地基与基础工程知识分享，从设计原理到施工成型全搞定
第一章 导 论
第一节 概述
任何建筑物都建造在一定的地层上，建筑物的全部荷载都由它下面的地层来承担。受建筑物影响的那一部分地层称为地基，建筑物与地基接触的部分称为基础。桥梁上部结构为桥跨结构，而下部结构包括桥墩、桥台及其基础 。
基础工程包括建筑物的地基与基础的设计与施工。
地基：承受建筑物荷载应力与应变不能忽略的土层。（有一定深度和范围）
基础：埋入土层一定深度并将荷载传给地基的建筑物下部结构。
说到底，地基是土，基础是房子埋在土里的建筑物！
上部结构、基础、地基示意图
地基、基础分类
世界著名的比萨斜塔于1173年动工，1370年竣工，塔身高约55m，建成后因地基压缩层产生不均匀沉降，使塔的北侧下沉近1m，南侧下沉近3m，塔身倾斜约5.5°，塔顶离开铅垂线的距离已达5.27m，是我国虎丘塔的倾斜值的2.3倍。幸亏该塔使用的大理石材质优良，在塔身严重倾斜的情况下尚未出现裂缝。比萨斜塔建成后曾经数次加固，但效果甚微，每年仍下沉约1mm，倾斜尚未有加速迹象，已成为一座名副其实的危塔。
加拿大的特朗斯康谷仓建于1913年，谷仓的平面为矩形，长59.44m,宽23.47m，高度为31m，由65个圆柱形筒仓组成，采用钢筋混凝土阀板基础。设计时对地基未作勘察，不了解基底下有厚达15m左右的软粘土层，仅根据对临近建筑的调查判定地基承载力。建成后于当年9月开始均匀地向谷仓内装载谷物，至10月发现谷仓产生大量快速沉降，1小时内的垂直沉降量竟达到30.5cm，在其后的24小时内谷仓倾倒，倾倒后谷仓的西侧下沉达7.32m，东侧则抬高了1.53m，整体倾斜达尽27度。因谷仓整体性很强，筒仓本身完好无损。
加拿大特朗斯康谷仓
日本新泻地震
第二节 基础工程设计和施工所需的原始资料
桥梁的地基与基础在设计及施工开始之前，除了应掌握有关全桥的资料，包括上部结构形式、跨径、荷载、墩台结构等及国家颁发的桥梁设计和施工技术规范外，还应注意地质、水文资料的搜集和分析，重视土质和建筑材料的调查与试验。主要应掌握各项地质、水文、地形等资料，资料内容范围可根据桥梁工程规模、重要性及建桥地点工程地质、水文条件的具体情况和设计阶段确定取舍。
- 桥位（包括桥头引道）平面图及拟建上部结构及墩台形式、总体构造及有关设计资料
- 桥位工程地质勘测报告及桥位地质纵剖面图
- 地基土质调查试验报告
- 河流水文调查资料
第三节、基础工程设计计算应注意的事项
一、基础工程设计计算的原则
1．基础底面的压力小于地基的容许承载力；
2．地基及基础的变形值小于建筑物要求的沉降值；
3．地基及基础的整体稳定性有足够保证；
4．基础本身的强度满足要求。
地基与基础方案的确定主要取决于地基土层的工程性质与水文地质条件、荷载特性、上部结构的结构形式及使用要求，以及材料的供应和施工技术等因素，方案选择的原则是：力求使用上安全可靠、施工技术上简便可行和经济上合理。因此，必要时应作不同方案的比较，从中选出较为适宜与合理的设计方案和施工方案。
二、考虑地基、基础、墩台及上部结构整体作用
建筑物是一个整体，地基、基础、墩台和上部结构是共同工作且相互影响的，地基的任何变形都必定引起基础、墩台和上部结构的变形；不同类型的基础会影响上部结构的受力和工作；上部结构的力学特征也必然对基础的类型与地基的强度、变形和稳定条件提出相应的要求，同时恰当的上部结构、墩台结构型式也具有调整地基基础受力条件，改善位移情况的能力。因此，基础工程应紧密结合上部结构、墩台特性和要求进行；上部结构的设计也应充分考虑地基的特点，把整个结构物作为一个整体，考虑其整体作用和各个组成部分的共同作用。
三、基础工程极限状态设计
应用可靠度理论进行工程结构设计是当前国际上一种共同发展的趋势，是工程结构设计领域一次带有根本性的变革。可靠性分析设计又称概率极限状态设计。
可靠性含义就是指系统在规定的时间内在规定的条件下完成预定功能的概率。系统不能完成预定功能的概率即是失效概率。这种以统计分析确定的失效概率来度量系统可靠性的方法即为概率极限状态设计方法。
第四节 基础工程学科
国外在18世纪产业革命以后，城建、水利、道路建筑规模的扩大促使人们对基础工程的重视与研究，对有关问题开始寻求理论上的解答。此阶段在作为本学科的理论基础的土力学方面，如土压力理论、土的渗透理论等有局部的突破，基础工程也随着工业技术的发展而得到新的发展，如19世纪中叶利用气压沉箱法修建深水基础。本世纪20年代，基础工程有比较系统、比较完整的专著问世，1936年召开第一届国际土力学与基础工程会议后，土力学与基础工程作为一门独立的学科取得不断的发展。上世纪50年代起，现代科学新成就的渗入，使基础工程技术与理论得到更进一步的发展与充实，成为一门较成熟的独立的现代学科。
我国是一个具有悠久历史的文明古国，我国古代劳动人民在基础工程方面，也早就表现出高超的技艺和创造才能，许多宏伟壮丽的中国古代建筑逾千百年仍留存至今安然无恙的事实就充分说明了这一点。例如，远在1300多年前隋朝时所修建的赵州安济石拱桥，不仅在建筑结构上有独特的技艺，而且在地基基础的处理上也非常合理，该桥桥台座落在较浅的密实粗砂土层上，沉降很小，现反算其基底压力约为500kPa～600kPa，与现行的各设计规范中所采用的该土层容许承载力的数值（550kPa）极为接近。在当时就能如此充分利用天然地基的承载力，真令人赞叹不已。在桩基础和地基加固方面，我国自古已有广泛运用，具有悠久的历史。
中国古代案例－：赵州桥
中国古代案例二：河姆渡木桩
圣母殿
第二章 天然地基上的浅基础
第一节 天然地基上浅基础的类型、构造和适用条件
刚性基础和柔性基础的概念
刚性基础的概念
基础在外力（包括基础自重）作用下，基底的地基反力为σ，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。
刚性基础的特点
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。
柔性基础的概念
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
柔性基础的特点
形式：柱下扩展基础、条形和十字形基础筏板及箱形基础。
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。
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。
刚性扩大基础
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，这种刚性基础称刚性扩大基础。它是桥涵及其它建筑物常用的基础形式，平面形状常为矩形。每边扩大的尺寸最小为0.20m～0.50m，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amax，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
单独基础
砼与片石砼基础：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：占体积20~30%，尺寸≤300mm 。
条形基础
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。
条形基础
联合基础
联合基础——柱下十字交叉基础
联合基础——筏形基础（板式与梁板式）
联合基础-箱型基础
第二节 刚性扩大基础施工
施工一般要求：
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0.5m～1.0m，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。
一、旱地上基坑开挖及围护
（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
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。
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。
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6m～12m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3cm～8cm；如有少量渗水，厚度为5cm～10cm；对稳定性较差的土，如淤泥、粉砂等，如无渗水，厚度为10cm～15cm；如有少量渗水，厚度为15cm；当有大量渗水时，厚度为15cm～20cm。
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15cm～30cm，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15m～20m，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1m～1.5m。
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
二、基坑排水
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。
常用方法：表面排水法井点法降低地下水位
（一）表面排水法
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。
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 。
三、水中开挖基坑时的围堰工程
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。
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”。
钢板桩围堰挡水
（三）双壁钢围堰
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1.2m～1.4m，这就使围堰刚度很大，围堰内无需设支撑系统。
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”。
双壁围堰钻孔基础
第五节 刚性扩大基础的设计与计算
- l基础埋置深度的确定
- l刚性扩大基础尺寸的拟定
- l地基承载力验算
- l基底合力偏心距验算
- l基础稳定性和地基稳定性验算
- l基础沉降验算
一、基础埋置深度的确定
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定所需的最小埋深和施工技术条件、造价等因素。
1、地基的地质条件
岩石地基: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。在陡峭山坡上修建桥台时，还应注意岩体的稳定性。
非岩石地基: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，应通过较详细计算或方案比较后确定。
二、刚性扩大基础尺寸的拟定
- l基础厚度
- l基础平面尺寸
- l基础剖面尺寸
刚性扩大基础立面、平面图
基础厚度
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。
基础平面尺寸
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。基础底面长宽尺寸与高度有如下的关系式
三、地基承载力验算
- l持力层强度验算
- l软弱下卧层承载力验算
持力层强度验算
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超过持力层的地基容许承载力。基底应力分布公式如下 (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) 。
软弱下卧层承载力验算
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，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（在基底形心轴下）的应力（包括自重应力及附加力），不得大于该处地基土的容许承载力。即:
四、基础沉降验算
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）的沉降也就满足要求。
对于下列情况，则必须验算基础的沉降
1．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；
2．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；
3．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；
4．对于跨线桥、跨线渡槽要保证桥（或槽）下净空高度时。
五、基础稳定性和地基稳定性验算
基础倾覆稳定性验算
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，如下图所示，因此，在设计时，可以用限制合力偏心距e0来保证基础的倾覆稳定性。
K0为抗倾覆稳定系数,一般对主要荷载组合K0≥1.5，在各种附加荷载组合时，K0≥1.1～1.3。
基础滑动稳定性验算
地基稳定性验算
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；在较陡的土质斜坡上的桥台、挡土墙也有滑动的可能。
基础抗倾覆措施
下一章 桩基础 别走开，下篇更精彩！
标签： 呈
