剪切破坏及丧失整体稳定性有足够的安全度基础：不发生剪切破坏，有足够的强度2.变形要求地基：控制变形量≤地基变形容许值基础：不能发生过大变形，有足够的刚度3.基础功能、构造及耐久性要求 2.1概述2.1.3浅基础设计基本步骤集资料选类型拟尺寸地形及地质勘察资料水文气象资料上部结构形式、使用功能、荷载性质大小等资料周围环境资料施工技术条件资料细部尺寸空间位置确定基础类型 2.1概述做检算选方案地基强度检算基础本身强度检算基底偏心距检算地基稳定性检算基础倾覆、滑动稳定性检算沉降检算墩顶水平位移检算从技术、经济、施工综合考虑 2.1概述2.2浅基础的类型及构造2.3浅基础的施工方法2.4地基基础与上部结构的共同作用2.5防止不均匀沉降的措施2.6基础埋置深度的选择2.7浅基础的设计计算主要内容 2.2浅基础的类型和构造2.2.1按基础刚度分类刚性基础砌筑材料：砖、毛石、素砼、灰土等受力特点：抗压性能好，抗拉、抗剪强度不高，无挠曲变形结构特点：稳定性好，施工方便，能承受较大荷载，但自重大构造：满足刚性角要求 2.2浅基础的类型和构造刚性角 2.2浅基础的类型和构造刚性基础的宽度大小应能使所产生的基础截面弯曲拉应力和剪应力不超过基础施工材料的强度限值。满足了这个要求，就得到墩台身边缘处的垂线与基底边缘的连线间的最大夹角αmax，即称为刚性角。基础底面积越大其底面压强越小，对地基的负荷越有利，但放大的尺寸超过一定范围，超过基础材料本身的抗拉，抗剪能力，就会引起破坏，折列的方向不是沿柱或墙的外侧垂直向下的，而是与垂线形成一个角度，这个角度就是材料刚性角。在设计中，应尽力使基础大放脚与基础材料的刚性角相一致，目的：确保基础底面不产生拉应力，最大限度地节约基础材料。1.不同的材料刚性角不同，主要由基础或其台阶的高宽比确定.2.砖砌基础的刚性角在26°～33°之间；素混凝土基础的刚性角在45°以内。3.受刚性角限制的基础称为刚性基础。 2.2浅基础的类型和构造刚性角的大小是否只与砌筑材料有关基础底面反力越大，其刚性角越小单向受力下的刚性角比双向受力时大刚性角与哪些影响因素有关呢?×√√为什么？ 2.2浅基础的类型和构造柔性基础砌筑材料：钢筋混凝土受力特点：抗弯、抗剪性能好，可以有一定的挠曲变形结构特点：可在荷载大，地基承载力小时采用，适用于具有一定厚度的硬壳层地基，宽基浅埋构造：无刚性角要求 2.2浅基础的类型和构造 2.2浅基础的类型和构造2.2.2按构造分类独立基础阶梯形锥形杯形现浇柱现浇柱预制柱 条形基础2.2浅基础的类型和构造无肋的有肋的底板垫层肋 交叉基础2.2浅基础的类型和构造纵向条形基础横向条形基础 筏板基础2.2浅基础的类型和构造Matfoundation 2.2浅基础的类型和构造平板式梁板式平板梁柱 箱形基础2.2浅基础的类型和构造底板外墙内墙 壳体基础2.2浅基础的类型和构造正圆锥壳M型组合壳内球外锥组合壳 2.1概述2.2浅基础的类型及构造2.3浅基础的施工方法2.4地基基础与上部结构的共同作用2.5防止不均匀沉降的措施2.6基础埋置深度的选择2.7浅基础的设计计算主要内容 2.3浅基础的施工方法2.3.1浅平基的施工特点陆地施工顺序基坑开挖基坑支护基坑排水或降水基底处理基础砌筑 水中施工顺序修筑围堰堰内抽水基坑开挖水下施工2.3浅基础的施工方法 2.3浅基础的施工方法2.3.2基坑开挖和支护无支护开挖不同土层或深度较大可加设平台土质情况荷载情况基坑深度坡度 挡板支护2.3浅基础的施工方法当地下水位在坑底以下时，可用挡板支护。一般用水平挡板挡土，用立木、对撑使之紧贴在坑壁上。挡板可一次挖到坑底设计深度后铺设，也可分层铺设。 桩板支护2.3浅基础的施工方法上述挡板支护在边开挖边支挡的情况下施工是不方便的。这时可改用桩板支护。一般采用H型钢，对撑，八字撑，腰梁等保持支护结构的稳定性。 板桩支护2.3浅基础的施工方法挡水 2.3浅基础的施工方法挡土 2.3浅基础的施工方法钢板桩断面对钢带进行连续冷弯变形，形成截面为Z形、U形或其它形状，可通过锁口互相连接的建筑基础用板材。 2.3浅基础的施工方法旋喷桩护壁 2.3浅基础的施工方法深圳地铁罗湖口岸站的护壁桩 2.3浅基础的施工方法喷射混凝土护壁 2.3浅基础的施工方法2.3.3基坑排水与降水集水＃排水布设要点：汇水井布置在基坑内基础范围外，同时设置边沟或排水沟，汇水井应低于坑底或边沟底不小于1m。井底铺设一层粗砂或碎石，以保护井底的土不被抽走。2.特点：设备简单，费用低，但对于细、粉砂要防止出现流砂 井点法降水2.3浅基础的施工方法轻型井点喷射井点深井泵井点降低水位5~6m18~20m30~40m适用范围粘砂土、砂土粘砂土、砂土透水性较大的砂土特点：水流方向向下，不会出现流沙 2.3浅基础的施工方法2.3.4水中围堰和水下挖土水中围堰1.基本要求顶面高出最高施工水位0.7m以上围堰修筑完成后能防止河流冲刷围堰要满足强度和其稳定性要求围堰有足够的空间搭建工作平台 2.3浅基础的施工方法2.围堰分类土围堰草袋围堰木板桩围堰钢板桩围堰3.围囹法施工工艺拼装围囹运输到位打定位桩吊起围囹插打钢板桩围囹：单层钢板桩围堰，空间框架结构，即可作为支撑体系，又可作为施工平台 2.3浅基础的施工方法水中挖土抓土斗-双瓣式：适于挖泥沙四瓣式：适于挖漂、卵石。。。。 2.3浅基础的施工方法水中挖土吸泥机：空气吸泥机；水力吸泥机；离心吸泥机？ 2.3浅基础的施工方法2.3.4基底处理与灌注水下混凝土基底土质鉴定1.鉴定方法直接观察；取土样试验2.土质不合要求地基处理更改设计no（增大底面积，改用桩基础等）岩层（未风化、风化、岩面倾斜）碎石类土及砂土粘性土（按不同土质进行） 2.3浅基础的施工方法基底处理泉眼堵塞排除基底泉眼的处理不论采取何种方式，都不应使基底土层饱水。1）可将有螺口的钢管紧紧打人泉眼，盖上螺帽并拧紧，阻止泉水流出；或向泉眼内压注速凝的水泥砂浆，再打人木塞堵眼。2）堵眼有困难时，可采用导管塞人泉眼，将水引流至集水坑排出。在基底下设盲沟引流至集水坑排出，待基础圬工完成后，向盲沟压注水泥浆堵塞。采用引流排水时，应注意防止砂土流失，引起基底沉陷。 灌注水下混凝土2.3浅基础的施工方法——导管法 封底混凝土厚度计算2.3浅基础的施工方法情况一：桩入土不深，板桩与土之间摩擦力较小，浮力主要由封底混凝土和围堰自重平衡，厚度由抗浮计算确定。修正系数，小于1lhx 2.3浅基础的施工方法情况二：桩入土较深，混凝土厚度由封底混凝土强度计算确定。按简支单向板计算简支板顶面在浮力作用下的应力为：由上式即可得到封底混凝土的厚度。截面模量圆形基底如何计算？ 2.1概述2.2浅基础的类型及构造2.3浅基础的施工方法2.4地基基础与上部结构的共同作用2.5防止不均匀沉降的措施2.6基础埋置深度的选择2.7浅基础的设计计算主要内容 2.4地基基础与上部结构的共同作用2.4.1基本概念常规设计方法 2.4地基基础与上部结构的共同作用上述设计方法中忽略了以下两点：1.基础的变形对上部结构内力、变形的影响2.上部结构对基础变形的调整作用共同作用设计方法将上部结构、地基、基础三者视为一个完整的体系来进行共同作用分析。同时满足静力平衡条件变形协调条件 2.4地基基础与上部结构的共同作用2.4.2地基与基础的相互作用架越作用：刚性基础能跨越基底中部，将所承担的荷载相对集中地传至基底边缘的现象。 2.4地基基础与上部结构的共同作用2.4.3基础相对刚度的影响 2.4地基基础与上部结构的共同作用2.4.4地基土非均匀性的影响 2.4地基基础与上部结构的共同作用2.4.5上部结构刚度的影响柔性结构特点：整个承重体系对基础的不均匀沉降有很大的适应性，沉降差不引起上部结构的附加应力（次应力）。敏感性结构特点：对基础不均匀沉降反应灵敏刚性结构特点：倾斜而不挠曲 2.4地基基础与上部结构的共同作用2.4.6有限元模拟施工地震作用土-水耦合补充阅读：砂土液化状态下土·基础·上部结构整体系统的动态响应数值计算 2.1概述2.2浅基础的类型及构造2.3浅基础的施工方法2.4地基基础与上部结构的共同作用2.5防止不均匀沉降的措施2.6基础埋置深度的选择2.7浅基础的设计计算主要内容 2.5防止不均匀沉降的措施2.5.1建筑措施建筑物体形力求简单平面：力求简单，避免附加应力叠加立面：建筑物高低（轻重）相差不大 控制建筑物的长高比2.5防止不均匀沉降的措施 2.5防止不均匀沉降的措施思考：倒“八”字裂纹是如何产生的？ 设置沉降缝2.5防止不均匀沉降的措施1.长高比过大的建筑物适当部位；2.平面形状复杂的建筑物的转折部位；3.地基土的压缩性有显著变化处；4.建筑物的高低或荷载有很大差异处；5.建筑物结构类型截然不同处；6.分期建造房屋的交界处；7.拟设置伸缩缝处。 2.5防止不均匀沉降的措施相邻建筑物基础的间隔距离避免建筑物的相互影响，减小附加应力的叠加，以免建筑物的相互开裂调整和控制各建筑物的标高思考：在设计中，荷载大的标高和荷载小的标高，哪部分应该调整得高些？ 2.5防止不均匀沉降的措施2.5.2结构措施减轻建筑物自重设置圈梁减小或调整基底附加压力采用非敏感性结构增加基础刚度 2.5防止不均匀沉降的措施2.5.3施工措施拟建相邻建筑物之间轻重悬殊时，先重后轻（先高后低）；2.已建轻型建筑物周围不宜堆放重物；3.注意开挖基础的降水对邻近建筑物影响；4.基坑开挖后，尽量减少扰动原状土；5.拟建密集建筑群内有桩基础时，先打桩。 2.1概述2.2浅基础的类型及构造2.3浅基础的施工方法2.4地基基础与上部结构的共同作用2.5防止不均匀沉降的措施2.6基础埋置深度的选择2.7浅基础的设计计算主要内容 2.6基础的埋置深度2.6.1埋置深度的概念埋置深度：指自地面（房建）或一般冲刷线（桥梁）到基础底面的距离，简称为埋深。最小埋置深度合理埋置深度埋置深度埋深不应小于各种破坏因素而定的最小埋深（保证持力层不受外界破坏因素影响）以满足各种力学验算为前提，应在最小埋深以下选择地基承载力较高的土层作为持力层在大于最小埋深条件下选择最浅的高承载力地层作为持力层 2.6基础的埋置深度2.6.2最小埋置深度2.冲刷因素在河流中修筑桥梁墩台基础时，由于过水断面的减小，会增加水流速度，引起冲刷。一般冲刷线局部冲刷线冲刷总深度=一般冲刷深度+局部冲刷深度河床面在水流冲刷后下降的深度在一般冲刷的同时由于墩台的阻水在墩台周围形成的附加冲刷深度1.不埋置在不稳定地表层旱地、无水流冲刷处或设有铺砌防护层时，应在地面以下2m以下，困难情况下不得小于1m 2.6基础的埋置深度京九线巴河大桥 2.6基础的埋置深度因此，基底应埋置于最大冲刷线下不小于安全值☆一般桥梁：2m+冲刷总深度的10%，并以0.5m分段；☆重要桥梁：在上述的基础上再加1m；☆修建在岩石地基上的桥墩：抗冲刷能力强，清理岩石表面风化层；抗冲刷能力差，视具体情况定； 2.6基础的埋置深度补充知识：水的流动导致细小颗粒的流失水流方向 2.6基础的埋置深度2.冻融因素3.生物活动及环境因素《桥规》规定：☆基底应埋置于冻结线以下一定深度☆冻胀、强冻胀土0.25m；弱冻胀土不小于冻结深度80%☆涵洞基础出入口向洞内各2m范围内基地应埋置于冻结线以下0.25m。离地面较浅的土层，因受大气、环境、气候、雨水冲蚀及生物活动的影响，为保证持力层稳定和不受扰动，基底应埋置于地面以下2m，困难时最少1m。土的标准冻结深度：多年实测最大冻深的平均值 2.6基础的埋置深度冻胀丘 2.6基础的埋置深度热融 2.6基础的埋置深度2.6.3合理埋置深度①使用功能或上部结构形式☆必须设地下室或设备层的建筑物☆带有地下管线的设备基础☆带地下设施的建筑物②高层建筑，荷载大，埋深适当加大③与建筑物受力性能有关，如承受上拔力的输电塔，埋深应该加大1.与建筑物有关的条件 2.6基础的埋置深度2.工程地质条件①持力层为倾斜面，分段设台阶②修建在稳定土坡坡顶③均质土层:根据荷载大小和地基承载力确定④非均质土层：应视实际情况而定☆上硬下软，充分利用硬壳层的作用☆上软下硬，若软土较薄，挖除☆上软下硬，若软土较厚，置换或修改设计 在满足其他要求下尽量浅埋只有低层房屋可用,否则需地基处理尽量浅埋但是如果h1太小就为II好土软土(很深)好土软土软土好土IVh1h1h1<2m基底在好土h1=2m~4m高楼好土,低楼软土h1>4m桩基或处理2.6基础的埋置深度IIIIII好土软土h1III 2.6基础的埋置深度3.水文地质条件①底面低于潜水面的地基，应注意基坑排水，坑壁围护，保护地基土不受扰动②防止流砂、涌土的出现以及抗腐蚀、抗渗、抗浮的要求③埋藏有承压含水层的地基，应注意防止基底因挖土减压而引起隆起开裂 2.6基础的埋置深度4.采取人工措施，改善环境条件①铺砌河床断面，把易冲刷土换为无冲刷情况②改变冻胀融陷条件，换为非冻胀土5.美观：基顶不高出地面或最低水位 2.1概述2.2浅基础的类型及构造2.3浅基础的施工方法2.4地基基础与上部结构的共同作用2.5防止不均匀沉降的措施2.6基础埋置深度的选择2.7浅基础的设计计算主要内容 2.7浅基础的设计计算2.7.0基础上的荷载计算荷载的取值方法容许应力设计法（工作应力设计法）（铁路公路）极限状态设计法（可靠度设计法）（房建）计算荷载=主要荷载+附加荷载+特殊荷载荷载组合原则荷载对结构的强度、刚度和稳定性影响不同。取导致结构物出现最不利情况的各种荷载组合，即：最不利荷载组合。 2.7浅基础的设计计算2.7.1基础尺寸的初步拟定基础底面长a宽b尺寸与高度有如下的关系：a=l+2Htanαb=d+2Htanα扩大基础的剖面形式一般做成矩形或台阶形。自墩、台身底边缘至基顶边缘的距离c称襟边。1.扩大基底面积增加基础承载力2.便于调整基础施工时在平面尺寸上可能发生的误差3.为了支立墩、合身模板的需要视基底面积的要求、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。每层台阶高度通常为0.50m--1.00m，在一般情况下各层台阶宜采取相同厚度。 2.7浅基础的设计计算2.7.1基础尺寸的初步拟定1.拟定依据①上部结构形式，使用功能等②地基基本容许承载力③上部结构荷载大小，性质等 2.7浅基础的设计计算2.拟定原则①形状与墩台形状相符②分层扩大，每层厚不小于1m，常用1m③上部结构荷载大小，性质等，层数不超过3层④满足刚性角要求⑤襟边尺寸大于0.2m，以满足立模以及测量、放线误差 2.7浅基础的设计计算1.中心受压基础底面处的总压应力为条形基础2.偏心受压在中心受压的情况下扩大底面积，再进行检算 2.7浅基础的设计计算材料力学回忆截面模量M（长度三次方），别名截面抵抗拒、sectionmodulus对其形心轴的惯性矩与截面上受拉或受压边缘至形心轴距离的比值x惯性矩I长度单位四次方、别名momentofinertiax 2.7浅基础的设计计算2.7.2地基强度的检算持力层强度检算所有外力向基底形心处简化或桥梁基础地基容许承载力建筑基础地基容许承载力按安全系数确定按可靠度确定最大压应力≤地基容许承载力 2.7浅基础的设计计算软弱下卧层强度检算当地基层下存在软弱下卧层时，应进行下卧层强度检算，保证下卧层顶面的最大应力小于下卧层的容许承载力。与前面的有何不同?《桥规》公式法工程近似法 2.7浅基础的设计计算《桥规》公式法自重应力附加应力——基底的平均压应力与基底荷载分布形式无关，采用基底平均压应力（根据圣维南原理）一定深度处，土中应力分布与基底压力分布形式无关，只取决于合力大小和作用点位置。 2.7浅基础的设计计算工程近似法条形基础矩形基础自重应力附加应力扩散角db扩散角正比与z/b、上下层压缩模量比宽 2.7浅基础的设计计算2.7.3基底偏心矩的检算目的：使地基应力较均匀分布，控制基础两侧产生过大的不均匀沉降，从而限制墩身倾斜所引起的墩顶位移。☆单向偏心原则：以基底不出现拉应力为原则，只要控制其偏心距，使之不超过某一数值即可。作用于基底的总应力矩作用于基底重心的竖向应力矩一般要求≤b/6(房建)，或者≤1.5(桥梁) ☆双向偏心2.7浅基础的设计计算1求出斜向弯曲时的最小应力2单向偏心时的最小应力基底截面核心半径 2.7浅基础的设计计算3令其应力等效，化双向偏心为单向偏心，且二者具有相同的最小应力☆检验判别式为避免求截面核心半径，故采用此判别式C的取值0.7-2.0。大小与地基岩土材料性质及基础本身的形状有关。总结这种关系的规律，为什么有这种规律？ 2.7浅基础的设计计算2.7.4基础的倾覆稳定性检算较大的单向水平推力而其合力作用点又离基础底面的距离较高（如挡土墙或高桥台受侧向土压力作用，大跨度拱桥在施工中墩、台受到不平衡的推力，以及在多孔拱桥中一孔被毁）原因： 2.7浅基础的设计计算2.7.4基础的倾覆稳定性检算目的：保证墩台在最不利荷载作用下，不致绕基底外缘转动而发生倾覆现象。☆倾覆稳定系数☆检验判别式不同的荷载组合，在不同的设计规范中，对抗倾覆稳定系数的容许值均有不同要求，一般对主要荷载组合≥1.5，在各种附加荷载组合时，≥1.1-1.3。 2.7浅基础的设计计算s的概念：在沿截面重心与合力作用点的连线上，自截面重心至检算倾覆轴的距离。☆凹多边形，倾覆轴应取基底截面的外包线☆计算力矩时，应视各力绕基底截面形心的方向区别正负 2.7浅基础的设计计算2.7.5基础的滑动稳定性检算目的：保证基础的位置稳定性☆滑动稳定系数☆检验判别式一般情况：施工荷载;地震力: 2.7浅基础的设计计算2.7.6沉降检算目的：限制墩台的沉降量非岩石地基上修建了建筑物后，建筑物会发生沉降，桥梁基础同样也会发生沉降，为保证铁路的正常运营，必须限制墩台的沉降量。《桥规》在确定地基承载力时，已经考虑了地基的变形因素，因此，当满足强度要求时，也间接的满足了沉降要求，但在特殊情况下，必须进行相应的沉降检算。 2.7浅基础的设计计算☆计算总沉降采用分层总和法计算恒载作用下（所有荷载一次施加，与施工过程有偏差）的最终总沉降活载作用时间短，对沉降影响不大。☆计算墩台基础的沉降修建基础开始，沉降就开始发生，因此，施工期间已完成总沉降的一部分。但这部分沉降在浇筑顶帽混凝土时可调整，故对上部线路和运营带来影响的只有计算的沉降。 2.7浅基础的设计计算☆容许沉降墩台均匀沉降量相邻墩台均匀沉降量之差L为桥跨距离，不等跨时取小跨，小于24m时以24m计。☆检验判别式 2.7浅基础的设计计算2.7.7地基整体稳定性检算修建在土质斜坡上的基础，尤其当受有水平荷载作用的建筑物，如桥台、挡土墙等，应注意该基础是否会连同地基土一起下滑。要防止下滑，就必须加大基础的埋置深度。 2.7浅基础的设计计算2.7.7地基整体稳定性检算砌筑合身时，应及时地在台后填土并夯实，以防台身后倾覆和转动;也可在台后一定长度范围内填碎石、干砌片石或填石灰土，以增大填料的内摩擦角减小土压力，达到减小倾覆力矩提高抗倾覆安全度的目的。由于在拱脚水平惟力作用下，基础的滑动稳定性不能满足要求时，可在基底四周做成齿槛，这样，由基底与土间的摩擦滑动变为土的剪切破坏，从而提高了基础的抗滑力。还有什么几何上的方法？当高填土的桥台基础或土坡上的挡墙地基可能出现滑动或在土坡上出现裂缝时，可以增加基础的理置深度或改用桩基础，提高墩台基础下地基的稳定性;或者在土坡上设置地面排水系统，拦截和引走滑坡体以外的地表水，以减少因渗水而引起土坡滑动的不稳定因素。 2.7浅基础的设计计算☆分析方法：圆弧条分法☆位于稳定土坡坡顶上基础，当基础边长小于3m时，基础外缘至坡顶的水平距离s不得小于2.5m，且基础外缘至坡面的水平距离l，对条基，不得小于3.5b,对矩形基础，不得小于2.5b。☆当坡角大于45度，坡高大于8m时，应检算坡体的稳定性。Dlbsα