表8-3 风压高度变化系数K2
离地面或常水位高度(m) K2 ≤20 30 40 50 60 70 80 90 100 1.00 1.13 1.22 1.30 1.37 1.42 1.47 1.52 1.56
表8-4 地形、地理条件系数 K3 地形、地理情况 一般平坦空旷地区 城市、林区盆地和有障碍物挡风时 山岭、峡谷、垭口、风口区、湖面和水库 特殊风口区 K3 1.O 0.85～O.90 1.15～1.30 按实际调查或观测资料计算
桥上有车时，风荷载强度采用0.8W，并不大于1 250 Pa；桥上无车时按W计算。作用在桥梁上的风力等于单位风压形乘以受风面积,横向风力的受风面积应按结构理论轮廓面积乘以系数计算，见表8-5。列车横向受风面积按3 m高的长方带计算，其作用点在轨顶以上2 m高度处。标准设计的风压强度，有车时W?800K1K2，并不大于1 250 Pa；无车时
W?1400K1K2。
表8-5 横向受风面积系数表
钢桁梁及钢塔架 钢拱两弦间的面积 桁拱下弦与系杆间的面积或上弦与桥面系间的面积 整片的桥跨结构 0.4 0.5 0.2 1.0
纵向风力与横向风力计算方法相同。对于列车、桥面系和各类上承梁，所受的纵向风力不予计算；对于下承桁梁和塔架，应按其所受横向风荷载强度的40％计算。
(三)流水压力
作用于桥墩上的流水压力可按下式计算： P?KA式中 P——流水压力(kN)；
A——桥墩阻水面积(m)，通常计算至一般冲刷线处；
2
??22gn (8-4)
?——水的重度，一般采用10 kN／m；
3
gn——标准自由落体加速度(m／s)；
2
?——计算时采用的流速(m/s)：检算稳定性时采用设计频率水位的流速,计算基底
应力或基底偏心时采用常水位的流速；
K——桥墩形状系数，见表8-6。
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流水压力的分布假定为倒三角形，其合力的作用点位于水位线以下1／3水深处。
表8-6 桥墩形状系数表K
截面形状 方形 长边平行于水流之矩形 圆形 尖端形 圆端形 K
1.47 1.33 0.73 0.67 0.60 (四)冰压力
流水压力、冰压力不同时计算，两者也不与制动力或牵引力同时计算。位于有冰的河流或水库中的桥墩台，应根据当地冰的具体条件及墩台的结构形式，考虑河流流冰产生的动压力、风和水流作用于大面积冰层产生的静压力等冰荷载的作用。
（五)温度变化的影响
这是由气温变化引起的，对于刚架、拱桥等超静定结构才需要考虑它。 （六)冻胀力
严寒地区桥梁基础位于冻胀、强冻胀土中时将受到切向冻胀力的作用，其计算及检算见《铁路桥涵地基和基础设计规范TB10002.5-2005》附录G。
三、特殊荷载
特殊荷载指某些出现几率极小的荷载，如船只或排筏撞击力、地震力以及仅在某一段时间才出现的荷载，如施工荷载。
施工荷载是指结构物在就地建造或安装时，尚应考虑作用在其上的荷载(包括自重、人群、架桥机、风载、吊机或其他机具的荷载以及拱桥建造过程中承受的单侧推力等)。在构件制造、运送、装吊时亦应考虑作用于构件上的临时荷载。计算施工荷载时，可视具体情况分别采用各自有关的安全系数。
以上各种荷载并不同时全部作用在结构物上，对结构物的强度、刚度或稳定性的影响也不相同。在桥梁设计中，应对每一项要求选取导致结构物出现最不利情况的荷载进行检算，称之为最不利荷载组合。例如检算桥墩基底要求的承载力时，应选取导致桥墩基底产生最大应力的各项荷载组合起来进行计算；当检算基底稳定性时，则应选取导致桥墩承受最大水平力而竖向力为最小的各项荷载组合。不同要求的最不利荷载组合一般不能直接判断出来，须选取可能出现的不同荷载组合通过计算确定。在进行荷载组合时应注意如下原则：
（1）只考虑主力加附加力或主力加特殊荷载。不考虑主力加附加力加特殊荷载这种组合方式，因为它们同时出现的几率是非常小的。
（2）主力与附加力组合时，只考虑主力与一个方向(顺桥向或横桥向)的附加力相组合。 （3）对某一检算项目应选取相应的最不利荷载组合。最不利荷载组合可依该检算项目的检算公式作分析和选取。
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任务8-3 基础的埋置深度
一、基础的埋置深度
基础的埋置深度是指基础底面至天然地面(无冲刷时)或局部冲刷线(有冲刷时)的距离，如图8-8所示。确定基础的埋置深度是基础设计中的重要内容之一，它既关系到结构建成后的牢固、稳定及正常使用问题，也关系到基础类型的选择、施工方法和施工期限的确定。
二、基础埋置深度的确定
确定基础的埋置深度主要从两方面考虑：一是从保证持力层不受外界破坏因素的影响考虑，基础埋深最小不得小于按各种破坏因素而定的最小埋深(最小埋深见后述)。二是从满足各项力学检算的要求考虑，在最小埋深以下的各土层中找一个埋得比较浅、压缩性较低、强度较高的土层(即允许承载力较大的土层)作为持力层。在地基比较复杂的情况下，可作为持力层的不止一个，需经技术、经济、施工等方面的综合比较，选出一个最佳方案。 （一)考虑持力层稳定的基础埋深
地表土层受气候、湿度变化的影响及雨水的冲蚀，会产生风化作用，另外，动植物多在地表层内活动生长，也会破坏地表土层的结构。因此，地表土层的性质不稳定时，不宜作为持力层。为了保证持力层的稳定，《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定，在无冲刷处或设有铺砌防冲时，基础底面埋置深度应在地面以下不小于2m，特殊困难情况下不小于1m。
（二）考虑水流对河床的冲刷作用时的基础埋深
在有水流的河床上修建墩台，必须考虑洪水对河床的冲刷作用。
一般冲刷。建桥以后，桥下的过水断面积一般会比建桥前减小，为排泄同样大小的流量，桥下水流速度势必增大，致使桥下产生冲刷，这种由于建桥而引起的在桥下河床全宽范围内的普遍冲刷，称为一般冲刷；
局部冲刷。由于桥墩阻水而引起的水流冲刷和涡流作用，在桥墩周围形成的河床局部变形，称为局部冲刷。
为防止墩台基底下的土层被水流冲刷淘空致使墩台倒塌，《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定，有冲刷处的墩台基底，应在最大冲刷(一般冲刷和局部冲刷之和)线以下不小于下列安全值：对于一般桥梁，安全值为2 m加冲刷总深度的10％；对于技术复杂、修复困难或重要的特大桥(或大桥)，安全值为3 m加冲刷总深度的10％，如表8-7所示。
建于抗冲刷性能强的岩石上的基础，可不考虑上列规定，对于抗冲刷性能较差的岩石，应根据冲刷的具体情况确定基底埋置深度。
图8-8 基础埋置深度
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表8-7 基底埋置安全值
冲刷总深度(m) 一般桥梁 安全值(m) 特大桥(或大桥)属于技术复杂、设计频率流量 0 2．0 3．0 1．5 5 2．5 3．5 1．8 10 3．0 4．0 2．0 15 3．5 4．5 2．3 20 4．0 5．0 2．5 修复困难或重要者 检算频率流量 注：冲刷总深度为自河床面算起的一般冲刷深度与局部冲刷深度之和。 （三）考虑寒冷地区地基土季节性冻胀时的基础埋深 1.季节性冻土基础埋深要求
季节性冻土是指冬季冻结春季融化的土层。在寒冷地区，应考虑由于季节性的冻结和融化对地基引起的冻胀影响。产生冻胀的原因是由于冬季气温下降，当地面下一定深度内土的温度达到冷冻温度时，土空隙中的水分开始冻结，体积增大，使土体产生一定的膨胀；对于冻胀性土，如气温在较长时间内保持在冻胀温度以下，水分能从未冻胀区迁移，引起地基的冻胀和隆起。土在冻结时隆起，冻胀力甚大，而解冻时沉陷，土的结构性质发生变化，致使建于其上的结构物遭到破坏。季节性冻土的冻胀等级的划分见《铁路桥涵地基和基础设计规范》附录A。
自地表而至冻结层底的厚度称冻结深度，冻结线即当地最大冻结深度线。土的标准冻结深度系指地表无积雪和草皮覆盖时实测最大冻深的平均值。我国北方各地的冻结深度大致如下：满洲里2.6m、齐齐哈尔2.4m、佳木斯或哈尔滨2.2m、牡丹江2.0m、长春1.7m、沈阳1.2m、锦州1.1m、太原1.0m、北京O.8～1.0m、大连O.7m、天津0.5～O.7m、济南0.5m。
为避免冻害影响，《铁路桥涵地基和基础设计规范》规定：对于冻胀、强冻胀土基底埋置深度应在冻结线以下不小于0.25m；对于弱冻胀土，基底埋置深度应不小于冻结深度的80％。修建在冻胀性土壤区的涵洞，其出入口和自两端洞口向内各2 m范围内的基底埋置最小深度与上述规定相同。涵洞中间部分的基底埋深可根据地区经验确定。严寒地区，当涵洞中间部分的埋深与洞口埋深相差较大时，其连接处应设置过渡段。冻结较深的地区，也可将基底至冻结线下0.25m处的地基土换填为粗颗粒土(包括碎石土、砾砂、粗砂、中砂，但其中粉、黏粒含量应小于或等于15％，或粒径小于0.1mm的颗粒应小于或等于25％)。
2.多年冻土基础埋深要求
多年冻土是指冻结状态持续两年或两年以上的土层。多年冻土的分类见《铁路桥涵地基和基础设计规范》附录A。
多年冻土地区桥涵基底的埋置深度应符合下列规定：
按保持冻结原则进行设计时，基础和桩基承台座板底面位于稳定人为上限以下的最小埋置深度应符合表8-8中的要求。桩身位于稳定人为上限以下的最小深度(不论土质)不应小于4 m。
按容许融化原则进行设计时，基础埋深应满足地基沉降方面的要求。当季节活动层为冻
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胀性土时，尚应避免冻胀的危害。
表8-8 基础和桩基承台座板底面位于稳定人为上限以下的最小埋置深度(m) 基础类型 桥梁明挖基础 涵洞出入口明挖基础 承台座板底面 地基土质 多冰、富冰或饱冰冻土 多冰、富冰或饱冰冻土 多冰、富冰或饱冰冻土 位于稳定人为上限以下的最小埋置深度 1.0 0.25 不应小于0.25
满足上述规定所确定的基础埋深称为最小埋深。合适的持力层应在最小埋深以下的各土层中寻找。
在覆盖土层较薄的岩石地基中，可不受最小埋深的限制，将基础修建在清除风化层后的新鲜岩面上。如遇岩石风化层很厚，难以全部清除时，则其埋置深度应视岩石的风化程度及其相应的地基容许承载力来确定。对于风化严重和抗冲刷性能较差的岩石，应按具体情况适当加大埋置深度。当基岩表面倾斜时，应避免将基础的一部分置于岩层上而另一部分置于土层上，以防基础由于不均匀沉降而倾斜或破裂。如基岩面倾斜较大时，基底可做成台阶形。 墩台明挖基础顶面不宜高出最低水位，如地面高于最低水位且不受冲刷时，则不宜高出地面。
任务8-4 基础的设计
一、桥梁墩台基础的设计原则
桥梁基础的设计应保证基础具有足够的强度、稳定性和耐久性。具体应满足以下要求： (1)基础本身的强度不得超限。
(2)地基土的强度不得超限(指持力层的强度，如基底下不远处有软弱下卧层时，尚应检算此软弱下卧层的强度)。
(3)基础倾斜不得过大，即应检算基底合力的偏心距。 (4)基础不得倾倒及滑走，即应检算其倾覆和滑动稳定性。 (5)基础要耐久可靠，这主要靠建筑材料和埋置深度来保证。
(6)必要时检算基础的沉降或沉降差，因为过大的沉降或沉降差会影响结构物的正常使用，甚至破坏上部结构，要特别注意那些对沉降差很敏感的超静定结构，如连续梁、拱桥等。当墩身很高时，需要检算墩、台顶的水平位移。
(7)当墩、台修筑在较陡的土坡上或桥台筑于软土上且台后填土较高时，还应检算墩台连同土坡或路基沿滑动弧面的滑动稳定性。
二、桥梁墩台基础设计的原始依据 （一）桥址水文
1.根据有代表性年份自年初至年底的水位高程曲线，设计水中墩台及基础时，可通过计
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