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Y=2000KN，内摩擦角中=38°，地基的基本承载力。o=9OOKPa。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。采用钻孔灌注桩施工，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「2.65X107KPa。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一一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—1.25X(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ZNn=h•[p]按双孔重载估算桩数：式中：R为经验系数，桥梁桩基采用1.3〜1.8。计算单桩容许承载力[P]=2UZfl+m°A[o]式中：A 桩底面积，此处为A=：d2=：x1.252=1.227m24 4m0——桩底支撑力折减系数，按规范6.2.2-6，取m0=0.55U 桩身截面周长，U=兀（r+0.05）2=3.299（按旋转锥计算）f——极限摩阻力，f=180kPal——土层厚度，I,=12.4mTOC\o"1-5"\h\zg]——g]=b+kY(4d-3)+6k叫d桩底地基土的容许承载力，按公式0 22 22g]=。+kY(4d-3)+6kYd

0 22 22式中：。0——地基基本承载力，c0=900kPak2 由铁路桥涵规范4.1.3，取k2=6，k；=3[c]=c+kY(4d-3)+6kYd0 22 22=900+6x20x(4x1.25-3)+6x3x20x1.25=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%[c]=1590x1.2=1908KPa[P]=-UEfl+mA[c]2 3 0=-x3.299x180x12.4+0.55x0.785x1908=4505.463

2（2）确定桩数nn=u旦=1.3x20000=5.77P 4505.436暂取n=6，验算后在做必要调整。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d>1m时，不得小于0.3d，且不得小于0.5m。根

力计算单桩的计算宽度b0形状换算系数受力换算系数圆形截面，Kf二。.9；K0=学=1.8桩间相互影响系数L]=4m,h=3(d+1)=形状换算系数受力换算系数圆形截面，Kf二。.9；K0=学=1.8桩间相互影响系数L]=4m,h=3(d+1)=3x(1.25+1)=6.75mL=4m<0.6龙1=4.05m(1-b)L

•—]单桩计算宽度2.桩的变形系数桩的抗弯刚度:K=b'+« •二=0.45+(1-0.45)•土=0.990.6气 0.6 6.75b0=0.99x0.9x1.8x1.25=2.0m兀x1-254EI=0.8EI=0.8x2.65x107x—6.__=1.625x106基础的变形系数：a也=.80000x2=0.6291EI \1.625x106桩的入土深度：侦I=0.629x12.4=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P1该桩为钻孔灌注桩，故&=0.5。l=12.4m,l0=7.6m EA=1.227x2.65x107=3.25x10738_.由公式D=d+2xlxtan^=1.25+2x12.4tan一=5.4m大于桩间中心距4m,4故，则，A取D=4m=-D2=lx42=12.56m240 4=m01=80000x12.4=992000PL1。+%10EA C0A017.6+0.5x12.4 +3.25x107 992000x12.56=1.98x106⑵轴向刚度系数P2、「3、P4按式6-57计算，al=0.629x12.4=7.800,al0=0.629x7.6=4.780由表6-15可知：丫日=0.0414,Ym=0.1358,^肱=0.5988p=a3EIY=0.6293x1.625x106x0.0414=1.67x104KN/mp=a3EIY=0.6293x1.625x106x0.1358=5.49x104KN/mp=a3EIY=0.6293x1.625x106x0.5988=2.42x105KN/m4 H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Y=np=6x1.98x106=1.188x107KN/my=np=6x1.67x104=1.002x105KN/myp=yp=-np3=-6x5.49x104=-3.294x105KN/my=np+pSnx2=6x2.42x105+1.98x106x6x22=4.897x107KN/mpp4 1ii按公式6-62计算b,a,B,N20000b= = =1.684x10-3my1.188x107bbo=yppH-y洲M=4.897x107x400+3.294x105x6900=4465x10以a~yypp-yp2一1.002x105x4.897x107-(3.294x105)2—. -mP=丫aaM-yapH=1.002x105x6900+3.294x105x400=1715*10危澜_yypp-y作2-1.002x105x4.897x107-(3.294x105)^. -ra桩顶内力计算按公式6-64计算。分别以x=2代入第一式，可以求得桩顶的最大和最小轴向力:NmaxN=—土NmaxN=—土xpp=Nminn1200006土2x1.715x10-4x1.98x10640122654KN此外，H=ap2-Pp3=4.465x10-3x1.67x104-1.715x10-4x5.49x104=66.67KNM=Pp4-ap3=1.715x10-4x2.42x105-4.465x10-3x5.49x104=-202.802KNm

校核:sN=3X(4012+2654)=20000KN=NisH=6X66.67=400KN=HisM=[—202.802X3+(4012-2654)x3]x2=6930KNm=M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al>2.5，故x0和中°可利用式6-38和6-39计算，即x=义A+土B0以3EIx以2EIxH,M_中=—lA+ "B0以2EI卬以EI卬其中M0=M+Hl0=—202.802+66.67x7.6=303.89KNmH0=H=66.7KNB@可根据az=0(地面处z=0)及al=4.0B=1.621AB=1.621A=—1.621中A=—1.621中中66.67303.8900.629366.67303.8900.6293x1.625x106x2.441+ =8.75x10-4m0.6292x1.625x10666.67303.89066.67303.890=—1.621X : — X1.751=6.887x10-4rad0.6292x1.625x106 0.629x1.625x106六、桩身内力计算1.求任意深度z处桩身截面上的弯矩M=氏A+MB=6667A+303.890B=105.994A+303.890BaM0M0.629M M M M系数Am、6心值可根据az值及al=4.0从表6-11查得。将局部冲刷线以下任意深度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

以H.b=——A+0竺B=。妗66.67人,0.6292x303.890^以H.b=——A+0bb 2 b 2 b b b列表计算如下表1,并将计算结果绘于图2。表1M和b厂计算表azZ/mAB105.994AM303.890BM—MZ—AnBa20.996Ao60.112BGbxZ.kPa0.000.000 0.000 1.0000.000303.890303.8900.0000.0000.0000.0000.0000.200.3180.1970.99820.881303.282324.1630.4240.2588.90215.50924.4110.400.6360.3770.98639.960188.701339.5950.7210.40015.13824.04539.1830.600.9540.5290.95956.071183.533347.5010.9020.45018.93827.05045.9890.801.2720.6460.91368.472174.730345.9240.9790.43020.55525.84846.4031.001.5900.7230.85176.634162.864335.2440.9700.36120.36621.70042.0671.201.9080.7620.77480.767148.128315.9780.8950.26318.79115.80934.6011.402.2260.7650.68781.085131.478289.8580.7720.15116.2099.07725.2861.602.5440.7370.59478.118113.680258.6280.6210.03913.0392.34415.3831.802.8620.6850.49972.60695.499224.2470.457-0.0649.595-3.8475.7482.003.1800.6140.40765.08077.892188.7640.294-0.1516.173-9.077-2.9042.203.4980.5320.32056.38961.242153.6340.142-0.2192.981-13.165-10.1832.403.8160.4430.24346.95546.505120.8010.008-0.2650.168-15.930-15.7622.604.1340.3550.17537.62833.49290.809-0.104-0.290-2.184-17.432-19.6162.804.4520.2700.12028.61822.96665.085-0.193-0.295-4.052-17.733-21.7853.004.7690.1930.07620.45714.54543.552-0.262-0.284-5.501-17.072-22.5733.505.5640.0510.0145.4062.6799.660-0.367-0.199-7.706-11.962-19.6684.006.3590.0000.0000.0000.0000.000-0.432-0.059-9.070-3.547-12.617局部冲刷线3.任意深度z的剪力局部冲刷线3.任意深度z的剪力HzH=H0A^+aM0Bh=66.67A^+0.629x303.89xB〃=66.67A^+191.147B则，H乙列表计算如下表2,并将计算结果绘于图3。表2Hz剪力计算表azZAHbH66.67AH191.147BnHHz0.000.0001.0000.00066.6700.00066.6700.200.3180.956-0.28063.737-53.52110.2150.400.6360.839-0.09655.936-18.35037.5860.600.9540.675-0.18245.002-34.78910.2130.801.2720.458-0.27130.535-51.801-21.2661.001.5900.289-0.35119.268-67.093-47.8251.201.9080.102-0.4136.800-78.944-72.1431.402.226-0.066-0.455-4.400-86.972-91.3721.602.544-0.206-0.474-13.734-90.604-104.3381.802.862-0.313-0.471-20.868-90.030-110.8982.003.180-0.388-0.449-25.868-85.825-111.6932.203.498-0.432-0.449-28.801-85.825-114.6262.403.816-0.446-0.412-29.735-78.753-108.4872.604.134-0.437-0.363-29.135-69.386-98.5212.804.452-0.406-0.307-27.068-58.682-85.7503.004.769-0.361-0.249-24.068-47.596-71.6633.505.564-0.200-0.067-13.334-12.807-26.1414.006.359-0.0100.000-0.6670.000-0.667图3剪力分布图14.626KNHHzmax14.626KNHHzmax=66-67KN..局部冲刷技zmax4.0七、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，主筋采脚级钢筋。桩身混凝土为C30，根据《桥规》规定，取Umin=0.2%。设计荷载：M =347.512KNm,H =114.626KN,Nmax=4012KN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2皿加一道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umin=0.5%，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3.14x12502AH.xA=0.2%x =2453mm2选取8①20的一级钢筋A=2513mm2，取净保护层厚度为70mm。s实此时主筋间距为：,2兀R _ 2x3.14x(625-70-10)(——-d)=( -20)=407.8>120mmn0 880|| 1090 ||80图5:横截面配筋(单位：mm)计算偏心距e.I

347.512x103347.512x103£— max0Nmin2654—130.9mma= 0.1+0.16——0.^—+0.16—0.531…e 八仁86.60.2+—0 0.2+—h 1250查基础工程课本表6-25可知：对于桩在a/>4的多排桩，计算长度为l=0.5x(/+兰)—0.5x(7.6+-^~)—7.6mc 0a 0.531因为l/d=6.1<7，由表6-26可知：纵向弯曲折减系数中—1c取K=0.6，由附表2.3可知：Ec=3.2x107kpa则:\—aJKL兀\—aJKL兀2EI1-0.5310.6x40123.142x3.2x107x0.120=1.00027.62偏心距为e.—ne0—1.0002x130.9—130.9mm截面校核取n=15，换算截面面积为A0-兀R2+nA=3.14x6252+15x2513—1264257.5mm2换算截面惯性矩为I-止+1nAr2—3・14x12504+1x15x2513x(625-70-10)2—1.258x1011mm40 64 2ss64 2核心距为1.258x10111.258x1011I

―0A0j1264257.5x625—159.2mm为小偏心。1—cosa1—cosa1—(_1)

K= — —122V=2sin3a-3acos4a+3sinacos2a=0一3x3.14x(一1)—9.42W=12a-3sin4a-32sin3acosa=37.7Q=3兀cosa=-9.42

配筋率为25131226562.5配筋率为25131226562.5=2.1%混凝土的最大压应力为:96回M max (r\IiJ_ 96x1x1.0002x347.512x106= 5456253x[37.7+24x15x3.14x0.0021x（一）2]625=3.46MPa<[b]=11.2MPa钢筋的最大压应力为：_ R（2K-1）+rs_nc 2kR~~"625x（2x1-1）+545=15x3.46x 2x1x625=48.59MPa>[b]=160MPa符合要求。2.箍筋与骨架钢筋箍筋采用祖8,间距为200mm，为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔2m加一道祖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，取血；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:G=(凹^x7.6+^D2x12.4)x(y-10)44.3.14x1.252 3.14x1.32=( x7.6+ x12.4)x(25-10)44=386.585KN桩入土部分同体积土的重量:G=%x12.4x(丫'-10)3.14x1.32 4 x12.4x(20-10)=164.505KN则桩底受力：N+G-G'=4012+386.585-164.505=4234.08KN1.2[P]=1.2x4505.263=5046.316KN>4234.08KN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l=7.6m，查铁路桥涵混凝土结构设计基本原理表 11-3可知，Cm=10.4l l7.6x103=24.1X=-c=—c==24.1i :L .1.258x1011E1264257.5故，查规范卜故，查规范卜0.898Nc= h巾(A+mA:)_ 4012x103=1.0x(1226562.5+10.4x4012)=3.52MPa<[cc]=9.0MPa单桩稳定性符合要求。

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b=1.76r=1.76x0.625=1.1m， h0=1.6r=1.6x0.625=1mV=0.7fbh+fAsvh+0.07Ntojvs0=0.7x1.24x1100x1000+210x503x1000+0.07x4012000200=1288.455KN>V =114.626KN受剪承载力符合要求。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:门=0.8，暂取c=10kpab=n1n2Eyz(nk-k)+2cm^K+k)]式中：z=2.90，n.门=0.8，暂取c=10kpa38k=tan2(45+—)=2.3538)+2c(nK+K)]k)+2c(nK+K)]代入计算可得：bz=叩2[农(nkp-ka 、pa=1.0x0.8x20x14.6(2x2.35-1.39)+2=1.0x0.8x=773.2KPa>b =46.12KPa检核通过。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：b=土+W^[b]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：cc… 380a=8+2x12.4xtan =9.87m4380b=5+2x12.4tan——=6.87m4A=axb=9.87x6.87=67.81m2=111.54m3eba2 6.87=111.54m3W= = 6 6桩身自重：G]=6x386.585=2319.51KN桩侧土自重：G'=67.81x20x12.4-6x164.505=17803.91奶则，地基上总竖向力：N0=N+G+G'=20000+2319.51+17803.91=40123.42桩群形心的力矩：M=6900+400x7.6=9940KNmtN M40123.42 9940则，一0+ = + =680.82KPa<g]=900KPaA W67.81 111.54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）bmax=46.12KPa<［。0］，满足要求。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：p=N=*2=591.7KPakA67.81基础底面自重压力为:七=yd=10.0x12.4=124.0KPa上式中Ym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V=^Yihi=10.0KN/m3m £hi基础底面的附加压力为：P=P-qh=591.7-124=467.7KPa（2）确定分层厚度查规范知，基础分层厚度d<0.4b=2.748m,则，不妨取d=2.4m。（3）沉降经验修正系数Ws查《工程地质》与《土力学》教材知：中密孵石层E0为26-32MPa，取为28MPa，泊松比为0.25-0.35，取0.3。

Esi28E

0——Esi28E

0——= =37.69MPa

2u2 2x0.321— 1— 1—u 1