k21[工学]第二章 天然地基上的浅基础

回回 顾顾天然地基：没有经过人为加固处理的地基天然地基：没有经过人为加固处理的地基人工地基：需人工加固的软弱地基人工地基：需人工加固的软弱地基 浅基础：浅基础：5m，用一般方法、工艺施工，用一般方法、工艺施工 深基础：深基础：(桩基、沉井桩基、沉井)，特殊工艺施工，特殊工艺施工方案组合方案组合天然地基天然地基人工地基人工地基浅基础浅基础深基础深基础方案选择方案选择u单独基础u联合基础u条形基础按受力性能 分类u刚性基础u柔性基础按构造 分类l十字交叉l阀板l箱形按材料分类u砖基础u片石基础u砼及片石砼基础u钢筋砼基础u灰土及三合土基础 混凝土:是修筑基础最常用的材料，它的优点是强度高、耐久性好，可浇筑成任意形状的砌体，混凝土强度等级一般不宜小于C15号。片石混凝土:对于大体积混凝土基础，为了节约水泥用量，可掺入不多于砌体体积25%的片石（称片石混凝土）但片石的强度等级不应低于MU25号，也不应低于混凝土的强度等级。粗料石，要求石料外形大致方整，厚度约20cm30cm,宽度和长度分别为厚度的1.01.5倍和2.54.0倍，石料强度等级不应小于MU25号，砌筑时应错缝，一般采用M5号水泥砂浆。片石常用于小桥涵基础，石料厚度不小于15cm，强度不小于MU25号，一般采用M5号或M2.5号砂浆砌筑。刚性基础柔性基础 基础在外力（包括基础自重）作用下，基底的地基反力为，此时基础的悬出部分a-a断面左端，相当于承受着强度为的均布荷载的悬臂梁，在荷载作用下，a-a断面将产生弯曲拉应力和剪应力。当基础圬工具有足够的截面使材料的容许应力大于由地基反力产生的弯曲拉应力和剪应力时，a-a断面不会出现裂缝，这时，基础内不需配置受力钢筋，这种基础称为刚性基础。它是桥梁、涵洞和房屋等建筑物常用的基础类型。形式：刚性扩大基础，单独柱下刚性基础、条形基础等。优点：稳定性好、施工简便、能承受较大的荷载，所以只要地基强度能满足要求，它是桥梁和涵洞等结构物首先考虑的基础形式。缺点：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。基础在基底反力作用下，在a-a断面产生弯曲拉应力和剪应力若超过了基础圬工的强度极限值，为了防止基础在a-a断面开裂甚至断裂，可将刚性基础尺寸重新设计，并在基础中配置足够数量的钢筋，这种基础称为柔性基础l 形式：柱下扩展基础、条形和十字形基础筏板及箱形基础。l 优点：其整体性能较好，抗弯刚度较大。如筏板和箱形基础，在外力作用下只产生均匀沉降或整体倾斜，这样对上部结构产生的附加应力比较小，基本上消除了由于地基沉降不均匀引起的建筑物损坏。所以在土质较差的地基上修建高层建筑物时，采用这种基础形式是适宜的。l 缺点：柔性基础，特别是箱形基础，钢筋和水泥的用量较大，施工技术的要求也较高，所以采用这种基础形式应与其它基础方案（如采用桩基础等）比较后再确定。砖基础：砖基础：低层建筑墙下基础。砌筑方便，强度低、抗低层建筑墙下基础。砌筑方便，强度低、抗冻性差。砌法：二一间隔收（冻性差。砌法：二一间隔收（1/4砖）。砖）。MU10砖砖 M5砂浆砂浆大放脚大放脚片石基础：片石基础：砌筑较方便，抗冻性好。砌法：错砌筑较方便，抗冻性好。砌法：错缝搭接缝搭接。200 400 MU20毛石毛石 M5砂浆砂浆 MU20毛石毛石 M5砂浆砂浆 MU20片片石；石；M5砂砂浆浆砼与片石砼基础：砼与片石砼基础：强度、耐久性和抗冻性均较好，强度、耐久性和抗冻性均较好，适于荷载大及地下水位以下结构。掺入片石要求：适于荷载大及地下水位以下结构。掺入片石要求：占体积占体积2030%，尺寸，尺寸300mm。掺入毛石掺入毛石 节约水泥节约水泥柱下柱下砼基础砼基础墙下墙下砼基础砼基础单独基础联合基础联合基础柱下十字交柱下十字交叉基础叉基础柱柱基础底板基础底板梁梁联合基础联合基础筏形基础（板式筏形基础（板式与梁板式）与梁板式）梁梁柱柱底板底板柱柱顶板顶板底版底版梁梁隔板隔板 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。有时为了增强桥柱下基础的承载能力，将同一排若干个柱子的基础联合起来，也就成为柱下条形基础。其构造与倒置的T形截面梁相类似，在沿柱子的排列方向的剖面可以是等截面的，也可以如图那样在柱位处加腋的。在桥梁基础中，一般是做成刚性基础，个别的也可做成柔性基础。挡土墙下条形基础 柱下条形基础 由于地基强度一般较墩台或墙柱圬工的强度低，因而需要将基础平面尺寸扩大以满足地基强度要求，这种刚性基础刚称刚性扩大基础。它是桥涵及其它建筑物常用的基础形式，其平面形状常为矩形。其每边扩大的尺寸最小为0.20m0.50m，视土质、基础厚度、埋置深度和施工方法而定。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。刚性角：基础悬出总长度（包括襟边与台阶宽度之和）按前面刚性基础的定义，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。所以满足上述要求时，就可得到自墩台身边缘处的垂线与基底边缘的联线间的最大夹max，称为刚性角。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。刚性扩大基础刚性扩大基础刚性扩大基础刚性扩大基础 开挖：刚性扩大基础的施工可采用明挖的方法进行基坑开挖，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。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0.5m1.0m，以方便设置排水沟及立模板和砌筑工作。围护：基坑开挖时根据土质及开挖深度对坑壁予以围护或不围护，围护的方式有多种多样。水中开挖基坑还需先修筑防水围堰。施工一般要求：（一）无围护基坑 当基坑较浅，地下水位较低或渗水量较少，不影响坑壁稳定时，坑壁可不加围护，此时可将坑壁挖成竖直或斜坡形。竖直坑壁只有在岩石地基或基坑较浅又无地下水的硬粘土中采用。要求：在一般土质条件下开挖基坑时，应采用放坡开挖的方法，基坑深度在5m以内，施工期较短，地下水在基底以下，且土的湿度接近最佳含水量，土质构造又较均匀时，基坑坡度可参考下表选用。无围护基坑坑壁坡度 坑 壁 土 类坑 壁 坡 度基 坑 顶 缘 无 荷 载基 坑 顶 缘 有 静 载基 坑 顶 缘 有 动 载砂 类 土1111.2511.5碎卵石类土10.751111.25亚 砂 土10.6710.7511亚粘土、粘土10.3310.510.75极 软 岩10.2510.3310.67软 质 岩1010.110.25硬 质 岩101010无围护基坑（二）有围护基坑1、板桩墙支护 概念：在基坑开挖前先垂直打入土中至坑底以下一定深度，然后边挖边设支撑，开挖基坑过程中始终是在板桩支护下进行。材料：木板桩、钢筋混凝土板桩和钢板桩三种。断面形式：一字形、槽形和Z字形三种。一字形 槽形 Z字形支撑方式：无支撑式、支撑式和锚撑式。支撑式板桩墙按设置支撑的层数可分为单支撑板桩墙和多支撑板桩墙。无支撑 单支撑 多支撑 锚撑钢板桩钢板桩施打钢板桩施打钢板桩基坑支撑基坑远景钢板桩基坑支撑基坑支撑基坑支撑基坑支撑2、喷射砼护壁 概念：以高压空气为动力，将搅拌均匀的砂、石、水泥和速凝剂干料，由喷射机经输料管吹送到喷枪，在通过喷枪的瞬间，加入高压水进行混合，自喷嘴射出，喷射在坑壁，形成环形混凝土护壁结构，以承受土压力。适用情况：宜用于土质较稳定，渗水量不大，深度小于10m，直径为6m12m的圆形基坑。对于有流砂或淤泥夹层的土质，也有使用成功的实例。砼喷射顺序：无水、少量渗水坑壁：可由下向上一环一环进行；对渗水较大坑壁：喷护应由上向下进行，以防新喷的混凝土被水冲流；对有集中渗出的股水的基坑：可从无水或水小处开始，逐步向水大处喷护，最后用竹管将集中的股水引出。喷射作业应沿坑周分若干区段进行，区段长度一般不超过6m。砼材料要求：喷射混凝土应当早强、速凝、有较高的不透水性，且其干料应能顺利通过喷射机。砼喷射厚度：一般粘性土、砂土和碎卵石类土层，如无渗水，厚度为3cm8cm；如有少量渗水，厚度为5cm10cm；对稳定性较差的土，如淤泥、粉砂等，如无渗水，厚度为10cm15cm；如有少量渗水，厚度为15cm；当有大量渗水时，厚度为15cm20cm。一次喷射是否能达到规定的厚度，主要取决于混凝土与土之间的粘结力和渗水量大小。如一次喷射达不到规定的厚度，则应在混凝土终凝后再补喷，直至达到规定厚度为止。喷锚支护喷混支护挂网喷混支护挂网喷混支护挂网喷混支护喷混支护3、砼围圈护壁 概念：混凝土围圈护壁是用混凝土环形结构承受土压力，但其混凝土壁是现场浇筑的普通混凝土，壁厚较喷射混凝土大，一般为15cm30cm，也可按土压力作用下环形结构计算。适用情况：混凝土围圈护壁则适应性较强，可以按一般混凝土施工，基坑深度可达15m20m，除流砂及呈流塑状态粘土外，可适用于其它各种土类。施工方法：基坑自上而下分层垂直开挖，开挖一层后随即灌注一层混凝土壁。为防止已浇筑的围圈混凝土施工时因失去支承而下坠，顶层混凝土应一次整体浇筑，以下各层均间隔开挖和浇筑，并将上下层混凝土纵向接缝错开。开挖面应均匀分布对称施工，及时浇筑混凝土壁支护，每层坑壁无混凝土壁支护总长度应不大于周长的一半。分层高度以垂直开挖面不坍塌为原则，一般顶层高2m左右，以下每层高1m1.5m。围圈混凝土一般采用C15早强混凝土。为使基坑开挖和支护工作连续不间断地进行，一般在围圈混凝土抗压强度到达2500kPa强度时，即可拆除摸板，承受土压力。砼围圈护壁砼围圈支护4、其他方法 在软弱土层中的较深基坑以深层搅拌桩、粉体喷射搅拌桩、旋喷桩等，按密排或格框形布置成连续墙以形成支档结构代替板桩墙等，多用于市政工程、工业与民用建筑工程，桥梁工程也有使用成功的报道。在一些基础工程施工中，对局部坑壁的围护也常因地制宜就地取材采用多种灵活的围护方法，在浅基坑中，当地下水影响不大时，也可使用木档板支撑（路桥施工除在特定条件下，现较少采用）。粉喷桩支护u 适用情况：基坑如在地下水位以下，随着基坑的下挖，渗水将不断涌集基坑，因此施工过程中必须不断地排水，以保持基坑的干燥，便于基坑挖土和基础的砌筑与养护。u 常用方法：表面排水法井点法降低地下水位（一）表面排水法u 概念：基坑如在地下水位以下，随着基坑的下挖，渗水将不断涌集基坑，因此施工过程中必须不断地排水，以保持基坑的干燥，便于基坑挖土和基础的砌筑与养护。u 适用情况：一般土质条件下均可采用。但当地基土为饱和粉细砂土等粘聚力较小的细粒土层时，由于抽水会引起流砂现象，造成基坑的破坏和坍塌，因此当基坑为这类土时，应避免采用表面排水法。（二）井点法降低地下水位 概念：即在基坑开挖前预先在基坑四周打入（或沉入）若干根井管，井管下端1.5m左右为滤管，上面钻有若干直径约2mm的滤孔，外面用过滤层包扎起来。各个井管用集水管连接并抽水。类型：分为轻型井点、喷射井点、电渗井点和深井泵井点等，可根据土的渗透系数，要求降低水位的深度及工程特点选用。特点：井管范围内的地下水不从基坑的四周边缘和底面流出，而是以相反的方向流向井管，因而可以避免发生流砂和边坡坍塌现象，且由于流水压力对土层还有一定的压密作用。适用情况：适用于渗透系数为（0.180）m/d的砂土。对于渗透系数小于0.1m/d的淤泥、软粘土等则效果较差，需要采用电渗井点排水或其它方法。井点降水动画表面排水动画 围堰的概念：是一种临时挡水结构，在水中修筑桥梁基础时，开挖基坑前需在基坑周围先修筑一道防水围堰，把围堰内水排干后，再开挖基坑修筑基础。如排水较因难，也可在围堰内进行水下挖土，挖至预定标高后先灌注水下封底混凝土，然后再抽干水继续修筑基础。在围堰内不但可以修筑浅基础，也可以修筑桩基础等。围堰的种类：有土围堰、草（麻）袋围堰、钢板桩围堰、双壁钢围堰和地下连续墙围堰等 各种围堰都应符合以下要求：1围堰顶面标高应高出施工期间中可能出现的最高水位0.5m以上，有风浪时应适当加高。2要求河道断面压缩一般不超过流水断面积的30%。对两边河岸河堤或下游建筑物有可能造成危害时，必须征得有关单位同意并采取有效防护措施。3围堰内尺寸应满足基础施工要求，留有适当工作面积，由基坑边缘至堰脚距离一般不少于1m。4围堰结构应能承受施工期间产生的土压力、水压力以及其他可能发生的荷载，满足强度和稳定要求。围堰应具有良好的防渗性能。（一）土围堰和草袋围堰 在水深较浅（2m以内），流速缓慢，河床渗水较小的河流中修筑基础可采用土围堰或草袋围堰。土围堰 草袋围堰（二）钢板桩围堰 当水较深时，可采用钢板桩围堰。修建水中桥梁基础常使用单层钢板桩围堰，其支撑（一般为万能杆件构架，也采用浮箱拼装）和导向（由槽钢组成内外导环）系统的框架结构称“围囹”或“围笼”。施工工艺流程：适用情况：钢板桩围堰一般适用于河床为砂土、碎石土和半干硬性粘土，并可嵌入风化岩层。围堰内抽水深度最大可达20cm左右。槽型钢板桩钢板桩围堰挡水钢板桩围堰挡水 双壁钢围堰一般做成圆形结构，它本身实际上是个浮式钢沉井。井壁钢壳是由有加劲肋的内外壁板和若干层水平钢桁架组成，中空的井壁提供的浮力可使围堰在水中自浮，使双壁钢围堰在漂浮状态下分层接高下沉。在两壁之间设数道竖向隔舱板将圆形井壁等分为若干个互不连通的密封隔舱，利用向隔舱不等高灌水来控制双壁围堰下沉及调整下沉时的倾斜。井壁底部设置刃脚以利切土下沉。如需将围堰穿过覆盖层下沉到岩层而岩面高差又较大时，可做成如图2-15所示高低刃脚密贴岩面。双壁围堰内外壁板间距一般为1.2m1.4m，这就使围堰刚度很大，围堰内无需设支撑系统。（三）双壁钢围堰 构造：双壁围堰钻孔基础 目前采用双壁钢围堰修建的大型桥梁深水基础，大都将基础放在岩盘上用钻孔嵌岩后，在孔内安放钢筋笼灌注混凝土与岩盘牢牢结合在一起，故称这种方法修筑的基础为“双壁围堰钻孔基础”。田螺大桥双壁钢围堰成功下水（四）地下连续墙围堰 地下连续墙是近几十年来伴随着钻孔灌注桩施工技术在地下工程和基础工程施工中发展起来的一项新技术，它既可是结构物基础的一部分，也可在修筑施工中起围堰支护基坑的作用，目前已在修建桥梁基础中得到应用。关于地下连续墙的介绍详见第四章。地下连续墙施工动画演示 板桩墙的作用是挡住基坑四周的土体，防止土体下滑和防止水从坑壁周围渗入或从坑底上涌，避免渗水过大或形成流砂而影响基坑开挖。根据基坑深度和水深，一般可采用无支撑、单支撑和多支撑板桩墙。它主要承受土压力和水压力，因此，板桩墙本身也是挡土墙，但又非一般刚性挡墙，它在承受水平压力时是弹性变形较大的柔性结构，它的受力条件与板桩墙的支撑方式、支撑的构造、板桩和支撑的施工方法以及板桩入土深度密切相关，需要进行专门的设计计算。板桩墙计算内容应包括：板桩墙侧向压力计算；确定板桩插入土中深度的计算，以确保板桩墙有足够的稳定性；计算板桩墙截面内力，验算板桩墙材料强度，确定板桩截面尺寸；板桩支撑（锚撑）的计算；基坑稳定性验算；水下混凝土封底计算。一、侧向压力计算 作用于板桩墙的外力主要来自坑壁土压力和水压力，或坑顶其它荷载（如挖、运土机械等）所引起的侧向压力。由于它大多是临时结构物，因此常采用比较粗略的近似计算，即不考虑板桩墙的实际变形，仍沿用古典土压力理论计算作用于板桩墙上的土压力。一般用朗金理论来计算不同深度z处每延米宽度内的主、被动土压力强度pa、pp(kPa)：aazKzp245tan2ppzKzp245tan2（2-3）朗金理论计算不同深度z处每延米宽度内的主、被动土压力强度pa、pp(kPa)：对于粘性土，式（2-3）中的内摩擦角用等代内摩擦角e代入，其值可参照表2-2取用。如有地下水或地面水时，还应根据土的透水性质和施工方法来考虑计算静水压力对板桩的作用。当土层为透水性土时，则在计算土压力时，土重取浮重度，并考虑全部静水压力；当水下土层为不透水的粘性土层，且打板桩时不会使打桩后的土松动而使水进入土中时，计算土压力不考虑水的浮力取饱和重度，而土面以上水深作为均布的超载作用考虑。二、悬臂式板桩墙的计算 图2-17所示的悬臂式板桩墙，因板桩不设支撑，故墙身位移较大，通常可用于挡土高度不大的临时性支撑结构。图2-17 悬臂式板桩墙的计算 一般近似地假定土压力的分布图形如图2-17所示：墙身前侧是被动土压力（bcd），其合力为 ,并考虑有一定的安全系数K（一般取K=2）；在墙身后方为主动土压力（abe），合力为 。另外在桩下端还作用有被动土压力 ，由于的作用位置不易确定，计算时假定作用在桩端b点。考虑到的实际作用位置应在桩端以上一段距离，因此，在最后求得板桩的入土深度t后，再适当增加1020%。1PEAE2PE例题2-1 计算图2-18所示悬臂式板桩墙需要的入土深度t及桩身最大弯矩值。图2-18 例题2-1图已知桩周土为砂砾，kN/m3，基坑开挖深度h=1.8m。安全系数K=2。19 解：1）入土深度求解：当 时，朗金主动土压力系数 ，朗金被动土压力系数 。30230tan450.3332aK230tan4532pK 若令板桩入土深度为t，取1延米长的板桩墙，计算墙上作用力对桩端b点的力矩平衡条件 得：0,b 3311166pat KhtKK1123pttKtK 123ahtht Kht推出：？33111193191.80.333626tt 将数字代入上式得：解得：2.76tm 板桩的实际入土深度较计算值增加20%，则可求得板桩的总长度L为：mthL12.576.22.18.12.1若板桩的最大弯矩截面在基坑底深度 处，该截面的剪力应等于零，即0t202021121thKtKKap 000011122paK ttKhthtK推出：？2）最大弯矩值求解将数字代入上式得：20208.1333.019212131921tt解得 mt49.10可求得每延米板桩墙的最大弯矩 为：maxM33max49.12131961)49.18.1(333.01961M=21.6kNm三、单支撑（锚碇式）板桩墙的计算 当基坑开挖高度较大时，不能采用悬臂式板桩墙，此时可在板桩顶部附近设置支撑或锚碇拉杆，成为单支撑板桩墙，如图2-19所示。图2-19 单支撑板桩墙的计算 单支撑板桩墙的计算，可以把它作为有两个支承点的竖直梁。一个支点是板桩上端的支撑杆或锚碇拉杆；另一个是板桩下端埋入基坑底下的土。下端的支承情况又与板桩埋入土中的深度大小有关，一般分为两种支承情况；第一种是简支支承，如图2-19a。这类板桩埋入土中较浅，桩板下端允许产生自由转动；第二种是固定端支承，如图2-20a。若板桩下端埋入土中较深，可以认为板桩下端在土中嵌固。1板桩下端简支支承时的土压力分布（图2-19a）板桩墙受力后挠曲变形，上下两个支承点均允许自由转动，墙后侧产生主动土压力EA。由于板桩下端允许自由转动，故墙后下端不产生被动土压力。墙前侧由于板桩向前挤压故产生被动土压力EP。由于板桩下端入土较浅，板桩墙的稳定安全度，可以用墙前被动土压力EP除以安全系数K保证。此种情况下的板桩墙受力图式如同简支梁（图2-19b），按照板桩上所受土压力计算出的每延米板桩跨间的弯矩如图2-19c所示，并以Mmax值设计板桩的厚度。2板桩下端固定支承时的土压力分布（图2-20）板桩下端入土较深时，板桩下端在土中嵌固，板桩墙后侧除主动土压力EA外，在板桩下端嵌固点下还产生被动土压力EP2。假定EP2作用在桩底b点处。与悬臂式板桩墙计算相同，板桩的入土深度可按计算值适当增加1020%。板桩墙的前侧作用被动土压力EP1。由于板桩入土较深，板桩墙的稳定性安全度由桩的入土深度保证，故被动土压力EP1不再考虑安全系数。由于板桩下端的嵌固点位置不知道，因此，不能用静力平衡条件直接求解板桩的入土深度t。在图2-20中给出了板桩受力后的挠曲形状，在板桩下部有一挠曲反弯点c，在c点以上板桩有最大正弯矩，c点以下产生最大负弯矩，挠曲反弯点c相当于弯矩零点，弯矩分布图如图2-20所示。太沙基给出了在均匀砂土中，当土表面无超载，墙后地下水位较低时，反弯点c的深度y值与土的内摩擦角间的近似关系：20 30 40 y 0.25h 0.08h -0.007h 确定反弯点c的位置后，已知c点的弯矩等于零，则将板桩分成ac和cb两段，根据平衡条件可求得板桩的入土深度t.例题2-2 计算图2-21所示锚碇式板桩墙的入土深度t，锚碇拉杆拉力T，以及板桩的最大弯矩值。已知板桩下端为自由支承，土的性质如图2-21所示。基坑开挖深度h=8m，锚杆位置在地面下d=1m，锚杆设置间距a=2.5m。O 未知未知 解 当=30时，朗金主动土压力系数 ，朗金被动土压力系数 ，则333.0)23045(tan2aK3)23045(tan2pK2222193412121)8(333.01921)(21ttKKEtKthEpPaA根据锚碇点0的力矩平衡条件，得：tdhKEdthEPA32)(32?将 代入上式：pAEE 与223275.4)8(1)8(32tttt解得 mt5.5由平衡 条件，得锚杆拉力T为：0H5.25.55.1)5.58(333.01921)(22aKEETPA=367.5kN 板桩的最大弯矩计算方法与悬臂式板桩相同，可参见例题2-1。四、多支撑板桩墙计算 当坑底在地面或水面以下很深时，为了减少板桩的弯矩可以设置多层支撑。支撑的层数及位置要根据土质、坑深、支撑结构杆件的材料强度，以及施工要求等因素拟定。板桩支撑的层数和支撑间距布置一般采用以下两种方法设置：1等弯矩布置：当板桩强度已定，即板桩作为常备设备使用时，可按支撑之间最大弯矩相等的原则设置。2等反力布置：当把支撑作为常备构件使用时，甚至要求各层支撑的断面都相等时，可把各层支撑的反力设计成相等。支撑系按在轴向力作用下的压杆计算，若支撑长度很大时，应考虑支撑自重产生的弯矩影响。从施工角度出发，支撑间距不应小于2.5m。墙后土体达不到主动极限平衡状态，土压力不能按库仑或朗金理论计算。根据试验结果证明这时土压力呈中间大、上下小的抛物线形状分布，其变化在静止土压力与主动土压力之间，如图2-23所示。图2-23 多支撑板桩墙的位移及土压力分布 太沙基和佩克（Terzaghi and Peck,1948,1967,1969）根据实测及模型试验结果，提出作用在板桩墙上的土压力分布经验图形（图2-24）。图2-24 多支撑板桩墙上土压力的分布图形a）板桩支撑；b）松砂；c）密砂；d）粘土H6cu；e）粘土H4Cu 多支撑板桩墙计算时，也可假定板桩在支撑之间为简支支承，由此计算板桩弯矩及支撑作用力。其计算方法可参见例题2-4。（一）坑底流砂验算 若坑底土为粉砂、细砂等时，在基坑内抽水可能引起流砂的危险。一般可采用简化计算方法进行验算。原则：板桩有足够的入土深度以增大渗流长度，减少向上动水力。由于基坑内抽水后引起的水头差h 造成的渗流，其最短渗流途径为在流程t中水对土粒动水力应是垂直向上的，故可要求此动水力不超过土的有效重度b，则不产生流砂的安全条件为bwiK式中：K安全系数，取2.0；i水力梯度，;w水的重度。基坑抽水后水头差引起的渗流 由此可计算确定板桩要求的入土深度t。1hiht（二）坑底隆起验算 开挖较深的软土基坑时，在坑壁土体自重和坑顶荷载作用下，坑底软土可能受挤在坑底发生隆起现象。常用简化方法验算，即假定地基破坏时会发生如图所示滑动面，其滑动面圆心在最底层支撑点A处，半径为x，垂直面上的抗滑阻力不予考虑。22xrHqMd则滑动力矩为：稳定力矩为：20,2xauMxSxd 式中：Su滑动面上不排水抗剪强度，如土为饱和软粘土，则=0，Su=Cu。M与Md之比即为安全系数K，如基坑处地层土质均匀，则安全系数为 式中 以弧度表示。2.1)2(qHSKus2（三）封底混凝土厚度计算 钢板桩围堰需进行水下封底混凝土后在围堰内抽水修筑基础和墩身，在抽干水后封底混凝土底面因围堰内外水头差而受到向上的静水压力。在静水压力作用下：封底混凝土及围堰有可能被水浮起，或者封底混凝土产生向上挠曲而折裂，因此：封底混凝土应有足够的厚度，以确保围堰安全。考虑浮力的封底层厚度计算：作用在封底层的浮力是由封底混凝土和围堰自重，以及板桩和土的摩阻力来平衡的。当板桩打入基底以下深度不大时，平衡浮力主要靠封底混凝土自重，因此在计算时为偏安全考虑，仅计入封底混凝土自重。)(xhxwcwcwhx式中：考虑未计算桩土间摩阻力和围堰自重的修正系数，小于1，具体数值由经验确定；w水的重度，取10kN/m3;c混凝土重度，取23kN/m3;h封底混凝土顶面处水头高度（m）。考虑强度的封底层厚度计算：如板桩打入基坑下较深，板桩与土之间摩阻力较大，加上封底层及围堰自重整个围堰不会被水浮起，此时封底层厚度应由其强度确定。现一般按容许应力法并简化计算，假定封底层为一简支单向板，其顶面在静水压力作用下产生弯曲拉应力：61)(881222xxxhlWplcw03422Hxxlwc经整理得：式中：W封底层每米宽断面的截面模量（m3）；l 围堰宽度（m）；水下混凝土容许弯曲应力，考虑水下混凝土表层质量较差、养护时间短等因素，不宜取值过高，一般用100200kPa。可解得封底砼厚度注意 封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.250.50m,以便在抽水后将顶层浮浆、软弱层凿除，以保证质量。地基容许承载力的确定一般有以下四种方法：1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；2根据现场荷载试验的p-s曲线；3按地基承载力理论公式计算；4按现行规范提供的经验公式计算。常用按现行规范提供的经验公式计算 背景介绍：规范：公路桥涵地基与基础设计规范（JTJD63-2007）根据我国各部门多年来的实践经验，收集了大量荷载试验和对已建建筑物的观测资料，通过理论和统计分析后制定的，它使确定地基土容许承载力的工作大为简化。我国幅员辽阔，土质变化较复杂，规范仅对一般土质条件作了规定，对一些特殊地基，如疏松状态的砂土、接近流动状态的软粘土、含有大量有机质土和盐渍土等，以及对于大的或较重要的工程，还应结合具体情况，综合采用荷载试验，现场标贯或静力触探及理论计算等方法研究分析后确定。步骤和方法：1确定土的分类名称 对于一般地基土，通常根据塑性指数、粒径、工程地质特性等分为六类，即粘性土、砂类土、碎卵石类土、黄土、冻土及岩石。2确定土的状态 土的状态是指土层所处的天然松密和稠度状况。粘性土的天然状态是按液性指数IL分为坚硬、半坚硬状态、硬塑、软塑和流塑状态；砂类土根据相对密度分为稍松、中等密实、密实状态；碎卵石类土则按密实度分为密实、中等密实及松散状态。3确定土的容许承载力 当基础最小边宽超过2m或基础埋深超过3m，且h/b4时，上述一般地基上（除冻土和岩石外）的容许承载力可按下式计算：)3()2(22110hKbK式中：0当基础最小边宽b2m，埋置深度h3m的地基土容许承载力（kPa），可直接从规范查取。称为地基承载力基本容许值。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基底下持力层土的天然重度(kN/m3)，如持力层在水面以下且为透水性土 时，应取用浮重度；2基底以上土的重度（如为多层土时用换算重度）(kN/m3)，如持力层在水面以下且为不透水性土时，不论基底以上土的透水性质如何，应一律采用饱和重度，如持力层为透水性土时，应一律采用浮重度；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。3确定土的容许承载力 式（3.3.4）第二项是基础在验算剖面底面宽大于2m时地基容许承载力的修正提高值。但是若地基土为粘土（包括黄土）时，受压后其后期沉降量较大，基础愈宽，沉降也愈大，这对建筑物正常使用是不利的，加上在制定容许承载力0值时，已适当考虑了基础宽度的影响，故对粘性土和粉土的地基容许承载力不再考虑宽度修正，这样可以保证基础不致产生过大的沉降。对于砂土和碎石土地基，沉降在施工期间已大部分完成，所以受压后的后期沉降比较小，在基础宽度加大后，地基承载力有显著提高，故必须予以修正。由于基础过宽会增加沉降的不利因素，所以基础宽度超过10m者，仍按10m予以修正提高。式（3.3.4）第三项是基础埋深超过3m时地基容许承载力的提高值。这主要考虑到随着基础埋深的增加，基础底面以上土的自重也随着增大，这对阻止基底下地基土在荷载作用下的挤出是有利的。根据国内外试验资料的分析，当h/b4时，地基承载力随深度成直线比例增长，当4h/b10时，地基承载力几乎为一常数，因此为了安全起见，只有当h/b4时地基容许承载力才予以提高。l基础埋置深度的确定基础埋置深度的确定l刚性扩大基础尺寸的拟定刚性扩大基础尺寸的拟定l地基承载力验算地基承载力验算l基底合力偏心距验算基底合力偏心距验算l基础稳定性和地基稳定性验算基础稳定性和地基稳定性验算l基础沉降验算基础沉降验算 将基础设置在变形较小，而强度又比较大的将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，且不致产生持力层上，以保证地基强度满足要求，且不致产生过大的沉降或沉降差。还要使基础有足够的埋置深过大的沉降或沉降差。还要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。必须度，以保证基础的稳定性，确保基础的安全。必须综合考虑地基的地质和地形条件、河流的冲刷程度、综合考虑地基的地质和地形条件、河流的冲刷程度、当地的冻结深度、上部结构形式以及保证持力层稳当地的冻结深度、上部结构形式以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。基础埋深的不同方案c)b)a)h3h2h1刚性扩大基础刚性扩大基础 沉井基础沉井基础 桩基础桩基础 岩石地基岩石地基:覆盖土层较薄时，一般应清除覆盖土覆盖土层较薄时，一般应清除覆盖土和风化层后，将基础直接修建在新鲜岩面上；如岩石和风化层后，将基础直接修建在新鲜岩面上；如岩石的风化层很厚，难以全部清除时，基础放在风化层中的风化层很厚，难以全部清除时，基础放在风化层中的埋置深度应根据其风化程度、冲刷深度及相应的容的埋置深度应根据其风化程度、冲刷深度及相应的容许承载力来确定。如岩层表面倾斜时，不得将基础的许承载力来确定。如岩层表面倾斜时，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。在陡一部分置于岩层上，而另一部分则置于土层上。在陡峭山坡上修建桥台时，还应注意岩体的稳定性。峭山坡上修建桥台时，还应注意岩体的稳定性。非岩石地基非岩石地基:如受压层范围内为均质土，基如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荷载大小，由地基土的承载能力和沉降特性来确定（同时考虑基础需要的最小埋深）。当地质条定（同时考虑基础需要的最小埋深）。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。计算或方案比较后确定。冲刷的基本概念冲刷的基本概念:洪水冲刷后，整个河床面要下降，这叫洪水冲刷后，整个河床面要下降，这叫一般冲刷一般冲刷被冲下去的深度叫被冲下去的深度叫一般冲刷深度一般冲刷深度同时由于桥墩的阻水作用，使洪水在桥墩四周冲同时由于桥墩的阻水作用，使洪水在桥墩四周冲出一个深坑，这叫出一个深坑，这叫局部冲刷局部冲刷局部冲刷原河床面一般冲刷河流的冲刷作用河流的冲刷作用 在有冲刷的河流中，为了防止桥梁墩、在有冲刷的河流中，为了防止桥梁墩、台基础四周和基底下土层被水流掏空冲走台基础四周和基底下土层被水流掏空冲走以致倒塌，基础必须埋置在设计洪水的最以致倒塌，基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下不小于大冲刷线以下不小于1m1m。特别是在山区和。特别是在山区和丘陵地区的河流，更应注意考虑季节性洪丘陵地区的河流，更应注意考虑季节性洪水的冲刷作用。水的冲刷作用。冲刷总深度冲刷总深度(m)最小埋置深度最小埋置深度(m)桥梁类型桥梁类型0333881515 2020一一 般般 桥桥 梁梁1.01.52.02.53.03.5技术复杂修复困难的特大桥及其它技术复杂修复困难的特大桥及其它重要大桥重要大桥1.52.02.53.03.54.0 对于大、中桥基础的基底在设计洪水冲刷总深对于大、中桥基础的基底在设计洪水冲刷总深度以下的最小埋置深度，建议根据桥梁大小、技术度以下的最小埋置深度，建议根据桥梁大小、技术的复杂性和重要性，参照下表采用的复杂性和重要性，参照下表采用 为了保证建筑物不受地基土季节性冻胀的影响，为了保证建筑物不受地基土季节性冻胀的影响，除地基为非冻胀性土外，基础底面应埋置在天然最大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。冻结线以下一定深度。公桥基规公桥基规规定，当上部结规定，当上部结构为超静定结构时，基底应埋置在最深冻结线以下不构为超静定结构时，基底应埋置在最深冻结线以下不小于小于0.25m0.25m；对静定结构的基础，一般也按此要求，；对静定结构的基础，一般也按此要求，但在冻结较深地区，为了减少基础埋深，有些类别的但在冻结较深地区，为了减少基础埋深，有些类别的冻土经计算后也可将基底置于最大冻结线以上。冻土经计算后也可将基底置于最大冻结线以上。对中、小跨度简支梁桥来说，这项因素对确对中、小跨度简支梁桥来说，这项因素对确定基础的埋置深度影响不大。但对超静定结构即定基础的埋置深度影响不大。但对超静定结构即使基础发生较小的不均匀沉降也会使内力产生一使基础发生较小的不均匀沉降也会使内力产生一定变化定变化 当墩台、挡土墙等结当墩台、挡土墙等结构位于较陡的土坡上，构位于较陡的土坡上，在确定基础埋深时，在确定基础埋深时，还应考虑土坡连同结还应考虑土坡连同结构物基础一起滑动的构物基础一起滑动的稳定性。稳定性。当地基为倾斜土坡时，应结合实际情况，对地基当地基为倾斜土坡时，应结合实际情况，对地基容许承载力适当折减。容许承载力适当折减。lsDbhDhlb若基础位于较陡的岩体上，可将基础做成台阶形，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。但要注意岩体的稳定性。地表土的性质是不稳定的。人类和动物的活动以及地表土的性质是不稳定的。人类和动物的活动以及植物的生长作用，也会影响其强度和稳定，所以一植物的生长作用，也会影响其强度和稳定，所以一般地表土不宜作为持力层般地表土不宜作为持力层.为了保证地基和基础的稳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地面或无冲刷河底以下不小于1m1m。在确定基础埋置深度时，还应考虑相邻建筑物的影在确定基础埋置深度时，还应考虑相邻建筑物的影响响.基础埋深的不同方案c)b)a)()硬塑亚粘土0=250kPa()硬塑粘土0=300kPa()软粘土0=100kPa()硬塑亚粘土0=250kPa最大冲刷线一般冲刷线h3h2h111.0 常水位9.0 河底8.0 7.01.0-1.0-5.0刚性扩大基础刚性扩大基础 沉井基础沉井基础 桩基础桩基础l基础厚度基础厚度l基础平面尺寸基础平面尺寸l基础剖面尺寸基础剖面尺寸b)a)bl/2a/2t3t2t1c2c1aaHhc1aaHhd 应根据墩、台身结构形式，荷载大小，选用的应根据墩、台身结构形式，荷载大小，选用的基础材料等因素来确定。基底标高应按基础埋深的基础材料等因素来确定。基底标高应按基础埋深的要求确定。水中基础顶面一般不高于最低水位，在要求确定。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。这样，基础厚度可按上不宜高出地面，以防碰损。这样，基础厚度可按上述要求所确定的基础底面和顶面标高求得。述要求所确定的基础底面和顶面标高求得。基础平面形式一般应考虑墩、台身底基础平面形式一般应考虑墩、台身底面的形状而确定，基础平面形状常用矩形。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基础底面长宽尺寸与高度有如下的关系式tan2)(tan2)(HdbHla顺桥向宽度横桥向长度l持力层强度验算持力层强度验算l软弱下卧层承载力验算软弱下卧层承载力验算 持力层是指直接与基底相接触的土层，持力持力层是指直接与基底相接触的土层，持力层承载力验算要求荷载在基底产生的地基应力不层承载力验算要求荷载在基底产生的地基应力不超过持力层的地基容许承载力。基底应力分布公超过持力层的地基容许承载力。基底应力分布公式如下式如下 (由于浅基础埋置深度小，在计算中可不由于浅基础埋置深度小，在计算中可不计基础四周土的摩阻力和弹性抗力的作用计基础四周土的摩阻力和弹性抗力的作用)。maxminWMAN偏心竖直力作用在任意点偏心竖直力作用在任意点基底应力分布图基底应力分布图 对公路桥梁，一般由顺桥向控制基底应力计对公路桥梁，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，应计算算。但对通航河流或河流中有漂流物时，应计算撞击力在横桥向产生的基底应力，并与顺桥向基撞击力在横桥向产生的基底应力，并与顺桥向基底应力比较，取其大者控制设计。底应力比较，取其大者控制设计。对于曲线桥，计算基底应力时，应按下式计对于曲线桥，计算基底应力时，应按下式计算算：maxmin yxxyMMNAWW 当受压层范围内地基为多层土，且持力层以当受压层范围内地基为多层土，且持力层以下有软弱下卧层，这时还应验算软弱下卧层的承下有软弱下卧层，这时还应验算软弱下卧层的承载力，验算时先计算软弱下卧层顶面（在基底形载力，验算时先计算软弱下卧层顶面（在基底形心轴下）的应力（包括自重应力及附加力）心轴下）的应力（包括自重应力及附加力），不，不得大于该处地基土的容许承载力。即得大于该处地基土的容许承载力。即:zhZhhzh)()(21土自重应力线软弱下卧层附加应力线A1(h+z）2hp0=-2hhzP0 目的目的:尽可能使基底应力分布比较均匀，以免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基底两侧应力相差过大，使基础产生较大的不均匀沉降，墩、台发生倾斜，影响正常使用均匀沉降，墩、台发生倾斜，影响正常使用 。非岩石地基非岩石地基:以不出现拉应力为原则，当墩、以不出现拉应力为原则，当墩、台仅受恒载作用时，基底合力偏心距台仅受恒载作用时，基底合力偏心距e e0 0应分别不应分别不大于基底核心半径的大于基底核心半径的0.10.1倍（桥墩）和倍（桥墩）和0.750.75倍（桥倍（桥台）；当墩、台受荷载组合台）；当墩、台受荷载组合、时，由于时，由于一般是短时的，因此对基底偏心距的要求可以放一般是短时的，因此对基底偏心距的要求可以放宽，一般只要求基底偏心距宽，一般只要求基底偏心距e e0 0不超过核心半径即不超过核心半径即可。可。岩石地基岩石地基:可以允许出现拉应力，根据岩石的可以允许出现拉应力，根据岩石的强度，合力偏心距强度，合力偏心距e e0 0最大可为基底核心半径的最大可为基底核心半径的1.21.21.51.5倍，以保证必要的安全储备。倍，以保证必要的安全储备。maxmaxmaxmine0NNMbNKb基底应力分布图基底应力分布图 基础倾覆稳定性验算基础倾覆稳定性验算 基础稳定性验算基础稳定性验算 基础滑动稳定性验算基础滑动稳定性验算地基稳定性验算地基稳定性验算 基础倾覆稳定性与合力的偏心距有关。合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，力偏心距愈大，则基础抗倾覆的安全储备愈小，如下图所示，因此，在设计时，可以用限制合如下图所示，因此，在设计时，可以用限制合力偏心距力偏心距e e0 0来保证基础的倾覆稳定性。来保证基础的倾覆稳定性。00eyKiiiiiPhTePe0K0为抗倾覆稳定系数为抗倾覆稳定系数,一般对主要一般对主要荷载组合荷载组合K01.5，在各种附加荷，在各种附加荷载组合时，载组合时，K01.11.3。e2p1e1p2p1T1T2e0ye0yN1h1h2ye0Aooe0ya)b）c)基础倾覆稳定性验算基础倾覆稳定性计算基础倾覆稳定性计算 基础在水平推力作用下沿基础底面滑动的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土之间的摩擦阻力和水平推力的比值KcKc来表示，来表示，KcKc称为抗滑动稳定系数。即称为抗滑动稳定系数。即iicTPK Kc为抗滑动稳定系数为抗滑动稳定系数必须大于规范规定的设计必须大于规范规定的设计容许值，一般根据荷载性容许值，一般根据荷载性质，质，Kc1.21.3。位于软土地基上较高的桥台需验算桥台沿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。土质斜坡上的桥台、挡土墙也有滑动的可能。a)hi 基础的沉降主要由竖向荷载作用下土层的压基础的沉降主要由竖向荷载作用下土层的压缩变形引起。沉降量过大将影响结构物的正常使缩变形引起。沉降量过大将影响结构物的正常使用和安全，应加以限制。在确定一般土质的地基用和安全，应加以限制。在确定一般土质的地基容许承载力时，已考虑这一变形的因素，所以修容许承载力时，已考虑这一变形的因素，所以修建在一般土质条件下的中、小型桥梁的基础，只建在一般土质条件下的中、小型桥梁的基础，只要满足了地基的强度要求，地基（基础）的沉降要满足了地基的强度要求，地基（基础）的沉降也就满足要求。也就满足要求。1 1修建在地质情况复杂、地层分布不均或强度较修建在地质情况复杂、地层分布不均或强度较小的软粘土地基及湿陷性黄土上的基础；小的软粘土地基及湿陷性黄土上的基础；2 2修建在非岩石地基上的拱桥、连续梁桥等超静修建在非岩石地基上的拱桥、连续梁桥等超静定结构的基础；定结构的基础；对于下列情况，则必须验算基础的沉降对于下列情况，则必须验算基础的沉降 3 3当相邻基础下地基土强度有显著不同或相邻当相邻基础下地基土强度有显著不同或相邻跨度相差悬殊而必须考虑其沉降差时；跨度相差悬殊而必须考虑其沉降差时；4 4对于跨线桥、跨线渡槽要保证桥（或槽）下对于跨线桥、跨线渡槽要保证桥（或槽）下净空高度时。净空高度时。