第一節 概述

任何建築物都建造在一定的地層上，建築物的全部荷載都由它下面的地層來承擔。受建築物影響的那一部分地層稱為地基，建築物與地基接觸的部分稱為基礎。橋梁上部結構為橋跨結構，而下部結構包括橋墩、橋台及其基礎 。

基礎工程包括建築物的地基與基礎的設計與施工。

地基：承受建築物荷載應力與應變不能忽略的土層。（有一定深度和範圍）

基礎：埋入土層一定深度并将荷載傳給地基的建築物下部結構。

說到底，地基是土，基礎是房子埋在土裡的建築物！

上部結構、基礎、地基示意圖

地基、基礎分類

世界著名的比薩斜塔于1173年動工，1370年竣工，塔身高約55m，建成後因地基壓縮層産生不均勻沉降，使塔的北側下沉近1m，南側下沉近3m，塔身傾斜約5.5°，塔頂離開鉛垂線的距離已達5.27m，是我國虎丘塔的傾斜值的2.3倍。幸虧該塔使用的大理石材質優良，在塔身嚴重傾斜的情況下尚未出現裂縫。比薩斜塔建成後曾經數次加固，但效果甚微，每年仍下沉約1mm，傾斜尚未有加速迹象，已成為一座名副其實的危塔。

加拿大的特朗斯康谷倉建于1913年，谷倉的平面為矩形，長59.44m,寬23.47m，高度為31m，由65個圓柱形筒倉組成，采用鋼筋混凝土閥闆基礎。設計時對地基未作勘察，不了解基底下有厚達15m左右的軟粘土層，僅根據對臨近建築的調查判定地基承載力。建成後于當年9月開始均勻地向谷倉内裝載谷物，至10月發現谷倉産生大量快速沉降，1小時内的垂直沉降量竟達到30.5cm，在其後的24小時内谷倉傾倒，傾倒後谷倉的西側下沉達7.32m，東側則擡高了1.53m，整體傾斜達盡27度。因谷倉整體性很強，筒倉本身完好無損。

加拿大特朗斯康谷倉

日本新瀉地震

第二節 基礎工程設計和施工所需的原始資料

橋梁的地基與基礎在設計及施工開始之前，除了應掌握有關全橋的資料，包括上部結構形式、跨徑、荷載、墩台結構等及國家頒發的橋梁設計和施工技術規範外，還應注意地質、水文資料的搜集和分析，重視土質和建築材料的調查與試驗。主要應掌握各項地質、水文、地形等資料，資料内容範圍可根據橋梁工程規模、重要性及建橋地點工程地質、水文條件的具體情況和設計階段确定取舍。

1. 橋位（包括橋頭引道）平面圖及拟建上部結構及墩台形式、總體構造及有關設計資料
2. 橋位工程地質勘測報告及橋位地質縱剖面圖
3. 地基土質調查試驗報告
4. 河流水文調查資料

第三節、基礎工程設計計算應注意的事項

一、基礎工程設計計算的原則

1．基礎底面的壓力小于地基的容許承載力；

2．地基及基礎的變形值小于建築物要求的沉降值；

3．地基及基礎的整體穩定性有足夠保證；

4．基礎本身的強度滿足要求。

地基與基礎方案的确定主要取決于地基土層的工程性質與水文地質條件、荷載特性、上部結構的結構形式及使用要求，以及材料的供應和施工技術等因素，方案選擇的原則是：力求使用上安全可靠、施工技術上簡便可行和經濟上合理。因此，必要時應作不同方案的比較，從中選出較為适宜與合理的設計方案和施工方案。

二、考慮地基、基礎、墩台及上部結構整體作用

建築物是一個整體，地基、基礎、墩台和上部結構是共同工作且相互影響的，地基的任何變形都必定引起基礎、墩台和上部結構的變形；不同類型的基礎會影響上部結構的受力和工作；上部結構的力學特征也必然對基礎的類型與地基的強度、變形和穩定條件提出相應的要求，同時恰當的上部結構、墩台結構型式也具有調整地基基礎受力條件，改善位移情況的能力。因此，基礎工程應緊密結合上部結構、墩台特性和要求進行；上部結構的設計也應充分考慮地基的特點，把整個結構物作為一個整體，考慮其整體作用和各個組成部分的共同作用。

三、基礎工程極限狀态設計

應用可靠度理論進行工程結構設計是當前國際上一種共同發展的趨勢，是工程結構設計領域一次帶有根本性的變革。可靠性分析設計又稱概率極限狀态設計。

可靠性含義就是指系統在規定的時間内在規定的條件下完成預定功能的概率。系統不能完成預定功能的概率即是失效概率。這種以統計分析确定的失效概率來度量系統可靠性的方法即為概率極限狀态設計方法。

第四節 基礎工程學科

國外在18世紀産業革命以後，城建、水利、道路建築規模的擴大促使人們對基礎工程的重視與研究，對有關問題開始尋求理論上的解答。此階段在作為本學科的理論基礎的土力學方面，如土壓力理論、土的滲透理論等有局部的突破，基礎工程也随着工業技術的發展而得到新的發展，如19世紀中葉利用氣壓沉箱法修建深水基礎。本世紀20年代，基礎工程有比較系統、比較完整的專著問世，1936年召開第一屆國際土力學與基礎工程會議後，土力學與基礎工程作為一門獨立的學科取得不斷的發展。上世紀50年代起，現代科學新成就的滲入，使基礎工程技術與理論得到更進一步的發展與充實，成為一門較成熟的獨立的現代學科。

我國是一個具有悠久曆史的文明古國，我國古代勞動人民在基礎工程方面，也早就表現出高超的技藝和創造才能，許多宏偉壯麗的中國古代建築逾千百年仍留存至今安然無恙的事實就充分說明了這一點。例如，遠在1300多年前隋朝時所修建的趙州安濟石拱橋，不僅在建築結構上有獨特的技藝，而且在地基基礎的處理上也非常合理，該橋橋台座落在較淺的密實粗砂土層上，沉降很小，現反算其基底壓力約為500kPa～600kPa，與現行的各設計規範中所采用的該土層容許承載力的數值（550kPa）極為接近。在當時就能如此充分利用天然地基的承載力，真令人贊歎不已。在樁基礎和地基加固方面，我國自古已有廣泛運用，具有悠久的曆史。

中國古代案例－：趙州橋

中國古代案例二：河姆渡木樁

聖母殿

第一節 天然地基上淺基礎的類型、構造和适用條件

剛性基礎和柔性基礎的概念

剛性基礎的概念

基礎在外力（包括基礎自重）作用下，基底的地基反力為σ，此時基礎的懸出部分a-a斷面左端，相當于承受着強度為的均布荷載的懸臂梁，在荷載作用下，a-a斷面将産生彎曲拉應力和剪應力。當基礎圬工具有足夠的截面使材料的容許應力大于由地基反力産生的彎曲拉應力和剪應力時，a-a斷面不會出現裂縫，這時，基礎内不需配置受力鋼筋，這種基礎稱為剛性基礎。它是橋梁、涵洞和房屋等建築物常用的基礎類型。

剛性基礎的特點

形式：剛性擴大基礎，單獨柱下剛性基礎、條形基礎等 。

優點：穩定性好、施工簡便、能承受較大的荷載，所以隻要地基強度能滿足要求，它是橋梁和涵洞等結構物首先考慮的基礎形式。缺點：自重大，并且當持力層為軟弱土時，由于擴大基礎面積有一定限制，需要對地基進行處理或加固後才能采用，否則會因所受的荷載壓力超過地基強度而影響建築物的正常使用。

柔性基礎的概念

基礎在基底反力作用下，在a-a斷面産生彎曲拉應力和剪應力若超過了基礎圬工的強度極限值，為了防止基礎在a-a斷面開裂甚至斷裂，可将剛性基礎尺寸重新設計，并在基礎中配置足夠數量的鋼筋，這種基礎稱為柔性基礎

柔性基礎的特點

形式：柱下擴展基礎、條形和十字形基礎筏闆及箱形基礎。

優點：其整體性能較好，抗彎剛度較大。如筏闆和箱形基礎，在外力作用下隻産生均勻沉降或整體傾斜，這樣對上部結構産生的附加應力比較小，基本上消除了由于地基沉降不均勻引起的建築物損壞。所以在土質較差的地基上修建高層建築物時，采用這種基礎形式是适宜的。

缺點：柔性基礎，特别是箱形基礎，鋼筋和水泥的用量較大，施工技術的要求也較高，所以采用這種基礎形式應與其它基礎方案（如采用樁基礎等）比較後再确定。

剛性擴大基礎

由于地基強度一般較墩台或牆柱圬工的強度低，因而需要将基礎平面尺寸擴大以滿足地基強度要求，這種剛性基礎稱剛性擴大基礎。它是橋涵及其它建築物常用的基礎形式，平面形狀常為矩形。每邊擴大的尺寸最小為0.20m～0.50m，視土質、基礎厚度、埋置深度和施工方法而定。作為剛性基礎，每邊擴大的最大尺寸應受到材料剛性角的限制。

剛性角：基礎懸出總長度（包括襟邊與台階寬度之和）按前面剛性基礎的定義，應使懸出部分在基底反力作用下，在a-a截面所産生的彎曲拉力和剪應力不超過基礎圬工的強度限值。所以滿足上述要求時，就可得到自墩台身邊緣處的垂線與基底邊緣的聯線間的最大夾amax，稱為剛性角。

當基礎較厚時，可在縱橫兩個剖面上都做成台階形，以減少基礎自重，節省材料。

剛性擴大基礎

單獨基礎

砼與片石砼基礎：強度、耐久性和抗凍性均較好，适于荷載大及地下水位以下結構。摻入片石要求：占體積20~30%，尺寸≤300mm 。

條形基礎

條形基礎分為牆下和柱下條形基礎，牆下條形基礎是擋土牆下或涵洞下常用的基礎形式。其橫剖面可以是矩形或将一側築成台階形。

有時為了增強橋柱下基礎的承載能力，将同一排若幹個柱子的基礎聯合起來，也就成為柱下條形基礎。其構造與倒置的T形截面梁相類似，在沿柱子的排列方向的剖面可以是等截面的，也可以如圖那樣在柱位處加腋的。在橋梁基礎中，一般是做成剛性基礎，個别的也可做成柔性基礎。

條形基礎

聯合基礎

聯合基礎——柱下十字交叉基礎

聯合基礎——筏形基礎（闆式與梁闆式）

聯合基礎-箱型基礎

第二節 剛性擴大基礎施工

施工一般要求：

開挖： 剛性擴大基礎的施工可采用明挖的方法進行基坑開挖，開挖工作應盡量在枯水或少雨季節進行，且不宜間斷。基坑挖至基底設計标高應立即對基底土質及坑底情況進行檢驗，驗收合格後應盡快修築基礎，不得将基坑暴露過久。基坑可用機械或人工開挖，接近基底設計标高應留30cm高度由人工開挖，以免破壞基底土的結構。基坑開挖過程中要注意排水，基坑尺寸要比基底尺寸每邊大0.5m～1.0m，以方便設置排水溝及立模闆和砌築工作。

圍護：基坑開挖時根據土質及開挖深度對坑壁予以圍護或不圍護，圍護的方式有多種多樣。水中開挖基坑還需先修築防水圍堰。

一、旱地上基坑開挖及圍護

（一）無圍護基坑

當基坑較淺，地下水位較低或滲水量較少，不影響坑壁穩定時，坑壁可不加圍護，此時可将坑壁挖成豎直或斜坡形。豎直坑壁隻有在岩石地基或基坑較淺又無地下水的硬粘土中采用。

要求：在一般土質條件下開挖基坑時，應采用放坡開挖的方法，基坑深度在5m以内，施工期較短，地下水在基底以下，且土的濕度接近最佳含水量，土質構造又較均勻時，基坑坡度可參考下表選用。

無圍護基坑坑壁坡度

無圍護基坑

（二）有圍護基坑

1、闆樁牆支護

概念：在基坑開挖前先垂直打入土中至坑底以下一定深度，然後邊挖邊設支撐，開挖基坑過程中始終是在闆樁支護下進行。

材料：木闆樁、鋼筋混凝土闆樁和鋼闆樁三種。

斷面形式：一字形、槽形和Z字形三種。

支撐方式：無支撐式、支撐式和錨撐式 。

支撐式闆樁牆按設置支撐的層數可分為單支撐闆樁牆和多支撐闆樁牆。

基坑支撐

基坑遠景

鋼闆樁

基坑支撐

基坑支撐

基坑支撐

基坑支撐

2、噴射砼護壁

概念：以高壓空氣為動力，将攪拌均勻的砂、石、水泥和速凝劑幹料，由噴射機經輸料管吹送到噴槍，在通過噴槍的瞬間，加入高壓水進行混合，自噴嘴射出，噴射在坑壁，形成環形混凝土護壁結構，以承受土壓力。

适用情況：宜用于土質較穩定，滲水量不大，深度小于10m，直徑為6m～12m的圓形基坑。對于有流砂或淤泥夾層的土質，也有使用成功的實例。

砼噴射順序：

Ø 無水、少量滲水坑壁：可由下向上一環一環進行；

Ø 對滲水較大坑壁：噴護應由上向下進行，以防新噴的混凝土被水沖流；

Ø 對有集中滲出的股水的基坑：可從無水或水小處開始，逐步向水大處噴護，最後用竹管将集中的股水引出。噴射作業應沿坑周分若幹區段進行，區段長度一般不超過6m。

砼材料要求：

Ø 噴射混凝土應當早強、速凝、有較高的不透水性，且其幹料應能順利通過噴射機。

砼噴射厚度：

一般粘性土、砂土和碎卵石類土層，如無滲水，厚度為3cm～8cm；如有少量滲水，厚度為5cm～10cm；對穩定性較差的土，如淤泥、粉砂等，如無滲水，厚度為10cm～15cm；如有少量滲水，厚度為15cm；當有大量滲水時，厚度為15cm～20cm。

一次噴射是否能達到規定的厚度，主要取決于混凝土與土之間的粘結力和滲水量大小。如一次噴射達不到規定的厚度，則應在混凝土終凝後再補噴，直至達到規定厚度為止。

噴錨支護

噴混支護

挂網噴混支護

挂網噴混支護

挂網噴混支護

噴混支護

3、砼圍圈護壁

概念：混凝土圍圈護壁是用混凝土環形結構承受土壓力，但其混凝土壁是現場澆築的普通混凝土，壁厚較噴射混凝土大，一般為15cm～30cm，也可按土壓力作用下環形結構計算。

适用情況：混凝土圍圈護壁則适應性較強，可以按一般混凝土施工，基坑深度可達15m～20m，除流砂及呈流塑狀态粘土外，可适用于其它各種土類。

施工方法：基坑自上而下分層垂直開挖，開挖一層後随即灌注一層混凝土壁。為防止已澆築的圍圈混凝土施工時因失去支承而下墜，頂層混凝土應一次整體澆築，以下各層均間隔開挖和澆築，并将上下層混凝土縱向接縫錯開。開挖面應均勻分布對稱施工，及時澆築混凝土壁支護，每層坑壁無混凝土壁支護總長度應不大于周長的一半。分層高度以垂直開挖面不坍塌為原則，一般頂層高2m左右，以下每層高1m～1.5m。

圍圈混凝土一般采用C15早強混凝土。為使基坑開挖和支護工作連續不間斷地進行，一般在圍圈混凝土抗壓強度到達2500kPa強度時，即可拆除摸闆，承受土壓力。

砼圍圈支護

4、其他方法

在軟弱土層中的較深基坑以深層攪拌樁、粉體噴射攪拌樁、旋噴樁等，按密排或格框形布置成連續牆以形成支檔結構代替闆樁牆等，多用于市政工程、工業與民用建築工程，橋梁工程也有使用成功的報道。

在一些基礎工程施工中，對局部坑壁的圍護也常因地制宜就地取材采用多種靈活的圍護方法，在淺基坑中，當地下水影響不大時，也可使用木檔闆支撐（路橋施工除在特定條件下，現較少采用）。

粉噴樁支護

二、基坑排水

适用情況：基坑如在地下水位以下，随着基坑的下挖，滲水将不斷湧集基坑，因此施工過程中必須不斷地排水，以保持基坑的幹燥，便于基坑挖土和基礎的砌築與養護。

常用方法：表面排水法井點法降低地下水位

（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，滲水将不斷湧集基坑，因此施工過程中必須不斷地排水，以保持基坑的幹燥，便于基坑挖土和基礎的砌築與養護。

适用情況：一般土質條件下均可采用。但當地基土為飽和粉細砂土等粘聚力較小的細粒土層時，由于抽水會引起流砂現象，造成基坑的破壞和坍塌，因此當基坑為這類土時，應避免采用表面排水法。

（二）井點法降低地下水位

概念：即在基坑開挖前預先在基坑四周打入（或沉入）若幹根井管，井管下端1.5m左右為濾管，上面鑽有若幹直徑約2mm的濾孔，外面用過濾層包紮起來。各個井管用集水管連接并抽水 。

三、水中開挖基坑時的圍堰工程

圍堰的概念：是一種臨時擋水結構，在水中修築橋梁基礎時，開挖基坑前需在基坑周圍先修築一道防水圍堰，把圍堰内水排幹後，再開挖基坑修築基礎。如排水較因難，也可在圍堰内進行水下挖土，挖至預定标高後先灌注水下封底混凝土，然後再抽幹水繼續修築基礎。在圍堰内不但可以修築淺基礎，也可以修築樁基礎等。

圍堰的種類 ：有土圍堰、草（麻）袋圍堰、鋼闆樁圍堰、雙壁鋼圍堰和地下連續牆圍堰等

各種圍堰都應符合以下要求

1．圍堰頂面标高應高出施工期間中可能出現的最高水位0.5m以上，有風浪時應适當加高。

2．要求河道斷面壓縮一般不超過流水斷面積的30%。對兩邊河岸河堤或下遊建築物有可能造成危害時，必須征得有關單位同意并采取有效防護措施。

3．圍堰内尺寸應滿足基礎施工要求，留有适當工作面積，由基坑邊緣至堰腳距離一般不少于1m。

4．圍堰結構應能承受施工期間産生的土壓力、水壓力以及其他可能發生的荷載，滿足強度和穩定要求。圍堰應具有良好的防滲性能。

（一）土圍堰和草袋圍堰

在水深較淺（2m以内），流速緩慢，河床滲水較小的河流中修築基礎可采用土圍堰或草袋圍堰。

當水較深時，可采用鋼闆樁圍堰。修建水中橋梁基礎常使用單層鋼闆樁圍堰，其支撐（一般為萬能杆件構架，也采用浮箱拼裝）和導向（由槽鋼組成内外導環）系統的框架結構稱“圍囹”或“圍籠”。

鋼闆樁圍堰擋水

（三）雙壁鋼圍堰

雙壁鋼圍堰一般做成圓形結構，它本身實際上是個浮式鋼沉井。井壁鋼殼是由有加勁肋的内外壁闆和若幹層水平鋼桁架組成，中空的井壁提供的浮力可使圍堰在水中自浮，使雙壁鋼圍堰在漂浮狀态下分層接高下沉。在兩壁之間設數道豎向隔艙闆将圓形井壁等分為若幹個互不連通的密封隔艙，利用向隔艙不等高灌水來控制雙壁圍堰下沉及調整下沉時的傾斜。井壁底部設置刃腳以利切土下沉。如需将圍堰穿過覆蓋層下沉到岩層而岩面高差又較大時，可做成如圖2-15所示高低刃腳密貼岩面。雙壁圍堰内外壁闆間距一般為1.2m～1.4m，這就使圍堰剛度很大，圍堰内無需設支撐系統。

目前采用雙壁鋼圍堰修建的大型橋梁深水基礎，大都将基礎放在岩盤上用鑽孔嵌岩後，在孔内安放鋼筋籠灌注混凝土與岩盤牢牢結合在一起，故稱這種方法修築的基礎為“雙壁圍堰鑽孔基礎”。

雙壁圍堰鑽孔基礎

第五節 剛性擴大基礎的設計與計算

1. l基礎埋置深度的确定
2. l剛性擴大基礎尺寸的拟定
3. l地基承載力驗算
4. l基底合力偏心距驗算
5. l基礎穩定性和地基穩定性驗算
6. l基礎沉降驗算

一、基礎埋置深度的确定

将基礎設置在變形較小，而強度又比較大的持力層上，以保證地基強度滿足要求，且不緻産生過大的沉降或沉降差。還要使基礎有足夠的埋置深度，以保證基礎的穩定性，确保基礎的安全。必須綜合考慮地基的地質和地形條件、河流的沖刷程度、當地的凍結深度、上部結構形式以及保證持力層穩定所需的最小埋深和施工技術條件、造價等因素。

1、地基的地質條件

岩石地基:覆蓋土層較薄時，一般應清除覆蓋土和風化層後，将基礎直接修建在新鮮岩面上；如岩石的風化層很厚，難以全部清除時，基礎放在風化層中的埋置深度應根據其風化程度、沖刷深度及相應的容許承載力來确定。如岩層表面傾斜時，不得将基礎的一部分置于岩層上，而另一部分則置于土層上。在陡峭山坡上修建橋台時，還應注意岩體的穩定性。

非岩石地基:如受壓層範圍内為均質土，基礎埋置深度除滿足沖刷、凍脹等要求外，可根據荷載大小，由地基土的承載能力和沉降特性來确定（同時考慮基礎需要的最小埋深）。當地質條件較複雜如地層為多層土組成等或對大中型橋梁及其它建築物基礎持力層的選定，應通過較詳細計算或方案比較後确定。

二、剛性擴大基礎尺寸的拟定

1. l基礎厚度
2. l基礎平面尺寸
3. l基礎剖面尺寸

剛性擴大基礎立面、平面圖

基礎厚度

應根據墩、台身結構形式，荷載大小，選用的基礎材料等因素來确定。基底标高應按基礎埋深的要求确定。水中基礎頂面一般不高于最低水位，在季節性流水的河流或旱地上的橋梁墩、台基礎，則不宜高出地面，以防碰損。這樣，基礎厚度可按上述要求所确定的基礎底面和頂面标高求得。

基礎平面尺寸

基礎平面形式一般應考慮墩、台身底面的形狀而确定，基礎平面形狀常用矩形。基礎底面長寬尺寸與高度有如下的關系式

三、地基承載力驗算

1. l持力層強度驗算
2. l軟弱下卧層承載力驗算

持力層強度驗算

持力層是指直接與基底相接觸的土層，持力層承載力驗算要求荷載在基底産生的地基應力不超過持力層的地基容許承載力。基底應力分布公式如下 (由于淺基礎埋置深度小，在計算中可不計基礎四周土的摩阻力和彈性抗力的作用) 。

軟弱下卧層承載力驗算

當受壓層範圍内地基為多層土，且持力層以下有軟弱下卧層，時還應驗算軟弱下卧層的承載力，驗算時先計算軟弱下卧層頂面（在基底形心軸下）的應力（包括自重應力及附加力），不得大于該處地基土的容許承載力。即:

四、基礎沉降驗算

基礎的沉降主要由豎向荷載作用下土層的壓縮變形引起。沉降量過大将影響結構物的正常使用和安全，應加以限制。在确定一般土質的地基容許承載力時，已考慮這一變形的因素，所以修建在一般土質條件下的中、小型橋梁的基礎，隻要滿足了地基的強度要求，地基（基礎）的沉降也就滿足要求。

對于下列情況，則必須驗算基礎的沉降

1．修建在地質情況複雜、地層分布不均或強度較小的軟粘土地基及濕陷性黃土上的基礎；

2．修建在非岩石地基上的拱橋、連續梁橋等超靜定結構的基礎；

3．當相鄰基礎下地基土強度有顯著不同或相鄰跨度相差懸殊而必須考慮其沉降差時；

4．對于跨線橋、跨線渡槽要保證橋（或槽）下淨空高度時。

五、基礎穩定性和地基穩定性驗算

基礎傾覆穩定性驗算

基礎傾覆穩定性與合力的偏心距有關。合力偏心距愈大，則基礎抗傾覆的安全儲備愈小，如下圖所示，因此，在設計時，可以用限制合力偏心距e0來保證基礎的傾覆穩定性。

K0為抗傾覆穩定系數,一般對主要荷載組合K0≥1.5，在各種附加荷載組合時，K0≥1.1～1.3。

基礎滑動穩定性驗算

地基穩定性驗算

位于軟土地基上較高的橋台需驗算橋台沿滑裂曲面滑動的穩定性，基底下地基如在不深處有軟弱夾層時，在台後土推力作用下，基礎也有可能沿軟弱夾層土的層面滑動；在較陡的土質斜坡上的橋台、擋土牆也有滑動的可能。

基礎抗傾覆措施

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