桥梁基础类型的选择

桥梁基础类型的选择㈠概述任何建筑物无不修建在地球表面的地层上，建筑物的全部重量最后无不传递给地层，由地层来承受。支承建筑物的地层普通称为“地基”。建筑物在地面下列并将上部构造自重和所承当的荷载传递到地基上的构件或部分构造即为建筑物的“基础”。地基、基础和上部构造是建筑物的三个构成部分，三者的功效不同，但在荷载作用下，它们是彼此有关，共同作用的整体。在设计和施工时必须统一考虑，特别在设计计算时，应考虑三部分的共同作用。为了桥梁的安全，地基不能有超出规定值的变位；而为了控制变位，较为方便的办法便是控制地基应力。地基和基础乃是桥梁的重要构成部分。在桥式方案比选之中，每一桥式都有其所需的地基和基础；而在水深较大、地质状况较为复杂之处，基础方案的比选更为重要。大凡一种工程的兴建，困难多在基础工程，特别是水工建筑工程。有人说：“修建一座桥梁工程，如果基础修出了水面，就其工程的难度而言，可谓完毕了总量的70％”。中国知名的桥梁专家、两院院士李国豪也曾说过：“以建造一座跨越江河海峡的大桥为例，只要桥墩修出水面了，建桥工程师便如释重负感到桥已建成了二分之一。”修建基础工程为甚么如此艰难？道理亦很清晰，重要是修建基础时，未知因素太多，诸如水文、地质的变化，都将直接影响工程的质量、安全和工期。据有关资料，建筑物的失事70％～80％是由基础失败而引发的。因此，搞好桥梁基础的设计和施工就显得非常重要了。㈡地基承载力1，在任何状况下，基础的破坏和失效都是不允许的。反之，盲目保守加大费用也是不能接受的。因此，基础设计﹙基础类型选择﹚最基本的准则就是科学地竭力地谋求安全、合用、经济三者矛盾的统一。基础设计是一项含有地基岩土变形的构造设计。它与普通构造设计不同之处重要体现在地基与基础的共同作用问题上。亦即基础的应力与变形的大小，不仅随上部构造所传来的荷载的大小、方向与性质而变，并且还随处基的反力分布、沉降大小、均匀与否而变。因此，从理论上说，地基与基础应视为一种共同作用的整体，而不能分割孤立的进行设计。但工程实践也证明，在大多数的状况下，把地基与基础分开来计算并不会带来不能接受的误差。因此，现行的设计准则为：若非特殊指定，均可认为，将地基与基础分开来计算是完全允许的。但对它们之间的互相影响关系，则须予以考虑并加以对的解决。2，强度与变形分开计算的准则，即在地基设计中必须满足下列两个最基本的规定。一是，地基的强度要够，即按岩土强度计算所得的允许承载力要不不大于由基础传来之力。二是，地基的沉降或变形量要不大于最大允许沉降或变形量。其含义就是，作为地基的岩土，既不允许产生剪切破坏丧失稳定性，也不允许产生过大的沉降和变形。因而地基承载力计算，沉降量计算与整体稳定性计算就成为地基设计的重要内容了。3，在上个世纪，为了能以有效而精确地计算地基的承载能力，岩土力学与地基基础专家们曾作过大量的工作，并发表了大量的计算公式。在欧美各国最惯用的公式有：太沙基公式、汉森公式与梅耶霍夫公式；在前苏联则有：别列赞捷夫和索柯洛夫斯基公式。他们所用的理论和推导办法基本相似，所得公式也基本相似，以太沙基公式为例：Qult=CNC+1/2γBNγ+qNq公式第一项CNc为粘土项，第二项1/2γBNγ为宽度项,第三项qNq为深度项。在粘土地基中，粘土项CNc是起支配作用的，因此应注意C值的测试办法的精确性；在砂性土地基中，深度项qNq是起支配作用的。因此，尽量加深埋置深度，决不可在砂性土地基的表面设立基础；宽度项1/2γBNγ，不管在粘性土还是砂性土中，对地基承载力均能起到加大作用。但当B＜3～4米时，其作用不大，普通可略而不记；内摩擦角Φ值的大小，对承载力都是起决定性作用的。因此，在测定Φ值时，不仅规定测试的准，并且更重要的是测试办法要与实际状况相符：如排水、不排水、固结不固结等。4，按规范拟定地基承载力拟定地基承载力的办法，除了理论公式外，比较可靠的办法是原位测试，即在现场用仪器直接对地基土进行测试。也可在设计位置对旧建筑物进行地基调查。在大多数状况下，可采用地基基础设计规范，这些规范所提供的数据和办法，大多是根据土工实验、工程实践和地基荷载实验总结出来的，含有一定安全储藏，不至因种种意外因素而造成地基破坏。①“公路桥涵地基与基础设计规范”（JTJ024-85）第2.1.4条给了“当基础宽度b超出2米，基础埋置深度h超出3米，且h/b≤4时”地基的允许承载力，按下式计算：［σ］=［σ0］+k1γ1﹙b-2﹚+k2γ2﹙h-3﹚从形式上看，与理论公式佷相似，都由三项构成，第二项含有γb，第三项含有γH。这阐明经验公式中每项都含有一定的力学意义。第二项重要来自基底下列滑动土体的重力，故γ1是指基底下列土体的重度。如在水下，且为透水土，γ1应采用浮重。第三项是表达过载作用，故γ2是指基底以上土体的重度。若基础在水面下列，且持力层为透水者，则过载将受浮力作用，故基底以上的水下土层不管与否透水，其γ2均应采用浮重。若持力层为不透水者，则作为过载的不仅有基底以上土颗粒重，并且也包含孔隙水重，故不管基底以上的水下土与否透水，γ2均采用饱和重度。公式的第二项中含有宽度b，随着基础宽度的增大，地基承载力也对应地提高，这反映该公式与地基强度理论公式的一致性，但考虑到基础宽度过分地增加，地基荷载应力的扩散深度也对应加大，随之而来的是沉降量的增加，对建筑物是不利的，因此对地基承载力随宽度的增加应有所限制。《桥规》规定，当基宽b大过10m时，公式中的b值仍采用10m。该公式中第三项含有H，阐明承载力随基础埋深成线性地增加。但对于深基础就稍不同，根据实验证明，承载力随深度的变化并非线性关系，而是随深度增加，承载力的增加率则逐步递减。故《桥规》又规定只限于H／b≤4的状况。经验公式中的、与理论公式中的、有一对应关系，它们都是内摩擦角Φ的函数。考虑到Φ=0时，Nγ=0这一规律，黏性土的Φ值普通都偏小，故值也应取偏小值。另首先，考虑到黏性土地基的沉降量较大，公式的第二项中含有宽度b的因素，对沉降不利，故表2.1.4中对黏性土的值一律取零，以策安全。对于稍松砂土和松散的碎石类土地基，、值可取中密值的50%。对于岩石地基如节理不发育或较发育者，不作任何深宽修正。对于节剪发育的岩石地基，则可采用碎石类土的宽度深度修正系数。对于已风化成砂土、黏性土者，可参考砂土、黏性土的修正系数。对于修建在水中的基础，持力层又是不透水土，则地基以上水柱将起到过载或反压平衡作用，因而可提高地基承载力。故《桥规》第2.2.1条规定，凡地基土符合上述条件，由常水位到河床普通冲刷线，水深每高lm，允许承载力[σ]可增加10kPa。②岩石地基的承载力，不能简朴地取一种岩样作单轴压力实验来鉴定，由于整个岩盘存在着节理和裂隙，岩样的强度是局部的，不能代表岩石地基整体。因此规范中既要考虑岩石的坚硬程度，又要考虑岩石的节理和裂隙发育状况。“桥规”表2.1.2.7为岩石的允许承载力［σ0］，在表中把岩石按坚硬程度分成硬质岩(其岩块单轴极限抗压强度R在30MPa以上)、软质岩(R大致在5～30MPa)和极软岩(R大致在5MPa下列)三类。按岩石的破碎程度可分为碎石状、碎块状、大块状，也可按节剪发育状况也可分成不发育或较发育、发育和很发育三类。显然节理不发育(或较发育)的承载力较节剪发育者为高。如地基为风化岩石，应根据风化后残积物的形态类别，按同类型土的承载力表查其［σ0］，例如风化岩形成土或砂、砾状物时，可比照土、砂类土、碎石类土的承载力表查［σ0］。当风化后的颗粒之间还保持一定联系时，承载力可酌量提高。㈢基础类型建筑物的基础普通被分为两大类：浅基础和深基础。浅基础是指其埋置深度或相对埋深(深宽比)不大，普通用基坑法施工的基础。而深基础除少量也用基坑法施工外，普通用特殊的施工办法，如沉井基础、沉箱基础、桩基础、管柱基础、地下持续墙基础等。3.1浅平基又叫明挖基础、直接基础，或扩大基础。当持力层在水面之下不太深时，采用围堰，并在堰内出土，设立这种基础，往往是经济的。若施工时地面无水(例如，在河滩上、并值枯水季节，又如，在山区、且不是雨季)，能够参考基础尺寸大小，垂直向下挖基坑。将基坑截面取为圆形，仅需在坑壁喷射混凝土一薄层(例如，基坑直径12m，深度10m，喷混凝土10～15cm)，就能够达成护壁目的。在地面有水之处，如果水深不超出3～4m，流速不超出2～3m/s，能够考虑用草袋围堰；若流速较大，可在其外侧用石笼加固；若河床透水，可用双液注浆办法(以水泥及水玻璃注入，以封闭透水层)。在这种围堰内进行开挖及混凝土灌注。若水深8～10m，能够在枯水季节筑岛，并在岛上修建圆形混凝土围堰，照沉井施工办法那样接高并下沉。这种围堰比双壁钢围堰经济。对于多种水深，可采用钢板桩围堰。若将围堰做成圆形，则其支撑(即围笼)能够取环状，使堰内的工作空间较为宽敞。且环状支撑也能够用钢筋混凝土杆件制成，其刚性较大。为使围堰牢固，钢板桩普通需打进覆盖层内最少3～4m。3.2沉井基础沉井是一种无底无盖的井筒，普通由井壁（即外墙，其下端为了在土中下沉容易，制成刃脚）及隔墙（即内墙）构成。从沉井内出土，井筒即可凭其自重下沉；这时，井筒(井壁及隔墙)能够向上接高。如若井筒上段在成桥之中并非必需，则可在井筒上端的周边设立围堰，方便在堰内排水并修建墩台身部，随即再将围堰拆除。在沉井刃脚下沉到设计高程之后，就用混凝土封底、再以填充料(碎石，水等)填心、并在沉井上端修建顶盖。3.2.1沉井基础的合用范畴、优点及缺点沉井是凭借自重下沉，随即发展到凭借向井壁外侧射水以减少土的摩阻力，又发展为泥浆套法，空气幕法以及压沉法，这就能够使井壁减薄，减少工程数量及自重。为适应岩层面的高低不平，能够在增加探测点的基础上，制成高低刃脚沉井。为提高沉井承载力，能够在井孔之中进行钻岩，用管柱法来加强它。为避免沉井在下沉中歪斜或偏离设计位置，能够增加探测管，并在发现偏斜时立刻采用纠偏方法(偏吸泥、偏除土、偏压重、外除土、外射水、增加支承反力、施加水平拉力)。沉井基础的采用十分广泛。它能够穿过多种土层，将井底落于岩层或承载能力稍高的硬层。施工机具并不复杂。优点在于：①沉井制造是在地（水）面以上进行，构造的质量能确保；②构造的整体性高，刚性大，若遇船舶撞击，桥梁不易损坏。缺点在于：①工程数量较大②灌注水下混凝土时，清基工作较难确保③施工中纠偏难度较大，费工、费时。3.2.2筑岛沉井在水深和流速都不大处，能够在水中直接用沙土(或在草袋围堰内)筑岛；若水深较大，则能够用钢板桩修建一圆形围堰，在堰中填沙成岛。在沙岛表面制造沉井。南京长江大桥1号墩(使用重型沉井)。该处水深1～6m。沉井平面尺寸为20m×25m，其高度为53.5m。让底面达成粗砂。沉井混凝土为17000m3，重量约为39100tf。另加恒载和活载约6000tf，墩底总荷载为45100tf。施工时，先用钢板桩(长度为18～20m)制成φ34m的圆形围堰。清去浮土，在堰内填粗砂，完毕筑岛工作。在砂岛上制造沉井底节，一面下沉，一面接高。沉井共设φ4.0m井孔12个。封底混凝土厚度为6.0m。历时16个月竣工。京九铁路孙口黄河大桥正桥有17个墩采用沉井基础。沉井为圆形，外直径为14m(制动墩)或12m(活动支座墩)；采用薄壁沉井。井壁厚度为0.9m；隔墙取十字形，厚度0.8m，将沉井分为4个象限；由于井壁较薄，均采用空气幕法下沉。沉井高39～46m。3.2.3浮运沉井在水情稳定之处，若水深较大，能够在桥址之外将沉井底节做好，再拖运到桥址，加重，使其落到河床，这便是浮运沉井。为使沉井能浮运，能够有三种方法：①在刃脚处加一临时底板，在运到桥址后则拆去该底板；②仅按井壁、隔墙内外表面用薄层板做成一空壳，使其能浮运，拖运到桥址后，向壳内加水，即可下沉；③在各井孔设立钢气筒，向气筒内注入压缩空气将水驱除，即可增加浮力并浮运到位；随即再让空气排出，即可下沉。1968年建成的南京长江大桥，其4至7号墩，墩处的水深将近30m，覆盖层厚度大致是35m。采用浮运式沉井。平面尺寸大致是18m×22m，各设有φ3.2m气筒20个。采用高压射水破坏风化岩层，用空气吸泥机出土(包含出岩粒)，直至将沉井嵌入基岩。1970年完毕的枝城长江大桥中，有5个墩(4至8号)采用了浮运圆形钢沉井。外直径20m。井身高达31.5m，在井顶的钢板桩防水围堰则可接高15.9m。沉井内有φ3.9m气筒9个。为适应岩面高低，有4个沉井采用高低刃脚。有3个墩(5至7号)因其基岩较差，在9个气筒(即井孔)内用冲击钻在岩层内钻出φ3.2～3.6m的孔，再在孔中填混凝土，使含有管柱的作用。为节省钢材，对沉井上部的钢壁进行了回收。3.2.4设立沉井这是一日本名称。意指将基坑用坑壁放坡法预先挖到基底，并且整平，随即再将预制的沉井空壳浮运到位，注水下沉，并用水下混凝土灌注，完毕沉井工作。优点在于省去沉井的出土、下沉工序，使海上运输少受干扰。缺点则是：开挖量大(基坑基底在每边均需比沉井基底大出5～15m，基坑边坡需为1：1～1：3)；沉井壳用钢制造，用钢量不少；沉井全用混凝土填充，混凝土数量也很大。日本备赞大桥、明石大桥均采用设立沉井法于1988年建成。也是在1998年，丹麦建成了大贝耳特悬索桥，塔的基础施工办法同设立沉井十分相近。同日本明石大桥相比，这桥每塔的沉井基础仅用混凝土11750m3、用钢量1925t。但明石大桥每塔的沉井基础则为：构造钢15500t，混凝土339000m3。为丹麦桥用钢量的8.05倍、混凝土的28.9倍。3.3气压沉箱基础沉箱是一有工作室的箱形构造，下面没有底，室的上面有顶盖，能够让压缩空气进入室内，将水排到室外，在室内挖土；箱壁下端是刃脚，能够让箱脚进入土内。为了安装气筒和管路，顶盖上需要设孔。气筒能够向上接高，其上端需设中央气闸、人用变气闸及料用变气闸。人用变气闸的作用，一是逐步变化闸内气压，使工人能够适应；二是避免在工人进出气闸时，压缩空气外泄。另外，在顶盖以上，在沉箱周边应设围堰，以资防水，借能在堰内灌注墩台身部。下图是沉箱示意图(由于沉箱的特点是让工人在压缩空气中工作，沉箱又叫气压沉箱)。1892年修建滦河桥(老桥，在北京山海关铁路线上)，19修建京沪铁路泺口黄河桥，1935年修建浙赣铁路钱塘江桥时，都曾使用了沉箱基础。但从1954～1956年开始，武汉长江大桥开发了管柱基础，给深水基础开辟了一条新路。于是，1959年以来，沉箱在我国就极少提到了。但是，在国外，沉箱仍然在使用；并且还研究遥控挖掘沉箱工法以适应特殊需要。沉箱的优点，在于能够让人直接看到基底，能排除多种故障(例如，沉船，钢铁沉积件、大孤石等)，能对基底承载能力作简朴实验。缺点则是：随下沉深度增加，工作条件越来越恶劣；为防止沉箱病，进出气闸所需的变压时间越来越长，每班的工作时间越来越短。普通，沉箱下沉深度应以水面之下35m为限。3.4管柱基础管柱基础的构造构造示意图﹙a﹚低承台管柱基础﹙b﹚高承台管柱基础﹙c﹚斜管柱高承台基础管柱基础是我国于1953年修建武汉长江大桥时所首创的一种新的基础型式。这种办法的实施，重要是：①用定位桩若干根，将一外直径16m的钢围笼﹙也称围令﹚固定于设计位置上；再通过围笼上的格子，将管柱(外径1.55m～5.8m)插入河床，用振动打桩机及高压射水迫使下沉，使管柱下端达成岩面；②用冲击式钻头在管柱内冲击岩石，在岩石中钻成直径约1.4m，深度为2～7m的岩孔；将钢筋笼插入岩孔，再用水下混凝土填满岩孔及管柱；③在围笼外围插打钢板桩围堰，并用水下混凝土将围堰封底；在混凝土养生之后，凭借围笼对钢板桩的支撑，在围堰内抽水，然后能够在管柱上灌注承台及墩身；至其升出水面后，便能够拆去围堰了。这种办法的优点，在于工人的工作全是在水面之上进行，不受洪水影响，这就能够压缩工期。工程材料用量是比沉箱为少；且管柱下端能够适应岩面高低不平状况。缺点则是：①所需机具设备颇多，并且是专用性质，这是普通工程队伍所不易办到的。②武汉长江大桥所用管柱的直径为1.55m；最大入土深度为27m左右；每根管柱所承受的设计轴向荷载(主力)为504～634t。其中6个重要墩(2至6号、8号)所用管柱数目，每墩为30或35根，由主力产生的岩石承压力是4.0～4.7MPa。在封底混凝土底面处，其3号墩所受到的竖向荷载(恒+活)为16100t。在1960～1965年，南京长江大桥第8及9号墩仍用管柱基础。施工时最大水深为23m，覆盖层厚度达46m，岩面是在水面下列69m。每墩均是用10φ3.6m预应力混凝土管柱。在最大反力组合，在管柱下端，一根管柱所受最大轴向力为4290t及4420t。为下沉管柱，每一管柱均用2台中-250型振动打桩机并联使用。南京长江大桥的第2及3号墩采用矩形沉井、下接管柱的基础。水深约30m，覆盖层厚约40m。在2号墩，岩层为页岩及砂岩，砂岩局部疏松，裂隙发育、破碎。采用13φ3.0m混凝土管柱。一根管柱最大轴向力为3200t。在施工中管柱若有一种发生倾斜或不均匀下沉，那就很难纠正。于是，十分谨慎地看待施工。在墩周还进行抛石防护，以减少局部冲刷，使墩周的土有足够抗力，这就对墩的强度和刚度有利。对3号墩的破碎岩石地基，还进行了长时期的固结灌浆、填充灌浆和挤实压浆。分别经历了3年和5年的艰辛施工，两个桥墩才胜利地建成了。管柱基础创始于我国。很快就在各国通行。前苏联、日本与欧美等国均先后予以采用，只是在施工办法与设备方面物有所改善与提高罢了。其中，尤以日本对这一基础类型的推广、提高最为有力，并将其定名为多柱式基础。日本曾将这种办法用之于海上，并称之为多柱基础。致使管柱基础的合用范畴由内河深水基础，走向了海洋深水基础。管柱基础与大直径的桩基础或小直径的沉井基础的重要区别在于：(1)管柱的柱底是钻孔嵌岩的。借管柱底嵌入岩磐和管柱顶嵌入刚性承台来减少柱的自由长度、提高整个基础的刚度，而不是靠桩侧土体的侧向抗力或专靠加大基础的体积与重量来提高基础的刚度的；(非嵌岩者已归属柱桩基础一类)；(2)地基的受力状态，由于有了钻孔嵌岩柱部份，使持力层由表面直接承压改为通过钻孔向岩层深处扩散，从而提高了基岩的承载能力；(3)管柱基础所受之水平力及力矩，重要系由管柱上下端的嵌固力矩与嵌岩孔壁来承受。而不象桩或沉井、沉箱那样，需靠基础周边土的水平抗力、嵌固力以及由自重所产生的抗倾覆力矩与摩阻力来平衡。(4)管柱与嵌岩钻挖井柱的区别重要在于：管柱的受力体重要是预制的管壁(R.CPC或钢)局限性之数由管内填充之混凝土或钢筋混凝土来补足。而钻挖井柱则以就地水下灌注的钢筋混凝土柱作为重要受力体。即便钢护筒不拔除，也因筒壁较薄受力不大，不考虑它的受力作用。另外，在施工方面，管柱是用管节的强迫下沉，然后再在管内排土成孔的。3.5双壁钢围堰钻岩基础1973年修建九江长江大桥5号墩时，提出了双壁钢围堰钻岩方案。双壁钢围堰外径约为20m，内径17m，两壁所夹厚度为1.4m，这是用6mm厚的钢板沿着圆围堰的内外表面而制成的空壳；在两壁之间，用桁式钢杆件加劲。将这种围堰分为几节、每节分成几块，预先制成。将底节拼好，并运到桥位，浮在水中。一面对上接高，一面对空壳内注水，使其刃脚进入河床。再从堰内吸泥并排出，同时加高围堰(只需拼装预制块并焊接)，直至刃脚达成岩层。然后，将若干φ3.0m圆钢筒(壁厚6mm)吊入堰内，并固定其位置。于是，在这些圆钢筒与堰的内壁之间，灌注水下混凝土封底。这样，这一围堰就扎根牢固。再用旋转钻机，在各圆钢筒内钻岩。在岩孔钻好后，放入钢筋笼，灌注混凝土(至封底混凝土顶面)。然后，能够抽水，灌注承台及墩身。再将钢围堰的上段烧切下来，方便回收。同钢围笼、钢板桩法相比，此法用料较少(不用钢板桩，且围堰用料比钢围笼为少，而围堰上段还能够回收)，用机具较少(不用吊插及下沉钢板桩，不用管柱节段，不用振动下沉)，工作空间较大(内壁17m直径之内的空间能够自由运用使吸泥、立模、灌注混凝土工作方便)，几乎不受施工水位干扰(围笼及钢板桩只能抵抗20m水头，若在高水位时从堰内抽水，极易翻砂或损坏，但现设计的双壁钢围堰在其下段灌入混凝土之后，能够抵抗36m水头)，因此，能够压缩工期。同钢沉井、下接管柱者相比，沉井是永久构造的构成部分，它在下沉中要发生偏位，这将使其管柱受力条件恶化；但围堰是临时构造，只要让圆钢筒位置按设计位置决定，则其永久构造就不会有偏心；并且，钢围堰构造简朴，上段又可回收。九江桥有4个墩(3号，5至7号)使用了这种基础。岩面有高低不平者(高差分别达3.6及3.9m)，覆盖层有厚达31.3m者，这都未造成困难。有不少公路桥，如武汉长江二桥及军山大桥，铜陵及黄石长江大桥、南京长江二桥均采用双壁钢围堰钻岩基础。9月竣工的芜湖长江大桥，主航道桥为矮塔斜拉桥，公铁两用，跨度为180m+312m+180m。其主墩基础也是用双壁钢围堰钻岩基础。围堰外径30.2m，内径27.0m，两壁所夹厚度为1.6m；在两壁之间灌有混凝土之后，所能抵抗的水头达43m。堰内的钻岩桩(管柱)为19φ3.0m。3.6地下持续墙基础将钻孔桩的截面取作矩形，让它们彼此相邻，然后将其连接就构成为地下持续墙了。其优点是：①是以摩阻力为主的摩擦型基础。由于地下持续墙在挖槽时对周边土层的扰动比下沉沉井的扰动要小，加上井箱内留有土芯，墙的内外两面都同土层接触，其摩阻力要比沉箱或沉井都大。因此，地下持续墙能够获得较大的承载力②是一种变形很小的刚性基础。地下持续墙基础的刚度不仅比桩基础的刚度大，并且比沉箱或沉井都大。因此，在水平力作用下，其变位很小。典型例子是1986年建成的日本北浦港双线铁路桥。该桥为5跨持续梁，两主跨均为120m。主桥墩所用的地下持续墙厚度为1.5m，水平截面为空心矩形，外廓尺寸为9.0m×10.0m(内部空心部分为6.0m×7.0m)。地下持续墙是分成4个竖向单元施工，单元之间的连接是让水平钢筋搭接。顶板厚度4m；顶板以上便是墩身。1989年建成的白鸟大桥(在日本北海道)是主跨720m的悬索桥，其两塔的基础也是用地下持续墙法施工。1992年投入运行的日本青森大桥(斜拉桥)的塔基础也是用地下持续墙。该桥跨为120m+240m+120m。桥塔基础采用平面尺寸较大，深度较浅的地下持续墙。水平截面为空心矩形；外廓尺寸为20.5m×30.0m，内有6个矩形孔(平面尺寸均8.0m×8.0m)；外壁、内壁厚度均1.5m。墙顶之上的顶板，厚5.0m。从顶板之下，算到墙底，深度是37m。该地连墙分为29个竖向单元施工。单元之间水平钢筋的连接采用管状接头。就规模讲，在同类基础中，这桥是最大的。3.7桩基础桩基础可分为打入桩基础和就地钻（挖）孔桩基础；按材料可分为木桩、钢桩、钢筋混凝土桩和预应力混凝土桩3.7.1打入桩基础将预制的桩，打入土中，重要靠土的摩阻力、另首先靠桩尖承压力，使桩获得承载力，再在桩顶用承台连起来，所形成的基础构造。打入桩，起初是用木桩，后来发展为钢桩及混凝土桩。沉桩的办法，起初是用人力进行锤击，后来发展为蒸汽锤及柴油锤、振动打桩机、以及射水下沉法、吸泥下沉法。就现在的技术水平讲，采用有斜桩的高桩承台，重要是用打入桩。3.7.1.1木桩长度每为9～20m，每桩允许承载力为13～22tf。若要木桩耐久就必需让它永远浸在水中。在1937年所建成的钱塘江一桥，有7个桥墩是将长度为30m、平均直径为0．3m的木桩，用单打汽锤(锤重5.8t)及射水法，借助20m长的钢送桩，将每墩160根木桩桩顶置在水面之下16～20m处，再将气压沉箱用作桩顶承台而修建起来的。在中国，用这样长而大的木桩是仅有这一例。这也是在当时施工条件下，为修建深达47.8m的基础而不得不采用的。由于木桩在性能上受限制(承载力较小，且应使其始终位于水面之下)，木桩就极少采用了。3.7.1.2混凝土桩可觉得钢筋混凝土桩(实心桩及管桩)或预应力混凝土桩。钢筋混凝土实心桩的截面，每为矩形或正多边形；横向尺寸每不超出0.45m。自重相称大，当用两点(或三点)起吊时，因自重所生的桩内弯矩就决定了桩内的配筋数量。为此，桩的预制长度普通不适宜不不大于20m。但在打桩过程中，将桩接长也不容易。因此，只是在覆盖层条件不需要很长的桩，而实心桩能够由工地自制时，采用这种实心桩方才适宜。在工厂内用旋转成型法制造钢筋混凝土管桩，一端为桩尖、另端为法兰盘接头，或两端均使用方法兰盘接头；这能够使桩的自重减轻，并让桩的接长较为方便。这是我国在20世纪50年代后期在推广打入桩方面一种重大的进步。桩的直径分为0.4m及0.55m两种，允许承载力能够达成50~90tf及100～150tf。在60年代，仅铁路桥就使用了这种桩总延长约220km。其入土深度普通是20～30m。在1957年建成的武汉长江大桥中，其7号墩的地基是碳质页岩，该处水深30~35m，合计用φ0.55m管桩116根；打桩机具，普通用锤击(6t单打汽锤、或振动打桩机)及30kgf／cm2高压射水，且将桩尖改为钢制锥形尖，而在碰到燧石岩层时，则改用开口桩靴，将水压加大到45kgf／cm2，且在桩内用空气吸泥机吸除岩屑，让锤击、射水、吸泥三者并用。于是，在该基础之内，有80根桩进入页岩15～17m，而最大入岩深度达19.6m。在实践之中，曾发现这种管桩抗裂性较差，往往出现横向裂缝。于是，一面提高制造质量(确保混凝土强度，合适加大配筋量)，一面在1966~1969年间研制先张法预应力混凝土管桩。另外，在打桩工艺方面，尽量采用“重锤轻打”(即用较重的锤，从较低的高度下落)乃至液压锤，混凝土管桩的损坏率也就明显下降了。采用有斜桩的高桩承台，最能发挥较粗的(φ0．55m)管桩的潜在强度，减少工程数量。明显的例子，一是1958年建成的三盛公黄河铁路桥，桩长均36m；一是萧(山)穿(山港)铁路余姚江桥，每墩有桩17根(内有10根为5：1斜桩，最大的桩长为56m)。3.7.1.3钢桩惯用的是H形钢桩和钢管桩。我国1974年修建黄浦江桥时，有3个墩是用开口钢管桩的高桩承台；钢管的外径1.208m，壁厚18mm，桩长46.0m；桩的入土深度大致是20m，每桩允许承载力为500tf。对实验桩进行静载实验，极限承载力则为1000tf。在此之前，我国曾在抢险或应急时采用过轨束桩(将钢轨3～4根用角焊缝及拼接板焊在一起)，这种桩在锤打时能穿过乱石堆，其使用较为可靠。钢桩入土深度普通是在40m(管桩)或50m(H桩)之内。现在正在修建的杭州湾跨海大桥共用钢管桩5164根，钢管管径分φ1500㎜和φ1600㎜两种，桩长71～88m。钢管上端厚度22㎜，下端厚度20㎜。3.7.2钻孔桩和挖孔桩钻（挖）孔桩从上世纪六十年代初在我省南阳地区应用以来，其推广极快。在1965～1969年，新建铁路桥钻孔桩总延长达470km，在20世纪70年代达1350km；而铁路钻（挖）孔桩也达成170km。钻孔桩合用于多种土质，施工机具及办法较为简便，故在普通状况下能够取代沉井(因沉井的工程数量较大)及打入桩(因所需打桩机具较重)。挖孔桩仅靠人力就能施工，不受机具和地形限制，但必须是在地下水极少之处，故其推广较为受限制。较常使用的钻孔桩直径是1.0～2.5m，但在特大跨度桥的桥墩之下，也有用到3m者。由于桩周摩阻力是同桩周的长度成正比，而周长是同桩径正成比，但桩尖承载力是同桩身截面积成正比，桩身截面积是同桩径的平方成正比；因此，摩擦桩不适宜加大桩径，且需让桩的中心间距最少为桩径的3倍，而靠桩尖支承压力的桩则宜采用大直径桩，选择钻孔桩直径时必需考虑这些因素。在现有的多种成桩办法中，钻孔桩虽有许多优点而被广泛采用，但在施工中却难以避免泥浆的影响：桩底虚土的存在，不仅影响端阻的发挥，也使侧摩阻力受到损失；桩周软弱夹层的存在，使得桩体与土体之间的摩擦性质发生变化。对于以桩土之间通过摩擦传递荷载来讲，是非常不利的。这些正是钻孔灌注桩承载效益不高的因素。在上世纪八、九十年代我们曾与高校合作进行了用灌浆法提高钻孔桩承载力的研究并获得可喜的成果，其办法就是向其桩尖﹙桩底压力灌浆﹚和桩周压浆﹙桩侧灌浆﹚。桩底压力灌浆就是在普通桩桩底，预先安放一种灌浆腔，这种腔是由弹性材料制成，在压力作用下把浆液灌人灌浆腔，腔体膨胀，也即用浆体取代并压密了桩底沉渣及土体，在压密的同时，土体及沉渣排出部分孔隙水，随着进浆量及压力的增加，扩大头逐步形成，压密范畴也逐步增大。这样，桩底压浆不仅解决了沉渣，更重要是变化了土体的性质，有效地提高了承载力。桩侧灌浆就是在普通桩的基础上，通过事先预埋的花管，把水泥浆液压入孔壁之中。其作用，一是能够解决泥皮，二是能够挤压桩侧土体，三是能够形成凸出的浆液包，四是还含有渗入灌浆效果，全部这些均改善了桩与孔壁的接触条件及土体状况，借以提高整个桩的承载力。桩底灌浆工艺的采用改善了普通钻孔桩的承载性能，使承载力大幅度提高，桩的沉降量大幅度减少。工程上能够安全地减小桩的尺寸，从而能够大量节省工程费用。据测算其可节省桥梁基础混凝土圬工的40％，节省投资的20％。桩底压浆尚有一种很大的优点，即在动力荷载作用下几乎没有永久沉降。桩底压浆在发挥材料强度方面有明显的优势，据有关资料统计，普通钻孔桩单位体积可提供的极限承载力平均为251.3kN／m3，而压力灌浆桩可达812.68kN／m3，后者为前者的3.2倍。这样用桩底灌浆技术可解决普通钻孔桩经济效益不高的矛盾，为钻孔桩的广泛应用注入新的活力。挖孔桩在极少地下水的状况下，才干使用自如。在成昆铁路，有些桥原是按扩大基础设计，基坑开挖量颇大，且需在山坡进行。但覆盖层厚度但是8～10m，其下便是硬质基岩。改为挖孔桩之后，每桩断面每为1.3m见方，一面用人力开挖，一面以木框架护壁，下挖到基岩，桩孔深度不到10m，这样，就能够用混凝土填入桩孔，将挖孔桩制成了。由于它能够减少开挖数量，这就快速推广。最深的孔曾挖到30m；但当孔挖到15m之后，必须向孔内输送新鲜空气。杭州湾跨海大桥共用钻孔桩3438根，桩径最大为2.8m，桩长120m㈣基础类型选择的原则1，梁类桥的基础，重要是竖向受压。本地基的承载力较高或相称高时，适宜于用平底基础。惯用的平底基础是浅平基、沉井基础、气压沉箱基础。当土层较厚、其摩阻力能够运用时，能够用打入桩或钻孔桩基础；当土层较软，但其下有硬层能够用作持力层时，适宜于用钻孔桩基础；若其下的硬层是岩石，则宜于用嵌岩的管柱。对于这些桩类基础，若能用高桩承台及斜桩，其工程数量将有明显节省。现今只是打入桩能够打斜桩。2，水下基础类型的选择，普通系根据：1.水文条件；2.地质条件；3.构造体系及荷重性质；4.环境条件；5.施工条件等诸因素。并通过综合考虑和重复论证后才干加以拟定。由于水下基础的类型不仅关系到造价的高低、工期的长短，并且还关系到施工的难易甚至成败。普通说来，水文条件与地质条件多为水下基础类型选择的决定因素。当持力层在水下不超出12m时，采用防水围堰抽水直接设立的基础往往是最经济的；不超出30m时，采用桩基础是最经济的。因此说，在正常的水文地质条件下，首先应当考虑采用直接基础，当持力层很深时，则应考虑桩或多柱式基础、沉井或沉箱基础。由于桩或多柱式基础的混凝土用量约为沉井或沉箱基础的1／6，造价低40％，致使在方案选比中，普通应优先考虑桩基础与多柱式基础。然而，在深水中，由于水流及其随着而生的水平力很大，往往需要采用象沉井、沉箱那样的重力式基础才干满足建筑物的刚度规定。但是，在岩面凹凸高低悬媒，岩面倾斜严重(不不大于30度时称为严重)，或有溶洞、溶沟时，为了基础的可靠性，又不得不改用管柱基础、钻挖井柱基础。气压沉箱基础，因其造价较高，工作条件较差，故在我国几乎完全被排除。然而，在国外由于其质量检测直接，质量易于确保，并能解决异常复杂的地责问题，时至今天，还在经常使用着。特别是在那些地质条件异常复杂，对基础质量规定又非常严格的地方，气压沉箱仍不失为一可供选择的基础方案。4.2.1对水文条件的考虑水下基础的类型选择，水文条件往往是起决定性作用的。其中涉及：水深、流速、冲刷、冲溶、浸蚀、水流方向、水位涨落幅度、漂流物(船、木排、冰)冲击力与波浪冲击力等。在流速大、冲刷深和有船撞或冰撞可能性的河流中，采用桩基或多柱式基础时，将会因水平力的加大和自由长度的加长而造成桩径或柱径的加大。如武汉长江大桥水中桥墩管柱直径为1.5m，南京长江大桥水中桥墩管柱就需加大到3.0～3.6m。但当直径加大到施工水平已难达成的程度时，就需将承台减少，方便籍以减小直径。显然这种直径加大和承台减少都将造成施工费用的急剧增高。由于桩或多柱式的基础本身的型式也诸多，因此，在已决定采用桩或多柱式基础之后，尚有一种采用什么桩或柱的问题。例如在海水或有侵蚀性的水中，不适宜采用打入式钢筋混凝土桩。由于在打入RC桩时，不可避免的会使桩身产生裂纹，而避免裂纹则是增加基础耐久性的必要条件。4.2.2对地质条件的考虑在含有溶洞、溶沟或岩面高差甚大的岩石地基上，以采用多柱式基础为宜。由于多柱式基础能够把大面积的地基化整为零，以每一根管柱为单元进行探测与解决。这样不仅能较容易而可靠的探明地下溶洞的层次、尺寸及持力层的厚度。并且还能针对基岩的缺点进行有效的加固方法。在岩面不平的地基上，若用多柱式基础不能满足上部构造所需的刚度规定时，能够采用水下爆破，抓斗挖掘去除基坑、钻机磨平地基面的施工办法选用“设立沉井基础”方案。在浅水中固然也可采用防水围堰直接扩大基础。在覆盖层很厚，即35～50m下列尚无承载力较高的持力层时，采用摩擦桩基础是很合理的选择。在地震区桩应穿过可能液化的土层，宜采用深桩基础方案。我国知名的南京长江大桥的水中桥墩，是一种按地质条件选择基础类型的最典型的例子。它分别在基岩为角砾岩(基岩单柱极限强度高达200～400kgf／cm2)的8、9号墩采用钢板桩围堰管柱基础。在基岩强度甚低，且有裂隙密集破碎带的泥质页岩上的4、5、6及7号墩，采用了自浮式薄壁沉井基础，4.2.3对构造体系与荷载性质的考虑因沉井与沉箱的尺寸普通并不完全随荷载的大小成比例的增减，因此当一座建筑物的荷载规模在1500t以内时，采用沉井、沉箱基础是不会经济的。当荷载规模不不大于1500t时，由于桩基的桩数将随荷载的增加而增加，从而使得桩基在经济上的优越性也就逐步减小。当总荷载达成某一程度后，使用桩基有时反而不如改用沉井基础合理。然而，多柱式基础和销口管柱井筒基础，只要在技术上是可行的，在经济上永远是有竞争力的。普通说来，当规定基础的刚度大，特别是对建筑物顶部的位移量规定小的基础，多采用沉井或沉箱基础。4.2.4对环境条件的考虑，对于水中建筑物的基础类型选择，有时还会碰到环境条件变成了控制因素的状况。例如，在航运繁忙并且航道不能过分压缩之处，大型浮式沉井由于锚碇范畴过大而被否认。在邻近防洪大堤或其它怕震建筑时，采用普通打桩锤打桩或吸泥下沉沉井时，会因震动和翻砂而引发建筑物的下沉，甚至造成严重的事故。因此，在这种条件下选用新的打桩设备甚至采用静力压入桩可能是最佳选择方案。环境水或地下水对基础的侵蚀性，也是选择基础型式的因素。例如，海水或河流中的下水道出口处，化工厂废水流入处，和含有大量有机物的池塘、沼泽地，都有可能产生基础侵蚀问题。当实验水中的pH值不不大于9.5或不大于4.0时，若采用钢桩或RC桩即需考虑防侵蚀问题。当水中含有硫酸根离子，二氧化碳离子特别是氯离子时，都有可能造成混凝土和钢或钢筋的腐蚀作用，故在方案选比中应将此一因素考虑在内。在深海中，即使有较高的氯离子，但却因缺氧，而腐蚀速度反而很慢，故普通在基础型式选择中能够不去考虑它。然而，在浪花飞溅区、水位潮汐变化区，腐蚀现象却非常严重，特别是对惯用的钢桩和钢板桩基础，必须在方案通过的同时提出防护方法，或限制建筑物的使用年限。总之，在基础方案选比中，不仅要考虑到基础本身的安全可靠性与耐久性，还要考虑到基础施工及使用期间对环境可能产生的危害。㈤我公司某桥桩基类型比选计算土层123456789101112编号土层厚度（m）2.33.933.84.112.93.46.92.87.72.212允许承载力（Kpa)160140100120100200140200180400220400极限摩阻力（Kpa)554530403050455060607060土层特性亚亚

粘

土粘

土亚

粘

土粘

土中

砂亚

砂

土细

砂亚

砂

土中

砂亚

砂

土中

砂砂土土层容重γ2018.519.518.519.519.52019.52019.52019.5土层内摩擦角φ241821182138243624382438土层的比例系数m100001000010000100001000015000130001000010000150001000010000现以某部设计过的桥墩（用上图表的地层数据）为例，进行基础型式的比较：桥面宽B＝13米；墩柱高7.5米；一联长85米(25+35+25)；Pk=300kN按三车道制动力F=2.34*(300+85*10.5)*10%=279KN基顶外力N＝7000kN;fx=279kN;fy=110kN；f=√（fx2+fy2）＝299.9KN桩顶弯矩My=299.9KN*7.5m=2249.3KN-m【Ⅰ】按2根直径2米的单排桩双柱墩桩顶外力N=7000KN/2=3500KNQ0=150KNMy=2249.3/2=1124.7KN估算桩长：将桩尖置於第十层（中砂）层面［N］=1/2(U*L*τp+AσR)γ2=(∑hi*γi)/∑hihi=(2.3*20+3.9*19+3*18.5+3.8*19+4.1*18.5+12.9*19.5+3.4*20+6.9*19.5+2.8*20)/(2.3+3.9+3+3.8+4.1+12.9+3.4+6.9+2.8)=833.75/43.1=19.35kN/3σR＝2m0λ［σ0］+k2γ2（h-3）｝=2*0.5*0.8*｛400+4*19.35*(40-3)｝=2609kPa［N］=1/2(U*L*τp+AσR)＝1/2*｛π*2*（2.3*55+3.9*45+3*30+3.8*40+4.1*30+12.9*50+3.4*45+6.9*50+2.8*60）+π*2609｝＝1/2*｛π*2*1978+π*2690｝＝10439.5kN桩自重G=43.1*π*2^2/4*25=3385kN作用在桩上的力N＝3500kN+3385kN=6885Kn桩内力的计算M0=1124.7Kn-mQ0=150kN⑴桩的计算宽度bi=0.9*(d+1)=2.7m⑵基础变形系数α：桩混凝土C25Eh=2.8*104MPa;I=π*24/64=π/4EI=2.8*107KN/m2*π/4m4*0.67=1.4734*107kN-m2Bm=2(d+1)=6mm=104kN/m4α=（mbi/EI）1/5=(2.7*104/(2.8*107KN/m2*π/4m4*0.67))1/5=0.2835m-1⑶入土桩身的My可由公式My=Q0/α*(2.441*A3-1.625*B3+D3)+M0*(1.625*A3-1.751*B3+C3)计算出Mymax=1369kN-m在地面下列2.63米处查出My=0是在地面下列11米处⑷桩顶位移δqq=2.441/α3*EI=2.441/（0.28353*1.4734*107）＝0.72709E-5δqm=δmq=1.625/α2*EI=0.13722E-5δmm=1.751/α*EI=0.04192E-5桩顶水平位移X0＝δqq*Q0+δqm*M0=0.72709E-5*150+0.13722E-5*1124.7=109.063E-5+153.23E-5=263.397E-5=0.00263m桩顶转角Φ0＝δmq*Q0+δmm*M0=0.13722E-5*150+0.04192E-5*1124.7==20.583E-5+47.147E-5=67.730E-5=0.rad【Ⅱ】按2个承台8颗φ1.0米的桩承台尺寸：长B*宽B*高H=4.5m*4.5m*2m每个承台底的力素：N=7000KN/2+4.5*4.5*2*25KN=4512.5KN按每颗桩负担N＝4512.5/4＝1129KNPx=279kN/2=139.8KNPy=110KN/2=55KNP=√P2x+P2y=150KNMy=139.8*7.5=1048.5KN-m;Mx=55*7.5=412.5KN-mM＝√（1048.52+412.52）＝1126.7KN-m估算桩长：将桩尖置於第6层（中砂）层面：桩长17.1米［N］=1/2(U*L*τp+AσR)γ2=(∑hi*γi)/∑hihi=(2.3*20+3.9*19+3*18.5+3.8*19+4.1*18.5)/(2.3+3.9+3+3.8+4.1)=18.93mσR＝2m0λ｛［σ0］+k2γ2（h-3）｝=2*0.5*0.7*｛200+4*18.93*(17.1-3)｝=887.36kPa［N］=1/2(U*L*τp+AσR)＝1/2*｛π*1*（2.3*55+3.9*45+3*30+3.8*40+4.1*30）+887.36*3.1416/4）＝（2095.44+696.93）/2＝1396KN桩基计算⑴基础变形系数α＝（mbi/EI）1/5桩混凝土C25Eh=2.8*104MPa;I=π*14/64=π/64EI=2.8*107KN/m2*π/64m4*0.67=9.209*105kN-m2hm=2(d+1)=4mm=104kN/m4L0=2.5-1=1.5m<0.6h0=0.6*3(d+1)=3.6mK=c+(1-c)*L0/0.6h0=0.6+(1-0.6)*1.5/6=0.767(n=2c=0.6)B0=0.9*k*(d+1)=0.9*0.767*2=1.38mbi=104KN/m4*1.38m=1.38e4KN/m3α=（mbi/EI）1/5=(1.38*104/9.209*105)1/5=0.4316m-1⑵单位力作用下桩顶的变位α*EI=0.4316*9.209E5=3.9746E5α2*EI=(0.4316)2*9.209E5=1.7154E5α3*EI=(0.4316)3*9.209E5=0.7404E5δqq=2.441/(α3*EI)=3.2969E-5=δ1δqm=1.625/(α2*EI)=0.9473E-5=δ3δmm=1.751/(α*EI)=0.4405E-5=δ2⑶当承台发生单位位移时所引发桩顶的内力ρ1＝1/（（L0+ξh）/EA+1/(C0A0)）L0=0;ξ=0.5(摩擦桩)；h=17.1m;E=2.8e7KN/m2A=π*d2/4=π/4C0=m0h=15e3KN/m4*17.1m=256.5e3KN/m3内摩擦角φ＝200tan(20/4)*17.1=1.496m>2.5/2=1.25mA0=π*1.252/4=1.227mρ1=1/((0.5*17.1/(2.8e7×π/4)+1/（256.5e3*1.2272）=2.8045e5ρ2=δ2/(δ1δ2-δ23)=0.3234e50.7938ρ3=δ3/(δ1δ2-δ23)=0.1504e51.7071ρ4=δ1/(δ1δ2-δ23)=1.1255e55.9414⑷当承台发生单位位移时所引发全部桩顶内力之和γaa=∑ρ2=1.2936e53.1752e5γaβ=-∑ρ3=-0.6015e5-6.8284e5γββ=∑ρ4+∑xi2ρ1=22.0304e541.5187e5γbb=∑ρ1=11.218e5⑸在外力N,P,M作用下承台的位移垂直力N＝3500KN+4.52*2*2.5=4512.5KN水平力P:顺桥向Px=69.9KN;横桥向PY=55KN弯矩M:顺桥向MY=524.25KN-m;横桥向MX=412.5KN-m承台的垂直位移:b=N/γbb=4512.5KN/11.218e5=0.004m承台顺桥向的水平位移:a=(γββ*Px-γaβ*MY)/(γaaγββ-γaβ2)=0.00066m承台横桥向的水平位移:a1=(γββ*PY-γaβ*MX)/(γaaγββ-γaβ2)=0.00052m桩顶水平位移X0=√(0.+0.)=0.00084m承台顺桥向的转角:β=(γaa*MY-γaβ*Px)/(γaaγββ-γaβ2)=0.00026rad承台横桥向的转角:β1=(γaa*MX-γaβ*PY)/(γaaγββ-γaβ2)=0.00020rad桩顶转角Φ0＝√(0.+0.)=0.rad⑹作用在单颗桩顶的内力顺桥向：N=(b+β*x)*ρ1=(0.004+0.00026*1.25)*2.8045e5=1212.9KNQ=aρ2-βρ3=0.00066*0.3234e5-0.00026*0.1504e5=17.43KNM=βρ4-aρ3=0.00026*1.1255e5-0.00066*0.1504e5=19.34KN横桥向：N=β*x*ρ1=0.00020*1.25*2.8045e5=70.11KNQ=aρ2-βρ3=0.00052*0.3234e5-0.00020*0.1504e5=13.81KNM=βρ4-aρ3=0.00020*1.1255e5-0.00052*0.1504e5=14.69KN单桩顶的最大力素：N=1212.9+70.11=1283.01KNQ=√(17.432+13.812)=22.24KNM=√(19.34