铁路桥桥墩地基和基础设计

目录
1. 概述......................................................................................................................................... - 1 -1.1 设计的任务及建筑物的性质和用途................................................................................... - 1 -1.2基本资料.............................................................................................................................. - 1 -
1.2.1建筑物的立面示意图........................................................................................................ - 1 -
1.2.2建筑物场地地形图及钻孔布置图.................................................................................... - 2 -
1.2.3建筑物地区水文、地质情况（钻孔柱状剖面图） ........................................................ - 3 -
1.2.4土的物理力学性质表........................................................................................................ - 5 -
1.2.5作用在桥墩上的荷载........................................................................................................ - 6 -
1.2.6墩帽尺寸简图及墩身坡度................................................................................................ - 7 -
2. 下部结构设计............................................................................................................................. - 8 -2.1 绘制设计资料总图............................................................................................................... - 8 -2.2复合各层土的名称、确定其允许承载力.......................................................................... - 9 -
2.2.1土层名称的复核................................................................................................................ - 9 -
2.2.2确定土的状态.................................................................................................................. - 10 -
2.2.3确定各土层的基本承载力σ0和地基承载力修正系数K.............................................. - 11 -
2.2.4各土层的地基的允许承载力的计算.............................................................................. - 11 -2.3 地基和基础的方案比较..................................................................................................... - 12 -2.4 高承台桩基地基和基础的设计与计算 ............................................................................. - 12 -
2.4.1桩基设计.......................................................................................................................... - 12 -
2.4.2桩基内力及变位计算和桩基检算.................................................................................. - 18 -
3. 施工方法及程序....................................................................................................................... - 37 -
3.1 施工方法及主要机具设备................................................................................................. - 37 -
3.1.1施工方法.......................................................................................................................... - 37 -
3.1.2主要机具设备.................................................................................................................. - 37 -3.2 主要施工程序..................................................................................................................... - 38 -
3.2.1施工程序.......................................................................................................................... - 38 -
3.2.2施工准备.......................................................................................................................... - 38 -
3.2.3钻孔机的安装与定位...................................................................................................... - 38 -
3.2.4埋设护筒.......................................................................................................................... - 38 -
3.2.5泥浆制备.......................................................................................................................... - 39 -
3.2.6钻孔.................................................................................................................................. - 39 -
3.2.7清孔.................................................................................................................................. - 39 -
3.2.8灌注水下混凝土.............................................................................................................. - 40 -3.3 质量的控制......................................................................................................................... - 40 -
3.3.1成孔质量控制.................................................................................................................. - 40 -
3.3.2成桩质量控制.................................................................................................................. - 41 -结论............................................................................................................................................... - 43 -致谢............................................................................................................................................... - 44 -参考文献........................................................................................................................................... - 45 -附录Ⅰ
附录Ⅱ
1. 概述
1.1 设计的任务及建筑物的性质和用途
设计任务：根据已有建筑物的图样，所受上部结构的荷载、地质和水文地质情况，遵照“中华人民共和国铁路桥涵地基和基础设计规范TB10002.5—2005”设计某铁路干线上跨越某河流的桥梁之R号桥墩的地基和基础。

建筑物的性质和用途：该桥梁为等跨度32M，上承板梁，桥面系为无渣桥面，并设双侧人行道，桥墩为混凝土实体桥墩，该桥位于直线平坡段上，与河流正交，该地区无流冰及地震，该河道不通航。

该桥除了为铁路客货运服务外，亦为附近居民来往的通道。

设计依“中华人民共和国铁路桥涵地基和基础设计规范TB10002.5—2005”进行设计，活载按铁路标准活载，即“中—活载”。

1.2基本资料
1.2.1建筑物的立面示意图
如图1-1：
图1-1
1.2.2建筑物场地地形图及钻孔布置图
如图1-2：
场地地形图及钻孔布置图（单位：m）水平比例尺1：1000
图1-2
1.2.3建筑物地区水文、地质情况（钻孔柱状剖面图）
地质情况见表1-1、1-2、1-3：
第1号钻孔第2号钻孔
第3号钻孔
水文情况：
高水位：242.0m 施工水位：232.0m 常水位：232.0m
一般冲刷深度：河底以下1.50m 局部冲刷深度：河底以下5.50m
1.2.4土的物理力学性质表
1.2.5作用在桥墩上的荷载
1.2.6墩帽尺寸简图及墩身坡度
墩帽宽δ=240cm
墩帽长b=546cm
墩帽厚d= 52cm
墩身坡1:m=1:10
如图3：单位cm
墩帽顶面在高水位以上3.92m。

图1-3
2. 下部结构设计
2.1 绘制设计资料总图
设计资料总示意图如图2-1：（单位cm ）
图2-1
2.2复合各层土的名称、确定其允许承载力2.2.1土层名称的复核
2.2.2确定土的状态
2.2.3确定各土层的基本承载力σ0和地基承载力修正系数K
2.2.4各土层的地基的允许承载力的计算
由于地基的尺寸和埋深还没有确定，无法确定地基的容许承载力，此处不做计算。

后续地基的尺寸和埋深确定后，再进行计算。

2.3 地基和基础的方案比较
根据荷载的大小和性质、地质和水文地质条件、料具的用量价格（包括料具的数量）、施工难易程度、物质供应和交通运输条件以及施工条件等等，经过综合考虑后决定以下三个可能的基础类型，进行比较选择，采用最佳方案。

方案比较表
表2-4
根据设计资料可知，河流常年有水，水位较高，河床冲刷较深，施工不易排水，且河道不通航，上部荷载较大，河流常年有水，综合以上原因选用高承台桩基。

2.4 高承台桩基地基和基础的设计与计算
2.4.1桩基设计
承台尺寸的决定：
1、承台底面的标高 河流常年有水，且水位较高，无流冰和通航要求，且河流冲刷
深度较大，故选择承台底面标高在施工水位处，即232m 。

2、承台高度决定 按经验承台采用C30混凝土，厚度定为2m 。

3、承台平面尺寸的决定
由以上资料可得：墩身高11.4m ，墩身坡1:10 计算墩身底面的平面尺寸：
底面长为： m 54.710/4.1122.046.5=⨯+- 底面宽为： 2.40.2211.4/10=4.48 m ⨯－＋ 初步选定承台尺寸为：8m 6m 2m ⨯⨯ 验算： 0(6 4.48)/2
0.381tan 452
-=<=
0(87.54)/2
0.1151tan 452-=<= 满足材料刚性角的要求。

作用在承台底面重心处的荷载计算：
1、主力：主力应包括恒载（包括浮力）、活载、冲击力和离心力，因桥墩为实体故不计冲击力，同时因为线路为直线也不计离心力。

a) 垂直静载（钢梁重+墩帽重+墩身重+承台重） （1） 钢梁自重—— = 870 KN G 钢梁 （2） 墩帽重——单位体积重 25 KN/m 3
222.4 3.06 1.211.87A m π⨯⨯墩帽＝＋＝ 311.870.52 6.17V m =⨯=墩帽
6.1725154.25G KN ⨯墩帽＝＝
(3) 墩身重——单位体积重23KN/m 3，则：
墩身顶部面积 221A =2.2 3.06 1.1=10.53 m π⨯⨯＋ 墩身底部面积 222A =4.48 3.06 2.24=29.47 m π⨯⨯＋
墩身体积
12(3H
V A A =
++ （2-1）
311.4
(10.5329.47218.943
m =
+= 墩身重量 G =218.9423=5035.63 KN ⨯墩身
(4) 承台重——单位体积重 25 KN/m 3
G =86225=2400 KN ⨯⨯⨯承台
作用在承台底面总的垂直静载为：
G=++G +G =870154.255035.632400 8459.88KN
G G 钢梁墩身承台
墩帽＋＋＋＝ （2-2）
b) 浮力——从不利荷载考虑，包括常水位和高水位时的浮力
常水位浮力：
桥墩所受浮力：N =0浮 高水位浮力：
承台体积：31=862=96 m V ⨯⨯⨯ 墩身体积：
高水位墩身截面面积 223A 3.06 2.88 1.4415.33m π=⨯+⨯=
墩身底面面积 22A 29.47m =
高水位墩身排水体积 32(3H
V A A =
++墩身 （2-3）
38
(15.3329.47176.153
m =++=
高水位桥墩所受浮力：N =N +N 浮浮承台
浮墩身 （2-4）
=9.8(96+176.15)=2667.07KN ⨯
c) 车辆活载：包括一孔活载（重载、轻载）；两孔活载（满载）
一孔重载 1N =1900 KN 1M =19000.35=665 KN m ⨯⋅ 一孔轻载 2N =1520 KN 2M =15200.35=532 KN m ⨯⋅ 两孔重载 3N =2900 KN
2、附加力： ①、 制动力
H =340 KN 制 M =340(0.93+13.4)=4872.2 KN m ⨯⋅制
②、风力
取风压强度为：1250 Pa 纵向风力：
墩帽上风力：P 1=3.5 KN 1M =3.5(13.4+0.26)=47.81 KN m ⨯⋅ 墩身上风力：
常水位时：A=
211.4
(5.267.54)72.962
m += 2P =72.96 1.25=91.2KN ⨯
2M =91.2(2+11.4/2)=702.24 KN m ⨯⋅
高水位时：23.4
(5.26 5.94)19.042A m =
+= 3 3.4P =(5.26 5.94) 1.25=23.8 KN 2
+⨯
3M =23.8(10+3.4/2)=278.46 KN m ⨯⋅
承台风力：P =28 1.25=20 KN ⨯⨯
M =201=20 KN m ⨯⋅ 3、绘力系表(考虑主力和纵向的附加力)
承台底面重心处荷载组合计算见表2-5：
桩的设计：
1、桩材选择：根据本工程的特点，选择钢筋混凝土钻孔灌注桩。

2、桩径：初步选定桩径为1.0m ，成孔桩径1.05m 。

3、桩长和桩数的估算：
根据构造措施，桩中心距不小于2.5 1.05 2.625m ⨯=,承台座板边缘至最小一排桩的净距，不小于50cm ，故设置6根桩，行列式排列，布置图如图2-2：
图2-2
将桩底设置在良好的土层中，设桩长h>10d ，计算单桩允许承载力[P]：
]
[21
][0σA m l f U P i i +=∑ （2-5）
然后根据 ]
[P N
n μ
= 计算桩长。

已知： [σ0]=370 KPa ， 查表m 0取0.6，μ=1.3，f #7=45KPa ，f #2=60Ka ， f #5=40KPa ，f #3=50KPa ，则：
33.124
25.444
86.92913.95.4382.184028.92=+++⨯+⨯+⨯+⨯=γ
d k d k 22
2206)34(][][γγσσ'+-+= （2-6）
370 2.512.33(413)6 1.012.331
474.8KPa
=+⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯=
01
[][]
2
i i P U f l m A σ=+∑2
111.05[45460 4.5402(10.5)50]0.6474.8
24
306.282.47h h ππ⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯+-⨯+⨯⨯⨯=+＝ 11359.88[] 1.32461.3306.282.476
N P h n μ
==⨯==+ h=26.13m
桩总长l=26.13+7.5=33.63m,取l=35m
14.1117
25.441786.92913.95.4382.184028.92=+++⨯+⨯+⨯+⨯=γ
d k d k 22
2206)34(][][γγσσ'+-+= （2-7）
370 2.511.14(413)6 1.011.141
464.7KPa
=+⨯⨯⨯-+⨯⨯⨯=
01
[][]2i i P U f l m A σ=+∑ （2-5）
2
111.05[45460 4.54021750]0.6464.7
24
24952461.3
ππ⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯=>＝ 故桩总长取35m
2.4.2桩基内力及变位计算和桩基检算
桩的内力和变位计算： 1、决定桩的计算宽度b 0
群桩：b 0=0.9(d+1)k 其中k 为构件相互影响系数 桩间净距L 0=4—1=3m
构件局部冲刷线以下的计算深度 0h 3d 16m ＝（
＋）＝ n=2，故c=0.6
由于L 0=3m<0.6h 0=3.6m ， 所以00110.63
0.60.9330.60.66
L c k c h --=+
=+⨯=
故 b 0=0.9(d+1)k=1.68 m
2、计算桩基变形系数50/EI
mb =α （2-8）
查表取m=20000 KN/m 4，6h E =3210Pa K ⨯ 计算 4
4
4d 1I=
=
=0.049m 64
64
ππ⨯，
662h EI=0.8E I=0.832100.049=1.2510 KN m ⨯⨯⨯⨯⋅
则：1
0.485m α-=
== 又h=0.48527.5=13.34>2.5α⨯，应该按弹性桩设计。

3、计算桩基中桩头处的刚度系数 ρ1 ρ2 ρ2 ρ4
①、 计算ρ1
钻孔桩ξ=0.5，l 0=7.5m ，h=27.5m ，7h E =3.210Pa K ⨯， EA=2
7
713.210 2.512104
c E A KN π⨯⨯=⨯⨯
=⨯
KN m EA h l /1045.810
512.25.275.05.77
7
0-⨯=⨯⨯+=+ξ 300C =m h=2000027.5=550000KN/m ⨯
05.385
.2745
17422205.4304=⨯+⨯+⨯+⨯=
ϕ
D 0=d+2htan(ϕ/4)=0
38.51+227.5tan =10.33> 4m 4⨯⨯，取4m 220A =(4/2)=12.566m π⨯
KN
m A C /10447.1556.12105.51
17500-⨯=⨯⨯=
10001
1
l h EA C A ρξ=
++ （2-9）
=
6
77
1 1.010108.4510 1.44710KN m --=⨯⋅⨯+⨯
②、 计算ρ2 ρ2 ρ4 0=0.4857.5=3.638l α⨯，=0.48527.5=13.34>4.0h α⨯ 查表得：Y Q = 0.0725 Y M = 0.1956 фM = 0.7157
故：336420.485 1.25100.0725 1.03410/Q EIY KN m ρα==⨯⨯⨯=⨯
226430.485 1.25100.1956 5.7510M EIY KN ρα==⨯⨯⨯=⨯
6540.485 1.25100.7157 4.3410/M EI KN m rad ραφ==⨯⨯⨯=⨯⋅
4、计算桩基总刚度系数γij
6616 1.01010 6.06010/bb n KN m γρ==⨯⨯=⨯
4426 1.03410 6.210/aa n KN m γρ==⨯⨯=⨯
4536 5.7510 3.4510/a a n KN rad ββγγρ==-=-⨯⨯=-⨯
25267416 4.341062 1.01010 2.684410/n nx KN m rad ββγρρ=+=⨯⨯+⨯⨯⨯=⨯⋅
5、计算承台座板竖直位移b、水平位移a、转角β(须配合承台重心处各种荷载
组合计算)如表2-6：
表2-6
6、计算桩顶内力(须计算各种荷载组合)如表2-7：
取承台脱离体验算在误差范围内，因此满足平衡条件0,0,0N H M ===∑∑∑
7、计算局部冲刷线处截面上的弯矩M 0和剪力H 0，须计算各种荷载组合，如表2-8：
8、计算局部冲刷线处桩身水平位移X 和转角ϕ，并做X 的检算。

选择最不利荷载组合：一孔重载常水位进行计算
M 0=187.54 KN ·m H 0=75.84 KN
由0 4.0z h αα=≥及,查表5-4得：A x =2.441，B x =1.621，A φ=-1.621，
B φ=-1.751
3
323626
75.84 2.441187.54 1.621 2.33100.485 1.25100.485 1.2510
x x H M X A B m EI EI αα-⨯⨯=
+=+=⨯⨯⨯⨯⨯ 4226675.84( 1.621)187.54( 1.751)
9.6100.485 1.25100.485 1.2510
H M A B rad EI EI ϕ
ϕϕαα-⨯-⨯-=
+=+=-⨯⨯⨯⨯⨯ 9、计算桩身任意截面处的弯矩M y
目的是为了桩的材料强度核算，故选择最不利荷载组合：产生最大M 一孔重载常水位和最大N 的两孔满载常水位和产生最大偏心距的一孔轻载高水位两种情况进行计算。

（1）一孔重载常水位
其中M 0=187.54KN ·m ，H 0=75.84KN 。

公式如下：
75.84187.54156.37187.540.485y M M M M M M H M A M B A B A B α=+=+=+
系数M A 、M B 值可根据13.34 4.0z h αα=>值及从M A 、M B 系数表查得。

计算结果见下表2-9：
az z/m A
M B
M
156.37A
M
187.54B
M
M
Y
/(KN·m）
0 0.000 0 1 0 187.540 187.540 0.2 0.412 0.197 0.998 30.804 187.164 217.969 0.4 0.825 0.377 0.986 58.951 184.914 243.865 0.6 1.237 0.529 0.959 82.719 179.850 262.570
0.8 1.649 0.646 0.913 101.015 171.224 272.239
1 2.06
2 0.72
3 0.851 113.055 159.596 272.652 1.2 2.47
4 0.762 0.774 119.153 145.15
5 264.309 1.4 2.887 0.765 0.687 119.623 128.839 248.463 1.
6 3.299 0.73
7 0.594 115.244 111.39
8 226.643
1.8 3.711 0.685 0.499 107.113 93.582 200.695
2 4.124 0.614 0.407 96.011 76.328 172.339 2.2 4.536 0.532 0.32 83.188 60.012 143.201 2.4 4.948 0.44
3 0.243 69.271 45.572 114.84
4 2.6 5.361 0.35
5 0.175 55.511 32.819 88.330
2.8 5.773 0.270 0.120 42.219 22.504 64.724
3 6.186 0.193 0.076 30.179 14.253 44.432
3.5 7.216 0.051 0.014 7.974 2.625 10.600
4 8.247 0 0 0 0 0
图2-3
（2）两孔满载常水位
其中M 0=184.49·m ，H 0=75.84KN 。

公式如下：
75.84184.49156.37184.490.485
y M M M M M M H M A M B A B A B α=+=+=+
系数M A 和M B 值可根据10.43 4.0z h αα=>值及从系数表查得，结果见下表2-10:
表2-10
（3）一孔轻载高水位
其中M 0=186.93KN ·m ，H 0=75.84KN 。

公式如下：
75.84186.93156.37186.930.485
y M M M M M M H M A M B A B A B α=+=+=+
系数M A 和M B 值可根据10.43 4.0z h αα=>值及从系数表查得，计算结果见表2-11：
az z/m A
M B
M
156.37A
M
186.93B
M
M
Y
/(KN·m）
0 0.000 0 1 0 186.93 186.93 0.2 0.412 0.197 0.998 30.804 186.556 217.361 0.4 0.825 0.377 0.986 58.951 184.312 243.264 0.6 1.237 0.529 0.959 82.719 179.265 261.985
0.8 1.649 0.646 0.913 101.015 170.667 271.682
1 2.06
2 0.72
3 0.851 113.055 159.077 272.132 1.2 2.47
4 0.762 0.774 119.153 144.683 263.837 1.4 2.887 0.76
5 0.687 119.623 128.420 248.043 1.
6 3.299 0.73
7 0.594 115.244 111.036 226.281
1.8 3.711 0.685 0.499 107.113 93.278 200.391
2 4.124 0.614 0.407 96.011 76.080 172.091 2.2 4.536 0.532 0.32 83.188 59.817 143.006 2.4 4.948 0.44
3 0.243 69.271 45.423 114.695 2.6 5.361 0.355 0.175 55.511 32.712 88.224
2.8 5.773 0.270 0.120 42.219 22.431 64.651
3 6.186 0.193 0.076 30.179 14.206 44.386
3.5 7.216 0.051 0.014 7.974 2.617 10.591
4 8.247 0 0 0 0 0
图2-4
单桩允许承载力的检算：
单桩的轴向允许承载力分别按桩身材料强度和土的阻力进行计算： 1、按土的阻力计算单桩允许承载力 [P] 上面已经计算出[σ]＝464.7Kpa
01
[][]
2i i P U f l m A σ=+∑ （2-5）
2
111.05[45460 4.54021750]0.6464.7
24
2495KPa
ππ⨯⨯⨯⨯+⨯+⨯+⨯+⨯⨯⨯=＝ 2、检算N max +G 是否小于[P]
该桩桩底置于透水土中，所以在计算单桩自重和与桩入土部分同体积的土重时应考虑水的浮力（注：主加附[P]可提20％, 即单桩允许承载力满足要求。

）
桩身自重22(2510)(1.0527.517.5)445.544
G KN π
=⨯-⨯+⨯=
与桩同体积土重21.0527.59.86234.794
G KN π
=⨯⨯⨯=
在两孔满载常水位时，轴向力最大，为最不利荷载组合，Nmax=2555.06KN 则：
Nmax+G=2555.06+445.54-234.79=2765.81KN <1.2[P]=2994 KN
群桩承载力的检算： 1、桩基承载力的检算：
将桩视为群桩实体基础：
基底应力应满足右式：[]
σ≤+W M
A N （式2-10）
022115.385
.2745
17422205.4304=⨯+⨯+⨯+⨯=
+⋅⋅⋅++=
L
L L L n
n ϕϕϕϕ
计算群桩实体的边长 b′、a′
2tan
4b b h ϕ
'=+ （2-11）
38.561227.5tan 14.334
m =-+⨯⨯= 2tan
4a a h ϕ
'=+ （2-12）
38.581227.5tan 16.334
m =-+⨯⨯= 群桩实体的基底面积为 2A=16.3314.33=234 m ⨯
群桩实体基底纵向截面模量为 2
316.3314.33W=
=558.9 m 6
⨯ 桩底处地基容许承载力为：
[]01122(2)(3)k r b k r H σσ=+-+- （2-13）
桩尖平面处σ0=370KPa, K 1=2, K 2=4
32/53.917
25.441786.92913.95.4582.84028.9m KN =+++⨯+⨯+⨯+⨯=γ
32/86.9m KN =γ
[]01122(2)(3)
37029.86(14.332)49.53(31.53)1699.57k r b k r H KPa
σσ=+-+-=+⨯⨯-+⨯⨯-= （2-13）
222
6(2510)(1.0527.517.5)9.5316.3314.3327.5
4
1.05
627.59.5358554.79
4
N N N π
π=+⨯⨯-⨯+⨯+⨯⨯⨯⨯-⨯
⨯⨯=+∑∑
一孔重载常水位：
10359.88,6300.25,454.7N KN M KN m H ==⋅=∑∑∑
10359.8858554.7968914.67N KN =+= 6300.25454.77.59710.5M KN m =+⨯=⋅
[]max 68914.679710.5311.881699.57234558.9N M KPa KPa A W σσ=+=+=<=
min 68914.679710.5277.130234558.9
N M KPa A W σ=-=-=>
两孔满载常水位：
11359.88,5635.25,454.7N KN M KN m H KN ==⋅=∑∑∑
11359.8858554.7969914.67N KN =+= 5635.25454.77.59045.5M KN m =+⨯=⋅
[]max 69914.679045.5314.971699.57234558.9N M KPa KPa A W σσ=+=+=<=
min 69914.679045.5282.60234558.9N M KPa A W σ=-=-=≥
经一孔重载常水位和两孔满载常水位验算均满足要求。

2、沉降检算
该设计采用摩擦桩，净距小于6d ，所以按明挖扩大基础方法计算实体基
础的沉降。

采用分层总和法，最不利荷载为常水位（无浮力，不记活载）。

8459.88N KN =+∑自重
实体基础为16.3314.3327.5m m m ⨯⨯ 下边采用分层总和法进行计算： 分层厚Zi ∆≤ 0.4b=5.732m ，取Zi ∆=4m ① 计算各薄层自重应力：
027.59.53262.08s kPa σ=⨯=
1262.0849.86301.52s kPa σ=+⨯= 2301.5249.86340.96s kPa σ=+⨯= 3340.9649.86380.4s kPa σ=+⨯= 4380.449.86419.84s kPa σ=+⨯=
② 计算基础中心垂直轴线上的附加应力z σ，并确定压缩底层。

a. 基底附加荷载为
2228459.886(17.5 1.0527.5)(2510)6 1.0527.59.539771.5444F KN
ππ
=+⨯⨯⨯+⨯--⨯⨯⨯⨯=
b. 基底附加压力为
9771.5441.76234F P kPa A ===
c. 计算基础中心垂直轴线上的
z
σ，以确定压缩底层。

如表2-12:
2268.195
z s kPa σσ≤=,因此中心垂线上的压缩底层在第2层的底面上。

各层沉降计算列于下表2-13：
总沉降0.96cm<11.83cm ==,满足要求。

桩身配筋及外荷载作用下桩身的强度检算：
桩身混凝土采用C30混凝土，钢筋采用Ⅰ级钢筋。

1、配筋 ○
1主筋配置如下 选用Ⅰ级钢筋，桩顶到局部冲刷线下7.5m 之间15m 范围内用20φ20，
则实际的钢筋面积A g =6283.2mm 2，局部冲刷线下7.5m 到桩底间20m 范围内用10φ20。

保护层厚度取a=60mm ，则钢筋中心到桩截面中心的距离g r =430mm ○
2箍筋配置如下： 在局部冲刷线以下7.5m 以上的桩内箍筋采用φ8 @ 200mm ，以下的桩内箍筋采用φ8 @ 400mm ，螺旋式箍筋；每隔两米焊接一道φ20骨架箍筋。

2、钻孔桩桩身强度核算
根据上述的桩身弯矩，取两种情况进行验算，分别为N 和M 均最大的两孔满载和偏心距最大的一孔轻载高水位。

第一种最不利荷载组合的情况：两孔满载（常水位） 验算四个截面：
桩顶截面：2555.06N KN = 384.32M KN m =-⋅
地面下最大弯矩处截面（局部冲刷线下2.06m ）：2679.23N KN =
270.06M KN m =⋅
钢筋截断处截面（局部冲刷线下7.5m ）：2803.4N KN = 7.65M KN m =⋅ 桩底截面（轴心受压），3000.6N KN =，进行桩的稳定性验算。

（1）桩顶处截面 计算偏心距增大系数：
4
4410.04964
64
d Ic m ππ
=
=
⨯=
743.210 3.210Ec KPa MPa =⨯=⨯
计算长度 01 4.0
4.0
0.5()0.5(7.5)7.87m 0.485
l l α
=+
=+
= i 0i M 384.32
e 0.15m N 2555.06
=
== 00.10.1
0.160.160.4460.2(e /d)0.2(150/1000)
α=
+=+=++
6.1=k
2
2
27h h 2
011
1.038kN 1.62555.067.8711E I 0.446 3.2100.049l ηαππ=
==⨯⨯--⨯⨯⨯⨯ 0e e 1.0380.150.1557m η==⨯=
20φ20 26283.2g A mm = 0.008μ=
2
2
21150.006280.8794
g A R nA m ππ=+=⨯+⨯=
4242411
0.5150.006280.4300.05784242
g g I R nA r m π
π=
+=⨯+⨯⨯⨯= 截面核心半径 0.00578
0.1310.8790.5
I m A R ρ===⨯ ○
1判断大小偏心 则：0e e .1557ηρ==> 故应按大偏心受压进行检算
○
2进行截面应力检算 首先确定中性轴的位置，经试算，取140α=︒
此时，0.883K = 7.278V = 36.858W = 7.22Q =-
0.168
0.3360.5
e R == 22
0.4324()2415 3.140.008() 6.9710.5
s r n R πμ=⨯⨯⨯⨯=
2
24()36.858 6.9710.33616()16(7.278150.0087.22)
s
r W n R V n Q πμμ++==-⨯-⨯⨯-
满足要求
b 3
3296960.883384.32
5.946Pa []11.2MPa 0.5[3
6.858 6.971]
[24()]c s
KM M r R W n R
σσπμ⨯⨯===≤=⨯++(12)0.5(120.883)0.43
15 5.95 4.75MPa []130.0MPa
220.8830.5s s c s R K r n KR σσσ-+⨯-⨯+==⨯⨯=<=⨯⨯g (21)0.5(20.8831)0.43
'15 5.9582.17MPa []130.0MPa
220.8830.5
s s c R K r n KR σσσ-+⨯⨯-+==⨯⨯=<=⨯⨯满足要求
（2）地面下最大弯矩处截面 ○
1判断大小偏心 i 0i M 270.06
e 0.1008N 2679.23
m =
== 0e e 1.0380.10080.105m 0.131m ηρ==⨯=<=
故按小偏心受压进行验算 ○
2进行截面应力检算 b 00N M 2679.23270.060.5
5.39Pa []11.2MPa A I 20.8790.0577
c d M σσ⨯=
+⋅=+=≤= g 00N M 2679.23270.060.43
n(
R )15()75.91MPa []130.0MPa A I 0.8790.0577
s s σσ⨯=+=⨯+=<= 满足要求
（3）钢筋截断处截面（局部冲刷线下7.5m ） ○
1判断大小偏心 10φ20 20.00314g A m =
2
2
21150.003140.8324
g A R nA m ππ=+=⨯+⨯=
422411
0.049150.003140.430.0534422
g g I R nA r mm π
=
+=+⨯⨯⨯= 0.0534
0.1280.8320.5
I m A R ρ=
==⨯
0M 7.65e 0.0027m N 2803.4
=
== 0e e 1.0380.00270.0028m 0.128m ηρ==⨯=<=
故按小偏心受压进行验算 ○
2进行截面应力检算 b 00N M 2803.47.650.5
3.44Pa []11.2MPa A I 20.8320.0534
c d M σσ⨯=
+⋅=+=≤= g s 00N M 2803.47.650.43
n(
R )15()51.47MPa []130.0MPa A I 0.8320.0534
s σσ⨯=+=⨯+=<= 满足要求
（4）桩底截面
由于弯矩为0，故为轴心受压截面 10φ20 20.00314g A m =
0/7.87l d = 查表得，稳定系数0.988φ=，m=10.4,
c 3000.6
3.71[]9.0()0.988(0.78510.40.00314)
c c s N MPa MPa A mA σσφ=
==<=++⨯
第二种最不利荷载组合的情况：一孔轻载（高水位） 验算的截面有三个：
桩顶截面：589.72N KN = 305.11M KN m =-⋅
地面下最大弯矩处截面（局部冲刷线下2.06m ）：704.83N KN =
272.13M KN m =⋅
钢筋截断处截面（局部冲刷线下7.5m ）：775.49N KN = 7.67M KN m =⋅ （1）桩顶处截面 计算偏心距增大系数：
4
40.04964
d Ic m π=
=
743.210 3.210Ec KPa MPa =⨯=⨯
计算长度 01 4.0
4.0
0.5()0.5(7.5)7.87m 0.485
l l α
=+
=+
= 0M 305.11e =0.517m N 589.72
=
=
00.10.1
0.160.160.29950.2(e /d)0.2(517/1000)
α=
+=+=++
6.1=k
2
2
27h h 2
011
1.013kN 1.6589.727.8711E I 0.299 3.2100.049l ηαππ=
==⨯⨯--⨯⨯⨯⨯ 00.517 1.0130.524e e m η==⨯=
○
1判断大小偏心 配筋不变，所以截面核心半径也不变 0.131m ρ= 则：0e e 0.524m ηρ==> 故应按大偏心受压进行检算
○
2进行截面应力检算 首先确定中性轴的位置，经试算，取82α=︒
查表可得：0.430K = 1.402V = 14.439W = 1.312Q =
0.524 1.0480.5e R == 22
0.4324()2415 3.140.008() 6.6980.5
s r n R πμ=⨯⨯⨯⨯= 2
24()14.439 6.698 1.06116()16(1.402150.008 1.312)s r W n R V n Q πμμ++==-⨯+⨯⨯
故满足要求 ○
2截面应力检算： b 3
3296960.43305.11
4.77Pa []11.2MPa 0.5[14.439 6.698]
[24()]
c s
KM
M r R W n R
σσπμ⨯⨯=
=
=≤=⨯++(12)0.5(120.43)0.43
15 4.7783.20MPa []130.0MPa
220.430.5s s c s R K r n KR σσσ-+⨯-⨯+==⨯⨯=<=⨯⨯(21)0.5(20.431)0.43
'15 4.7759.9MPa []130.0MPa
220.430.5
s s c s R K r n KR σσσ-+⨯⨯-+==⨯⨯=<=⨯⨯满足要求
（2）地面下最大弯矩处截面： ○
1判断大小偏心
0M 272.13e 0.386m N 704.83
=
== 0e e 1.0130.3860.391m =0.131m ηρ==⨯=>
故按大偏心受压进行验算 ○
2进行截面应力检算 首先确定中性轴的位置，经试算，取91α=︒
查表可得：0.517K = 2.168V = 19.966W = 0.329Q =-
0.3910.7820.5e R == ，22
0.4324()2415 3.140.008() 6.6980.5
s r n R πμ=⨯⨯⨯⨯= 2
24()19.966 6.6980.78316()16(2.168150.0080.329)s r W n R V n Q πμμ++==-⨯+⨯⨯-
故满足要求
截面应力检算：
b 3
3296960.517272.13
4.05Pa []11.2MPa 0.5[19.966 6.698]
[24()]c s
KM M r R W n R
σσπμ⨯⨯===≤=⨯++(12)0.5(120.517)0.43
15 4.0548.53MPa []130.0MPa
220.5170.5s s c s R K r n KR σσσ-+⨯-⨯+==⨯⨯=<=⨯⨯(21)0.5(20.5171)0.43
'15 4.0552.52MPa []130.0MPa
220.5170.5
s s c s R K r n KR σσσ-+⨯⨯-+==⨯⨯=<=⨯⨯ 满足要求 （3）截断钢筋处 ○
1判断大小偏心 10φ20 20.00314g A m =
配筋仍为10φ20 ，ρ不变，0.128m ρ=
0M 7.67
e =0.0099m N 775.49
=
= 0e e 1.0130.00990.01m 0.128m ηρ==⨯=<=
故按小偏心受压进行验算 ○
2进行截面应力检算 b 00N M 775.497.670.5
1.004Pa []11.2MPa A I 20.8320.0534
c d M σσ⨯=
+⋅=+=≤=
g s 00N M 775.497.670.43n(
R )15()14.9MPa []130.0MPa A I 0.8320.0534
s σσ⨯=+=⨯+=<= 满足要求 承台的检算:
桩与承台的联结采用将桩顶主钢筋伸入承台的联结方式：桩身伸入座板内20cm ，桩顶伸入承台的钢筋采用喇叭式，伸入承台的钢筋长度为1000mm ，箍筋采用φ8 @ 200mm 。

如下图2-5所示：
图2-5
3. 施工方法及程序 3.1 施工方法及主要机具设备
3.1.1施工方法
根据本项工程实际情况，采用泥浆护壁钻孔灌注桩，成孔机械采用回转钻机。

灌注桩是直接在桩位上就地成孔，然后在孔内安放钢筋笼、灌注混凝土而成。

回转钻机是由动力装置带动钻机的回转装置转动，并带动带有钻头的钻杆转动，由钻头切削土壤。

切削形成的土碴，通过泥浆循环排出桩孔。

根据桩型、钻孔深度、土层情况、泥浆排放条件、允许沉碴厚度等条件，泥浆循环方式选择使用正循环方式。

正循环回旋钻机成孔工艺：泥浆由钻杆内部注入，并从钻杆底部喷出，携带钻下的土碴沿孔壁向上流动，由孔口将土碴带出流入沉淀池，经沉淀的泥浆流入泥浆池再注入钻杆，由此进入循环，沉淀的土碴用泥浆车运出排放。

因为本项工程是在常水位施工，水深小于3米，适当提高护筒顶面标高。

在砂类土和粘土中钻孔，采用自造泥浆护壁。

钻孔达到要求的深度后，测量沉碴厚度，进行清孔。

清孔采用射水法，此时钻具只转不进，待泥浆比重降到1.1左右即认为清孔合格。

钻孔灌注桩的桩孔钻成并清孔后，应尽快吊放钢筋骨架并灌注混凝土。

用垂直导管灌注法水下施工。

水下灌注混凝土至桩顶处，应适当超过桩顶设计标高，以保证在凿除含有泥浆的桩段后，桩顶标高和质量能符合设计要求。

施工后的灌注桩的平面位置和垂直度都需要满足规范的规定。

灌注桩在施工前，进行试成孔。

3.1.2主要机具设备
回转钻机
回转钻机主要由座盘、支腿、塔架、方形钻杆、转盘、电机、钻头组成。

回转钻机设备性能可靠，噪声和振动较小、钻进效率高、钻孔质量好，适用于多种地质条件。

3.2 主要施工程序
3.2.1施工程序
该施工法的施工程序是：平整场地→泥浆制备→埋设护筒→铺设工作平台→安装钻机并定位→钻进成孔→清孔并检查成孔质量→下放钢筋笼→灌注水下混凝土→拔出护筒→检查质量。

3.2.2施工准备
施工准备包括：选择钻机、钻具、场地布置等。

钻机是钻孔灌注桩施工的主要设备，可根据地质情况和各种钻孔机的应用条件来选择。

3.2.3钻孔机的安装与定位
安装钻孔机的基础如果不稳定，施工中易产生钻孔机倾斜、桩倾斜和桩偏心等不良影响，因此要求安装地基稳固。

对地层较软和有坡度的地基，可用推土机推平，在垫上钢板或枕木加固。

为防止桩位不准，施工中很重要的是定好中心位置和正确的安装钻孔机，对有钻塔的钻孔机，先利用钻机的动力与附近的地笼配合，将钻杆移动大致定位，再用千斤顶将机架顶起，准确定位，使起重滑轮、钻头或固定钻杆的卡孔与护筒中心在一垂线上，以保证钻机的垂直度。

钻机位置的偏差不大于2cm。

对准桩位后，用枕木垫平钻机横梁，并在塔顶对称于钻机轴线上拉上缆风绳。

3.2.4埋设护筒
钻孔成败的关键是防止孔壁坍塌。

当钻孔较深时，在地下水位以下的孔壁土在静水压力下会向孔内坍塌、甚至发生流砂现象。

钻孔内若能保持壁地下水位高的水头，增加孔内静水压力，能为孔壁、防止坍孔。

护筒除起到这个作用外，同时好有隔离地表水、保护孔口地面、固定桩孔位置和钻头导向作用等。

制作护筒的材料有木、钢、钢筋混凝土三种。

护筒要求坚固耐用，不漏水，其内径应比钻孔直径大（旋转钻约大20cm，潜水钻、冲击或冲抓锥约大40cm），每节长度约2~3m。

一般常用钢护筒。

3.2.5泥浆制备
钻孔泥浆由水、粘土(膨润土)和添加剂组成。

具有浮悬钻渣、冷却钻头、润滑钻具，增大静水压力，并在孔壁形成泥皮，隔断孔内外渗流，防止坍孔的作用。

调制的钻孔泥浆及经过循环净化的泥浆，应根据钻孔方法和地层情况来确定泥浆稠度，泥浆稠度应视地层变化或操作要求机动掌握，泥浆太稀，排渣能力小、护壁效果差；泥浆太稠会削弱钻头冲击功能，降低钻进速度。

3.2.6钻孔
钻孔是一道关键工序，在施工中必须严格按照操作要求进行，才能保证成孔质量，首先要注意开孔质量，为此必须对好中线及垂直度，并压好护筒。

在施工中要注意不断添加泥浆和抽渣(冲击式用)，还要随时检查成孔是否有偏斜现象。

采用冲击式或冲抓式钻机施工时，附近土层因受到震动而影响邻孔的稳固。

所以钻好的孔应及时清孔，下放钢筋笼和灌注水下混凝土。

钻孔的顺序也应实事先规划好，既要保证下一个桩孔的施工不影响上一个桩孔，又要使钻机的移动距离不要过远和相互干扰。

3.2.7清孔
钻孔的深度、直径、位置和孔形直接关系到成装置量与桩身曲直。

为此，除了钻孔过程中密切观测监督外，在钻孔达到设计要求深度后，应对孔深、孔位、孔形、孔径等进行检查。

在终孔检查完全符合设计要求时，应立即进行孔底清理，避免隔时过长以致泥浆沉淀，引起钻孔坍塌。

对于摩擦桩当孔壁容易坍塌时，要求在灌注水下混凝土前沉渣厚度不大于30cm；当孔壁不易坍塌时，不大于20cm。

对于柱桩，要求在射水或射风前，沉渣厚度不大于5cm。

清孔方法是使用的钻机不同而灵活应用。

通常可采用正循环旋转钻机、反循环旋转机真空吸泥机以及抽渣筒等清孔。

其中用吸泥机清孔，所需设备不多，操作方便，清孔也较彻底，但在不稳定土层中应慎重使用。

其原理就是用压缩机产生的高压空气吹入吸泥机管道内将泥渣吹出。

3.2.8灌注水下混凝土
清完孔之后，就可将预制的钢筋笼垂直吊放到孔内，定位后要加以固定，然后用导管灌注混凝土，灌注时混凝土不要中断，否则易出现断桩现象。

施工方法简图如下：
3.3 质量的控制
3.3.1成孔质量控制
成孔是混凝土灌注桩施工中的一个重要部分，其质量如控制得不好，则可能会发生塌孔、缩径、桩孔偏斜及桩端达不到设计持力层要求等，还将直接影响桩身质量和造成桩承载力下降。

因此，在成孔的施工技术和施工质量控制方面应着重做好以下几项工作。

1. 采取隔孔施工程序。

钻孔混凝土灌注桩和打入桩不同，打人桩是将周围土体挤开，桩身具有很高的强度，土体对桩产生被动土压力。

钻孔混凝土灌注桩则是先成孔，然后在孔内成桩，周围土移向桩身土体对桩产生动压力。

尤其是在成桩初始，桩身混凝土的强度很低，且混凝土灌注桩的成孔是依靠泥浆来平衡的，故采取较适应的桩距对防止坍孔和缩径是一项稳妥的技术措施。

2. 确保桩身成孔垂直精度
这是灌注桩顺利施工的一个重要条件，否则钢筋笼和导管将无法沉放。

为了保证成孔垂直精度满足设计要求，应采取扩大桩机支承面积使桩机稳固，经常校核钻架及钻杆的垂直度等措施，并于成孔后下放钢筋前作井径、井斜超声波测试。

3. 确保桩位、桩顶标高和成孔深度。

在护筒定位后及时复核护筒的位置，严格控制护筒中心与桩位中心线偏差不大于50mm，并认真检查回填土是否密实，以防钻孔过程中发生漏浆的现象。

在
施工过程中自然地坪的标高会发生一些变化，为准确地控制钻孔深度，在桩架就位后及时复核底梁的水平和桩具的总长度并作好记录，以便在成孔后根据钻杆在钻机上的留出长度来校验成孔达到深度。

为有效地防止塌孔、缩径及桩孔偏斜等现象，除了在复核钻具长度时注意检查钻杆是否弯曲外，还根据不同土层情况对比地质资料，随时调整钻进速度，并描绘出钻进成孔时间曲线。

当钻进粉砂层进尺明显下降，在软粘土钻进最快0．2m ／min左右，在细粉砂层钻进都是O．015m／min左右，两者进尺速度相差很大。

钻头直径的大小将直接影响孔径的大小，在施工过程中要经常复核钻头直径，如发现其磨损超过10mm就要及时调换钻头。

3.3.2成桩质量控制
1. 为确保成桩质量，要严格检查验收进场原材料的质保书(水泥出厂合格证、化验报告、砂石化验报告)，如发现实样与质保书不符，应立即取样进行复查，对不合格的材料(如水泥、砂、石、水质)，严禁用于混凝土灌注桩。

2.钻孔灌注水下混凝土的施工主要是采用导管灌注，混凝土的离析现象还会存在，但良好的配合比可减少离析程度，因此，现场的配合比要随水泥品种、砂、石料规格及含水率的变化进行调整，为使每根桩的配合比都能正确无误，在混凝土搅拌前都要复核配合比并校验计量的准确性，严格计量和测试管理，并及时填入原始记录和制作试件。

3.为防止发生断桩、夹泥、堵管等现象，在混凝土灌注时应加强对混凝土搅拌时间和混凝土坍落度的控制。

因为混凝土搅拌时间不足会直接影响混凝土的强度，混凝土坍落采用18cm—20cm，并随时了解混凝土面的标高和导管的埋人深度。

导管在混凝土面的埋置深度一般宜保持在2m—4m，不宜大于5m和小于1m，严禁把导管底端提出混凝土面。

当灌注至距桩顶标高8m—10m时，应及时将坍落度调小至12cm—16cm，以提高桩身上部混凝土的抗压强度。

在施工过程中，要控制好灌注工艺和操作，抽动导管使混凝土面上升的力度要适中，保证有程序的拔管和连续灌注，升降的幅度不能过大，如大幅度抽拔导管则容易造成混凝土体冲刷孔壁，导致孔壁下坠或坍落，桩身夹泥，这种现象尤其在砂层厚的地方比较容易发生。

在灌注过程中必须每灌注2m3左右测一次混凝土面上升的高度，确定每段桩体的充盈系数，《建筑施工操作规程》规定桩身混凝土的充盈系数必须大
于l。

同时要认真进行记录，这对日后发现有问题的桩或评价桩的质量有很大作用。

结论
经过四年专业知识的学习，我具备了独立进行结构设计的基本能力。

在朱老师的指导和同学的帮助下，我成功地完成了这次的毕业设计——某铁路桥下部结构设计。

此设计历时三个多月，在这三个多月中，我能根据设计进度的安排，紧密地和本组同学合作，按时按量地完成自己的设计任务。

在毕业设计前期，我温习了《结构力学》、《桥梁工程》、《基础工程》、《铁道工程》等已学过的课本，并借阅了各种结构设计规范。

在毕业设计中期，我通过所学的基本理论、专业知识和基本技能进行结构设计。

在毕业设计后期，主要把计算书输入Word和施工图的绘制，并得到朱晶老师的审批和指正。

毕业设计是对四年专业知识的一次综合应用、扩充和深化，也是对我们理论运用于实际设计的一次锻炼。

通过毕业设计，我不仅温习了以前在课堂上学习的专业知识，同时我也学习和体会到了结构设计的基本技能和思想。

特别值得一提的是，我深深的认识到作为一名土木工程专业的学生，应该具备一种严谨的设计态度，在设计一座桥的下部结构的过程中，应该严格按照结构规范的要求，同时也要考虑各个工种的协调和合作，特别是结构和建筑的交流，结构设计和施工的协调。