桩基础课程设计作业

《基础工程》课程设计

任务书

（适用勘查13级）

土木工程学院岩土教研室

2015年12月25日

1.课程设计目的和要求

(1)《基础工程》课程设计是学生在学习《土力学》、《钢筋混凝土》

和《基础工程》的基础上，综合应用所学的理论知识完成基础工程的设计

任务。其目的是培养学生综合应用基础理论和专业知识的能力，同时培养

学生独立分析和解决基础工程设计问题的能力。

(2)通过课程设计，要求学生对基础工程设计内容和过程有较全面的

了解和掌握，进一步掌握地基承载力验算、沉降验算、稳定性验算、基础

强度验算等内容。熟悉基础工程的设计规范、规程、手册和工具书。

(3)在教师指导下，独立完成课程设计任务书规定的全部内容。设计

计算书要求计算正确、文理通顺、有必要的插图，施工图布置合理、表达

清晰，符合制图规范要求。

2.课程设计资料

(1)工程概况

某高层学生公寓，建筑标准层平面如图1所示。上部结构为钢筋混凝土

框架结构底层柱子截面600X600mm(碎强度等级C45),抗震设防烈度为7

度，抗震等级为3级。±0.00相当于罗零高程+7.50m,室内外高差为300mm。

柱底荷载见任务书附件。

,390013900J390013900J570013900J39001390013900,

15610

图1建筑标准层平面示意图

(2)岩土工程勘察资料

场地上部为人工回填的①杂填土(Qml)、冲洪积的粉质粘土(Q4al+pl),

淤积的淤泥和淤泥质土(Q4al+m),下伏基岩为燕山晚期花岗岩(YR53)、

花岗斑岩及其风化层，除拟建场地外围存在地下管线外，勘察中未见、活

动性断裂、滑坡、泥石流、崩塌、地面沉降等不良地质现象，未见有对本

工程不利的埋藏物，如河滨、洞穴、孤石等。

根据野外钻探取芯肉眼鉴别，结合原位测试及室内土工试验成果分析，

场地岩土层按其成因及力学强度不同可分为8层，现将各岩土层的特征自

上而下分述如下：

①杂填土：人工堆填(Qml),灰黑、土黄〜灰褐等杂色，稍湿〜饱和,

松散〜稍密状，上部主要由人工回填土，主要由粘性土，生活、建筑垃圾

及碎石、碎砖构成，局部为原建筑地基，为条基或条石，该层全场地均有

分布，均匀性较差，上部杂填土为前期拆迁堆填，下部堆填的粘土、瓦、

砾等堆积年代大于10年。该层全场均有分布，该层分布厚度约2.60〜3.80m,

平均厚度3.01mo

②淤泥：冲、淤积成因(Q4cal+m),灰黑色，很湿〜饱和，流塑状，稍

具臭味，含有少量机质及腐植质，粘性较强，切面光滑，有光泽，干强度、

韧性中等，无摇震反应，局部夹少量呈透镜状及薄片状的粉细砂，含量约

10%左右。该层局部相变为淤泥质土。该层场地均有分布，厚度变化大，层

厚12.00〜17.60m,平均厚度为13.30m。

③粉质粘土：冲洪积成因(Q4cal+pl),灰黄色、灰色，饱和，可塑，

局部呈硬塑。含有铁镒质氧化物，以粉质粘性土为主，局部含较多的粉细

砂。粘性较强，切面光滑，干强度、韧性高，无摇震反应。该层场地均有

分布，厚度变化大，层厚8.30〜11.90m,平均厚度为10.05m。

④淤泥质土：冲、淤积成因(Q4cal+m),灰黑色，饱和，流塑〜软塑，

含腐植质，稍有臭味，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，

切面光滑，局部含薄层(片)粉细砂。该层场地均有分布，厚度变化大，

层厚2.90—8.20m,平均厚度为5.45m。

⑤粉质粘土：冲积成因(Q4cal+pl),浅红色、深黄色、灰色，很湿〜

饱和，可塑，局部呈硬塑。含有铁镒质氧化物，以粉质粘性土为主，局部

含较多的砂粒。粘性较强，切面较光滑，干强度、韧性高，无摇震反应。

该层仅在场地中均有分布，厚度为4.00〜10.00m,平均厚度6.32m。

⑥砂土状强风化花岗岩：燕山晚期侵入岩(丫53(2)),灰黄色、褐黄、

灰白色，风化强烈，岩芯呈砂土状。岩芯采取率为71%,为散体状〜碎裂状

结构，岩体完整程度为极破碎〜破碎，岩石坚硬程度等级为极软岩〜软岩,

岩体基本质量等级为V级。该层场地中均有分布，厚度为3.40〜10.50m,

平均厚度6.96mo

⑦碎块状强风化花岗岩：燕山晚期侵入岩(丫53(2)),灰黄色、褐黄、

灰白色，上部风化强烈，岩芯呈砂土状，下部风化较弱，岩芯多呈碎块状。

岩芯采取率为67%,为散体状〜碎裂状结构，岩体完整程度为极破碎〜破碎,

岩石坚硬程度等级为极软岩〜软岩，岩体基本质量等级为V级。该层场地

中均有分布，厚度为1.70-9.70m,平均厚度5.60m。

⑧中风化花岗岩：燕山晚期侵入岩(丫53(2)),浅砖红色、灰白色，

中等风化，块状构造，含石英、长石、云母等矿物，钻进较困难，节理、

裂隙少量发育，多呈闭合高倾角，岩芯多呈长柱状，少数短柱状。岩芯采

取率为85-95%,RQD=50-75%,为块状结构，岩体完整程度为较完整，岩石

坚硬程度等级为较硬岩〜坚硬岩，岩体基本质量等级为W级。该层场地均

有分布，普遍揭示，揭示层厚4.60〜9.60m,平均揭示厚度为7.12m,均未

揭穿。

各岩土层分布情况详见《工程地质剖面图》。

(3)场地特征状况

①场地水文地质情况

场地上部土层②淤泥、③粉质粘土、④淤泥质土及⑤粉质粘土的透水

性差，且局部厚度较大，隔水性能较好，可视为相对隔水层，上层滞水与

下部弱承压水的联系差。根据勘察施工期间钻孔内水位观测及各岩土层性

状分析，本次勘察期间测得场地地下水混合稳定水位埋深为0.90-1.20m,

标高为5.34-5.49m,受季节性变化影响本场地常年水位变幅约为2.00m0

近期内年最高水位约为7.00米(罗零标高)。

地下水在干湿交替环境与长期浸水环境下对混凝土结构均具微腐蚀

性，地下水在干湿交替环境对钢筋混凝土结构中的钢筋均具弱腐蚀性，在

长期浸水环境下对混凝土结构均具微腐蚀性。场地内地基土对混凝土结构

具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

对建筑材料腐蚀的防护应符合现行国家标准《工业建筑防腐蚀设计规

范》(GB50046)及《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)第3.5条桩基结构

的耐久性要求。

②场地抗震评价

根据《中国地震动峰值加速度区划图》和《中国地震动反应谱特征周

期区划图》福建省区划一览表，拟建场地抗震设防烈度为7度，设计基本

地震加速度值为0.10g,设计地震分组为第二组，拟建物均为抗震设防类别

为标准设防类(丙类)，设计地震作用和抗震措施均应符合7度标准的要求。

本建筑场地的场地土类型为软弱场地土，ZK1、ZK12号孔地段的建筑场地类

别均为m类，其特征周期为0.55so场地埋深20m范围内不存在饱和的砂类

土或粉土，可不考虑砂土液化问题。场地埋深20m范围内存在一定厚度的

软土层(②淤泥和⑥淤泥质土)，本区抗震设防烈度属7度区，根据波速实

测结果其剪切波速值＞90m/s,根据省标《岩土工程勘察规范》

(DBJ13-84-2006)判断，可不考虑软土震陷影响。

③场地稳定性与适宜性评价

拟建场地内杂填土中存在碎块石、条石、旧基础地梁外，场地内未发

现河沟、洞穴等埋藏物，未见活动断裂，无滑坡、崩塌、泥石流、地面沉

降等不良地质现象，场地内存在厚层饱和软土，按照《建筑抗震设计规范》

(GB50011-2010)第4.1.1条规定，判定本场地属抗震不利地段，采用桩基

础后，可消除不良影响，适宜拟建物的建设。

根据场地工程地质条件，拟建的住宅楼基础形式建议采用桩基础方案。

桩型可采用预应力管桩、方桩或冲钻孔灌注桩长桩方案。地基土层物理-力

学性质指标见表lo

表1各岩土层设计计算参数表

冲钻孔灌

天压缩承载

预制桩极限注桩极限

然模量力

承载力标准值承载力标

密Es特征

土层编号准值

度值

及名称Esi

PoES20fak

QsikQsikqPk

00-200qpk

g/c0-400(kPa(kPa(kP(kPa

(MPa(kPa)

m3(MPa)))a))

)

1.7

/4.06025/20/

0*

1.51.59

(2W2.88#5011/10/

8#

1.96.61

③^质F占土9.27

1ft

1.61.65

鳏泥质土8018/14/

4#3.19#

2.06.6511.17

⑤粉质木

2##

⑥砂土状强风2.022*30*40014080001002800

化花岗岩*

⑦碎块状强风2.1

30*40*550180/1303200

化花岗岩*

⑧中风化花岗

/1500//2008000

石LU

3.设计依据及参考文献

(1)《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011

(2)《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

(3)《混凝土结构设计规范》GB50010-2010

(4)《建筑桩基技术设计规范》(JGJ94-2008)

(5)《基础工程》莫海鸿2008年建筑工业出版社

(6)《基础工程》闫富有2009年中国电力出版社

4.设计内容

(1)根据任务分配，查阅相关资料。

(2)桩型、桩长和截面尺寸的选择

(3)确定单桩承载力特征值

(4)确定桩数及其平面布置

(5)桩身结构设计

(6)基桩承载力验算

(7)沉降计算

(8)承台计算

（9）绘制施工图。

5.设计成果提交要求

（1）课程设计需要同时提交电子版和纸质版。上交时间：2016年1月15日

（周五）中午12点之前。

（2）电子版包括：计算书电子版（word）、施工图电子版（AutoCAD）发送至

邮箱kanchazuoye@163.com。

邮件名称为“基础工程课程设计-某某"，word,CAD都用自己名字命名。

（3）课程设计的纸质材料装在土木学院统一的档案袋，由班长到思源楼四

楼找陈志清老师领取该档案袋。每位同学一个档案袋，写上姓名、班级、

学号，课程设计名称“基础工程课程设计”。指导老师写“方庆军，陈国周”。

档案内包括：

①任务书（教师提供电子版，学生打印一份放入档案袋，A4单面打印）。

②指导书（教师提供电子版，学生打印一份放入档案袋，A4单面打印）。

③计算书（A4单面打印），

④施工图（A3单面打印）。包括桩基础设计说明、桩基础平面布置图、

桩身配筋图、承台配筋图。

（4）计算书格式

①封面：单独一页，统一格式。

成绩评定表，在封面之后，单独一页，统一格式。

②正文：从第3页开始。详细计算内容参考指导书和教材相关内容。

包括：设计资料、详细的计算步骤、计算公式、表格、插图、参考规范等。

字体设置“四号宋体”，行距“单倍行距”。

计算过程中至少保留小数点后二位。如果涉及到查表，可以酌情增加

有效位数。计算书应有计算简图(插图)，插图下面应该给出图名。

6.成绩评定

⑴成绩按百分制计取，详见成绩评定表。

(2)鼓励在设计过程中深入钻研，扩宽知识面。

⑶评审设计成果时，如有必要，对该生进行面试答辩。

4.2.2设计过程

(1)桩型、桩长和截面尺寸的选择

①选择桩型

根据地质条件、上部荷载和施工条件、本工程桩基选择高强PHC管

桩，桩身混凝土强度C80,截面尺寸600X600mm。

②确定桩的截面尺寸

本工程采用PHC600-110AB-15型管桩，即该管桩直径为600mm,AB

型,壁厚110mm,单节桩长为15m,桩身强度等级C80,抗裂弯矩标准值为

224KN・m,桩身轴心受压承载力设计值为4255KN,理论质量440kg/mo

③确定桩长

本工程以第⑥成砂土状强风化花岗岩作为桩端持力层，桩端全断面

进入持力层2.0d,桩端采用十字形钢桩尖。

初选承台埋深1.5m,承台厚度0.8m,桩顶嵌入承台0.10m。

ZK9持力层埋藏较浅,桩长L=35.8-6.51+4.5+1.2+0.1=35.09,ZK2

持力层埋藏较深,桩长=60.3-6.42+4.5+1.2+0.1^39mo

(2)确定单桩承载力特征值

①单桩竖向承载力特征值

根据经验参数法确定单桩竖向承载力标准值

Quk=。“+Q“k=«Z/,J+qnkAp

比较ZK1〜ZK10,由于ZK10的软土较厚，且持力层埋藏较浅，故选

用ZK10的柱状剖面图计算单桩竖向承载力特征值。

2

e„A.=3.14x0.6x(25x1.9+11x17.6+40x8.9+18x3.4+50x5+140x1.2)+8000x3.14X0.6/4

=4288kN

凡=%

&=4288/2=2144ZM取=2100kN

单桩竖向承载力特征值安全系数K取2。，

故

桩的入土深度h=37.5+1.2^38.7m

②单桩水平承载力特征值

单桩水平承载力特征值为：

RHO=0.75喂X°a

yX

a=\也,EI=O85Ec/o,%=0.9(1.51+0.5)=1.26m

vEI其中

桩侧主要影响深度

h,"=2(d+1)=2x(0.6+1)=3.2m,深度内桩侧面存在:

①杂填土，九=19"，叫=3.5x103^//；

②淤泥，队=1.3m，机，=2.5xlOMN/m%

m.h.+mA2h,+hJh,

m-—----=~丁1---=------

片

_3.5xl()3X]§2+2.5x103X(2XL9+1.3)XL3

3.22

=2.85x103

所以，E1=0.85E(J0=172336JIN-nr

2.85xl03x1.26，/,t

所以，a=\------------二1461"?

172336

因为a/?=0.46lx32.5=15>4,取。〃=4,查表匕=2.441

取X()“=10用机=0.01加

0.75X0.4613X172336

所以，%=x0.01=52kN

2.441

(3)确定桩数及平面布置因为建筑物左右荷载对称布置，故可取一

半进行研究，如图1

柱1：n>—x1.3=^2^1x1.3=3.»初选4根

R,2100柱子布置图

柱2/3/4：空^1.3=""xl.3=3.5根，初选4根

Ra2100

柱5：空•xl.3=9"xl.3=3.9根，初选4根

段2100

柱6：〃N*xl.3=6682><1.3=4.2根,初选5根

R02100

柱7、8、9：〃2"、1.3=^^1.3=4.5根，初选5根

Ra2100

8491,.

柱10：n>—xl.3=------xl.3=53根,初选6根

此2100

〃2&xl.3=5806,c

柱11:=----xl.3=3.6根，初选4根

R2100

柱12、13、14：刀之空"><1.3=%11.3=4.2,初选5根

Ra2100

柱15：n>^-xl.3=^^xl,3=4.5,初选5根

Ra2100

综上，四桩承台的柱，柱1,2.,3,4,5,,11

五桩承台的柱，柱6,7,8,9,12,13,14,15

六桩承台的柱，柱10

为了发挥桩的承载力以及减小挤土桩效应影响，规范规定桩距的最

小值，对于挤土桩，其侧面土为饱和粘性土且桩数小于9根，其最小桩距

为4d=2.4m,假定承台厚1.5^保护层100mm。

按承台的构造要求，设计承台的尺寸得：

四桩承台：B,=4d+2d=3.6m,Lc=4d+2d=3.6m

22

五桩承台：Bt=44+2d=36m,Lc=2A/(4C1)-(2d)+2d=5.4m

六桩承台：=4d+2d=3.6〃?，4=2x4d+2d=6m

（4）桩身结构设计

现场按单点起吊施工，每节桩段长为15m,考虑起吊过程中的动力影响

将荷载乘以L5的放大系数，则

均布荷载“飞。伏皿

M]mx=64ZN•m<Mcrk=224kN•m,满足要求。

N=1.35Ra=1.35x2100=2800^0

N=2835kNW网=4255AN,满足桩身承载力的要求。

⑸桩基承载力验算

1）单桩承载力验算

①四桩承台

由于四桩承台中柱5的竖向承载力最大，所以选择柱5进行验算。

计算桩顶荷载，承台及其上覆土层的平均重度取几=20kN/〃九

Fk=6340kN,G=ad=20x3.6x3.6x3.3=855kN

Qk=殳2k=6340±855=1799kN<R=2100^

n4

=F+G+（"、*+Vykh）yi+（Myk+Vlkh）xi

Q&max——Xp2-▽2

kminn\玉

单桩水平力验算：Kg=JV；+V；="42+892=99kN

V99

H=3L===25kN<RHa=52kN

kn4Ha

满足要求。

②五桩承台

由于五桩承台中柱9的竖向承载力最大，所以选择柱9进行验算。

计算桩顶荷载，承台及其上覆土层的平均重度取加=20kN/〃九

Fk=6340kN,G=ad=20x3.6x3.6x3.3=855kN

Qk=.+Gk=6340+855=1799kN<R=2\OOkN

n4

=F+G+(Mxk+Vykh)yi+(Myk+Vxkh)Xi

kminn'七

单桩水平力验算：丫皿=Jv；+V；=V442+892=99kN

V99

H==二=25kN<R=52kN

kn4Ha

满足要求。

③五桩承台

由于五桩承台中柱9的竖向承载力最大，所以选择柱9进行验算。

计算桩顶荷载，承台及其上覆土层的平均重度取％=20kN/〃九

Fk=6340kN,G="Kd=20x3.6x3.6x3.3=855kN

Qk=耳+Gk=6340+855=1799kN</?21OOkN

n4

cF+G+(Mxk+vvkh)yi(Mvi+Vxkh)Xi

kmmianx=---11--±----2--%------土—'七---

单桩水平力验算：Vmax=Jv；+V；=7442+892=99kN

V99

H==—=25kN<R=52kN

kn4Ha1

满足要求。

七度抗震设防地区，桩基础设计时地震效应为非主控项，可不进行地

震作用下的基桩承载力验算。

2)群桩沉降计算

对摩擦桩应进行沉降计算。

柱9：桩的纵向中心距，沉降计算按中心距不大于

6倍桩径的桩基沉降计算方法。

①计算附加压力

Lc=5.4m,8。=3.601,承台面积人=19.441112,埋深d=3.3m,地下水位于现地

表下2米，即承台底。承台下基底压力为：

口XX,7/T

P=-+yd=——+20x3.3=409.4往a

Ac°19.44

承台下基底附加压力为：

.=P-W=409.4-17x(6.48-4.5)

=375.7kPa

②确定沉降计算深度

自中心把承台分为4部分，采用叠加原理计算土中附加应力。

b=—=1.8m,

2

_L,_ca_2.7_

ci———2.7——----1.5。

2b1.8

桩端平面处土的自重应力为：

(TC1=17x2+7x1.9+5.8x17.6+9.1x8.9

+6.4x3.4=10.2x5+10xl.2=315.1kPa

桩端平面下9m处土的自重应力为：

q=315.1+10x4.2+11x4.8=409.9/a

桩端平面下z=9m,z/b=5,a/b=1.5,查2表得矩形面积作用均布荷载

角点附加应力系数a=0.0255，故该处的附加应力为：

G,=4舛0=4x0.0255x375.7=38.3<0.2/=0.2x409.9=82kPa故沉降计算

深度取z.=9*

③计算桩基沉降量s%把计算深度内的土分为两层，每层的厚度分别为：

4.2m,4.8m。Zj=0,4.2m,9〃z(i=0,1,2)。zjb=0,2.33,5.0。查附录相关表格，得矩形面

积作用均布荷载角点平均附加应力系数区=0.250,0.1336,0.108。

s'=4p°S总针/=

IXI

4确定桩基等效沉降系数。圆形柱,柱径d=0.6m,桩长/=28.6〃?，

人=冬=477&="=1.5,等效桩距比为：％=立=誓亘=3

d0.6Bc3.6dyjn-dv6x0.6

按&=3查附录相关表格，可得C°=0.00564,G=L7161,C,=10.8758。短边布桩

d

数%=2,桩基等效沉降系数为：

匕=。。+4-'八，.=

C\{nh—1)+C2

5计算桩基的最终沉降量。

&=»作飞=

查表内插，得沉降计算经验系数科=0.602,桩基的最终沉降量为：

s=if/y/S=xx=mm

柱10：柱的纵向中心距S。=2.4叫S/=4,沉降计算按中心距不大于6倍桩径

的桩基沉降计算方法。

①计算附加压力

Lc=6m,Bc=3.6〃?,承台面积A=21.6m2,埋深d=3.3m,地下水位出现地表

下2米，即承台底。承台下基底压力为：

P=Z+/j=Z§^+20x3.3=431.0kPa

A°21.6

承台下基底附加应力为：

%=p_阻=431-17x(6.48—4.5)=397.3kPa

②确定沉降计算深度

自中心把承台分为4部分，采用叠加原理

计算土中附加应力。

匕=2=1.8,a=4=3.0m,

22

a3.01-

-=------=1.0/o

b1.8

桩端平面处土的自重应力为：%=315.kPa

桩端平面下9m处土的自重应力为：q=409.9kPa

桩端平面下z=9m,z/b=5,a/b=1.67,查表的矩形面积作用均布荷载角点附加应

力系数a=0.029,该处的附加应力为:

q=4初0=4x0.029x397.3=46.1<0.2a=0.2x409.9=82kPa

故沉降计算深度取z“=9m。

③计算桩基沉降量/。把计算深度内的土分为两层，每层的厚度分别为：

4.2机,4.8机。z,=0,4.2机,9m(i=0,1,2)。%=0,2.33,5