中南大学基础工程课程设计.pdf

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1、 中南大学基础工程课程设计-作者:_ -日期:_ 中南大学基础工程 课程设计书 题 目：铁路桥墩桩基础设计 姓 名：xx 学 号：xx 班 级：xx 班 指导老师：郑国勇 2014 年 9 月 目 录 第一部分 设计任务书1 第二部分 设计说明书3 一、基本概况4 二、设计依据4 三、设计方案4 四、施工建议5 第三部分 设计计算书6 一、拟定尺寸7 二、桩的布置及桩的连接方式8 三、承台底面形心处位移计算12 四、墩身弹性水平位移计算15 五、桩基检算11 参考文献21 第一部分 基础工程课程设计任务书 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 式无砟

2、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无砟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C30混凝土。4.地质及地下水位情况：标高（m）地质情况 厚度（m）36.7936.29 耕地 0.5 36.2930.79 软塑砂粘土 5.5 30.79

3、21.29 粉 砂 9.5 21.2919.89 淤泥质砂粘土(松软)1.4 19.89-3.51 细砂(中密)23.4-3.51-12.31 粗砂(中密)8.8-12.31-22.31 中砂(中密)10.0-22.31-29.31 砾砂（中密）7.0-29.31-46.31 硬塑粘土 17.0 土层平均重度320m/kN，土层平均内摩擦角o28。地下水位标高：30.5m。5.标高：梁顶标高+53.483m，墩底35.81m。6.风力：Paw800(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：双线、纵向、二孔重载：kN.N0718629，kN.H5341，mkN.M75

4、4671 双线、纵向、一孔重载：kN.N9417534，kN.H5341，mkN.M574762 2.墩顶外力：双线、纵向、一孔重载：kN.H44253，mkN.M16893 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（A3纸,最好是手工图)一张 四、附加说

5、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。五、参考资料 1.铁路桥涵地基和基础设计规范（TB 10002.5-2005）2.铁路桥涵设计基本规范（TB 10002.1-2005）3铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB 10002.3-2005）4.铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范（TB 10002.4-2005）5.桥梁工程邵旭东主编，人民交通出版社，2008年 图 1 桥墩及承台尺寸示意图 第二部分 设计说明书 一、基本概况 本课程设计任务要求完成铁路桥墩桩基础设计，桥梁计算跨度 L=31.

6、1m，梁全长32.6m，梁端缝0.1mL。轨底至梁底 3.7m，梁底至支座铰中心0.09m，一孔梁总重8530KN。在荷载和承台参考尺寸给定的情况下，要求确定桩数和桩的布置情况，对桩台进行检算使其承载力和变位满足规范的要求，并完成桩的配筋设计。设计内容及步骤如下：（1）集资料 （2）确定桩的尺寸和桩数 （3）墩台底面形心处位移计算 （4）桩基检算 （5）桩身截面配筋设计和强度、稳定性、抗裂性检算 （6）绘制桩基础布置和桩身钢筋构造图 二、设计依据 铁路桥涵地基和基础设计规范TB1002.5-2005 混凝土结构设计规范GB50010-2002 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范TB1

7、002.3-2005 三、设计方案 本设计采用钻孔灌注桩，桩身采用 C30 混凝土，采用旋转钻。持力层选在粗砂（中密）层，桩径采用 1.00m，桩长 43m，桩端进入持力层深度 2.3m，标高26.7m。确定桩数为 8根两排，对称布置，桩列间中心距 3.0m，排间中心距 3.0m。地基容许承载力 659kPa，单桩容许承载力 3464.53kN。墩顶水平位移 4.672mm，容许水平位移为 31.62mm。单桩承载力、群桩承载力和墩顶水平位移均符合要求。桩身承受最大弯矩 57.215kN.m，选用 2016 的 I 级钢筋，钢筋面积24019mm。钢筋采用环形对称布置，净保护层厚度 60mm，

8、主筋净距为 135.717mm。桩与承台的联结方式采用主筋伸入式，桩身伸入承台板 0.1m；主筋伸入承台的长度 0.8m。主筋在桩中长度为12.0m。箍筋采用8200mm。自桩顶以下 10cm 起向下每 2m 设置一道加劲箍筋（即骨架 钢筋），直径为16。顺钢筋笼长度每隔 2m 沿圆周均匀设置 4根骨架定位钢筋，直径为12。经配筋验算，截面应力和桩的稳定性均符合要求。四、施工建议 地下水位标高为 30.5m，桩伸入地下水位以下，施工时要注意加强排水措施，防止流砂等不良地质现象的发生。同时，施工时要加强对周围的地基沉降的观测，防止基础施工引起的周边建筑的不均匀沉降。钻孔施工建议使用反循环法。第三

9、部分 设计计算书 一、基础尺寸的确定 1.桩身及承台均采用 30 混凝土。2.设计桩径采用=1.00md，成孔桩径为1.05m，钻孔灌注桩，采用旋转式钻头，钻孔机具为直径 100cm 的旋转钻机。3.根据地质条件，选用粗砂层为持力层，桩端进入砂土持力层的临界深度为1.5=1.50md，即桩端进入持力层的深度要大于1.50m，从承台底面标高为 33.31m，则取桩长=40ml。桩底标高为-6.69m，桩端进入持力层的深度为 3.18m。4.估算桩数：（按双孔重载估算）估算公式：=Nnp 单桩容许承载力为：01 2i iPUf lm A 其中 1.053.299mUd d（按成孔直径计算）2221

10、.00=0.785m44dA d（按设计直径计算）10ld，故：02222(43)6kdkd 该土层平均天然重度320/kN m，图 2 由于桩侧土为不同土层，应采用各土层容 重加权平均，在地下水位以上采用天然重 度，在地下水位以下采用浮重度：3201010kN/m 求得：/m447.1169.679.361069.65.30205.3079.362KN 0=430kPa，深度修正系数2=5k，221=2.52kk。故：02222(43)6kdkd kPa 659111.452.563-14411.455430 土质按较差处理，钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数00.4m il如下表：地质情况 厚度

11、mil（）极限摩阻力kPaif（）软塑砂粘土 2.52 35 粉砂 9.5 45 淤泥质砂粘土 1.4 25 细砂（中密）23.4 50 粗砂（中密）3.18 80 则单桩的轴向受压容许承载力：01 2i iPUf lm A /m53.3464659785.04.08018.3504.23254.1455.93525.205.121KN 取1.3，按二孔重载估算桩数：99.653.346407.186293.1nPN，暂取8n，验算后再作必要调整。二、桩的布置及桩的连接方式 1.布桩 铁路桥规6.3.2规定：钻孔灌注桩中心距不应小于 2.5倍成孔桩径。当桩径1md 时，最外一排桩至承台底板边缘

12、的净距不得小于0.5d，且不得小于0.25m。满足桩间距和承台边到桩净距的前提下可得到桩在承台底面的布置情况，如图 3。2.桩与承台连接方式 连接方式采用主筋伸入式，桩伸入承台板内10cm，具体配筋见后面详述。图 3 桩布置图 三、承台底面形心处位移计算 1.设计荷载：双线、纵向、二孔重载：N=18629.07KN,H=341.5KN,M=4671.75 KN.m 双线、纵向、一孔重载：N=17534.94KN,H=341.5KN,M=4762.57 KN.m 2.计算0b，（1）桩的计算宽度0b 00=fbK K Kb 其中：0.9fK，0=1.50.5/=2Kdd（）水平力作用方向上相邻两

13、桩的净距112.0m0.60.6 3(1)3.6mLhd =2n，=0.6b 故：1111 0.62.00.60.8220.60.66LbKbh 由上述得：00=0.92 0.822 1.00=1.48fbK K Kb （2）基础额变形系数 05mbEI 其中：桩截面惯性矩440.0491m64dI C30 混凝土受压弹性模量MPaEC4102.3 47/m57.10491.0102.3KPaEI 假定桩为弹性桩，则其计算深度：m=2(+1)=2(1.05+1)=4.1mhd mh深度内存在两层不同的土，则m的换算公式为：21 121222+(2+)=mm hmhh hmh 其中：m58.1h

14、m/8000mm52.2hm/6000m242141，；，KNKN，则 21 121222(2)mm hmhh hmh 422m/45.72441.458.158.152.22800052.26000KN）（故桩的变形系数：15650m369.01057.148.145.7244mbEI 桩的换算入土深度：5.276.1440369.0l，则桩为弹性桩，假设成立。3.计算单桩桩顶刚度1234、100011CllAEA 其中 5.0,785.04,102.3,40,02240mdAMPaEmll 因0A的直径mmD382.10428tan*40*214ltan2do（相邻中心距）故：222037

15、.069m44DA 因4010lmm，故300/2897784045.7244mKNmllmC 从上得5700011079.7069.72897781102.3785.0405.00111ACAEll 又00l，,47/m57.10491.0102.3KPaEI 查表有=1.064HY，0.985MY，1.484M 故m10014.1064.11057.1393.056332KNEIYH KNEIYM5622310388.2985.01057.1393.0 rad/m10157.9484.11057.1393.0564KNEIM 4.计算承台刚性系数 mKNnnibb/10232.61079.

16、786511 mKNnniaa552210112.810014.18 KNn65310910.110388.28 rad/m10132.2231079.7810157.987255214KNxnniii 对于低承台桩基，承台处于软塑砂粘土中，因此，承台的计算宽度为：0+1=11.2+1=12.2mBb，3/1788098.2*6000mKNmhCh mKNhCBhaaaa65010136.12198.2178802.1210112.82 KNhCBh6262010587.16198.2178802.1210910.16 rad/10613.212198.2178802.1210132.2127

17、3730mKNhCBh 5.计算承台底面形心处的位移a，b，桩基为竖直桩基，桩群对称布置，0bababa，则有：aaaaH bbbN aaM 化简后可得：bbNb 2aaaaHMa 2aaaaaaMH（1）荷载情况 1：双线、纵向、二孔重载 N=18629.07 KN,H=341.5 KN,M=4671.75mKN mNbbb4710129.710613.207.18629 2aaaaHMa 426766710014.610587.110613.210136.175.467110587.15.34110613.2）（2aaaaaaMH rad10153.210587.110613.210136

18、.15.34110587.175.467110136.14267666）（2）荷载情况2：双线、纵向、一孔重载 N=17534.94KN,H=341.5KN,M=4762.57mKN bbNb=3610813.210232.694.17534m 2aaaaHMa m10067.610587.110613.210136.157.476210587.15.34110613.24267667）（2aaaaaaMH rad10191.210587.110613.210136.15.34110587.157.476210136.14267666）（四、墩身弹性水平位移计算 假定墩帽、托盘和基础部分产生刚

19、性转动，将墩身分为四个部分，（由于墩身4-5段下部分在土中，故将其分为两段，只计算土上部分风力），分别计算它们所受的风荷载,桥上有车时的风压强度W=800Pa，纵向水平风力等于风荷载强度乘以迎风面积,分别计算出四部分的上下底边长及中线长，然后计算出各个截面的弯矩，再求和即可得到托盘底面所受的总弯矩。1.墩顶外力和纵向风力引起的力矩（1）墩顶外力：双线、纵向、二孔重载 H=253.44KN,M=893.16mKN（2）墩帽所受风力：KNH6.38.06.05.7墩帽 作用点离墩帽底面的距离为m3.0l墩帽（3）托盘所受风力：KNH8.78.05.15.09.51.7）（托盘 作用点离托盘底面的距

20、离为m773.01.79.531.729.55.1ba3b2ahl）（）（）（）（托盘 其中短边m9.5a，长边m1.7b （4）墩身所受风力：KNH304.148.021302.69.52-1）（墩身，KNH592.148.021314.602.63-2）（墩身,KNH88.148.021326.614.643）（墩身 KNH181.108.02102.234.626.654）（墩身 作用点离墩身底面的距离为:m49.102.69.5302.629.533l2-1）（）（墩身 m5.102.614.6314.6202.633l3-2）（）（墩身 m5.126.614.6326.6214.63

21、3l4-3）（）（墩身 m01.134.626.6334.6226.602.202.2l5-4）（）（墩身 示意图如图 4所示：图 4 纵向风力示意图 计算由墩顶外力和纵向风力引起的弯矩，计算结果如下表。墩身各截面弯矩值计算表 截面位置 项目 托盘顶 0-0 墩身 1-1 墩身 2-2 墩身 3-3 墩身 4-4 墩身 5-5 墩顶弯矩 893.16 893.16 893.16 893.16 893.16 893.16 墩顶水平力 152.064 532.224 1292.544 2052.864 2813.184 3325.133 墩帽风力 1.08 6.48 17.28 28.08 38.

22、88 46.152 托盘风力 0 6.029 29.429 52.829 76.229 91.985 墩身风力 1-2 0 0 21.313 64.225 107.137 136.031 2-3 0 0 0 21.888 65.664 95.14 3-4 0 0 0 0 22.32 52.378 墩身风力 4-5 0 0 0 0 0 10.283 总计 1046.304 1437.893 2253.726 3113.046 4016.574 4650.262 2、托盘底面水平位移计算d和转角 托盘底面水平位移和转角计算表 (kN m)iM(m)h(m)ih 34=(m)12ibhI 2(kN

23、m)iEI=(rad)iiMhEI=(m)iiiMdh hEI 1-2段 1845.810 3 3.61 17.2075 5.1623810 510073.1 5108735.3 2-3段 2683.386 3 6.6 19.5647 5.8694810 510372.1 5100552.9 3-4段 3564.81 3 9.6 22.1521 6.6456810 510609.1 5104464.15 4-5段 4333.418 2.02 12.11 24.4944 7.3483810 510191.1 5104230.14 总 计 510245.5 4102798.4 注：（1）墩身为 C

24、30 混凝土：73.0 10 kPahE；（2）h：分段高度；（3）ih：分段水平力作用点到墩顶的距离，（4）计算弯矩+=2iiiMMM下上 五、桩基检算 1.单桩承载力检算（按二孔重载计算）N=18629.07KN，1.5mx，rad10153.24，MKN/1079.751 则桩顶内力：KNNN212.258010153.25.11079.78/07.18629xn451max 桩身 C30 混凝土容重3025kN/m，土平均重度320kN/m 4 4 4 4 则桩自重：KNG31.493)15)81.240(2581.2(142 桩入土部分同体积土重：KNG69.370)10)81.24

25、0(2081.2(05.142 则 KNGGN83.270269.37031.493212.2580 max KNP38.427665.3563*2.12.1 故单桩轴向受压承载力满足要求。2.群桩承载力检算（按二孔重载计算）将桩群看作一个实体基础，则实体 基础为一台体，台体底面由于内摩擦角 （o28）较顶面放大（如图 5）。底面尺寸：3 3 12 tan4al m823.19428tan40219o 3.012 tan4bl m823.13428tan40213o 2m001.274823.13823.19abA 图 5 群桩承载力检算示意图 322m281.6316823.13823.19

26、6abW 桩自重：KNGG48.394631.4938n1 桩侧土重：KNG308.114334869.37010)81.240(2081.2001.2742 承台重：KNG4900255.272.113 承台部分土重：KNG3920205.272.113 故：01233NNGGGG KN858.13788939204900308.11433448.394607.18629 a659a646.510281.63175.4671001.274858.1378890KPKPWMAN 3.墩顶水平位移检算（按一孔重载计算）墩高：H=2.5+12+1.5+0.6=16.6m 则墩顶位移 daH mm6

27、72.4m10672.4102798.46.1610191.210067.63444 554031.62mmL 4.结构在土面处的位移（按一孔重载计算）在桥规中查m，0m时，只适用于结构在地面处的最大位移为 6mm，若超过 6mm就不能采用“m”法进行计算，故需要对桩在土面处的位移进行检算。墩身埋于土中高度：m48.331.3379.36h 6mmm10423.148.310191.210067.6ha344 可以用m法直接查表计算。5.桩身截面配筋设计（按一孔重载计算）（1）桩身弯矩计算 KNH198.210388.210191.210014.110067.6a5454320 m750.55

28、10388.210067.610157.910191.2a5454340KNM 因此，任意深度 z 处桩身截面弯矩：MMMMMMBABABMAHM750.55957.5750.55369.0198.200z zM列表计算，如下表所示：zM计算表 z(m)z MA mB MA056.5 MB956.69(kN m)zM M 0 0 0 1 v 0.2 0.509 0.197 0.998 1.173 55.638 56.812 0.4 1.018 0.377 0.986 2.246 54.970 57.215 0.6 1.527 0.529 0.959 3.152 53.464 56.616 0.

29、8 2.036 0.646 0.913 3.848 50.900 54.748 1.0 2.545 0.723 0.851 4.306 47.444 51.750 1.2 3.053 0.762 0.774 4.540 43.151 47.690 1.4 3.562 0.765 0.687 4.557 38.300 42.858 1.6 4.071 0.737 0.594 4.390 33.116 37.506 1.8 4.580 0.685 0.499 4.080 27.819 31.899 2.0 5.089 0.614 0.407 3.657 22.690 26.347 2.2 5.59

30、8 0.532 0.32 3.417 17.840 21.257 2.4 6.107 0.443 0.243 2.639 13.547 16.186 2.6 6.616 0.355 0.175 2.114 9.756 11.870 2.8 7.125 0.27 0.12 1.609 6.690 8.300 3.0 7.634 0.193 0.076 1.150 4.237 5.387 3.5 8.906 0.051 0.014 0.304 0.780 1.084 4.0 10.178 0 0 0 0 0 由表知：m57.215maxKNM min1NNxn KN29.194010153.25.

31、11079.7894.1753445 （2）计算偏心距 初始偏心距：m029.029.1940215.57eminmax0NM 1.02.03.04.003.5 偏心距放大系数：2211hhcKNE Il 其中：影响系数58.016.01/038.02.01.016.0he2.01.00 计算长度m089.5393.040*5.04l*5.0l0c）（）（此式中为变形系数）安全系数 K=0.6（主力+附加力）则：033.1089.50491.0100.358.094.175346.011l112722chh2IEKN m039.0038.0033.1ee0（3）配筋 根据灌注桩构造要求，桥梁桩

32、基主筋宜采用光圆钢筋，主筋直径不宜小于 16mm，净距不宜小于 120mm，且任一情况下不得小于 80mm，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、小直径的钢筋，以提高桩的抗裂性，所以主筋采用 I级钢筋。桩身混凝土为 C30，根据桥规规定，取min=0.5%,则 22,minmin0.5%10003926.99mm4scAA 选用 2016 的 I级钢筋，2,mm4019实SA，取净保护层厚度60mmsa，采用对称配筋，则主筋净距为：mmR120717.135208605002202，符合要求。桩与承台的联结方式为主筋伸入式，桩身伸入承台板0.1m，主筋伸入承台

33、的长度（算至弯钩切点）对于光圆钢筋不得小于 45 倍主筋直径（即 720mm），取 800mm,主 筋应配到4/处以下 2m 处（即4/0.396212.093mm）,取其长度为 12m，则主筋总长为 13m。箍筋采用8200mm。为增加钢筋笼刚度，自桩顶以下10cm 起向下每 2m 设置一道加劲箍筋（即骨架钢筋），直径为16。顺钢筋笼长度每隔 2m 沿圆周均匀设置 4 根骨架定位钢筋，直径为12。桩身截面配筋如设计图纸。（4）判断大小偏心56.6102.3101.278CSEEn 换算截面面积 2220483.812110401956.6410004mmnAdAs 换算截面惯性矩：41024

34、24010405.5960500407256.664100064mmrnAdIS 核心距：mmyAIk11.133500483.81211010405.51000mme390 故属大偏心构件。（5）应力检算 MPayIMANc91.250010405.51057.215483.8121101029.1940106300 MPac20 MPayIMANc86.150010405.51057.215483.8121101029.1940106300 MPat20 MPaMPaayIMANnsss16093.196050010405.51057.215483.8121101029.194056.61

35、06300 故应力符合要求。（6）稳定性检算 桩计算长度5.046mcl，1md，/5.0467cld 查混凝土结构设计原理得=1.0，m=12.4 MPaMPamAANcSCc6.7843.340724,12410000.11029.194023 故稳定性满足要求。（7）抗裂验算 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，所以桩不产生裂缝。6.工程材料表（1）钢筋 钢筋材料表 类 型 型号 单根长（mm）根数 总长（m）总重（kg）总计（kg）受力纵筋 16 13000 160 2080 3284.3 4225.4 环向箍筋 8 2790 528 1473.1 581.9 骨架钢筋 16 2713 56 151.9 239.9 定位钢筋 12 700 192 134.4 119.3 （2）混凝土 混凝土材料表 等级 体积（m3）桩 C30 275.5【参考文献】1 李亮，魏丽敏主编基础工程，长沙：中南大学出版社，2005 2 马建林主编土力学，北京：中国铁道出版社，2011 -THE END,THERE IS NO TXT FOLLOWING.-