基础工程课程设计-铁路桥梁高承台桩基础设计

基础工程课程设计-铁路桥梁高承台桩基础设计基础工程课程设计

铁路桥梁高承台桩基础设计

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，0

承台底与水位线平齐，设计标高为26.800 m。采用钻孔灌注桩施工，桩基直径为1.0,1.8 m。

4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/m。基桩混凝

7土采用C30，其受压弹性模量E=2.65×10KPa。 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

1. 基桩类型与尺寸

(1)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。 (2)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。

(3)混凝土等级

基桩采用C30混凝土，承台采用C25。

2. 基桩数量

,N,n,,[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

1PUflmA,,，, [][]ii02

,,222AA,d,，1.25,1.227m式中: ——桩底面积，此处为 44

m,0.55 ——桩底支撑力折减系数，按规范6.2.2-6，取 m00

2UUr,，,,(0.05)3.299 ——桩身截面周长，(按旋转锥计算)

fkPa,180——极限摩阻力， fii

lm,12.4 ——土层厚度， lii

'[](43)6,,,,,，,，kdkd[], ——桩底地基土的容许承载力，按公式 02222 '[](43)6,,,,,，,，kdkd 02222

式中:——地基基本承载力，,,900kPa,00

,k,3 ——由铁路桥涵规范4.1.3，取， kk,6222

'[](43)6,,,,,，,，kdkd 02222

,900，6，20，(4，1.25,3)，6，3，20，1.25,1590KPa

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%

[,],1590，1.2,1908KPa

1 PUflmA,,，, [][]ii02

1 ,，3.299，180，12.4，0.55，0.785，1908,4505.463 2

(2)确定桩数n

N20000,n,u,1.3，,5.77 P4505.436暂取n,6，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，当桩径时，不得小于，且不得小于0.5m。根d,1m0.3d

据承台及以上布桩原则，基桩的布置图如下:

图

1

基

桩

布

置

图

四、每根桩顶内力计算

1.单桩的计算宽度b0

形状换算系数圆形截面，=0.9; Kf

d，1K,,1.80受力换算系数 d

桩间相互影响系数 L,4m,h,3(d，1),3，(1.25，1),6.75m11

L,4m,0.6h1,4.05m 故， 1

L(1,b')(1,0.45)41K,b'，,,0.45，,,0.990.6h0.66.751

b,0.99，0.9，1.8，1.25,2.0m单桩计算宽度 0

2.桩的变形系数

4，1.25,76EI,0.8EI,0.8，2.65，10，,1.625，10桩的抗弯刚度: h64

mb80000，2055,,,,0.629基础的变形系数: 6EI1.625，10

桩的入土深度: ,l,0.629，12.4,7.800m,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 ,1

,,0.5 该桩为钻孔灌注桩，故。

77lmlm,,12.4,7.6 EA,1.227，2.65，10,3.25，100，

38由公式D,d，2，l，tan,,1.25，2，12.4tan,5.4m大于桩间中心距4m， 4 故，取 D,4m

,,222则，A,D,，4,12.56m 0044

C,ml,80000，12.4,992000 00

116,,,,1.98，10 1,l，l7.6，0.5，12.4110，，7992000，12.563.25，

10EACA00

(2)轴向刚度系数、、 ,,,324

,l,0.629，12.4,7.800,,l,0.629，7.6,4.780-57计算，按式60

由表6-15可知:Y,0.0414,Y,0.1358,,,0.5988 HMM

3364,,,EIY,0.629，1.625，10，0.0414,1.67，10KN/mH2

3364,,,EIY,0.629，1.625，10，0.1358,5.49，10KN/m M3

3365,,,EIY,0.629，1.625，10，0.5988,2.42，10KN/mH4

4.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

67,,,n,6，1.98，10,1.188，10KN/mbb1

45,,,n,6，1.67，10,1.002，10KN/maa2 45,,,,,,n,,6，5.49，10,,3.294，10KN/m,,,,3

25627,,n,，,nx,6，2.42，10，1.98，10，6，2,4.897，10KN/m,,,ii41 按公式6-62计算b, a,β

N200003, b,,,1.684，10m7,1.188，10bb

75,,H,M4.897，10，400，3.294，10，6900,,,,3, a,,,4.465，

10m257521.002，10，4.897，10,(3.294，10),,,,aa,,,,

55,,M,H1.002，10，6900，3.294，10，400,,aa4,, ,,,1.715，

10rad257521.002，10，4.897，10,(3.294，10),,,,aa,,,,

5.桩顶内力计算

按公式6-64计算。

分别以代入第一式，可以求得桩顶的最大和最小轴向力: x,2

Nmax401220000N,46,x,, =,,2，1.715，10，1.98，10=KN 1n62654Nmin

此外,

,34,44H,a,,,,,4.465，10，1.67，10,1.715，10，5.49，10,66.67KN i23

,45,34M,,,,a,,1.715，10，2.42，10,4.465，10，5.49，10 i43

,,202.802KNm

校核:

N,3，(4012，2654),20000KN,N ,i

H,6，66.67,400KN,H ,i

M,[,202.802，3，(4012,2654)，3]，2,6930KNm,M ,

五、局部冲刷线处桩身的横向位移和转角

x,因桩下端在土层内，且，故和可利用式6-38和6-39计算，即 al,2.500 HM00,， xAB0xx32,,EIEI

HM00,,， AB,,02EIEI,,其中

M,M，Hl,,202.802，66.67，7.6,303.89KNm 0ii0

H,H,66.7KN0i

AB 系数、、、可根据(地面处)及 AB,z,0z,0,l,4.0xx,,

A,2.441 B,1.621 xx

A,,1.621B,,1.751 ,,则

66.67303.890,4x,，2.441，,8.75，10m 036260.629，1.625，100.629，

1.625，10

66.67303.890,4 ,,,1.621，,，1.751,6.887，10rad02660.629，1.625，100.629，1.625，10

六、桩身内力计算

1. 求任意深度z处桩身截面上的弯矩

H66.670M,A，MB,A，303.890B,105.994A，303.890B M0MMMMM,0.629

AB系数、值可根据值及从表6-11查得。将局部冲刷线以下任意深,z,l,4.0MM 度z处的Mz值表计算如下表所示。 2. 求任意深度z处的桩侧土的抗力

22,,HM0.629，66.670.629，303.89000,A，B,A，B,20.996A，

60.112B,z,,,,,,bb2200

M则，和列表计算如下表1，并将计算结果绘于图2。 ,zxz

M表1 和计算表 ,zxz

60.112B ,/kPa,z 20.996A303.890BM105.994AAB,xzABZ/m Z,M,,MMM

0.00 0.000 0.000 1.000 0.000 303.890 303.890 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.20 0.318 0.197 0.998 20.881 303.282 324.163 0.424 0.258 8.902 15.509 24.411 0.40 0.636 0.377 0.986 39.960 188.701 339.595 0.721 0.400 15.138 24.045 39.183 0.60 0.954 0.529 0.959 56.071 183.533 347.501 0.902 0.450 18.938 27.050 45.989 0.80 1.272 0.646 0.913 68.472 174.730 345.924 0.979 0.430 20.555 25.848 46.403 1.00 1.590 0.723 0.851 76.634 162.864 335.244 0.970 0.361 20.366 21.700 42.067 1.20 1.908 0.762 0.774 80.767 148.128 315.978 0.895 0.263 18.791 15.809 34.601 1.40 2.226 0.765 0.687 81.085 131.478 289.858 0.772 0.151 16.209 9.077 25.286 1.60 2.544 0.737 0.594 78.118 113.680 258.628 0.621 0.039 13.039 2.344 15.383 1.80 2.862 0.685 0.499 72.606 95.499 224.247 0.457 -0.064 9.595 -3.847 5.748 2.00 3.180 0.614 0.407 65.080 77.892 188.764 0.294 -0.151 6.173 -9.077 -2.904 2.20 3.498 0.532 0.320 56.389 61.242 153.634 0.142 -0.219 2.981 -13.165 -10.183 2.40 3.816 0.443 0.243 46.955 46.505 120.801 0.008 -0.265 0.168 -15.930 -15.762 2.60 4.134 0.355 0.175 37.628 33.492 90.809 -0.104 -

0.290 -2.184 -17.432 -19.616 2.80 4.452 0.270 0.120 28.618 22.966 65.085 -0.193 -0.295 -4.052 -17.733 -21.785 3.00 4.769 0.193 0.076 20.457

14.545 43.552 -0.262 -0.284 -5.501 -17.072 -22.573 3.50 5.564 0.051

0.014 5.406 2.679 9.660 -0.367 -0.199 -7.706 -11.962 -19.668 4.00 6.359 0.000 0.000 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

M=-202.802KNm max

=46.412KPa ,max

M=303.89KNm max

M=347.512KNm max

3.任意深度z的剪力Hz

H,HA，,MB,66.67A，0.629，303.89，B,66.67A，191.147Bz0H0HHHHHH则，列

表计算如下表2，并将计算结果绘于图3。z

表2 H剪力计算表 z

191.147B66.67A Hz,zABHZHHH

0.00 0.000 1.000 0.000 66.670 0.000 66.670 0.20 0.318 0.956 -0.280 63.737 -53.521 10.215 0.40 0.636 0.839 -0.096 55.936 -18.350 37.586 0.60 0.954 0.675 -0.182 45.002 -34.789 10.213 0.80 1.272 0.458 -0.271 30.535 -51.801 -21.266 1.00 1.590 0.289 -0.351 19.268 -67.093 -47.825 1.20

1.908 0.102 -0.413 6.800 -78.944 -7

2.143 1.40 2.226 -0.066 -0.455 -4.400 -86.972 -91.372 1.60 2.544 -0.206 -0.474 -1

3.734 -90.604 -10

4.338 1.80 2.862 -0.313 -0.471 -20.868 -90.030 -110.898 2.00 3.180 -0.388 -0.449 -2

5.868 -85.825 -111.693 2.20 3.498 -0.432 -0.449 -28.801 -85.825 -

114.626 2.40 3.816 -0.446 -0.412 -29.735 -78.753 -108.487 2.60 4.134 -0.437 -0.363 -29.135 -69.386 -98.521 2.80 4.452 -0.406 -0.307 -27.068 -58.682 -85.750 3.00 4.769 -0.361 -0.249 -24.068 -47.596 -71.663 3.50

5.564 -0.200 -0.067 -13.334 -12.807 -2

6.141 4.00 6.359 -0.010 0.000 -

0.667 0.000 -0.667

图3 剪力分布图

H=66.67KN zmax

H=114.626KN zmax

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

M,347.512KNm,H,114.626KN,Nmax,4012KN设计荷载:maxzmax

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

23.14，12502A,,，A,0.2%，,2453mm sc,minmin4

2选取8Φ20的一级钢筋，取净保护层厚度为70mm。 A,2513mms实

此时主筋间距为:

2R2，3.14，(625,70,10),(,d),(,20),407.8,120mm 0n8

图5:横截面配筋(单位:mm)

(2)计算偏心距ei

3M347.512，10maxe,,,130.9mm0N2654min

0.10.1 ,,，0.16,，0.16,0.531e86.600.2，0.2，1250h

查基础工程课本表6-25可知:对于桩在的多排桩，计算长度为 ,l,4

44 l,0.5，(l，),0.5，(7.6，),7.6mc0,0.531

l/d,6.1,7因为，由表6-26可知:纵向弯曲折减系数,,1 c

7Eckpa,，3.210取，由附表2.3可知: K,0.6

则:

11,,, =1.0002 KN0.6，4012,1,1,0.531227EI3.14，3.2，10，

0.120,cc227.6lc

e,,e,1.0002，130.9,130.9mm偏心距为 i0

(3)截面校核

取n=15，换算截面面积为

222A,,R，nA,3.14，625，15，2513,1264257.5mm s0

换算截面惯性矩为

44d13.14，12501,22114I,，nAr,，，15，2513，(625,70,10),1.258，10mmss0642642

核心距为

11I1.258，100 为小偏心。 k,,,159.2mmAy1264257.5，6250

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,,,122 32

V,,，,,，，,,2sin3cos43sincos033.14(1)9.42,,,,,3

W,,,,123sin432sincos37.7,,,,

Q,,,3cos9.42,,

配筋率为

A2513实 ,,,,2.1%A1226562.5c

混凝土的最大压应力为:

96KM,max, ,c2，，r,,3sRWn24，,,,,,,R,,,,，，

696，1，1.0002，347.512，10 , 54532625，[37.7，24，15，3.14，

0.0021，()]625

,3.46MPa,[,],11.2MPa b

钢筋的最大压应力为:

RKr21,，，，s',,,n sc2KR

625，(2，1,1)，545,15，3.46， 2，1，625

,48.59MPa,[,],160MPa s

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:

22,,DD,(，7.6，，12.4)，(,,10) G44

223.14，1.253.14，1.3 ,(，7.6，，12.4)，(25,10) 44

,386.585KN桩入土部分同体积土的重量:

2,D',，12.4，(,',10) G4

23.14，1.3,，12.4，(20,10) 4

,164.505KN则桩底受力:

'N，G,G,4012，386.585,164.505,4234.08KN max

1.2[P],1.2，4505.263,5046.316KN,4234.08KN

故，单桩承载力符合要求。

2. 单桩稳定性检算

l,7.6m桩的计算长度为，查铁路桥涵混凝土结构设计基本原理表11-3可知，c m,10.4。

3ll7.6，10cc,,,,,24.111iI1.258，100

A1264257.50

,,0.898故，查规范

N ,,h'()，AmA,cs

34012，10, 1.0，(1226562.5，10.4，4012)

,3.52MPa,[,],9.0MPa c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

h,1.6r,1.6，0.625,1m ， b,1.76r,1.76，0.625,1.1m0

Asv 0.70.07VfbhfhN,，，0toyvs

50.3 ,0.7，1.24，1100，1000，210，，1000，0.07，4012000200

,1288.455KN,V,114.626KN max

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(,k,k)，2c(,K，K)]z12papa

b0,,1.0,,0.8式中:，，，暂取 ,,,2ckpa,10z,2.9012，b

382 k,，,tan(45)2.35p2

382 k,,,tan(45)1.39a2

代入计算可得:,,,,[,z(,k,k)，2c(,K，K)]z12papa ，，,，，，，,，，，1.00.82014.622.351.392022.351.18 ，，，，，，,773.2KPa,,,46.12KPa max

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;

NM0,,,，,检算方法: ,,AW

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:

038am,，，，,8212.4tan9.87 4

038bm,，，,5212.4tan6.87 4

2 Aabm,，,，,9.876.8767.81

22ba6.879.87，3Wm,,,111.54 66 桩身自重:

G,6，386.585,2319.51KN1

桩侧土自重:

'G,67.81，20，12.4,6，164.505,17803.91KN

则，地基上总竖向力:

'N,N，G，G,20000，2319.51，17803.91,40123.420

桩群形心的力矩:

M,6900，400，7.6,9940KNm

NM40123.4299400，,，,680.82KPa,[,],900KPa则， AW67.81111.54

6. 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。

7. 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。 max0

8. 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:

N40123.320 p,,,591.7KPa kA67.81

基础底面自重压力为:

,,,d,10.0，12.4,124.0KPa chm

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 ,m

,h,3ii,,10.0KN/m ,mh,i

基础底面的附加压力为:

P,P,,,591.7,124,467.7KPa 0kch

(2) 确定分层厚度

d,0.4b,2.748m,则，不妨取d,2.4m 查规范知，基础分层厚度。

(3)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。

E280E,,,37.69MPa si22,22，0.31,1,,1,1,0.3

nnAA,,iiii,1,1EE,,==37.69MPa sisnnAiA,,ii,1i,1EsiEsi

E,20MPa, 故查规范知:时，取0.2。 ss

(4) 确定沉降计算深度

h,b(2.5,0.4lnb),6.87，(2.5,0.4，ln6.87),11.87m 查规范知: c

(5)计算分层沉降量

"基础规范"表 K.0.1-2可得到平均附加应力系数，计算的分层沉降值见下表: 根据

表3 各土层沉降计算表层次i z(m) ,,=,(a/b,z/bi) z,, - z,, ,s =

4p/E(z,, - z,,)(m) ?,s = 4p/E(z,, - z,,) (m) iiiii-1i-1 i0siiii-1i-

1i0siiii-1i-1

1 2.4 0.24775 0.5946 0.04998

2 4.8 0.24167 0.565416 0.045916

3 7.2 0.22949 0.49238 0.04176 0.022315

4 9.6 0.21461 0.40783 0.039791

5 11.87 0.19889 0.31704 0.033382

,S,223.15mm故，范围内的计算沉降量为 z,11.87m,i

(6) 最终的沉降量

'' S,,S,,,S,0.2，223.15,44.63mm,ssi总

[s],20L,2024,97.98mm

S,44.63mm,[S]故，满足要求。总

七、单桩材料用量表

表4:单桩材料用量表

八、电算结果与计算结果对比表

表5

基础变形系数及桩顶刚度系数

,,,,, 1234

6445电算结果0.629 1.98×10 1.67×10 5.49×10 2.42×10

6445计算结果0.631 1.99×10 1.66×10 5.48×10 2.43×10

表6

承台刚度系数矩阵

,, ,, ,,,,aabb

5757电算结果1.002×10 1.188×10 -3.294×10 4.897×10

5757计算结果1.003×10 1.190×10 -3.297×10 4.894×10

表7

桩顶位移

双孔重载

水平位移(mm) 竖向位移(mm) 转角(rad)

-3电算结果1.684 4.465 0.1715×10

-3计算结果1.697 4.533 0.1739×10

【参考资料】

[1] 李亮，魏丽敏.基础工程[M].长沙:中南大学出版社，2004.

[2] 刘成宇.土力学[M]. 北京:中国铁道出版社，2006.

[3] 铁路桥涵地基和基础设计规范,TB10002.5-2005,[S]. 北京:中国铁道出版社，2005.

[4] 袁锦根，余志武.混凝土结构设计基本原理,第二版,[M].北京:中国铁道出版社，2003.

[5] 史配栋，实用桩基工程手册[S].北京:中国建筑工业出版社，1999.

附:

1. 设计图(2号图) 一张