水工基礎工程設計與分析

前言

第一章 水工基礎形式及構造設計

第一節(jié) 水工基礎特點和設計要求

一、水工基礎特點

二、水工基礎設計基本要求

第二節(jié) 水工基礎常用形式與分析

一、按基礎結(jié)構形式分類

二、基礎類型的選擇和比較

三、基礎結(jié)構的影響因素分析

第三節(jié) 基礎埋置深度選擇及計算

一、與功能、結(jié)構相關的條件

二、工程地質(zhì)條件

三、水文地質(zhì)條件

四、地基凍融條件

五、場地環(huán)境條件

第四節(jié) 基礎構造要求及構造設計

一、永久變形縫和止水的設置

二、齒墻設計

三、后澆帶的作用及設置

四、鉸的作用及設置

五、基礎結(jié)構的耐久性設計

第二章 基礎下的地基計算

第一節(jié) 地基設計基本要求

一、地基設計級別和設計原則

二、地基計算荷載取值

三、地基計算單元和荷載組合

第二節(jié) 地基計算基本要素

一、土的力學參數(shù)取值

二、地基土的特性指標及工程應用

三、地基應力計算

第三節(jié) 地基承載力

一、地基承載力的概念

二、按塑性變形區(qū)深度確定地基允許承載力

三、按極限承載力確定地基允許承載力

四、按規(guī)范確定地基承載力

五、基礎尺寸及埋深對承載力的影響

六、地基抗震承載力

第四節(jié) 土的壓縮性與地基變形計算

一、土的壓縮性與固結(jié)

二、天然地基的沉降量計算

三、地基的變形特征與控制

第五節(jié) 地基穩(wěn)定驗算

一、水工地基破壞的主要形式

二、地基承載力驗算

三、抗滑穩(wěn)定驗算

四、抗傾覆和抗浮穩(wěn)定驗算

五、抗?jié)B穩(wěn)定驗算

第三章 基礎結(jié)構簡化和計算方法

第一節(jié) 基礎設計的基本要求

一、基礎設計級別與力的作用

二、基礎內(nèi)力計算方法概述

三、基礎極限狀態(tài)設計要求

四、計算結(jié)果的自我校核

第二節(jié) 基礎結(jié)構的簡化

一、計算荷載取值及傳力分析

二、結(jié)構單元與計算單元

三、結(jié)構計算簡圖和簡化要點

四、支座、節(jié)點和構件的簡化

五、計算跨度的確定

第三節(jié) 基礎剛度分析

一、基礎剛度分析與計算

二、基礎剛度與內(nèi)力計算方法

第四節(jié) 基礎內(nèi)力分析及計算要點

一、筏形基礎內(nèi)力計算

二、箱形基礎內(nèi)力計算

三、塊基型基礎內(nèi)力計算

四、拱形基礎內(nèi)力計算

第四章 倒置梁法和靜定分析法計算

第一節(jié) 簡化計算與結(jié)構拆分

一、結(jié)構簡化與結(jié)構拆分

二、結(jié)構拆分方法和實例分析

三、簡化計算中的荷載計算

第二節(jié) 倒置梁法

一、計算模型及基本假定

二、計算步驟

三、利用沉降差進行內(nèi)力調(diào)整計算

第三節(jié) 靜定分析法

一、基本假定及適用條件

二、計算步驟

三、工程實例及相關問題分析

第四節(jié) 倒置梁法與靜定分析法比較

一、實例分析

二、兩種計算方法綜合比較

三、關于倒置梁法相關問題

第五章 彈性地基梁計算與數(shù)值分析

第一節(jié) 地基計算模型

一、地基計算模型概念

二、常用地基計算模型簡述

三、地基計算模型的選用

四、地基參數(shù)的確定

第二節(jié) 彈性地基梁法

一、彈性地基梁的簡要理論

二、文克爾地基梁計算

三、半無限深地基梁計算

四、有限深地基梁內(nèi)力計算

五、彈性地基交叉梁法

第三節(jié) 彈性地基上的框架結(jié)構計算

一、計算方法綜述

二、彈簧支座模擬計算

三、工程實例計算與分析

第四節(jié) 地基梁的數(shù)值分析

一、建模對象和計算范圍

二、主要計算參數(shù)的確定

三、基礎建模常用的分析方法

四、基礎設計常用的有限元分析軟件

第六章 基礎配筋計算與構造詳圖

第一節(jié) 基礎承載能力極限狀態(tài)計算

一、計算要求

二、配筋計算

三、各種計算方法的配筋要求

第二節(jié) 基礎正常使用極限狀態(tài)計算

一、正常使用極限狀態(tài)驗算內(nèi)容

二、設計取值和荷載組合要求

三、基礎裂縫寬度驗算

第三節(jié) 基礎配筋調(diào)整

一、協(xié)調(diào)配筋要求

二、采用塑性計算法進行配筋調(diào)整

三、應用塑性計算法的要求

第四節(jié) 基礎構造設計

一、混凝土強度及保護層

二、鋼筋的錨固和連接

三、基礎的最小和最大配筋率

四、基礎配筋的基本要求

五、鋼筋的代換要求

第五節(jié) 基礎構造鋼筋詳圖

一、基礎構造詳圖的意義

二、基礎構造鋼筋的作用

三、基礎抗震構造鋼筋的要求

四、水工基礎構造配筋詳圖

五、與水工基礎相關的專業(yè)詳圖

第七章 人工地基與地基處理設計

第八章 水工常用深基礎設計

第九章 共同作用分析與基礎概念設計 2100433B

本書共設有9章，初次嘗試構建水工基礎工程的設計理論和方法，對水工基礎形式作了較全面的綜合和歸納，并進行了分類和演繹，以便于設計、應用和研究；系統(tǒng)地論述了水工基礎結(jié)構簡化、內(nèi)力常用的計算方法、配筋計算和構造詳圖、組合型地基處理、樁筏基礎、疏樁基礎等；通過工程實例，初步闡明了基礎概念設計的方法。

• 配套教材

《計算機算法設計與分析（第5版）》有配套教材——《計算機算法設計與分析習題解答（第5版）》 。

該教材有配套教材——《算法設計與分析習題解答（第3版）》，書中對主教材的全部習題做了解答。

基礎工程一般包括兩部分：①使建筑物本身適應或滿足地基要求，如加大建筑物底部斷面或增設必要設施；②地基處理，如采用灌漿、排水或增設樁基等。因此，在設計中應注意下列要求。

大壩若為巖基，則基礎的穩(wěn)定性主要取決于巖體的抗剪強度、變形及滲透穩(wěn)定。結(jié)構形式不同的建筑物,對基礎要求亦各有側(cè)重。如巖基上的各種混凝土壩，各種荷載都作用于地基上，故對地基的加固設計便要求達到：①巖體盡量趨于均一，其抗壓強度與變形模量無顯著差異，并具有足夠的強度，以承受壩體的壓力。②具有足夠的整體性和均勻性，以便有足夠的抗剪強度，以滿足壩基抗滑穩(wěn)定要求。③滿足滲透穩(wěn)定要求，一般高壩在防滲帷幕內(nèi)的單位吸水量應小于0.01/(min·m·m)。帷幕下游應設排水幕，以降低揚壓力，斷層破碎帶與軟弱夾層等滲漏通道更不能產(chǎn)生機械管涌或化學管涌。④具有足夠的耐久性，以防止巖體性質(zhì)在水的長期作用下發(fā)生惡化，使強度降低。

有軟弱夾層的巖體，其抗剪強度則取決于夾層的特性。抗滑穩(wěn)定除研究沿壩體與巖體接觸面外，還要研究沿壩基中軟弱結(jié)構面產(chǎn)生的深層或淺層滑動問題，包括可能滑動面的形式，抗滑穩(wěn)定的計算方法，計算參數(shù)的選擇，安全系數(shù)的確定及模型試驗等。另外，壩基荷載超過地基的承載能力，將使壩基巖體壓縮面發(fā)生超過允許的沉降或不均勻沉降或局部巖體由于應力集中而破裂。這對各種壩都是危險的，故在研究變形時，應在大壩和巖基的聯(lián)合作用下,研究壩基變形對壩體應力的影響,不均勻沉降引起壩體應力集中，水平位移對防滲帷幕的作用等。而軟弱夾層、強風化層和斷層破碎帶又是導致壩基產(chǎn)生變形的主要因素，因此也是主要研究對象。

對于拱壩地基除上述要求外，還要求巖體有更高的承載力，巖體變形模量均一，巖體與混凝土的彈性模量接近。對兩岸壩肩要研究其穩(wěn)定與變形，對兩岸發(fā)育的斷層、節(jié)理、裂隙要深入研究在力系與繞壩滲流同時作用下能否構成滑動塊體。土石壩對地基的要求比混凝土壩低，但從解決地基滲水、承載能力小、壓縮性大、抗剪強度低以及振動液化等問題方面考慮，也需要對地基采取必要的處理措施，做到既安全又經(jīng)濟合理。在巖溶地區(qū)修建水庫與大壩，應分析水庫滲漏的范圍、主要滲水通道，估計滲漏量等并提出治理方案。對巖溶區(qū)壩址，除應查明上述問題外，還要注意巖溶發(fā)育深度，溶洞與巖溶通道的具體分布、填充情況，對壩基與壩肩穩(wěn)定的影響等。中國巖溶發(fā)育地區(qū)面積約占全國面積七分之一，故對巖溶滲漏問題需予重視。

基礎工程設計內(nèi)容包括建筑物基礎及地基處理兩部分，一般有下列三種情況。

水工基礎工程對基礎采取結(jié)構措施　通過建筑物下部結(jié)構（即基礎）的調(diào)整，可改善水工建筑物基礎及地基的應力狀態(tài)。如①設置混凝土底座:日本大川壩地質(zhì)條件非常復雜,采用先鋪筑厚20m、長245m的混凝土平板式基礎底座,再在底座上修建高58m的混凝土重力壩,以適應壩址區(qū)復雜的地質(zhì)條件。另外，中國貴州貓?zhí)樱ㄋ募墸┱锟谒娬镜臄r河壩,是在厚20～30m的河床覆蓋層上先修建跨度40m以上的混凝土拱形基礎底座(又稱基礎拱橋),然后在其上修建高54.8m的雙曲拱壩,避免了河床大量開挖并簡化了地基受力條件。②設置拱壩周邊墊座：在地形很不規(guī)則的河谷或局部有深槽或地質(zhì)上有軟弱帶的情況，而欲修建拱壩時,可在巖基上先修建混凝土周邊墊座(人工基礎)形成周邊縫（圖1），然后在周邊墊座上修建壩體?？p沿周邊的形式可按需要選定，使墊座以上的壩體能保持一定的對稱性，可減少上述各種不利因素的影響并改善拱壩的支承條件。意大利于1939年建成的奧西爾埃塔雙曲拱壩，以及1961年建成的壩高262m的瓦依昂拱壩，都采用了人工周邊墊座。由于周邊縫的存在，壩體即使開裂，延伸到縫邊就會停止發(fā)展；若墊座有開裂,也不致影響到壩體；如墊座厚度適當加大,還可使拱端推力更均勻地分布到較大面積的基巖上，可改善地基的受力條件。③設置重力墩：當河谷岸邊基巖面高程低于壩頂，為減少寬高比,避免岸坡大量開挖（圖2），可設置重力墩，以使拱壩壩體基本上保持對稱。④采用樁基礎（見樁工）：這也是一種改善地基受力條件的結(jié)構措施。松軟地基不能承受上部傳來的荷載時,可以選擇樁基礎,將上部荷載通過承臺、群樁而傳到地基土層或底部基巖，以避免引起松散土層產(chǎn)生不均勻沉降。⑤設立傳力墻：拱壩對兩岸壩肩整體性要求很高。中國貴州高165m的烏江渡水電站重力拱壩，右壩肩被裂隙嚴重切割，后選定在該處設置一個斷面尺寸為 12m×20m×45m的大型混凝土傳力墻。傳力墻按順壩肩推力方向穿透裂隙密集帶布置，使應力有效地向山里堅硬灰?guī)r傳遞擴散，解決了拱端與地基力系平衡穩(wěn)定的問題。

水工基礎工程巖基加固和防滲措施　其目的基本上是提高強度、增大變形模量、減少揚壓力。主要手段為①壩基開挖（見地基開挖）。②固結(jié)灌漿。③混凝土置換：是加固巖基斷層破碎帶及軟弱夾層常用的措施，一般根據(jù)所在的部位、產(chǎn)狀、寬度、充填物性質(zhì)，通過計算或模型試驗確定開挖一定深度和寬度的槽、井、洞，再回填混凝土塞，并加強接觸灌漿和固結(jié)灌漿。若基巖有深層滑動面，灌漿又不能解決抗滑穩(wěn)定要求時，可考慮由基巖面打豎井到滑動面高程開挖置換洞,再回填混凝土,如印度高144m的斯里賽勒姆壩。由于置換開挖對基巖有一定的破壞作用，故可盡量使用灌漿改善斷層，但灌漿對提高變形模量有效，而對提高抗剪指標作用不大。因此，在拱壩基礎處理中，當斷層與推力方向近于垂直時，用灌漿處理斷層為好；若斷層與推力斜交或近于平行時，則用混凝土置換處理斷層為好。④預應力錨固。⑤巖溶處理。⑥巖基防滲（見帷幕灌漿、化學灌漿）。

軟基加固與防滲措施　軟基主要是指砂礫、黃土、軟粘土、細砂層等地基。對砂礫地基的處理，主要是控制滲透流速、滲透流量，保證壩基滲透穩(wěn)定。辦法是采用垂直防滲與水平防滲。垂直防滲采用粘土截水墻、混凝土防滲墻及帷幕灌漿等。水平防滲多采用粘土鋪蓋，有時在壩下游還需采用排水減壓等手段。對軟粘土或沖積層，因基特點是含水量高，壓縮性大，透水性小，抗壓、抗剪強度低，可采用加速排水固結(jié)辦法，提高其抗剪強度，如砂墊層排水、真空抽氣加固、砂井預壓等措施。對黃土地基,主要是濕陷性黃土,因其沉降量大，可能引起壩的失穩(wěn)及開裂，可采用挖除、預先浸水或表面強夯等措施?？傊刂茲B流外，還要提高地基強度和穩(wěn)定性，減少總沉降量和沉降差。對細砂層，則應防止管涌與振動液化現(xiàn)象，近年來發(fā)展較快的是利用振沖法加固砂土地基。20世紀70年代初，在軟基加固技術中，又出現(xiàn)了高壓噴射灌漿，即鉆桿邊旋轉(zhuǎn)邊高壓噴射水泥漿,制成的旋噴樁直徑可達1.5～2.0m。沉井在中國水利工程中，多用作防沖結(jié)構，60年代初，曾在四川映秀灣水電站首次使用，并在礫石層與粉細砂層中下沉，不但解決了防沖，也解決了滲透穩(wěn)定與砂層液化等問題。銅街子水電站導流明渠左導墻及出口處于1985年布置了16個沉井，每個最大尺寸為 16m×30m，井壁厚1.6～2.0m，總深35m,以防止明渠水流沖刷左岸山體坡腳而造成塌方。荷蘭以軟基工程著稱于世,1986年在最大水深45m的海口軟基上建成高53m、總長3000m的東斯海爾德?lián)醭遍l工程，閘基開挖、砂基振實、卵石回填等均在水下進行。這是軟基處理工程的一個飛躍。

見地基處理。2100433B