西南交大桥梁基础工程课程设计30#桥墩

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

2014年6月

指导老师：于志强

学号：20110500 姓名：李哲

目录

第1章 概述 ............................................................................................................................................................3

1.1工程概况和设计任务 .................................................................................................................................3 1.2工程地质和水文地质资料 .........................................................................................................................8 1.3设计依据 .....................................................................................................................................................9 第2章 方案设计（或初步设计） ........................................................................................................................9

2.1地基持力层的选择 .....................................................................................................................................9 2.2荷载计算 .....................................................................................................................................................9

2.2.1主力计算 .........................................................................................................................................9 2.2.2 附加力计算 ................................................................................................................................12 2.2.3荷载组合 .......................................................................................................................................13 2.3 基础类型的比选 ....................................................................................................................................14 2.4 基础尺寸的拟定 ....................................................................................................................................15

2.4.1选定桩基础的类型 .......................................................................................................................15 2.4.2 拟定桩长和桩径 ..........................................................................................................................15 2.4.3 估算桩数，拟定布桩形式 ..........................................................................................................15

第3章 技术设计 ..................................................................................................................................................16

3.1桩基础的平面分析 ...................................................................................................................................16

3.1.1 b0、m、α的确定 .........................................................................................................................16 3.1.2 单桩的刚度系数计算 ................................................................................................................17 3.1.3群桩的刚度系数计算 ...................................................................................................................17 3.1.4桩顶位移及桩基础内力计算 .......................................................................................................18 3.2横向荷载下单桩的内力和位移计算 .......................................................................................................18 3.3单桩轴向承载力检算 ...............................................................................................................................21 3.4 墩台顶的水平位移检算 ........................................................................................................................22 3.5群桩基础的承载力和位移检算 ...............................................................................................................22 3.8 桩身截面配筋计算 ..................................................................................................................................23 第4章 初步的施工组织设计 ..............................................................................................................................26

4.1基础的施工工艺流程 ...............................................................................................................................26 4.2主要施工机具 ...........................................................................................................................................27 4.3 主要工程数量和材料用量 ......................................................................................................................28 4.4保证施工质量的措施 ...............................................................................................................................28

4.4.1成孔质量控制 ...............................................................................................................................28 4.4.2成桩质量控制 ...............................................................................................................................29

2

第1章 概述

1.1工程概况和设计任务

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1－1所示。每孔梁的理论重量为2276 kN，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，全桥总布臵见图1－2。

图1－1 桥梁跨中纵断面示意图

3

21.87119121.87118121.87117121.87116121.87115121.87114121.87113121.87112121.87111121.87110121.8711921.8711821.8711721.8711621.8711521.8711421.8711321.8711221.8711121.87116161616161616161616161688776655443322110099887111111111111111111000001111111111111111111111138.321168.633+31KD48.421161.403+31KD19.521164.172+31KD91.031167.832+31KD63.331160.602+31KD49.331163.371+31KD87.631166.041+31KD28.431169.701+31KD14.931162.570+31KD23.241165.240+31KD16.441168.900+31KD86.741161.779+21KD22.251164.449+21KD99.351167.119+21KD12.651160.978+21KD01.061163.648+21KD61.161166.318+21KD57.161169.087+21KD04.661162.847+21KD65.517+21KD程程高 面 地里图1－2 8231.871121.87117321.87116321.87115321.87114321.87113321.87112321.87111321.87110321.87119221.87118221.87117221.87116221.87115221.87114221.87113221.87112221.87111221.871102161616161616161616161616988776655443322110099887111111111111111111100000111111111111111111111111全桥总布臵图

4

61.859+31KD39.661164.529+31KD29.361167.298+31KD80.161160.068+31KD39.651163.728+31KD24.251166.497+31KD99.741169.167+31KD73.541162.927+31KD66.141165.696+31KD20.631168.366+31KD34.331161.136+31KD94.721164.895+31KD40.321167.565+31KD40.221160.335+31KD04.121163.005+31KD16.121166.764+31KD51.221169.434+31KD14.021162.204+31KD20.421165.963+31KD程程高 面 地里

1191正面60058550100120100508554035侧面280535100100355403520140240201402056020210/2240210/2II2101 : H24d/2240d/2基础平面6005855010012010050855082图1－3 C30混凝土1 : H24d基础I-I截面450105240105012

5

355200535

圆端形桥墩构造图

半正面Ⅱ半I-I截面6405351203510012010035120555056030550H1:10:854053-H=h5005003Ⅱ 半侧面I半Ⅱ-Ⅱ截面3605575200755355600530550ⅢⅢ11::0584053-H=h0505003 I1－4 空心桥墩构造图

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平面6401802801800800603208160100120100160Ⅲ-Ⅲ截面

图

图1－5 30号桥墩钻孔柱状图

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

7

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1－3。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1－4。

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。

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。

我需要完成的是30号桥墩的基础设计任务，30号桥墩的位臵和钻孔柱状图如图1－５所示。

1.2工程地质和水文地质资料

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1－5~图1－12）。各地层的主要物理、力学参数见表1－1。场地勘察未发现滑坡、岩溶、断层、破碎带等不良地质现象。

表1－1 地层的主要物理、力学参数 名称天然重度颗粒天然含重度水量.924.79.610.58.2／／／／塑限13.5／／／／／／／液限$28／／／／／／／压缩内摩单轴饱和黏聚力模量擦角抗压强度MPa7.49.2163452120200500800kPa15.416.8／／／／／／／o物理状态基本承桩周土的极载力限侧阻力kPakPa6050455580100120130150kN/m3kN/m3新黄土W4泥岩粉砂中砂圆砾土W3泥岩W3砂岩W2泥岩W2砂岩15.518.717.217.918.42022232426.526.026.326.326.3／／／／MPa／／／／／／／615硬塑软塑稍密稍密稍密中密中密节理较发育节理较发育23252832404245／／1502101902403004006009001200 8

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。

1.3设计依据

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

第2章 方案设计（或初步设计）

2.1地基持力层的选择

地基持力层选择W2泥岩层。设计承台为长9m，宽7m，高2.5m的长方体，承台顶面

标高1141.55m。

2.2荷载计算 2.2.1主力计算 2.2.1.1恒载计算

（1）由桥跨传来的恒载压力

等跨梁的桥墩，桥跨通过桥墩传至基底的恒载压力N1为单孔梁重及左右孔、梁跨中间的梁上线路设备，人行道的重量，即N1?2276?35.5?(32.6?0.1)?3436.85kN （2）顶帽重量

顶帽体积 V2?2?1?2?0.35?1.4m3

顶帽重量 N2?γ钢筋混凝土V2?25?1.4?35kN

（3）墩身重量

墩身的高度 h?1178.12?1141.55?0.35?36.22m

墩身重量分3部分计算，分别是上下两实台柱体和中间的环状实体。

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1?3.5?2.8?3.756?2.8?3.6?2.8?3.756?2.8?3.6 31??π?3.5?1.82?1.8782?1.8?1.878?73.23m3 31V3?2??3?2.8?5.210?2.8?5.078?2.8?5.210?2.8?5.078

31??π?3?2.6052?2.5392?2.605?2.539?105.56m3 31V3?3-外??29.72?2.8?3.756?2.8?5.078?2.8?3.756?2.8?5.078

31??π?29.72?2.5392?1.8782?2.539?1.878?825.143m3 31V3?3-内1??0.5?2.8?1.556?2.8?2.568?2.8?1.556?2.8?2.568

31??π?0.5?0.7782?1.2842?0.778?1.284?4.561m3 31V3?3-内2??0.5?2.8?3.286?2.8?2.299?2.8?2.299?2.8?3.286

31??π?0.5?1.6432?1.1502?1.643?1.150?6.984m3 31V3?3-内3??28.72?2.8?2.568?2.8?3.286?2.8?2.568?2.8?3.286

31??π?28.72?1.6432?1.2842?1.643?1.284?429.0m3 3V3?1?????????????????????????3 V3?3内?V3?3内1?V3?3内2?V3?3内3?4.561?6.984?429.0?440.545m3 V3?3?V3?3?外?V3?3?内?825.143?440.545?384.598m3V3?V3?1?V3?2?V3?3?73.23?105.56?384.598?563.388m

墩身重量 N3?γ混凝土V3?23?563.388?12957.924kN

（4）承台重量

承台体积：V4?9?7?2.5?157.5m3

承台重量：N4?γ钢筋混凝土V4?25?157.5?3937.5kN

（5）承台上土重量

因为设计承台顶面与地面相平，故可不计承台上土的重量，即N5?0 （6）作用在承台底上的恒载

N恒?N1?N2?N3?N4?N5?3436.85?35?12957.924?3937.5?20367.27kN

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2.2.1.2 活载计算

（1）列车竖向静活载

图2-1四种加载方式

①单孔重载

根据∑M=0.可得支点反力R1为

1???25.2???92?25.2???0.35?0.35?3???1896.42k N R1???220?5??32.732??2?? 作用在承台底的竖向活载为

N活1?R1?1896.4kN

令承台底横桥方向中心轴为x-x轴顺桥方向中心轴为y-y轴,则R1对承台底 x-x轴的力矩M活1为

M活1?0.35?1896.42?663.75kN?m

②单孔轻载 支点反力R2为 R2?1??25.2?????92?25.2???7.5?0.35??220?5??3?0.35?1521.98k N?32??2?? 作用在承台底的竖向活载为

N活2?R2?1521.98kN R2对承台底x-x轴的力矩M活2为 M活2?0.35?1521.98?532.69kN?m

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③双孔重载

根据G1/L1= G2/L2确定最不利荷载位臵x，本桥梁为等跨梁，故G1= G2， G1和G2分别为左右两跨上活载重量，

G1?220?5?92??32.35?7.5?x??3386.2?92x 由G1= G2解得x=6.81m。则支点反力R3、 R4为

G2?92??30??32.35?7.5?x???80??32.7??30??32.35?7.5?x????2677.18?12x1??1????R3????92??32.35?7.5?6.81???32.35??32.35?7.5?6.81???220?5??3?6.81???32???2??1547.23kNR?132????92?11.96????20.74?0.35?11.96?2???80?20.74???20.74?2?0.35???4???

?1426.27kN 作用在承台底的竖向活载为 N活3?R3?R4?1547.23?1426.27?2973.5kN R3、R4对承台底x-x轴的力矩M活3为 M活3?0.35??1547.23?1426.27??42.34kN ④双孔空车荷载

支点反力R15?R6?2?32.7?10?163.5kN 作用在承台底的竖向活载为N活4?R5?R6?163.5?2?327kN R3、R4对承台底x-x轴的力矩M活4?0

（2）离心力

因该桥为直线桥所以离心力为0。 （3）横向摇摆力

横向摇摆力取为100KN，作为一个集中荷载取最不利位臵，一水平方向垂 直线路中心线作用于钢轨顶面。 （4）活载土压力

因桥墩两侧没有土体，所以活载土压力为0。

2.2.2 附加力计算

（1）制动力（或牵引力）

①单孔重载与单孔轻载的制动力（或牵引力）

因单孔重载与单孔轻载作用在梁上的竖向静活载相同，故其制动力（或牵 引力）也相等，为

H1?10%??220?5?92??32.7?7.5???341.84kN H1对承台底x-x轴的力矩MH1为 MH1?341.84??0.4?36.57?2.5??13492.425kN?m ②双孔重载的制动力（或牵引力）

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?? 左孔梁为固定支座传递的制动力（或牵引力） H2?1?10%??220?5?92??32.35 ???100%?7.5?6.81?275.97kN 右孔梁为滑动支座传递的制动力（或牵引力）

H2?2?10%??92?11.96?80?20.74??50%?137.98kN 传到桥墩的制动力（或牵引力） H2?275.97 ?137.98?413.95kN?H1?341.84kN 故双孔重载采用的制动力（或牵引力）为 H2?341.84kN H2对承台底x-x轴的力矩MH2为 MH2=13492.425KN〃M （2）纵向风力 ①风荷载强度

W?K1K2K3W0?1.1?1.1?91.2?3800?1.288k P 其中K1根据长边迎风的圆端形截面l/b＞1.5由课本表2-8查得为1.1；K2 根据轨顶离地面的高度内插得K2=1.19；K3根据桥址所处地形为构造剥蚀地 中山区，河谷阶地、河流峡谷区取为K3=1.23。 ②顶帽风力

H3?1?W?A?1.288?0.3?51.0?2?0.90k N H3-1对承台底x-x轴的力矩MH3-1为

MH3?1?0.90??2.5?36.57?0.18??35.325kN?m

注：顶帽风力的合力作用点近似取为据承台底以上18cm处。 ③墩身风力

H3?2?1.288?0.5??6.4?8.01 ??36.22?336.123kN H3-2对承台底x-x轴的力矩MH3-2为

36.2?2? MH3?2?336.1? 2?32.5??mkN??6927.4952?? ④纵向风力在承台底产生的荷载 H3?H3?1?H3?2?0.9?0336.12?337.023 k MH3?MH3?1?MH3?2?35.32 ?56927.4?965962.82?kmN（3）流水压力

因该桥墩不处于水流中所以流水压力为0

2.2.3荷载组合

（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。

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（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。

因为该设计墩台不处于水流中，故常水位和设计水位的组合一样。

.27?1896.42?22263.69kN 单孔重载：N?N恒?N活1?20367

?513492.4?265962.8?221119.0?kmN M?M活1?MH1?MH3?663.7

?4337.02?3678.86 kN H?H1?H3?341.8?2973.50?23340.77kN 双孔重载：N?N恒?N活3?20367.27

.425?6962.82?20497.59?mkN M?M活3?MH2?MH3?42.34?13492

?4337.02?3678.86 kN H?H1?H3?341.82.3 基础类型的比选

根据荷载的大小和性质、地质和水文地质条件、施工难易程度以及施工条件等等，经过

综合考虑后决定以下三个可能的基础类型，进行比较选择，采用最佳方案。 基 础 类 型 浅基础 方 案 比 较 一般指基础埋深小于基础宽度或深度不超过5m的基础。建筑物的浅平基多用砖、石、混凝土或钢筋混凝土等材料组 成，因为材料的抗拉性能差，截面强度要求较高，埋深 较小，用料省，无需复杂的施工设备，因而工期短，造 价低，但只适宜于上部荷载较小的建筑物。 稳定性较好，但水中施工难度较大，故多用于季节性河 流或冲刷深度较小的河流，航运繁忙或有强烈流水的河 流。位于旱地、浅水滩或季节性河流的墩台，当冲刷不 深，施工排水不太困难时，选用低承台桩基有利于提高 基础的稳定性。 当常年有水，且水位较高，施工不易排水或河床冲刷较 深，在没有和不通航河流上，可采用高承台桩基。有时 为了节省圬工和便于施工，也可采用高承台桩基。然而 在水平力的作用下，由于承台及部分桩身露出地面或局 部冲刷线，减少了及自由段桩身侧面的土抗力，桩身的 内力和位移都将大于低承台桩基，在稳定性方面也不如 低承台桩基。 沉井基础占地面积小，施工方便，对邻近建筑物影响小， 沉井内部空间还可得到充分利用。沉井法适用于地基深 层土的承载力大，而上部土层比较松软，易于开挖的地 层。 低承台桩基 高承台桩基 沉井 由设计资料中的桥墩钻孔柱状图可知，所要设计的30#墩台基础位于新黄土层中，持力层初步设定在W2泥岩层。

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，地下水及地表水对普通混凝土不具侵蚀性。

14

30#桥墩所处位臵无流水，施工较容易，上部荷载较大。并结合自己所掌握的知识选择了低承台桩基。

2.4 基础尺寸的拟定 2.4.1选定桩基础的类型

承台底面的标高为1141.55－2.5=1139.05m。

因为打入桩适用于稍松至中密的沙类土、粉土和流塑、软塑的黏性土；震动下沉桩适用于沙类土、粉土、黏性土和碎石类土；桩尖爆扩桩可用于硬塑黏性土以及中密、密实的沙类土和粉土；钻孔灌注桩可用于各类土层、岩层；挖孔灌注桩可用于无地下水或少量地下水的土层。根据地质条件和各种类型桩基础具有的不同特点，综合分析后选用钻孔灌注桩。 桩端持力层W2泥岩为微风化泥岩，再初步结合桩的埋臵深度这里选用柱桩

2.4.2 拟定桩长和桩径

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,1.5m不宜小于0.8米；初步选择桩径为1.25m。

初步选择桩端持力层在W2泥岩层内，取柱桩25.5m,则该桩在新黄土层中深度为4.0m,在W4泥岩层中深度为6.9m,在W3泥岩中深度为13.6m，在W2泥岩层中深度为1.0m。

2.4.3 估算桩数，拟定布桩形式

单桩轴向容许承载力的确定：，由《铁路桥涵地基和基础设计规范》6.2.2得该摩擦型钻孔灌注桩的容许承载力为

?P??R?C1A?C2Uh?

取成孔桩径d=1.3m

?1.25?所以U=1.3π A????m;

?2?取C1=0.5，C2=0.04。

?P??6000??0.5?0.39??0.04?1.3??1.0??4655.84kPa 作用于承台底面的最大竖向荷载(双孔重载)

2N?N恒?N活3?21051.26?2973.50?24444.76kN

估算所需桩数

n?μN24444.76??1.15?6.04 故初取n=8根 ?P?4655.84由《铁路桥涵地基和基础设计规范》：钻孔灌注桩的中心距不应小于2倍成孔桩径，各类桩的承台板边缘至最外一排桩的净距当桩径d≧1m时，不得小于0.3d，且不得小于0.5m。对于钻孔灌注桩，d为设计桩径。

根据上述原则做出桩和承台的平面布臵图如下图(单位:m):本设计采用梅花式：

15

桩和承台的平面布臵图

第3章 技术设计

3.1桩基础的平面分析 3.1.1 b0、m、α的确定

（1）查规范：求计算宽度b0=0.9（d+1）=0.9×(1.25+1)=2.025m （2）地基系数Cy的比例系数m

桩侧有多层土，应将地面或局部冲刷线以下主要影响深度hm内各层土换算

成一个m值。假设按弹性桩设计，hm=2（d+1）=2(1.3+1)=4.6m.该影响深度范围内有两层土：4m的新黄土和0.6mW4泥岩。

需进行换算：m?m1h12?m2?2h1?h2?h2?h1?h2?2

查规范可得m1=15000kPa/m2，m2=7500kPa/m2。 求出m=13.17MPa。

（3）由《铁路桥涵地基和基础设计规范》：当桩基由位于横向力所在竖直平面内的数根桩组成，且由承台板连接时，应对求出的换算比例系数进行折减因为

h0=3(d+1)=6.9m L0=3-1.3=1.7m<0.6 h0=0.6×6.9=4.14m

1?CL0构件数n=3,故C=0.5，代入k?C??得

0.6h0k?0.5?1?0.51.7??0.623 0.56.916

?8204.9kP折减后 m?km?13170?0.623 a（4）求桩的横向变形系数

桩的横向变形系数

C30混凝土受压弹性模量Eh=3.2×104MPa

πd4桩的I??0.120m4

64α ?5b0m EI桩截面受挠刚度EI?0.8EhI?0.8?32?106?0.120?3.072?106kN?m2 代入公式有桩的横向变形系数 α?0.352

桩位于地面以下的长度为25.5m，αl?0.352?25.5?8.976﹥4，所以应该按弹性桩设计,假设正确。

3.1.2 单桩的刚度系数计算

单桩的轴向刚度系数ρ1可按下式求得

ρ1?

1

l0?ξ?l1?EAA0C0πd2 ξ?1 A? ?0 l?25.5m?1.2272m4 其中： l0Eh?32?106kPa

桩侧土的平均内摩擦角?应按桩侧土层加权平均的内摩擦角：

φ1h1?φ2h2?φ2h323??4?25??6.9?42??13.6φm???34?

h1?h2?h324.5φm34?D?d?2ltan?1.25?2?24.5?tan?8.57m?2.382?1.72?3m

44πD2π?32故D=3m，A0???7.069m2

44l?25.5m?10m C0?由αl?4.0查表有YQ?1.064,YM?0.985,φM?1.484

R?1?15?106?0.3?106kN/m3?3.06?106kNm3 2411ρ1???1.437?106kN/ml0?δl0?1?25.511??EhAC0A032?106?1.2273.06?106?7.069

??ρ2?α3EIYQ?0.3523?3.072?106?1.064?1.426?105kN/mρ3?α2EIYM?0.3522?3.072?106?0.985?3.75?105kN?m/mρ4?αEIφM?0.352?3.072?106?1.484?1.605?106kN?m/rad

3.1.3群桩的刚度系数计算

γbb?Σniρ1?8?1.437?106?114.96?105kN/mγaa?Σniρ2?8?1.426?10?11.4?10kN/m555

γaβ?γβa??Σniρ3??8?3.75?10??30?10kN/rad

是γββ?Σniρ4?Σniρ1xi2?8?16.05?105?8?14.37?105?(3)2?387.06?105kN?m/rad

2

17

5

对于低承台桩基，承台完全处于新黄土中，因此，承台的计算宽度为： B0?b?1?8?1?9m 承台地面处的地基系数Ch=mh,h可近似取承台高度2.5m,故 Ch?mh?15000?2.5?0.375?105kN/m

'aaChh0.375?105?2.55所以γ?γaa?B0?11.4?10?9??15.62?105kN/m

222Chh0.375?105?2.52''5 γaβ?γβa?γaβ?B0??30?10?9??-26.48?105kN/rad66 353Ch0.375?10?2.5' γββ?γββ?B0h?387.06?105?9??391.455?105kN?m/ra d12123.1.4桩顶位移及桩基础内力计算

计算承台地面原点O处的位移α、b、β

（1）对于双孔重载：N=23340.77kN M=20497.59kN.m H=678.86kN

承台位移为：

b?N23340.77??203.0?10?5m 5γbb114.96?10'γββH?γ'aβM'γ'aaγββ?γ'aβ2 a?β???391.455?678.86?(?26.48)?20497.59?149.39?10?5m 5(15.62?391.455?26.48?26.48)?1015.62?20497.59?(?26.48)?678.86?62.47?10?5rad 5(15.62?391.455?26.48?26.48)?10γ'aaM?γ'aβH'γ'aaγββ?γ'aβ2故作用在任一根桩顶处的轴向力Ni、横向力Qi和力矩Mi为： 竖向力：Ni?N?xiβρ1?23340.77?1.5?62.47?14.37?4264.14kN

n8水平力：Qi?aρ2?βρ3?149.39?1.426?62.47?3.75?-21.23kN 弯矩： Mi?βρ4?aρ3?62.47?16.05?149.39?3.75?443.89kN?m

（2）对于单孔重载：N=22263.69kN M=21119.0kN.m H=678.86kN

承台位移为：

b?N22263.69??193.66?10?5m 5γbb114.96?10'γββH?γ'aβM'γ'aaγββ?γ'aβ2 a?β???391.455?678.86?(?26.48)?21119.0?5?152.4?10m

(15.62?391.455?26.48?26.48)?10515.62?21119.0?(?26.48)?678.86?5?64.26?10rad

(15.62?391.455?26.48?26.48)?105γ'aaM?γ'aβH'γ'aaγββ?γ'aβ2故作用在任一根桩顶处的轴向力Ni、横向力Qi和力矩Mi为： 竖向力：Ni?N?xiβρ1?22263.69?1.5?64.26?14.37?4168.09kN

n8水平力：Qi?aρ2?βρ3?152.4?1.426?64.26?3.75?-23.65kN 弯矩： Mi?βρ4?aρ3?64.26?16.05?152.4?3.75?459.87kN?m

3.2横向荷载下单桩的内力和位移计算

18

对于低承台桩基础的基桩，分析其在横向力作用下的内力和位移时，近似地把承台底面视为地面。如右图所示：

由上面的计算可知在最不利横向荷载（单孔重载）下，

单桩桩顶横向位移X0=a=152.4×10-5m，对应的横向水平力Q0=-23.65KN

单桩桩顶转角β0=-64.26×10-5rad，对应的弯矩M0=459.87KN 根据简化算法求任意深度y处的单桩内力和位移：

Q弯矩:My?0AM?M0BM

α剪力:Qy?Q0AQ?αM0BQ

2αQαM0 0桩侧土横向压应力:σxy?Aσ?Bσb0b0QM Xy?30Ax?20Bx

αEIαEI带入相应的数据，且α?0.386。

上述计算公式并将随深度变化的各系数值在excel里列出，并计算和绘图 ay y Am Bm Aq Bq Ax Bx Ac Bc My Qy Cxy Xxy 0.00 0.00 0.000 1.000 1.000 0.000 2.441 1.621 0.000 0.000 459.873 -23.650 0.10 0.17 0.100 1.000 0.988 -0.008 2.279 1.451 0.228 0.145 453.154 -24.661 0.20 0.34 0.197 0.998 0.956 -0.028 2.118 1.291 0.424 0.258 445.717 -27.142 0.30 0.51 0.290 0.994 0.905 -0.058 1.959 1.141 0.588 0.342 437.629 -30.792 0.000 152.757 4.359 135.078 7.651 118.589 9.995 103.273 0.40 0.68 0.377 0.986 0.839 -0.096 1.803 1.001 0.721 0.400 428.105 -35.382 11.500 89.112 0.50 0.85 0.458 0.975 0.761 -0.137 1.650 0.870 0.825 0.435 417.604 -40.174 12.273 75.986 0.60 1.02 0.529 0.959 0.675 -0.182 1.503 0.750 0.902 0.450 405.476 -45.425 12.419 64.083 0.70 1.19 0.592 0.938 0.582 -0.227 1.360 0.639 0.952 0.447 391.586 -50.510 12.017 53.196 0.80 1.36 0.646 0.913 0.458 -0.271 1.224 0.537 0.979 0.430 376.461 -54.700 11.200 43.273 0.90 1.53 0.689 0.884 0.387 -0.312 1.094 0.445 0.984 0.400 360.236 -59.657 10.000 34.453 1.00 1.69 0.723 0.851 0.289 -0.351 0.970 0.361 0.970 0.361 342.775 -63.653 1.10 1.86 0.747 0.814 0.193 -0.384 0.854 0.286 0.940 0.315 324.148 -66.724 1.20 2.03 0.762 0.774 0.102 -0.413 0.746 0.219 0.895 0.263 304.745 -69.266 1.30 2.20 0.768 0.732 0.015 -0.437 0.645 0.160 0.838 0.208 285.027 -71.094 1.40 2.37 0.765 0.687 -0.066 -0.455 0.552 0.108 0.772 0.151 264.534 -72.092 8.558 26.493 6.934 19.479 5.161 13.291 3.339 1.491 7.946 3.305 1.50 2.54 0.755 0.641 -0.140 -0.467 0.446 0.063 0.699 0.094 244.052 -72.284 -0.317 -0.261 1.60 2.71 0.737 0.594 -0.206 -0.474 0.388 0.024 0.621 0.039 223.647 -71.856 -2.019 -3.949 1.70 2.88 0.714 0.546 -0.264 -0.475 0.317 -0.008 0.540 -0.014 203.119 -70.647 -3.625 -6.562 1.80 3.05 0.685 0.499 -0.313 -0.471 0.254 -0.036 0.457 -0.064 183.453 -68.840 -5.104 -8.833 1.90 3.22 0.651 0.452 -0.355 -0.462 0.197 -0.058 0.375 -0.110 164.124 -66.390 -6.431 -10.485 2.00 3.39 0.614 0.407 -0.388 -0.449 0.147 -0.076 0.294 -0.151 145.915 -63.505 -7.569 -11.777 2.20 3.73 0.532 0.320 -0.432 -0.412 0.065 -0.099 0.142 -0.219 111.416 -56.475 -9.357 -13.108 2.40 4.07 0.443 0.243 -0.446 -0.363 0.003 -0.110 0.008 -0.265 81.985 -48.212 -10.388 -13.343 2.60 4.41 0.355 0.175 -0.437 -0.307 -0.040 -0.111 -0.104 -0.290 56.626 -39.360 -10.725 -12.705 2.80 4.75 0.270 0.120 -0.406 -0.249 -0.069 -0.105 -0.193 -0.295 37.044 -30.705 -10.413 -11.468

19

3.00 5.08 0.193 0.076 -0.361 -0.191 -0.087 -0.095 -0.262 -0.284 21.983 -22.380 -9.590 -9.942 3.50 5.93 0.051 0.014 -0.200 -0.067 -0.105 -0.057 -0.367 -0.199 4.00 6.78 0.000 0.000 -0.001 0.000 -0.108 -0.015 -0.432 -0.059 3.012 -6.116 -5.674 -5.033 0.000 0.024 0.161 0.094 将上表的计算结果绘图：

①单桩在横向力作用下剪力随桩换算入土深度变化图：（单位：kN）

可见当y=0.95m时，剪力为0

②单桩在横向力作用下桩身My随ay变化图(单位:kN?m)

当剪力为-0.71kN时，有最大弯矩135.97KN〃m

20

第4章 初步的施工组织设计

4.1基础的施工工艺流程

施工方法：泥浆护壁钻孔灌注桩。

直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼、灌注混凝土而成 （1）施工准备:

施工准备包括：选择钻机、钻具、场地布臵等。

钻机是钻孔灌注桩施工的主要设备，可根据地质情况和各种钻孔机的应用条件来选择。 （2）桩位放线:

①桩位放线依据：建设单位提供的放线依据和设计图纸要求。

②.桩位放线：依据放线依据采用经纬仪、钢尺，以通视测量法放出轴线、桩位，确保轴线、桩位的位臵准确。

③.桩位检测：放出桩位后，填写放线记录与技术复核，报请总包、监理验收，验收通过后，准备开始施工。

④．桩位复测：施工期间对桩位定期复测，如发现问题会同有关人员及时处理解决。 （3）开挖泥浆池、排浆沟 （4）护筒埋设

钻孔成败的关键是防止孔壁坍塌。当钻孔较深时，在地下水位以下的孔壁土在静水压力下会向孔内坍塌、甚至发生流砂现象。钻孔内若能保持壁地下水位高的水头，增加孔内静水压力，能为孔壁、防止坍孔。护筒除起到这个作用外，同时好有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位臵和钻头导向作用等。制作护筒的材料有木、钢、钢筋混凝土三种。护筒要求坚固耐用，不漏水，其内径应比钻孔直径大（旋转钻约大 20cm，潜水钻、冲击或冲抓锥约大 40cm），每节长度约2~3m。一般常用钢护筒。 （5）钻机就位，孔位校正

安装钻孔机的基础如果不稳定，施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良影响，因此要求安装地基稳固。对地层较软和有坡度的地基，可用推土机推平，在垫上钢板或枕木加固。为防止桩位不准，施工中很重要的是定好中心位臵和正确的安装钻孔机，对有钻塔的钻孔机，先利用钻机的动力与附近的地笼配合，将钻杆移动大致定位，再用千斤顶将机架顶起，准确定位，使起重滑轮、钻头或固定钻杆的卡孔与护筒中心在一垂线上，以保证钻机的垂直度。钻机位臵的偏差不大于 2cm。对准桩位后，用枕木垫平钻机横梁，并在塔顶对称于钻机轴线上拉上缆风绳。 （6）泥浆制备

钻孔泥浆由水、粘土(膨润土)和添加剂组成。具有浮悬钻渣、冷却钻头、润滑钻具，增大静水压力，并在孔壁形成泥皮，隔断孔内外渗流，防止坍孔的作用。调制的钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆，应根据钻孔方法和地层情况来确定泥浆稠度，泥浆稠度应视地层变化或操作要求机动掌握，泥浆太稀，排渣能力小、护壁效果差；泥浆太稠会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。 （7）成孔

钻孔是一道关键工序，在施工中必须严格按照操作要求进行，才能保证成孔质量，首先

26

要注意开孔质量，为此必须对好中线及垂直度，并压好护筒。在施工中要注意不断添加泥浆和抽渣(冲击式用)，还要随时检查成孔是否有偏斜现象。采用冲击式或冲抓式钻机施工时，附近土层因受到震动而影响邻孔的稳固。所以钻好的孔应及时清孔，下放钢筋笼和灌注水下混凝土。钻孔的顺序也应实事先规划好，既要保证下一个桩孔的施工不影响上一个桩孔，又要使钻机的移动距离不要过远和相互干扰。 （8）清孔

钻孔的深度、直径、位臵和孔形直接关系到成桩质量与桩身曲直。为此，除了钻孔过程中密切观测监督外，在钻孔达到设计要求深度后，应对孔深、孔位、孔形、孔径等进行检查。在终孔检查完全符合设计要求时，应立即进行孔底清理，避免隔时过长以致泥浆沉淀，引起钻孔坍塌。对于摩擦桩当孔壁容易坍塌时，要求在灌注水下混凝土前沉渣厚度不大于 30cm；当孔壁不易坍塌时，不大于 20cm。对于柱桩，要求在射水或射风前，沉渣厚度不大于 5cm。清孔方法是使用的钻机不同而灵活应用。通常可采用正循环旋转钻机、反循环旋转机真空吸泥机以及抽渣筒等清孔。其中用吸泥机清孔，所需设备不多，操作方便，清孔也较彻底，但在不稳定土层中应慎重使用。其原理就是用压缩机产生的高压空气吹入吸泥机管道将泥渣吹出。

（9）下钢笼和混凝土导管 （10）灌注水下混凝土

清完孔之后，就可将预制的钢筋笼垂直吊放到孔内，定位后要加以固定，然后用导管灌注混凝土，灌注时混凝土不要中断，否则易出现断桩现象。 （11）成桩

综合上面详细施工工艺，得出工艺流程如下： 场地准备 桩位放样 埋设护筒 钻机就位 泥浆制备，钻进 成孔检测 基桩检测，完 桩头处理 混凝土施工 安放导管 安放钢筋笼 清孔 4.2主要施工机具 主要机具设备：回转钻机。 回转钻机是由动力装臵带动钻机的回转装臵转动，并带动带有钻头的钻杆转动，由钻头切削土壤。切削形成的土碴，通过泥浆循环排出桩孔。根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放条件、允许沉碴厚度等条件，泥浆循环方式选择使用正循环方式。

正循环回转钻进是以钻机的回转装臵带动钻具旋转切削岩土，同时利用泥浆泵向钻杆输送泥（或清水）冲洗孔底，携带岩屑的冲洗液沿钻杆与孔壁之间的环状空间上升，从孔口流

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向沉淀池，净化后再供使用，反复运行，由此形成正循环排渣系统；随着钻渣的不断排出，钻孔不断地向下延伸，直至达到预定的孔深。由于这种排渣方式与地质勘探钻孔的排渣方式相同，故称之为正循环，以区别于后来出现的反循环排渣方式。

正循环和反循环示意图

4.3 主要工程数量和材料用量

受力纵筋 环向箍筋 骨架钢筋 横向 承台力筋 纵向 直径 22.00 8.00 22.00 20.00 根数 18.00 100.00 10.00 20.00 40.00 混凝土 单根长 25.5 3.5 3.50 7.80 3.80 容重(kg/m) 2.00 0.40 2.00 2.47 总重（kg） 459 918 350 140 35.00 70.00 156.00 384.54 152.00 374.68 总长 总重(kN) 720 名称 单根桩 等级 C30 直径(m) 1.25 长度(m) 容重(kN/m) 体积(m) 25.5 23.00 31.3

4.4保证施工质量的措施 4.4.1成孔质量控制

成孔是混凝土灌注桩施工中的一个重要部分，其质量如控制得不好，则可能会发生塌孔、

缩径、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等，还将直接影响桩身质量和造成桩承载力下降。因此，在成孔的施工技术和施工质量控制方面应着 重做好以下几项工作。

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1.1 采取隔孔施工程序。

钻孔混凝土灌注桩和打入桩不同，打人桩是将周围土体挤开，桩身具有很高的强度，土体对桩产生被动土压力。钻孔混凝土灌注桩则是先成孔，然后在孔内成桩，周围土移向桩身土体对桩产生动压力。尤其是在成桩初始，桩身混凝土的强度很低，且混凝土灌注桩的成孔是依靠泥浆来平衡的，故采取较适应的桩距对防止坍孔和缩径是一项稳妥的技术措施。 1.2 确保桩身成孔垂直精度

这是灌注桩顺利施工的一个重要条件，否则钢筋笼和导管将无法沉放。为了保证成孔垂直精度满足设计要求，应采取扩大桩机支承面积使桩机稳固，经常校核钻架及钻杆的垂直度等措施，并于成孔后下放钢筋前作井径、井斜超声波测试。 1.3 确保桩位、桩顶标高和成孔深度。

在护筒定位后及时复核护筒的位臵，严格控制护筒中心与桩位中心线偏差不大于 50mm，并认真检查回填土是否密实，以防钻孔过程中发生漏浆的现象。在施工过程中自然地坪的标高会发生一些变化，为准确地控制钻孔深度，在桩架就位后及时复核底梁的水平和桩具的总长度并作好记录，以便在成孔后根据钻杆在钻机上的留出长度来校验成孔达到深度。为有效地防止塌孔、缩径及桩孔偏斜等现象，除了在复核钻具长度时注意检查钻杆是否弯曲外，还根据不同土层情况对比地质资料，随时调整钻进速度，并描绘出钻进成孔时间曲线。当钻进粉砂层进尺明显下降，在软粘土钻进最快 0.2m／min 左右，在细粉砂层钻进都是 O．015m／min 左右，两者进尺速度相差很大。钻头直径的大小将直接影响孔径的大小，在施工过程中要经常复核钻头直径，如发现其磨损超过 10mm 就要及时调换钻头。

4.4.2成桩质量控制

2.1 为确保成桩质量，要严格检查验收进场原材料的质保书(水泥出厂合格证、化验报告、砂石化验报告)，如发现实样与质保书不符，应立即取样进行复查，对不合格的材料(如水泥、砂、石、水质)，严禁用于混凝土灌注桩。

2.2 钻孔灌注水下混凝土的施工主要是采用导管灌注，混凝土的离析现象还会存在，但良好的配合比可减少离析程度，因此，现场的配合比要随水泥品种、砂、石料规格及含水率的变化进行调整，为使每根桩的配合比都能正确无误，在混凝土搅拌前都要复核配合比并校验计量的准确性，严格计量和测试管理，并及时填入原始记录和制作试件。

2.3 为防止发生断桩、夹泥、堵管等现象，在混凝土灌注时应加强对混凝土搅拌时间和混凝土坍落度的控制。因为混凝土搅拌时间不足会直接影响混凝土的强

度，混凝土坍落采用 18cm—20cm，并随时了解混凝土面的标高和导管的埋人深度。导管在混凝土面的埋臵深度一般宜保持在 2m—4m，不宜大于 5m 和小于 1m，严禁把导管底端提出混凝土面。当灌注至距桩顶标高 8m—10m 时，应及时将坍落度调小至 12cm—16cm，以提高桩身上部混凝土的抗压强度。在施工过程中，要控

制好灌注工艺和操作，抽动导管使混凝土面上升的力度要适中，保证有程序的拔管和连续灌注，升降的幅度不能过大，如大幅度抽拔导管则容易造成混凝土体冲刷孔壁，导致孔壁下坠或坍落，桩身夹泥，这种现象尤其在砂层厚的地方比较容易发生。在灌注过程中必须每灌注 2m3 左右测一次混凝土面上升的高度，确定每段桩体的充盈系数， 建筑施工操作规程》规定桩身混凝土的充盈系数必须大于 l。同时要认真进行记录，这对日后发现有问题的桩或评价桩的质量有很大作用。

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