学习情景三 桥梁基础设计

学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计工作任务一工作任务一 桥涵设计流量推算及河道冲刷深度计算桥涵设计流量推算及河道冲刷深度计算学习目标：学习目标：1.了解设计流量的含义；2.熟悉推求设计流量的基本原理及计算方法；3.理解冲刷计算的目的及冲刷过程；4.熟悉河道冲刷深度的计算方法。任务描述：任务描述：根据所学知识及公路桥涵有关设计标准及规范的相关内容，完成桥位的设计洪水流量 及设计洪水位、河道冲刷深度计算，并上交桥梁设计洪水流量及设计洪水位、河道冲刷深度计算说明书。学习引导：学习引导：本工作任务沿着以下脉络进行学习:学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 一、桥涵设计流量推算 设计洪水流量：对应于某一设计洪水频率的洪峰流量，简称设计流量。设计洪水位：桥位设计计算断面上通过设计流量相应的水位，简称设计水位。设计流速：设计流量通过时桥位断面的河槽平均流速。因此，应根据工程实际情况，按国家颁发的有关规范选定合适的设计标准，依此推算设计洪水。公路工程技术标准（JTG B01）学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 桥涵所在地区、河流等情况不同，推求设计流量的方法也不同，尽量搜集多的桥位水文资料，采用不同方法推算设计洪水流量。一般来说，中等以上河流上的桥梁可搜集到桥梁附近水文站历年来的年最大洪水流量观测资料，甚至能调查到观测资料以前发生的特大洪水资料，可应用水文统计的分析方法推算设计流量。较小流域的中小河流难以搜集到水文站实测洪水资料，但可以搜集到降雨资料或地区性水文资料，则可应用地区性公式、暴雨径流的推理公式等方法推算设计流量。桥位附近资料较少，但相邻地区或河段有较多资料，可应用相关分析插补、延长水文资料系列。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 水文统计法水文统计法经验公式或推理公式经验公式或推理公式相关分析相关分析资料多，中等以上流域资料多，中等以上流域小流域小流域资料较少资料较少地区经验公式地区经验公式无水文站观测资料无水文站观测资料学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）利用实测流量资料推算设计流量1.资料的审查 资料的一致性 资料的代表性 资料的独立性 资料的可靠性学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）利用实测流量资料推算设计流量2.资料的插补和延长 流域面积比拟法 相关分析法 过程线叠加法 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）利用实测流量资料推算设计流量3.资料中的特大值 1）流域面积比拟法 2）相关分析法 3）过程线叠加法学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 实测资料累计频率统计参数经验频率曲线理论频率曲线 但是但是，由于洪水观测年限与总体相比差之甚远，经验频率点群分布并不是一条光滑的连续曲线；而由三个参数确定的皮尔逊型理论频率曲线，抽样误差也比较大，从而使由计算参数得到的皮尔逊皮尔逊理论频率曲线理论频率曲线，与经验频率点群偏离较大与经验频率点群偏离较大，即两者配合不是很好，因此必须采用某种方法来确定合适的统计参数，使两者拟合最好。通过调整统计参数CS、CV，选择一条与经验频率曲线点群拟合最好的理论频率曲线，这种方法叫适线法。（一）利用实测流量资料推算设计流量4.设计流量的推算方法学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）利用实测流量资料推算设计流量（一）利用实测流量资料推算设计流量4.设计流量的推算方法 选取样本 绘制经验频率曲线 计算水文统计的三个参数Q、Cv和Cs的初始值 绘制理论频率曲线，用适线法选定Q、Cv和Cs值 计算设计流量 审查计算结果 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量（二）利用洪水调查资料推算设计流量1.实测洪水流量实测洪水流量1）水文断面的选择）水文断面的选择计算流量所依据的河流横断面称为水文断面，应选在近似于均匀流的河段上。水文断面必须垂直于洪水流向。水文断面应尽量靠近调查的历史洪水位，但距桥位也不宜过远。水文断面与桥位断面之间，应无支流汇入，无分流或壅水现象。水文断面的数量应结合实际需要而定，一般可在桥位上下游各选一个，符合条件的桥位断面，也可以作为水文断面使用。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2）水文断面的流速和流量计算）水文断面的流速和流量计算 式中：V断面平均流速，m/s，对于复式断面，河槽与河 滩的断面平 均流速应分别计算；n粗糙系数（糙率）；R 水力半径，m；i 洪水比降，以小数计。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 1.实测洪水流量 2）水文断面的流速和流量计算 对于宽浅河段，当水面宽度大于断面平均水深的10倍以上时，湿周可近似地用水面宽度代替，即水力半径R近似等于断面平均水深。水文断面的流量则为：单式断面时 复式断面时 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 1.实测洪水流量 3）洪水比降的确定 河流中出现洪峰时的水面比降，称为洪水比降。由于天然河流中水流并不完全符合均匀流的条件，其水面比降随水位而变化，应尽量采用与历史洪水位相对应的洪水比降。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 1.实测洪水流量 4）河床粗糙系数的选择 河床的粗糙系数反映水流所受河床阻力的大小，直接影响流速和流量，应根据河流类型及河床特征综合考虑选定。河床的粗糙系数最好采用水文断面所在河段的实测值，或根据水文站的观测资料确定。如无实测资料，则可参照有关规范中的粗糙系数表（糙率表）或手册中推荐的粗糙系数表（糙率表），结合实际情况选定。河槽与河滩的粗糙系数应分别确定。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 2.根据洪水流量的混合资料推算设计流量 不连续系列（有特大值）的经验频率计算 不连续系列的统计参数 Q、Cv和Cs的确定 设计频率的推算学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 2.根据洪水流量的混合资料推算设计流量 不连续系列（有特大值）的经验频率计算 混合资料构成一个不连续系列（总体），其中实测资料为样本。通常经验频率计算有以下两种方法。第一种方法。从数理统计中总体和样本的关系可知，可以把一个不连续系列划分为几个连续系列，作为从总体年抽取的几个独立样本，随机变量（年最大流量等）在每个相应的独立样本中分别排位，每一个独立样本都可以按连续系列来处理，分别计算经验频率。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 2.根据洪水流量的混合资料推算设计流量 不连续系列（有特大值）的经验频率计算 无论是水文站的实测流量资料，还是洪水调查和文献考证的流量资料，往往都会存在一些比一般年洪峰流量大得多的特大洪峰流量。在水文计算中不能把这些特大值与其他值等同对待，而需要进行适当地调整和处理，这就称为特大洪水处理。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 2.根据洪水流量的混合资料推算设计流量 不连续系列（有特大值）的经验频率计算 具有特大洪水的混合资料，确定其主要三参数的思路是在同一公式中分两类计算：a个特大洪峰流量考虑其特殊性，单独作一类处理计算；剩下的（N a）个一般洪峰流量其分布规律，认为以剩下的实测和调查（nl）个资料的分布规律为代表，作另一类处理计算。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 2.根据洪水流量的混合资料推算设计流量 不连续系列的统计参数 Q、Cv和Cs的确定 Cs采用适线法或参考地区经验选定Cs/Cv值后求得。nliiajjQlnanQNQ111ajnlijjvQQlNaNQQNC11221111学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）利用洪水调查资料推算设计流量 2.根据洪水流量的混合资料推算设计流量、设计频率的推算 当确定了3个主要参数Q、Cv和Cs的初选值后，混合资料不连续系列的设计流量推算方法，与连续观测资料的推算方法相同。及最终的Q、Cv和Cs仍采用适线法确定。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （三）根据暴雨资料推算设计流量 1.推理公式 公式形式 推理公式中两个参数的计算学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （三）根据暴雨资料推算设计流量 1.推理公式 推理公式中两个参数的计算 损失参数的计算 北方多采用 南方多采用 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （三）根据暴雨资料推算设计流量 1.推理公式 推理公式中两个参数的计算 汇流时间的计算 北方多采用 南方多采用 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （三）根据暴雨资料推算设计流量 2.经验公式 经验公式 经验公式学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 二、河道冲刷深度计算 河床自然演变冲刷的四种类型河流发育成长过程中河床纵断面的变形河槽横向移动所引起的变形河段深泓线摆动引起的冲刷变形河槽周期性变形学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 一般冲刷的基本概念 建桥后，由于桥孔压缩河床，桥下过水面积减小，从而引起桥下流速的增大，水流挟沙能力也随之增大，造成整个断面的河床冲刷。这一冲刷过程，称为桥下断面的一般冲刷。随着一般冲刷的发展，桥下过水断面逐渐增大，流速逐渐降低，冲刷速率逐渐减小。当桥下河槽各点泥沙的冲刷及淤积达到平衡时，一般冲刷趋于停止，一般冲刷的深度达到最大。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）桥下一般冲刷计算 1非粘性土河床的一般冲刷 1）河槽部分 64-2简化式 64-2简化式是根据我国实测观测资料，依据桥下河槽输沙平衡原理建立的，比较符合我国河流桥下一般冲刷的实际情况，仅适用于有推移质运动的非粘性土河床。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）桥下一般冲刷计算 1非粘性土河床的一般冲刷 1）河槽部分 64-1修正式 64-1修正式是根据我国各类河段实测洪水冲刷资料，参照国内外同类公式，根据水力学的连续性原理建立的。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）桥下一般冲刷计算 1非粘性土河床的一般冲刷 2）河滩部分学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）桥下一般冲刷计算 2.粘性土河床的一般冲刷 粘土粘结力越大，抗冲刷能力越强，冲止速度越大。1）河槽部分学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）桥下一般冲刷计算 2.粘性土河床的一般冲刷 2）河滩部分学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （一）桥下一般冲刷计算 3.桥台偏斜冲刷 当桥前无导流堤，而河滩引道路堤阻挡流量较大时，河滩水流在桥台附近集中，形成偏斜冲刷。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）桥墩局部冲刷计算 水流流向桥墩时，受桥墩阻挡水流结构发生急剧变化，围着桥墩发生绕流，在桥墩附近床面形成螺旋形漩涡体系，桥墩周围发生剧烈冲刷，形成桥墩周围局部冲刷坑的现象，称为局部冲刷，引起局部冲刷的水流结构如图3-1-7所示。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）桥墩局部冲刷计算 局部冲刷时，冲刷坑内会发生土壤粗化现象，留下粗粒泥沙，覆盖在冲刷坑表面上，增大了抗冲能力和粗糙度，一直到水流对河床泥沙的冲刷作用与河床泥沙抗冲作用达到平衡时，冲刷就停止。这时冲刷坑外缘与坑底的最大高差，就是该次水流最大局部冲刷深度。影响局部冲刷的主要因素有流速、墩形、墩宽、水深和床沙粒径等。局部冲刷深度hb通常是以一般冲刷hp完成后的标高起算，所表示的是桥墩垂线上的冲刷坑深度。现规范对桥墩局部冲刷计算有两类计算公式：一类是用于非粘土河床的65-2修正式和65-1修正式；另一类是粘性土河床的桥墩局部冲刷公式。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）桥墩局部冲刷计算 1.非粘性土河床的桥墩局部冲刷（1）65-2式当v v 0时：当v v 0时：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）桥墩局部冲刷计算 1.非粘性土河床的桥墩局部冲刷（1）65-1修正式当v v 0时：当v v 0时：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）桥墩局部冲刷计算 2.粘性土河床的桥墩局部冲刷学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）桥墩局部冲刷计算 3.一般冲刷后墩前行近流速的计算 1）当采用式（3-1-11a）（64-2简化式）计算一般冲刷深度时：2）当采用式（3-1-12）（64-1修正式）计算一般冲刷深度时：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （二）桥墩局部冲刷计算 3.一般冲刷后墩前行近流速的计算 3）当采用式（3-1-13a）式计算一般冲刷深度时：4）当采用式（3-1-14）式计算一般冲刷深度时：5）当采用式（3-1-15）式计算一般冲刷深度时：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （三）桥梁墩台基础最小埋置深度 桥梁墩台处桥下河床自然演变等因素冲刷深度h、一般冲刷深度hp及局部冲刷深度hb三部分冲刷全部完成后的最大水深线，称为桥下河槽最低冲刷线。全部冲刷完成后的做大水深，称为总冲刷深度hs。确定桥梁墩台基础埋置深度时，应根据桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷深度的不利组合，作为确定桥梁墩台基础埋深的依据。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （三）桥梁墩台基础最小埋置深度 计算公式学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 三、案例 南方地区某桥位地处开阔河段，河道基本顺直，上游有河湾，河床平坦，两岸较为整齐，无坍塌现象。实测桥位河流横断面如图所示，可作为水文断面进行流量计算。据形态调查得：河滩部分表土为粗砂，nt=0.025，河槽部分表土为砾石，nc=0.032。调查的历史洪水位为135.00m，洪水比降为0.5，沿桥轴向断面资料如表。试求其相应的历史洪水流量。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 解：（1）列表计算水力三要素 过水面积A和水面宽度，可根据图3-1-8所示河流横断面列表计算，如表3-1-16所示。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 （2）计算流速和流量 河槽部分：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 河滩部分：左滩 右滩 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 全断面总流量：全断面平均流速：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计工作任务二工作任务二 刚性扩大基础设计刚性扩大基础设计学习目标：学习目标：1.了解桥梁基础埋置深度的确定要求；2.理解刚性扩大基础的作用效应计算；3.掌握刚性扩大基础的设计验算内容和方法。任务描述：任务描述：根据所学知识及公路桥涵有关设计标准及规范的相关内容，完成桥梁基础的施工图设计，并上交 桥梁基础设计说明书和基础施工图。学习引导：学习引导：本工作任务沿着以下脉络进行学习:学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 刚性扩大基础设计计算的一般步骤和内容为：(1)确定结构物主要方案，包括基础类型与材料等；(2)初步选定基础的埋置深度；(3)初步拟定基础的形状和尺寸；(4)验算地基强度（持力层和软弱下卧层）；(5)验算基底的合力偏心距；(6)验算基础抗滑动和抗倾覆稳定性；(7)必要时验算基础的沉降。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 一、基础的作用及作用效应组合1.基础的作用 基础底面位于透水性地基上的桥梁墩台，当验算稳定时，应考虑设计水位的浮力，当验算地基应力时可仅考虑低水位的浮力，或不考虑水的浮力。基础嵌入不透水性地基的桥梁墩台不考虑水的浮力。作用在桩基承台底面的浮力应考虑全部底面积。对嵌入不透水地基并灌注混凝土封闭者不应考虑桩的浮力，在计算承台底面浮力时应扣除桩的截面面积。当不能确定地基是否透水时应以透水或不透水两种情况与其他作用组合取其最不利者作用效应。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.作用效应组合 公路桥涵结构设计应按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行作用效应组合，取其最不利效应组合进行设计。桥梁基础的作用效应组合与墩台的作用效应组合基本相同。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 二、基础埋置深度的选择 基础的埋置深度是指从设计地面到基础底面的距离。选择基础的埋置深度是地基基础设计中的重要步骤，实质上就是选择合适的地基持力层。下卧层持力层（受力层）持力层（受力层）FG学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.地基的工程地质条件 地基的地质条件是确定基础埋置深度的重要因素之一。基础应尽量埋置在良好的持力层上。当上层土的承载力低，而下层土的承载力高时，应将基础埋置在下层较好的土层中。当地基受力范围内存在软弱下卧层时，软弱下卧层的承载力和地基变形也应满足要求。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.水文条件 地下水的情况与基础埋深也有密切关系。基础尽量做在地下水位以上，便于施工，如必须将基础埋在地下水位以下时，则应采取施工排水措施，保护地基不受扰动。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 3.上部结构的形式 上部结构的形式不同，对基础产生的位移要求也不同。对中小跨度的简支梁来说，这项因素对确定基础的埋置深度影响不大。对超静定结构，即基础发生较小的不均匀沉降也会使内力产生一定变化，这样上部结构的形式也会影响基础埋置深度的选择。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 4.作用在地基上的荷载大小和性质 作用在地基上的荷载大小和性质是一个涉及结构物安全、稳定的问题。跨度大的桥梁，传至基础的荷载就大，因此基础埋置就深。结构物荷载的性质对基础埋置深度的影响也很明显。如对于承受水平荷载的基础，必须有足够的埋置深度来获得土的侧向抗力，以保证基础的稳定性，减少结构物的整体倾斜，防止倾覆及滑移。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 5.当地的冻结深度 在寒冷地区，应该考虑由于季节性的冻结和融化对地基土引起的冻胀影响。为了保证结构物不受地基土季节性冻胀的影响，除持力层选择在非冻胀性土层外，基础底面应埋置在天然最大冻结线以下深度。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 6.最小埋置深度 规范规定：涵洞基础，在无冲刷处（岩石地基除外），应设在地面或河床以下埋置不小于1m处；若有冲刷，基底埋深应在局部冲刷线以下不小于1m；如河床上有铺砌层时，基础底面宜设置在铺砌层顶面以下不小于1m。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 三、基础尺寸的拟定 基础尺寸包括平面尺寸和立面尺寸两方面，拟定时一般要考虑上部结构的型式、荷载大小、基础埋置深度、地基允许承载力及墩台底面的形状和尺寸等因素。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.基础立面尺寸 考虑整个建筑物的美观，并保护基础不受外力破坏，基础一般要求不外露。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.基础立面尺寸 规范规定墩台基础顶面不宜高于最低水位或地面的标高。在基础埋置深度也即基础底面标高己选定的情况下，基础顶面标高己确定，基础总高度即为顶面和底面标高之差。基础较厚（超过1m）时，可将基础的剖面浇（砌）筑成台阶形，如图所示。混凝土基础每级台阶高度一般不小于 50cm，砌石基础每级台阶高度一般不小于 75cm。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.基础平面尺寸 基础平面尺寸主要是基础顶面和底面尺寸。基础顶面的形状应与墩台底部形状相适应，考虑到施工的方便性，桥墩底部形状以圆端形居多，但一般基础仍采用矩形。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.基础平面尺寸 基础顶面的尺寸应大于墩台底部的尺寸。基础顶面边缘到墩台底部边缘的距离，称为基础的襟边宽度，如图中的 c。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.基础平面尺寸 基础顶面的最小尺寸应为：式中：bmin 基础顶面的最小宽度或长度；b0 墩台底部的宽度或长度；c 襟边宽度，一般不小于 1530cm。cbb20min学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.基础平面尺寸 基础底面尺寸不得小于基础顶面的最小尺寸。从墩台底部外缘到基础底面外缘的连线与竖线的夹角，称为基础扩展角，如图3-2-2b)中的，为了保证刚性基础本身有足够的强度和刚度，通常限制扩展角不超过一定的极限值，该扩展角的极限值常称为基础的刚性角，用max 表示，它与基础所采用的材料有关。因此，必须使基础的扩展角max，这样基础底面的最大尺寸应为：max0maxtan2Hbb学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.基础平面尺寸 基础底面形状应与顶面相配合，其合理的尺寸，一般要通过试算最后确定。先应根据荷载大小和地基强度，参照上述最小襟边宽度和刚性角所要求的最小和最大尺寸，从中初选一个底 面尺寸，然后进行各项验算，根据验算结果，再作适当修改。如果采用最大尺寸还不能满足验算要求，那就应改用强度较大的均工材料或加大基础的埋置深度。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 四、地基承载力四、地基承载力 地基设计采用正常使用极限状态，所选定的地基承载力为地基承载力容许值。确定地基容许承载力，有以下几种途径：（1）借鉴邻近结构物的经验；（2）利用理论公式计算；（3）利用现场荷载试验成果或触探试验资料确定；（4）按设计规范确定。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）提供的经验公式和数据确定地基容许承载力的步骤。1）确定土的分类名称 2）确定土的状态 3）确定地基承载力基本容许值 4）确定修正后的地基承载力容许值 5）软土地基承载力容许值 6）地基承载力容许值的提高学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 五、地基与基础的验算 基础埋置深度和尺寸初步拟定后，是否符合各项设计要求，还必须通过具体验算加以确认。每一个验算项目均分纵向和横向验算两部分，不予叠加。地基承载力验算，主要是使基底应力和下卧各土层中的应力不超过地基土的容许承载力，以保证基础不因其地基的承载力不足而危及到桥跨结构的安全和使用，其验算包括基础底面下地基持力层承载力和受压层范围内软弱下卧层承载力验算。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.持力层承载力验算 持力层是直接与基底相接触的土层。持力层承载力验算的目的是保证基底压应力不超过地基的容许承载力，以保证持力层地基不发生破坏。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.持力层承载力验算 1）当基底只承受轴心荷载时：式中:p基底平均压应力，kPa；N 作用短期效应组合在基底产生的竖向力，kN；A 基础底面面积，m2；fa修正后的地基承载力容许值，kPa。afANp学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.持力层承载力验算 2）基底单向偏心受压 承受竖向力N和弯矩M共同作用时，当基底合力偏心距e0时，应符合下列条件:aRmaxfWMANp学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.持力层承载力验算 2）基底单向偏心受压 对设置在基岩上的墩台基础，当基底合力偏心距超出核心半径时，可仅按受压区计算基底最大压应力，不考虑基底承受拉力。基底为矩形截面的最大压应力按下式计算：aebNdaNp0max23232学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 1.持力层承载力验算 3）当基底双向偏心受压 承受竖向力N和绕x轴弯矩Mx与绕y轴弯矩My共同作用时，应符合下列条件:ayyxxmaxfWMWMANpR学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 2.软卧下卧层承载力验算 当受压层范围内地基为多层土组成，且持力层以下有软弱下卧层（容许承载力小于持力层容许承载力的土层）时，还应验算软弱下卧层的承载力。zhaRzfhPzhP)()(21学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 3.基底合力偏心距验算 墩台基础的设计计算，必须控制基底合力偏心距，其目的是尽可能使基底应力分布比较均匀，以避免基底两侧应力相差过大，使基础产生较大的不均匀沉降，墩台发生倾斜，影响正常使用。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 3.基底合力偏心距验算 基底以上外力作用点对基底重心轴的偏心距e0 按下式计算:基底承受单向或双向偏心受压的值可按下式计算：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 4.基础稳定性验算 基础稳定性验算包括基础的抗倾覆稳定性验算和基础抗滑动稳定性验算。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 4.基础稳定性验算 1）桥梁墩台基础的抗倾覆稳定，验算如图3-2-4所示，按下式计算：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 4.基础稳定性验算 2）桥涵墩台基础的抗滑稳定性系数Kc 按下式计算:学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 5.基础沉降验算 基础的沉降验算包括沉降量、相邻基础沉降差、基础由于不均匀沉降而发生的倾斜等。基础的沉降主要由竖向荷载作用下土层的压缩变形引起。在确定一般土质的地基容许承载力时，已考虑了这一变形的因素，所以修建在一般土质条件下的中、小型桥梁基础，只要满足地基强度要求，地基（基础）的沉降也就满足要求。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 六、案例 某水中基础，其底面为4.0m6.0m的矩形，埋置深度为3.5m，平均常水位到一般冲刷线的深度为2.5m。持力层为粘土，天然孔隙比e=0.7，液性指数IL=0.45，天然容重=19.0kN/m3。基底以上全为中密的粉砂，其饱和容重f=20.0kN/m3。当承受作用短期效应组合时，试求持力层的地基承载力容许值。学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 解：持力层属一般粘性土，按其值e、IL，查表3-2-7得fa=300kPa；查表3-2-9得宽、深度修正系数k1=0，k2=2.5，由于持力层粘土的IL=0.451处于流塑状态，取q1k=28kPa；粘土IL=0.3属于硬塑状态，取q2k=68kPa。桩端处粘土的承载力容许值fa按IL=0.3，e=0.75的粘土可查表得fa0=305kPa，k2=2.5。桩尖埋置深度应从一般冲刷线算起，桩尖埋深为21.5m。清底系数按一般要求取t/d=0.3，查表3-3-4得m0=0.7，假设l/d=420，值由桩底土不透水，查表3-3-3得=0.65，则：学习情境三学习情境三 桥梁基础设计桥梁基础设计“十二五十二五”职业教育国家规划教材职业教育国家规划教材 桥梁下部施工技术桥梁下部施工技术(第二版）第二版）ISBN 978-7-114-12206-4 单桩轴向承载力为：