中大基础工程课程设计.pdf
键入文档标题 1 目录 一、基础工程课程设计计算书 1.设计资料3 2.设计荷载4 3.设计要求4 4.附加说明4 二、基础工程课程设计计算说明书 1.确定基桩几何尺寸及桩数4 1.1 桩基础类型6 1.1.1 材料 6 1.1.2 土层对桩的支承特点6 1.1.3 成桩方法6 1.1.4 桩轴方向6 1.2 确定桩的基本尺寸及布桩7 1.2.1 桩径7 1.2.2 确定桩数7 1.2.3 确定桩数（双线、纵向、二孔重载估算）8 1.2.4 布桩 9 2 承台底面形心处位移计算 10 2.1 桩的计算宽度10 2.2变形系数10 2.3轴向刚度系数112 2.4轴向刚度系数432,12 2.5承台底面形心处位移计算12 2.6托盘底面水平位移d 计算 13 3 桩基计算16 3.1单桩承载力计算17 3.2群桩承载力计算18 3.3墩顶水平位移检算18 3.4结构在地面处位移检算19 4 桩身配筋计算19 41 计算桩身弯矩zM 19 4.2求偏心矩e20 4.3配筋20 键入文档标题 2 4.4 判别大小偏心20 4.5 截面应力核算21 4.6 稳定性验算21 4.7 桩的抗裂验算21 参考文献 21 附录：电算结果 键入文档标题 3 任 务 书 题目：铁路桥墩桩基础设计 一设计资料 1.线路：双线、直线、坡度4、线间距5m，双块式无碴轨道及双侧1.7m宽人行道，其重量为44.4kN/m。2.桥跨：等跨L=31.1m无碴桥面单箱单室预应力混凝土梁，梁全长32.6m，梁端缝0.1m；梁高3m，梁宽13.4m，每孔梁重8530kN，简支箱梁支座中心距梁端距离0.75m，同一桥墩相邻梁支座间距1.6m。轨底至梁底高度为3.7m，采用盆式橡胶支座，支座高0.173m，梁底至支座铰中心0.09m。3.建筑材料：支承垫石、顶帽、托盘采用C40钢筋混凝土，墩身采用C30混凝土，桩身采用C25混凝土。4.地质及地下水位情况：土层平均重度20kN/m3，土层平均内摩擦角=28。地下水位标高：30.5。5.标高：梁顶标高+53.483m，墩底35.81。6.风力：w800Pa(桥上有车)。7.桥墩尺寸：如图 1。二设计荷载 1.承台底外力合计：键入文档标题 4 双线、纵向、二孔重载：N=18629.07kN，H=341.5kN，M=4671.75kNm 双线、纵向、一孔重载：N=17534.94kN，H=341.5kN，M=4762.57kNm 2.墩顶外力：双线、纵向、一孔重载：H=253.44 kN，M 893.16 kNm。三设计要求 1.选定桩的类型和施工方法，确定桩的材料、桩长、桩数及桩的排列。2.检算下列项目(1)单桩承载力检算（双线、纵向、二孔重载）；(2)群桩承载力检算（双线、纵向、二孔重载）；(3)墩顶水平位移检算（双线、纵向、一孔重载）；(4)桩身截面配筋计算（双线、纵向、一孔重载）；(5)桩在土面处位移检算（双线、纵向、一孔重载）。3.设计成果：(1)设计说明书和计算书 一份(2)设计图(计算机绘图)一张 四附加说明 1.如布桩需要，可变更图1中承台尺寸；2.任务书中荷载系按图1尺寸进行计算的结果，如承台尺寸变更，应对其竖向荷载进行相应调整。键入文档标题 5 图 1 桥墩及承台尺寸示意图 键入文档标题 6 基础工程课程设计计算说明书 铁路桥墩桩基础设计 一 确定桩的基本尺寸 1.1 桩基础类型 1.1.1 材料 采用钢筋混凝土桩，桩深选用 C25 混凝土。1.1.2 土层对桩的支承特点 因土层中没有出现坚硬岩石地层，不宜选用端承桩，故选用摩擦桩。1.1.3 成桩方法 采用钻孔灌注桩，钻孔方式采用旋转式，同时钻头选用旋转式刺猬式钻头，适于通过砂粘土及沙性土层。1.1.4 桩轴方向 一般为工程施工方便，宜先采用竖直桩，当验算不通过时，才会考虑改为斜桩。由于施工上的原因，目前钻孔灌注桩通常设计为竖直桩，故选用竖直桩。键入文档标题 7 总结：C25 钢筋混凝土桩，摩擦桩，竖直桩，钻孔灌注桩。1.2 确定桩的基本尺寸及布桩 1.2.1 桩径 设计桩径取md5.10，旋转钻成孔桩径比设计桩径增大 3050mm，故成孔桩径为md55.105.05.1 1.2.2 桩长 桩端持力层宜选择强度较高，压缩性较低的粘性土、粉土、中密或密实的砂土、砾石土以及中风化或微风化的岩层，根据土质条件，将桩端定于粗砂层。由于沙土桩端要求进入该土层的深度不宜小于d5.1，所以选择桩长ml40，沉台底的标高为 33.31，桩底标高为-6.69，桩端进入持力层的深度为 3.18m1.5d=2.25m。1.2.3确定桩数（双线、纵向、二孔重载估算）公式：PNn，其中-为经验系数，桥梁桩基采用1.31.8,此处取5.1 N-作用于承台顶面的竖向力 P-单桩受压承载力 因为所用桩为钻孔灌注桩，故其单桩承载力公式为：210AmlfUPii，其中，U-桩身截面周长（按成孔桩径 d=1.55m 计算），A-桩底面积（按设计桩径 d=1.5m 计算）由于桩的入土深度dl10，故 dkdk222206)34(0-地基土的基本承载力 22,kk-深度修正系数，2/22kk 2-桩侧土的天然重度（取各土层容重的加权平均值）键入文档标题 8 if桩侧各土层的极限摩阻力 il桩侧各土层厚度 计算部分：mdU869.4)05.05.1(2227676.15.144mdA 查得，4.05.22/543002220mkkkKP 桩底持力层在水面以下，且为透水层，故水中部分应采用浮重度，水位以上采用其天然重度。mkN/447.11)69.6(79.3620)5.3079.36(10)69.6(5.302 因此得，kPadkdk6075.8595.1447.115.26)35.14(447.1154306)34(22220 各土层 取值 软塑砂粘土 粉砂 淤泥质砂粘土 细砂（中密）粗砂)(KPfi 45 42 20 42.5 80)(mli 2.52 9.5 1.4 23.4 3.18 iilf 113.4 399 28 994.5 254.4 iilf 1789.3 由此得：键入文档标题 9 kNAmlfUPii3.4987831767.14.03.1789896.421210 故粗估桩数 ,6.53.498707.186295.1PNn 取 n=6 根 1.2.4 布桩 查桥规知，当md1时，最外一排柱至承台底板边缘的净距不得小于d3.0，且不得小于m5.0，且钻孔灌注桩的桩中心距不应小于 2.5 倍成孔桩径，根据承台尺寸及以上布桩原则，采用行列式布桩，一排 3 桩，共 2 排，此布桩方式所需要的承台最小尺寸为 mmddhmmddb725.625.015.22.111025.025.2 故承台尺寸的大小满足要求。布桩图示如下：键入文档标题 10 桩的布置图 单位：cm 二 承台底面行心处的位移计算 2.1 桩的计算宽度 公式：dKKKbf00，其中 b-与外力 H 作用方向相垂直的平面上的桩的宽度或直径 fK形状换算系数；0K受力换算系数；K桩间相互影响系数；查基础工程表 6-10，当 d1m 时，9.0fK，dK/110 K 的计算公式：11.6.01hlbbK 1L桩间净距 1h桩在地面或最大冲刷线下的计算深度 6.0,25.15.7)15.1(3)1(35.211bnmddhmL 由此得：8222.05.75.26.06.016.0.6.0111hlbbK mBnbmbdKKKbf5.6)15.5()1(7.385.123285.15.18222.05.115.19.0000（B为边桩外侧边缘的距离）2.2 变形系数计算 公式：05mbEI 2671096.5248.0100.38.08.0mkNIEEIh，其中25C混凝土的弹性键入文档标题 11 模量kPaEh7100.3 假定该桩为弹性桩，由于基础侧面有多种不同土层，故采用“等面积法”换算。公式：422212211)2(mhhhhmhmm，其中 mdhm1.5)155.1(2)1(2 mh52.279.3031.331 mhhhm58.252.21.512 查基础工程表6-7，取41/7000mkNm，42/10000mkNm；42222212211/543.92671.558.2)58.252.22(1000052.27000)2(mkNhhhhmhmmm 由此得：1565031.01096.585.1543.9267mEImb 5.241.124031.0l 故假设成立，按弹性桩计算。2.3 计算轴向刚度系数1 公式：10011lllEAc A 此桩为钻孔灌注桩，故取=0.5，mlml40,00 kPaE7100.3 22767.15.14mA 竖向地基系数36400/100.140105.2mkNlmc mmd432.11428tan4025.10 键入文档标题 12（桩的中心距）因此得：46670001/101888.25666.12100.11767.1100.3405.00111mkNAcEAll 2.4 计算轴向刚度系数432,mkNEIYH/104.19064.136.631.046332 kNEIYM562231087.5985.01036.631.0 mkNEIM56410889.2484.11036.631.0 2.5 承台底面位移形心处计算 mkNnnibb/100784.8100098.186611 mkNnniaa/109306.6106633.885422 kNnniiaa653105634.1109543.18 mkNnxniii7265214102271.54.28100098.1101747.78 承台计算宽度mbB2.1212.1110 承台处于耕地软塑砂粘土中，43/105mkNm，34/1025.15.25000mkNhmCh mkNhCBkNhCBmkNhCBhhaaahaaaa73473062462054501024696.5125.21025.12.12102271.512104045.165.21025.12.12105634.16/1083685.825.21025.12.12109306.62键入文档标题 13 双线、纵向、二孔重载下：kNN07.18629,kNH5.341,mkNM75.4671 mNbbb361035.11084.1307.18629 mMHaaaaa42675672104104045.11024696.51083685.8)75.4671104045.1(5.3411024696.5radHMaaaaaa42675652108116.0104045.11024696.51083685.8)5.341104045.1(75.46711083685.8双线、纵向、一孔重载下：kNN94.17534,kNH5.341,mkNM57.4762 radHMmMHamNbaaaaaaaaaabb42675652426756723610825.0104045.11024696.51083685.85.341104045.157.47621083685.8104104045.11024696.51083685.8)57.4762104045.1(5.3411024696.51027.1100784.894.17534 2.6 墩身弹性水平位移的计算 假定：墩帽、托盘和基础部分仅产生刚性转动。由于墩身有一部分在土中，是力的突变截面，故将墩身分为 7 部分，前五部分高度均取 2m，第六、七部分以地面为分界线，故单独分一截面。键入文档标题 14 7.51.50.6222221.020.987.15.95.986.066.146.226.36.346.38870 146532870 1465323.683.643.63.523.443.363.283.2870 1465322356410 78 图 3：墩身受风面积分割图 基本风荷载强度KPa800，桥上有车时风荷载强度采用8.0，纵向水平风力等于风荷载强度乘以受风面积。H和纵向风力引起的力矩（活载偏心所引起的弯矩已计入M中）墩顶水平力：H253.44kN 墩帽所受风力：kNH88.28.08.06.05.7墩帽 托盘所受风力：kNH6.248.08.05.12/)1.79.5(托盘 kNH6032.78.08.0298.59.521其他截面所受 风21）（力：kNH7056.78.08.02)06.698.5(2132 kNH808.78.08.02)14.606.6(2143 kNH9104.78.08.02)22.614.6(2154 kNH0128.88.08.02)30.622.6(2165 kNH1257.48.08.002.1)34.630.6(2176 键入文档标题 15 kNH98.38.08.098.0)34.638.6(2187 2.6.2 纵向风力引起的力矩 设各截面所受风力的合力作用点距下边缘的距离为y，则梯形形心距下边缘的距离公式为：hbabay)(3)2(，其中a为下边长度，b为上边长度，h为梯形的高度。1-2 段形心距 2-2 截面的距离my9978.0)9.598.5(3)9.5298.5(221，其他部分墩身所受风力作用点见下表：表 1：各截面风力作用点距下边缘的距离（单位：）11y 22y 33y 44y 55y 66y 0.99776 0.99779 0.99781 0.99784 0.99787 0.50946 墩身所受风力及各截面弯矩值计算列表如下：表 2：风力及截面弯矩值计算表 各截面弯矩M 水平力kN 托盘顶0 托盘底1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 墩底8 墩顶水平力44.253H 274.48 654.64 1161.52 1668.40 2175.28 2682.16 3189.04 3447.54 3695.92 墩帽风力H=2.88 0.86 5.18 10.94 16.70 22.46 28.22 33.98 36.92 39.74 托盘风力H=6.24 0 4.82 17.30 29.78 42.26 54.74 67.22 73.59 79.70 墩 身 H1-2=7.6032 0 0 7.59 22.79 38.00 53.21 68.41 76.17 83.62 H2-3=7.7056 0 0 0 7.69 23.10 38.51 53.92 61.78 69.33 H3-4=7.8080 0 0 0 0 7.79 23.41 39.02 46.99 54.64 H4-5=7.9104 0 0 0 0 0 7.89 23.71 31.78 39.54 H5-6=8.0128 0 0 0 0 0 0 8.00 16.17 24.02 H6-7=4.1257 0 0 0 0 0 0 0 2.10 6.15 墩顶弯矩 893.16 893.16 893.16 893.16 893.16 893.16 893.16 893.16 893.16 键入文档标题 16 总计 1168.50 1557.80 2090.51 2638.53 3202.05 3781.30 4376.47 4686.20 4985.82 2.6.3 墩顶弹性水平位移的计算 表 3：托盘水平位移d计算表 iM h ih 12/3bhIi iIE(107)iiidhhEIM 单位 墩帽 1030.83 0.6 0.783 29.160 79.315 6.106 托盘 1363.152 1.5 1.833 17.749 48.277 77.635 1-2 段 1824.157 2 3.583 16.949 43.389 301.269 2-3 段 2364.518 2 5.583 18.480 47.309 558.08 3-4 段 2920.290 2 7.583 20.111 51.483 860.267 4-5 段 3491.677 2 9.583 21.845 55.923 1196.672 5-6 段 4078.886 2 11.583 23.687 60.639 1558.262 6-7 段 4531.008 1.02 13.093 24.984 63.959 946.159 5-6 段 4836.010 0.98 14.093 25.985 66.521 1004.056 总计 6508.506 三桩基验算 31单桩承载力检算 （双线、纵向、二孔重载）kNN07.18629，mx4.2，461/100098.1mkN，rad410038.1 kNxnNN347910038.14.210098.1807.18629461max 查规范，取桩的容重325mKN。桩位于地下水位以上采用天然重度，位于地下水位以下，应采用浮重度。键入文档标题 17 故桩身自重：kNG17.1185)1025(19.372581.255.1421 与桩入土部分同体积的土重为：kNG79.897)1020(19.372081.255.1422 则：kNGGNN8796.385679.8071739.11854958.347921max kNP374.4535478.37792.12.1 所以，单根轴向受压容许承载力满足要求。3.2 群桩承载力验算（双线、纵向、二孔重载）检算条件：桩中心最小间距为3 米，小于6d=6米，考虑群桩效应；检算方法：WMAN。式中：N作用于假想实体基础底面形心上的所有竖向力；M作用于地面或局部冲刷线以上外力对群桩形心的力矩；A假想实体基础地面面积；W假想实体基础地面的截面惯性矩。群桩承载力的检算图示如下图所示：ab/4 图 4：假想实体基础示意图 ma823.19428tan402133 mb823.15428tan40215 2659.313823.15823.19mbaA322172.8276823.15823.196mabW 桩身自重：kNG7111)1025(19.372581.2804.1421；桩侧土的自重：kNG676.121907867.363)1020(19.372081.2659.3132 键入文档标题 18 承台自重：kNG49002572.115.23 与承台入土部分相同体积的土重：kNG39202072.115.24 kNN14862739204900121907711107.18629 PakPaWMAN344.831153.50865.595.494155.756086.296148627 所以，群桩承载力合格。33 墩顶水平位移检算（双线、纵向、一孔重载）mH174.06.05.1125.2 mmLmmHad88.271.315546.210085.651710056.110543.5544 所以，墩顶水平位移满足要求。四桩身配筋设计（双线、纵向、一孔重载）4.1桩身弯矩的计算 kNaH383.27109543.110056.1106633.810543.55444320mkNaM562.32109543.110543.5101747.710056.15454340由MMMMMMZBABABMAHM562.32726.66562.3241038.0383.2700 表 4：桩身弯矩zM计算表 z z MA MB MA726.66 MB562.32 zM 0 0 0 1.000 0-32.562-32.560 0.2 0.49 0.197 0.998 13.145-32.497-19.350 0.4 0.97 0.377 0.986 25.156-32.106-6.950 0.6 1.46 0.529 0.959 35.298-31.227 4.071 0.8 1.95 0.646 0.913 43.105-29.729 13.376 1.0 2.44 0.723 0.851 48.243-27.710 20.533 1.2 2.92 0.762 0.774 50.845-25.203 25.642 1.4 3.41 0.765 0.687 51.045-22.370 28.675 1.6 3.90 0.737 0.594 49.177-19.342 29.835 1.8 4.39 0.685 0.499 45.707-16.248 29.459 2.0 4.87 0.614 0.407 40.970-13.253 27.717 2.2 5.36 0.532 0.320 35.498-10.420 25.078 2.4 5.85 0.443 0.243 29.560-7.913 21.647 2.6 6.34 0.355 0.175 23.688-5.698 17.989 2.8 6.82 0.270 0.120 18.016-3.907 14.109 键入文档标题 19 3.0 7.31 0.193 0.076 12.878-2.475 10.403 3.5 8.53 0.051 0.014 3.403-0.456 2.947 4.0 9.75 0 0 0 0 0 mkNMz3906.75max 配筋时考虑各根桩所受的弯矩都相同，相对竖向轴力的最小桩偏心距最大，所以按竖向力的桩配筋。故kNxnNN273010056.14.2100098.1894.17534461min 图 5.桩身弯矩分布图 4.2 偏心距 e 的计算 mNMez0276.01942.273039060.75minmax0，主力加附加力，查混凝土结构设计原理318P页可知，6.0K 618.016.010276.02.01.016.02.01.00he 查基础工程表 6-25，得0.424.124041038.0l 所以mllc536.6306.00.405.00.45.00 键入文档标题 20 001.16455.11000.3621.08735.4944.19356.01111272222cccIElKN mee0276.00276.0003.10 4.3 配筋 据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光钢筋，主筋直径不宜小于 16mm，净距不宜小于 120mm，主筋净保护层不应小于 60mm，在满足最小间距的情况下，尽可能采用单筋、小直径钢筋，以提高桩的抗裂性。所以，主筋采用级钢筋，桩 身 混 凝 土 为C25，根 据 桥 规 规 定，取%5.0minu，则：22minmin,7.883541500005.0mmAuAcs，选用1816的级钢筋，则29120mmAs实。取 净 保 护 层 厚 度mma60，此 时 主 筋 净 距 为：mmmmdR12025.151181696050021620，满足间距要求。桩与承台的联结方式为主筋伸入式，桩身伸入承台板cm15；主筋伸入承台的长度对光圆钢筋不小于45 倍的主筋直径，取cm90。主筋应配到/4处以下m2处，故主筋在桩中长度为m9.1115.0241038.04；箍筋采用mm2008，为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔m2加一道18的骨架钢筋；每隔m2加一道16的定位钢筋。钢筋布置及定位钢筋的形式如下图所示：键入文档标题 21 18820018200050956095604444R422R500R440 图 6：钢筋配置及定位钢筋图 4.4 判别大小偏心 根据钢筋和混凝土型号查表，得15n 换算截面面积：2220868.190394591201521500mmnARAs 换算截面惯性矩：4112424010799.2)11607500(40721521215004214mmrnARIss 因为截面及配筋都对称，故mmy750 则：mmyAIk1965002.84647810476053.51000 mmkmme384.1296.27，故此桩属于小偏心受压构件。4.5 截面应力验算 小偏心受压时，轴向压力的作用点位于换算截面的截面核心之内，截面全部受压，应力复核公式采用应力叠加法得：MPaMPayIMANbc5.964.17501099.271056.322.846478102730106300MPaayIMANnss115.22)69750(10476053.51056.322.84647810944.193515)(106300 MPas160 由此可见，桩的截面应力满足要求。键入文档标题 22 4.6 稳定性验算 桩的计算长度mlc536.6，md5.1，7357.4/dlc，查混凝土结构设计原理表 11-4 查得0.1，查表 11-3 得4.12m，按轴心受压构件检算桩的稳定性。MPaMPamAANcscc6.7452.14072)14.12(410000.110273023由此可见，桩的稳定性满足要求。4.7抗裂性验算 由于桩属于小偏心受压，全截面受压，钻孔灌注桩现场浇灌，不需吊装，施工期间桩截面一般不出现拉应力，所以桩不会产生裂缝。
