桥梁基础课程设计zjyXG.docx

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桥梁基础课程设计zjyXG

土木工程专业

桥梁基础工程课程设计指导书

西南交通大学岩土工程系

2012年4月

目　录

1　前　言

基础工程是土木工程专业的一门专业基础课，在土木工程学科的知识体系中占有重要地位。

基础工程课程的特点在于它以较多的力学课程为基础，以岩土层中的复杂的基础结构为研究对象，涉及到交通、建筑、水电等多个领域，这就决定了课程具有内容杂、概念多和理论较深的特点，加之学时数较少和本科学生普遍缺少工程知识，因此同学们往往感到比较难学。

桥梁基础工程课程教学的主要目标是：

通过课程的学习，使学生掌握明挖基础、桩基础和沉井基础等桥涵常用基础的设计原理及计算方法，了解其施工技术，为今后从事相关土建工程的设计与施工打好基础，并培养学生解决工程问题的能力。

课程设计是同学们由理论学习通往工程实践的一座桥梁，对培养学生的工程意识和解决实际工程问题的能力、理解和掌握所学的基本原理和计算方法、熟悉工程规范等具有十分重要的作用。

基础工程的知识来源于工程实践，反过来又对工程实践具有指导作用。

同学们在本科学习期间参与工程实践的机会十分有限，因而应该重视课程设计带给同学们的动手机会，通过课程设计更好地理解和巩固学习到的各种理论和方法，有意识地培养自己的工程意识和解决实际工程问题的能力。

为帮助同学们更好地完成本次课程设计，下面从课程设计的角度对桥梁基础设计的内容和方法做一个小结。

1．1　桥梁基础设计的目的与任务

一个完整的建筑体系通常由三部分构成，即上部结构、下部结构和地基。

如图1－1所示的桥梁，桥塔、主缆、吊索以及桥面等均属于上部结构，锚锭、桥墩及其下的基础合称为下部结构，承受桥梁荷载并维持桥梁稳定的那部分地层则称为地基。

由此可见地基和基础是建筑体系的重要组成部分。

桥梁基础设计的目的是根据上部结构的使用功能和结构形式在确定的场地条件下选择适宜的地基基础方案并确定其技术细节，使设计的基础在预定的使用期限内和规定的使用条件下能够安全正常地工作，在此基础上满足降低造价和保护环境的要求。

图1－1　桥梁建筑体系示意图

桥梁基础设计的总体目标可以概括为：

安全适用、技术先进、经济合理、确保质量和保护环境。

桥梁基础设计的任务通常包括：

（1）方案设计：

目的是确定桥梁基础的技术方案，包括地基持力层的选取和基础类型的比选。

（2）技术设计：

包括地基检算和基础结构设计两方面，其任务是通过力学计算和结构措施两方面的手段来保证所设计的地基基础满足设计总体目标的要求。

1．2　桥梁基础的设计内容

桥梁基础的设计内容通常包括：

一、收集相关的设计资料

收集的资料通常有：

（1）线路、桥梁及墩台资料。

包括线路等级、线路平面及纵断面设计，桥孔布置，桥跨结构的具体情况，桥跨及其上部附属结构的重量，墩台材料及尺寸等。

（2）地形资料。

包括中线处的河床纵断面、水流方向等。

（3）水文、气象资料。

包括设计频率水位、常水位、施工水位、低水位，设计频率水位和施工水位的流速与流量，冲刷深度，洪水季节和施工季节，当地最大风速、气温及冻结深度等。

（4）工程地质资料。

包括钻孔柱状图、地质剖面图，图上应标明各岩土层的厚度及物理、力学性质、土中有无大孤石、岩面标高及其产状，基岩中有无断层、溶洞、破碎带等不良地质。

（5）其他资料。

包括工期要求，施工设备及技术条件，当地料源、交通、电力等供应情况。

二、初步确定地基基础的技术方案

（1）选择地基持力层。

一般地，当天然地基能满足各项设计要求时，应优先选用天然地基。

持力层的选择及基础埋置深度的确定是一个复杂的问题，应综合考虑多方面的因素确定，在桥梁基础工程的教材中对此已有详细的论述，此处不赘述。

（2）根据水文、地质、地形、沉降控制要求、上部结构、荷载、材料供应和施工条件等决定基础的类型（明挖基础、桩基础和沉井基础等），并初步确定基础的尺寸，选择基础的材料。

（3）根据地质、水文和施工条件等拟定施工方案，如明挖基础的基坑开挖、支护的方案、深基础的施工方法等。

三、桥梁基础的技术设计

（1）采用明挖基础时应进行下列设计和计算：

1）作用在浅基础上的荷载计算；

2）采用最不利荷载组合对地基强度（包括持力层和软弱下卧层）、基底偏心距、基础的倾覆稳定性和滑动稳定性进行检算，必要时还应对基础的沉降和地基的稳定性进行检算；

3）当上述计算不能通过，或设计方案过于保守时调整设计方案，重新进行上述各项检算。

（2）采用桩基础时应进行下列设计和计算：

1）作用在承台上的荷载计算；

2）单桩轴向容许承载力的计算；

3）桩基础的平面分析，计算承台位移、各基桩桩顶的轴向力、横向力和弯矩；

4）检算单桩的轴向容许承载力是否满足要求；

5）检算墩台顶的水平位移是否满足要求；

6）横向荷载作用下单桩的内力和位移计算；

7）检算桩身材料强度是否满足要求，对单桩进行配筋计算；

8）根据桩基础的结构形式和受力情况检算群桩基础的承载力，必要时计算基础的沉降；

9）必要时还需要检算单桩基底最大竖向压应力、单桩侧面土抗力是否满足要求，对不允许出现裂缝或需限制裂缝宽度的混凝土桩身和承台还应进行抗裂或裂缝宽度检算；

10）当上述计算不能通过，或设计方案未达理想状态时调整设计方案，重新进行上述各项检算。

（3）采用沉井基础时应进行下列设计和计算：

1）作用在沉井上的荷载计算；

2）对于施工过程中的沉井基础，需要进行以下检算：

①沉井的下沉能力检算

②刃脚受力计算

③沉井井壁受力计算

④沉井底节检算

⑤混凝土封底及顶板计算

3）对于使用条件下的沉井基础，需要进行以下检算：

①基底压应力检算

②基础侧面水平压应力检算

③墩台顶面水平位移检算

4）当上述计算不能通过，或设计方案未达理想状态时调整设计方案，重新进行上述各项检算。

四、绘制施工图、编制工程概预算

施工图一般应包括全桥总布置图、基础结构平面图（包含配筋图）、基础的立面和剖面图（包含配筋图），图纸应包括设计说明和工程数量表。

1．3　基础工程课程设计的基本要求

由于课时数的限制，在本次课程设计中只要求同学们完成上述设计任务中的一部分。

在本指导书的后面列出了若干设计题目，这些题目均来源于实际工程，但根据桥梁基础工程课程教学的要求并结合同学们的实际情况进行了适当简化，目的是帮助同学们尽快上手，以期在课时有限的条件下达到更好的效果。

同学们可在指导教师的帮助下选择一个设计题目并确定相应的设计任务，参考后面的设计指南完成本次课程设计。

通过本次课程设计，要求同学了解桥梁基础设计的全过程，掌握一种常用的基础结构和地基的设计计算方法，培养学生处理桥梁基础问题的初步能力。

2　设计题目之一——某铁路桥梁桥墩基础设计

2．1　设计任务

本设计对象为某铁路的特大型桥梁，该桥梁的上部结构和桥墩设计已经完成，本课程设计的任务是完成桥墩基础的设计与检算。

要求同学选择（或由指导教师分配）一个基础，按给定的条件完成相关的设计和计算工作，具体要求如下：

（1）综合分析设计资料，对三种常用的桥梁基础类型（明挖基础、桩基础和沉井基础）的技术合理性进行比较（限于课时，本次课程设计不考虑造价因素），选择较为合理的基础方案。

（2）对选定的基础方案进行详细设计。

（3）初步确定修筑基础的施工方案。

（4）将以上全部成果整理成设计计算说明书和设计施工图。

设计计算说明书应制作成Word文档。

整个说明书应满足计算过程完整、计算步骤清楚、文字简明、符号规范和版面美观的要求，图纸应用CAD绘制而且应表达正确、布局合理和尺寸齐全。

说明书用A4纸张打印，图纸用A3纸张打印，说明书和和图纸一起装订成册，交指导老师评阅。

2．2　设计资料

2．2．1　工程概况

该桥梁系某I级铁路干线上的特大桥（单线），线路位于直线平坡地段。

该地区地震设防烈度为VI度，不考虑地震设防问题。

桥梁及桥墩部分的设计已经完成，桥跨由38孔32m后张法预应力混凝土梁【图号：

专桥（01）2051】组成，该梁全长32.6m，梁高2.65m，跨中腹板厚度0.18m，下翼缘梁端宽0.88m，上翼缘宽1.92m，为分片式T梁，两片梁腹板中心距为2.0m，桥梁跨中纵断面示意如图2－1所示。

每孔梁的理论重量为2276kN，梁上设双侧人行道，其重量与线路上部建筑重量为35.5kN/m。

梁缝10cm，桥墩支承垫石顶面高程1178.12m，轨底高程1181.25m，全桥总布置见图2－2。

图2－1　桥梁跨中纵断面示意图

桥墩采用圆端形桥墩【图号：

叁桥（2005）4203】和空心桥墩【图号：

叁桥（2005）4205】2种，其中1#~6#、33#~37#采用圆端形桥墩，7#~32#采用空心桥墩。

圆端形桥墩支承垫石采用C40钢筋混凝土，顶帽采用C30钢筋混凝土，墩身采用C30混凝土，圆端形桥墩构造图见图2－3。

空心桥墩支承垫石采用C40钢筋混凝土，顶帽采用C30钢筋混凝土，墩身采用C30混凝土，空心桥墩构造图见图2－4。

桥梁支座采用SQMZ型铸钢支座【图号：

通桥（2006）8057】，支座铰中心至支承垫石顶面的距离为40cm。

2．2．2　工程地质和水文地质

本段线路通过构造剥蚀低中山区、河谷阶地、河流峡谷区等地貌单元，大部分穿行山前缓坡，地形起伏大，海拔在1000~1500m，地形起伏大，相对高差100~200m，山顶覆盖新黄土或风积砂，沟谷发育。

根据岩土工程勘察报告，大桥地层自上而下依次为新黄土、白垩系泥岩夹砂岩，河谷处主要为冲积砂及砾石土，各桥位的地层分布详见钻孔柱状图（图2－5~图2－12）。

各地层的主要物理、力学参数见表2－1。

场地勘察未发现滑坡、岩溶、断层、破碎带等不良地质现象。

表2－1　地层的主要物理、力学参数

注：

①W4泥岩为全风化泥岩，相关的参数按照黏性土取值，W3泥岩和W3砂岩为强风化泥岩和强风化砂岩，相关的参数按照碎石土取值，W2泥岩和W2砂岩为微风化泥岩和微风化砂岩。

②新黄土不需要考虑湿陷性。

本区蒸发量远大于降水量，为贫水地区，地下水量一般不大且埋藏较深，局部地段有泉水出露。

按其赋存条件可分基岩裂隙水、第四系孔隙潜水。

地下水主要靠大气降水补给，局部受地表水补给。

其排泄路径主要为蒸发。

地下水及地表水对普通混凝土不具侵蚀性。

地表河流为常年流水，设计频率水位1122.60m，设计流速1.8m/s，常水位1121.50m，流速1.2m/s，一般冲刷线1119.50m，局部冲刷线1118.30m。

该桥所在地区的基本风压为800Pa。

图2－2　全桥总布置图

图2－3　圆端形桥墩构造图

图2－4　空心桥墩构造图

图2－5　1#~4#桥墩钻孔柱状图

图2－6　5#~9#桥墩钻孔柱状图

图2－7　10#~14#桥墩钻孔柱状图

图2－8　15#~19#桥墩钻孔柱状图

图2－9　20#~24#桥墩钻孔柱状图

图2－10　25#~29#桥墩钻孔柱状图

图2－11　30#~34#桥墩钻孔柱状图

图2－12　35#~37#桥墩钻孔柱状图

3　桥梁基础工程课程设计指南

3．1　设计计算说明书的主要内容

设计计算说明书通常应包含以下内容：

（1）工程概况和设计任务，包括：

工程名称，桥跨及附属结构、支座及墩台的类型、尺寸、重量等，全桥墩台布置，本人承担的基础设计任务。

（2）工程地质和水文地质资料，包括地形资料，水文、气象资料，钻孔柱状图，各岩土层的物理、力学参数，不良地质现象等。

（3）方案设计的内容和过程，包括：

荷载计算，地基持力层的选取，基础类型的比选，基础尺寸的初步拟定。

方案设计需要阐明自己的思路和考虑的因素，并列出必要的说明。

（4）技术设计的内容和过程，包括：

计算项目，计算过程和计算结果，方案调整的理由和结果。

技术设计需要阐明相关参数选取的理由、考虑的因素并列出必要的说明；在设计说明书中必须明确绘制计算分析简图。

计算项目可编制程序或用Excel软件进行计算，但说明书中应列出框图、源程序和计算结果。

（5）根据设计及计算结果绘制相应的施工图（包括设计说明和主要工程数量表），并用CAD制作完成。

（6）初步的施工组织设计，包括：

基础施工工艺流程，主要施工机具，质量控制措施等。

3．2　设计计算说明书的内容组织

可参照下列方式进行设计计算说明书的章节划分和内容组织。

第1章概述

1．1　工程概况和设计任务

1．2　工程地质和水文地质资料

1．3　设计依据

第2章方案设计（或初步设计）

2．1　地基持力层的选择

2．2　荷载计算

2．2．1　主力计算

2．2．2　附加力计算

2．2．3　荷载组合

2．3　基础类型的比选

2．4　基础尺寸的拟定

第3章技术设计

明挖基础的技术设计可按以下的次序进行：

3．1　地基强度检算

3．2　基底偏心距检算

3．3　基础稳定性检算

3．4　基础沉降检算（必要时进行）

3．5　地基稳定性检算（必要时进行）

桩基础的技术设计可按以下的次序进行：

3．1　桩基础的平面分析

3．1．1　bo、m、α的确定

3．1．2　单桩的刚度系数计算

3．1．3　群桩的刚度系数计算

3．1．4　桩顶位移及内力计算

3．2　横向荷载下单桩的内力和位移计算

3．3　单桩轴向承载力检算

3．4　墩台顶的水平位移检算

3．5　群桩基础的承载力和位移检算

3．6　单桩基底最大竖向压应力及侧面土抗力检算（必要时进行）

沉井基础的技术设计可按以下的次序进行：

3．1　施工过程中的沉井计算

3．1．1　沉井的下沉能力检算

3．1．2　刃脚受力计算

3．1．3　沉井井壁受力计算

3．1．4　沉井底节检算

3．1．5　混凝土封底及顶板计算

3．2　使用条件下沉井基础的检算

3．2．1　基底压应力检算

3．2．2　基础侧面水平压应力检算

3．2．3　墩台顶面水平位移检算

第4章初步的施工组织设计

4．1　基础的施工工艺流程

4．2　主要施工机具

4．3　主要工程数量和材料用量

4．4　保证施工质量的措施

3．3　图纸内容及要求

图纸应基本达到施工图的要求，一般要包括以下内容：

（1）设计说明，包括工程概况、设计方案及要求、主要工程数量表等。

（2）基础的平面图（含配筋图）。

（3）基础的立面图和剖面图（含配筋图）。

（4）桥梁布置图（含桥墩）。

图纸统一用标准A3图幅（297mm´420mm）。

标题栏的形式如下：

西南交通大学土木工程学院

班级

姓名

（图名）

指导教师

日期

标题栏长度设计为150mm，左起第一栏长100mm，第二栏和第三栏各长25mm；高度设计为30mm，各行均分。

3．4　设计流程

图3－1　明挖基础的设计流程

学生可参考如图3－1~图3－3所示的流程图分别对桥梁明挖基础、桩基础和深基础进行设计。

图3－2　桩基础的设计流程

图3－3　沉井基础的设计流程

3．5　设计和计算中的一些说明

以下按上述设计计算说明书的章节顺序讲述本课程设计的要求、设计方法和一些注意事项。

3．5．1　概述

设计依据除本指导书外，还包括相关的规范、设计手册及参考书。

例如：

（1）铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）

（2）铁路桥涵设计基本规范（TB10002.1-2005）

（3）铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005）

（4）铁道第三勘察设计院编．铁路工程设计技术手册－桥涵地基和基础

（5）西南交通大学岩土工程系编．桥梁基础工程

3．5．2　方案设计

一、荷载计算

本指导书未直接给出作用在基础上的荷载，因此，需要进行荷载的计算。

计算时可依次计算作用在基础上的恒载、活载、附加力等。

计算荷载时一般需要先确定基础持力层或桩基承台底面的位置。

恒载的计算应包括桥跨及其附属结构的自重、支座重量、桥墩自重，对于明挖基础和桩基础，在拟定明挖基础和桩基承台尺寸后尚应包括基础和上覆土体的自重，若基础或桥墩处于水中，尚应根据要求考虑水的浮力。

列车活载采用中－活载，计算时应考虑不同的加载图式（单孔重载、双孔重载、单孔轻载等）在基础上产生的荷载大小。

附加力应计算制动力或牵引力、风力等在基础上产生的荷载大小。

将全部外力应简化至基础或承台底面中心。

二、基础类型的比选

鉴于同学们缺少施工技术、施工机械和施工组织方面的知识，亦不了解施工单位的技术和施工条件，这给基础方案的确定带来一定的困难。

同学们可以根据自己掌握的知识，综合分析场地的工程地质和水文地质资料，考虑上部结构和桥墩条件，对几种可能采用的基础类型进行比较，选择一个与桥墩的类型相匹配、适合于当地的水文地质条件而且施工难度不大的方案。

建议从下面几个方面进行综合分析和比较：

（1）上部结构和桥墩的类型及荷载大小；

（2）工程地质和水文条件；

（3）基础结构的优势和局限性；

（4）施工难易程度。

三、基础尺寸的初步拟定

对于明挖基础，应确定以下内容：

（1）基础的埋置深底及基顶标高，并说明理由；

（2）拟定基础的圬工类型、平面尺寸和立面形式。

拟定立面尺寸时应注意满足刚性角的要求，此外还应检查是否满足最小埋置深度的要求。

对于桩基础，应确定以下内容：

（1）选定桩基础的类型，考虑桩基为高承台还是低承台，承台底面的标高，桩是打入桩还是钻孔桩。

（2）拟定桩长，确定桩端持力层。

（3）拟定桩材与桩径，钻孔灌注桩的设计桩径（即钻头直径）一般采用0.8m、1.0m、1.25m和1.5m，不宜小于0.8m；挖孔灌注桩的直径或边宽不宜小于1.25m。

（4）估算桩数，拟定布桩形式。

（5）拟顶承台的底面尺寸、立面形式及尺寸。

对于沉井基础，根据上部结构的特点、设计荷载的大小和性质、水文和地质情况等，结合沉井的构造要求和施工方法，依次拟定沉井各部分的尺寸，具体步骤如下：

（1）根据上部结构（或内部空间）建筑要求，确定沉井的平面形状和尺寸。

（2）平面尺寸确定后，在符合最小埋置深度和空间使用的要求下选择持力层，确定沉井作为基础的底部位置。

一般要求沉井底部不宜放在土层变化的交互区内，应放置在符合强度要求、稳定、均匀的土层内。

（3）根据沉井位置的水土压力及土对井壁的摩擦力，估算沉井井壁的厚度、受力构造部分的截面尺寸。

（4）估算封底及顶板的厚度。

3．5．3　详细设计

基础方案确定后，同学们可以根据方案设计中所拟的结构尺寸，进行力学检算，当检算结果不满足要求时需进行方案调整，直至满足各项要求。

力学检算时，最不利的荷载组合可参照下面的经验进行：

一、明挖基础

（1）地基强度检算（包含持力层强度和软弱下卧层强度）

直线简支梁桥桥墩基础的最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔重载（常水位）或双孔重载（常水位）。

（2）基底偏心距检算

直线简支梁桥桥墩基础的最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔轻载（常水位）。

（3）基础稳定性检算

直线简支梁桥桥墩基础的最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔轻载（设计频率水位）。

（4）基础沉降检算

采用恒载按分层总和法计算基础沉降。

二、桩基础

（1）单桩轴向承载力检算

最不利荷载组合为纵向主＋附，双孔重载。

（2）墩台顶的水平位移检算

最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔重载。

（3）桩身截面配筋计算

最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔重载。

（4）群桩基础的承载力检算

最不利荷载组合为纵向主＋附，双孔重载。

（5）摩擦桩基础沉降检算

采用恒载按分层总和法计算基础沉降。

三、沉井基础

（1）基底压应力检算

最不利荷载组合为纵向主＋附，双孔重载。

（2）基础侧面水平压应力检算

最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔重载。

（3）墩台顶面水平位移检算

最不利荷载组合为纵向主＋附，单孔重载。

3．6　进度计划安排参考

本课程设计大约可在9~14个学时（课内课外总计）内完成，具体可参照如下进度计划：

（1）熟悉设计指导书内容和相关设计资料，从指导教师处领取设计任务；（1个学时）

（2）作用在基础上的荷载计算（共需约2个学时）

（3）明挖基础的设计计算（共需约3个学时）

（4）桩基础的设计计算（共需约6个学时）

（5）沉井基础的设计计算（共需约5个学时）

（6）绘制设计图纸（共需约2~4个学时）

（7）系统整理整个课程设计的计算说明书及设计图纸，编制好目录及各章内容，并装订成册，上交指导教师。

（1个学时）