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1、2009年桥三室系列讲座（三）铁路桥梁基础设计 2009年05月,目 录,一、概述二、初步确定基础形式三、冲刷计算四、基础设计（一）、基础构造要求（二）、基底外力计算（三）、明挖基础验算内容（四）、桩基础验算内容（五）、常用的几种特殊基础（六）基础配筋设计五、施工方法六、关于铁路桥梁工程师,一、概述,常用的基础形式主要有明挖基础和桩基础，沉井基础在少数情况也会用到，基础的设计包括确定基础形式、冲刷计算、基底外力计算、基础验算等内容。,初步确定基础的形式，需要综合考虑地质条件、墩台高度、冲刷深度等因素，基础顶面一般不露出地面，基础开挖深度一般不大于6m。旱桥或不考虑水流冲刷作用的墩、台，地面以下
2、持力层承载力较好时，可采用明挖基础，基础层数以13层为宜；地基情况较差，没有放置明挖基础的持力层时，则采用桩基础，桩基础位于比较陡的斜坡面上时，为了减少基坑开挖量，承台可以部分高出地面，但出露部分一定要用浆砌片石护砌，并在计算桩基时考虑考虑其不利影响，以保证安全。有冲刷的墩、台，当冲刷总深度不大时，可采用明挖基础，非岩石地基基底埋置深度应符合铁路工程水文勘测设计规范第3.6.8条的规定，岩石地基基底埋入岩石的深度，需根据岩石的坚硬程度，胶结物类别，风化程度，节理、裂隙、层理发育情况等分析确定。当冲刷深度较大时，则只能采用桩基础，桩径和桩数根据梁跨组合情况、墩台高度、地质条件拟定，如果条件允许，
3、水中墩还可以设计为高桩承台。,二、初步确定基础形式,高桩承台示意图,三、冲刷计算,位于河流中的墩、台，首先应进行冲刷计算，然后才能对基础进行验算。墩、台的冲刷一般按河槽、河滩分别计算，河槽和河滩部分通过的设计流量分别按铁路工程水文勘测设计规范之公式(3.6.2-2)及(3.6.2-4)计算，如果桥下河流不能区分明显的滩、槽，可都按河槽计算。非粘性土河床河槽部分和河滩部分一般冲刷深度分别按铁路工程水文勘测设计规范之公式(3.6.2-1)及(3.6.2-3)计算。粘性土河床河槽部分和河滩部分一般冲刷深度分别按铁路工程水文勘测设计规范之公式(3.6.3-1)及(3.6.3-2)计算。,桥台一般只计算
4、一般冲刷，对于桥墩，还应计算其局部冲刷。非粘性土河床桥墩的局部冲刷深度基本计算公式见铁路工程水文勘测设计规范之 (3.6.6-1)及(3.6.6-2)；粘性土河床桥墩的局部冲刷深度基本计算公式见铁路工程水文勘测设计规范之 (3.6.7-1)及(3.6.7-2)。如果一般冲刷线低于承台底面，桥墩的局部冲刷应按铁路工程水文勘测设计规范附录G的公式计算。一般冲刷至岩层时，按岩石河床局部冲刷公式计算。冲刷计算是一个反复试算的过程，先要假定冲至某一土层，按该土层的特性计算冲刷深度，如果计算结果与假定一致，说明假定正确，否则，应重新假定，重新计算。,四、基础设计,（一）、基础构造要求明挖基础可以为单层或多
5、层，每一层的厚度不小于1.0m。混凝土基础襟边构造要求如下图所示，最上一层基础台阶两正交方向的坡线与竖直线所成的夹角不大于35，需要同时调整最上一层台阶两正交方向的襟边宽度时，其斜角处的坡线与竖直线所成的夹角不得大于上述两正交方向为35夹角时斜角处的坡线与竖直线的夹角，其它各层台阶正交方向的夹角不大于45。,明挖基础刚性角示意图1,圆端形截面的桥墩，明挖基础襟边平面见下图，a为35刚性角的襟边，调整纵横向襟边尺寸为c和d时，其中c的刚性角为3545，d的刚性角应小于35，并且e b。,明挖基础刚性角示意图2,陡坡岩石地基基础设置,位于陡坡上岩石地基中的明挖基础，埋置深度应考虑岩层节理、承载力、
6、有无不利走向、倾角等因素，基底外缘至岩层安全线的最小水平距离a，对于硬质岩，视其节理发育程度及地面线倾斜程度而定，一般不小于23m，对于软质岩，视其风化破碎程度及地形条件而定，一般不小于35m。,墩、台需要采用桩基础时，一般为钻孔桩或挖孔桩，少数情况也会用到打入桩。钻孔桩可用于土层或岩层，设计桩径一般采用0.8m、1.0m、1.25m、1.5m或更大桩径；挖孔桩适用于无地下水或少量地下水的土层或岩层，桩入土深度不宜大于10m，桩径或边宽不小于1.25m，防护措施采用1015cm厚度的混凝土护壁。承台刚性角构造要求如下图所示，圆端形截面的桥墩角桩的扩散角应不大于45。,承台刚性角示意图,四、基础
7、设计,（一）、基础构造要求明挖基础可以为单层或多层，每一层的厚度不小于1.0m。混凝土基础襟边构造要求如下图所示，最上一层基础台阶两正交方向的坡线与竖直线所成的夹角不大于35，需要同时调整最上一层台阶两正交方向的襟边宽度时，其斜角处的坡线与竖直线所成的夹角不得大于上述两正交方向为35夹角时斜角处的坡线与竖直线的夹角，其它各层台阶正交方向的夹角不大于45。,打入桩在承台板底面处桩的中心距不小于1.5倍桩径，桩尖中心距不小于3倍桩径；钻（挖）孔摩擦桩中心距不小于2.5倍成孔桩径，钻（挖）孔柱桩中心距不小于2倍成孔桩径，钻（挖）孔桩的最大中心距不大于2倍的承台厚度。承台板边缘至最外一排桩的净距，当桩
8、径d1.0m时，不得小于0.5d，且不得小于0.25m；当桩径d1.0m时，不得小于0.3d，且不得小于0.5m。（二）、基底外力计算计算基底中心或者承台底中心的外力是将基顶截面外力移至基底中心，并组合基础各项荷载，各项荷载计算至基底中心。1襟边土重计算基础襟边土柱重时，比较简便的是分块计算，分基顶以上和基顶以下两部分，再分前、后、左、右几部分计算。,2基础自重基础自重按明挖基础或承台尺寸计算即可。3基础土压力对于桥台，需要计算基础后恒载土压力及活载土压力，如果在地震区，还要计算基础后恒载地震土压力。基础后土压力按直墙背计算。对于位于斜坡上的桥墩，如果基础承受侧土压力，应按主动土压力计算其侧土
9、压力。基底中心外力的组合与上部的墩、台一致，只是增加了基础的各项荷载。（三）、明挖基础验算内容明挖基础需验算以下几项：1基底应力基底压应力不大于地基的容许承载力。对于岩石上的基础，当基底合力偏心距超出截面核心半径时，应考虑计算应力重分布。地基容许承载力提高系数见铁路桥涵地基和基础设计规范第4.2.2条，地震力作用时，提高系数见铁路工程抗震设计规范第4.0.4条。,当基础宽度b大于2m或基础底面的埋置深度h大于3m，且h/b4时，地基容许承载力考虑宽深修正，计算公式见铁路桥涵地基和基础设计规范第4.1.3条。2基底偏心基底偏心按铁路桥涵地基和基础设计规范第5.2.2条的规定验算，地震力作用时，按
10、铁路工程抗震设计规范第7.1.5条的规定验算。3倾覆稳定倾覆稳定按铁路桥涵地基和基础设计规范第3.1.1条的规定计算，倾覆稳定系数不小于1.5，临时施工荷载作用时不小于1.2，地震力作用时不小于1.3。4滑动稳定滑动稳定按铁路桥涵地基和基础设计规范第3.1.2条的规定计算，滑动稳定系数不小于1.5，临时施工荷载作用时不小于1.2，地震力作用时不小于1.1。,5沉降基础底面以下受压土层产生的总沉降量按铁路桥涵地基和基础设计规范第3.2.2条和3.2.3条计算。沉降允许值见铁路桥涵地基和基础设计规范第3.2.1条。6软弱下卧土层压应力基底持力层以下如有软弱下卧土层，应按铁路桥涵地基和基础设计规范第
11、5.2.1条检算该土层的压应力。（四）、桩基础验算内容完成承台底中心外力计算之后，就可以按照铁路桥涵地基和基础设计规范附录D的方法，考虑侧土弹性抗力的作用，计算基桩的内力和稳定性，并进一步验算桩身的强度，这一过程相当复杂，一般借助桩基计算程序来完成。桩基程序需要输入承台和桩的信息、地质参数、承台底中心外力内容，具体详见桩基程序说明。程序计算结果提供了桩顶内力、桩身强度、桩身配筋等内容，根据计算结果判断验算是否满足规范要求、设计是否合理。,软弱土层中的桩基计算时，地基系数的比例系数m和m0取值应适当降低，可按铁路桥涵地基和基础设计规范附录D中表D.0.21值的1/61/2选用。单桩轴向容许承载力
12、分别按桩身材料强度和地基土层的阻力计算，取其较小者。根据地基土层确定桩的容许承载力时，按铁路桥涵地基和基础设计规范第6.2.2条计算，打入桩、摩擦桩及柱桩计算公式各不相同。主力附加力作用时，单桩容许承载力可提高20%；主力特殊荷载时，柱桩可提高40%，摩擦桩可提高20%40%（根据桩底土层的地基容许承载力取值）；地震力时，柱桩可提高50%，摩擦桩可提高20%40%，具体可参见铁路工程抗震设计规范第4.0.4条。,摩擦桩桩底最大轴力为桩顶最大竖向力加上桩身自重与桩身入土部分所占同体积土重之差，柱桩桩底最大轴力为桩顶最大竖向力加上桩身自重，桩底最大轴力不得大于单桩受压容许承载力。各种桩径单桩承载力
13、控制值，1.0m为4000kN，1.25m为6250kN，1.5m为9000kN。桩基础还应按铁路桥涵地基和基础设计规范附录E进行检算。当桩基础底面以下有软弱土层时，需检算该土层的压应力。当桩位于自承台座板顶面处墩台身外缘向下扩散的35角范围内时，可不检算承台座板的强度，否则，应按钢筋混凝土悬臂构件检算强度。（五）、常用的几种特殊基础当基础局部深度不足时，可采用补块形式，补块厚度不超过1.5m，补块角度不超过45。补块圬工与基础分开灌注。,补块基础示意图1,补块基础示意图2,不等长桩示意图,当持力层岩面变化较大，嵌入岩层的柱桩在满足嵌岩深度的前提下，可设计为不长桩。,斜置基础示意图,当桥梁与河
14、流或道路斜角时，如果基础侵入河道或道路，影响到河道过水和道路限界，基础可顺河流方向或道路方向斜置,（六）基础配筋设计明挖基础一般不配置钢筋，如果上部为空心的墩、台，则需要在最上层基础的顶层设置一层钢筋网，钢筋直径20mm，钢筋间距20cm。桩基础承台一般在承台底面桩顶以上配置一层钢筋网，当上部为空心的墩、台时，承台顶面也配置一层钢筋网，钢筋直径20mm，钢筋间距20cm。如果承台刚性角超出规定，应按承台强度检算结果配置承台钢筋，必要时还要配置抗剪钢筋。桩身钢筋根据桩基计算结果配置，主筋直径不小于16mm，净距不小于8cm，配筋率不小于最小配筋率（一般为截面面积的0.5%），可以单根或多根一束。
15、柱桩主筋配至桩底，摩擦桩主筋至少配至计算长度以下2m。地震区的桩基础，桩身需加强箍筋配置，桩顶设置箍筋加密段。,五、施工方法,陆地上基础施工按常规方法，当靠近道路时，采用钢板桩或者挖孔桩防护。水中基础施工一般采用围堰施工，围堰类型主要有填土围堰、草袋围堰、钢板桩围堰、吊箱钢围堰等几种。填土围堰适用于河床水深2.0m以内，流速小于0.3m/s，河床不透水；草袋围堰适用于河床水深2.5m以内，流速小于1.5m/s，河床不透水；钢板桩围堰适用于砂类土层、半干硬性土、碎石类土以及风化岩等地层中；深水基础则要采用吊箱钢围堰。岩石中的明挖基础施工时，基础周围不立模板，将整个基坑灌满混凝土，使基础与岩层连成
16、整体。,六、关于铁路桥梁工程师,铁路桥梁工程师只是工程设计中的一个工具，它的主要作用是简化重复计算过程，避免手工计算的差错，提高设计工作效率，设计者在使用程序时，一定要对铁路桥梁工程的设计流程、设计中需要注意的问题有一个清晰完成的认识。铁路桥梁工程师所包含的内容比较多，实际运用时应注意以下几点：1正确选择工程项目类型程序中的全桥设计、桥台设计、桥墩设计均按线路等级分为：普通铁路、客运专线铁路、高速铁路及城际铁路，其中又有单、双线的区分。普通铁路加载中活载，客运专线铁路既加载ZK活载又加载中活载，高速铁路和城际铁路加载ZK活载，设计者应根据需要选用。,2地质资料及时更新程序中读入的钻孔资料对应于
17、每一个墩台，如果进行了孔跨调整，应修改相应的钻孔资料，以保证基础计算的正确性。3地震参数如果需要计算地震力组合，应正确填写地震参数，抗震设防烈度为7度以上，地震动峰值加速度Ag、地震角、水平地震作用修正系数、水平地震作用沿高度增大系数i用于计算桥台地震力，水平地震基本加速度、地震动反应谱的特征周期Tg用于计算桥墩地震力。4荷载组合荷载组合类型分简明、详细、完全三种，一般方案设计可采用简明组合，如果为施工设计阶段，建议采用完全组合，当地震烈度为7度以上并同时选择了完全组合时，程序会计算地震力组合。,5墩顶外力程序可自行计算简支梁桥墩的墩顶外力，当桥跨为连续梁及其它特殊结构时，墩顶外力可以由设计者输入，程序再对墩身及基础进行验算，墩顶外力分为恒载、单线活载组合、多线组合三个表，其目的是为满足计算地震力的需要。6侧土压力位于陡坡上的桥墩，需要计入侧土压力时，侧土压力的符号应按不利情况输入。对于侧土压力的工况，程序只能检算基础，不能对墩身进行验算。7计算结果设计者应根据设计经验对程序的计算结果进行仔细的分析，确定其是否合理、是否满足要求。,
