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1、项目八 地基与基础识读项目描述本项目是学习地基与基础部分的开篇引导知识，通过学习学生能够识别铁路桥梁常用不同类型的基础，了解基础设计的依据、步骤和原则要求，熟悉基础上的荷载类型与特点，能够确定基础的埋置深度。 拟实现的教学目标1.能力目标1）能够区分地基与基础，能够识别铁路桥梁常用不同类型的基础;2）能够根据荷载的性质和发生几率对基础上的荷载进行分类；3）能够通过查阅技术资料和设计规范确定基础的埋置深度；4）能够简要描述基础设计的依据、步骤和原则要求。2.知识目标熟悉地基与基础的特点，熟悉铁路桥梁基础的类型；2）熟悉基础上的荷载类型与特点；3）掌握确定基础的埋置深度的因素和设计规范的要求；4）
2、了解基础设计的依据、步骤和原则要求。3.素质目标要有严谨的工作作风，遵守规范要求，具备一定的收集信息能力。 相关案例合福铁路铜陵长江大桥工程概况铜陵长江大桥全长约51km,为新建合肥至福州客运专线铁路的关键控制性工程。跨江主桥为公铁两用大桥，大桥下层为设计时速250km/h合福铁路双线和160km/h合庐铜铁路双线共四线铁路，上层为设计时速100km/h六车道高速公路。引桥采用24m和32m铁路标准简支梁+现浇连续梁（跨大堤和河流）等结构形式。铜陵长江大桥跨江主桥长1920m，为两塔五跨钢桁梁斜拉桥，跨径布置为90m+240m+630m+240m+90m，主跨630m，单孔双向通航。主墩编号为
3、1#6#墩，其中3#主塔墩采用圆端沉井基础，下端平面尺寸为62.4m38.4m，顶端平面尺寸为64m40m，沉井总高度68m，上部为18m高钢筋混凝土沉井，下部为50m高钢沉井，总重约5000吨，竖向分六节在工厂制造，现场整节段组拼接高，通过定位船定位后下沉；沉井底面位于细圆砾土层，沉入覆盖层约35m。4#主塔墩采用55根2.8m钻孔灌注桩基础，梅花状布置，桩长101米，桩尖位于微风化泥质粉砂岩；承台平面尺寸66m45.6m，厚7m。 任务8-1 桥梁基础的分类 一、 地基与基础的概念图8-1 地基与基础工程上把直接支承基础的那部分岩层或土层称为地基，基础则是指建筑物向地基传递荷载的下部结构。
4、基础起着“承上启下”的作用，也就是说作用于建筑物上的所有荷载要通过基础传到地基上去地基与基础的相互关系如图8-l所示。 地基与基础承受上部结构与自重构成的竖直荷载作用，承受风力、制动力、流水压力、船筏冲撞力、地震力等产生的水平荷载作用，还受高程差异、荷载偏心产生的力矩和扭矩、特殊条件下的上拔力作用等。在这些荷载作用下，地基与基础本身将产生附加的应力和变形。为了保证结构物的使用与安全，地基与基础必须具有足够的强度和稳定性，变形也应在允许范围内。根据地层变化情况、上部结构的要求、荷载特点和施工技术水平，可采用不同类型的地基和基础。 地基根据其是否经过加固处理分为天然地基和人工地基两大类。凡在未加固
5、过的天然土层上直接修筑基础的地基，称为天然地基。天然地基是最简单而经济的地基，因此在一般情况下，应尽量采用天然地基。天然地层土质过于软弱或有不良工程地质问题时，需经过人工加固处理后才能修筑基础，这种经过加固处理后的地基称为人工地基。桥梁基础是桥梁最下部的结构。它直接坐落在岩石或土地基上，其顶端连接桥墩或桥台，合称为桥梁下部结构。桥梁基础的作用是承受上部结构传来的全部荷载，并把上部结构荷载和下部结构荷载传递给地基。与一般建筑物基础相比，桥梁基础埋置较深，在水中修建基础，不仅场地狭窄，施工不便，还经常遇到汛期威胁及漂流物的撞击。在施工过程中如遇到水下障碍,还需进行潜水作业。桥梁基础施工一般工期长，
6、技术复杂，易出事故，一旦出现问题，补救也不大容易，同时工程量大，造价常常占到整个桥梁造价的一半。故桥梁基础的修建，在整个桥梁工程中占有很重要的地位，因此，要求设计、施工时，认真对待基础工程，做到精心设计、精心施工，一定按设计和施工规范要求把好质量关。 二、基础的类型铁路桥梁基础根据其结构形式和施工方法分为明挖基础、桩基础、管柱基础和沉井基础等。 （一）明挖基础 采用露天敞坑放坡开挖，然后在地基上用块石或混凝土砌筑而成的实体基础，这种基础称为明挖基础，如图8-2所示。明挖基础的埋置深度可较其他类型基础浅，故为浅基础。在遇地下水位较高或松软地层放坡开挖有困难时，使用支撑或喷射混凝土护壁来保证基坑开
7、挖。它的构造简单，所用材料不能承受较大的拉应力，故基础的厚、宽比要足够大，受力时不致基础本身产生挠曲变形，因此又称为刚性基础。因地基土的强度比基础圬工的强度低，为了适应地基的承载力，基底的平面尺寸都需要扩大，使基底产生的最大应力图8-2 明挖基础不超过持力层的容许承载力，故明挖基础又常称为刚性扩大基础。在陆地开挖基坑，将视基坑深浅、土质好坏和地下水位高低等因素，来判断是否采用坑壁支持结构；在水中开挖则应先筑围堰。明挖基础适用于浅层土较坚实，且水流冲刷不严重的浅水地区。由于它的构造简单,埋深浅，施工容易,加上可以就地取材，故造价低廉，广泛用于中小桥涵及旱桥。中国赵州桥就是在粉质黏土地基上采用了这
8、种基础。 （二)桩基础图8-3 桩基础 当地基上部土层松软、承载力较低或河床冲刷深度较大，须将基础埋置较深时，如果采用明挖基础，则基坑太深，土方开挖数量大，同时，施工也很不方便，在这种情况下，常采用桩基础或沉井基础。桩基础是指将刚度、强度较高，并具有一定长度的杆形构件桩，打入或设置在较松软的土基中，桩的上部与承台板（梁）联结所构成的基础，如图8-3所示。上部结构的荷载通过承台分配到各桩头，再通过桩身及桩端把力传递到周围土及桩端深层土中，故属于深基础。桩基础适用于土质深厚处？，在所有深基础中，它的结构最轻，施工机械化程度较高，施工进度较快，是一种较经济的基础。高速铁路常用跨度桥梁非岩石地基一般采
9、用桩基础，桩径多为1.0m、1.25m、1.5m。一般情况，简支梁采用81.25m钻孔灌注桩，连续梁下采用81.5m钻孔灌注桩。删 （三)管柱基础由管柱群和钢筋混凝土承台组成的基础，是主要用于桥梁的一种深基础，如图8-4所示。管柱由钢管节、钢筋混凝土管节或预应力混凝土管节拼接而成，用振动打桩结合高压射水方法沉入土层中。 管柱外形类似管桩，其区别在于：管柱一般直径较大，最下端一节制成开口状，在一般情况下，靠专门设备强迫振动或扭动，并辅以管内排土而下沉，如落于基岩，可以通过凿岩使之锚固于岩盘；而管桩直径一般较小，桩尖制成闭合端，常用打桩机具打入土中，一般较难通过硬层或障碍，更不能锚固于基岩。大型管
10、柱的外形又类似圆形沉井，但沉井主要是靠自重下沉，其壁较厚，而管柱是靠外力强迫下沉，其壁较薄。管柱基础的结构形式和受力状态类似桩基础，故其设计和计算原理与桩基础相同。图8-4 管柱基础管柱适宜使用的条件为：深水；岩面不平；冲刷深度可能达到岩面；岩面下有溶洞，须穿过后放置在坚实岩层；风化岩面不易用低压射水及吸渣清除，因而，将达不到嵌固和支承条件；采用高低承台构造有显著优点，但必需有足够的强度和刚度，例如大跨度梁下的支墩；河床有很厚的砂质覆盖层。 管柱不适宜使用的条件为：黏土覆盖层厚；岩面埋藏极深；岩体破碎。管柱基础的缺点有：机具设备性能要求很高，用电量大；钻岩进度不快。但近年发展了大直径旋转钻岩机
11、，情况已有了较大改善。管柱基础的施工不受水位、河床岩层性质和形状的限制，全部作业均可在水面以上进行。管柱基础的承载力较大，沉降较小，施工工期较短，造价较低，技术经济效果均很显著。图8-5 沉井基础管柱基础出现于20世纪50年代，l9551957年中国首次在武汉长江大桥工程中使用。此后，在南京长江大桥、南昌赣江公路铁路桥、武汉钢铁公司的江心取水泵站等工程上都使用了管柱基础。20世纪6070年代欧美一些国家在桥梁工程上使用了预应力混凝土管柱基础和钢管柱基础。 （四）沉井基础 沉井一般是在墩位所在的地面上或筑岛面上建造的井筒状结构物，如图8-5所示。通过在井孔内取土，借助自重的作用，克服土对井壁的摩
12、擦力而沉入土中。当第一节(底节)井筒快没入土中时，再接筑第二节（中间节）井筒，这样一直接筑、下沉至设计位置（最后接筑的一节沉井通常称为顶节)，然后再经封底、井内填充、修筑顶盖，即成为沉井基础。 沉井是深埋和深水基础的常用形式，既宜于水上施工，也便于陆上工作。它既是施工过程中的中介临时结构，又是完成的基础内直接传力的组成部分。它的刚性大，稳定性好，与桩基相比，在荷载作用下变位甚微,具有较好的抗震性能,尤其适用于对基础承载力要求较高，对基础变位敏感的桥梁。如大跨度悬索桥、拱桥、连续梁桥等。桥梁基础除了上述几种类型外，还可根据不同地质和水文条件而采用一些组合型基础结构。 组合基础？（提一下）基础根据
13、其埋置深度分为浅基础和深基础。将埋置深度较浅(一般在5m以内)，可用比较简单的施工方法修筑的基础称为浅基础。由于浅层土质不良，需将基础置于较深的良好土层上，且施工较复杂的基础称为深基础。采用深基础时要求设备多、工期长、费用高，施工也较困难，但在浅基础不能满足设计要求时，亦只得采用深基础。但这种“深”、“浅”的划分不是绝对的，当地质条件较好且地下水位较低时，明挖基础挖深也可达10 m以上；反之，当地质条件较差且有水不宜明挖时，也有埋深不足5 m的沉井基础。 基础根据其结构特征分为平基和桩基。平基的基底一般为一平面(修筑在倾斜岩面上的基础底面可做成台阶状)。工程界常把平基按基底的埋置深度大致分为浅
14、平基和深平基两类。浅平基一般是在露天开挖的基坑内修筑，以此法施工的基础多为明挖基础；深平基则通常采用特殊施工方法，如沉井等。 基础又可根据其施工作业和场地布置分为陆上基础，浅水基础和深水基础。 陆上基础平面位置及场地安排可以方便地自由择优进行，但进入土体应有围护土壁的措施，深到地下水面时则有水下施工的工艺和结构要求。 浅水基础是在水较浅的情况下，采用人工填土筑岛、围堰内抽水、轻便栈桥或以上方法的结合，以便在水上开辟工作场地的基础类型。 深水基础一般指水较深，浅水基础施工的方法难以使用，而必须使用施工船驳、浮式机械、自浮结构等组成工作平台，提供施工场地及条件才能进行工作的基础类型。 此外基础还可
15、根据其建筑材料分为石砌基础、混凝土(包括片石混凝土)基础、钢筋混凝土基础、预应力混凝土基础和钢基础等类型。 通常，在进行建筑物设计时，有三种地基基础设计方案可供比选，即天然地基上的浅基础、天然地基上的深基础以及人工地基上的浅基础。原则上应先考虑天然地基上的浅平基是否可行，因为其施工简单、造价低。任务8-2 基础上的荷载 在检算基础是否符合设计要求时，必须先计算作用于基底上的合力，此合力由作用于基底以上的各种荷载所组成。荷载按其性质和发生几率划分为主力、附加力和特殊力三类。主力是经常作用的；附加力不是经常发生的，或者其最大值发生几率较小；特殊力是暂时的或者属于灾害性的，发生的几率是极小的。铁路桥涵设计基本规范TB1002.1-2005对桥涵荷载分类和组合规定见表8-1。高速铁路设计规范(试行) TB10621-2009在表8-1的基础上另在活载中增加了“气动力”。表8.1 桥涵荷载 一、主力 主力包括恒载和活载两部分。 （一）恒载 1.结构自重 如桥跨自重(包括梁部结构、线路材料、人行道等)、墩台自重、基础及基顶上覆土自重等。检算基底应力和偏心时，一般按常水位(包括地表水或地下水)考虑，计算基础台阶顶面至一般冲刷线的土重；检算稳定
