桥梁设计

第二节 桥梁基础工程设计

武广铁路客运专线的桥梁基础有两种：钻孔灌注桩基础、扩大基础。以桩基础

为主，部分地质条件、地形条件适宜墩台采用了扩大基础。

桥梁下部结构投资占桥梁总投资的一半以上，下部结构系统研究对桥梁设计的

经济性意义重大。因而基础工程的设计，对无砟轨道无缝线路与桥梁下部结构的关

系、影响桥梁下部结构刚度的主要因素、不同地质条件下桥墩和基础刚度的合理分

配、基础布置型式等做了系统研究。

一、桥梁下部结构刚度及其影响因素

高速铁路桥梁设计除了应注重强度、经济性外，还应注重刚度、耐久性设计。

特别是结构的刚度，对运行高速列车的高速铁路来说，尤为重要。

桥墩纵向刚度控制的主要目的是满足无缝线路轨道受力的基本要求。研究表明：

在采用已有桥墩参考图的情况下，墩形、桩身混凝土强度等级、桩的受力类型对桥

梁下部结构刚度影响较小，摩擦桩桩长30m以内时，刚度变化很小。影响桥梁下部

结构刚度的主要因素为：墩高、桩间距、桩的布置形式、柱桩的桩长、桩的自由长

度。

二、基础工程设计

1．桥墩墩身基础刚度比例

桥墩刚度由墩身刚度和基础刚度组成，桥墩刚度与基础刚度比例对墩身尺寸和

下部结构的经济性影响较大。一般来说，地下基础单价比地上墩身单价高得多。墩

身刚度不易太小，否则需要较大的基础刚度来满足整体刚度的需要，投资势必增加。

墩身刚度也不必太大，否则，会加大墩身尺寸，影响桥梁的美观。

通过32m简支箱梁的墩身基础刚度比例关系的研究，表明地质条件较好时，单

位力墩身位移占总位移的40%时，桥墩和基础总圬工最省，而且刚度容易满足。

2．桩径选择

在满足承载力和刚度同等条件下，桩径、桩数的不同选择对基础造价有一定影

响。

对于墩高20m以下的桥墩基础，在一般地质条件下，按8φ1.00m、9φ1.00m、

10φ1.00m、11φ1.00m、12φ1.00m布置；如采用φ1.25m桩径，则按6φ1.25m、8

φ1.25m、9φ1.25m布置。

经研究比较，在取得相同刚度的情况下，软弱地层，φ1.00m、φ1.25m钻孔桩的综合费用相当。在一般地层，小直径钻孔桩的经济性比大直径钻孔桩的经济性好。

从分散受力的角度出发，应尽可能采用小直径钻孔桩。当桩长超过50m，由于构造

的原因，应采用较大直径的钻孔桩。

3．桩的排列方式

较大的横向刚度是列车运行安全性和舒适性的保证，桩基础的平面布置形式应

以尽可能加大下部结构横向刚度为原则。

桩基础的平面布置形式有行列式和梅花式之分，图4-2-1所示是8根φ1.00m的

桩的两种布置方式，表4-2-1反映了两种布置方式下桥墩纵横向刚度。对于桥墩的

横向刚度来说，行列式是梅花式的1.2倍左右，而承台体积行列式是梅花式的0.773

倍。因此，在纵向刚度不控制的情况下，桩基础的平面布置应尽量采用行列式布置。

另外，行列式比梅花式施工方便。

图4-2-1 桩的排列方式(单位：m) 表4-2-1 刚度比较表 排列方式 墩高（m） 桩基（m） 桩型 纵向刚度（kN/cm) 横向刚度（kN/cm) 行列 11.5 8φ1.0 摩擦桩 646 1416 行列 柱桩 502 1170 梅花 11.5 8φ1.0 摩擦桩 987 1251 梅花 柱桩 752 970 4．常用跨度简支箱梁桩基础设计结论

结合地质特点，通过大量桩基础比较计算，表明对于矮墩，桩的承载力控制设

计，对于高墩，则为纵横向刚度控制设计。

桩基础设计时，不仅要考虑墩顶的纵向刚度，还应考虑墩顶的横向刚度。如按

规范梁的水平折角不应大于1‰规定，墩顶横向刚度基本上不控制设计，但车桥耦

合动力响应分析及大量墩顶横向振幅现场检测表明，高速铁路桥墩应在设计时考虑

墩顶横向刚度。桥墩越矮，需要的横向刚度越大，桥墩越高，需要的横向刚度越小。

经比较分析，32m标准跨桥墩的桩基础按如下选用： （1）墩高20m以内时一般采用φ1.00m的桩，地质条件复杂如岩溶地区的桥

墩也采用φ1.25m的桩；

（2）墩高20m～35m时一般采用φ1.25m的桩，墩高35m～45m时一般采用φ

1.50m的桩。

当桩长超过50m时，考虑施工的难度，桩径采用1.25m。桩基础桩数采用8～

12根。

5．桩基础配筋

桩基础配筋依计算确定，并满足规范轴心受压构件纵筋截面积不小于构件截面

积0.5％的规定。

(1)钻孔灌注桩的主筋及箍筋采用Q235钢筋。

(2)主筋桩径小于等于1.50m时按Φ16mm、Φ20mm、Φ22mm、Φ25mm四种

直径设计，桩径大于等于1.80m时按Φ20mm、Φ22mm、Φ25mm、Φ28mm四种

直径设计。主筋一般按单根钢筋布置，当主筋根数较多，相邻主筋净距小于8.0cm

时，采用两根一束布置。

(3)桩身配筋根据桩身内力计算要求确定，可根据受力情况及主筋根数分段配

筋。

(4)主筋净保护层厚度采用70mm。桩顶伸入承台内的主筋长度按45倍主筋直径

设置，主筋采用喇叭型伸入承台内，斜率15:100。主筋上端设弯钩。

(5)Ⅵ度地震区桩径1.00m时，箍筋直径采用8mm，桩径大于1.00m时，箍筋

直径采用10mm，承台底以下不小于2D范围内箍筋间距均采用100mm，其余范围

内箍筋间距均采用200mm。承台底以下箍筋间距采用100mm。承台底以下40cm处

开始顺钢筋笼长度每隔2.0m加一道直径与主筋相同的加强骨架箍筋，增大钢筋笼

的刚度。箍筋可采用螺旋筋。

(6)Ⅶ度地震区桥梁桩基础，所有桩径的箍筋直径采用10mm，承台底以下2(D+1)

范围内箍筋间距均采用100mm，其余范围内箍筋间距均采用200mm。

(7)桩身采用构造配筋时，主筋在桩身内的长度为承台底以下至桩底以上10cm

处。

6．承台配筋

设计对12个典型简支箱梁桥墩的承台进行了实体模型分析，根据计算成果确定

武广承台的配筋方案：

(1)承台钢筋采用HRB335钢筋。

(2)承台底层钢筋网钢筋间距采用10cm。 桩径Φ1.00m承台厚度为2.00m时钢筋网采用Φ20mm钢筋；桩径Φ1.00m承台

厚度为2.50ｍ或采用10根桩布置时钢筋网采用Φ22mm钢筋。

桩径Φ1.25m时钢筋网采用Φ25mm钢筋。

桩径Φ1.50m时钢筋网采用Φ25mm钢筋。

承台底层钢筋网净保护层厚度100mm。

(3)承台顶层钢筋网采用Φ16mm钢筋、间距10cm，净保护层厚度50mm。

(4)承台4个侧面钢筋网采用钢筋直径Φ12mm、间距15cm，净保护层厚度50mm。

7．岩溶桥梁基础设计

(1)岩溶桥梁的基础型式

①扩大基础

当条件允许时应尽量采用明挖扩大基础。岩溶明挖扩大基础设计注意地下水位

的不利影响。

当岩溶埋藏较深且稳定时，充分利用上覆性能较好的土层作为持力层，或使基

底与洞体间保留相当厚度的完好岩体，且充分考虑当岩溶岩面起伏较大，基底土层

厚度不等而产生土质地基压缩变形不均的问题。

②桩基础

根据不同的地质条件，覆盖层厚度及岩溶特征，将桩基础设计分为三种类型。

第一种类型：溶洞层数少，在不深的地层内有完整的岩溶支承顶板厚度，则设

计为不等桩长的柱桩基础，桩底必须嵌人岩层。

第二种类型：覆盖层较厚，岩溶埋藏较深，溶洞内有填充物，则设计为短桩大

承台基础，桩支承在覆盖层内，群桩按摩擦桩计算，但注意桩底至岩石的距离及溶

洞顶板的厚度，确保不致坍塌。

第三种类型：多层串珠状溶洞(槽)，在较深的底部难于确定稳定基岩作为桩的

支承面。此时桩身连续穿透几个溶洞(槽)，其累计岩壁厚度达到一定数值，桩身受

力按柱桩计算，桩承载力则按摩擦桩理论计算，并考虑基础的不均匀沉降，且设计

中不计桩尖抗力的作用。

(2)岩溶基础设计中的几个问题

①地基承载力

在满足承载力前提下，尚应注意满足桩底以下3倍桩径范围内无软弱夹层、断

裂带、洞隙分布；桩端的应力扩散范围内无岩体临空面，方可认为安全。

②桩底基岩完整性

岩溶桩基础成孔工艺有二种，一是冲孔，二是钻孔。经比较在岩溶发育复杂地区，钻孔进度太慢，平均每天进尺不足10cm，而冲孔每天可达100cm。由于冲孔对

孔底岩石完整性造成损害，设计应考虑其不利因素。

③桩基或岩体的临空面

临空面是指桩基或岩体与变形空间相临的面。桩顶加荷后，有可能发生较大的

压缩变形或岩石破碎而松动。

由于桩基岩面起伏较大，桩的长短参差不齐，长短桩不仅刚度存在差异，且桩

受力不均。如桩底周围有临空面，岩体风化、岩溶发育及层理、层面无法确定，一

旦有软弱夹层或不稳定裂隙，将会引起滑动而失稳。

④桩周土的流失

部分桩孔在施工中，桩周土随涌水大量流失，形成空洞，并造成地面塌陷，对

地基整体稳定性会有影响，故岩溶桥桩基考虑桩周土流失，应不计摩阻力。

岩溶区嵌岩桩的嵌岩深度确定是一个难点，入岩不能等于嵌岩。只有在桩孔四

周全部入岩，其最低点才算嵌岩起点。