中南大学基础工程课程设计

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 设计任务书第二部分 设计说明书

⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯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δ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、设计资料线路：双线、直线、坡度4‰、线间距5m，双块式无砟轨道及双侧1.7m宽人行道，其重量为44.4kN/m。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。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。地质及地下水位情况：标高（m）地质情况厚度（m）36.79~36.29耕地0.536.29~30.79软塑砂粘土5.530.79~21.29粉砂9.521.29～19.89淤泥质砂粘土(松软)1.419.89～-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 20kN/m3，土层平均内摩擦角 28o。地下水位标高：＋30.5m。标高：梁顶标高+53.483m，墩底＋35.81m。风力：w800Pa(桥上有车)。桥墩尺寸：如图1。二、设计荷载承台底外力合计：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墩顶外力：双线、纵向、一孔重载：H 253.44kN，M 893.16kNm三、设计要求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。检算项目单桩承载力检算（双线、纵向、二孔重载）；群桩承载力检算（双线、纵向、二孔重载）；墩顶水平位移检算（双线、纵向、一孔重载）；桩身截面配筋计算（双线、纵向、一孔重载）；桩在土面处位移检算（双线、纵向、一孔重载）。设计成果：设计说明书和计算书一份设计图（A3纸,最好是手工图)一张四、附加说明如布桩需要，可变更图1中承台尺寸；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》（ TB10002.5-2005）《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）3．《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（ TB10002.3-2005）4.《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》（TB10002.4-2005）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=31.1m，梁全长32.6m，梁端缝L 0.1m。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》 TB1002.3-2005三、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，选用20Φ16的I级钢筋，钢筋面积4019mm2。钢筋采用环形对称布置，净保护层厚度60mm，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Φ8@200mm。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 Φ16。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Φ12。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。第三部分 设计计算书一、基础尺寸的确定桩身及承台均采用30混凝土。设计桩径采用d=1.00m，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。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1.5d=1.50m，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l=40m。桩底标高为-6.69m，桩端进入持力层的深度为 3.18m。估算桩数：（按双孔重载估算）估算公式：n=

N[p]单桩容许承载力为：[P]1Ufilim0A[]2其中U d 1.05 3.299m（d按成孔直径计算）A d2= 1.002=0.785m24d按设计直径计算）l>10d，故：[]0k22(4d3)6k22d该土层平均天然重度20kN/m3，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：'201010kN/m336.7930.52030.56.6910求得：236.7911.447KN/m6.690=430kPa，深度修正系数k=5，k2'=1k2=2.5。22故：[]0k22(4d3)6k22d430511.45441-362.511.451659kPa土质按较差处理，钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数 m0 0.4li如下表：地质情况软塑砂粘土粉砂淤泥质砂粘土细砂（中密）粗砂（中密）

厚度（lim）极限摩阻力f（kPa）i2.52 359.5 451.4 2523.4 503.18 80则单桩的轴向受压容许承载力：[P]1Ufilim0A[]211.052.25359.5451.42523.4503.18800.40.78565923464.53KN/m取1.3，按二孔重载估算桩数：nN18629.07，暂取n8，验算后再作必要调整。1.36.99P3464.53二、桩的布置及桩的连接方式布桩《铁路桥规》规定：钻孔灌注桩中心距不应小于 2.5倍成孔桩径。当桩径d 1m时，最外一排桩至承台底板边缘的净距不得小于 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。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设计荷载：双线、纵向、二孔重载：N=18629.07KN,H=341.5KN,M=4671.75KN.m双线、纵向、一孔重载：N=17534.94KN,H=341.5KN,M=4762.57KN.m计算b0，（1）桩的计算宽度b0b0=KfK0Kb其中：Kf0.9，K0=（1.5d0.5）/d=2水平力作用方向上相邻两桩的净距L12.0m0.6h10.63(d1)3.6mn=2，b'=0.61bL10.610.62.0故：Kbh10.60.8220.66由上述得：b0=KfK0Kb=0.920.8221.00=1.48（2）基础额变形系数mb0EI4其中：桩截面惯性矩 I d 0.0491m464C30混凝土受压弹性模量 EC 3.2 104MPaEI 3.2 107 0.0491 1.57KPa/m4假定桩为弹性桩，则其计算深度：hm=2(d+1)=2(1.05+1)=4.1mhm深度内存在两层不同的土，则m的换算公式为：m=m1h12+m2(2h1+h2)h2hm2其中：m16000KN/m4，h12.52m；m28000KN/m4，h21.58m，则m1h12m2(2h1h2)h2mhm260002.5228000（22.521.58）1.587244.45KN/m44.12故桩的变形系数：mb07244.451.4815EI51.571060.369m桩的换算入土深度： l 0.369 40 14.76 2.5，则桩为弹性桩，假设成立。计算单桩桩顶刚度1、2、3、411l0l1AEC0A0其中l00,l40m,E3.2104MPa,Ad20.785m2,0.54因A的直径Dd2ltan12*40*tan28o10.82m3m（相邻中心距）故：044AD2327.069m2044因l40m10m，故C0m0lml7244.4540289778KN/m3从上得1l0l100.54017.7910511AEC0A00.7853.21072897787.069又l03931070.04911.57KPa/m40，,EI3.2查表有YH=1.064，YM0.985，M1.484故23EIYH0.39331.571061.0641.014105KNm32EIYM0.39321.571060.9852.388105KN4EIM0.3931.571061.4849.157105KNm/rad计算承台刚性系数ni1aani2

nnn

187.791056.232106KN/m281.0141058.112105KNm382.3881051.910106KN32ni4ni1xi289.15710587.7910522.132107KNm/rad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：B0b+1=11.2+1=12.2m，Chmh6000*2.9817880KN/m3aa'aaB0Chh8.11210512.2178802.9811.136106KNm222''B0Chh1.91010612.2178802.98211.587106KN663'B0Chh2.13210712.2178802.98312.613107KNm/rad1212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，bababa0，则有：a aa a Hbbb Na a MN化简后可得：bbba

H a M2aa aaa M a H2aa a（1）荷载情况1：双线、纵向、二孔重载N=18629.07KN,H=341.5KN,M=4671.75 KN mbN18629.077.129104mbb2.613107aHaM2aaa2.613107341.51.5871064671.756.0141041.13662.613107（1.587621010）aaMaHaaa21.1361064671.751.587106341.52.153104rad1.1361062.613107（1.5871062）（2）荷载情况2：双线、纵向、一孔重载N=17534.94KN,H=341.5KN,M=4762.57KNmbN=17534.942.813103mbb6.232106aHaM2aaa2.613107341.51.5871064762.576.067104m1.1361062.613107（1.5871062）aaMaHaaa21.1361064762.571.587106341.52.191104rad1.13667（1.58762102.6131010）四、墩身弹性水平位移δ计算假定墩帽、托盘和基础部分产生刚性转动，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。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=893.16KNm（2）墩帽所受风力：H墩帽7.50.60.83.6KN作用点离墩帽底面的距离为l墩帽0.3m（3）托盘所受风力：H托盘（7.15.9）0.51.50.87.8KN作用点离托盘底面的距离为h（a2b）1.5（5.927.1）l托盘b）3（5.90.773m3（a7.1）其中短边a5.9m，长边b7.1m（4）墩身所受风力：H墩身1-2（5.96.02）310.814.304KN，2H墩身2-3（6.026.14）310.814.592KN,2H墩身34（6.146.26）310.814.88KN2H墩身4（6.26110.181KN56.34）2.020.82作用点离墩身底面的距离为 :3（2）1.49ml墩身1-233（）5.96.023（6.022）l墩身2-336.141.5m3（6.14）6.02l墩身3-433（6.1426.26）1.5m3（6.146.26）2.02（2）l墩身4-52.026.266.341.01m3（6.26）6.34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托盘顶墩身墩身墩身墩身墩身置0-01-12-23-34-45-5项目墩顶弯矩墩顶水平力墩帽风力托盘风力1-2墩身风力 2-33-4墩身风力4-5总计

893.16893.16893.16893.16893.16893.16152.064532.2241292.5442052.8642813.1843325.1331.086.4817.2828.0838.8846.15206.02929.42952.82976.22991.9850021.31364.225107.137136.03100021.88865.66495.14000022.3252.3780000010.2831046.3041437.8932253.7263113.0464016.5744650.2622、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Mi(kNm)h(m)h(m)Ii=bh34)EI(kNm2)=Mih(rad)d=Mihhi(m)i(miEIiEIi121-2段1845.81033.6117.20755.16231081.0731053.87351052-3段2683.38636.619.56475.86941081.3721059.05521053-4段3564.8139.622.15216.64561081.60910515.44641054-5段4333.4182.0212.1124.49447.34831081.19110514.4230105总计5.2451054.2798104注：（1）墩身为C30混凝土：Eh 3.0107kPa；（2） h：分段高度；（3）hi：分段水平力作用点到墩顶的距离，Mi上+Mi下（4）计算弯矩Mi=2五、桩基检算单桩承载力检算（按二孔重载计算）N=18629.07KN，x 1.5m， 2.153 104rad， 1 7.79105KN/M则桩顶内力：NmaxNx18629.07/87.791051.52.1531042580.212KNn1桩身C30混凝土容重 0 25kN/m3，土平均重度 20kN/m3则桩自重：G'12(2.8125(402.81)15)493.31KN4桩入土部分同体积土重：G''1.052(2.8120(402.81)10)370.69KN4则NmaxG'G''2580.212493.31370.692702.83KN1.2P1.2*3563.654276.38KN故单桩轴向受压承载力满足要求。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28o）较顶面放大（如图5）。底面尺寸：a3312ltan4444440tan28o91219.823m4b 3.0 1 2ltan428o3 1 2 40 tan 13.823m4A ab 19.82313.823 274.001m2图5群桩承载力检算示意图W ab2 19.823 13.8232 631.281m36 6桩自重：G1 nG' 8 493.31 3946.48KN桩侧土重：G2 274.001 2.8120 (40 2.81) 10 370.698 114334.308KN承台重：G3 11.2 7 2.5 25 4900KN'承台部分土重：G3 11.2 7 2.5 20 3920KN故：N0NG1G2G3G318629.073946.48114334.30849003920137889.858KNN0M137889.8584671.75659KPaAW274.001510.646KPa631.281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a H d6.0671042.19110416.64.27981044.672103m4.672mm[]5L54031.62mm结构在土面处的位移（按一孔重载计算）在《桥规》中查m，m0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：h'36.7933.313.48mah'6.0671042.1911043.481.423103m6mm可以用m法直接查表计算。桩身截面配筋设计（按一孔重载计算）（1）桩身弯矩计算H0a236.0671041.0141052.1911042.3881052.198KNM04a32.1911049.1571056.0671042.38810555.750KNm因此，任意深度 z处桩身截面弯矩：MzH0AMM0BM2.198AM55.750BM5.957AM55.750BM0.369Mz列表计算，如下表所示：Mz计算表z z(m) AM Bm 5.056AM 69.956BM Mz(kN m)0001v0.20.5090.1970.9981.17355.63856.8120.41.0180.3770.9862.24654.97057.2150.61.5270.5290.9593.15253.46456.6160.82.0360.6460.9133.84850.90054.7481.02.5450.7230.8514.30647.44451.7501.23.0530.7620.7744.54043.15147.6901.43.5620.7650.6874.55738.30042.8581.64.0710.7370.5944.39033.11637.5061.84.5800.6850.4994.08027.81931.8992.05.0890.6140.4073.65722.69026.3472.25.5980.5320.323.41717.84021.2572.46.1070.4430.2432.63913.54716.1862.66.6160.3550.1752.1149.75611.8702.87.1250.270.121.6096.6908.3003.07.6340.1930.0761.1504.2375.3873.58.9060.0510.0140.3040.7801.0844.010.17800000M由表知：Mmax57.215KNmNminN1xn17534.947.791051.5229KN（2）计算偏心距Mmax57.215初始偏心距：e00.029mNmin1940.29

01.02.03.03.54.0偏心距放大系数：1KN12EhIhlc2其中：影响系数0.10.160.10.160.58e00.20.038/10.2h计算长度lc0.5*（l04）0.5*（04）5.089m（此式中为变形系0.393数）安全系数K=0.6（主力+附加力）则：111.033KN0.617534.94112EhIh23.01070.0491lc20.585.0892e'e01.0330.0380.039m（3）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，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AA0.5%100023926.99mm2s,minminc4选用2016的I级钢筋，AS,实4019mm2