摘 要

桥梁的桩基础可以简单定义为沉入土中的桩，再通过承台与上部荷载联系，这样就具有能够承受上部荷载的能力了。桩基础的承载能力高，适用范围广，对于桥梁的设计而言，桩基础设计是其中十分重要的一个环节。

本文主要针对灌河特大桥宁西线南阳至合肥段增建第二线工程进行桥墩桩基础设计,主要阐述桩基础设计的思路、步骤和计算过程以及验算过程。本文的主要工作内容有以下几点：

1. 对桥址所在地的工程地质情况和上部荷载进行分析；

在进行方案设计之前必须熟悉给出的工程地质报告，包括工程概况、地层岩性、水文地质特征、工程地质条件等。分析地层情况和上部荷载，对设计的主体内容有一个大体的构思，为后面的设计打好基础。

1. 设计桩基础方案

根据第一步的分析进行计算和设计，给出不同的方案，并且对方案进行比选，最终确定桩型、桩数和桩的布置，然后根据桩数和桩的布置确定承台尺寸。

1. 设计桩身结构并且验算桩基

计算桩顶作用力、桩身最大弯矩，对单桩承载力、地基承载力进行验算，设计桩身结构，并且进行校核。

1. 设计承台并且计算

进行承台的抗弯能力验算、抗冲切验算，给承台结构配筋并且进行抗弯验算。

1. 绘制CAD图纸

CAD图纸包括灌河特大桥全桥图、桩身结构图、承台结构图、承台抗冲切图。

关键词：桥墩；桩基础；结构设计；验算

Abstract

The pile foundation of the bridge can be simply defined as the pile sunk into the soil, and then connected with the upper load through the cushion cap, so as to have the ability to bear the upper load. Pile foundation has high bearing capacity and wide application range. Pile foundation design is an important part of bridge pier design.

This paper mainly focuses on the design of pier pile foundation for the second additional construction project of the section from Nanyang to Hefei on the Ningxi line of Guanhe bridge. This paper mainly describes the design ideas and steps of pile foundation, calculation process and checking process. The main contents of this article are as follows:

1. analyze the engineering geological conditions and the upper load of the bridge site

Be familiar with the engineering geological report before the program design, including engineering overview, stratigraphic lithology, hydrogeological characteristics, engineering geological conditions, etc. Analyze the stratum condition and the upper load, have a general conception of the main content of the design, and lay a good foundation for the later design.

1. pile foundation design scheme

According to the analysis in the first step, the calculation and design are carried out, different schemes are given, and the schemes are compared and selected, and the pile type, pile number and pile layout are finally determined, and then the size of cap cap is determined according to the pile number and pile layout

3) design pile structure and check pile foundation

Calculate pile top force and maximum bending moment of pile body, check single pile bearing capacity and foundation bearing capacity, design pile body structure and check it.

4) design cap and calculate

Carry out the checking calculation of bearing platform's bending capacity and punching resistance, add reinforcement to the bearing platform structure and carry out the checking calculation of bending resistance.

5) draw CAD drawings

CAD drawings include the whole bridge drawing of guanhe bridge, pile structure drawing, cap structure drawing and cap anti-punching and cutting drawing.

Key words: pier pile foundation design checking computation

目录

第一章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外发展及现状 1

1.3 本文工作内容 3

第二章 工程概况及工程地质条件 4

2.1 桥址工程地质概况 4

2.1.1 工程概况 4

2.1.2 地层岩性 4

2.2 水文地质特征及评价 5

2.3 工程地质条件评价 5

2.4 上部荷载情况 5

2.5 本章小结 7

第三章 桩基础方案设计 8

3.1 桩型选择 8

3.2 单桩承载力的计算 8

3.3 确定桩数及桩的布置 10

3.3.1 桩数的确定 10

3.3.2 桩的布置 11

3.4 本章小结 12

第四章 基桩的计算与验算 13

4.1 桩顶作用力的计算 13

4.1.1 承台底面荷载计算 13

4.1.2 桩的变形系数 13

4.1.3 桩顶刚度系数 14

4.1.4 承台刚性系数 17

4.1.5 承台底面形心位移 19

4.1.6 桩顶内力 21

4.2 桩身最大弯矩 23

4.3 桩基验算 24

4.3.1 单桩轴向承载力验算 24

4.3.2 群桩承载力验算 25

4.3.3 结构水平位移验算 27

4.4 地基沉降验算 28

4.5 桩身结构设计及校核 30

4.5.1 弯矩最大截面轴向力 30

4.5.2 纵向钢筋配筋及校核 31

4.6 箍筋配筋 32

4.7 裂缝验算 33

4.8 本章小结 33

第五章 承台设计计算 34

5.1 承台抗剪能力验算 34

5.1.1 六桩承台抗剪验算 34

5.1.2 四桩承台抗剪验算 35

5.2 承台抗冲切 36

5.2.1 六桩承台抗冲切验算 37

5.2.2 四桩承台抗冲切验算 38

5.3 承台抗弯与构造配筋 39

5.3.1 六桩承台抗弯验算 39

5.3.2 四桩承台抗弯验算 39

5.4承台纵筋配置 40

5.5 本章小结 40

第六章 总结 41

参考文献 42

致谢 43

第一章 绪论

1.1 目的及意义

工程实际中，人们用到的人工地基有三大类：桩基础、复合地基、经过土质改良形成的人工地基^[1]。而在建筑工程当中，最常用到的地基就是桩基础。桩基础的承载能力高，适用的范围广，使用的历史久远，技术比较成熟。桩基础的形式也很多样，有单根桩的，有单排桩的和多排桩的。在大部分情况下面，桩基础还是由多根桩组成的群桩基础^[2]。

桩基础具有较高的承载能力主要有两个方面的原因。桩沉入土中，一方面可以穿过软弱土层到达承载能力较高的土层或者岩层，提供较高的承载力；另一方面，在打入桩的过程当中，桩的周围的土体受到挤压，在打入桩的过程中也提高了土体的密实度，让桩和土体形成了复合桩基，加大了地基的承载能力，使上部结构更加稳定，沉降量也更小^[3]。

桩基础的承载能力强只是其一个特点，除了较高的承载能力，桩基础还具有较强的抗拔能力和抗震能力。独特的施工工艺也加快了施工的进度，也节约了在支撑工程和排水工程上浪费的时间，产生了巨大的经济效益^[4]。

桩基础具有很强的实用性，已经成为了松软深厚地基的主要基础形式。因此，如何对桩基础的设计和施工进行优化已经成为了十分重要的问题^[5]。

1.2 国内外发展及现状

桩基础的发展很久远，我国最早的桩基础已经有七千多年的历史了，在那个年代主要的桩型是石桩和木桩，都是由天然材料做成的，桩的长度很短，桩的直径小，桩基本也都是竖直设置的，主要是为了传递房屋的竖向荷载^[6]。大多都设置在基础条件不是很好的河谷喝洪积地区，由于没有机器，都是采用简单的人工打桩。

19世纪中叶，桩就已经不仅仅是天然材料做成，受水泥工业出现及其发展的影响，主要是混凝土桩和钢筋混凝土桩^[7]。由于技术受限，桩型还是不多，已经开始采用打桩机械沉桩，桩基础设计理论和施工技术都开始慢慢有了发展，桩的长度，直径都变大了^[8]。

现代化阶段，钢筋混凝土桩有了很大的发展，出现了一系列的钢筋混凝土桩。除了钢筋混凝土桩系，还发展了一系列的桩系，例如钢桩系列，水泥土桩系列、特种桩系列^[9]。同时也出现了很多新型的桩型，随着这样的发展，也出现了越来越多不同的体系，其他学科的进步也带动了桩基技术与理论的发展，人们对桩基技术的研究也更加深入，桩的应用范围也越来越大，沉桩工艺也有了新的发展，人工打桩被复杂的工艺和专门化的工艺代替^[10]。

桩的种类有很多，按照不同的分类标准可以将桩型分为不同的种类，随着时代的发展，人们研究出来各种不同的桩^[11]。

按承载性质分类：

摩擦型桩：①摩擦桩：竖向荷载作用下，主要由桩侧摩阻力提供基桩的承载力，通过桩身与土体之间的摩擦将荷载传递给土层，桩端部分承受的力很小。桩基的沉降较大。②端承摩擦桩：在外部荷载作用下，桩端和桩侧摩阻力同时发挥作用，但桩侧摩擦阻力的作用大于桩尖承受的力。

端承型桩：①端承桩：在极限荷载作用下，荷载由桩端阻力承受。②摩擦端承桩：在极限承载力状态下，上部荷载主要由桩端承受，桩侧摩阻力承载一部分的力^[12]。

按桩身材料分类：

根据桩身材料可分为混凝土桩、钢桩和组合材料桩等。

钢筋混凝土桩：钢筋混凝土桩是现在被广泛应用的桩，它制作工艺简单，桩身的强度较大，抗腐蚀性能好，价格低。钢筋混凝土桩也可以分为预制混凝土方桩、预应力混凝土空心管和灌注混凝土桩^[13]。

钢桩:分为钢管桩和型钢桩。钢桩的桩身材料强度高，桩身表面积大截面尺寸小，在沉桩时贯透能力强对土的挤压小，适用于饱和软粘土地区，对建筑的影响小。钢管桩用的是不同直径和不同壁厚的无缝钢管制做而成。钢桩的价格昂贵，并且不耐腐蚀，在工程中的应用受到了很多的限制。

木桩:现在对于木桩的使用已经很少了，仅仅在某些需要就地取材的加固工程中还在使用。木材在干湿交替的环境中很容易腐烂，但是在地下水以下，抗腐蚀性能较好^[14]。

灰土桩：用于加固地基。

砂石桩：用于加固地基和挤密土壤。

按桩的使用功能分类：

竖向抗压桩：主要承受竖向压力, 根据荷载传递特征，可分为摩擦桩、端承摩擦桩、摩擦端承桩及端承桩四类。

竖向抗拔桩：主要承受竖向抗拔荷载的桩。

水平受荷桩：水平受荷桩桩身的稳定通过桩侧土体的抗力来抵抗水平力，一般还会设置水平支撑或拉锚来承受部分的水平力。

复合受荷桩：同时承受竖向荷载和水平荷载，应该按照竖向抗压桩及水平受荷桩的要求分别进行验算。

按施工类型分类：

非挤土桩：在打入桩的过程中桩周土体基本不受挤压。在成桩过程中，挖出与桩等体积的土，所以不会过多影响周围土体。

部分挤土桩：这类桩在沉桩的过程中，由于挤土作用很小，所以对桩周土的工程性质的影响比较小。这类桩主要采用是截面厚度不大的工字型和H型钢桩、开口钢管桩和螺旋钻成孔桩等^[15]。

挤土桩：在打入桩过程中，桩周围的土被挤密或挤开，对土体的结构破坏严重，土原本的工程性质发生了很大变化。

1.3 本文工作内容

本文主要工作内容是根据工程地质条件和上部结构确定桩基础设计方案，进行基桩的计算与验算，承台进行计算与验算。

第二章 工程概况及工程地质条件

2.1 桥址工程地质概况

2.1.1 工程概况

拟建宁西线南阳至合肥段增建第二线工程灌河特大桥位于河南境内，新线位于既有线灌河大桥及灌河分洪桥右侧,桥址范围为DK751 086.96～DK752 410.835。

2.1.2 地层岩性

区域地层依据岩土特征划分为三大层：人工填土、第四系沉积层(黏性土、细砂层)及沉积基岩层，现将勘探深度范围内地层结构及特征从上至下按地层由新至老具体分述如下：

(0) Q4ml人工填土，褐黄、灰黄、浅灰色，稍密～中密，稍湿～饱和，多为素填土，局部为含碎石粉质黏土，主要为河流堤岸、水塘塘埂、道路填筑土及房屋建筑移挖作填场坪，本层次稀疏分布于地表。

(1) Q4al 粉质黏土：褐黄色，软～硬塑,局部含粉细砂，层厚1.20～5.80m，标贯修正击数平均值为6击，σ₀=150kPa，II级。

(2) Q4al 细砂，褐黄色，松散-稍密，饱和，层厚0.6～9.60m，标贯修正击数平均值为9.2击，σ₀=100kPa，Ⅰ级。

(2)1 Q4al 中砂，褐黄色，淡黄色，松散，层厚2.30～4.80m，标贯修正击数平均值为6.4击，σ₀=150kPa，Ⅰ级。

(2)2 Q4alal 粗砂，褐黄色，稍密，饱和，层厚2.10～8.30m，中厚层分布，局部该层缺失，标贯修正击数平均值为10.94击，σ₀=300kPa，Ⅰ级。

(3)1 Q4al细圆砾土：褐灰色夹褐黄色，中密，饱和，层厚2.1～17.50m，局部相变为粗圆砾土；动探修正击数平均值为12.69击，σ₀=400kPa，II级。

(3)1-1 Q4al 淤泥质粉质黏土：褐灰色，流塑，有腥臭味,层厚1.55～6.90m，透镜体、薄层状呈于 (3)1层中；标贯实测击数平均值为2.53击，σ0=80kPa，II级。

(3)1-2 Q4al粉质黏土：褐灰色，软塑，层厚1.40～2.60m，透镜体状；标贯修正击数平均值为4.5击，σ₀=120kPa，Ⅱ级。

(4)1 J3d凝灰质砂岩，暗红色夹灰色，全风化，多以透镜体、薄层状特征分布于基岩层表层，层厚0.3～8.10m，层厚不稳定；层内动探修正击数平均值为11.26击，σ₀=250kPa，III级。

(4)2 J3d凝灰质砂岩，暗红色夹褐灰色，强风化，岩层较破碎，层厚1.30～13.9 m，层厚很不稳定；层内动探修正击数平均值为17.43击，σ₀=500kPa，IV级。

(4)3 J3d凝灰质砂岩，暗红色夹灰色，弱风化。σ₀=800kPa，Ⅴ级。

2.2 水文地质特征及评价

(一）环境水的类型与埋藏情况及其变化特征

桥址区域发育地表潜水，主富于砂类土中，受区域地表潜水及大气降水补给，并与河流互为补给关系，地下水埋深0.2～4m，自然水位因季节性变化而小幅度波动变化，水质情况直接受控于河流水质及土壤溶出性矿物质成份。

(二）环境水对混凝土建筑材料的侵蚀性

桥址区采集地表水、地下水样各1组，送实验室进行水质分析，根据《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》（铁建设[2005]157号文）的评价标准判定结果：灌河地表水无侵蚀性，下伏基岩表部弱发育基岩裂隙水，无化学侵蚀性^[16]。

2.3 工程地质条件评价

(一）场地及地基的工程地质条件

桥址区无全新活动断裂通过，第四系覆盖层厚度约0～20.60m。下伏基岩J₃d凝灰质砂岩，场地较稳定，适宜建桥。

施工过程中应着重逐桩查明基岩埋深、持力层位置。

(二）基础持力层的选择

第四系全新统覆盖层最大约20m，下伏基岩J₃d凝灰质砂岩，桥区地层构造较稳定，基岩是良好的持力层。

2.4 上部荷载情况

上部荷载由桥墩自重，承台自重和支座力三个部分组成，桥墩、承台均采用C35混凝土，重度为26kN/m³。

灌河特大桥桥墩由圆台和梯台两个部分拼接而成，桥墩体积可分块进行计算：