某铁路桥梁12号桥墩基础设计计算说明书.doc

某铁路桥梁12号桥墩基础设计计算说明书 姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 目 录第1章 概述111工程概况和设计任务112工程地质和水文地质资料613设计依据7第2章 方案设计721地基持力层的选择722荷载计算7221主力计算7222附加力计算9223荷载组合923基础类型的比选1024基础尺寸的拟定11第3章 技术设计1331桩基础的平面分析13311bo、m、的确定13312单桩的刚度系数计算14313群桩的刚度系数计算14314桩顶位移及内力计算w1532横向荷载下单桩的内力和位移计算1533单桩轴向承载力检算1734墩台顶的水平位移检算（以单孔重载计算）1835群桩基础的承载力和位移检算1836 基础配筋19第4章 初步的施工组织设计1941基础的施工工艺流程1942主要施工机具2143主要工程数量和材料用量2144保证施工质量的措施212第1章 概述11工程概况和设计任务某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。设计该铁路线跨越某河流的桥梁之12号桥墩的基础，该桥梁为等跨度，桥跨由38孔32m后张法预应力混凝土梁，设计依“铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）”进行设计，活载按铁路标准活载，即“中活载”。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，全桥总布置见图1-2。图1-1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23。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24。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。图1-2全桥总布置图图1-3图1-412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10001500m，地形起伏大，相对高差100200m，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25图212）。各地层的主要物理、力学参数见表11。场地勘察未发现滑坡、岩溶、断层、破碎带等不良地质现象。表11地层的主要物理、力学参数注：W4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。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。13设计依据（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21地基持力层的选择W3泥岩为微风化泥岩，W3泥岩岩体较完整，岩石强度较高，分布稳定，是本桥墩理想的基础持力层。根据设计方案，在满足本桥墩地基基础设计需要的情况下，本桥墩场地宜选W3泥岩作基础持力层。22荷载计算221主力计算1.由桥跨传来的恒载压力N1=2276+35.5(32.6+0.1)=3436.85kN2.顶帽重量V=100200352=1.4m2N2=C30V=251.4=35kN3.墩身重量A1=2.83.6+1.82=20.26m2A2=2.83.76+1.882=21.63m2A2=2.83.64+1.282=15.34m2A3=2.85.38+2.692=37.76m2A3=2.84.67+2.342=30.21m2A4=2.85.51+2.752=39.26m2N3=C30V=23442.64=10180.72kN4.承台重量N4=251082=4000kN5.车辆活载（1）单孔重载图2-1 单孔重载作用在基底上的竖向活载为N活1=R1=1896.418 kNR1对基底x-x轴的力矩M活1为M活1=0.351896.418=663.74 kN.m（2）双孔重载图2-2 双孔重载因为G1=G2，所以解得x=6.8 m则支点反力;竖向活载： 对基底x-x轴之力矩：222附加力计算1.制动力：单孔重载制动力：H1=10%2205+92(32.75-7.5)=342.30 kNH1对基底x-x轴的力矩：MH1=342.3（0.35+42.95+2）=15506.19 kN.m同理双孔重载时：H2=342.30 kNMH2=15506.19 kN2.纵向风力风荷载强度：W=K1K2K3W0=1.11.01.2800=1.056 kPa墩帽风力：H3=WA=1.05620.35=0.74 kNMH3=0.74(42.95+2)=33.263 kN.m墩身风力：MH4=315.90(42.95/2+2)=7415.69 kN.m223荷载组合表2-1 荷载组合计算表外力组合单孔重载双孔重载N(kN)H(kN)M(kN.m)N(kN)H(kN)M(kN.m)主力恒载17652.570017652.5700活载1896.420663.742973.78040.88附加力制动力0342.3015506.190342.3015506.19风力0316.647448.950316.647448.9519548.9920626.35658.94658.9423618.8822995.9423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、料具的用量价格（包括料具的数量）、施工难易程度、物质供应和交通运输条件以及施工条件等等，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。表2-2 方案比较基 础 类 型 方 案 比 较 浅基础 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。 低承台桩基 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。 高承台桩基 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 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。 由设计资料中的场地平面布置图可知，所要设计的墩台基础位于W3泥岩中，持力层即为W3泥岩，上部荷载较大，河流常年有水，但12号桥墩处无水，综合以上原因选用低承台桩基。24基础尺寸的拟定承台尺寸的拟定1.承台底面标高：该地区无流冰及地震，该河道不通航。12号桥墩处无水，故选择承台底面标高在地面处，即1134.82m。2.承台厚度：承台采用C30 混凝土，厚度定为2m。3.承台平面尺寸的决定：由以上资料可得：墩身高42.95m，墩身坡45:1（外）和80:1（内）计算墩身底面的平面尺寸：底面长为：6.4+2(42.95/45)= 8.31m底面宽为：3.6+2(42.95/45)= 5.51m初步选定承台尺寸为：10m8m2m由铁桥基5.3 进行构造验算：满足材料刚性角的要求。4.桩材选择：根据本工程的特点，选择钢筋混凝土钻孔灌注桩。5.桩径：初步选定桩径为1.25m，成孔桩径1.3m。6.桩长和桩数的估算：根据构造措施，桩中心距大于等于2.51.3=3.25m，设置6 根桩，行列式排列，布置图如下：图2-3 桩的布置 单位:（m）设桩长L10d，计算单桩允许承载力P：其中，,表2-3 各层土的重度土层天然重度（kN/m3）厚度（m）#117.26#215.54#32018.2平均重度所以又有由铁路桥涵地基和基础设计规范6.2.2-5 查fi，其中考虑最不利情况。表2-4 fi的值确定土层名称(kPa)计算厚度（m）#1粉砂454#2新黄土604#3W3泥岩120h所以：解得h=10.05m桩总长验算：L10d=10m，所以假设成立。第3章 技术设计31桩基础的平面分析311bo、m、的确定b0=0.9(d+1)k桩间净距L0=2.05m局部冲刷线以下的计算深度h03(d1)6.75mn=2，故C=0.6所以b0=1.625 m查表知，取m=10000 kN/m4，C25受压弹性模量Eh=32106 kPa本例按照铁路规范EI=0.8EhI=3.067106 kN.m2桩位于地面以下深度l=18.05m因为l=0.35118.05=6.32.5，所以应该按弹性桩设计。312单桩的刚度系数计算钻孔灌注桩=0.5，桩在局部冲刷线以上长度l0=0m；桩在局部冲刷线以下长度l=18.05m；内摩擦角取所穿越土层平均值故 C0=m0l=1000018.05=180500kN/m3EA=321061.227=39.264106 kN，由l4，l0=0可查得：YQ=1.064，YM=0.985，M=1.484带入后可求得：，313群桩的刚度系数计算计算桩基总刚度系数，314桩顶位移及内力计算w计算承台座板竖直位移b、水平位移a、转角(须配合承台重心处各种荷载组合计算)表3-1 承台位移和转角计算荷载形式(kN)(kN)(kN.m)b(mm)a(mm)(10-3rad)单孔重载19548.99658.9423618.882.391.780.51双孔重载20626.35658.9422995.942.661.750.50代入下列公式可得表中数据：，32横向荷载下单桩的内力和位移计算1.单孔重载因为，可查表计算h，任意深度y处桩身截面的弯矩My表3-2 单孔重载桩身内力计算表yyAMBM1289.18AM25930.72BMMy0.0000.0000.0001.0000.00025930.7225930.720.2000.5700.1970.998253.9725878.8626132.830.4001.1400.3770.986486.0225567.6926053.710.6001.0000.5290.959681.9724867.56225549.530.8002.2790.6460.913832.8123674.7524507.561.0002.8490.7230.851932.0822067.0422999.121.2002.0000.7620.774982.3620070.3821052.741.4003.9890.7650.687786.2217814.4018600.621.6004.5580.7370.594950.1315402.8516352.981.8003.0000.6850.499883.0912939.4313822.522.0005.6980.6140.407826.3610553.8011380.162.2006.2680.5320.320685.848297.838983.672.4004.0000.4430.243571.126301.166872.282.6007.4070.3550.175457.664537.884995.542.8007.9770.2700.120348.083111.693459.773.0005.0000.1930.076248.811970.732219.543.5009.9720.0510.01465.75363.03428.784.00011.3960.0000.0000.0000.0000.0002.双孔重载因为，可查表计算，任意深度y处桩身截面的弯矩My表3-3 双孔重载桩身内力计算表yyAMBM1877.32AM22995.94BMMy0.000 0.000 0.000 1.000 0.000 22995.940 22995.940 0.200 0.570 0.197 0.998 369.832 22949.948 23319.780 0.400 1.140 0.377 0.986 707.750 22673.997 23381.746 0.600 1.000 0.529 0.959 1.000 22053.106 22054.106 0.800 2.279 0.646 0.913 1212.749 20995.293 22208.042 1.000 2.849 0.723 0.851 1357.302 19569.545 20926.847 1.200 2.000 0.762 0.774 2.000 17798.858 17800.858 1.400 3.989 0.765 0.687 1436.150 15798.211 17234.361 1.600 4.558 0.737 0.594 1383.585 13659.588 15043.173 1.800 3.000 0.685 0.499 3.000 11474.974 11477.974 2.000 5.698 0.614 0.407 1152.674 9359.348 10512.022 2.200 6.268 0.532 0.320 998.734 7358.701 8357.435 2.400 4.000 0.443 0.243 4.000 5588.013 5592.013 2.600 7.407 0.355 0.175 666.449 4024.290 4690.738 2.800 7.977 0.270 0.120 506.876 2759.513 3266.389 3.000 5.000 0.193 0.076 5.000 1747.691 1752.691 3.500 9.972 0.051 0.014 95.743 321.943 417.686 4.000 11.396 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 33单桩轴向承载力检算单桩的轴向允许承载力分别按桩身材料强度和土的阻力进行计算1. 按土的阻力计算单桩允许承载力 P上面已经计算出P=4125.27 kN该桩桩底置于不透水土中，所以在计算单桩自重和与桩入土部分同体积的土重时应不考虑水的浮力。桩身自重:与桩同体积土重：在两孔满载时，轴向力最大，为最不利荷载组合。单桩允许承载力满足要求。34墩台顶的水平位移检算（以单孔重载计算）墩高：H=42.95m则墩顶水平位移35群桩基础的承载力和位移检算将群桩基础视为实体基础检算时，应按下式计算。计算群桩实体的边长b，群桩实体的基底面积为A=11.5113.76=158.34 m2群桩实体基底纵向截面模量为对单孔重载和双孔重载进行验算单孔重载：对于双孔重载：均满足要求。36 基础配筋根据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光圆钢筋，主筋直径不宜小于16mm，净距不宜小于120mm，且任一情况下不得小于80mm，主筋净保护层不应小于60mm。在满足最小间距的情况下，尽可能采用单筋、小直径的钢筋，以提高桩的抗裂性，所以主筋采用I级钢筋。桩身混凝土为C30，桩身强度承载力足够高，只需按构造配筋。根据桥规，取最小配筋率选用1420的级钢筋，取净保护层厚度，采用对称配筋，则主筋净距为满足要求。桩与承台的联结方式为主筋伸入式，桩身伸入承台板0.12m，主筋伸入承台的长度（算至弯钩切点）对于光圆钢筋不得不小于45倍主筋直径（即810mm）。箍筋采用8间距采用200mm，为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔2m加一道18的骨架钢筋。3.6.1 判断大小偏心 n=14 ，换算截面面积：换算截面惯性矩核心距： 所以属于小偏心3.6.2 应力检算小偏心构件，全截面受压，则 所以满足要求。 3.6.3 单桩的材料表钢筋直径mm根数单根长m单重kg/m总长m总重kg受力纵筋201418.052.47436.8873.6环向箍筋81562.860.395446.16176.2骨架钢筋1862.95217.735.4混凝土等级直径m长m体积m3单桩C25118.0524.4923.6.4 承台配筋在10m7m2m的承台里配置2层100mm100mm的钢筋网和构造钢筋的配置已满足受力和构造要求。第4章 初步的施工组织设计41基础的施工工艺流程(1)施工准备施工准备包括：选择钻机、钻具、场地布置等。 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、桩位的位置准确。 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、固定桩孔位置和钻头导向作用等。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23m。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置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。钻机位置的偏差不大于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、位置和孔形直接关系到成装置量与桩身曲直。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内将泥渣吹出。 (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42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置带动钻机的回转装置转动，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置带动钻具旋转切削岩土，同时利用泥浆泵向钻杆输送泥浆（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。由于是在粘土中钻孔，采用自造泥浆护壁。钻孔达到要求的深度后，测量沉碴厚度，进行清孔。清孔采用射水法，此时钻具只转不进，待泥浆比重降到1.1左右即认为清孔合格。钻孔灌注桩的桩孔钻成并清孔后，应尽快吊放钢筋骨架并灌注混凝土。用垂直导管灌注法水下施工。水下灌注混凝土至桩顶处，应适当超过桩顶设计标高，以保证在凿除含有泥浆的桩段后，桩顶标高和质量能符合设计要求。 施工后的灌注桩的平面位置和垂直度都需要满足规范的规定。43主要工程数量和材料用量44保证施工质量的措施一、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。 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