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，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（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； 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