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第八章墩基础第一节墩基础的类型与特点一、墩的类型墩的类型较多．可根据墩的受力情况、墩的体型与施工方法进行分类。(一)按受力情况分类墩作为深基础，主要用于承受上部结构物传来的竖向压力及水平力、而较少用于抗拔情况。按传递上部压力荷载的方式，墩可分为摩擦墩与端承墩两种基本类型，如图1(a)(b)所示。当墩以承受水平荷载为主时，称水平受力墩，如图1(c)所示。(二)按墩体形状分类墩的截面形状多是圆形，而墩身轴向截面形状及墩底形式有许多类型。1．墩轴向截面形状墩按轴向截面形状不同可分为柱形墩、锥形墩与齿形墩三种类型。柱形墩的截面尺寸及形状不随深度变化，如图2(a)所小。柱形墩因其形状简单、施工方便、设计计算较简单而得到广泛的应用。锥形墩截面形状随深度不变而尺寸则随深度呈线性变化，因而墩的受力状态较好，但其成孔施工较柱形墩复杂(图2(b))。图2(c)所示为齿形墩的两种形式。齿形墩由于沿墩身没有倒置的台阶，故可以加大墩的侧壁阻力，主要适于墩侧面有较硬的黏土层的情况，但此种情况应用较少。图1按受力情况分类图2墩按轴向截面形状分类2．墩底形式墩底形式主要取决于墩底岩土的承载能力及墩底荷载大小。如图3(a)所示，直底墩墩端尺寸与上部墩身尺寸相同。这种墩常见于墩底为坚硬土层或岩层、墩承载力较易满足要求的情况。为了使墩端承担更大的荷载，常在墩底土较硬的情况下，将墩底部尺寸加大，形成扩底墩．如图3(b)所示。当墩底支承于岩层上，为使墩底牢固、防止水平荷载导致墩底滑动而将墩端部嵌入岩层．形成嵌底墩．亦称嵌岩墩，如图3(c)所示。图3墩底形式(三)按施工方法分类墩的施工方法除用混凝土浇制墩体外，主要指墩的成孔方法与孔壁支护方法两个方面。1．成孔方法墩由于其截面尺寸较大，故不能打入而只能通过在地基中成孔制作而成。墩按成孔方法分类有钻孔墩、挖孔墩及冲孔墩三种。钻孔墩是使用带有大型钻头的钻机在土、岩层中钻孔而成的墩．其应用较广泛。挖孔墩则有人工挖孔与机械挖孔之分，一般成孔截面较大而深度较浅，其应用也较多。冲孔墩是使用冲击钻钻头冲击土层或成孔的墩．多在较特定条件下应用。2．孔壁支护墩按成孔护壁支护情况可分为无护壁墩和有护壁墩两种类型。在成孔过程中及成孔后，孔壁无需保护而直接浇筑混凝土形成的墩为无护壁墩．如图4(a)；这种墩主要适用于上部土层较好而且不易坍塌的情况。护壁墩即在施工过程中对孔壁加以支撑，以防止土体塌落或地下水流人孔内。护壁按具体情况可采用钢筒、木板、砖石或砂土等材料，见图5。(四)按钢材布置情况分类当墩内使用钢材作为墩体的加劲材料时，按钢材的类型及布置情况，墩可分为钢筋泥混凝土墩(图6(a))、钢套筒墩、和钢核墩三种。钢筋混凝土墩的配筋与一般灌注桩的配筋类似，而钢套筒墩和钢核墩多采用成品钢管或型钢．故钢材用量较大，主要适用于墩身受力很大，需很大比例布筋的情况。图4有无孔壁支护分类)图5按钢材布置情况分类二、墩基的特点在地基基础工程方案规划过程中．必须掌握墩基的工程特点，以便合理地选用墩基。墩基与桩基等其它深基础相比，主要有以下几方面的特点。(1)墩基具有很高的承载能力。当上部结构传来的荷载大而集中、基础平面布置受场地条件限制时，单墩基可代替群桩和承台。相应地，单墩基的质量要求较高．一但出现质量事故，对整个建筑物造成的危害将很严重。(2)在较密实的砂层、卵石层地基中，打桩很困难，而墩基则较易于施工。在打桩会造成相邻建筑物因振动及土的隆起而损坏、或造成先打人桩的侧移及向上浮起等不利现象时，墩基施工常可避免这些问题。但是，墩的深层成孔施工也会引起地基因卸荷而位移．给附近建筑物及设施带来不利影响。(3)墩基施工对环境影响小；与沉井、沉箱等深基础相比，墩基施工一般只需经型机具，在适当的地基与环境条件下，有较大的经济优势。墩基的施工没有像打桩那样强烈的噪音，可以减轻噪声公害。墩成孔施工中遇到地下水位下的砂层可能引起流砂等现象，应特别注意。(4)墩基不但有较高的竖向承载力，也可承受较大的水平荷载。扩底墩还可抵抗很大的上拔力。(5)墩身截面尺寸较大，便于在成孔后检查墩底持力层与墩侧面土层的土质情况，对勘察与设计结果进行核实。另一方面，墩的混凝土浇筑量较大，必须更仔细检查施工质量，而且不利天气条件会影响墩的施工进度与检查工作。第二节墩基础的承载力与变形计算墩的承载力包括竖向抗压承载力、抗拔承载力与水平承载力三方面。墩的变形主要包括墩的沉陷与水平位移。墩的承载力与变形受很多因素影响，其机理也很复杂，故目前尚无很完善的分析方法。本节仅介绍墩的承载力与变形估算的一些基本原则和方法。一、墩的竖向抗压承载力确定墩竖向抗压承载力的方法与桩承载力确定方法类似．主要有四类．1、墩载荷试验方法；2、经验公式方法；3、理论公式方法；4、墩身材料强度方法。(一)按载荷试验结果确定墩的承载力按墩载荷试验结果确定墩的承载力是工程实践中最常用的主要方法之一，也是公认的最可靠的方法。对于重要工程，必须进行墩的现场载荷试验。墩的载荷试验方法与单桩的载荷试验方法类似。根据墩荷载沉降性状的特点扣墩基设计原则，确定墩的承载力通常有两种具体做法，即安全系数法和容许变形法。1．安全系数法根据墩的竖向荷载Q与沉降s的关系曲线特征，先确定出墩的极限承载力Qu，然后将其除以一安全系数k，得到墩的承载力特征值R，即R＝Qu／k式小k—竖向承载力安全系数、—般可取2。2．容许变形法当按变形控制原则进行墩基设计时，可在墩的荷载沉降关系曲线Q—s，按容许变形值[s]选取相应的荷载作为墩的承载力Ra。墩的容许变形值[s]的取值，应根据工程的重要性及结构物对变形的没计要求选择。参考国内外工程经验、对直底墩，可取[s]＝l0—25mm，对扩底墩，可取[s]＝l0—15mm。(二)按经验公式确定墩的承载力特征值墩的承载力经验公式与桩类似。在工程实践中，有极限承载力经验公式与承载力特征值经验公式之分，但其形式相同，只是公式中的墩侧阻力与端阻力参数值不同。下面介绍极限承载力经验公式(参见图2(a)及(b))。niisuipbubulqUqAQbuq——墩底土层极限阻力值;Ab—墩底面积；pU—墩身截面周长，m；il——扩大墩端以上第i层土内的厚度，suiq一第i层土极限侧阻力值，kPa上式中墩端阻力参数buq及侧阻力参数suiq应按试验确定，亦可根据地区经验参照条件类似的其他地基的情况确定。作为工程经验公式，其精度较低．一般只在初步设计阶段用于估计墩的承载力特征值采用，对于重要墩基工程不应单独采用。(三)按理论公式计算墩的承载力按土的极限平衡理论，墩的竖向极限承载力：QU＝Qbu十Qsu式中Qbu——墩底极限承载；Qsu——墩侧壁极限摩阻力，kN；对于墩底下为较硬土层时，可按整体剪切破坏计算墩基极限承载力：(四)按墩基材料强度确定墩的承载力置于坚硬土层或岩层上的墩，其承载载力由墩身材料强度控制，设计应保证外荷载作用下满足墩身材料强度要求，即Ra＝(A-Ag)fc+Agfg式中Ra——墩坚向承载力特征值．kN；A一墩身截面积；Ag——墩身截面内加劲钢材截面积；fc—混凝土轴心抗压强度设计值；fg—钢材抗压强度设计位，kPa。按上式确定的承载力只是轴心受压情况。二、墩的沉降估算墩的沉降一般由三部分组成：S=Sp+Sb+SsS——墩顶沉降量；㎝Sp——墩身轴向压缩变形，㎝；Sb——墩底土层压缩变形，㎝：Ss——墩端下沉渣压缩变形，㎝墩身的压缩变形可认为是弹性变形，在已知墩端荷载及墩身侧摩阻力分布条件下可按材料力学方法计算。墩底土层的压缩变形通常按分层总和法计算，参见有关上力学书籍。墩底沉渣压缩变形，一般可根据沉渣厚度、密度情况按薄压缩层计算或按经验估算；由上述可见，不同类型的墩，其沉降也不同。较长的墩，其轴向压缩较大；岩层上的墩，尤其是嵌入硬质微风化或新鲜岩层中的墩，岩层的压缩可能很小而可忽略不计；在成孔中可能造成的孔壁塌落或孔底残余土体，会对墩的总沉降量有较大影响，故在沉渣情况不明的情况下，墩的沉降估算必须格外慎重。另外，墩的沉降计算，尚缺乏比较准确的方法．必要时应通过现场原位试验来测定墩在工作荷载下的沉降。三、墩的抗拔承载力墩的抗拔力可用下式表示：Tu=Tun+G式中Tu——墩的极限抗拔承载力，kNTun——墩的净极限抗拔力，kN；G——墩体的有效自重，kN：墩的净极限抗拔力应主要通过墩的抗拔试验来确定。对于不同类型、不同上质条件的墩，其净抗拔力的理论计算模式及方法有所不同。直底墩的净抗拔力一船可参照单桩抗拔力计算方法计算；扩底墩由于墩头扩大，使得其抗拔破坏的模式与直底墩沿墩壁外土体产生剪切破坏的模式不同，故其计算方法由于考虑扩底顶面带动—部分土体破坏的机理而比较复杂，扩底墩抗拔力要比同样条件下的直底墩的抗拔力高，与墩的扩底尺寸、形状以及深度有关。图、直底墩（a）与扩底墩（b）抗拔破坏模式第三节墩基础设计要点一、设计依据与原则墩基设计的依据主要指建筑物或构筑物的结构形式及特点、场地与地基的工程地质条件、荷载的类型、量级及组合、墩基承载力与沉降的设计控制的准则等。墩基方案的确定，应在考虑上述条件并充分结合墩基的特点与施工方法的基础上进行。墩的体型大、承载力高而刚度大等特点，使得其在很多情况下单独工作或少数单墩共同工作，因而在墩位布置、墩承载力与变形计算等方面较群桩基础有简便性，同时．每个墩承担的风险也较群桩中的一根桩大而集中。因此，墩基的设计必须对每一根墩的具体条件来进行。墩的工作性状与墩施工的方法、工艺密切相关，因此，墩的设计应紧密结合墩的施工技术、施工条件进行。在方案设计阶段．就应充分考虑到每一根在具体土层条件、施工环境下可能存在的问题(如墩端岩土层与勘察结果不符、墩侧土层塌落、地下水涌入墩孔等)．并相应地做方案的调整或补救措施。二、墩基础设计步骤及内容在桥梁基础方案规划确定了墩基方案后，墩基的具体设计步骤及内容：(1)选择墩的类型和施工方法；成孔方法(2)墩的尺寸拟定。(3)墩的承载力特征值与变形计算。(4)墩基础本身的配筋、加劲材料的设计计算与墩身护壁结构设计，并绘制施工图。(5)提出对施工力法、质量检测等工作的意见和建议。第四节墩基础施工要点墩基础的施工程序(一)清整场地清整场地是施工的前期准备工作。对于进场道路、物、整场，安排施工临时建筑物、设施，以便正式施工。(二)放线定位在整平的施工场地，按设计要求放出建筑物轴线及边线，在设计墩位处设置标志即定位。(三)成孔施工墩基成孔方法有钻孔和挖孔、人工或机械挖孔墩在某些条件下，灌注桩成孔不用钻机而用人工或机械挖掘的主要条件是：(1)地质条件较好，没有淤泥、流沙等严重不良情况；(2)地下水位甚低或地层渗水量甚少，例如风化红砂岩；(3)缺乏钻孔设备，或不用钻机以节省造价。在上述适当条件下挖孔桩比灌注桩有更多的优点：(1)施工工艺和设备比较简单，只用护筒、套筒或简单模板，简单起吊设备如绞车，必要时没潜水泵等备用，自上而下，人工或机械开挖；(2)质量更好不卡钻，不断桩，不塌孔，绝大多数情况下无须浇注水下混凝土，桩底无沉淀浮泥；易于扩大桩尖，提高桩身支承力；(3)速度更快由于护筒内挖土方量甚小。进尺比钻孔为快，而且无须重大设备如钻机等．容易多孔平行施工，加快全桥进度；(4)成本更低比灌钻孔可降低30％—40％。原来挖孔桩是在旱地施工墩台的基础上发展起来的，用于大桥的边滩、引桥，以及城市跨线桥、立交桥最为有利。城市桥用挖孔桩除了可以节省钻机机具外，还可以避免钻机的噪声污染和泥浆对街道环境的污染。以后逐渐发展到水中也采用挖孔桩，直径也由1.0m—1．5m发展到4—6m，深度由小于10m发展到大干20m，并由小直径的挖孔实心桩发展到大直径的挖扎空心桩。挖孔桩还用来处理一些钻孔桩施工过程出现的事故。下面分别叙述各种情况下的施工方法，并给出—些实例。旱地挖孔墩施工方法大体可分为如下三种方法：1．孔口护筒法土质较好、可以直立、深度较浅情况下可以采用，如在西北干旱和黄土地区。护筒宜略高出地面10—15cm，除保护孔口不致坍塌外，还用以防止表面水或地面泥土、杂物等滑落孔中。2．全深护筒