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1、第2章 刚性基础与扩展基础,主讲教师:程晔,南京航空航天大学土木工程,南京长江三桥,刚性基础与扩展基础,2-1 概述 2-2 基础埋置深度的选择 2-3 地基承载力 2-4 刚性基础与扩展基础的设计计算,2-1 概述,2-1-1 刚性基础的构造要求 2-1-2 钢筋混凝土扩展基础的构造要求,2-1-1 刚性基础的构造要求,1、宽高比的要求 2、砌筑材料的要求,刚性基础修筑材料(石料、砼等)的特点:抗压强度较大,而抗弯、抗剪强度较低。 破坏型式:在靠近柱、墙边或断面高度突然变化的台阶边缘处容易弯曲破坏或剪切破坏。 构造措施:限制基础每个台阶的宽度与高度之比。 限制压力分布角的大小,使其不超过刚性
2、角max , 即 max,压力分布角(扩散角) :墩台(柱、墙)底面边缘与基础底面边缘的连线与竖直面之间夹角称为压力分布角。 max刚性角(最大扩散角) :基础材料不发生拉裂时,所容许的最大压力分布角。,扩散角的由来,1、基础本身传力方式 2、基础外部受力,1、基础本身的传力方式,均布荷载在圬工砌体中的压力分布近似梯形底边长a+21.57h; 用面积相同的矩形代替梯形,矩形的长度为a+20.785h; 此时对应的扩散角为38; 可以认为:大于38 的部分不起传力作用。 砼圬工可采用略大的扩散角4045,因为砼扩散能力比块石好。,2、基础外部受力,当压力经过圬工传到地基时,根据文克勒假定,地基沉
3、降与应力成正比。 以基础的悬挑部分,作为一悬臂梁,承受地基反力产生的弯矩和剪力。,材力 梁的应力分布 弹力 深梁内应力分布 悬臂梁悬臂长度符合规定的扩散角,弯曲应力和剪应力都可得到满足。,桥梁规范中刚性角要求: 砼: max 4045 片石、块石:,5号以下砂浆砌筑时, max 30 5号以上砂浆砌筑时, max 35,工民建规范要求 无筋扩展基础台阶宽高比的允许值,(二)尺寸拟定,刚性基础的尺寸,基础的底面尺寸(平面尺寸) 基础的剖面尺寸(立面、断面、垂直面),1)基础的平面尺寸,一般基础平面型式与桥梁墩身、台身、台底的平面形状相似,常作成长方形(方形)。 平面尺寸的决定与土的承载力、荷载的
4、大小有关系。,a)根据构造要求 (决定基础最小平面尺寸),最小宽度:bi1=b0+2Ci 最小长度:ai1=a0+2Ci 襟边Ci的作用: 1.在基础施工和定位时都可能有误差,此时襟边可以调正; 2.保护基顶免于应力集中造成破坏; 3.制作圢身、台身时,可起支模支承点作用; 4.能扩大基底面积。 房屋:一般取515cm 桥梁墩台:一般取2050cm,b)根据基础刚度决定最大平面尺寸,由最大刚性角来控制: 最大宽度:bi2=b0+2H tgmax 最大长度:ai2=a0+ 2H tgmax,当 大时,可用小值( bi1 , ai1 ),即不需要扩大基底面积,只要满足构造要求就可以了。 当 小时,
5、可用大值( bi2 , ai2 ),可做n阶t=12m; 当 不大不小时,可用中间值。,2)基础的剖面形式,台阶高度t: 大桥取 1.02.0m 小桥取 0.5m,3)注意事项,基础顶面的要求:水中基础顶面一般不高于最低水位。 剖面形式:一般采用对称形式,偏心荷载较大时,为使基础均匀沉降,可采用非对称形式。 地基强度低,按刚性角设计扩大底面积不满足要求时: a )可加深基础埋深,扩大底面积; 但同时导致砌体自重增加,增加对基底压力,可能收不到预期效果。 b)改用其它基础型式,砌筑材料的要求,1、砖和砂浆 强度等级根据地基土的潮湿程度和地区的严寒程度不同而不同。 2、石料 要选用质地坚硬、不易风
6、化的岩石,石块的最小厚度不宜不于150mm。 基础用砖、石材及砂浆最低强度等级,3、混凝土 强度等级一般常采用C10C15。 4、灰土 一般采用3:7,即3份石灰粉和7份粘性土(体积比)。 5、三合土(碎砖三合土) 一般由消石灰、砂浆或粘性土和碎砖组成,其体积比 为1:2:4或1:3:6。 所用碎砖,其粒径为2030mm,不得夹杂物。 砂或粘性土中不得有草根、贝壳等有机物。,刚性基础的优、缺点及应用范围,优点:稳定性好,施工简便。 缺点:用料多,自重大。 应用范围:适于6层和6层以下的民用建筑和砌体承重的厂房以荷载小的桥梁基础。,2-1-2 钢筋混凝土扩展基础的 构造要求,1、锥形基础的边缘高
7、度,不宜小于200mm;阶梯形基础的每阶高度,宜为300500mm; 2、垫层的厚度不宜小于70mm;垫层混凝土强度等级应为C10; 3、底板的受力钢筋的最小直径不宜小于10mm;间距不宜大于200mm,也不宜小于100mm。当有垫层时钢筋保护层厚度不小于40mm,无垫层时不小于70mm。 4、混凝土强度等级不应低于C20。,墙下钢筋混凝土条形基础的其他构造要求: 1、纵向分布钢筋的直径不小于8mm; 2、纵向分布钢筋的间距不大于300mm; 3、每延米分布钢筋的面积应不小于受力钢筋面积的1/10。,墙下钢筋混凝土扩展基础 (a)无肋的;(b)有肋的,(c)杯口型,柱下钢筋混凝土独立扩展基础类
8、型,(b)锥台型;,(a)台阶型;,采用现浇柱的(a)、(b)类构造要求: 1、插筋的数量、直径以及钢筋种类应与柱内纵向受力钢筋相同; 2、插筋的锚固长度满足要求; 3、插筋与柱的纵向受力钢筋连接方法符合混凝土结构设计规范的要求; 4、插筋的下端宜作成直钩放在基础底板钢筋网上。符合一定条件时,可只将柱四角的插筋伸至底板钢筋网上,其余插筋锚固在基础顶面下满足锚固长度要求。,柱下钢筋混凝土扩展基础的 其它构造要求,杯口型的构造要求: 1、柱的插入深度; 2、杯底厚度和杯壁厚度;,2-2 基础埋置深度的选择,2-2-1 建筑结构条件 2-2-2 场地环境条件 2-2-3 工程地质条件 2-2-4 水
9、文地质条件 2-2-5 地基冻融条件,基础的埋置深度:一般指基础底面到室外设计地面的距离。 选择合适埋置深度,满足承载力、变形及稳定性要求。 综合考虑多种因素(标题内容)。,确定基础埋深的原则:在保证安全可靠的前提下,尽量浅埋。 但不应浅于0.5m,因为地表土一般较松软,易受雨水及外界影响,不宜作为地基的持力层。 基础顶面距设计地面的距离宜大于0.1m,尽量避免基础外露,遭受外界的侵蚀及破坏。,2-2-1 建筑结构条件,建筑结构条件包括建筑物的用途、类型、规模与性质。 确定基础埋深时,首先考虑建筑物在使用功能和用途方面的要求。,两基础间的净距与底面间的标高差应满足一定要求,否则应按埋深大的基础
10、统一考虑。 高层的电梯处,自地面向下需要有至少1.4m电梯缓冲坑,该处基础埋深需要局部加大。 管道一般不可以在基础底面下,基础需局部加深。 建筑物各部分使用要求不同,对应各部分基础埋深不同,应将基础做成台阶形逐步过渡。,相邻基础的埋深要求,阶形过渡基础,结构形式对基础埋深要求,上部结构形式不同,对竖向位移的适应能力不同。 静定结构,中、小跨度的简支梁,对确定基础埋置深度影响不大。 超静定结构的基础不均匀沉降会使结构构件内力产生明显变化。基础需埋置于较深的坚实土层上。,建筑物类型对基础埋深的要求,土质地基上的高层建筑,为满足稳定性要求,基础埋深应随建筑物高度适当增大。 1、抗震设防区,箱形和筏形
11、基础埋置深度不小于建筑物高度的1/15; 2、桩箱或桩筏基础埋置深度(不计桩长)不宜小于建筑物高度的1/181/20。 岩石地基上的高层建筑,基础埋深应满足抗滑要求。,受上拔力的基础,如输电塔,要求有较大的埋深以满足抗拔要求。 高耸结构,如烟囱、水塔,基础埋深要求满足抗倾覆稳定性的要求。,2-2-2 场地环境条件,1)在靠近原有建筑物修建新基础的要求 2)土坡坡顶的建筑基础埋深要求,1)在靠近原有建筑物修建新基础的要求,在靠近原有建筑物修建新基础时,如基坑深度超过原有基础的埋深,可能引起原有基础下沉或倾斜。 新基础的埋深不宜超过原有基础的底面。 否则新旧基础间应满足一定净距和基底标高差的要求(
12、与同一结构的相邻基础要求相同)。,2)土坡坡顶的建筑基础埋深要求,无法满 足上述两式时,应进行地基稳定性验算。,矩形基础,靠近土坡边缘的基础与土坡边缘应具有一定距离。 b 3m时,a要满足以下要求,且 2.5m。,条形基础,2-2-3 工程地质条件,直接支承基础的土层称为持力层。 持力层以下的各土层称为下卧层。 基础应尽可能埋置在良好的持力层上。 当地基受力层(或沉降计算深度)范围内存在软弱下卧层,软弱下卧层的承载力和地基变形也应满足要求。,基底面积较大 而埋深较浅,上层土的承载力 低于下层土时,取上层土 为持力层,方案比较,取下层土 为持力层,基底面积较小 而埋深较大,基础埋置于风化软质岩层
13、上,基坑开挖后立即铺垫层,以免岩层表面暴露时间过长而被风化,以及浸水软化。 避免将基础一部分置于基岩上,一部分置于土层中,防止不均匀沉降。,2-2-4 水文地质条件,选择基础埋深应注意地下水的埋藏条件和动态及地表水的情况。 相应的工程问题: 涌土、 流砂、 地下水浮力引起基础底板内力变化 河流冲刷掏空基底土层等,当有地下水存在时,基础底面应尽量埋置在地下水位以上。,基坑下埋藏有承压含水层的情况,对埋藏有承压含水层的地基,控制基坑开挖的深度, 使u ,宜取u/ 0.7 u-承压含水层顶部的静水压力,u=wh ; -坑底土产生的总覆盖压力,=izi ; h-由最高承压水位确定; i-各层土的重度;
14、 zi-各履盖层厚度。,桥梁工程基础埋深考虑地表流水的冲刷作用, 基础应设计在最大冲刷线以下一定深度。,2-2-5 地基冻融条件,冻土:当地基土的温度处于负温时,其中含有冰的各种土。 季节性冻土,土体出现冻胀和融沉。,建筑物开裂、倾斜甚至倒塌。 路面破坏,冻胀 融沉,季节性冻土地基的设计冻深 zd设计冻深; z0标准冻深。 zs土的类别对冻深的影响系数; zw土的冻胀性对冻深的影响系数; ze环境对冻深的影响系数,对于埋置于可冻胀土中基础,其最小埋深可按下式确定: zd-季节性冻土地基的设计冻深; hmax-基础底面下允许残留冻土层的最大厚度;,2-3 地基承载力,地基承载力是指地基土单位面积
15、上承受荷载的能力。 地基规范要求: pk fa pkmax 1.2 fa pk -相应于荷载效应标准组合时,基础底面处的平均压力值 ; pkmax -相应于荷载效应标准组合时,基础底面边缘的最大压力值 ; fa -修正后的地基承载力特征值 。 公路桥涵地基与基础设计规范要求: max max -基底最大压力; -地基土修正后的容许承载力。,地基承载力的确定方法: 按土的抗剪强度指标以理论公式计算; 按地基载荷试验或触探试验确定; 按有关规范提供的承载力或经验公式确定。,2-3-1 按土的抗剪强度指标确定,按土的抗剪强度指标确定地基承载力fa可采用极限承载力pu除以安全系数K(一般取23)。 pu计算采用太沙基、汉森、魏锡克等人的极限承载力计算公式。 根据影响承载力的各种因素对上式进行修正,如基础底面的形状、偏心和倾斜荷载、基础两侧覆盖层的抗剪强度、基底和地面倾斜、土的压缩性影响等。,2-3-2 按地基载荷载试验确定,(a)陡降型;,根据载荷试验的p-s曲线来确定地基承载力特征值。,(b)缓变型,“陡降型”破坏密实砂土、较硬的粘性土 一般取比例界限荷载p1(曲线起始直线段的终点处荷载)为承载力特征值 ; 当pu2p1时,取pu/2为承载力特征值 。,“缓变型”破坏松砂、较软的粘性土 承压板面积为0.250.5m2 ,取s=0.010.015b(b为承压板的宽度)对应的荷载为承载力