桥梁桩基础课件.ppt
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1、第三章 桥梁桩基础,第一节 概述 一、桥梁的组成及概念,基础的分类: 浅基础:刚性扩大基础 (材料: 砖石,素混凝土,钢筋混凝土) 深基础:桩、沉井(钢筋混凝土) 浅基础和深基础的区别: 浅基础:埋深h小于或等于5m, 施工简单,可以明挖,计算时不考虑土抗力. 深基础:埋深h5m,施工较复杂, 计算时,要考虑周围土抗力. 埋置深度h对于有冲刷的河流,是从最大冲刷线至基础底面的距 离; 对于无冲刷河流,是从河底或地面至基础底面的距离。 地基的分类:人工地基需要经过人工加固或处理的地基; 天然地基可直接放置基础的地基。 桥梁桩基础的概念:组成:承台+基桩 作用:将上部结构传来的力传入地基中。,二、
2、桩的适用条件,1. 荷载较大,地基上部土层软弱,适宜的持力层较深。 2、河床冲刷大,采用浅基础施工困难或不够安全。 3、结构对不均匀沉降敏感时。 4、施工水位过高,避免水下施工。 5、地震区。,第二节 桩基的类型和构造,一、按受力条件分: 1.摩擦桩和柱桩: 摩擦桩:桩穿过并支撑于各可压缩土层中,主要依靠桩侧摩阻力支承荷载。 柱桩:桩穿过土层,支撑在岩石等非压缩土层中,主要依靠桩底支承力荷载,忽略桩侧摩阻力。 2. 竖直桩和斜桩; 竖直桩:常用于承受垂直力。 斜桩:为了承受较大水平力,一般用于拱桥桥台。 3. 高承台桩:台底位于地面(或冲刷线)以上,圬工少,施工方便。 低承台桩:台底位于地面(
3、或冲刷线)以下,圬工多,稳定性好。,二、按施工方法分:钻孔灌注桩 打入桩 静力压桩 沉管灌注桩 爆扩桩 管柱桩,三、桩基础的构造 钢筋组成和作用。 摩擦桩:分段配筋; 柱桩:全长均匀配筋。 桩与承台连接时,应成喇叭形,并放置钢筋网在顶端。,第三节 钻孔灌注桩的施工,施工特点:简单、方便。 适用于:各种砂性土、粘性土、碎卵石 类土、岩层。 慎用:在有淤泥,可能有流砂或有承压水的土质地点。,施工顺序: 1. 准备场地:三通一平 浅水施工:筑岛围堰 深水施工:搭支架、搭便桥,安装水中平台、用浮船。 2. 埋护筒: 种类:木、钢、混凝土 作用:1)固定桩位,做钻孔导向; 2)保护孔口,防止坍塌; 3)
4、隔离地面水,保持水头差。,埋护筒要求: 1)平面位置应埋设正确; 2)筒顶标高应高出地下水位和施工最高水位1.52.0m。 3)筒底应低于施工最低水位0.10.3m 4) 护筒四周应夯填密实的粘土,埋在稳定土层中。 3.制备泥浆: 作用: 1)产生较大的悬浮液压力,防止塌孔; 2)在孔壁表面形成胶泥层,有护壁作用; 3)泥浆比重大,具有浮渣作用,利于钻渣的排出。,4. 安装钻机或钻架。 5.钻孔: 方法:1)旋转钻2)冲击钻 3)冲抓钻,注意事项: 1)保持水头差 2)注意速度 3)一气呵成 4)加强检查,6. 清孔:目的:除去孔底钻渣、泥浆, 保证质量。 方法:1)换浆清孔 2)掏渣清孔 3
5、) 抽浆清孔 7. 下钢筋笼,8.灌注水下混凝土,采用直升导管法: 关键:导管不能到底部; 浇注前放置隔水栓; 及时上提,防止断桩。 第一斗混凝土的用量; 第一次灌注11.5m深。,对混凝土要求: 1)应有必要的流动性,坍落度1820cm; 2)混凝土搅拌均匀,防止离析; 3)一气呵成,防止中断; 4)保证导管埋入混凝土一定深度。 第九步:桩头处理,*钻孔灌注桩常见事故及处理,1.坍孔 2.漏浆 3.卡钻或掉钻头 4. 浮笼 5.断桩,第四节 单桩承载力,一、单桩轴向荷载传递机理和特点: 竖向承载力=桩侧摩阻力+桩底处土的支承力 1)对于摩擦桩: 在竖向荷载作用下,摩阻力先出现,逐步增大,直至
6、达到极限,而后桩底反力开始出现,并达到最大。 2)对于柱桩,桩底承载力发挥充分,摩阻力很小。,3)粘性土打入桩:摩阻力沿入土深度呈抛物线型分配,力约等于中等强度粘土在不排水时抗剪强度。 4)砂性土打入桩: 入土深度在(1020)d内,摩阻力直线增长; 入土深度超过(1020)d,摩阻力近乎均匀或逐渐减少。,5)钻孔灌注桩:侧向压力在施工中解除现象,摩阻力分布均匀。 6)长期荷载作用下,桩身总摩阻会减小,而桩端总阻力增加。 7)相同土层中,长桩发挥的摩阻力大于短桩。,二、轴向荷载下桩的破坏模式,1)桩身的纵向挠曲破坏(岩石地基); 2)桩端土发生整体剪切破坏(穿过软弱土层、支承在强度较高的硬土层
7、上的摩擦桩); 3)刺入式破坏(入土深度大的桩)。,三、单桩轴向容许承载力的确定,(一)静载试验法 (二)桥梁规范法: 假定:1.桩承载力=侧摩阻力+桩尖支承力 2.灌注桩侧摩阻力、桩底力均匀分布,钻孔灌注桩:,U-桩身周长,按成孔直径计算,旋转钻,按钻头直径增大3050cm。,Ap-桩底截面积。,h-桩底埋置深度。,四、桩的负摩阻力问题,1948年由太沙基首先提出: 负摩阻力的产生:桩周土的沉降量大于桩沉降量。 产生高度:中性点到地面 中性点的位置:通过计算确定,估计值为h1=0.77h20.80h2,产生原因: 1)可压缩软粘土层、新填土在自重作用下固结。 2)大面积地面荷载使桩周土被压密
8、。 3)地下水位下降引起。 4)桥头高填土及路堤荷载 5)湿陷性黄土地基,由于地基浸水而沉。,负摩阻力强度:f=1/2*qu qu为软弱土层的无侧限抗压强度。 或f=rhktg 则极限摩阻力:Nf=f*Anf 其中,Anf为负摩阻区桩身表面积; *考虑桩的负摩阻力,桩的容许承载力公式要发生变化。 后果:1)桩基下沉量增加; 2)基础不均匀沉降。 措施:桩身涂沥青、油漆,可减少负摩阻力。,五、单桩横向容许承载力的确定,一、桩在横向荷载作用下的工作性能,第二节 桥梁桩基内力和位移的计算,一、基本概念 1土的弹性抗力:桩在各种荷载的作用下,会发生位移和转角,其中,水平位移及转角会挤压桩侧土体,桩侧土
9、必然对桩产生一横向土抗力,称为土的弹性抗力。,式中: 横向土抗力(KN/m2); C地基系数(KN/m3); Xz深度z处桩的横向位移(m)。 对C的确定方法(图-1):a)“m”法 b)“K”法 c)“C值”法 d)“C”法,上述四种方法均假定地基符合文克尔弹性地基。 目前,公桥基规广泛采用“m”法。即C=mz , 其中,m地基土比例系数,可查规范中相关表格。,2单桩、单排桩与多排桩 1)单桩、单排桩:是指在与水平外力H作用面相垂直的平面上,由单根或多根桩组成的。如图-2中a),b)。 若作用承台底面中心的荷载为N、H、M,各单根桩顶承受的力:(如图-3) N在承台横桥向无偏心,可均摊,即:
10、 N在承台横桥向有偏心e,偏心弯矩Mx=Ne,则每根桩竖向力可按偏心受压构件计算:,3计算宽度 是指桩在水平外力的作用下,桩侧土受到影响的宽度并不等于桩的直径,而是大于桩径。即为桩在实际工作条件下的计算宽度b1。 b1=KfK0Kb(或d),2)多排桩:是指水平外力H作用平面上(即行车方向),由一根以上的桩组成。如图-2中c)。各根桩的受力需采用结构力学方法9见后面)。,b(或d)与外力H作用方向相垂直平面上桩的宽度(或直径); Kf形状换算系数。(可查表)。 K0受力换算系数。 K桩间相互影响系数。,4刚性桩与弹性桩 刚性桩:桩的入土深度 ; 其中, 为变形系数, 弹性桩:桩的入土深度 。,
11、二、“m”法弹性单排桩内力和位移的计算 (一)基本假定:桩侧土为弹性地基土,应力与位移呈正比;忽略桩土间的粘着力和摩阻力;弹性桩。 (二)计算公式: 当桩的支承条件及入土深度符合一定要求,可得地面以下任意深度处的内力和位移:,若已知桩顶与地面平齐,地面处水平力Q0,弯矩M0,则,1对于 的摩擦桩、 的柱承桩: (3-1) (3-2) (3-3) (3-4),2对于 的 嵌岩桩: (3-5) (3-6) (3-7) (3-8) 上式中的 及 为无量纲系数,均为 和 的函数,规范已将其制成表格供查用。,三、最大弯矩位置的确定 1可通过绘制各深度Z处的弯矩M曲线图,从图中求得。 2可通过解析法求得最
12、大值。最大弯矩处,剪力为0。可通过QZ公式反求Z值。,四、桩顶位移的计算公式 桩位于地面或最大冲刷线以上l0,桩顶自由,作用外力Q及M,则桩顶的位移包括:地面处水平位移x0,地面处转角0所引起的桩顶位移0 l0,桩露出地面段作为悬臂梁由Q和M引起的桩顶水平位移XQ,XM,即,其中, M0=Q l0+M,Q0=Q,,当桩柱露出地面部分为变截面(如右图4),上部截面抗弯刚度为E1I1,(直径为d1,高度为h1),下部截面抗弯刚度为EI,(直径为d,高度为h2),设n=E1I1/EI,则:,五、单桩或单排桩的计算步骤: 1计算各桩顶承受的荷载Pi、Qi、Mi; 2确定桩在最大冲刷线下的入土深度:一般
13、可根据持力层位置,荷载大小,施工条件等初步确定,通过验算再予以修改;在地基土较单一,桩底端位置不宜根据土质判断时,可根据单桩容许承载力公式计算桩长; 单桩容许承载力公式,若设桩埋入最大冲刷线以下深度为h,一般冲刷线以下深度为h3, 为一根桩受到的全部垂直荷载(包含最大冲刷线以下桩重的一半),(KN),则,,3验算单桩轴向承载力; 4确定桩的计算宽度b1; 5计算桩的变形系数a值; 6计算地面处桩截面的作用力Q0,M0,并验算桩在地面或最大冲刷线的横向位移x0不大于6mm,然后求算桩身各截面的内力,进行桩身配筋,桩身截面强度和稳定性验算;,7计算桩顶位移和墩台顶位移,并进行验算;要求:小于或等于
14、 cm。对于多层土,首先假定持力层,初步得到桩长h,然后代入上式,验算桩的承载力是否大于荷载,然后,再进行调整,使得桩长的设计即经济又合理。,算例: 单排桩基础算例(双柱式桥墩钻孔灌注桩基础) (一)设计资料 1地质与水文资料 地基土为密实细砂夹砾石,地基土 比例系数m1000OkNm4; 地基土的极限摩阻力 70kPa; 地基土内摩擦角 400,内聚力c0; 地基土容许承载力 400kPa; 土容重 1180kNm3(已考虑浮力); 地面标高为33534m,常水位标高为33900m,最大冲刷线标高为 33060m,一般冲刷线标高也为33534m;,2桩、墩尺寸与材料 墩帽顶标高为34688m
15、,桩顶标高为339。00m,墩柱顶标高为34531m; 墩柱直径150m,桩直径165m,成孔直径1。80m。 桩身混凝土用20号,其受压弹性模量Eh26104MPa,3荷载情况 桥墩为单排双柱式,桥面宽7m,设计荷载汽车一15级,挂一80 每一根桩承受荷载为: 两跨恒载反力Nl137600kN 盖梁自重反力N225650kN 系梁自重反力N37640kN 一根墩柱(直径15m)自重N427900kN,桩每延米的自重 (已扣除浮力); 两跨活载反力 ,一跨活载反力, M=120。90KN。 桩基础选用冲抓钻孔灌注桩基础,为摩擦桩。 (二)桩长计算 由于地基土单一,用经验公式确定。设桩埋入最大冲
16、刷线以下深度为h,一般冲刷线以下深度为h3,则, Nh为一根桩受到的全部竖直荷载(KN),最大冲刷线以下(入土深度)桩重的一半作为外荷载计。 公式右端项 代入公式得h=10。09m,取h=10。50m,四、“m”法计算弹性多排桩基桩内力和位移计算,1计算假定:顺桥向桩多于一排;承台与桩头连接为刚性的;外力作用平面内的桩作为一平面框架,用结构力学方法计算各桩上的作用力。,2计算公式的推导过程: 如图,承台变位, 取XOZ坐标轴, 在外荷载V、H、M作用下, O点变位: 水平位移 竖向位移 转角,1)任一排(i)桩顶变位(XOZ坐标系下): ( Xi为第i排桩桩顶至承台中心的距离),2)任一排(i
17、)桩顶变位(沿桩轴向与横轴向的变位): 横轴向: 轴向:,3)荷载与位移的关系 用位移法求解超静定结构的内力。根据力和位移的关系, 当承台中心点O产生变位时,第i根桩桩顶引起的轴向力Pi、横轴向力Qi、弯矩Mi值为:,其中,令:当第i根桩桩顶处仅产生单位轴向位移时,在桩顶引起的轴向力为 ; 当第i根桩桩顶处仅产生单位横轴向位移时,在桩顶引起的横轴向力为 当第i根桩桩顶处仅产生单位横轴向位移时,在桩顶引起的弯矩为 ;或当第i根桩桩顶处产生单位转角时,在桩顶引起的横轴向力为 ; 当第i根桩桩顶处仅产生单位转角时,在桩顶引起的弯矩为 xi为第i排桩桩顶至承台中心的水平距离. ai为第i根桩桩轴线与竖
18、直线夹角即倾斜角.,3群桩作用:对于摩擦桩组成的群桩基础,当桩的中心距6d时,在竖向荷载作用下,由于桩侧摩阻力的扩散作用,使桩底处的压力分布范围要比桩身截面积大得多,使群桩中各桩传到桩底处的应力有可能叠加,使群桩桩底处地基土受到的压力及沉降比单桩大。承载力方面,使得群桩基础的承载力要小于各单桩承载力之和。此现象对于柱桩或桩距大于6d的摩擦桩不存在。,六、桩基础的总体设计: 1承台底面标高的确定:根据受力、桩的刚度和地形、地质、水流、施工等条件确定。 高承台桩:一般用于常年有水、冲刷较深或水位较高、施工排水困难的水流中。施工方便,但稳定性较差。 低承台:稳定性较好,但施工太困难,可用于季节性河流
19、、冲刷小的河流或岸滩上墩台及旱地上其他结构物基础。,2摩擦桩和柱桩的考虑:二者不可用于同一基础中;也不能采用不同材料、不同直径和长度相差过大的桩。当基岩埋深较浅时,宜采用柱桩,或嵌入基岩一定深度成为嵌岩桩。 嵌入深度:圆形截面桩: 最小不小于0.5米。,3单排桩和多排桩的考虑: 单排桩:能较好地配合柱式墩台结构,可节省圬工,减小作用在桩基的竖向荷载。适于桥跨不大,桥高较矮时。有时单桩配单柱。 多排桩:稳定性好,抗弯刚度较大,能承受大的水平荷载,一般用于较高的桥台、拱桥桥台、制动墩和单向水平推力墩。,4桩长、桩径的拟定 桩长的确定首先在于选择强度较好的持力层,避免将桩底落在软土层上或离软弱下卧层
20、太近。摩擦桩经过多层土时,要经过试算比较,合理确定桩长。,5确定桩的根数及平面布置 桩的根数n估算: 式中:N作用在承台底面上的竖向荷载(KN); P单桩容许承载力(KN); 考虑偏心荷载时各桩受力不均而适当增加的经验系数,可取 =1.11.2。,桩的间距:钻(挖)孔灌注桩的摩擦桩中心距不小于2.5倍成孔直径,柱桩中心距不小于2.0倍的成孔直径,桩的中心距最大不超过56倍桩径。打入桩的中心距不应小于桩径的3.0倍。 为了避免承台边缘距桩身过近而破裂,边桩外侧至承台边缘的距离,对于桩径小于或等于1.0米的桩不应小于0.5倍桩径,且不小于0.25m;对于桩径大于1.0m的桩不应小于0.3倍桩径并不
21、小于0.5m。 桩的平面布置:可根据受力情况选用单排或多排桩桩基。多排桩的排列形式有行列式和梅花式。,第四章 沉井基础 第一节 概述 一、沉井的基本概念 沉井是一座上无顶下无底,四周有壁井筒状的结构物,它的施工过程是在井内挖土,依靠自身重力克服井壁摩阻力下沉至设计标高,然后经过混凝土封底并填塞井孔,成为墩台或其他结构的基础。 沉井的特点:埋深可以很大;整体性强、稳定性好,能承受较大的荷载。在施工时,可作为挡土和挡水围堰结构物。除此之外,沉井也常用于矿用结构、地下油库等。,沉井与大开挖方法相比,占地面积小,可大量减少土方量,操作简便节约投资。特别是在建筑物稠密的市区,采用沉井可以避免周围土方。,
22、的坍陷,并保证周围建筑物的安全,也无需使用临时支护措施和挡上结构。常用于地下泵房、水池、桥墩、各类地下厂房、大型设备基础、高层或超高层建筑物的基础,以及盾构隧道和顶管施工中的工作室。目前沉井下沉深度已超过100m。,沉井基础的缺点是:施工期较长;对细砂及粉砂类土在井内抽水易发生流砂现象,造成沉井倾斜;沉井下沉过程中遇到的大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大,均会给施工带来一定困难。,根据经济合理和施工上可能的原则,通常在下列情况,考虑采用沉井基础: 上部荷载较大,结构对基础的变位敏感, 而表层地基土的容许承载力不足,做扩大基础开挖工作量大,以及支撑困难,但在一定深度下有好的持力层,采用沉井基础与
23、其它深基础相比较,经济上较为合理时;,在山区河流中,虽然浅层土质较好,但冲刷大,或河中有较大卵石不便桩基础施工时; 岩层表面较平坦且覆盖层薄,但河水较深,采用扩大基础施工围堰有困难时。,第二节 沉井的类型和构造 一、沉井的分类 (一)沉井按下沉方式可分为: 1就地制造下沉的沉井 这种沉井是在基础设计的位置上制造,然后挖土靠沉井自重下沉。如基础位置在水中,需先在水中筑岛,再在岛上筑井下沉。 2浮运沉井 在深水地区,筑岛有困难或不经济,或有碍通航,或河流流速大,可在岸边制筑沉井拖运到设计位置下沉,这类沉井叫浮运沉井。,(二)沉井也可按使用的材料进行分类。有混凝土、钢筋混凝土、砖石和木沉井等: 1混
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