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1、铁路桥涵地基和基础设计 规范学习笔记,一、天然地基的承载力 二、挖井基础 三、双向受力作用下（即：有纵、横向弯 矩时）矩形、圆形、圆端形基础最大 应力 计算 四、桩基础设计 五、小结,一、天然地基的承载力,（一）、地基的破坏形态 1、完全剪切破坏,基础埋深较浅，基底压力达到一定荷载时基底两端达到极限平衡并开始产生朔性变性。当基底压力继续增加达到Pk时，地基破坏剪切面与地面连通，形成一个滑动面，地基土沿此面从基底一侧或两侧大量挤出，整个地基失去稳定，这样的破坏称为完全剪切破坏。 饱和的粘土地基上的浅基础，极易出现完全剪切破坏，事例国内外均有出现。,2、局部剪切破坏,同上，当基底压力继续增加达到P
2、k时，地基破坏剪切面延伸到一定位置，而没有与地面连通。地基两侧土没有挤出现象，地表仅有微量上升。当基底压力继续增加超过Pk时，剪切面仍然不会延伸到地面，其结果是弹塑性变性不断向周围及深层发展。这样的破坏称为局部剪切破坏。,基础埋深较大时，无论是砂性土或粘性土地基，最常见的破坏形态是局部剪切破坏。当发生局部剪切破坏时，地基的变形是很大的，而且随着基础埋深的增加，相对沉降量也相应提高。,3、冲切破坏 当地基为松软土时，随着荷载的增加，基础下面的土逐步被压密，基础也随之切入土中，称为冲切破坏。软土地基极易出现，民用建筑出现过2楼变1楼的情况。,（二）、天然地基的承载力,根据完全剪切破坏的形态，设基础
3、宽度b，埋深H，假定地基为刚塑体，以基底水平面作为半无限体的界面，破坏的形态作如下简化。,假定地基滑动面通过基底边点B呈折线BCD。基础下三角形ABC范围内的土体受到Pk的挤压作用向左侧滑动，土体处于主动极限平衡状态。左侧三角形ACD范围内的土体，受到ABC土体的挤压顺着滑面CD向上挤出，土体处于被动极限平衡状态。其中AC铅垂面是主、被动的分界面。当地基处于极限平衡时，两侧的推力相等，据此可求出Pk。计算的过程很复杂，结果如下：,式中,是随内摩擦角而变化的无量纲系数。公式可以看出Pk与基础的宽度及埋深有关，且随基础的宽度及埋深增加而增加，也就是所谓的宽深修正。,式中,2、地基的容许承载力 在设
4、计中并不直接采用地基的极限承载力，而采用容许承载力，它等于极限承载力除以大于1的安全系数（一般为2.5以上）。根据试验资料，不断简化、修正，桥规采用简单实用的经验公式。,经验公式与理论公式很相似，都由三项组成，而且第二项含有 ，第三项含有 。说明经验公式中每一项都有一定的力学意义。,式中的 针对基底以下持力层土（宽度b方向）； 针对基底以上的土（深度H方向）。,（三）、岩石地基的容许承载力问题,岩石地基从硬到软分四级，尽管规范4.1.2条提供了基本承载力，但基本上是采用地质专业提供的数值。地质专业提供的基本承载力一般偏于保守，又由于岩石地基承载力修正问题规范不太明确。因而设计取值上标准不统一，
5、基础设计偏于保守，造成不必要的浪费。岩石是非常复杂的物质，其结构状况对其力学特性有极大的影响，其破坏机理也没有完全搞清楚。,1、岩石的基本承载力,一般按饱和单轴极限抗压强度R除以安全系数k得到，即：,k值根据岩石的节理发育程度而定。如下表,规范4.1.2条的岩石的基本承载力表就是由此得出的。因此，设计时应要求地质专业提供单轴极限抗压强度R值，并根据k值计算，检查取值是否合理。,2、硬质岩承载力修正问题 硬质岩基本承载力 取值一般很高，不控制设计，加之其破坏形态也没有搞清楚。故不考虑修正是可行的，容许承载力即为基本承载力 。,3、软质岩承载力修正问题 软质岩（包括极软岩）基本承载力 取值往往很低
6、，一般控制设计。容许承载力修正问题观点不一，主流的观点认为软质岩，如泥岩、砂岩、片岩的节理发育的岩石，其破坏形态仍为完全剪切破坏。根据有关文献资料以及相关试验表明软质岩（包括极软岩）容许承载力较基本承载力 有大幅度的提高。,（1）大桥局在汉阳对红砂岩进行的试验，当h/d=1时，容许承载力为（1.21.5） 。 （2）日本“国铁规范”基础埋入岩石中深度超过60cm时，每超过30cm其容许承载力增加20%，但不能超过 的2倍。 （ 3）英国“土木工程师协会实用规范N04”基础埋深每增加1m，其容许承载力增加20%，直到地基承载力 的2倍为止。 （ 4）“地基极限承载力标准值制报告”（规范修订附件）
7、，明确岩石地基可以考虑宽深修正。 （5）“岩石地基承载力的合理确定”（铁道工程学报 1994.3）提出软质岩石地基可以考虑宽深修正，具体按规范4.1.3条的规定进行。,根据以上研究结论，建议软质岩石地基可以考虑宽深修正，具体按规范4.1.3条的规定进行，但容许承载力不应超过,的2倍。,二、挖井基础 （一）、一般规定 1、当基础需要埋深较深，且无地下水，地基承载力较好，施工条件适宜时， 可选用挖井。 2、挖井基础深度应控制在15m以内。基础形式宜采用圆形、圆端形截面，当 截面尺寸不大时也可以选用矩形。 3、挖井基础施工时，应设护壁，可采用钢筋混凝土或钢箱结构，钢筋混凝土 护壁厚度不应小于30cm
8、。必要时设井内纵、横向井壁顶撑。 4、挖井基础应人工配合小型机械垂直开挖，护壁及时跟进。不得采用大型挖 掘机放坡开挖。 5、地形陡峻的山区，挖井施工前应做好井口以外的边坡防护，确保周边岸坡 稳定。挖井施工时井口应有专人看守防护，确保井内施工作业人员的安全。 6、加强防排水措施，挖井施工作业平台周边应设必要的排水沟，以防止周围 雨水汇入井内。 7、挖井混凝土灌注时不得设基础模板，应满灌基础，护壁可不拆除。,（二）、挖井计算 1、挖井基础底面处土的容许承载力，应按本规范第4章确定。 2、垂直开挖施工的挖井，当井孔周围一定范围的土体未被扰动，为原状土 时，可考虑土的弹性抗力，按本规范附录D计算，井壁
9、可考虑摩阻力。 3、挖井基础容许承载力计算时，井壁摩阻力可按本规范表6.2.2-5数值的1/2 取值。 4、挖井基础的沉降检算，应按本规范第3.2节和第5.2节的规定办理。 5、挖井基础的基底偏心距检算，可不计井壁的摩阻力。,三、双向受力作用下（即：有纵、横向弯矩时）矩形、圆形、圆端形基础最大应力计算,1、矩形截面,最大、最小应力在矩形的角点上，如B点。,偏心计算，合成偏心,注：Mx及My为应力方向上的弯矩，未按右手螺旋法则规定。 核心距,或,斜偏心时的核心距，可采用做图法。,或,2、圆形截面,最大应力在DB圆弧段上。对上式求导，并令,得：,求出,，带入上式，即可得到,。,可以证明,与上式相等
10、，也可以证明最大应力点在合成偏心线上，即A点上。,核心距,即,3、圆端形截面 最大应力不在A点或B点上，而在DB圆弧段上。,令：,得：,求出 ，带入上式，即可得到 。 偏心计算，合成偏心 核心距计算很复杂，可按下式检算。,4、考虑弹性抗力的挖井基础计算方法同上。基本公式,四、桩基础设计,（一）、单桩容许承载力,土内桩的承载力是通过桩侧的土的摩阻力与桩底处的支撑阻力平衡。桩受载后，桩下沉，桩周土与桩出现相对位移，产生土对桩的表面摩阻力，实际上就是土沿桩身的极限抗剪强度。桩与土之间的抗剪强度的大小，与相对位移有关，当位移达到最大时，剪切阻力不再增加，摩阻力达到极限值。 根据理论分析，桩侧摩阻力与，
11、（1）桩周土的抗剪强度（粘土时还有粘聚力），（2）相对位移及桩身表面的法向应力等有关。另外，相对位移及桩身表面的法向应力与桩的沿程深度的不同而不同。问题很复杂，无法获得实用的计算方法。,最有效的方法，采取静载试验，根据静载资料，通过数理统计的方法获得桩侧极限摩阻力及桩底的支撑力来计算单桩容许承载力。因此，规范的公式是一个半经验半理论的公式。,对于嵌入岩层的桩（柱桩），,第一项相当于桩底的支撑力，第二项相当于桩嵌入岩层h范围内的桩身侧摩阻力。没有计上部土层的摩阻力，是认为桩底岩层强度大，不易产生压缩变形，位移小，摩阻力无法发挥，故不计。实际上是不合理的，即使岩层变形小，桩身（混凝土）也有压缩变形
12、。根据试验资料，桩周摩阻力的发挥，其变形69mm（即变形不需要很大桩周摩阻力就能发挥）。另外，实测资料表明，在设计荷载作用下，桩周摩阻力所占比例不小，长桩更是如此。故规范的柱桩单桩容许承载力公式，是比较保守的。,（二）桩基的受力状态 1、假定桩头与承台刚性嵌固，且承台相对于桩也是刚性的。 2、考虑土对桩身的弹性抗力作用，假定单位面积上的抗力，,弹性抗力系数，随深度成比例增大，,这就是所谓的“m”法。据此推导出各桩头的反力。,（三）桩在土中的状态,嵌入岩层的桩 土中的桩,可以看出两者是不同的。对于嵌岩桩，在设计中曾出现过，利用程序计算时，嵌入岩层越深，反而刚度越小，这显然是错误的。其原因是将岩面
13、以上长度与总桩长取值相同，实际上是人为将岩面降低了。计算时输入数据要注意。,（四）单桩竖向反力的简化计算方法 由于承台是刚性的，承台的前移和转动（桩的弯曲）主要由水平力产生。对于承台埋入地面内的桩基础（承台周边回填土夯填很密实），基础的水平力由于承台侧面土的弹性抗力抵消了很大部分，因而桩的水平位移和弯曲很小，可假定桩仅有竖向变形；对于高桩承台（或承台不计弹性抗力）的桩基，由于基础的水平力相对于竖向力和弯矩在数值上相差很远，当忽略时。则桩也仅有竖向变形，故计算方法很简单，如下：,尽管简化计算方法在理论上是不严密的，但有其实用价值。当然桩身的弯矩还需采用理论方法进行分析计算。,按上式计算的桩头反力
14、与精确计算误差不会太大。,（五）钻孔灌注桩软质岩桩周极限摩阻力的取值,目前，对于泥岩、砂岩、片岩等软质岩，当 600kPa时，按柱桩 设计是可行的。设计时应要求地质专业提供单轴极限抗压强度R值。不 得已，软质岩，按R=（67） 计算。而对于硬质岩R=（1015） 计算。 当 600kPa时的软质岩，按摩擦桩设计基本上也合理可行。桩周 极限摩阻力的取值规范没有明确，设计者在取值上无章可循，往往取值 偏低，太过保守。造成桩基设计普遍不合理，一来造成不必要的浪费， 而且也极大增加了施工难度。,关于泥岩、砂岩、片岩等软质岩桩周极限摩阻力的取值问题，可参考规范柱桩容许承载力公式（6.2.2-4）第二项进
15、行反算，如下：,为安全计，,C2=0.03,如泥岩夹砂岩,=400kPa,=144 kPa,该值与,=400kPa的角砾土（中密）的高值相当。,=2400 kPa,实际上岩石（包括风化层）其密实度较非岩石相比是相当高的，因而桩周极限摩阻力也不可能低于土，故按上式计算取值应是合理的。因此，建议泥岩、砂岩、片岩等软质岩桩周极限摩阻力取下表数值。,钻孔灌注桩软质岩桩周极限摩阻力fi（kPa）,对于风化层很厚的软质岩，若新鲜岩层 600kPa，按柱桩设计时，如果桩太长（设计不合理），此时可按摩擦桩设计（将桩置于风化层内）。桩周极限摩阻力取相应土的高值（密实）。总之，风化的岩也是岩石，其与土的区别在于密
16、实度上。毫无疑问，土越密实，其极限摩阻力就越大。,（六）、桩基础当作实体基础进行检算问题,规范第6.2.6条，“桩基础还应按本规范附录E当作实体基础进行检算”。,实际是针对摩擦桩。由于摩擦桩主要依靠表明摩擦将外荷载传递给土体，故桩底的应力分布要扩散。因此，群桩中各桩传递的应力相互重叠，致使群桩桩底土层受力比单桩大，影响范围深。 因此，假定群桩范围内的土（虚线围成的面积）如同刚性的整体基础，把荷载传递到桩底处的地基上。,A和W按虚线围成的截面计算。 N竖向力，包括虚线围成的土重。,既然将桩基础假定为整体基础，如同沉井（或挖井）那样，就应该考虑周边土的弹性抗力作用，故上述计算办法不尽合理，是非常保守的。对于柱桩，由于仅考虑桩底支撑作用，桩底的应力分布扩散范围很小，群桩中各桩基本不重叠（或重叠范围很小），按上式计算就更不合理。 对于软弱地基中的桩基础，群桩土体可
