基础 工程设计

基础工程课程设计二

一、设计题目

本课程设计的题目是“铁路桥墩桩基础设计”

二、设计目的

通过本次课程设计应全面掌握铁路墩台桩基础设计内容与步骤及主要验算内容与方法，了解现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10002.5-2005）的有关规定，并初步具备独立进行桩基础设计的能力。三、设计资料

（一）线路及桥梁

1、线路：双线、直线、坡度4‰、线距5m，双块式2无石渣轨道

及双侧1.7m人行道，其重量为44.4kN/m。

2、桥跨：等跨L=31.1m无渣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0.09。

3、建筑材料：支撑垫石、顶帽、托盘采用C40钢筋混凝土，墩身采

用C30混凝土，桩身采用C25混凝土。

（二）地质资料

墩柱下地层情况及主要物理力学指标如下：

地层号岩层名称标高()

m

厚度

()m

基本

承载力

（kPa）

容重

（kN/m3）

内摩擦

角

（°）

1-1 耕地 36.79～36.29 0.5 60 18 10 1-2 粉砂（中密） 36.29～23.31 12.98

200 19.5 18 1-3

粗砂（中密）

23.31～

未揭穿

400

20.5

22

地下水位高程为-50m 。 地层分布情况见图1

23.31

粉 砂

粗 砂

比例 1：1000

图1 地质横断面示意图

（三）荷载资料

该墩柱与承台布置详见图2。

图2 桥墩及承台示意图（单位：cm）

承台底外力合计：

1、双线、纵向、二孔重载：

N=17800.07kN，H=341.5KN，M=4671.75kN.m;

2、双线、纵向、一孔重载：

N=17334.94kN，H=341.5kn，M=4762.57kN.m

（四）设计方案

该桥墩基础拟采用桩基础。

四、设计依据

1、《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10002.5-2005）

五、设计要求

1、选定桩的类型、施工方法、桩与承台的连接方式，设计满足工程要求的桩基础。

2、检算项目

（1）单桩承载力（双线、纵向、二孔重载）；

（2）群桩承载力（双线、纵向、二孔重载）；

（3）单桩桩身内力（双线、纵向、一孔重载）；

（4）承台抗弯（双线、纵向、二孔重载）；

（5）桩对承台冲切（双线、纵向、二孔重载）；

（6）承台抗剪（双线、纵向、二孔重载）。

3、设计成果

（1）设计说明书；

（2）设计计算书；

（3）桩的平面及横断面布置图。

六、设计步骤

（1）综合地层、荷载情况、使用要求、上部结构条件等确定桩基持力层；

（2）选择桩材，确定桩的类型、外形尺寸和构造；

（3）确定单桩承载力设计值；

（4）根据上部结构荷载情况，初步拟定桩的数量和平面布置；

（5）根据桩的平面布置，初步拟订承台的轮廓尺寸及承台底标高；

（6）单桩竖向承载力验算

（7）验算承台结构强度；

（8）群桩承载力验算；

（9）单桩桩身内力计算；

（10）绘制桩的平面、横断面布置图。

七、其它

本课程设计应于本学期第十六周最后一次课前提交。

一、 选择桩材，确定桩的类型、外形尺寸和构造

桩身采用C25混凝土。设计桩径采用d=1.25m ，成孔桩径为1.30m,钻孔灌注桩，采用旋转式钻头。取桩长m l 21=。

二、 确定单桩承载力设计值

][2

1

][0σA m l f U P i i ∑+?=

()m d U 084.405.025.1=+?=?=ππ

22

23.14

m d A ==

π

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。

∴32/92.1948

.245

.20115.1998.12185.0m kN =?+?+?=

γ

查《铁路桥规》得，地基的基本承载力kPa 4000=σ，深度修正系数

∴

kPa

d k d k 7.97225.192.195.26)325.14(92.1954006)34(22

220=???+-???+='+-+=γγσσ

钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数：6.00=m 各土层的极限承载摩阻力 粉砂：m l kPa f 105.4211==， 粗砂：m l kPa f 118022==，

d k d k d

l 2

'

22

206)34(][10γγσσ+-+=∴> ,5.2,5'

2

2==k k

∴单桩的轴向受压容许承载力：

kPa

A m l f U P i i 663.33827.97223.16.0)1180105.42(084.42

1

][2

1

][0=??+?+???=

+?=∑σ 三、 估算桩数：（按双孔重载估算）

估算公式： 取1.1=μ，则估算桩数：

[]

79.5663

.338207

.178001.1=?=

?

=∑P N

n μ，暂取=n 6，验算后作必要调整。

四、 桩在承台底面的布置

查《铁路桥规》，当m d 1≥时，最外一排桩至承台底板边缘的净距不得小于0.3d （设计桩径）且不得小于0. 5m ，且钻孔灌注桩中心距不应小于2.5d 成孔桩径，满足桩间距和和承台边到桩净距的前提下得到桩在承台底面的布置情况，如下图（单位：cm ）：

]

[p N

μn ∑?

=

桩与承台连接方式：采用主筋伸入式，桩伸入承台板内20cm ，实际桩长21.5m 。

五、承台底面形心处的位移计算

1、设计荷载：

承台底外力合计：

1、双线、纵向、二孔重载：

N=17800.07kN ，H=341.5KN ，M=4671.75kN.m; 2、双线、纵向、一孔重载：

N=17334.94kN ，H=341.5kn ，M=4762.57kN.m

2、计算

（1）桩的计算宽度：

其中，8

.11

9.00=+=

=d

d k k f ，

0,b αkb k k b f 0

0=

m d h m L 05.4)1(36.06.015.311=+??=<=

∴911.075

.615

.36.06.016.06.0111=?-+=?'-+

'=h L b b k ，其中6.02='=b n 时， 因此，m b 84.125.1911.08.19.00=???=

（2）计算基础变形系数α

5

0EI mb =α

4

4

1198.064

m d I ==

π，

kPa

E h 7108.2?=查《铁路桥规》

∴kPa E E h 771024.2108.28.08.0?=??==

467/1068.21198.01024.2m kPa EI ?=??=

假定桩为弹性桩，则其计算深度：

()()m d h m 6.4130.1212=+?=+?=

深度内存在两层不同的土，则m 的换算公式为：

其中，m h m kN m m h m kN m 6.3/80001/5000242141====，，，，则

4

22

2

2

212211/223.78586

.46

.3)6.312(800015000)2(m kN h h h h m h m m m =?+??+?=

++=

∴1

56

5

0355.010

68.284.1223.7858-=??==m EI mb α m

h

2

2

12211)2(m

h h h h m h m m ++=

而5.2455.721355.0>=?=l α，则桩为弹性桩，假设成立。 3、计算单桩桩顶刚度4321ρρρρ、、、

其中，

5.023.14

108.23.21022

7

0===

?===ξπ，，，，m d A kPa E m l l

m m m l d D 3D 348.64

20tan 3.21225.14tan 2=>=?+=+=，所以取

22

2

0069.74

34

m D A =?=

=

ππ

m m l 103.21>=

∴300/15.1673803.21223.7858m kN ml l m C =?=== 所以，

m kN A AE l l /1066.8069

.715.1673801

108.223.13.215.01

C 11570

001?=?+

???=

++=

ξρ

又5.2455.721355.0>=?=l α，

查表有， ∴m kN EIY H ??=???==5

6

3

3

210276.1064.11068.2355.0αρ

kN EIY M 5622310327.3985.01068.2355.0?=???==αρ

rad m kN EI M /10412.1484.11068.2355.0664??=???==φαρ

4、计算承台刚性系数

0011

1A C AE l l ++=

ξρ48.1,985.0,064.1===M

M H Y Y φ

m

kN n n i bb /10196.51066.866511?=??===∑ρργ m

kN n n i aa ??=??===∑652210656.710276.16ρργ

kN

n n i a a 653310996.110327.36?-=??-=-=-==∑ρργγββ

rad

m kN x n n i

i i /10903.1)2

6.4(1032

7.3610412.167

25

6

2

14??=???+??=+=∑∑ρργββ 对于低承台桩基，承台完全处于粉砂中，因此，承台的计算宽度为：

，34/1025.28000m kN mh C h ?=?== 所以：

m

kN h C B h aa

aa ??=???+?=+='

545

010937.925.21022.1210887.62γγkN

h C B h a a a 62462010268.16

5.21022.1210522.16?-=???+?-=+='

='

β

ββγγγrad

m kN h C B h /10569.312

5.21022.1210537.3127347

30??=???+?=+='

ββ

ββγγ 5、计算承台底面形心处的位移a ，b ，β

桩基为竖直桩基，桩群对称布置，0====a ab b ba ββγγγγ，则有：

m b B 2.1212.1110

=+=+=??

?

??∑=+=∑=+M a N b H a a bb a aa '''

'βββββγγγβγγ

由上式得承台形心位移： ① 双线、纵向、二孔重载：N=17800.07kN ，H=341.5KN ，M=4671.75kN.m

m N b bb

36

10014.310

906.507

.17800-?=?=

=

∑γ m M H a a aa a 42

675672

1035.5)

10268.1(10569.310937.975.4671)10268.1(5.34110569.3-?=?--?????--??='-'

'

'-'=

∑∑β

βββββγγγγγrad H M a aa a aa 42

675652

10499.1)

10268.1(10569.310937.95.341)10268.1(75.467110397.9-?=?--?????--??='-'

'

'-'=

∑∑β

βββγγγγγβ

② 双线、纵向、一孔重载：N=17334.94kN ，H=341.5kn ，M=4762.57kN.m

m N

b bb

3

6

10935.210

906.594.17334-?=?=

=

∑γ m M H a a aa a 42

675672

10383.5)

10268.1(10569.310937.957.4762)10268.1(5.34110569.3-?=?--?????--??='-'

'

'-'=

∑∑β

βββββγγγγγ''

'''2

'

''''2b b a a a a a a a a a a N b H M

a M H ββββββββββγγγγγγγγβγγγ?=

???-?=?

-?

?-?=?-?

∑∑∑∑∑

rad H M a aa a aa 4

2

675652

10526.1)

10268.1(10569.310937.95.341)10268.1(57.476210397.9-?=?--?????--??='-'

'

'-'=

∑∑β

βββγγγγγβ 六、检算

1、单桩承载力检算（双线、纵向、二孔重载）：

m kN rad m x kN N /1066.810499.125.207.17800514?=?===-ρβ，，，

则桩顶内力：

kN

x n

N N 758.325810499.125.210

66.86

07.1780045

1

m ax

=????+=+=-∑βρ桩身C25混凝土容重3/25m kN =γ，土平均重度3/92.19m kN =γ

则桩自重：

kN l d G 476.653253.2125.14

4

22

=???=

=

'π

γπ

桩入土部分同体积土重：

kN l d G 690.52092.193.2125.14

4

22

=???=

=

''π

γπ

则

kN

P kN G G N 196.4059][2.1544.3391690.520476.653758.3258m ax =<=-+=''-'+

其中，

kN

P 663.3382][=，故单桩轴向受压承载力满足要求。

2、群桩承载力检算（双线、纵向、二孔重载）

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（ 20=）较顶面放大（如图），底面尺寸：

m

l a 777.134

20tan 3.21225.18.84

tan

225.14.42=??++=++?=

?

m

l b 577.9420tan 3.21225.16.44tan 225.16.4=??++=++=

?

2942.131577.9777.13m ab A =?==

32

2602.2106

577.9777.136m ab W =?==

桩和土的自重：kN hA G G 292.56207942.1313.2120=??==γ

kN

G

N N 362.74007292.5620707.178000=+=+=

[][]kN

h k b k 308.3031348.2492.1952105.203400)

3()2(22110=-??+-??+=-+-+=）（）（γγσσ

kPa kPa W M A N 308.3031][09.583602

.21075.4671942.131362.740070=<=+=+=

σσ 故群桩承载力满足要求。

又由结构在土面处的位移（按一孔重载）

在《桥规》中查m 、m 0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： mm m h a 610069.148.310526.110383.5344

∴可以用m 法直接查表计算

'

36.7933.313.48h m =

-=

3、单桩桩身内力（双线、纵向、一孔荷载）

a

M a Q x b b N i i i i 343211)(ρβρβρρβρρ-=-=+==

代入数据得

m

kN a M kN a Q kN

kN

x b N i i i i ?=???-???=-==???-???=-=??

?=??±???=+=409.21210838.510327.310526.110412.1723.2310526.110327.310838.510276.1243.1960177.312310526.14.410935.21066.8)(4-54-6344-54-5324-3-51ρβρβρρβρ）（4、承台抗弯（双线、纵向、二孔荷载）

由??

?==-222-111N S m M N S m M I I ⅡⅡ

??

??=??==?=??==-m kN N S m M m kN N S m M I I 32.2873177.312346.0241.922671.254121.13222-111ⅡⅡ mm

h h 2260402002500402000=--=--=

260151202260

3009.01041.92269.0mm h f M A y I I I

I =???==-- 选用21?32，As=152802mm

26

0--47092260

3009.01032.28739.0mm h f M A y =???==ⅡⅡⅡⅡ

选用 21?18，As=48352mm

5、桩对承台冲切（双线、纵向、二孔荷载） a.柱边冲切

26.026

.2585

.0000===

h a x x λ（满足0.2~1.0）

56.12

.026.072

.02.072.000=+=+=

x x λα

2.007

3.026

.2165

.00

00<==

=

h a y y λ取2.00=y λ 8.12

.02.072

.02.072.000=+=+=

y y λα

[]

[]kN

F kN h f a b a b l t x y y x 07.17800)007.17800(0.109.6799326.21100)585.068.3(8.1)165.068.3(56.12)()(200

000000=-?=>=??+?++??=+++?γαα满足。

b.角桩向上冲切，从角桩内边缘至承台外边缘距离m c c 825.121==

x x a a 01=，x x 01λλ=，y y a a 01=，y y 01λλ=，得

430.12

.026.048

.02.084.011=+=+=

x x λα

2.12

.02.048

.02.084.011=+=+=

y y λα

[]

kN

N kN h f a c a c t x y y x

177.3123177.31230.1879.1126226

.21100)2585.0825.1(2.1)2165.0825.1(043.1)2/()2/(max 00

111121=?=>=????????

+?++?=+++γαα

满足强度要求。

6、承台抗剪（双线、纵向、二孔荷载）

由于剪跨比与以上的冲跨比相同，故对I-I 斜截面，

3.0,3.026.00=<==x x x λλλ取

故剪切系数：2.03

.03.02

1.0=+=

β，则

kN

N kN

h b f c 354.6246177.31230.1224.3037426.2796002.0max 000=??=>=???=γβ

故满足要求。

Ⅱ-Ⅱ斜截面λ也是0.3，其受剪切承载力与I-I 截面相同，故其也满足要求。

7、桩身截面配筋设计（双线、纵向、一孔重载）

（1）桩身弯矩计算

kN a H 92.1710327.310526.110276.110383.55454320=???-???=-=--βρρm

kN a M ?=????-???=-=--38.3610327.310383.510412.110526.15464340ρβρ∴任意深度z 处桩身截面弯矩：

M M M M M M z B A B A B M A H M 38.36479.5038.36355

.092

.1700

+=+=

+=

α

z M 列表计算如下：

由表知：m kN M ?=455.67m ax

kN x n

N N 69.230710526.14.410

66.86

94.1733445

1

m in =????-=-=

-∑βρ

4.0

3.53.02.01.00M z

（2）计算偏心距 初始偏心距：m N M e 029.069.2307455

.67min max 0===

偏心距放大系数：

22

1

1h h c KN E I l ηπα

=

-

其中，影响系数597.016.000.1029

.02.01

.016.02.01.00=++=++

=

h

e α 计算长度：m l l c 634.5)355

.00

.40(5.0)0

.4(5.00=+

?=+=α

，

（α为变形系数）

主力+附加力，所以K=0.6 则002.1634.51198

.0108.2597.069.23076.011

112722

2=?????-

=-=

ππαηc

h h l I E KN

∴

m

e e 0291.0029.0002.10=?=='η

（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C25，根据《桥规》规定，取min μ=0.5%,则

22m in m in ,613612504

%5.0mm A A c s =??

==π

μ

选用18φ22的Ⅰ级钢筋，2,6462mm A s =实，取净保护层厚度

mm a s 70=，采用对称配筋，则主筋净距为：

mm mm d R 1201682218

)

1170625(2162>=---?=-ππ，符合要求。

（4）判断大小偏心 取n=17

换算截面面积：22

01098554

mm nA d A s =+=π

换算截面惯性矩：

4

10242

4

01036.1)1170625(646217214625214mm r nA R I s s ?=--???+?=+=ππ核心距：mm e mm y A I k 9.16198625

1098551036.110

00='>=??==

故属小偏心构件

8、桩基础布置图（d=1.25m ），比例尺1：50