桥梁基础工程-浅埋基础

第2章明挖基础2.1概述（1）基本形式明挖基础亦称扩大基础或浅埋基础。（2）材料片石（块石）片石混凝土素混凝土钢筋混凝土（特殊情况下采用）（3）特点形式简单，施工方便，造价低。矩形圆端形圆形八角形T形基础底面强风化泥岩（）中风化泥岩（）桥墩基础桥台基础明挖基础2.1.1设计内容及程序（1）确定基础圬工类型及立面形式。（2）拟定基础的埋置深度和基础的平面尺寸。（3）进行荷载计算及荷载组合。（4）进行受力及变形检算。包括：•基础强度（刚性角）；•地基强度（持力层和软弱下卧层）；•基础倾斜（偏心距）；•抗倾覆及滑移稳定性；•沉降、沉降差（拱桥、连续梁等超静定结构）；•抗滑稳定性（建于斜坡时）；2.1.2设计所需资料（1）线路、桥梁及墩台资料；（2）地形资料；（3）水文、气象资料；（4）工程地质资料；（5）其他资料：工期、设备、技术条件等。2.1.3构造要求1.材料混凝土：≥C15；浆砌片石或块石：石料≥MU40，砂浆≥M10。•设计规范《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5-2005）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）2.基础厚度的确定•要求襟边襟边1≤[1]（沿纵、横方向）桥墩基础•目的刚性角[]保证基础有足够的厚度，从而不发生“弯曲”和剪切破坏。各层高度≥1m2≤[2]（沿纵、横方向）（顶层台阶）（非顶层台阶）•混凝土基础的刚性角要求（1）单向受力基础（不包括圆端型桥墩的矩形基础）1≤45o2≤45o1≤35o2≤45o（2）其他情况纵、横向襟边相等纵、横向襟边不相等其中，纵、横向襟边不等时，要求：eb2.2基础埋置深度的确定原河床面一般冲刷线局部冲刷线基础的埋置深度是指基础底面至设计地面或一般冲刷线的铅垂距离。（1）基础应保证一定的埋深，不使外界各种不良因素对基础产生较大的影响。（最小埋深）•确定基础埋深的基本原则（2）基础应置于较好的土层上，在保证地基满足承载力、沉降变形等要求的前提下，可减小基础的尺寸，节约材料。但同时还应考虑埋深不应太大，避免开挖施工的不便和工程量的增大；埋深H一般冲刷深度局部冲刷深度总冲刷深度2.2.1基础的最小埋深即保证基础不受外界不良因素（河流冲刷、季节性冻融、人及动物活动等）影响的最小埋置深度。1.保证地基持力层的稳定性《铁路桥规》：埋深不小于2m（特殊情况下不小于1m）。2.河流冲刷的影响冲刷总深度/m（一般冲刷深度+局部冲刷深度）05101520安全值/m一般桥梁2.02.53.03.54.0特大桥（或大桥），属于技术复杂、修复困难或重要者设计频率流量3.03.54.04.55.0检算频率流量1.51.82.02.32.5基础埋深安全值（位于总冲刷线以下的深度，《铁路桥规》）洪水对桥墩基础的冲刷潜水检查冲刷程度抛石以减轻冲刷2002年6月9日下午3时，西安市灞河发生洪水，在575m3/s的洪峰作用下，陇海铁路灞河大桥的4#、3#、5#、2#、1#桥墩相继倒塌，造成约150m的桥梁断裂坍塌，轨排扭曲悬空，致使陇海铁路大动脉中断。大桥坍塌的主要原因之一就是灞河下游多年的非法采砂。采砂改变了灞河河床的自然坡度及水流形态，加快了河床下切速度，河床下切对大桥带来的直接影响是，桥墩基础越来越浅，下切的河床使桥墩基础逐渐悬空并失去支撑。3.季节性冻土冻胀和融沉的影响基础底面应埋置在天然最大冻结线以下一定深度。《铁路桥规》：冻胀、强冻胀和特强冻胀土应在冻结线以下不小于0.25m；弱冻胀土，不应小于冻结深度。《公路桥规》maxminhzdd0zzzfzgzezwzsd基础底面下容许最大冻层厚度设计冻深标准冻深土的类别土的冻胀性环境地形坡向基础对冻深的影响系数2.2.2基础埋深的确定在最小埋深以下各土层中找一个埋得较浅、压缩性较低、强度较高的稳定土层作为持力层。影响因素：土的类别、冻前天然含水量、地下水位低于冻结线的最小距离、平均冻胀率。2.3基础上的荷载计算主力附加力特殊荷载《铁路桥规》（荷载发生频率）：永久作用可变作用偶然作用《公路桥规》（荷载发生频率）：2.3.1主力主力是永久性或经常性作用的荷载，包括恒载和活载两部分。主力恒载活载结构构件及附属设备自重恒载土压力浮力混凝土收缩和徐变的影响列车竖向静活载离心力活载土压力横向摇摆力•《铁路桥规》1.恒载（1）结构构件及附属设备自重；（2）恒载土压力（3）浮力（4）混凝土收缩和徐变的影响桥台：库仑主动土压；桥墩：静土压（分析滑动稳定性时）。基底土、岩层透水时考虑。按降低温度的方法计算。2.活载（1）列车竖向静活载“中－活载”（普通铁路）ZK标准荷载（高速铁路）中华人民共和国铁路标准荷载•采用“中－活载”计算桥墩基础时的常用加载图（最不利受力）单孔重载单孔轻载双孔重载1.51.51.51.51.51.51.5220220220220220kN92kN/m80kN/m250250250kN特种荷载普通荷载30•活载双孔空车活载92kN/m5X220kN92kN/m5X220kN92kN/m5X220kN80kN/m10kN/m(a)(b)(c)(d)x检算墩检算墩检算墩检算墩0.81.61.61.60.84×200kN64kN/m“中－活载”（普通铁路）ZK标准荷载（高速铁路）单孔重载：水平制动力最大，支座反力最大。单孔轻载：水平制动力最大，而支座反力最小。双孔重载：墩上竖向合力最大，水平力可能最大。双孔空车：水平力大，竖向力小。双孔满载：水平制动力最大，竖向合力接近最大。•加载效果（“中－活载”）1）纵向验算时2）横向向验算时双孔满载：风力、列车摇摆力大，竖向力最大。桥上无车：风力大，竖向力小。离心力指列车在曲线上产生的倾向曲线外侧的水平力。（2）离心力2()127vFfNR2()127vFfqR集中荷载分布荷载行车速度曲线半径竖向荷载折减系数集中荷载分布荷载（3）列车活载产生的土压力h0B0台背列车荷载折算为土柱后，按库仑主动土压力计算。单位换算系数（4）列车摇摆力列车蛇行运动、机车各部分产生的动力不对称作用等原因使列车在行进中发生左右摇摆，产生作用于轨面的横向摇摆力。一般取为100kN，作为一个集中荷载取最不利位置，以水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。2.3.1附加力非经常性作用的荷载，一般多是水平方向。附加力制动力或牵引力风力流水压力冰压力温度变化的作用冻胀力（1）制动力或牵引力列车制动或启动时对桥梁产生的水平力。1）按列车竖向静活载的10%（与离心力同时计算时，按7%）计算。2）计算桥墩基础时作用在轨顶以上2m，墩台时支座中心，计算台顶活载时移到轨底。3）对简支梁桥，传至墩台上的力通过固定支座为全孔的100%，滑动支座为50%，滚动支座为25%。（2）风荷载0321WKKKW风荷载强度基本风压206.11vW计算风速体形系数高度变化系数地形、地理条件系数•桥上有车时取0.8W。2007年2月28日2时05分，乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车因大风（13级）脱轨，造成3名旅客死亡，34名旅客受伤。（3）流水压力22wvPKAg流水压力桥墩形状系数桥墩阻水面积计算流速h/32h/3计算时采用的水位线一般冲刷线水流方向b1b22.3.3特殊荷载出现几率极小的荷载。船只（排筏）撞击力汽车撞击力施工临时荷载地震力列车脱轨荷载长钢轨断轨力附加力武汉长江大桥自1957年建成以来，被撞近百次。2011年6月6日，遭万吨级驳船撞击。2007年6月15日，“南桂机035”运沙船从佛山高明开往顺德途中偏离主航道，触碰九江大桥非通航的桥墩，造成九江大桥3个桥墩倒塌，约200m桥面坍塌，“南桂机035”运沙船沉没，4辆汽车坠入河中，并造成9人失踪。2.3.4荷载组合指所有可能以最大值或较大值同时出现的荷载。主力组合主力+附加力主力+特殊荷载荷载组合•最不利荷载组合活载的加载图式对基础设计检算项目的最不利荷载组合起控制性作用。（2）基底偏心距和基底稳定性：单孔轻载（竖向力最小，纵向力矩较大）；（1）基底压应力：单孔重载或双孔重载（纵向力矩或竖向力较大）；（3）基底偏心距和基底压应力（曲线桥）：双孔重载（支点反力和离心力最大）。2.4浅基础的设计计算确定基底尺寸浅基础设计地基结构承载力沉降稳定性持力层软弱下卧层确定基础高度满足刚性角要求2.4.1地基承载力验算1.持力层强度检算•要求max[]主力组合：主力+附加力：max1.2[]地基容许承载力主力+特殊荷载：max(1.2~1.4)[]maxminyixxyMNMAWW•基底压应力计算弯矩基底的截面模量基底面积竖向荷载•容许承载力[]的计算基底以下01122[]23kbkh（）（）由地基（基底以下）土确定容许承载力基本承载力宽度修正系数深度修正系数2m10mb3mh基底以上一般冲刷线bγ(h+z)α(σh-γh)hzN2.软弱下卧层强度检算•埋深h（1）无冲刷时：自天然地面算起。（软弱下卧层顶面处的）()[]hzhzhhzqh总的竖向应力自重应力附加应力容许承载力（2）有冲刷时：自一般冲刷线算起。附加应力系数•基底压力h的确定方法z/b（z/d）1:取基底的平均压力1:取距max边b/4~b/4处的压力值2.4.2基底偏心距检算•目的（1）避免基底与地基土层脱离；（2）避免基底压力两端应力相差过大，造成两端沉降相差太大，使墩台发生过大倾斜。[]iiMeeN•要求•核心半径/WA地基及荷载情况建于非岩石地基上的墩台，仅承受恒载作用时合力的作用点应接近基础底面的重心建于非岩石地基（包括土状的风化岩层）上的墩台，当承受主力加附加力时桥墩与土的基本承载力200kPa的桥台1.0土的基本承载力200kPa的桥台0.8墩台承受主力加特殊荷载（地震力除外）时非岩石地基土的基本承载力200kPa1.2土的基本承载力200kPa1.0岩石地基硬质岩2.0其他岩石1.5偏心距容许值（《桥规》，部分）2.4.3稳定性检算1.倾覆稳定性0iiiiisNsKNeHhe稳定力矩=倾覆力矩倾覆稳定系数≥1.5≥1.3（临时施工）h2e1e2H1H2ResN1N2esAAsePOONAAAAOPes检算截面h12.滑动稳定性icifNKH基底与土层间的摩擦系数Kc≥1.5Kc≥1.3（临时施工）2.4.4沉降检算（1）在确定地基容许承载力时，已考虑到了对沉降的控制。（2）《铁路桥规》采用恒载，《公路桥规》采用恒载+汽车+人群。1.沉降容许值（铁路）静定结构超静定有砟桥面明桥面沉降(mm)沉降差(mm)沉降(mm)沉降差(mm)沉降差桥规80404020根据沉降对结构产生的附加应力的影响而定200km/h规定50202020300~350km/h规定3015205•《铁路桥涵地基和基础设计规范》•《新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定》•《新建时速300~500公里客运专线铁路设计暂行规定》墩台总沉降量与墩台施工完成时的沉降量之差niiiiisizsniisCzCzEmSmS1111)()0(2.计算方法（分层总和法）沉降计算深度内的土层数基底处的附加压应力(0)zhh经验修正系数第i层土的压缩量压缩模量zi范围内的附加应力系数平均值第i层土底到基底的距离第i层土顶到基底的距离Ci-1CiCnznzizi-1hAABBbi-1inΔzC（1）计算公式siiisEAAE（2）沉降计算深度的确定Ci-1CiCnznzizi-1hAABBbi-1inΔzCn10.025niiSS（3）沉降修正系数ms的计算方法z的压缩量n层土的总压缩量地基压缩模量当量值第i层土的平均附加应力系数面积上式实际是各层土压缩模量的倒数对其应力系数面积的加权平均值，反映其对沉降的贡