桥梁支座墩台基础.ppt

第七章 桥梁支座、墩台与基础,本章内容,第一节 桥梁支座第二节 桥墩和墩台第三节 桥梁基础,第三节 桥梁基础,一、基础的作用与要求基础指桥梁结构物直接与地基接触的部分，是桥梁下部结构的重要组成部分。承受基础传来的荷载的那一部分地层（岩层或土层）则称为地基。地基与基础受到各种荷载后，其本身将产生应力和变形。为了保证桥梁的正常使用和安全，地基和基础必须具有足够的强度和稳定性，变形也应在容许范围之内。根据地基土的土层变化情况、上部结构的要求和荷载特点，桥梁基础可采用各种类型。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,基础类型的选定主要取决于地质土层的工程性质与水文地质条件、荷载特性、桥梁结构型式及使用要求，以及材料的供应和施工技术等因素。选择的原则是：力争做到使用上安全可靠、施工上简便可行、经济上节约合理。因此，必要时应作不同方案的比较，从中得出较为适宜与合理的设计和施工方案。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,众多工程实例表明，桥梁的地基与基础的设计与施工质量的好坏，是关系到整座桥梁质量的根本问题。因为基础工程是隐蔽工程，如有缺陷，较难发现，也较难弥补或修复，而这些缺陷往往直接影响整座桥梁的使用甚至安危。基础工程施工的进度，经常控制全桥施工进度。下部工程的造价，尤其是在复杂地质条件下或深水基础，通常占全桥相当大的比重。因此，从事这项工作必须做到精心设计，精心施工，确保万无一失。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,桥梁结构是一个整体，上下部结构和地基是共同工作，相互影响的。地基的任何变形都必然引起上下部结构的相应位移，上下部结构的受力行为也必然关系到地基的强度和稳定条件。所以，桥梁基础的设计、施工都应紧密结合桥梁结构的特点和要求，全面分析，综合考虑。本节简要介绍浅置基础、桩及管柱基础和沉井基础。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,二、基础的类型与构造桥梁基础根据埋置深度分为浅置基础和深置基础两类，它们的施工方法不同，设计计算原理不同。浅置基础是在墩台处直接修建的埋深较浅的基础（一般小于5m）。由于浅层土质不良，有时需把基础埋置于较深的良好地层上，这样的基础称为深基础（一般埋深大于5m）。基础埋置在土层内深度虽较浅，但在水下部分较深，如深水中的桥墩基础，称为深水基础。浅置基础最为简单，也最常用；当需要设置深基础时，则常采用桩基础或沉井基础，特殊桥位也可能采用其他大型基础或组合形式。桥梁基础的分类见表7.1。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,浅置基础浅置基础又称刚性扩大基础（spread foundation)，也称明挖基础。其构造参见图7.39。浅置基础是直接在墩台处开挖基坑修建而成的实体基础，适合于在岸上或水流冲刷影响不大的浅水处，且浅表地基承载力合适的地层。它构造简单，施工方便，最为常见。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,明挖扩大基础的平面形状常为矩形，也有其他形式（视墩台身底面的形状而定）；立面形状可为单层或多层台阶扩大形式，其与地基承载力及下部荷载大小等有关，如图7.39所示。自墩台身底边缘至基顶边缘的距离c1以及台阶宽度c2、c3称为襟边，其作用一方面是扩大基底面积增加基础承载力，另一方面便于对基础施工时在平面尺寸上可能发生的误差进行调整，同时也为了支立墩台身模板的需要。襟边的最小值为2050cm。基础每层台阶的高度通常为50100cm，且一般情况下各层台阶宜采取相同厚度。基础的各级台阶的正交方向的坡线与竖直线所成夹角称为刚性角，其值不应超过某一限值max，以防基础开裂破坏。max 与基础材料有关，混凝土基础为4045，石砌基础为 3035。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,明挖扩大基础的常用材料有混凝土、片石混凝土、浆砌片石等。混凝土标号一般不宜小于C15，浆砌片石一般用M5以上水泥砂浆，25号以上石料。明挖扩大基础的特点是稳定性好、施工简便、取材容易、能承受较大的荷载，所以只要地基承载力能满足要求，它是桥梁的首选基础形式。但其缺点是自重大，并且在持力层为软弱土时，由于基础面积不能无限制扩大，需要对地基进行处理或加固后才能采用。所以对于荷载较大，上部结构对沉降变形较为敏感，持力层的土质较差且较厚的情况，不宜采用明挖扩大基础。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,2桩及大型管柱基础当墩台所处位置的覆盖层很厚，适于承载的地基很深，或同时水深也较大时，往往需要采用深基础，桩基础就是一种常用的深基础。桩基础由若干根桩和承台两部分组成，桩在平面排列上可为一排或几排，所有桩的顶部由承台（footing slab）连成一个整体。在承台上再修筑桥墩或桥台及上部结构，如图7.40。桩身可全部或部分埋入地基土中，当桩身外露在地面上较高时，在桩之间应加横系梁以加强各桩的横向联系。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,我国桥梁桩基础大多采用钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩和钢桩，混凝土标号一般为C20C40。混凝土桩的截面形式有圆形、环形、方形、六角形等，钢桩的截面形式有圆形、H形等。在桩轴方向，也分竖直桩和斜桩，后者通常用于拱桥墩台基础。随着桥梁建设的发展和工程技术的进步，在桥梁工程实践中已形成了各种形式的桩基础，它们在自身构造和桩土相互作用性能上都具有各自的特点，分别简述如下。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,(1)按承台位置分类按承台位置的不同，桩基础可分为高桩承台基础和低桩承台基础（图7.41）。高桩承台的承台底面位于地面（或冲刷线）以上，低桩承台的承台底面则位于地面（或冲刷线）以下。高桩承台的桩身外露部分称为桩的自由长度，而低桩承台桩的自由长度为零。高桩承台由于承台位置较高或设在施工水位以上，可减少墩台的材料用量，避免或减少水下作业，施工较为方便。然而由于承台和基桩外露部分无侧边土层来共同承受水平外力，对基桩受力较为不利，桩身内力和位移都将大于在同样水平力作用下的低桩承台，稳定性亦较低桩承台差。近年来由于大直径钻孔灌筑桩的采用，桩的刚度、强度都较大，因而高桩承台也多有采用。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,(2)按施工方法分类按施工方法的不同，桩基础可分为钻（挖）孔灌筑桩和沉入桩。灌筑桩是采用就地成孔的方法来完成的一种深基础。其施工方法是：先用机械或人工在土中做成桩孔，然后在孔内放入钢筋笼架，再灌筑桩身混凝土而形成桩身，最后在桩顶浇筑承台（或系梁）。其中，若用钻（冲）孔机成孔，称为钻孔桩(drilled shaft)；若用人工开挖桩孔，则称为挖孔桩。灌筑桩的特点是施工设备简单，操作方便，适用于各种砂性土、黏性土，也适用于碎卵石类土层和风化岩层。钻孔桩的直径一般为0.83.0m，其长度可由几米至百米。挖孔桩的直径不宜小于1.2m，长度不宜大于20m，以便于人工挖土。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,钻孔灌筑桩常用设备为冲击型钻机或旋转式钻机。前者采用卷扬机带动重力式冲击钻头，往复吊起和落下，冲击成孔；后者由钻机机身、钻杆和钻头（配备不同形式，以对付不同地层）组成，其钻孔速度比冲击型钻机要快得多。在成孔过程中，需要向孔内灌入一种特制的泥浆（由一种特殊的膨胀土加化学制剂用水调制而成），其能起到保护钻好的孔壁不致坍塌的作用。为排除坍孔的危险，还可采用套管法施工桩基础。该方法适于施工深度不大于40m的情况。其特点是：采用一套常备式钢套管，用重锤式抓斗在套管内抓土，同时在地面上用一套特殊设备不断晃动套管，使其随之下沉。在套管达到设计高程后，即可清基并进行后续工序。在灌筑混凝土的过程中，仍需不断地向上晃动套管，并逐节拔除。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,沉人桩（driven Pile）是通过汽锤（或柴油锤）或振动打桩机等方法将各种预先制好的桩（主要是钢筋混凝土实心桩或管桩，也有钢桩或木桩）沉入或打入地基中所需深度。这种施工方法适用于桩径较小(一般直径在0.61.5m)，地基土质为砂性土、塑性上、粉土、细砂以及松散的不含大卵石或漂石的碎卵石类土的情况。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,(3)按基础传力方式分类按基础的传力方式，桩基础可分为柱桩与摩擦桩。柱桩是将桩尖通过软弱的覆盖层以后再嵌人坚硬的岩面，荷载由桩尖直接传到基岩中，桩像柱子一样受力（图7.42(a)）。摩擦桩是当基岩埋藏很深，桩尖不可能达到时，荷载通过位于覆盖层中的桩壁与土壤间的摩阻力和桩的端部的支承力共同承受的桩基础，见图7.42(b)。柱桩承载力较大，较安全可靠，基础沉降也小，但若岩层埋置很深，就需要采用摩擦桩。由于柱桩和摩擦桩在土中的工作条件不同，它们与土共同作用的特点也就不一样，因此在设计计算时所采用的方法和有关参数也不一样。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,桩基础内基桩的布置应根据荷载大小、地基土质、基桩承载力等决定。采用大直径钻孔灌筑桩的公路中小跨度的桥梁常用单排式（横向），在大型桥梁基础中，或桩承受的水平力较大时，则采用多排式。如图7.43所示，(a)为行列式，(b)为梅花式。考虑桩与桩侧土的共同工作条件和施工条件的需要，桩与桩间的中心距不得小于桩径的某一倍数，一般为2.02.5倍桩径，参见桥规的规定。此外，为避免承台边缘距桩身过近而发生破裂，边桩外侧到承台边缘的距离，亦不能太小，一般要求不小于0.30.5倍桩径。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,桩基础承台的平面尺寸和形状，应根据其上部墩台身底面尺寸和形状及其桩的平面布置而定，一般采用矩形和圆端形。承台厚度应保证承台有足够的强度和刚度。一般采用钢筋混凝土刚性承台，承台厚度一般不宜小于1.5m，混凝土标号不低于C15。承台底部需布置一层钢筋网，确保承台受力均匀，避免在桩顶荷载作用下开裂或破碎。承台与桩之间的连接，靠将桩顶主筋伸入承台来实现，桩身一般亦需伸入承台1520cm，如图7.44所示。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,总之，桩基础是深基础方案的首选形式，它耗用材料少，施工简便，适应性强。但当上层软弱土层很厚，桩底不能达到坚实土层时，就需使用较多、较长的桩来传递荷载，这时桩基础的稳定性稍差，沉降量也较大；当覆盖层很薄时，桩的稳定性也可能会存在问题。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,管柱基础（tubular column foundation）是一种大直径桩基础，适用于深水、有潮汐影响以及岩面起伏不平的河床。它是将预制的大直径（直径1.55.8m，壁厚1014cm）钢筋混凝土或预应力混凝土管柱，用大型的振动沉桩锤沿导向结构将桩竖向振动下沉到基岩，然后以管壁作护筒，用冲击式钻机进行凿岩钻孔，再吊入钢筋笼架并灌筑混凝土，将管柱与基岩牢固连接。管柱施工需要有振动沉桩锤、凿岩机、起重设备等大型机具，动力要求也高，一般用于大型桥梁基础（见图7.45）。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,3沉井及沉箱基础沉井（open caisson）基础是一种历史悠久的施工方法，适用于地基表层较差而深部较好的地层，既可以用在陆地上，也可以用在较深的水中。所谓沉井基础，就是用一个事先筑好的充当基础的混凝土井筒，一边挖土，一边靠其自身重力不断下沉直至设计高程的方法来完成的。基本施工工序是：首先在地面（若在浅水中则人工筑岛）上做成钢筋混凝士沉井底节，底节足部的内侧井壁做成由内向外斜的“刃脚”；然后用机械或人工力一法挖掘与清除井底土壤，使之不断下沉，沉井底节以上随之逐节接高；沉并下沉到设计高程后，再以混凝土封底，并建筑沉井顶盖，沉井基础便告完成。最后再在其上修建墩身。沉井基础的施工步骤如图7.46所示。下沉时，为了减少沉井侧壁和上壤之间的摩阻力，可以采用泥浆护套、空气幕或塑料布膜衬壁等方法。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,沉井基础是桥梁工程中一种较常见的基础形式。我国南京长江大桥1号墩就是采用的钢筋混凝土沉井基础。江阴长江大桥北锚碇的沉井基础的平面尺寸达69m51m。沉井的优点是埋置深度可以很大，整体性强，稳定性好，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水围堰（cofferdam）结构物，施工工艺也不复杂。其不足是工期较长；对细砂及粉砂类上在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜；沉井下沉过程中遇到大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,按下沉方式，沉井基础可分为就地建造下沉的沉井和浮运就位下沉的沉井。按建筑材料，沉井基础可分为混凝土沉井，钢筋混凝土沉井等。桥梁上常用的是钢筋混凝土沉并，它的抗拉及抗压能力较好，下沉深度可以很大，可达几十米。当下沉深度不大时，沉井壁大部分用混凝土，下部（刃脚）用钢筋混凝土。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,沉井依外观形状的分类，在平面上可分为圆形、矩形及圆端沉井（图7.47）等。圆形沉井（图7.47(c)、(d)）受力好，适用于河水主流方向易变的河流；矩形沉井制作方便，但四角处的土不易挖除；圆端形沉井（图7.47(a)）兼有前两类的特点。沉井基础的平面形状常取决于墩（台）底部的形状。对矩形墩或圆端形墩，可采用相应形状的矩形和圆端形沉井。采用矩形沉井（图7.47(b)）时为了保证下沉的稳定性，沉井的长边和短边之比不宜大于3。当墩的长度和宽度较为接近时，可采用圆形沉井或方沉井。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,沉井竖直剖面外形主要有竖直式、倾斜式及阶梯式（图7.48）等。采用形式主要视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定。外壁竖直形式的沉井，在下沉过程中不易倾斜，井壁接长较简单，模板可重复使用，故当土质较松软、沉井下沉深度不大时，可以采用这种形式。倾斜式及阶梯式井壁可以减少土与井壁的摩阻力，其缺点是施工较复杂，消耗模板多，同时沉井下沉过程中容易发生倾斜，故在土质较密实、沉井下沉深度大、要求在不太增加沉井本身重量的情况下，可采用这类沉井。倾斜式的沉井井壁坡度般为1/401/20，阶梯形井壁的台阶宽度约为100200mm。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,沉井基础虽有多种形式，但构造基本相同。它由刃脚、并壁、隔墙、井孔、凹槽、射水管和探测管、封底、顶盖（或承台）以及环箍等组成，如图7.49所示。刃脚位于井壁的下端，其作用是切割土层。井壁是沉井的外壳，在下沉过程中起防水挡土作用；当沉至设计位置后，井壁则成为基础的组成部分。设置凹槽是为了满足传递封底混凝土底的基底反力至井壁，并增强封底混凝土和井壁的连接。顶盖用于承托其上部的墩台身，一般为钢筋混凝土。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,历史上，气压沉箱（caisson）是最早采用的大型深水基础。它类似于沉井，其不同之处是在沉井刃脚以上适当高度处设置一层密封的顶盖板。顶盖板以下为工作室，以上构造与沉井类似。顶盖板中开有空洞，安置升降井筒伸出水面，井筒上端为气闸。压缩空气经气闸和井筒输入工作室，当压力相当于刃脚处水头时，工作室内积水被排出，施工人员就可以进入工作室，在气压（23个大气压，视沉箱下沉深度而定）下进行挖土。挖出的土通过井筒提升，经气闸运出。这样，沉箱就可以利用其自重下沉到设计标高。沉箱的主要缺点是对施工人员的身体有害（易得沉箱病），工效很低。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,4复式基础复式基础（complex foundation）指由一些常见基础通过组合而形成的深水基础结构。例如沉井加管柱基础（可用于水下软弱覆盖层很厚的情况）、沉井加钻挖桩基础（当土层中含有大颗粒的卵石，沉井不易穿透时，可先将沉井下沉到最大可能深度，然后在井壁的预留孔内，钻挖成桩，直至持力深层）、双壁钢围堰加钻孔灌筑桩基础（钢围堰逐段接高下沉，在水中形成工作空间，然后钻孔）等。图7.50所示为我国九江大桥正桥基础中采用的双壁钢围堰加钻孔灌筑桩基础形式。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,锁口钢管（板）桩是指由焊接钢管（板）相互扣接形成的桩壁，其可用于港口内壁或防波堤，也用于建筑基础工程或桥梁基础。见图7.51，钢管（板）之间的扣接方式多样，可在水中形成环形或矩形空问，抽干该空间内的水，就可着手基础施工。施工完成后，还可通过水下切割，回收一部分桩壁材料。这种辅助基础施工的主要特点有：设计经济合理，对水平和垂直荷载的支撑强度高，适用大部分地基情况，容易调整桩壁高度，易于施工和缩短工期，阻水效果好等。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,三、明挖扩大基础的设计与计算基础的设计与计算方法与基础形式有很大关系，浅置基础与深基础的计算原理明显不同，深基础的计算一般较复杂。以下仅介绍明挖扩大基础的设计计算方法。明挖扩大基础的设计过程是，首先确定基础的埋置深度；其次拟订基础尺寸，包括基础厚度、平面尺寸和立面分层尺寸；然后进行地基和基础各项验算。基础的验算内容包括地基强度验算，基底合力偏心距验算，基础的整体稳定性（倾覆、滑动）验算。对超静定桥梁结构，还应进行地基沉降景，相邻基础沉降差，地基不均匀沉降等验算。验算所用荷载应取最不利荷载组合值。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,1基础埋置深度的确定确定基础的埋置深度是基础设计中的重要步骤，它涉及结构物建成后的牢固、稳定及正常使用问题。在确定基础的埋置深度时，必须考虑把基础设置在变形小而强度又较高的持力层上，以保证地基强度满足要求，而且不致产生过大的沉降或沉降差。此外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。确定基础的埋置深度时，必须综合考虑地基的地质、地形条件，河流的冲刷程度，当地的冻结深度，上部结构型式，以及保证持力层稳定所需的最小埋深和施工技术条件等因素。对于某一具体工程来说，往往是其中一、两项因素起决定性作用，所以设计时，必须从实际出发，抓住主要因素进行分析研究，确定合理的埋置深度。铁路和公路桥规均对埋置深度有具体规定。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,2基础的验算内容(1)地基强度验算地基强度验算应保证基底发生的应力不超过地基持力层的强度（地基容许应力），对持力层下的软弱下卧层，也应验算其强度。其验算式可表达为当min0时，应按应力重分布重新计算max值，参见上一节墩台的设计计算部分。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,(2)基底合力偏心距验算限制基底合力偏心距的目的，在于尽可能使基底应力分布比较均匀，避免应力分布相差过大和基础产生较大的不均匀沉降，致使墩台发生倾斜而影响正常使用。其验算式可表达为非岩石：恒载时合力重心尽量接近基底截面重心 恒、活、制动力时岩石基础：恒、活、制动力时（硬岩）（其它岩）,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,(3)基础倾覆稳定性验算基础的倾覆稳定性可按下式计算,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,上式可转化为 的形式，式中 为所有外力的合力的竖向分力对基底形心轴的偏心距。-倾覆稳定系数容许值，对不同的荷载组合，其值在1.21.5，按桥规采用。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,(4)滑动稳定性验算基础的滑动稳定性可按下式计算-滑移稳定系数容许值，其值为1.3，对施工临时荷载取1.2。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,(5)基础的沉降量验算对于超静定桥梁结构，当有必要时，应验算基础沉降量。其验算式为超静定桥梁结构应考虑由于基础不均匀沉降引起的附加内力。,第七章 桥梁支座、墩台与基础,桥梁工程,第三节 桥梁基础,