墩台与基础道路与桥隧工程

墩台与基础道路与桥隧工程

道路与桥隧工程 第十章 墩台与基础 桥梁墩台及其基础构造 1 桥梁基础施工 2 桥梁墩台施工 3 了解涵洞类型、结构组成 学习要求 能进行各种涵洞施工 了解涵洞的类型及组成 掌握各类涵洞的施工方法 熟悉施工规范 熟悉各类涵洞的构造与施工工艺 桥墩、桥台为桥梁的下部结构，是桥梁的重要组成部分之一。 桥梁墩台的主要作用是承受上部结构传来的荷载 , 并将它及本身自重传给地基。 桥墩支承相邻的两孔桥跨，居于桥梁的中间部位。 桥台居于全桥的两端，它的前端支承桥跨 , 后端与路基衔接，起着支挡台后路基填土并把桥跨与路基连接起来的作用。 一、墩台的作用与要求 10.1 桥梁墩台及其基础构造 桥梁墩台除承受上部结构的作用力外，桥墩还受到风力、流水压力及可能发生的冰压力、船只和漂流物的撞击力，桥台还需承受台背填土及填土上车辆荷载产生的附加侧压力。 因此，桥梁墩台不仅本身应具有足够的强度、刚度和稳定性，而且对地基的承载能力 ` 沉降量、地基与基础之间的摩阻力等也都提出一定的要求。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 二、墩台的组成 桥梁墩 ( 台 ) 主要由墩 ( 台 ) 帽、墩 ( 台 ) 身和基础三部分组成。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 三、桥墩构造 10.1 桥梁墩台及其基础构造 1 ．重力式桥墩 重力式桥墩由墩帽、墩身和基础三部分组成。墩身的平面形状，在河中可以做成圆端形或尖端形，在无水岸墩或高架桥也可做成矩形，在水流与桥梁斜交时，可做成圆形。 2 ．钢筋混凝土薄壁桥墩 由于重力式桥墩重力大，当地基土质条件较差时，为了减轻地基的应力，可考虑采用钢筋混凝土薄壁桥墩。 3 ． V 形桥墩和 Y 形桥墩 大跨径桥梁，当上部结构为连续梁时，为了缩短桥梁的跨径，桥墩结构可采用 V 形桥墩和 Y 形桥墩。由于这种桥墩能缩短上部结构的跨径，所以上部结构所产生的弯矩比用其他形式的桥墩减少很多。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 V 形桥墩 Y 形桥墩 10.1 桥梁墩台及其基础构造 4 ．柱式桥墩和桩柱式桥墩 柱式桥墩和桩柱式桥墩是公路桥梁采用较多的桥墩形式之一，它能减轻墩身的重力，节约圬工材料，外形又较美观。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 5 ．柔性排架桩墩 柔性排架桩墩是有成排打入的钢筋混凝土桩构成的，一般在墩高小于 5 ～ 7m ，跨径小于 13m 的桥梁上使用。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 四、桥台构造 1. 重力式桥台 重力式桥台也称实体式桥台，它主要靠自重来平衡台后的土压力。桥台台身多用石砌、片石混凝土或混凝土等圬工材料建造，并采用就地建造施工方法，适合于砂石料来源丰宫的桥梁工点选用。 它的形状简单，施工方便，但工程量大，目前已较少采用。当填土不高、桥跨较小且桥面不宽时可考虑采用。 U 形桥台 10.1 桥梁墩台及其基础构造 2. 钢筋混凝土薄壁桥台 钢筋混凝土薄壁桥台是由扶壁式挡土墙和两侧的薄壁侧墙所构成。这种桥台比重力式 U 形桥台可减少圬工体积 40 ％～ 50 ％，同时还因自身重力轻而减小对地基的压力。但其构造复杂，钢筋用量也比较多，适用于在软土地基上建造的桥梁。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 3. 埋置式桥台 埋置式桥台是将台身埋在锥形护坡中，只露出台帽，以安放支座和上部结构。埋置式桥台利用台前锥坡产生的土压力来抵消台后的主动土压力，可以增加桥台的稳定性，桥台的尺寸也相应减小。但埋置式桥台的锥坡挡水面积大，对桥孔下的过水面积有所压缩。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 4. 组合式桥台 组合式桥台由台身和后座两部分组成 ( 如图 2-5-7) 。台身基础承受竖向力，一般采用桩基础。拱的水平推力则主要由后座基底摩阻力及台后的土侧向压力来平衡。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 10.1 桥梁墩台及其基础构造 五、基础 1. 浅基础 桥梁基础根据埋置深度分为浅基础和深基础。一般将埋置深度较浅 ( 一般在数米以内 ) ，且施工简单的基础称为浅基础；由于浅层土质不良，需将基础置于较深的良好土层上 刚性扩大基础 单独和联合基础 10.1 桥梁墩台及其基础构造 2. 桩基础 桩基础是由设置在土中或部分置于土中的桩和承台连接而成的深基础，桩基础由桩和承台两个部分组成，如图所示。桩在平面排列上可成为一排或几排，桩顶由承台联成整体并传递荷载。在承台上再修筑桥墩或桥台以及上部结构，桩身可全部或部分埋入地基土中，当桩身外露在地面以上较高时，在桩之间应加设横系梁，以加强各桩的横向联系。 10.1 桥梁墩台及其基础构造 3. 沉井基础 沉井是井筒状的结构物。它是以井内挖土，依靠自身重力克服井壁摩阻力后下沉到设计高程，然后经过混凝土封底并填塞井孔，使其成为桥梁墩台或其它结构的基础 沉井下沉示意图 沉井基础 10.1 桥梁墩台及其基础构造 浅基础 —— 浅平基 —— 明挖（扩大）基础 桩基础 沉井（沉箱基础） 管柱基础 地下连续墙 深基础 预制桩、就地灌筑桩；沉入桩、钻（挖）孔桩 10.2 桥梁基础施工 一、旱地基础的基坑开挖 ⑴ 坑壁不加固的基坑 垂直开挖 土质湿度正常，结构均匀 深度 松软土 0.75m ，中密 1.25m, 密实 2.0m 10.2 桥梁基础施工 放坡开挖 坑壁土 坑 壁 坡 度 基坑顶缘 无载重 基坑顶缘有 静载 基坑顶缘 有动载 砂土类 1∶1 1∶1.25 1∶1.5 碎石类土 1∶0.75 1∶1 1∶1.25 黏性土 、 粉土 1∶0.33 1∶0.5 1∶0.75 极软岩 、 软岩 1∶0.25 1∶0.33 1∶0.67 较软岩 1∶0 1∶0.1 1∶0.25 极硬岩 、 硬岩 1∶0 1∶0 1∶0 基坑坑壁坡度表 注：坡度＝坡的高度与坡的水平距离之比 10.2 桥梁基础施工 基坑开挖 注意： ② 边坡稳定 ③不中断 人工或机械施工 弃土、动载 开挖、砌筑、回填、夯实 ① 防水 反坡、截水沟 10.2 桥梁基础施工 ⑵ 坑壁加固的基坑 使用条件 ： 坑深、土方量大 、场地窄 、土 松 、水大。 加固方式 ： 挡板支撑、喷射混凝土 、混凝土围圈等 。 横挡板支撑 竖挡板支撑 10.2 桥梁基础施工 框架式 10.2 桥梁基础施工 大面积基坑支撑 10.2 桥梁基础施工 喷射混凝土 构造与施工要求： 现浇混凝土围圈 基坑垂直开挖，自上 而下，逐段立模灌筑 混凝土，壁厚 8 ～ 15cm ， 每层高 1.0 ～ 1.5m ， 24h 拆模 10.2 桥梁基础施工 二、水中基础的基坑开挖 围堰要求： 满足基础施工要求；防水性好； 满足强度和稳定要求；堰顶在 水位以上 0.5m ；对河床断面压缩小 围堰形式： 土、石围堰、草（麻）袋围堰、钢板桩围堰、钢筋混凝土板桩围堰、套箱围堰和木（竹）笼围堰。 10.2 桥梁基础施工 主桥墩采用 28m 直径双壁钢围堰加 16 根直径 3m 钻孔灌注桩基础，具有较高的防船舶撞击能力 。 黄石长江大桥 桥梁基础施工 6.2 水中基础的开挖 三、基坑排水 排水方法：集水排水、井点法降水 集水排水法 抽水设备：渗水量约 1.5 ～ 2.0 倍 优点：设备简单，费用低； 缺点：黏聚力小的土中易涌沙 10.2 桥梁基础施工 井点降水法 类型 : 抽水 : 轻型井点、喷射井点 、射流泵井点 、深井泵井点 真空泵、离心泵、多级离心泵或独立泵 水中挖基 抓土斗、空气吸泥机、水力吸泥机 10.2 桥梁基础施工 施工工序 四、沉入桩基础 10.2 桥梁基础施工 混凝土桩的预制 10.2 桥梁基础施工 方法 锤击 振动 射水 静压 沉管 灌注 施工方法 10.2 桥梁基础施工 单打汽锤 10.2 桥梁基础施工 震动打桩机 10.2 桥梁基础施工 水中桩基的施工 （ 1 ）钢板桩 围堰法 （ 2 ）吊箱 围堰法 （ 3 ）打桩船法 （ 4 ）套箱式模板 修筑承台 先围堰后沉桩，先沉桩后围堰顺序：搭设平台 打钢板桩 装支撑 水中挖土 沉桩 水下混凝土封底 抽水 筑承台。 有底套箱 10.2 桥梁基础施工 施工主要工序： ⑴ 准备工作 场地准备 旱地 ： 浅水： 深水： 平整 、 夯实场地 围囹法 筑岛 场地准备 埋设护筒 制备泥浆 钻孔 清孔 钢筋笼入孔 灌注水下混凝土等 五、钻孔桩基础 10.2 桥梁基础施工 （ 2 ）埋设护筒 护筒的 作用 护筒的 埋置深度 固定桩位、导向头 、 隔离地面水 、保护孔口 、提高水位。 黏土、 粉土 砂土 土岛 护筒顶 护筒厚度 钢 4 ～ 8mm 钢筋混凝土： 8~10cm 地下 1.0m 地下 2.0m 河床底面 以下 1.0m 高出施工水位 2.0m, 地面以上 0.5m 10.2 桥梁基础施工 护壁套筒 10.2 桥梁基础施工 （ 3 ）泥浆制备 护壁 机理 其它 作用 土质 化学 处理剂 净化 孔壁土体液态支撑；形成泥皮稳定孔壁 悬浮钻渣、润滑钻具 、正循环排渣。 膨润土，水的 PH 值 7 ～ 8 之间，不含杂质 重力沉淀法；振动筛净孔法。 无机 ：纯碱等。促使颗粒分散、防止凝聚下沉 有机 ：丹宁液、拷胶液等降低粘度 10.2 桥梁基础施工 泥浆池 10.2 桥梁基础施工 冲击法 冲抓法 旋转法 钻孔 钻 孔 10.2 桥梁基础施工 ① 冲击钻机钻孔 钻头 十字形 管形 10.2 桥梁基础施工 十字钻头 10.2 桥梁基础施工 孔径 0.8~2.0m ；孔深 80m 孔径 1.2~2.5m ；孔深 80m 10.2 桥梁基础施工 冲击钻孔的施工要点 邻孔混凝土达 2.5MPa 后开钻；开孔小冲程；孔深为钻头高加冲程后正常冲击。 中、低冲程： 1 ～ 2m 中等冲程： 2 ～ 3m 高冲程： 3 ～ 5m 分级 扩钻 粘性土、风化层、砾砂石等 砂卵石等 基岩、漂石和密实卵石层 十字形钻头 钻 1.5m 以上孔径分 2 级 管形钻头 0.7m 以上孔分 2 ～ 4 级 10.2 桥梁基础施工 ② 冲抓钻机钻孔 10.2 桥梁基础施工 ③ 旋转钻机钻孔 类型 人工推钻、机械推钻或螺旋钻、正循环旋转、反循环旋转钻、潜水钻等。 10.2 桥梁基础施工 正循环钻结构示意图 10.2 桥梁基础施工 10.2 桥梁基础施工 反循环钻结构示意图 10.2 桥梁基础施工 常见事故：坍孔、钻孔漏 浆、弯孔、糊钻、缩孔、梅花孔、卡钻和掉钻。 钻孔事故 10.2 桥梁基础施工 ⑷ 清孔 、 钢筋笼入孔 及浇筑水下混凝土 目的和方法 目的 方法 减薄沉淀，提高孔底承载力 沉渣厚度：柱≯ 7cm ；摩擦柱≯ 30cm 。 抽渣法，吸泥法，换浆法。 及时清孔防泥浆沉淀；补充清水和新泥浆，保持水位。柱桩灌注前，应射水冲孔 3 ～ 5min ，水压 0.05MPa 。 清孔 施工要点 10.2 桥梁基础施工 钢筋笼入孔 10.2 桥梁基础施工 钻孔桩 的质量检验 检验目的 质量要求 检测方法 ① 了解桩的承载力大小；②桩的质量是否符合要求。 ① 强度要求；②无夹层断桩；③无混凝土离析④桩底高程；⑤桩底沉淀层厚度要求。 ① 混凝土试件检测；②检测 管超声波检测；③钻孔取芯样 检测。④动力试桩 case 法检 测承载力 墩台施工方法 现场就地浇筑与砌筑 现场拼装预制（混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土）块件 墩台施工过程 模板工程 混凝土工程 砌体工程 墩台施工基本要求： 保证其位置、高程、各部分尺寸与材料强度均符合设计的规定。 10.3 桥梁墩台施工 一、墩台模板类型与构造 模板是保证桥梁墩台施工精度的基础。 模板的构造要求 （ 1 ） 尺寸准确，构造简单，便于制作、安装和拆卸； （ 2 ） 具有足够的强度和刚度，能承受各种荷载； （ 3 ） 结构紧密不漏浆，外表面模板平整、光滑； （ 4 ） 便于混凝土浇筑。 10.3 桥梁墩台施工 模板 制作 的允许偏差 模板 安装 的允许偏差 模板的类型 类型 拼装式模板 常备式组合钢模板 滑升模板 整体吊装模板 10.3 桥梁墩台施工 （ 1 ） 拼装模板 板扇划分原则： 类型少，尺寸符合墩台和起吊要求 板扇划分示意图（ mm ） (a) 圆端形桥墩 (b) 圆形桥墩 10.3 桥梁墩台施工 模板骨架 10.3 桥梁墩台施工 钢模 墩身帽梁 10.3 桥梁墩台施工 木模 10.3 桥梁墩台施工 10.3 桥梁墩台施工 （ 2 ） 整体吊装模板 10.3 桥梁墩台施工 墩身模板及浇注 -1 10.3 桥梁墩台施工 墩身模板及浇注 -2 10.3 桥梁墩台施工 二、混凝土浇筑 为防止墩台基础的第一层混凝土中的水分被基底吸收或基底水分渗入混凝土，应满足以下要求： ⑵ 如果为湿土时，应在基底设计高程下铺填一层 10~15cm 厚片石或碎石层。 ⑴ 基底为非粘性土或干土时，应将其湿润。 ⑶ 如为岩石时，应将其湿润，铺一层厚 2~3cm 水泥浆，然后在浆凝结前浇筑混凝土。 10.3 桥梁墩台施工 墩台是大体积圬工，为避免水化热过高，导致混凝土因内外温差引起裂缝，可采取如下措施： 改善集料级配、降低水灰比 采用 C 3 A 、 C 3 S 含量小、水化热低的水泥 减小浇筑层的厚度，加快混凝土散热速度 用料避免太阳曝晒 混凝土内埋置冷却管通水冷却 10.3 桥梁墩台施工 水化热产生的裂缝 10.3 桥梁墩台施工 （ 1 ）石料： 石料及砂浆 类型： 漂石、片石、块石、粗料石、半细料石及细料石。 强度等级： 70mm 立方体的抗压极限强度 MU10 ～ MU120 。 （ 2 ）砂浆： 强度等级： 70.7mm 立方体的抗压极限强度 M10 ～ M20 。 三、砌体墩台施工 10.3 桥梁墩台施工 （ 1 ）挂线砌筑或配料设计图 砌筑施工要点： 桥墩配料大样图 a ）桥墩 I-I 剖面 b ）桥墩 II-II 剖面 10.3 桥梁墩台施工 （ 2 ）坐浆或不坐浆 （ 3 ）砌石顺序： 角石→镶面石→腹石 （ 4 ）允许偏差： 项 目 允 许 偏 差（ mm ） 片石 块石 粗料石（混凝土块） 砌体边距设计中心线尺寸 ±30 ±20 ±15 顶面高程 ±15 ±15 ±15 两相邻砌块外表面相互错开 － 5 3 垂直度或坡度 0.5 ％ 0.3 ％ 0.3 ％ 轴线偏位 10 10 10 大面积平整度 50 20 10 10.3 桥梁墩台施工 本章小结 桥梁墩台与基础是桥梁工程的重要组成部分，主要由墩 ( 台 ) 帽、墩 ( 台 ) 身和基础三部分组成。公路桥梁上常用的墩、台形式大体上可以归纳为两大类：梁桥墩台和拱桥墩台。梁桥桥墩按其构造可分为实体桥墩、空心桥墩、柱式排架桩墩、柔性墩和框架墩等五种类型；拱桥桥墩按其构造可分为重力式桥墩、桩柱式桥墩和单向推力墩。梁桥桥台按其构造可分为重力式 U 形桥台、钢筋混凝土薄壁桥台、埋置式桥台、轻型桥台、枕梁式桥台等五种类型；拱桥桥台按其构造可分为重力式 U 形桥台、组合式桥台、空腹 L 形桥台、轻型桥台、履齿式桥台、屈膝式桥台等类型。 桥梁基础根据埋置深度分为浅基础和深基础。浅基础主要有刚性扩大基础、单独和联合基础和条形基础；深基础主要由桩基础和沉井基础组成。浅基础基础施工时要重点考虑基坑开挖情况，要根据地基、地下水位等情况确定开挖的方法和支护方案，水中开挖还需要进行围堰。桩基础施工时要根据地层情况选择合适的施工机械，采用打入或钻孔的方法进行施工。沉井施工要根据现场情况选择岸上沉井施工还是水中沉井施工，从而选择合适的施工方案。 小知识 坐落在法国南部塔恩河谷的米约大桥是目前世界上最高的大桥，桥面与地面最底处垂直距离达 270 米。米约大桥是斜拉式桥梁。全长达 2460m ，最高的桥墩达到 343 米，超过埃菲尔铁塔 23 米。 思考题 1 、桥墩按照构造可以分为几种？其主要特点是什么？ 2 、桥台按照构造可以分为几种？其主要特点是什么？ 3 、桥梁基础可以分为哪些类型？ 4 、常用的围堰按其构造可以分为几种？其适用条件是什么？ 5 、桩基础分为哪些类型？ 6 、简述正循环和反循环旋转钻机钻孔的原理？是什么？ 7 、钻孔灌注桩混凝土灌注的程序是什么？ 8 、沉井的构造有哪些？