基础工程课程设计-铁路桥梁高承台桩基础设计.doc

1、基础工程课程设计- 铁路桥梁高承台桩基础设计基础工程课程设计铁路桥梁高承台桩基础设计一、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 =2000KN，内摩擦角 ,=38o ，地基的基本承载力=900KPa。局部冲刷线标高为19.200m，0承台底与水位线平齐，设计标高为26.800 m 。采用钻孔灌注桩施工，桩基直径为 1.0,1.8 m 。4 设计时，桩侧土极限摩阻力f=180KPa，横向地基系数的比例系数m=80MN/m。基桩混凝7 土采用 C30，其受压弹性模量E=2.65×10KPa。 h二、设计荷载该桥墩由主力加附加力双孔活载控制桩基设

2、计。作用于承台底面的竖向力:N=2000KN、水平力 H=400KN，力矩 M=6900KNm。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 1.25 ×(7.6+12.4)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7.6m，故上部桩长取7.6m，总桩长不妨取为为 20

3、m，桩地标高 6.8m 处。故基桩尺寸为 : 桩长取为 20m，上部长度 7.6m, 下部长度为 12.4m; 桩径 1.25m。(3) 混凝土等级基桩采用 C30混凝土，承台采用 C25。2. 基桩数量,N,n,p按双孔重载估算桩数:式中 : 为经验系数，桥梁桩基采用1.3,1.8 。(1) 计算单桩容许承载力1PUflmA, ， , ii02,222AA,d, ，1.25,1.227m 式中 : 桩底面积，此处为 44 m,0.55 桩底支撑力折减系数，按规范 6.2.2-6 ，取 m00 2UUr, ，,(0.05)3.299 桩身截面周长， ( 按旋转锥计算 ) fkPa,180 极限

4、摩阻力， fiilm,12.4土层厚度，lii'(43)6,，, ，kdkd,桩底地基土的容许承载力，按公式02222'(43)6,，, ，kdkd 02222式中 : 地基基本承载力， ,900kPa,00,k,3由铁路桥涵规范4.1.3 ，取， kk,6222'(43)6,，, ，kdkd 02222,900 ，6，20，(4 ， 1.25,3) ，6，3，20，1.25,1590KPa根据规范 4.2.2 ，主力加附加力时，可以把地基容许承载力提高20%,1590，1.2,1908KPa1 PUflmA, ，, ii021 , ， 3.299 ，180， 12.4

5、 ，0.55 ，0.785 ，1908,4505.463 2(2) 确定桩数 nN20000,n,u,1.3 ，,5.77 P4505.436 暂取 n,6 ，验算后在做必要调整。3. 基桩布置根据铁路桥涵规范6.3.2 ，钻孔灌注桩的中心距不应小于2.5 倍成孔桩径 ; 各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0.5m。根d,1m0.3d据承台及以上布桩原则，基桩的布置图如下:图1基桩布置图四、每根桩顶内力计算1. 单桩的计算宽度 b0形状换算系数圆形截面， =0.9; Kfd，1K,1.80受力换算系数 d桩间相互影响系数L,4m,h,3(d，1),3 ，(1.

6、25 ，1),6.75m11L,4m,0.6h1,4.05m故， 1L(1,b')(1,0.45)41K,b'，,0.45 ， ,0.990.6h0.66.751b,0.99 ， 0.9 ，1.8 ，1.25,2.0m 单桩计算宽度 02. 桩的变形系数4，1.25,76EI,0.8EI,0.8，2.65 ，10， ,1.625 ，10 桩的抗弯刚度 : h64mb80000，2055,0.629基础的变形系数 : 6EI1.625，10桩的入土深度 : ,l,0.629，12.4,7.800m,2.5m可见，此桩按弹性桩计算。3. 单桩桩顶刚度(1) 轴向刚度系数 ,1,0.

7、5 该桩为钻孔灌注桩，故。77lmlm,12.4,7.6 EA,1.227 ，2.65 ，10,3.25 ，100，38 由公式 D,d， 2， l ，tan,1.25， 2， 12.4tan,5.4m 大于桩间中心距4m， 4故， 取 D,4m,222 则， A,D, ，4,12.56m 0044C,ml,80000 ，12.4,992000 00116,1.98，10 1,l，l7.6 ，0.5 ，12.4110 ， 7992000，12.563.25 ，10EACA00(2) 轴向刚度系数、 ,324,l,0.629，12.4,7.800,l,0.629， 7.6,4.780-57计算，

8、 按式 60由表 6-15 可知 :Y,0.0414,Y,0.1358,0.5988 HMM3364,EIY,0.629，1.625 ， 10，0.0414,1.67 ，10KN/mH23364,EIY,0.629，1.625 ， 10，0.1358,5.49 ，10KN/m M33365,EIY,0.629，1.625 ， 10，0.5988,2.42 ，10KN/mH44. 承台刚度系数与承台底面形心处位移计算按公式 6-63 计算各反力和反力矩67,n,6，1.98 ，10,1.188 ，10KN/mbb145,n,6，1.67 ，10,1.002 ，10KN/maa2 45,n,6，5

9、.49 ，10,3.294 ，10KN/m,325627,n, ， ,nx,6 ，2.42 ，10， 1.98 ， 10，6，2,4.897 ，10KN/m,ii41按公式 6-62 计算 b, a, N200003, b,1.684，10m7,1.188 ，10bb75,H,M4.897 ， 10，400，3.294 ，10， 6900,3, a,4.465，10m257521.002，10， 4.897 ，10,(3.294 ， 10),aa,55,M,H1.002 ， 10，6900，3.294 ， 10，400,aa4, ,1.715，10rad257521.002 ，10，4.897

10、 ， 10,(3.294 ，10),aa,5. 桩顶内力计算按公式 6-64 计算。分别以代入第一式，可以求得桩顶的最大和最小轴向力 : x,2 Nmax401220000N,46,x, =,2 ， 1.715 ，10，1.98 ，10=KN 1n62654Nmin此外 ,34,44H,a,4.465，10， 1.67 ， 10,1.715 ，10，5.49 ， 10,66.67KN i23,45,34M,a,1.715，10， 2.42 ， 10,4.465 ，10，5.49 ， 10 i43,202.802KNm校核 :N,3， (4012 ，2654),20000KN,N ,iH,6，

11、66.67,400KN,H ,iM,202.802 ，3，(4012,2654) ，3 ，2,6930KNm,M ,五、局部冲刷线处桩身的横向位移和转角x, 因桩下端在土层内，且，故和可利用式6-38 和 6-39 计算，即 al,2.500HM00,， xAB0xx32,EIEIHM00,， AB,02EIEI,其中M,M， Hl,202.802，66.67 ， 7.6,303.89KNm 0ii0H,H,66.7KN0iAB 系数、可根据 ( 地面处 ) 及 AB,z,0z,0,l,4.0xx,A,2.441 B,1.621 xxA,1.621B,1.751 ,则66.67303.890,

12、4x,，2.441 ， ,8.75 ，10m 036260.629，1.625 ，100.629 ，1.625 ，1066.67303.890,4 ,1.621， , ， 1.751,6.887 ，10rad02660.629 ， 1.625 ，100.629 ，1.625 ，10六、桩身内力计算1. 求任意深度 z 处桩身截面上的弯矩H66.670M,A，MB,A，303.890B,105.994A ， 303.890B M0MMMMM,0.629AB系数、值可根据值及从表 6-11 查得。将局部冲刷线以下任意深 ,z,l,4.0MM 度 z 处的 Mz值表计算如下表所示。 2. 求任意深度

13、 z 处的桩侧土的抗力22,HM0.629 ，66.670.629 ， 303.89000,A ，B,A， B,20.996A ，60.112B,z,bb2200M则，和列表计算如下表 1，并将计算结果绘于图 2。 ,zxz M表 1 和计算表 ,zxz60.112B ,/kPa,z 20.996A303.890BM105.994AAB,xzABZ/m Z,M,MMM0.00 0.000 0.000 1.000 0.000 303.890 303.890 0.000 0.000 0.000 0.0000.000 0.20 0.318 0.197 0.998 20.881 303.282 324

14、.163 0.424 0.258 8.90215.509 24.411 0.40 0.636 0.377 0.986 39.960 188.701 339.595 0.721 0.40015.138 24.045 39.183 0.60 0.954 0.529 0.959 56.071 183.533 347.501 0.9020.450 18.938 27.050 45.989 0.80 1.272 0.646 0.913 68.472 174.730 345.9240.979 0.430 20.555 25.848 46.403 1.00 1.590 0.723 0.851 76.634

15、162.864335.244 0.970 0.361 20.366 21.700 42.067 1.20 1.908 0.762 0.774 80.767148.128 315.978 0.895 0.263 18.791 15.809 34.601 1.40 2.226 0.765 0.68781.085 131.478 289.858 0.772 0.151 16.209 9.077 25.286 1.60 2.544 0.7370.594 78.118 113.680 258.628 0.621 0.039 13.039 2.344 15.383 1.80 2.8620.685 0.49

16、9 72.606 95.499 224.247 0.457 -0.064 9.595 -3.847 5.748 2.003.180 0.614 0.407 65.080 77.892 188.764 0.294 -0.151 6.173 -9.077 -2.9042.20 3.498 0.532 0.320 56.389 61.242 153.634 0.142 -0.219 2.981 -13.165 -10.183 2.40 3.816 0.443 0.243 46.955 46.505 120.801 0.008 -0.265 0.168 -15.930 -15.762 2.60 4.1

17、34 0.355 0.175 37.628 33.492 90.809 -0.104 -0.290 -2.184 -17.432 -19.616 2.80 4.452 0.270 0.120 28.618 22.966 65.085 -0.193 -0.295 -4.052 -17.733 -21.785 3.00 4.769 0.193 0.076 20.45714.545 43.552 -0.262 -0.284 -5.501 -17.072 -22.573 3.50 5.564 0.0510.014 5.406 2.679 9.660 -0.367 -0.199 -7.706 -11.9

18、62 -19.668 4.00 6.3590.000 0.000 0.000 0.000 0.000 -0.432 -0.059 -9.070 -3.547 -12.617图 2 桩身弯矩和桩侧土横向压应力分布图M=-202.802KNm max=46.412KPa ,maxM=303.89KNm maxM=347.512KNm max3. 任意深度 z 的剪力 HzH,HA，,MB,66.67A ，0.629 ， 303.89 ，B,66.67A ， 191.147Bz0H0HHHHHH则，列表计算如下表 2，并将计算结果绘于图3。 z表 2 H 剪力计算表 z191.147B66.67A

19、Hz,zABHZHHH0.00 0.000 1.000 0.000 66.670 0.000 66.670 0.20 0.318 0.956 -0.280 63.737 -53.521 10.215 0.40 0.636 0.839 -0.096 55.936 -18.350 37.586 0.60 0.954 0.675 -0.182 45.002 -34.789 10.213 0.80 1.272 0.458 -0.271 30.535 -51.801 -21.266 1.00 1.590 0.289 -0.351 19.268 -67.093 -47.825 1.201.908 0.10

20、2 -0.413 6.800 -78.944 -72.143 1.40 2.226 -0.066 -0.455 -4.400 -86.972 -91.372 1.60 2.544 -0.206 -0.474 -13.734 -90.604 -104.338 1.802.862 -0.313 -0.471 -20.868 -90.030 -110.898 2.00 3.180 -0.388 -0.449 -25.868 -85.825 -111.693 2.20 3.498 -0.432 -0.449 -28.801 -85.825 -114.626 2.40 3.816 -0.446 -0.4

21、12 -29.735 -78.753 -108.487 2.60 4.134 -0.437 -0.363 -29.135 -69.386 -98.521 2.80 4.452 -0.406 -0.307 -27.068 -58.682 -85.750 3.00 4.769 -0.361 -0.249 -24.068 -47.596 -71.663 3.505.564 -0.200 -0.067 -13.334 -12.807 -26.141 4.00 6.359 -0.010 0.000 -0.667 0.000 -0.667图 3 剪力分布图H=66.67KN zmaxH=114.626KN

22、 zmax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16mm，净距不宜小于 120mm，主筋净保护层不因小于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 =0.2%。 min M,347.512KNm,H,114.626KN,Nmax,4012KN设计荷载 :maxzmax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 0.1m，主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/a 处, 以下

23、2m处，故主筋在桩中的长度为 16.96m, 取为 17m,箍筋采用单肢 8 ，间距为 200mm。为增, 加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔 2m加一道 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. 主筋(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16mm，净距不宜小于 120mm，主筋净保护层不小于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C25，根据桥规规定，取=0.5%,则 : min此处采用对称配筋

24、，按照最小配筋率初定钢筋截面面积，即23.14 ，12502A, ， A,0.2%， ,2453mm sc,minmin42 选取820 的一级钢筋，取净保护层厚度为70mm。A,2513mms实此时主筋间距为:2R2， 3.14 ， (625,70,10),(,d),(,20),407.8,120mm 0n8图 5: 横截面配筋 ( 单位 :mm)(2) 计算偏心距 ei3M347.512， 10maxe,130.9mm0N2654min0.10.1 ,， 0.16,，0.16,0.531e86.600.2，0.2 ，1250h查基础工程课本表6-25可知 : 对于桩在的多排桩，计算长度为,

25、l,444 l,0.5，(l ， ),0.5 ，(7.6 ，),7.6mc0,0.531l/d,6.1,7因为，由表 6-26 可知 : 纵向弯曲折减系数 ,1 c7Eckpa, ，3.210 取，由附表 2.3 可知 : K,0.6则 :11, =1.0002 KN0.6 ，4012,1,1,0.531227EI3.14， 3.2 ， 10，0.120,cc227.6lce,e,1.0002，130.9,130.9mm 偏心距为 i0(3) 截面校核取 n=15，换算截面面积为222A,R ，nA,3.14 ，625，15，2513,1264257.5mm s0换算截面惯性矩为44d13.1

26、4 ，12501,22114I, ， nAr, ， 15， 2513， (625,70,10),1.258，10mmss0642642核心距为11I1.258 ，100 为小偏心。 k,159.2mmAy1264257.5 ，6250小偏心受压构件为全截面受压，故受压区圆心角为360?， =180?。1cos1,(-1)K,122 32V, ， , ， ,2sin3cos43sincos033.14(1)9.42,3W,123sin432sincos37.7,Q,3cos9.42,配筋率为A2513实 ,2.1%A1226562.5c混凝土的最大压应力为 :96KM,max, ,c2 ， r,

27、3sRWn24，,R,，696， 1， 1.0002 ，347.512 ， 10 , 54532625 ， 37.7 ，24， 15，3.14 ，0.0021 ， ()625,3.46MPa,11.2MPa b钢筋的最大压应力为 :RKr21, ， s',n sc2KR625， (2 ，1,1) ，545,15 ，3.46 ， 2 ，1，625,48.59MPa,160MPa s符合要求。2. 箍筋与骨架钢筋箍筋采用 8，间距为 200mm，为增加钢筋笼刚度，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

28、为主筋伸入式，桩身伸入承台板0.1m，主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/a 处以下 2m处，故主筋在桩中的长度为 16.96m, 取为 17m,箍筋采, 用单肢 8 ，间距为 200mm。为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔 2m加一道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 :22,DD,( ，7.6 ， 12.4) ，(,10) G44223.14 ， 1.253.14 ，

29、1.3 ,(，7.6 ， 12.4) ， (25,10) 44,386.585KN 桩入土部分同体积土的重量:2,D', ，12.4 ，(,',10) G423.14 ，1.3, ，12.4 ，(20,10) 4,164.505KN 则桩底受力 :'N ，G,G,4012， 386.585,164.505,4234.08KN max1.2P,1.2，4505.263,5046.316KN,4234.08KN故，单桩承载力符合要求。2. 单桩稳定性检算l,7.6m 桩的计算长度为，查铁路桥涵混凝土结构设计基本原理表11-3 可知， cm,10.4 。3ll7.6 ， 10

30、cc,24.111iI1.258，100A1264257.50,0.898故， 查规范N ,h'()，AmA,cs34012，10, 1.0 ，(1226562.5 ， 10.4 ， 4012),3.52MPa,9.0MPa c单桩稳定性符合要求。3. 单桩斜截面承载力验算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h,1.6r,1.6，0.625,1m ， b,1.76r,1.76，0.625,1.1m0Asv 0.70.07VfbhfhN,， 0toyvs50.3 ,0.7， 1.24 ， 1100，1000

31、，210， 1000，0.07 ，4012000200,1288.455KN,V,114.626KN max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 6-110 可知 :,z(,k,k)，2c(,K ， K)z12papab0,1.0,0.8 式中 : ，暂取 ,2ckpa,10z,2.9012 ， b382 k, ， ,tan(45)2.35p2382 k,tan(45)1.39a2代入计算可得:,z(,k,k)， 2c(,K，K)z12papa， , ， , ， 1.00.82014.622.351.392022.351.18，,773.2KPa,46.12

32、KPa max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 ;NM0, ， , 检算方法 : ,AW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图 4 假想实体基础示意图由于内摩擦角的影响，外伸宽度 : 038am,， ,8212.4tan9.87 4 038bm,， ,5212.4tan6.87 42 Aabm,，, ，,9.876.8767.8122ba6.879.87 ， 3Wm,111.54

33、66桩身自重 :G,6， 386.585,2319.51KN1桩侧土自重 :'G,67.81 ，20， 12.4,6 ， 164.505,17803.91KN则，地基上总竖向力 :'N,N ，G，G,20000，2319.51 ，17803.91,40123.420桩群形心的力矩 :M,6900， 400，7.6,9940KNmNM40123.4299400， , ，,680.82KPa,900KPa则， AW67.81111.546. 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

34、压应力由基桩内力计算知 :( 如图 2) ,46.12KPa, ，满足要求。 max08. 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 GBJ7-89建议计算，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 :N40123.320 p,591.7KPa kA67.81基础底面自重压力为 :,d,10.0， 12.4,124.0KPa chm上式中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 ,m,h,3ii,10.0KN/m ,mh,i基础底面的附加压力为 :P,P,5

35、91.7,124,467.7KPa 0kch(2) 确定分层厚度d,0.4b,2.748m,则，不妨取 d,2.4m 查规范知，基础分层厚度。(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 E 为 26-32MPa，取为28MPa，0泊松比为 0.25-0.35 ，取 0.3 。E280E,37.69MPa si22,22，0.31,1,1,1,0.3nnAA,iiii,1,1EE,=37.69MPa sisnnAiA,ii,1i,1EsiEsiE,20MPa, 故查规范知 : 时，取 0.2 。 ss(4) 确定沉降计算深度h,b(2.5,0.4lnb),6.87， (2.5,0.4，ln6.87),11.87m查规范知 : c(5