铁路桥梁高承台桩基础设计书

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γ=2000KN，内摩擦角=38º，地基的基本承载力σ=900KPa。局部冲刷线标高为19.200m，承台底与水位线平齐，设计标高为26.800m。采用孔灌注桩施工，桩基直径为1.0～1.8m。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/m4。基桩混凝土采用C30，其受压弹性模量E=2.65×107KPa。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、基桩选择基桩类型与尺寸基桩类型——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。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20m，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。混凝土等级基桩采用C30混凝土，承台采用C25。基桩数量Nn[p]按双孔重载估算桩数：式中：µ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1[P]UflmA[] 2 ii 0式中:A——桩底面积，此处为Ad21.2521.227m244m——桩底支撑力折减系数，按规范6.2.2-6，取m0.55 0 0U——桩身截面周长，U(r0.05)23.299（按旋转锥计算）f——极限摩阻力，f180kPa i il——土层厚度，l12.4m i i[]——[]k(4d3)6k'd桩底地基土的容许承载力，按公式 0 22 22[]k(4d3)6k'd 0 22 22式中：——地基基本承载力，900kPa 0 0 k——由铁路桥涵规范4.1.3，取k6，k3 2 2 2[]k(4d3)6k'd 0 22 22900620(41.253)63201.251590KPa四、每根桩顶内图1基桩布置根据规范4.2.2，主力加附加力时，可以把地基容许承载力提高20%[]15901.21908KPa1[P]UflmA[] 2 ii 013.29918012.40.550.78519084505.463 2 确定桩数n（2） N 20000nu1.35.77 P 4505.436 暂取n6，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d1m时，不得小于0.3d，且不得小于0.5m。根据承台及以上布桩原则，基桩的布置图如下：力计算1.单桩的计算宽度b0形状换算系数圆形截面，K=0.9；fd1K 1.8受力换算系数0 d 桩间相互影响系数L4m,h3(d1)3(1.251)6.75m 1 1故，L4m0.6h14.05m1 (1b')L (10.45)4Kb'10.45 0.99 0.6 h1 0.6 6.75 单桩计算宽度b0.990.91.81.252.0m02.桩的变形系数1.254桩的抗弯刚度：EI0.8EI0.82.651071.625106h 64mb 800002基础的变形系数：5 05 0.629 EI 1.625106桩的入土深度：l0.62912.47.800m2.5m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该桩为钻孔灌注桩，故0.5。l12.4m,l7.6mEA1.2272.651073.25107 0 ， 38由公式Dd2ltan1.25212.4tan5.4m大于桩间中心距4m，4故，取D4m则，AD24212.56m2 040 4Cml8000012.499200001 1.98106 1ll 1 7.60.512.4 1 0 EA CA 3.25107 99200012.5600（2）轴向刚度系数、、 2 3 4按式6-57计算，l0.62912.47.800,l0.6297.64.7800由表6-15可知：Y0.0414,Y0.1358,0.5988 H M M3EIY0.62931.6251060.04141.67104KN/mH3EIY0.62931.6251060.13585.49104KN/mM3EIY0.62931.6251060.59882.42105KN/mH4.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n61.981061.188107KN/m bb 1n61.671041.002105KN/m aa 2 n65.491043.294105KN/m 3nnx262.421051.981066224.897107KN/m 4 1 ii按公式6-62计算b,a,β N 20000b 1.684103m1.188107bb HM 4.8971074003.2941056900 a 4.465103m21.0021054.897107(3.294105)2aa MH 1.00210569003.294105400aa 1.715104rad21.0021054.897107(3.294105)2aa5.桩顶内力计算按公式6-64计算。分别以x2代入第一式，可以求得桩顶的最大和最小轴向力： NmaxN 20000 4012 =x21.7151041.98106= KN Nminn 1 6 2654此外,Ha4.4651031.671041.7151045.4910466.67KN i 2 3Ma1.7151042.421054.4651035.49104 i 4 3202.802KNm校核：N3(40122654)20000KNNiH666.67400KNHiM[202.8023(40122654)3]26930KNmM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al2.5，故x和可利用式6-38和6-39计算，即 0 0 H Mx0A0B03EIx2EIx H M0A0B02EIEI其中MMHl202.80266.677.6303.89KNm 0 i i0HH66.7KN 0 i 系数A、B、A、B可根据z0（地面处z0）及l4.0 x x A2.441B1.621 x xA1.621B1.751 则 66.67 303.890x2.4418.75104m 00.62931.625106 0.62921.625106 66.67 303.890 1.621 1.7516.887104rad 0 0.62921.6251060.6291.625106六、桩身内力计算求任意深度z处桩身截面上的弯矩 H 66.67M0AMBA303.890B105.994A303.890B M 0M 0.629M M M M系数A、B值可根据z值及l4.0从表6-11查得。将局部冲刷线以下任意深 M M度z处的Mz值表计算如下表所示。求任意深度z处的桩侧土的抗力 H2M 0.62966.67 0.6292303.8900A0BAB20.996A60.112Bzbb22 0 0则，M和列表计算如下表1，并将计算结果绘于图2。z xz表1M和计算表 z xzzZ/m A B105.994AM303.890BM MZ A B20.996A60.112Bxz/kPa M M0.000.0000.0001.000 0.000 303.890 303.8900.0000.0000.000 0.000 0.0000.200.3180.1970.99820.881 303.282 324.1630.4240.2588.902 15.509 24.4110.400.6360.3770.98639.960 188.701 339.5950.7210.40015.13824.045 39.1830.600.9540.5290.95956.071 183.533 347.5010.9020.45018.93827.050 45.9893.任意深度z的剪力HzMmax=347.512KNmMmax=-202.802KNmMmax=303.89KNmmaxKPa=46.4121.001.5900.7230.85176.634 162.864 335.2440.9700.36120.36621.700 42.0671.201.9080.7620.77480.767 148.128 315.9780.8950.26318.79115.809 34.6011.402.2260.7650.68781.085 131.478 289.8580.7720.15116.2099.077 25.2861.602.5440.7370.59478.118 113.680 258.6280.6210.03913.0392.344 15.3831.802.8620.6850.49972.606 95.499 224.2470.457-0.0649.595 -3.847 5.7482.003.1800.6140.40765.080 77.892 188.7640.294-0.1516.173 -9.077 -2.9042.203.4980.5320.32056.389 61.242 153.6340.142-0.2192.981-13.165-10.1832.403.8160.4430.24346.955 46.505 120.8010.008-0.2650.168-15.930-15.7622.604.1340.3550.17537.628 33.492 90.809-0.104-0.290-2.184-17.432-19.6162.804.4520.2700.12028.618 22.966 65.085-0.193-0.295-4.052-17.733-21.7853.004.7690.1930.07620.457 14.545 43.552-0.262-0.284-5.501-17.072-22.5733.505.5640.0510.014 5.406 2.679 9.660-0.367-0.199-7.706-11.962-19.6684.006.3590.0000.000 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HHAMB66.67A0.629303.89B66.67A191.147B z 0H 0H H H H H则，H列表计算如下表2，并将计算结果绘于图3。z 表2H剪力计算表Hzmax=114.626KNHzmax=66.67KN图3剪力分布图七、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μ=0.2%。min 设计荷载：M 347.512KNm,H 114.626KN,Nmax4012KN max zmax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μ=0.5%,则：min此处采用对称配筋，按照最小配筋率初定钢筋截面面积，即3.1412502AA0.2%2453mm2s,minminc4选取8Φ20的一级钢筋A2513mm2，取净保护层厚度为70mm。s实此时主筋间距为： 2R 23.14(6257010)(d)( 20)407.8120mmn 0 8图5：横截面配筋（单位：mm）（2）计算偏心距ei M 347.512103emax130.9mm 0N 2654min 0.1 0.10.16 0.160.531e 86.6 0.20 0.2 h 1250查基础工程课本表6-25可知：对于桩在l4的多排桩，计算长度为 4 4 l0.5(l)0.5(7.6 )7.6mc 0 0.531因为l/d6.17，由表6-26可知:纵向弯曲折减系数1c取K0.6，由附表2.3可知：Ec3.2107kpa则： 1 1 =1.0002 KN 0.64012 1 10.531 2EI 3.1423.21070.120cc l2 7.62c偏心距为ee1.0002130.9130.9mm i 0（3）截面校核取n=15，换算截面面积为AR2nA3.1462521525131264257.5mm20 s换算截面惯性矩为 d41 3.14125041I nAr2152513(6257010)21.2581011mm40 642ss 64 2核心距为 I 1.2581011k0159.2mm为小偏心。Ay1264257.56250小偏心受压构件为全截面受压，故受压区圆心角为360°，α=180°。1cos1（-1) K 1 2 22sin33cos43sincos2033.14(1)9.42123sin432sin3cos37.7Q3cos9.42配筋率为 A 2513实2.1% A 1226562.5c混凝土的最大压应力为：96KM max c rs2R3W24n R9611.0002347.5121065456253[37.724153.140.0021()2]6253.46MPa[]11.2MPab钢筋的最大压应力为：R2K1r'nss c 2KR625(211)545153.462162548.59MPa[]160MPas符合要求。2.箍筋与骨架钢筋箍筋采用φ8，间距为200mm，为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔2m加一道φ18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： D2 D2 G(7.6 12.4)(10) 4 4 3.141.252 3.141.32(7.612.4)(2510) 4 4386.585KN桩入土部分同体积土的重量：D2 G' 12.4('10)43.141.3212.4(2010)4164.505KN则桩底受力： N GG'4012386.585164.5054234.08KNmax2[P]1.24505.2635046.316KN4234.08KN故，单桩承载力符合要求。单桩稳定性检算桩的计算长度为l7.6m，查铁路桥涵混凝土结构设计基本原理表11-3可知，cm10.4。 l l 7.6103cc 24.1i I 1.25810110 A 1264257.5 0故，查规范0.898Nh(AmA') c s40121031.0(1226562.510.44012)3.52MPa[]9.0MPac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b1.76r1.760.6251.1m，h1.6r1.60.6251m0AV0.7fbhfsvh0.07N t o yvs050.30.71.2411001000210 10000.0740120002001288.455KNV 114.626KNmax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(kk)2c(KK)] z 12 p ap ab式中：z2.90，1.002，0.8，暂取c10kpa 1 ， b 238ktan2(45)2.35p 238ktan2(45)1.39a 2代入计算可得：[z(kk)2c(KK)] z 12 p ap a1.00.82014.622.351.392022.351.18773.2KPa46.12KPamax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； N M检算方法：0AW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：380a8212.4tan9.87m 4380b5212.4tan6.87m4Aab9.876.8767.81m2ba26.879.872W 111.54m36 6 桩身自重：G6386.5852319.51KN1桩侧土自重：G'67.812012.46164.50517803.91KN则，地基上总竖向力：NNGG'200002319.5117803.9140123.420桩群形心的力矩：69004007.69940KNmM 40123.429940则，0680.82KPa[]900KPaAW67.81111.54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。桩对其侧面土的横向压应力由基桩内力计算知：（如图2）46.12KPa[]，满足要求。 max 0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: N 40123.32 p0591.7KPak A 67.81基础底面自重压力为:d10.012.4124.0KPa ch m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mihi10.0KN/m3m hi基础底面的附加压力为: PP591.7124467.7KPa 0 k ch确定分层厚度查规范知，基础分层厚度d0.4b2.748m,则，不妨取d2.4m。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。 E 28E 0 37.69MPasi 22 20.32 1 1110.3 nA nAEi1ii1i=E=37.69MPas nA nA sii E i1i i1si Esi故查规范知：E20MPa时，取0.2。 s s（4）确定沉降计算深度查规范知：hb(2.50.4lnb)6.87(2.5