桥梁基础类型与构造，浅置基础和深水基础详解

桥梁基础根据埋置深度分为浅置基础和深置基础两类，它们的施工方法不同，设计计算原理不同。浅置基础是在墩台处直接修建的埋深较浅的基础（一般小于5m）。由于浅层土质不良，有时需把基础埋置于较深的良好地层上，这样的基础称为深置基础（一般埋深大于5m）。基础埋置在土层内深度虽较浅，但在水下部分较深，如深水中的桥墩基础，称为深水基础。浅置基础最为简单，也最常用；当需要设置深基础时，则常采用桩基础或沉井基础，特殊桥位也可能采用其他大型或组合形式的基础。桥梁基础的分类见表7.1。

表7.1　桥梁基础的类型

1.浅置基础

浅置基础也称明挖扩大基础（spread foundation），其构造参见图7.43。浅置基础是直接在墩台处开挖基坑修建而成的实体基础，适合于在岸上或水流冲刷影响不大的浅水处，且浅表地基承载力合适的地层。它构造简单，施工方便，最为常见。

明挖扩大基础的平面形状常为矩形，也有其他形式（视墩台身底面的形状而定）；立面形状可为单层或多层台阶扩大形式，其与地基承载力及上部荷载大小等有关。如图7.43所示，自墩台身底边缘至基顶边缘的距离 c1以及台阶宽度 c2、c3称为襟边，其作用一方面是扩大基底面积以增加基础承载力，另一方面便于对基础施工时在平面尺寸上可能发生的误差进行调整，同时也为了支立墩台身模板的需要。襟边的最小值为20～50cm。基础每层台阶的高度通常为50～100cm，且一般情况下各层台阶宜采取相同厚度。基础的各级台阶的坡线与竖直线所成夹角α称为刚性角，其值不应超过某一限值αmax，以防基础开裂破坏。αmax与基础材料有关，混凝土基础为40°～45°，石砌基础为30°～35°。

图7.43　明挖扩大基础平面、立面图

根据《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61—2005）规定，明挖扩大基础的常用材料有混凝土、片石混凝土、浆砌片石等。混凝土强度等级一般采用 C20～C25，浆砌片石一般用M5以上水泥砂浆，MU30以上石料。

明挖扩大基础的特点是稳定性好、施工简便、取材容易、能承受较大的荷载，所以只要地基承载力能满足要求，它是桥梁的首选基础形式。但其缺点是自重大，并且在持力层为软弱土时，由于基础面积不能无限制扩大，需要对地基进行处理或加固后才能采用。所以对于荷载较大，上部结构对沉降变形较为敏感，持力层的土质较差且较厚的情况，不宜采用明挖扩大基础。

2.桩（及大型管柱）基础

当墩台所处位置的覆盖层很厚，适于承载的地基很深，或同时河水也较深时，往往需要采用深基础，桩基础就是一种常用的深基础。

桩基础由若干根桩（pile）和承台（pile cap）两部分组成，桩在平面上可排列为一排或几排，所有桩的顶部由承台连成一个整体。在承台上再修筑桥墩或桥台及上部结构，如图7.44。桩身可全部或部分埋入地基土中，当桩身外露在地面上较高时，在桩间应加横系梁以加强各桩的横向联系。

图7.44　桩基础一般构造

1—承台；2—基础；3—松软土层；4—持力层；5—墩身。

桥梁桩基础大多采用钢筋混凝土桩、预应力混凝土桩和钢桩，混凝土强度等级一般为 C25～C40，当采用强度标准值400MPa及以上钢筋时不应低于 C30。混凝土桩的截面形式有圆形、环形、矩形、六角形等，钢桩的截面形式有圆形、H形等。在桩轴方向，分竖直桩和斜桩，后者通常用于拱桥墩台基础。

随着桥梁建设的发展和工程技术的进步，在桥梁工程实践中已形成了各种形式的桩基础，它们在自身构造和桩土相互作用性能上都具有各自的特点，分别简述如下。

（1）按承台位置分类

按承台位置的不同，桩基础可分为高桩承台基础和低桩承台基础（图7.45）。高桩承台的承台底面位于地面（或冲刷线）以上，低桩承台的承台底面则位于地面（或冲刷线）以下。高桩承台的桩身外露部分称为桩的自由长度，而低桩承台桩的自由长度为零。高桩承台由于承台位置较高或设在施工水位以上，可减少墩台的材料用量，避免或减少水下作业，施工较为方便。然而由于承台和基桩外露部分无侧边土层来共同承受水平外力，对基桩受力较为不利，桩身内力和位移都将大于在同样水平力作用下的低桩承台，稳定性亦较低桩承台差。近年来由于大直径钻孔灌筑桩的采用，桩的刚度、强度都较大，因而高桩承台也多有采用。

图7.45　高桩和低桩承台

（2）按施工方法分类

按施工方法的不同，桩基础可分为钻（挖）孔灌筑桩和沉（打）入桩。

灌筑桩是采用就地成孔的方法来完成的一种深基础。其施工方法是：先用机械或人工在土中做成桩孔，然后在孔内放入钢筋笼架，再灌筑桩身混凝土而形成桩身，最后在桩顶浇筑承台（或系梁）。其中，若用钻（冲）孔机成孔，称为钻孔桩（drilled shaft）；若用人工开挖桩孔，则称为挖孔桩。灌筑桩的特点是施工设备简单，操作方便，适用于各种砂性土、黏性土，也适用于碎卵石类土层和风化岩层。钻孔桩的直径一般为0.8～3.0m，最大者超过5m，其长度可由几米至百米。挖孔桩的直径不宜小于1.2m，长度不宜大于20m，以便于人工挖土。

钻孔灌筑桩常用设备为冲击型钻机或旋转式钻机。前者采用卷扬机带动重力式冲击钻头，往复吊起和落下，冲击成孔；后者由钻机机身、钻杆和钻头（配备不同形式，以对付不同土层）组成，其钻孔速度比冲击型钻机要快得多。在成孔过程中，需要向孔内灌入一种特制的泥浆（由一种特殊的膨胀土加化学制剂用水调制而成），其能起到保护钻好的孔壁不致坍塌的作用。为排除坍孔的危险，还可采用套管法施工桩基础。该方法适于施工深度不大于40m的情况。其特点是：采用一套常备式钢套管，用重锤式抓斗在套管内抓土，同时在地面上用一套特殊设备不断晃动套管，使其随之下沉。在套管达到设计高程后，即可清基并进行后续工序。在灌筑混凝土的过程中，仍需不断地向上晃动套管，并逐节拔除。

沉入桩（driven pile）是通过汽锤（或柴油锤）或振动打桩机等方法将各种预先制好的桩（主要是钢筋混凝土实心桩或管桩，也有钢桩或木桩）沉入或打入地基中所需深度。这种施工方法适用于桩径较小（一般直径在0.6～1.5m），地基土质为砂性土、塑性土、粉土、细砂以及松散的不含大卵石或漂石的碎卵石类土的情况。

（3）按基础传力方式分类

按基础的传力方式，桩基础可分为柱桩与摩擦桩。柱桩是将桩尖通过软弱的覆盖层以后再嵌入坚硬的岩面，荷载由桩尖直接传到基岩中，桩像柱子一样受力（图7.46（a））。摩擦桩是当基岩埋藏很深，桩尖不可能达到时，荷载通过位于覆盖层中的桩壁与土壤间的摩阻力和桩底端部的支承力共同承受的桩基础，见图7.46（b）。柱桩承载力较大，较安全可靠，基础沉降也小，但若持力岩层埋置很深，就需要采用摩擦桩。由于柱桩和摩擦桩在土中的工作条件不同，它们与土共同作用的特点也就不一样，因此在设计计算时所采用的方法和有关参数也不一样。

图7.46　柱桩和摩擦桩

桩基础内基桩的布置应根据荷载大小、地基土质、基桩承载力等决定。采用大直径钻孔灌筑桩的公路中小跨度的桥梁常用单排式（横向），在大型桥梁基础中，或桩承受的水平力较大时，则采用多排式。如图7.47所示，（a）为行列式，（b）为梅花式。考虑桩与桩侧土的共同工作条件和施工条件的需要，桩与桩间的中心距不得小于桩径的某一倍数，一般为2.0～2.5倍桩径，参见桥规的规定。此外，为避免承台边缘距桩身过近而发生破裂，边桩外侧到承台边缘的距离，亦不能太小，一般要求不小于0.3～0.5倍桩径。

桩基础承台的平面尺寸和形状，应根据其上墩台身底面尺寸和形状以及桩的平面布置而定，一般采用矩形和圆端形。承台厚度应保证承台有足够的强度和刚度。一般采用钢筋混凝土刚性承台，承台厚度一般不宜小于1.5m，混凝土强度等级不宜低于 C25，当采用强度标准值400MPa 及以上钢筋时不应低于C30。承台底部需布置一层钢筋网，确保承台受力均匀，避免在桩顶荷载作用下开裂或破碎。承台与桩之间的连接，桩顶埋入承台内10cm，桩身主筋伸入承台并做成喇叭形（相对竖直线倾斜约15°），伸入承台内的主筋长度，HPB300钢筋不应小于40倍钢筋直径（设弯钩），带肋钢筋不应小于35倍钢筋直径（不设弯钩），如图7.48所示。

总之，桩基础是深基础方案的首选形式，它耗用材料少，施工简便，适应性强。但当上层软弱土层很厚，桩底不能达到坚实土层时，就需使用较多、较长的桩来传递荷载，这时桩基础的稳定性稍差，沉降量也较大；当覆盖层很薄时，桩的稳定性也可能会存在问题。

图7.47　桩的平面布置

图7.48　承台底面钢筋网及桩与承台的连接

管柱基础（tubular column foundation）是一种大直径桩基础，适用于深水、有潮汐影响以及岩面起伏不平的河床。它是将预制的大直径（直径1.5～5.8m，壁厚10～14cm）钢筋混凝土或预应力混凝土管柱，用大型的振动沉桩锤沿导向结构将桩竖向振动下沉到基岩，然后以管壁作护筒，用冲击式钻机进行凿岩钻孔，再吊入钢筋笼架并灌筑混凝土，将管柱与基岩牢固连接。管柱施工需要有振动沉桩锤、凿岩机、起重设备等大型机具，动力要求也高，一般用于大型桥梁基础（见图7.49）。

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图7.49　管柱基础（武汉长江大桥）

3.沉井基础

沉井（open caisson）基础是一种历史悠久的施工方法，适用于地基表层较差而深部较好的地层，既可以用在陆地上，也可以用在较深的水中。所谓沉井基础，就是用一个事先筑好的充当基础的混凝土井筒，一边在井筒内挖土，一边靠其自身重力不断下沉至设计高程的方法来完成的。基本施工工序是：首先在地面（若在浅水中则先人工筑岛）上做成钢筋混凝土沉井底节，底节足部的内侧井壁做成由内向外斜的“刃脚”；然后用机械或人工方法挖掘与清除井底土壤，使之不断下沉，沉井底节以上随之逐节接高；沉井下沉到设计高程后，再以混凝土封底，并浇筑沉井顶盖，沉井基础便告完成。最后再在沉井顶盖上修建墩身。沉井基础的施工步骤如图7.50所示。下沉时，为了减少沉井侧壁和土壤之间的摩阻力，可以采用泥浆护套、空气幕或塑料布膜衬壁等方法。

图7.50　沉井基础施工步骤图

（1）沉井底节在人工筑岛上浇筑；（2）沉井开始下沉及接高；（3）沉井已下沉至设计位置；（4）进行封底及墩身工作。

沉井基础是桥梁工程中一种较常见的基础形式。我国南京长江大桥1号墩就是采用的钢筋混凝土沉井基础。江阴长江大桥北锚碇的沉井基础的平面尺寸达69m×51m。沉井的优点是埋置深度可以很大，整体性强，稳定性好，能承受较大的垂直荷载和水平荷载；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水围堰（cofferdam）结构物，施工工艺也不复杂。其不足是工期较长；对细砂及粉砂类土在井内抽水易发生流砂现象，造成沉井倾斜；沉井下沉过程中遇到大孤石、树干或井底岩层表面倾斜过大，均会给施工带来一定困难。

按下沉方式，沉井基础可分为就地建造下沉的沉井和浮运就位下沉的沉井。按建筑材料，沉井基础可分为混凝土沉井，钢筋混凝土沉井等。桥梁上常用的是钢筋混凝土沉井，它的抗拉及抗压能力较好，下沉深度可达几十米。当下沉深度不大时，沉井壁大部分用混凝土，下部（刃脚）用钢筋混凝土。

沉井依外观形状的分类，在平面上可分为圆形、矩形及圆端沉井（图7.51）等。圆形沉井（图7.51（c）、（d））受力好，适用于河水主流方向易变的河流；矩形沉井制作方便，但四角处的土不易挖除；圆端形沉井（图7.51（a））兼有前两类的特点。沉井基础的平面形状常取决于墩（台）底部的形状。对矩形墩或圆端形墩，可采用相应形状的矩形和圆端形沉井。采用矩形沉井（图7.51（b））时为了保证下沉的稳定性，沉井的长边和短边之比不宜大于3。当墩的长度和宽度较为接近时，可采用圆形沉井或方沉井。

沉井竖直剖面外形主要有竖直式、倾斜式及阶梯式（图7.52）等。采用形式主要视沉井需要通过的土层性质和下沉深度而定。外壁竖直形式的沉井，在下沉过程中不易倾斜，井壁接长较简单，模板可重复使用，故当土质较松软、沉井下沉深度不大时，可以采用这种形式。倾斜式及阶梯式井壁可以减少土与井壁的摩阻力，其缺点是施工较复杂，消耗模板多，同时沉井下沉过程中容易发生倾斜，故在土质较密实、沉井下沉深度大、要求在不太增加沉井本身重量的情况下，可采用这类沉井。倾斜式的沉井井壁坡度一般为1/40～1/20，阶梯形井壁的台阶宽度约为100～200mm。

图7.51　沉井平面形式

图7.52　沉井竖剖面形式

沉井基础虽有多种形式，但构造基本相同。它由刃脚、井壁、隔墙、井孔、凹槽、射水管或探测管、封底、顶盖（或承台）等组成，如图7.53所示。刃脚位于井壁的下端，其作用是切割土层。井壁是沉井的外壳，在下沉过程中起防水挡土作用；当沉至设计位置后，井壁则成为基础的组成部分。设置凹槽是为了满足传递封底混凝土底的基底反力至井壁，并增强封底混凝土和井壁的连接。顶盖用于承托其上的墩台身，一般为钢筋混凝土。

图7.53　沉井构造

历史上，气压沉箱（caisson）是最早采用的大型深水基础。它类似于沉井，其不同之处是在沉井刃脚以上适当高度处设置一层密封的顶盖板。顶盖板以下为工作室，以上构造与沉井类似。顶盖板中开有空洞，安置升降井筒伸出水面，井筒上端为气闸。将压缩空气经气闸和井筒输入工作室，当空气的压力相当于刃脚处水头时，工作室内积水被排出，施工人员就可以进入工作室，在高气压（2～3个大气压，视沉箱下沉深度而定）下进行挖土。挖出的土通过井筒提升，经气闸运出。这样，沉箱就可以利用其自重下沉到设计标高。沉箱的主要缺点是对施工人员的身体有害（易得减压症，俗称沉箱病），工效很低。

4.复合基础

复合基础（complex foundation）指由一些常见基础通过组合而形成的深水基础结构。例如沉井加管柱基础（可用于水下软弱覆盖层很厚的情况）、沉井加钻挖桩基础（当土层中含有大颗粒的卵石，沉井不易穿透时，可先将沉井下沉到最大可能深度，然后在井壁的预留孔内，钻挖成桩，直至持力深层）、双壁钢围堰加钻孔灌筑桩基础（钢围堰逐段接高下沉，在水中形成无水的工作空间，然后钻孔）等。图7.54所示为我国九江大桥正桥基础中采用的双壁钢围堰加钻孔灌筑桩基础形式。

图7.54　双壁钢围堰加钻孔灌筑桩基础施工步骤（九江长江大桥）

（1）围堰浮运就位；（2）封底钻孔；（3）抽水后灌筑承台和墩身；（4）水下切除部分围堰。

5.锁口钢管（板）桩基础

锁口钢管（板）桩是指由焊接钢管（板）相互扣接形成的桩壁，其可用于港口内壁或防波堤，也用于建筑基础工程或桥梁基础。见图7.55，钢管（板）之间的扣接方式多样，可在水中形成环形或矩形空间，抽干该空间内的水，就可着手基础施工。施工完成后，还可通过水下切割，回收一部分桩壁材料。这种辅助基础施工的主要特点有：设计经济合理，对水平和垂直荷载的支撑强度高，适用大部分地基情况，容易调整桩壁高度，易于施工和缩短工期，阻水效果好等。

图7.55　锁口钢管（板）桩基础示意

6.地下连续墙基础

地下连续墙（concrete diaphragm wall）就是在地下挖一段狭长的深槽，并采用泥浆护壁，在槽内浇筑钢筋混凝土墙段，最后把这些墙段逐一连接起来形成的一道地下连续墙壁，作为截水、防渗、承重或挡水的结构。地下连续墙基础结构刚度大，整体性、防渗性和耐久性好，建造深度大，能适应较复杂的施工环境和水文地质条件，可紧靠已有建筑物施工，对邻近建造物和地下管线影响较小，在城市地铁、桥梁等深基础工程施工中得到广泛应用。20世纪70年代中期，日本将地下连续墙应用于大跨径桥梁深基础的施工。2000年后，我国在润扬大桥北锚碇、南京四桥南锚碇、武汉阳逻桥南锚碇（图7.56）等基础工程中均采用了地下连续墙基础。

图7.56　武汉阳逻桥南锚碇基础示意图

地下连续墙基础可以按不同的方式进行分类：按成墙方式可分为桩排式、槽板式和组合式；按墙的用途可分为防渗墙、临时挡土墙、永久挡土墙（承重）和作为基础；按墙体材料可分为钢筋混凝土墙、塑性混凝土墙、固化灰浆墙、自硬泥浆墙和预制墙等。

地下连续墙基础的结构形式主要有以下3种：① 条壁式连续墙基础，由一个或多外墙段组成的分离或连接组合但不封闭；② 井筒（或格栅）式地下连续墙基础，可分为单室和多室（图7.57）；③ 部分地下连续墙基础，包括矩形、圆形和复合异形等（图7.58）。桥梁工程一般采用封闭式的地下连续墙基础。

图7.57　井筒式地下连续墙基础类型

地下连续墙基础墙端应进入良好的持力层。竖向承载力主要由墙体侧壁摩擦力和墙端支承力组成。当持力层为非岩石地基时，加深墙体能较快地增加侧壁摩擦力和墙端支承力，比增大平面规模更具经济性。

条壁式地下连续墙基础的竖向地基承载力可参照桩基础进行计算。井筒式地下连续墙基础的竖向承载力应考虑基底地基的竖向地基反力、基础外周面的竖向侧壁摩擦力及内部土的四周面摩擦力；水平承载力应包括基础正面地基水平承载力、基础侧面地基水平剪切承载力、基底地基剪切承载力等。具体计算方法可参照《公路桥涵地基础与基础设计规范》。

图7.58　部分地下连续墙基础类型