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桥梁基础

2014-03-14  lkyuuu

  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,并把它们和下部结构荷载传递给地基。因此,为了全桥的安全和正常使用,要求地基基础要有足够的强度、刚度和整体稳定性,使其不产生过大的水平变位或不均匀沉降。

  与一般建筑物基础相比,桥梁基础埋置较深,其原因是:①由于作用在基础上的荷载集中而强大,加之浅层土一般比较松软,很难承受住这种荷载,故有必要把基础向下延伸,使置于承载力较高的地基上;②对于水中墩台基础,由于河床受到水流的冲刷,桥梁基础必须有足够的埋深,以防冲刷基础底面(简称基底)而造成桥梁沉陷或倾覆事故。一般规定桥梁的明挖、沉井、沉箱等基础的基底按其重要性和维修加固难易,应埋置在河床最低冲刷线以下至少2~5米。对于冻胀土地基,基底应在冻结线以下至少0.25米。对于陆地墩台基础,除考虑地基冻胀要求外,还要考虑生物和人类活动及其他自然因素对表土的破坏,基底应在地面以下不小于1.0米。对于城市桥梁,常把基础顶置于最低水位或地面以下,以免影响市容。基顶平面尺寸应较墩台底的截面尺寸大,以利施工。

  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。因此,修建水中基础,一般工期长,技术复杂,易出事故,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。

  按构造和施工方法不同,桥梁基础类型可分为:明挖基础、桩基础沉井基础沉箱基础管柱基础

  明挖基础也称扩大基础,系由块石或混凝土砌筑而成的大块实体基础,其埋置深度可较其他类型基础浅,故为浅基础。它的构造简单,由于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,使之形成所谓刚性基础,受力时不致产生挠曲变形。为了节省材料,这类基础的立面往往砌成台阶形,平面将根据墩台截面形状而采用矩形、圆形、T形或多边形等。 建造这种基础多用明挖基坑的方法施工。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──衬板或板桩。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。中国赵州桥就是在亚粘土地基上采用了这种桥基。

  桩基础由许多根打入或沉入土中的桩和连接桩顶的承台所构成的基础。外力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结构。有些桥梁基础要承受较大的水平力,如桥墩基础要承受来自左右方向的水平荷载,其桩基多采用双向斜桩;而一些梁式桥的桥台主要承受来自一侧的土压力,多采用单向斜桩。如桩径很大,像现在常用的大直径钻孔桩,具有相当大的刚度,则可不加斜桩而做成垂直桩基。

  桥梁基础多置于水中,故要求桩材不仅强度高,而且要耐腐蚀。在桥梁中常用的桩材为木材、钢筋混凝土和钢材。由于木材长度有限,强度和耐腐蚀性较低,故木桩多用于中小桥梁,且桩顶必须埋在低水位以下,才能长期保存。钢筋混凝土桩的强度和耐久性均较木桩为优,多用于较大或重要桥梁,但当遇到含盐量较高的水文地质条件,也有腐蚀问题,应采取防护措施。中国在1908~1912年修建津浦(天津—浦口)铁路洛口黄河桥时,其基础就采用了外接圆直径为50厘米的正五边形钢筋混凝土预制桩,桩长15~17米。自50年代以后,曾广泛采用工厂预制的钢筋混凝土空心的管桩、桩外径多为40和55厘米,如1953~1954年在武汉修建的汉水铁路桥和公路桥,以及60年代修建的南京长江桥引桥的大部分基础均采用这种桩基。此外,钢筋混凝土钻孔灌注桩(也称钻孔桩),近几十年在世界范围内发展很快,如1972年在中国山东北镇建成的黄河公路桥,采用直径1.5米、最大入土深达107米的钢筋混凝土钻孔桩;70年代末在阿根廷建成跨巴拉那河的两座斜张桥,全部采用直径达2.0米,最大入土深达73米的钢筋混凝土钻孔桩。至于钢桩主要是钢管桩及H形钢桩,其强度甚高,在土中穿透能力强,在工业发达国家使用较多,在中国有少数桥梁(如上海黄浦江桥)也使用过。

  沉井基础是一种古老而且常见的深基础类型,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。

  沉箱基础在桥梁工程中主要指气压沉箱基础。它主要用于大型桥梁,当水下土层中有障碍物而沉井无法下沉,桩无法穿透时;或地基为不平整的基岩且风化严重,需要人员直接检验或处理时,常采用沉箱基础。但沉箱工程需要复杂的施工设备,人在高气压下工作,既不安全,效率也低,其水下下沉深度也受到一定限制,故现今一般较少采用。

  管柱基础是主要用于桥梁的一种深基础,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。

  管柱基础适用于较复杂的水文地质条件,尤其在某些特殊条件下,更能显示其广泛适应性。如中国武汉长江桥桥址的水文地质条件为:持力层在水面之下深达40米而洪水期长达8个月,显然对气压沉箱不利;河床覆盖层很浅,不能用管桩基础;基岩表面不平,在同一墩位处高差达5~6米,也不能用沉井基础。在此情况下,以管柱基础最为适宜,它不受水深限制,且下端可锚固于岩盘,无需较厚的覆盖层维持柱体稳定,而基础是由分散的柱体支承于岩面,故岩面不平也易于处理。

  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。如中国杭州钱塘江桥正桥7~15号墩基础,是在沉箱下接木桩;南京长江桥正桥2号和3号墩,则是钢沉井套预应力混凝土管柱基础。

  参考书目

  G.A.Leonards,Foundation Engineering,McGraw-Hill,New York,1962.

  M.J.Tomlinson,Foundation Design and Construction,Pitman,London,1980.

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