第二章 天然地基上的浅基础(2).ppt

1、地基容许承载力指在保证地基土稳定的条件下，建筑物的沉降变形（地基土的压缩变形）不超过建筑物正常使用所容许沉降变形时的地基承载力。 地基土容许承载力确定方法： 试验法包括载荷试验、触探试验等，比较实际、可靠地反映地基土的强度、变形； 调查法在土质基本相同的条件下，参照邻近建筑物地基容许承载力； 理论公式计算按地基承载力理论公式计算； 规范公式按现行规范提供的经验公式计算。,4地基容许承载力的确定,规范公式（新规范） 根据我国公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）提供的经验公式和数据确定地基容许承载力，当基础最小边宽大于2m或基础埋深大于3m，且h/b4时，一般地基上（除冻土和岩石

2、外）的容许承载力： fa0基础最小边宽b2m，埋置深度h3m的地基土承载力基本容许值（kPa），可直接从规范查取（根据土的类别，土的状态查表确定，见下表）； b基础验算剖面底面最小边宽(或直径)（m），当b10m时，按10m计算；,h基础底面的埋置深度(m) 对于受水流冲刷的基础，由一般冲刷线算起； 不受水流冲刷的基础，由天然地面算起，位于挖方内的基础，由开挖后地面算起； 当h3m时，取h=3m。 1基底下持力土层的天然重度(kN/m3)，如持力层在水下且为透水性土时，取浮重度； 2基底以上土的重度（如为多层土时用换算重度）(kN/m3)，如持力层在水下且为不透水性土时，不论基底以上土的透水性

3、质如何，一律采用饱和重度，如持力层为透水性土时，应一律采用浮重度；,岩石地基承载力基本容许值fa0,碎石土地基承载力基本容许值fa0,砂土地基承载力基本容许值fa0,粉土地基承载力基本容许值fa0,老粘土地基承载力基本容许值fa0,一般粘性土地基承载力基本容许值与P.32表2-4相同。,新近沉积粘性土地基承载力基本容许值fa0,k1、k2按持力层土类确定在基础宽度和深度方面的修正系数（新规范）。,基础宽度修正系数k1的说明 粘性土地基不考虑宽度修正。（沉降主要发生在后期，宽度越大沉降变形越大） 砂土地基考虑宽度修正。（沉降主要发生在施工期）,基底下持力层为不透水层时的考虑 当基础建在水中，且基

4、底下持力土层为不透水层，基底不受水的浮力作用，基底以上水柱压力可看作为超载，地基容许承载力 fa 由平均常水位至一般冲刷线水深每米可提高10kPa。,软土地基承载力容许值fa的确定 原位测试有困难时，中小桥、涵洞基底未经处理的软土地基，承载力容许值可按以下方法确定。 1 根据原状土天然含水量查表确定，再进行修正：,软土地基承载力基本容许值fa0,2 根据原状土强度指标确定。,m：抗力修正系数，1.52.5； cu：不排水抗剪强度标准值； H：由作用（标准值）引起的水平力； b：基础宽度，有偏心时取b-2eb； l：基础长度，有偏心时取l-2el；,经排水固结方法处理的软土地基，承载力基本容许值

5、应通过载荷试验或其他原位测试方法确定；经复合地基方法处理的软土地基，承载力基本容许值应通过载荷试验确定，并按下式进行修正。,地基承载力容许值抗力系数R 地基承载力容许值fa应根据地基受荷阶段及受荷情况，乘以下列规定的抗力系数： 使用阶段,施工阶段,利用上表时注意，各项提高系数不能叠加。,5刚性扩大基础的设计与计算,设计计算的主要内容： 基础埋深的确定 基础各部分尺寸的拟定 地基承载力； 基底合力偏心距； 地基与基础的稳定性； 地基与基础的变形。,基础埋置深度的选择 持力层与基础底面直接接触的土层。 持力层选择原则选择强度较大、变形较小的土层作为持力层，同时具有足够的埋置深度。 满足地基承载力要

6、求； 不产生过大的沉降或沉降差； 确保基础的稳定和安全。,确定基础埋深要考虑的因素,地质、地形条件； 河流冲刷深度； 地基冻结深度； 上部结构形式与荷载； 最小埋置深度（保证持力层的稳定）； 施工技术条件； 工程造价； 其他因素。,地质条件（确定基础埋深的主要因素）,岩石地基,覆盖层较薄岩基：清除覆盖层后直接置于岩基上； 覆盖层较厚岩基：根据风化程度、冲刷深度及承载力条件确定； 岩面倾斜岩基：不宜将基础部分置于岩基，部分置于土基，并注意整体稳定性；,非岩石地基,均质土地基：在满足冲刷、冻胀、地基承载力、变形的条件下选取最小埋深； 软弱地基：地基处理或其他形式基础； 上软下硬地基：一般取下层硬土

7、层作为持力层； 上硬下软地基：上层土较厚时，宜浅埋；上层土较薄时，按软弱地基处理； 多层地基：根据土层条件选择持力层。,河流的冲刷深度 有冲刷的河流，为防止桥梁墩台基础周围和基底下土层被水流掏空冲走，基础埋深必须满足在设计洪水的最大冲刷线以下的最小埋深要求。特别是在山区和丘陵地区的河流，更应注意考虑季节性洪水的冲刷作用。 一般冲刷深度：洪水对河床的冲刷作用，使整个河床面被冲刷后下降的深度； 局部冲刷深度：桥墩的阻水作用，使洪水在桥墩周围冲出深坑，叫做局部冲刷； 冲刷总深度：一般冲刷深度加局部冲刷深度，由河床面开始算起。,考虑冲刷的基础埋深选择（新规范）：,表列数值为墩台基底埋入总冲刷深度以下的

8、最小值； 河床上有铺砌层时，基础底面宜设置在铺砌层顶面以下不小于1.0m。,当地的冻结深度的影响 在寒冷地区，应考虑由于季节性的冰融对地基土引起的冻胀影响。对于冻胀性土，如土温较长时间保持在冻结温度以下，水分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，为保证建筑物不受地基土季节性冻胀影响，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。,d min= zd- hmax,zd=z0 zs zwzezgzf,标 准 冻 深,土 类 别,冻 胀 性,环 境,地 形 坡 向,基 础,不同冻胀特性的地基土，考虑冻胀时的基础埋置深度不同。按公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D

9、63-2007条文4.1.1）采用,设 计 冻 深,基础底面下容许最大冻层厚度，与冻土层的冻胀性有关,上部结构形式与荷载 上部结构型式不同，对基础产生的变形要求也不同，基础埋置深度也可能不同。 上部结构形式 静定结构对基础的变形要求较低； 超静定结构对基础变形要求较高（例如拱桥、连续梁桥）。 荷载条件上部荷载大，要求基础埋深也大。,地形条件 当墩台、挡土墙等结构位于较陡的土坡上，确定基础埋深时，应考虑土坡连同结构物基础一起滑动的稳定性； 确定地基容许承载力，一般按地面为水平的情况下确定的，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： 基础位于较陡的岩体上，可将基础做成台阶形

10、，但要注意岩体的稳定性； 基础埋深与基础侧缘坡面的距离 关系（安全距离），按表2-8采用。,最小埋置深度 地表土在温度和湿度影响下，产生一定的风化作用，性质不稳定，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。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，基础的埋置深度应满足最小埋置深度： （除岩石地基外）应在天然地面或无冲刷河底以下不小于1m； 有冲刷时，涵洞基础应在局部冲刷线以下不小于1.0m； 河床有铺砌层时，涵洞基础底面宜设置在铺砌层顶面以下不小于1.0m。,相邻建筑物的影响 在确定基础埋深时，两个建筑物基础相距较近时，应考虑相邻建筑物的影响

11、。 较浅基础上的荷载所产生的侧向压力对较深基础产生影响； 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。 其他 施工技术条件（设备、排水、支撑等）、经济分析（成本，工期等）等对基础埋深的影响； 地基土为粉、细砂时，地下水的渗流对基础埋深的选择也有很大的影响。,刚性扩大基础尺寸的拟定 基本原则在满足最基本构造要求的情况下，参照已有设计经验，拟定出初步尺寸，再通过验算进行调整确定最终尺寸。所定的基础尺寸，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。,基础尺寸,基础立面尺寸 基础平面尺寸

12、 基础断面尺寸,基础立面尺寸（一般大、中桥墩、台混凝土基础厚度在1.02.0m左右） 基本原则： 水中基础顶面不高于最低水位； 季节性河流或干地不高于地面； 按顶底高程确定的基础厚度较大时，可做成台阶形。,基础顶面与底面的高差即是基础厚度,基础平面尺寸 基础平面形式一般应考虑墩、台身底面的形状和刚性角 而确定 ； 当基础顶面标高已确定时，可确定墩身高度并定出墩、台身底截面尺寸； 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：,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。 基础襟边c1自墩、台身底边缘至基顶边缘距离，作用一是扩大基底面积增加基础承载力，二是便于调整基础

13、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20cm30cm。 台阶宽度c2、c3根据基础材料的刚性扩散角确定； 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 截面所产生的弯曲拉力和剪应力不超过基础圬工的强度限值。,自墩台身边缘处垂线与基底边缘联线间的最大夹角max，称为刚性角。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imax，此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

14、用的圬工材料强度有关。（常用刚性角数据见P.37） 基础每层台阶高度ti，通常为0.50m1.00m，在一般情况下各层台阶宜采用相同厚度； 不对称襟边有时为了改善基础受力状态或减小偏心距，可采用不对称襟边（如拱桥不等跨时，为使基底压力尽量均匀分布，可将基础做成如下立面不对称基础），也可根据地形情况，将基底做成台阶状。,地基承载力验算 地基承载力验算的主要内容 持力层承载力验算； 软弱下卧层承载力验算； 地基容许承载力确定。 地基承载力验算的基本概念及方法（新规范） 容许应力法 基本表达式： pmax基础底面作用在地基上的最大压应力； fa 地基承载力容许值； R：抗力系数。,持力层承载力验算（

15、不考虑嵌固作用） 基底压力计算的基本方法与假定： 简化计算方法材料力学偏心受压公式； 不考虑基础周围土的摩阻力和弹性抗力。 中心荷载下的基底压力（偏心距e0=0 ） p ： 基底平均压应力； N：作用短期效应组合在基底产生的竖向力； A：基础底面积。,中心荷载一般较少出现，在验算等跨中墩仅为结构自重作用时会出现。,偏心荷载下的基底压力（偏心距e00 ）,基底单向偏心受压，地基承载力应满足以下条件： M作用短期效应组合产生于墩台上各外力对基底形心轴之力矩； Ti：水平力； hi：水平作用点至基底的距离； Pi：竖向力； Ei：竖向力Pi作用点至基底形心的偏心距； eo：合力偏心距,W基底底面偏心

16、方向面积抵抗矩，对矩形基础： ：基底核心半径； e0， ，合力位于基底截面核心外，基底压力重新分布。,假定基底受压区的压应力仍按三角形分布，根据静力平衡条件：,双向偏心某些情况（宽桥、曲线桥、中央分隔带等）下，产生双向偏心荷载。同样，基底压力按双向偏心短柱受压公式计算：,Mx=Nex、My=Ney：分别为外力对基底顺桥向中心轴及横桥向中心轴之力矩。 Wx、Wy：分别为外力对基底顺桥向中心轴及横桥向中心轴之力矩。,对公路桥梁，通常基础横向长度比顺桥向宽度大的多，上部结构在横桥向布置常是对称的，一般由顺桥向控制基底应力计算。但对通航河流或河流中有漂流物时，应计算船舶撞击力或漂流物撞击力在横桥向产生

17、的基底应力，并与顺桥向基底应力比较，取其大者控制设计。 N、M（或Mx、My）值的取值原则： 产生最大竖向力Nmax的最不利荷载组合与此相对应的M值 产生最大力矩Mmax的最不利荷载组合与此相对应的N值,比较计算后取大者控制设计,软弱下卧层承载力验算 软弱下卧层容许承载力小于持力层容许承载力的下卧土层。 验算方法作用在软弱下卧层顶面的总应力不大于软弱下卧层承载力： 1深度(h+z)以内土的换算重度； 2深度h范围内土层的换算重度； h 基底埋深； z 从基底到软弱土层顶面的距离；,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； p 由计算荷载产生的基底压应力： 当基底压力不均

18、匀分布且z/b（或z/d）1时，p取为基底平均压应力； 当z/b（或z/d）1时，p按基底应力图形取距最大应力边b/3b/4处的压应力。 软弱下卧层顶面处的容许承载力（kPa），可按一般地基土或软粘土修正后的地基容许承载力公式确定。,b为矩形基础的短边宽度，d为圆形基础直径,当软弱下卧层为高压缩性且厚度较大的软粘土，或当上部结构对基础沉降有一定要求时，除承载力应满足上述要求外，还应验算包括软弱下卧层的基础沉降量。,桥台路基填土及锥坡对桥台基底压力影响的计算 粘土地基上的桥台，当台后路基填土高度大于5m，验算地基土压应力及变形时，应考虑桥头引道路基填土及锥坡土重对桥台基底平面（包括桩尖平面）产生

19、的附加竖向压应力； 软土地基上的桥梁，如相邻墩台距离小于5m，应考虑临近墩台对软土地基所产生的竖向附加应力；,附加应力计算方法： 台背路基填土对桥台基底（或桩尖平面）前后缘地基土产生的竖向附加应力： 台前锥体对基底（或桩尖平面）前边缘地基土产生的竖向附加应力： P1=1H1台背路基填土的压力（kPa）； P1=2H2台前锥体填土的压力（kPa）； 1路基填土的天然密度（kN/m3）； 2锥体填土的天然密度（kN/m3）,H1台背路基填土的高度； H2基底（或桩尖平面）前边缘上填土锥体高度； b基底（或桩尖平面）的前、后边缘间的基础长度；h原地面至基底（或桩尖平面）的深度（m）； 1、2附加竖向

20、 压应力系数（查公路 桥涵地基与基础设计规 范）。,桥台路基填土及台前锥体填土附加竖向压力系数表,基底合力偏心距验算 验算目的尽可能使基底应力分布较均匀，以免基底两侧应力差过大，使基础产生较大不均匀沉降，引起墩、台倾斜，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，但这样做不但不经济，往往也很难做到。 偏心距控制原则 非岩石地基上的基础：不出现拉应力； 岩石地基上的基础：可允许出现拉应力，拉应力值根据岩石的强度确定。,基本验算式： M作用于墩台水平力和竖向力对基底形心轴弯矩； N作用在基底合力的竖向分力。 容许偏心距e0通常用基底截面核心半径( )表示。 基底承受单向或双向偏心受压时

21、，外力合力不作用在对称轴上，或基底截面不对称，因核心半径的计算比较复杂，可用e0/控制合力偏心距：,墩台基底的合力偏心距容许值,注意事项 验算偏心距的作用组合应是Mmax所对应的Nmin，与验算基底压力的作用组合不同（最不利作用组合）； N、pmin为同一种作用组合，当pmin为拉应力时，计算时要代入负号。,基底稳定性和地基稳定性验算 浅基础的稳定性验算内容 基础抗倾覆稳定性验算 基础倾覆或倾斜除了地基的强度和变形原因外，常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。,基础稳定性,倾覆稳定性 滑移稳定性,地基稳定性,挡土墙或高桥台受侧向土压力作用； 大跨度拱桥在

22、施工中墩、台受到不平衡的推力； 多孔拱桥中一孔被毁等，首单向恒载推力作用,基本假定 因要求基底最大压力小于地基土的容许承载力，假定基础的转动轴在最大受压的外边缘。 基本公式 稳定力矩： 倾覆力矩： 抗倾覆稳定系数：,合力偏心距： 抗倾覆稳定条件： Pi作用于基底的各竖向力； ei各竖直力Pi作用点至基础底面形心轴的距离； Ti作用于基底以上的各水平力； hi各水平力作用点至基底的距离； y沿重心与合力作用点连线交于验算倾覆轴的距离； e0所有偏心竖向力的合力至截面重心的距离； K0容许抗倾覆稳定系数。,双向偏心问题 如外力合力不在形心轴上（如图2-35b）或基底截面有一个方向为不对称，而合力又

23、不在形心轴上（图2-35c），基底压力最大一边的边缘线应是外包线，图2-13b、c中的I-I线，y值应是通过形心与合力作用点的连线并延长与外包线相交点至形心的距离。,抗倾覆稳定系数,抗倾覆和抗滑动的稳定性系数,基础抗滑移稳定验算 基础在水平力作用下沿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： Pi竖向力总和； Hip抗滑水平力总和； Ti水平力总和； Kc容许抗滑移稳定系数。 基础底面与地基间的摩擦系数（参照表2-9取用）。,验算桥台基础的滑动稳定性时，如台前填土保证不受冲刷，可考虑计入台前土压力，其数值可按主动或静

24、止土压力进行计算,基底摩擦系数,地基稳定性验算 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（图2-36a）； 在较陡的土质斜坡上的桥台、挡土墙也有滑动的可能（图2-36b）； 验算方法土坡稳定分析方法，即用圆弧滑动面法来进行验算。验算时一般假定滑动面通过填土一侧基础剖面角点A（图2-36），在计算滑动力矩时，应计入桥台上作用的外荷载（包括上部结构自重和活载等）以及桥台和基础的自重的影响，然后求出稳定系数满足规定的要求值。,增强基础稳定性措施 选择合适的基础类型、基础埋深、墩台与基础的尺寸； 地基加固处理； 桥台基础设置防滑齿墙； 减载； 降低地下水位； 抗滑桩等阻滑措施。,基础沉降验算 基础沉降验算的主要内容 基础沉降验算的范围 修建在一般土质条件下的中、小型桥梁基础，只要满足地基的强度要求，地基（基础）的沉降也就满足要求。 下列情况，则必须验