天然地基上的浅基础设计PPT课件.ppt

第八章天然地基上的浅基础设计 8 1浅基础类型及设计原则 一 浅基础常用类型及构造类型根据受力条件及构造分 刚性基础 无筋扩展基础 柔性基础 钢筋混凝土基础 无筋扩展基础 刚性基础 由砖 毛石 混凝土或毛石混凝土 灰土和三合土等材料组成的 且不需配置钢筋的条形基础或独立基础 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 应用不适于持力层土质较差又较厚 而荷载大或上部结构对沉降差较敏感的建筑物 材料砖 毛石 混凝土或毛石混凝土 灰土和三合土等 柔性基础 扩展基础 特点柔性基础主要是用钢筋混凝土浇筑 其整体性能较好 抗弯刚度较大 形式常见的形式有扩展基础 柱下条形和十字形基础 筏板及箱形基础 一 刚性基础构造 无筋扩展基础 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 襟边款 台阶踏面 刚性角为使悬出部分在基底反力作用下 基础不开裂 则所产生的弯曲拉应力和剪应力不超过基础圬工的强度限值 满足上述要求时 可得到自墩台身边缘处的垂线与基底边缘的连线间的最大夹角 max 称为刚性角 襟边款 台阶踏面 公路桥涵地基与基础设计规范 JTJ024 85规定刚性基础的刚性角 max可按以下数值取用 砖 片石 块石 粗料石砌体 当用5号以下砂浆砌筑时 max 30 当用5号以上砂浆砌筑时 max 35 混凝土浇注时 max 40 每层台阶高通常为0 50m 1 00m 在一般情况各台阶宜采用相同厚度 二 扩展基础 1 扩展基础类型 1 钢筋混凝土独立基础 2 墙下钢筋混凝土条形基础 柱下钢筋混凝土独立基础 1 钢筋混凝土独立基础 柱下钢混凝土独立基础有现浇混凝土柱基础和预制混凝土柱基础 墙下独立基础1 过梁 2 砖墙 3 砖拱 4 独立基础 墙下钢筋混凝土条形基础 a 不带肋 b 带肋 肋筋 2 墙下钢筋混凝土条形基础 条形基础 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 当地基软弱而柱荷载较大 且柱距又比较小时 如采用柱下独立基础 可能因基础底面积很大 使基础间的净距很小甚至重叠 为了增加基础的整体刚度 减小不均匀沉降 可将同一排的柱基础连在一起成为钢筋混凝土条形基础将同一排若干个柱子的基础联合起来 就成为柱下条形基础 2 扩展基础的构造要求 锥形基础的边缘高度一般不小于200mm 垫层厚度不宜小于70mm 两边伸出基础底板不小于50mm 一般为100mm 强度等级应为C10 扩展基础底板受力钢筋最小直径不宜小于10mm 间距不大于200mm 也不宜小于100mm 基础混凝土强度等级不宜低于C20 1 一般构造要求 a 锥形基础b 阶梯形基础c 钢筋配筋 2 钢筋混凝土独立基础的构造要求 现浇柱基础轴心受压和小偏心受压时 基础高度大于等于1200mm 大偏心受压时基础高度大于等于1400mm 预制钢筋混凝土柱与杯口基础的连接应符合插入深度 杯底厚度和杯壁厚度的要求当柱为轴心受压或小偏心受压且t h2 0 65时 或大偏心受压且t h2 0 75时 杯壁可不配筋 轴心受压或小偏心受压且0 5 t h2 0 65时 可配构造筋 其它情况按计算配筋 对现浇柱基础 基础内应留插筋 插筋的直径 钢筋种类 根数及其间距应与柱内的纵向受力钢筋相同 预制钢筋混凝土柱下独立基础 3 墙下钢筋混凝土条形基础的构造要求 墙下钢筋混凝土条形基础的高度h应按抗剪要求计算确定 一般不小于300mm 并且不小于b 8 b为基础宽度 b 1500mm时 基础剖面宜采用平板式 当b 1500mm时剖面采用锥形 坡度i 1 3 墙下钢筋混凝土条形基础纵向分布钢筋的直径不小于8mm 间距不大于300mm 每延米分布筋面积不应小于受力钢筋面积的1 10 墙下钢筋混凝土条形基础的构造 柱下钢筋混凝土条形基础十字交叉条形基础 1 柱下条形基础类型 三 柱下条形基础 2 构造要求 柱下条形基础除应该满足扩展基础的构造要求外 还应该符合下列要求 柱下条形基础梁的高度宜为柱距的1 4 1 8 翼板厚不应小于200mm 当翼板厚度大于250mm时 宜采用变厚度翼板 其坡度宜小于等于1 3 端部宜向外伸出 其长度宜为第一跨距的0 25倍 现浇柱与条形基础梁的交接处 基础应适当扩大 条形基础梁顶部钢筋按计算配筋全部贯通 底部通长配筋不应少于底部配筋的1 3 柱下条形基础的混凝土等级不应低于C20 四 筏板基础 当立柱或承重墙传来的荷载较大 地基土质软弱又不均匀 采用单独或条形基础均不能满足地基承载力或沉降的要求时 可采用筏板式钢筋混凝土基础 这样既扩大了基底面积又增加了基础的整体性 并避免建筑物局部发生不均匀沉降 为增大基础刚度 可将基础做成由钢筋混凝土顶板 底板及纵横隔墙组成的箱形基础 它的刚度远大于筏板基础 而且基础顶板和底板间的空间常可利用作地下室 它适用于地基较软弱 土层厚 建筑物对不均匀沉降较敏感或荷载较大而基础建筑面积不太大的高层建筑 筏形基础分为平板式和梁板式两种类型 筏形基础的混凝土强度等级不低于C30 筏形基础的地下室钢筋混凝土外墙厚度不应小于250mm 内墙厚度不应小于200mm 墙体设置双面钢筋 直径不小于12mm 间距不应大于300mm 五 箱形基础 1 外墙 2 顶板 3 内墙 4 上部结构 二 浅基础设计原则与步骤 一 地基基础的类型天然地基上的浅基础深基础人工地基上的浅基础 地基 基础 天然地基 人工地基 浅基础 深水基础 深基础 地基基础类型 二 地基基础设计的基本要求 1 桥涵墩台基础的合力偏心距要求 2 地基强度要求 1 基础底面的承载力 当不考虑嵌固作用时 应满足以下关于承载力计算的规定 中心受荷pmax K 偏心受荷或 2 当设置在基岩上的墩台基底的合力偏心距e0超过核心半径 时 仅按受压区计算基底最大压应力 最大压应力pmax按下式计算 3 在基础底面下有软土层时 应验算软土层的承载力 h z 1 h z 2h h z 3 基础沉降要求对于外超静定体系的桥梁应考虑引起附加内力的基础不均匀沉降或位移 墩台的沉降包括沉降值和沉降差 应符合下列规定 1 墩台均匀沉降值 不包括施工中沉降 不应超过2 0 2 相邻墩台均匀总沉降值 不包括施工中沉降 不应超过1 0 三 浅基础设计步骤 1 分析研究设计所必须的建筑场地的工程地质条件和地质勘察资料 建筑材料及施工技术条件资料 建筑物的结构型式 使用要求及上部结构荷载资料等 综合考虑选择基础类型 材料 平面布置 2 选定基础埋置深度 确定地基承载力 3 拟定基础底面尺寸验算地基承载力 必要时作地基下卧层强度验算 地基变形验算和地基稳定性验算 4 确定基础剖面尺寸 进行基础结构计算 包括基础内力计算 强度配筋计算 5 绘制基础施工详图 提出必要的施工技术说明 8 2基础埋深的影响因素 一 建筑物用途和结构类型二 基础荷载影响三 工程地质条件四 河流冲刷深度影响五 冻土深度影响六 地形条件影响七 保证持力层稳定所需要的最小埋置深度 基本要求 1 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 2 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 如设有地下室 半地下式建筑物 带有地下设施的建筑物和具有地下部分的设备基础等 其基础埋深就要结合地下部分的设计标高来选定 中 小跨度的简支梁桥根据地质条件确定 对类似拱桥的超静定结构 基础需座落在较深的坚实土层上 刚性基础 基础埋深应由其构造要求确定 一 建筑物用途和结构类型 二 基础荷载影响 作用在基础上的荷载大小和性质对基础埋深的选择有很大的影响 就浅土层而言 当基础荷载小时 它是很好的持力层 而当基础荷载大时 则可能因地基承载力不足而不宜作持力层 需增大埋深或对地基进行加固处理 对承受振动荷载的基础 不宜选择易产生振动液化的土层作为持力层 以防基础失稳 岩石地基覆盖土层较薄 包括风化岩层 的岩石地基 将基础直接修建在新鲜岩面上 风化层很厚 难以全部清除时 应根据其风化程度 冲刷深度及相应的容许承载力来确定 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 三 工程地质条件 非岩石地基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 在满足其他要求下尽量浅埋 只有低层房屋可用 否则处理 尽量浅埋但是如h1太小就与II相同 h14m桩基或处理 软土 很深 好土 软土 软土 好土 IIIIIIIV h1 h1 对于大桥的墩台基础 若建筑在岩石上且冲刷深度又较严重时 除清除风化层外 并应根据基岩强度嵌入岩层一定深度 或采用其他锚固措施 使基础与岩石连成整体 设置在岩石上的一般桥梁墩台 如风化层较厚 河流冲刷又不太大 全部清除风化层有困难时 在保证安全条件下 基础可考虑设在风化层内 其埋置深度可根据风化程度 冲刷情况及其相应的承载能力确定 四 河流冲刷深度影响 基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下 1m 小桥涵基础在无冲刷处除基岩地基外 应在地面或河床底以下至少1m深 如有冲刷 基底埋深应在局部冲刷线以下不少于1m 如河床上有铺砌层时 宜设在铺砌层顶面以下1m 有冲刷的大 中型桥梁基础底面在局部冲刷线以下的安全值应满足表8 6规定 冻深 毛细区 地下水 冻结区 冻结机理 墩台基底设置在不冻胀土层中 基底埋深可不受冻深的限制 当上部为超静定结构的桥涵基础 其地基为冻胀性土时 均应将基底埋入冻结线以下不小于0 25m 当基底埋置于季节性冻土中时 基底的最小埋深可按下式确定 h Z0mt hdhd 基础底面下允许残留冻土层的厚度 当为弱冻胀土时 hd 0 24Z0 0 31 m 当为冻胀土时hd 0 22Z0 m 当为强冻胀土或特强冻胀土时 hd 0 mt 标准冻深修正系数 可取1 15 Z0 标准冻深 m 可采用地表无积雪和草皮等覆盖条件下多年实测最大冻深的平均值 五 当地的冻结深度影响 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 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 基础前缘到坡面间必须留有适当的安全距离 六 当地的地形条件 基础前缘到坡面间必须留有适当的安全距离 安全距离 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 原因 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 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 七 保证持力层稳定所需的最小埋置深度 例题8 1基础埋深确定实例 根据地质资料 土层第 8m 250kPa 4m 300kPa 500kPa 层均可以作为基础的持力层 方案 以第 层硬塑亚粘土作为持力层 在满足最大冲刷线深度要求的条件下尽量浅埋 小桥涵基础埋置深度可以超过冲刷线1m 最小埋深3m 大 中桥梁基础 由表2 7可知冲刷线以下埋深为1 5m或2 0m 一般桥梁最小埋深为3 5m 重要桥梁基础最小埋深为4 0m 确定基础埋深后需要对持力层和下卧层的承载力进行验算 若承载力不能满足要求 可以考虑将基础埋置在第 或第 层 方案 将基础埋置在第 层硬塑粘土中 冲刷线以下的最小埋置深度为8m 采用浅基础施工开挖量较大 需要考虑技术和经济的合理性 也可以采用沉井基础方案或桩基础方案 具体要根据技术经济比较选取较优方案 方案 采用桩基础 将桩端直接深入第 层密实粗砂层 以密实粗砂层作为桩基的持力层 实际确定时根据实际情况选定 原则上尽量选用浅基础 一 基础高度二 基础平面尺寸三 地基软弱下卧层验算四 基底合理偏心距验算五 地基变形验算六 基础稳定性验算 8 3基础尺寸设计 基本要求 在可能的最不利荷载组合的条件下 能保证 1 基础本身有足够的结构强度 2 地基与基础的承载力和稳定性均能满足规定要求 3 经济合理 基础厚度 基础顶面标高 底面标高1 基底标高按基础埋深的要求确定 2 顶面标高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 一般情况 大 中桥基础厚度在1 0m 2 0m左右 基础厚度 基底标高 基础顶面标高 墩 台身结构形式 荷载大小 选用的基础材料 一 基础高度 厚度 的确定 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 二 基础平面尺寸的确定 形状 等厚度 台阶性 角锥形襟边 襟边宽度不能小于15 30cm 扩大基底面积增加基础承载力 便于调整基础施工时平面尺寸上可能发生的误差 支立墩 台身模板的需要 基础悬出总长度 刚性角见教材141页 三 基础剖面尺寸的确定 1 中心荷载作用下的基底面积估算 1 矩形基础 2 方形基础 3 条形基础 2 偏心荷载作用下的基底面积估算 试算法 先按中心荷载作用的公式初步估算基础底面积A0 根据偏心距的大小 将基础底面积A0增大 10 40 即A 1 1 1 4 A0 并以适当的长宽比拟定基础底面的长度l和宽度b 然后按式 8 3 或 8 5 或 8 6 P148 验算基底压力是否满足地基承载力的要求 不合适调整基底尺寸后再验算 至到满意为止 3 地基软弱下卧层验算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 应验算软弱下卧层的承载力 验算时计算软弱下卧层顶面A 在基底形心轴下 的总应力 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 即 z cz K h z 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 h z 0 K1 1 b 2 K2 2 h 3 式中 1 相应于深度 h z 以内土的换算重度 kN m3 2 深度h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 基底中心下土中附加应力系数 按表8 8查用 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要求时 还应验算包括软弱下卧层的基础沉降量 四 基底合力偏心距验算 控制基底合力偏心距的目的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 应满足的要求对于非岩石地基 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r的0 1倍 桥墩 和0 75倍 桥台 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 计算方法合力位于对称轴 W A位于非对称轴或当基底截面为不对称时 可直接按下式求e0与r的比值 使其满足规定的要求 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 五 地基变形验算 对桥梁墩台基础 在初步确定基底尺寸后 应进一步验算地基变形特征值是否超过基础的容许变形值 变形计算方法常用分层总和法当地基变形特征验算不满足规范要求时 可先适当调整基础底面尺寸或埋深 如仍不满足要求 再考虑改变基础类型 修改上部结构形式 甚至做人工地基或采取其他工程措施以防止不均匀沉降对建筑物的破坏 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 地基土的沉降可根据土的压缩特性指标按单向应力分层总和法计算 对于公路桥梁 按正常使用极限状态作用长期效应组合计算沉降量 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 六 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 此外 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 1 基础倾覆稳定性验算基础倾覆或倾斜除了地基的强度和变形原因外 往往发生在承受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的结构物上 1 基础倾覆稳定性验算 y为基底截面重心至压力最大一边的边缘的距离 1 基础倾覆稳定性验算基础倾覆稳定性与合力的偏心距有关 合力偏心距愈大 则基础抗倾覆的安全储备愈小 因此 在设计时 可以用限制合力偏心距e0来保证基础的倾覆稳定性 1 桥涵墩台的抗倾覆稳定计算抗倾覆稳定系数K0的容许值K0 1 5 2 挡土墙抗倾覆计算 2 基础表层滑动稳定性验算基础在水平推力作用下沿基础底面滑动的可能性即基础抗滑动安全度的大小 可用基底与土之间的摩擦阻力和水平推力的比值Kc来表示 Kc称为抗滑动稳定系数 其中 为摩擦系数求得的抗滑动稳定系数Kc值 必须大于规范规定的设计容许值 一般根据荷载性质 Kc 1 2 1 3 3 地基深层稳定性验算 位于软土地基上较高的桥台需验算桥台沿滑裂曲面滑动的稳定性 基底下地基如在不深处有软弱夹层时 在台后土推力作用下 基础也有可能沿软弱夹层土 的层面滑动 在较陡的土质斜坡上的桥台 挡土墙也有滑动的可能 可按土坡稳定分析法验算 8 5天然地基上浅基础的施工 一 基坑定位放样二 旱地基坑施工三 基坑排水 一 基坑定位放样 首先建立施工控制网桥梁的施工控制网用来测定桥梁长度 用于各个的位置控制 保证上部结构的正确连接 施工控制网常用三角控制网 作为整个工程施工设计的一部分 布网时要考虑施工程序 方法以及施工场地的布置情况 可以用桥址地形图拟定布网方案 其次进行桥梁轴线标定和墩台中心定位 最后进行墩台施工放样 定出基础和基坑的各部分尺寸 桥梁施工放样的主要内容是 墩台纵横向轴线的确定 基坑开挖及墩台扩大基础的放样 桩基础的桩位放样 承台及墩身结构尺寸 位置放样 墩帽和支座垫石的结构尺寸 位置放样 各种桥型的上部结构中线及细部尺寸放样 桥面系结构的位置 尺寸放样 各阶段的高程放样 基础放样在无水地点可直接将经纬仪安置在中心位置 用木桩准确固定基础纵横轴线和基础边缘 基坑外围通常用龙门板固定或在地上用石灰线标出 二 旱地基坑开挖 刚性扩大基础的施工可采用明挖方法开挖 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 若时间长时 可留保护层 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 1 无围护基坑形式无围护基坑适用于基坑较浅 地下水位较低或渗水量较少 1 竖直坑壁基坑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 2 斜坡和阶梯形基坑基坑深度在5m以内 土的湿度正常 构造均匀 基坑坑壁可以参照表8 20选用坡度 可作斜坡或台阶开挖 如图b所示 采用台阶开挖时 每阶高度以0 5 1 0为宜 阶梯可兼作人工运土的台阶 当基坑深度大于5m时 可以在表8 20基础上适当防缓或做平台 3 变坡度坑壁基坑开挖穿过不同土层时 可以采用变坡坑壁 如图c所示 当下层土为密实粘质土或岩石时 下层可以采用垂直坑壁 在变坡处可根据需要设置小于0 5m宽的平台 2 无水基坑施工方法 一般小桥 涵基础 工程量不大的基坑可以用