中南大学基础工程课件 第二章 天然地基上的浅基础.ppt

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,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max，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2633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,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,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1,2.3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,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高层建筑，荷载大，埋深适当加大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,持力层为倾斜面，分段设台阶修建在稳定土坡坡顶均质土层:根据荷载大小和地基承载力确定非均质土层：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,软土(很深),好土,软土,软土,好土,IV,h1,h1,h14m桩基或处理,2.6基础的埋置深度,I,II,III,好土,软土,h1,III,2.6基础的埋置深度,3.水文地质条件,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防止流砂、涌土的出现以及抗腐蚀、抗渗、抗浮的要求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,铺砌河床断面，把易冲刷土换为无冲刷情况改变冻胀融陷条件，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+2Htanb=d+2Htan,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,上部结构形式，使用功能等地基基本容许承载力上部结构荷载大小，性质等,2.7浅基础的设计计算,2.拟定原则,形状与墩台形状相符分层扩大，每层厚不小于1m，常用1m上部结构荷载大小，性质等，层数不超过3层满足刚性角要求襟边尺寸大于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momentofinertia,x,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,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