刚性扩大基础设计

设计原则:

非岩石地基 :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 e0 应分别不 大于基底核心半径的0.1倍（桥墩）和0.75倍（桥 台）；当墩、台受荷载标准值组合时，一般只要 求基底偏心距e0不超过核心半径即可。

岩石地基:可以允许出现拉应力，根据岩石的 强 度 ， 合 力 偏 心 距 e0 最 大 可 为 基 底 核 心 半 径 的 1.2～1.5倍，以保证必要的安全储备。
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。
河流的冲刷深度
基础滑动稳定性验算
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，可用基底与土 之间的摩擦阻力和水平推力的比值 Kc 来表示， Kc 称为抗滑动稳定系数。即
Kc
Pi H ip
H ia
Kc——为抗滑动稳定系数，必须大于规范规定的设计 容许值，一般根据荷载性质，Kc≥1.2～1.3。
pZ 1 (h z) ( p 2h) R [ f a ]
h
σ
γ 2h p0=σ -γ h
2
附加应力线
z
A
α P0 γ 1(h+z） 土自重 应力线 软弱下卧层
四、基底合力偏心距验算
目的:
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 均匀沉降，墩、台发生倾斜，影响正常使用 。
基底应力分布图
N M e0 N
b
σ
σ
min
σ σ
max
max
σ
b' N K
max
五、基础稳定性和地基稳定性验算
基础倾覆稳定性验算
基础稳定性验算
基础滑动稳定性验算
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。
沉井基础
h3
1.0
h2
［σ 0］=250kPa
h1
桩基础
a)
b)
c)
二、刚性扩大基础尺寸的拟定
基础厚度 基础平面尺寸 基础剖面尺寸
c2 a
h
c1 αa a
H
a/2
a)
l/2
d b
刚性扩大基础立面、平面图
b)
t3 t2 t1
α
H
a
h
c1
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：
长度(横桥向) 宽度(顺桥向)
a l 2 H tan b d 2 H tan
三、地基承载力验算 持力层强度验算 软弱下卧层承载力验算

9.2 刚性扩大基础的设计与计算
设计与计算的主要内容： 基础埋置深度的确定 刚性扩大基础尺寸的拟定 地基承载力验算 基底合力偏心距验算 基础稳定性和地基稳定性验算 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。
容许承载力适当折减。
h
s l
b
D
D
l
b
αBiblioteka Baidu
α
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。
h
保证持力层稳定所需的最小埋置深度
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 般地表土不宜作为持力层.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 然地面或无冲刷河底以下不小于1m。 在确定基础埋置深度时，还应考虑相邻建筑物的影 响。
现举一简例来说明如何较合理地确定基础埋 置深度和选择持力层。
11.0 常水位 9.0 河底 8.0 7.0 一般冲刷线 最大冲刷线
(Ⅰ)硬塑亚粘土
(Ⅱ)软粘土 ［σ 0］=100kPa (Ⅲ)硬塑粘土 ［σ 0］=300kPa
-1.0
-5.0 (Ⅰ)硬塑亚粘土 ［σ 0］=250kPa
刚性扩大基础
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 的复杂性和重要性，参照下表采用。
冲刷总深度(m) 最小埋置深度(m) 桥梁类型 一 般 桥 梁
0
<3
≥3
≥8
≥15
≥2 0 3.5 4.0
1.0 1.5
1.5 2.0
2.0 2.5
2.5 3.0
3.0 3.5
技术复杂修复困难的特大桥及其它重 要大桥
地基土的沉降可根据土的压缩特性指标按 《公桥基规》的单向应力分层总和法（用沉降 计算经验系数ms修正）计算。对于公路桥梁， 基础上结构重力和土重力作用对沉降是主要的， 汽车等活载作用时间短暂，对沉降影响小，所 以在沉降计算中不予考虑。
在设计时，为了防止由于偏心荷载使同一基础两侧 产生较大的不均匀沉降，而导致结构物倾斜和造成墩、 台顶面发生过大的水平位移等后果。对于较低的墩、台 可用限制基础上合力偏心距的方法来解决；对于结构物 较高，土质又较差或上部为超静定结构物时，则须验算 基础的倾斜，从而保证建筑物顶面的水平位移控制在容 许范围以内。
l tan 0 []
当地的冻结深度
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 冻结线以下一定深度。 《公桥基规》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小于0.25m； 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，有些类别的冻土经计算后 也可将基底置于最大冻结线以上。
h1
h2
刚性扩大基础
沉井基础
h3
桩基础
a)
b)
基础埋深的不同方案 基础埋深的不同方案
c)
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。
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。
h
i
a)
α
α
基础抗倾覆措施
α
六、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。
冲刷的基本概念: 洪水冲刷后，整个河床面要下降，这叫一般冲刷. 被冲下去的深度叫一般冲刷深度. 同时由于桥墩的阻水作用，使洪水在桥墩四周冲 出一个深坑，这叫局部冲刷.
原河床面 一般冲刷 局部冲刷
河流的冲刷作用
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 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1m。特别是在山区和 丘陵地区的河流，更应注意考虑季节性洪 水的冲刷作用。
p1 p1
y K0 e0
e1
p2
e2
T1
y
T2
h1
Ⅰ
e0
A
o
Pi ei Ti hi e0 Pi
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≥1.2～1.5。
N1 e0 y
h2
b）
Ⅰ
e0 y
Ⅰ
y
e0
o
a)
c)
基础倾覆稳定性计算
基础倾覆稳定性验算
上部结构型式
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 构即使基础发生较小的不均匀沉降也会使内力 产生一定变化。
当地的地形条件
当墩台、挡土墙等结
构位于较陡的土坡上， 在确定基础埋深时， 还应考虑土坡连同结 构物基础一起滑动的 稳定性。
当地基为倾斜土坡时，应结合实际情况，对地基
基底应力分布图
偏心竖直力作用在任意点
讨论:
对于曲线桥，计算基底应力时，应按下式计算：
p max
min
N Mx My γR [ f a ] A Wx Wy
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，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 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:
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) 。
p max
min
N M γR [ f a ] A W
σ σ σ σ σ