铁路桥梁高承台桩基础设计书

1 铁路桥梁高承台桩基础设计书 一、收集设计资料 某单线桥位于直线上，冲刷线以下的河床上部为厚度很大的中密孵石层，其容重=2000摩擦角 =38，地基的基本承载力 0=900部冲刷线标高为 台底与水位线平齐，设计标高为 m。采用钻孔灌注桩施工，桩基直径为 1.8 m。 设计时，桩侧土极限摩阻力 f=180向地基系数的比例系数 m=80MN/桩混凝土采用 其受压弹性模量 107 二、 设计荷载 该桥墩由主力加附加力双孔活载控制桩基设计。 作用于承台底面的竖向力： N=2000平力 H=400矩 M=6900 三、基桩选择 1. 基桩类型与尺寸 （ 1） 基桩类型 钻孔灌注桩 根据设计资料知：考虑挤土效应和基桩的强度、刚度，选择灌注桩。而冲刷线以下的河床上部为厚度很大的中密孵石层，有含水层，不宜采用人工挖空桩，考虑经济因素，采用钻孔灌注桩。在桩位就地钻孔，成孔后将钢筋笼置入孔内灌注混凝土而成桩。 （ 2）基桩尺寸 本设计中冲刷线以下的河床上部为厚度很大的中密孵石层，承载力高，可作为持力层，从承台底面到局部冲刷线长度为 上部桩长取 桩长不妨取为为 20m，桩地标高 故基桩尺寸为：桩长取为 20m，上部长度 部长度为 径 （ 3）混凝土等级 基桩采用 台采用 2. 基桩数量 按双孔重载估算桩数 ： 式中： 为经验系数，桥梁桩基采用 （ 1） 计算单桩容许承载力 01 2 f l m A 式中 : A 桩底面积，此处为 222 2 0m 桩底支撑力折减系数，按规范 0 U 桩身截面周长， 2( 0 . 0 5 ) 3 . 2 9 9 （按旋转锥计算） 极限摩阻力， 180if 土层厚度， 0 2 2 2 2 ( 4 3 ) 6k d k d 桩底地基土的容许承载力，按公式 0 2 2 2 2 ( 4 3 ) 6k d k d 式中： 0 地基基本承载力， 2k 由铁路桥涵规范 2 6k ， 2 3k 0 2 2 2 2 ( 4 3 ) 6k d k d K P 9 06900 根据规范 力加附加力时，可以把地基容许承载力提高 20%K P 0 9 0 01 2 f l m A （ 2） 确定桩数 n P 暂取 6n ，验算后在做必要调整。 根据铁路桥涵规范 孔灌注桩的中心距不应小于 类桩的承台板边缘 至最外一排桩的净距，当桩径 时，不得小于 且不得小于 据承台及以上布桩原则，基桩的布置图如下： 图 1基桩布置图 3 四、 每根桩顶内力计算 状换算系数 圆形截面， 受力换算系数 桩间相互影响系数 )1(3,4 11 故， 1( 11 单桩计算宽度 桩的抗弯刚度： 647 0 0 0565 0 桩的入土深度： 可见，此桩按弹性桩计算。 （ 1）轴向刚度系数 1 该桩为钻孔灌注桩，故 。 01 2 . 4 , 7 . 6l m l m， 77 由公式 a a 大于桩间中心距 4m， 故， 取 则， 22200 9 9 2 0 0 0 0 000 4 670001 2 0 0 （ 2）轴向刚度系数 2 、3、 4 按式 67 8 0 由表 65 9 8 3 5 4 1 Y 8 5 1 按公式 6算各反力和反力矩 按公式 6算 b, a, 0 0 0 0 r 2575552 按公式 6 分别以 2x 代入第一式，可以求得桩顶的最大和最小轴向力： N 64 =26544012此外 , 44332 5 435434 aM i 校核： i 2 0 0 0 0)2 6 5 44 0 1 2(3 i 4 0 6 9 3 023)2 6 5 44 0 1 2(38 0 2 五、局部冲刷线处桩身的横向位移和转角 因桩下端在土层内，且 ，故0利用式 6算，即 000 32 E I000 2 E I 其中 K N 200 i 系数xA、A、 B可根据 0z （地面处 0z ）及 则 62630 r 六、桩身内力计算 1. 求任意深度 系数z 值及 从表 6得。将局部冲刷线以下任意深 6 度 z 处的 表计算如下表所示。 2. 求任意深度 00200 则， 表计算如下表 1，并将计算结果绘于图 2。 表 1 算表 Z/m A B 图 2 桩身弯矩和桩侧土横向压应力分布图 z 7 z 4 36 2 则， 表计算如下表 2，并将计算结果绘于图 3。 表 2 图 3 剪力分布图 z 8 七、 基桩配筋计算 根据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光圆钢筋，主筋直径不宜小于 16距不宜小于 120筋净保护层不因小于 60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 身混凝土为 据桥规规定，取 设计荷载： 0 1 2m a x,6 2 4,5 1 7 m a xm a x 根据计算和构造要求，初步配筋为：桩与承台联结方式为主筋伸入式，桩身伸入承 筋伸入承台的长度对光圆钢筋不得不小于 45倍主筋直径，取 1m；主筋应配到 4/主筋在桩中的长度为 为 17m,箍筋采用单肢 8，间距为 200增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔 2 20的骨架钢筋。为预防施工中钢筋笼被混凝土顶起，使 2根 20主筋伸到桩底。 下面对以上配筋进行具体计算分析。 1）截面配筋 根据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光圆钢筋，主筋直径不宜小于 16距不宜小于 120筋净保护层不小于 60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 身混凝土为 据桥规规定，取 则： 此处采用对称配筋，按照最小配筋率初定钢筋截面面积，即 22m i nm i n, 2 4 5 341 2 5 .0 选取 8 20的一级钢筋 22513 实，取净保护层厚度为 70 此时主筋间距为： 08 )1070625(2( 0 图 5： 横截面配筋（单位： 9 2）基础工程课本表 6于桩在 4l 的多排桩，计算长度为 ( 因为 表 6知 :纵向弯曲折减系数 1 取 ，由附表 73 . 2 1 0E c k p a 则： =心距为 00 0 0 （ 3）截面校核 取 n=15，换算截面面积为 2220 6 4 2 5 72 5 1 3156 2 514.3 s 换算截面惯性矩为 41124240 102 5 0706 2 5(2 5 1 3152164 1 2 5 核心距为 26 425 100 为小偏心。 小偏心受压构件为全截面受压，故受压区圆心角为 360， =180。 m i nm a 10 3231 c o s 1 122 s i n 3 c o s 4 3 s i n c o s 0 3 3 . 1 4 ( 1 ) 9 . 4 21 2 3 s i n 4 3 2 s i n c o s 3 7 . 73 c o s 9 . 4 2 （ 配筋率为 % 混凝土的最大压应力为： m a )625545(0 0 2 0 M P 钢筋的最大压应力为： 212 62512 545)112( M P 6 0 符合要求。 2. 箍筋与骨架钢筋 箍筋采用 8，间距为 200增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔 2m 加一道 18的骨架钢筋。 则综合上述计算得出设计配筋为： 根据计算和构造要求，初步配筋为：桩与承台联结方式为主筋伸入式，桩身伸入承台板 筋伸入承台的长度对光圆钢筋不得不小于 45倍主筋直径，取 1m；主筋应配到 4/主筋在桩中的长 度为 为 17m,箍筋采用单肢 8，间距为 200增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔 2 20的骨架钢筋。为预防施工中钢筋笼被混凝土顶起，使 2根 20主筋伸到桩底。 八、基桩验算 1. 单桩轴向承载力验算 11 本题桩底置于透水土中，计算桩身自重和桩入土部分同体积的土重时均可考虑水的浮力。 桩身自重为： )10()22 )1025()2 桩入土部分同体积土的重量： )10( )1020(2 则桩底受力： 3 45 0 45 8 64 0 1 2m a x 故，单桩承载力符合要求。 2. 单桩稳定性检算 桩的计算长度为 查铁路桥涵混凝土结构设计基本原理表 11知，。 6 4 2 5 ， 查规范 ()h m A )4 0 1 2 6 5 6 2( 1 2 3 12 M P a c 单桩稳定性符合要求。 由混凝土结构设计规范可知，圆形截面的钢筋混凝土受弯构件和偏心受压构件，其斜截 面受剪承载力可换算成矩形截面进行计算。此时 ， 00 . 7 0 . 0 7o y v AV f b h f h 4 0 1 20 0 8 8m a x 受剪承载力符合要求。 4. 横向力作用下桩的稳定性及其承载力 由基础工程公式 6 )(2)(21 式中： ，1 ， 0 2，2 ，暂取 10c 2 38t a n ( 4 5 ) 2 . 3 52 2 38t a n ( 4 5 ) 1 . 3 92 代入计算可得： )(2)(21 1 . 0 0 . 8 2 0 1 4 . 6 2 2 . 3 5 1 . 3 9 2 0 2 2 . 3 5 1 . 1 8 K P a 3m a x 检核通过。 5. 地基持力层承载力验算 检算条件：桩中心间距为 5米，小于 6d，考虑群桩效应； 检算方法： 0N 如下图 4，为假想实体基础示意图 式中： N 桩台以上的竖向力、桩重、土重，此处 13 M 高承台桩局部 冲刷线以上外力对该平面处桩群形心的力矩 A 实体基础底面面积，由于内摩擦角的影响 W 实体基础的地面截面模量 由于内摩擦角的影响，外伸宽度： 0388 2 1 2 . 4 t a n 9 . 8 74 0385 2 1 2 . 4 t a n 6 . 8 74 29 . 8 7 6 . 8 7 6 7 . 8 1A a b m 22 36 . 8 7 9 . 8 7 1 1 1 . 5 466 桩 身自重： 1 95 8 661 桩侧土自重： 8 0 则，地基上总竖向力： 1 2 8 0 1 92 0 0 0 00 桩群形心的力矩： K N 则， K P 00 1 2 30 图 4 假想实体基础示意图 14 6. 桩的抗裂验算 由于桩属于小偏心受压，全截面受压，钻孔灌注桩，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。 7. 桩对其侧面土的横向压应力 由基桩内力计算知：（如图 2） m a x K P a，满足要求。 8. 地基沉降检算 摩擦型群桩基础，在桩底的中心距小于或等于 6 倍时，应视为桩基为实体基础，采用建筑地基基础设计规范 议计算，验算桩基的沉降量或相邻基础的沉降差。 （ 1）计算基础底面的附加压力 基础底面平均压 力为 : K P k 1 2 30 基础底面自重压力为 : K P 上式中 m为基底标高以上天然土层的加权平均重度，其中地下水位下的重度取浮重度 3/ 基础底面的附加压力为 : K P 910 （ 2） 确定分层厚度 查规范知，基础分层厚度 则，不妨取。 （ 3）沉降经验修正系数s查工程地质与土力学教材知： 中密孵石层 6为 28松比为 M P 20 15 1111 =查规范知： 0时，s取 （ 4） 确定沉降计算深度 查规范知： 7.6)（ 5） 计算分层沉降量 根据 基础规范 表 算的分层沉降值见下表 : 表 3 各土层沉降计算表 层次 i z(m) i=i（ a/b,z/i - 4si(i - m) 4si(i - (m) 1 ， 范围内的计算沉降量为 (6） 最终的沉降量 总 故， 总满足要求。 七、单桩材料用量表 表 4：单桩材料用量表 16 八、电算结果与计算结果对比表 表 5 基础变形系数及桩顶刚度系数 1 2 3 4 电算结果 106 104 104 105 计算结果 106 104 104 105 表 6 承台刚度系数矩阵 电算结果 105 107