《基礎(chǔ)工程》2-5剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)與計(jì)算的主要內(nèi)容： 基礎(chǔ)埋置深度的確定剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸的擬定地基承載力驗(yàn)算基底合力偏心距驗(yàn)算基礎(chǔ)穩(wěn)定性和地基穩(wěn)定性驗(yàn)算基礎(chǔ)沉降驗(yàn)算第五節(jié) 剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與計(jì)算一、基礎(chǔ)埋置深度的確定將基礎(chǔ)設(shè)置在變形較小，而強(qiáng)度又比較大的持力層上，以保證地基強(qiáng)度滿足要求，且不致產(chǎn)生過(guò)大的沉降或沉降差。還要使基礎(chǔ)有足夠的埋置深度，以保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，確?；A(chǔ)的安全。必須綜合考慮地基的地質(zhì)和地形條件、河流的沖刷程度、當(dāng)?shù)氐膬鼋Y(jié)深度、上部結(jié)構(gòu)形式以及保證持力層穩(wěn)定所需的最小埋深和施工技術(shù)條件、造價(jià)等因素。 剛性擴(kuò)大基礎(chǔ) 沉井基礎(chǔ) 樁基礎(chǔ)基礎(chǔ)埋深的不同方案地基的地質(zhì)條件巖石地基:覆蓋土層較薄時(shí)，一般應(yīng)清除覆蓋土和

2、風(fēng)化層后，將基礎(chǔ)直接修建在新鮮巖面上；如巖石的風(fēng)化層很厚，難以全部清除時(shí)，基礎(chǔ)放在風(fēng)化層中的埋置深度應(yīng)根據(jù)其風(fēng)化程度、沖刷深度及相應(yīng)的容許承載力來(lái)確定。如巖層表面傾斜時(shí)，不得將基礎(chǔ)的一部分置于巖層上，而另一部分則置于土層上。在陡峭山坡上修建橋臺(tái)時(shí)，還應(yīng)注意巖體的穩(wěn)定性。 非巖石地基:如受壓層范圍內(nèi)為均質(zhì)土，基礎(chǔ)埋置深度除滿足沖刷、凍脹等要求外，可根據(jù)荷載大小，由地基土的承載能力和沉降特性來(lái)確定（同時(shí)考慮基礎(chǔ)需要的最小埋深）。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較復(fù)雜如地層為多層土組成等或?qū)Υ笾行蜆蛄杭捌渌ㄖ锘A(chǔ)持力層的選定，應(yīng)通過(guò)較詳細(xì)計(jì)算或方案比較后確定。河流的沖刷深度 沖刷的基本概念:洪水沖刷后，整個(gè)河床面要下

3、降，這叫一般沖刷.被沖下去的深度叫一般沖刷深度.同時(shí)由于橋墩的阻水作用，使洪水在橋墩四周沖出一個(gè)深坑，這叫局部沖刷.河流的沖刷作用 在有沖刷的河流中，為了防止橋梁墩、臺(tái)基礎(chǔ)四周和基底下土層被水流掏空沖走以致倒塌，基礎(chǔ)必須埋置在設(shè)計(jì)洪水的最大沖刷線以下不小于1m。特別是在山區(qū)和丘陵地區(qū)的河流，更應(yīng)注意考慮季節(jié)性洪水的沖刷作用。 沖刷總深度(m) 最小埋置深度(m)橋梁類(lèi)型03381520一 般 橋 梁1.01.52.02.53.03.5技術(shù)復(fù)雜修復(fù)困難的特大橋及其它重要大橋1.52.02.53.03.54.0 對(duì)于大、中橋基礎(chǔ)的基底在設(shè)計(jì)洪水沖刷總深度以下的最小埋置深度，建議根據(jù)橋梁大小、技術(shù)的

4、復(fù)雜性和重要性，參照下表采用。當(dāng)?shù)氐膬鼋Y(jié)深度 為了保證建筑物不受地基土季節(jié)性凍脹的影響，除地基為非凍脹性土外，基礎(chǔ)底面應(yīng)埋置在天然最大凍結(jié)線以下一定深度。公橋基規(guī)規(guī)定，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，基底應(yīng)埋置在最深凍結(jié)線以下不小于0.25m；對(duì)靜定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，一般也按此要求，但在凍結(jié)較深地區(qū)，為了減少基礎(chǔ)埋深，有些類(lèi)別的凍土經(jīng)計(jì)算后也可將基底置于最大凍結(jié)線以上。 上部結(jié)構(gòu)型式 對(duì)中、小跨度簡(jiǎn)支梁橋來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)因素對(duì)確定基礎(chǔ)的埋置深度影響不大。但對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)即使基礎(chǔ)發(fā)生較小的不均勻沉降也會(huì)使內(nèi)力產(chǎn)生一定變化。 當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件當(dāng)墩臺(tái)、擋土墻等結(jié)構(gòu)位于較陡的土坡上，在確定基礎(chǔ)埋深時(shí)，還應(yīng)考慮土坡連同結(jié)構(gòu)物

5、基礎(chǔ)一起滑動(dòng)的穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)鼗鶠閮A斜土坡時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)地基容許承載力適當(dāng)折減。若基礎(chǔ)位于較陡的巖體上，可將基礎(chǔ)做成臺(tái)階形，但要注意巖體的穩(wěn)定性。保證持力層穩(wěn)定所需的最小埋置深度地表土的性質(zhì)是不穩(wěn)定的。人類(lèi)和動(dòng)物的活動(dòng)以及植物的生長(zhǎng)作用，也會(huì)影響其強(qiáng)度和穩(wěn)定，所以一般地表土不宜作為持力層.為了保證地基和基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，基礎(chǔ)的埋置深度（除巖石地基外）應(yīng)在天然地面或無(wú)沖刷河底以下不小于1m。在確定基礎(chǔ)埋置深度時(shí)，還應(yīng)考慮相鄰建筑物的影響?，F(xiàn)舉一簡(jiǎn)例來(lái)說(shuō)明如何較合理地確定基礎(chǔ)埋置深度和選擇持力層。剛性擴(kuò)大基礎(chǔ) 沉井基礎(chǔ) 樁基礎(chǔ)二、剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸的擬定基礎(chǔ)厚度基礎(chǔ)平面尺寸基礎(chǔ)剖面尺寸剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)立

6、面、平面圖基礎(chǔ)厚度 應(yīng)根據(jù)墩、臺(tái)身結(jié)構(gòu)形式，荷載大小，選用的基礎(chǔ)材料等因素來(lái)確定。 基底標(biāo)高應(yīng)按基礎(chǔ)埋深的要求確定。水中基礎(chǔ)頂面一般不高于最低水位，在季節(jié)性流水的河流或旱地上的橋梁墩、臺(tái)基礎(chǔ)，則不宜高出地面，以防碰損。這樣，基礎(chǔ)厚度可按上述要求所確定的基礎(chǔ)底面和頂面標(biāo)高求得?；A(chǔ)平面尺寸 基礎(chǔ)平面形式一般應(yīng)考慮墩、臺(tái)身底面的形狀而確定，基礎(chǔ)平面形狀常用矩形。基礎(chǔ)底面長(zhǎng)寬尺寸與高度有如下的關(guān)系式：三、地基承載力驗(yàn)算持力層強(qiáng)度驗(yàn)算軟弱下臥層承載力驗(yàn)算持力層強(qiáng)度驗(yàn)算 持力層是指直接與基底相接觸的土層，持力層承載力驗(yàn)算要求荷載在基底產(chǎn)生的地基應(yīng)力不超過(guò)持力層的地基容許承載力。 基底應(yīng)力分布公式如下 (

7、由于淺基礎(chǔ)埋置深度小，在計(jì)算中可不計(jì)基礎(chǔ)四周土的摩阻力和彈性抗力的作用) 。偏心豎直力作用在任意點(diǎn)基底應(yīng)力分布圖eB/6: 出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)討論: 對(duì)公路橋梁，一般由順橋向控制基底應(yīng)力計(jì)算。但對(duì)通航河流或河流中有漂流物時(shí)，應(yīng)計(jì)算撞擊力在橫橋向產(chǎn)生的基底應(yīng)力，并與順橋向基底應(yīng)力比較，取其大者控制設(shè)計(jì)。 對(duì)于曲線橋，計(jì)算基底應(yīng)力時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：軟弱下臥層承載力驗(yàn)算 當(dāng)受壓層范圍內(nèi)地基為多層土，且持力層以下有軟弱下臥層，這時(shí)還應(yīng)驗(yàn)算軟弱下臥層的承載力，驗(yàn)算時(shí)先計(jì)算軟弱下臥層頂面（在基底形心軸下）的應(yīng)力（包括自重應(yīng)力及附加力） ，不得大于該處地基土的容許承載力。即:四、基底合力偏心距驗(yàn)算 目的: 盡可能

8、使基底應(yīng)力分布比較均勻，以免基底兩側(cè)應(yīng)力相差過(guò)大，使基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的不均勻沉降，墩、臺(tái)發(fā)生傾斜，影響正常使用 。設(shè)計(jì)原則: 非巖石地基:以不出現(xiàn)拉應(yīng)力為原則，當(dāng)墩、臺(tái)僅受恒載作用時(shí)，基底合力偏心距e0應(yīng)分別不大于基底核心半徑的0.1倍（橋墩）和0.75倍（橋臺(tái)）；當(dāng)墩、臺(tái)受荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合時(shí)，一般只要求基底偏心距e0不超過(guò)核心半徑即可。 巖石地基:可以允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，根據(jù)巖石的強(qiáng)度，合力偏心距e0最大可為基底核心半徑的1.21.5倍，以保證必要的安全儲(chǔ)備?；讘?yīng)力分布圖非巖石地基:巖石地基:五、基礎(chǔ)穩(wěn)定性和地基穩(wěn)定性驗(yàn)算 基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算 基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算 基礎(chǔ)滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算地基穩(wěn)定性驗(yàn)算 基礎(chǔ)傾

9、覆穩(wěn)定性驗(yàn)算 基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定性與合力的偏心距有關(guān)。合力偏心距愈大，則基礎(chǔ)抗傾覆的安全儲(chǔ)備愈小，如下圖所示，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以用限制合力偏心距e0來(lái)保證基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定性。K0為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù),一般對(duì)主要荷載組合K01.5，在各種附加荷載組合時(shí)，K01.21.5。 基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定性計(jì)算基礎(chǔ)滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算 基礎(chǔ)在水平推力作用下沿基礎(chǔ)底面滑動(dòng)的可能性即基礎(chǔ)抗滑動(dòng)安全度的大小，可用基底與土之間的摩擦阻力和水平推力的比值Kc來(lái)表示，Kc稱(chēng)為抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)。即Kc為抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)，必須大于規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)容許值，一般根據(jù)荷載性質(zhì)，Kc1.21.3。地基土分類(lèi)地基土分類(lèi)黏土(流塑-堅(jiān)硬)、粉土0.25軟巖（極軟巖

10、-較軟巖）0.40-0.60砂土（粉砂-礫砂）0.30-0.40硬巖（較硬巖、堅(jiān)硬巖）0.60、0.70碎石土（松散-密實(shí)）0.40-0.50摩擦系數(shù) 地基穩(wěn)定性驗(yàn)算位于軟土地基上較高的橋臺(tái)需驗(yàn)算橋臺(tái)沿滑裂曲面滑動(dòng)的穩(wěn)定性；基底下地基如在不深處有軟弱夾層時(shí)，在臺(tái)后土推力作用下，基礎(chǔ)也有可能沿軟弱夾層土的層面滑動(dòng)；在較陡的土質(zhì)斜坡上的橋臺(tái)、擋土墻也有滑動(dòng)的可能。基礎(chǔ)抗傾覆措施 六、基礎(chǔ)沉降驗(yàn)算 基礎(chǔ)的沉降主要由豎向荷載作用下土層的壓縮變形引起。 沉降量過(guò)大將影響結(jié)構(gòu)物的正常使用和安全，應(yīng)加以限制。 在確定一般土質(zhì)的地基容許承載力時(shí)，已考慮這一變形的因素，所以修建在一般土質(zhì)條件下的中、小型橋梁的基

11、礎(chǔ)，只要滿足了地基的強(qiáng)度要求，地基（基礎(chǔ)）的沉降也就滿足要求。1修建在地質(zhì)情況復(fù)雜、地層分布不均或強(qiáng)度較小的軟粘土地基及濕陷性黃土上的基礎(chǔ)；2修建在非巖石地基上的拱橋、連續(xù)梁橋等超靜定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)；對(duì)于下列情況，則必須驗(yàn)算基礎(chǔ)的沉降3當(dāng)相鄰基礎(chǔ)下地基土強(qiáng)度有顯著不同或相鄰跨度相差懸殊而必須考慮其沉降差時(shí)；4對(duì)于跨線橋、跨線渡槽要保證橋（或槽）下凈空高度時(shí)。地基土的沉降可根據(jù)土的壓縮特性指標(biāo)按公橋基規(guī)的單向應(yīng)力分層總和法（用沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ms修正）計(jì)算。對(duì)于公路橋梁，基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)重力和土重力作用對(duì)沉降是主要的，汽車(chē)等活載作用時(shí)間短暫，對(duì)沉降影響小，所以在沉降計(jì)算中不予考慮。 在設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止由于

12、偏心荷載使同一基礎(chǔ)兩側(cè)產(chǎn)生較大的不均勻沉降，而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物傾斜和造成墩、臺(tái)頂面發(fā)生過(guò)大的水平位移等后果。對(duì)于較低的墩、臺(tái)可用限制基礎(chǔ)上合力偏心距的方法來(lái)解決；對(duì)于結(jié)構(gòu)物較高，土質(zhì)又較差或上部為超靜定結(jié)構(gòu)物時(shí)，則須驗(yàn)算基礎(chǔ)的傾斜，從而保證建筑物頂面的水平位移控制在容許范圍以內(nèi)。 例題：某橋墩為混凝土實(shí)體墩剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)，控制設(shè)計(jì)的荷載組合為：支座反力840kN及930kN；橋墩及基礎(chǔ)自重5480kN；設(shè)計(jì)水位以下墩身及基礎(chǔ)浮力1200kN；制動(dòng)力84kN；墩帽與墩身風(fēng)力分別為2.1kN和16.8kN。結(jié)構(gòu)尺寸及地質(zhì)、水文資料見(jiàn)下圖（基底寬3.1m，長(zhǎng)9.9m）。驗(yàn)算地基承載力。已知：持力層基本容許承載力fa0=350kPa ，k1=2，k2=4。下臥層為一般粘土層，fa0=150kPa，k1=0，k2=1.5，附加應(yīng)力系數(shù)=0.285。（1）計(jì)算最不利荷載組合的水平力、豎直力、彎矩。荷載組合水平力豎直力彎矩工況一（不計(jì)入浮力）102.97250997.32（2）驗(yàn)算地基承載力荷載組合（不計(jì)入浮力）1）持力層承載力驗(yàn)算持力層