某一级公路桥梁桩基设计计算书

设计论文

关键字：设计桩基

第1章

1.1设计资料

1.1.1工程概况

该桥梁系某I级公路干线上的中桥（单线），线路位于直线平坡地段。该地区地震烈度较低，不考虑地震设防问题。

桥梁及桥墩部分的设计已经完成，桥跨由4孔30m预应力钢筋混凝土梁组成。

1.1.2 工程地质和水文地质

河床标高为78.32，桩顶与河床平齐，一般冲刷线标高为75.94 m，局部冲刷线标高为73.62 m。

τ= kPa；地基土为中密砂砾土，地基土比例系数m＝10 000 kN/m4；地基土极限摩阻力60

[f]＝430 kPa,内摩擦角Φ＝20o，土的密度r' = 11. 80 kN/m2（已考虑浮力）地基容许承载力

ao

1.1.3．荷载情况．

桥墩为单排双柱式，上部结构为30 m预应力钢筋混凝土T梁，桥面净宽9m＋2×0.75 m,设计汽车荷载为公路I级，人群荷载标准值为3.0kN/m2。以顺桥向计算，计得至盖梁顶的各作用值见表1。

根据表1，经计算求得作用一根桩顶荷载为：

双跨结构重力 P1=1467.40kN

盖梁自重反力 P2=264.00kN

一根墩柱自重 P3=165.32kN

系梁自重反力 P4=66.90kN

每一延米桩重 q=25.91kN/m(已考虑浮力)

两跨双列汽车荷载反力 P5=1184.24kN(考虑横桥向偏心影响，计算桩长用，取大值)

两跨人群荷载反力 P6=66.89kN

单跨双列汽车荷载反力P7=280.50kN(考虑横桥向偏心影响，计算内力用，取小值)

单跨人群荷载反力P8=32.21kN

单跨双列汽车荷载弯矩 M1=243.67kN*m

单跨人群荷载弯矩M2=13.18kN*m

水平制动力H1=81.9kN

风力水平力H2=9.5kN

1.2 设计依据

1．中华人民共和国交通部部标准．公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）.人民交通出版社，2007

2．中华人民共和国铁道部标准．铁路桥涵地基基础设计规范，TBJ2－99

3．赵明华主编，徐学燕副主编．基础工程．高等教育出版社，2003

4．李克钏主编，罗书学副主编．基础工程．中国铁道出版社，2000

5．王晓谋主编，基础工程．人民交通出版社，2005

第2章方案设计

2.1方案比选

(1)对刚性扩大基础

基础在外力（包括基础自重）作用下，基底

的地基反力为，此时基础的悬出部分a-a断面

左端，相当于承受着强度为的均布荷载的悬臂梁，

在荷载作用下，a-a断面将产生弯曲拉应力和剪应

力。当基础圬工具有足够的截面使材料的容许应

力大于由地基反力产生的弯曲拉应力和剪应力

时，a-a断面不会出现裂缝，这时，基础内不需配

置受力钢筋，这种基础称为刚性基础。

刚性扩大基础属于浅基础，其埋置深度一般小于5

米，对于本工程若采用刚性扩大基础，其须埋于最大冲刷线下不小于1米，刚最小的进置深度为5.7m因此，尽管持力层土层地质良好，考虑浅基础特点故不适合。

(2)沉井基础

沉井基础适用以下情况

1．上部荷载较大，而表层地基土的容许承载力不足，扩大基础开挖工作量大，以及支撑困难，但在一定深度下有好的持力层，采用沉井基础与其它深基础相比较，经济上较为合理时；2．在山区河流中，虽然土质较好，但冲刷大或河中有较大卵石不便桩基础施工时；

3．岩层表面较平坦且覆盖层薄，但河水较深；采用扩大基础施工围堰有困难时。

综上所述，本工程不须采用沉井基础。

(3)桩基础

(1)当建筑物荷载较大，地基上部土层软弱或适宜的地基持力层位置较深，地下水位较高，采用浅基础或人工地基在技术上、经济上不合理；

（2）河床冲刷较大，河道不稳定或冲刷深度不易计算正确，位于基础或结构物下面的土层有可能被侵蚀、冲刷，如果采用浅基础不能保证基础安全时；

(3)当地基计算沉降过大或结构物对基础沉降变形与水平侧向位移较敏感，采用桩基础穿过松软（高压缩）土层，将荷载传到较坚实（低压缩性）土层，以减少建筑物沉降并使沉降较均匀；

(4)承受较大的水平力，需要减少建筑物的水平位移和倾斜时，对稳定性要求较高；

(5) 在地震区，可液化地基中，采用桩基础可增加建筑物抗震能力，桩基础穿越可液化土层并伸入下部密实稳定土层，可消除或减轻地震对建筑物的危害。

本工程对水平位移要求严格，本工程中局部冲刷线集位置较深，采用桩基础具有造价低，强度高，沉降量小而均匀，施工较两者简易，综上所述，本工程采用桩基础比较合理。

2.2．墩柱及桩的尺寸． 采用双柱式墩（图1)。墩帽盖梁顶标高为84.72 m ，墩柱顶标高为8

3.32m ；桩顶标高为78.32m 。

墩柱直径1.30m ；桩的直径1.50 m 。桩身用C20混凝土；其受压弹性模量7

2.610h E =? kPa 。

图1 双柱式桥墩计算图

第3章 技术设计

3.1．桩长计算

由于地基土土层单一，为中密砂砾土，根据地质情况桩长不可确定，应按单桩轴向容许承载力公式反算桩长。

采用短期效应组合，除了考虑永久作用外，还需考虑汽车效应和人群效应。 按两跨布载考虑

12340561

[]()1()2

a P R p p p p l p qh p p ==+++++

+?+

= 1467.4+264+165.32+66.9+（78.32-73.62）×25.91+1

2

×25.91×h+1184.24+66.89 =3336.48+12.955h

设桩埋入局部冲刷线下深度为h,埋入一般冲刷线下3h ，则

002231

[]{[](3)}2

a i p a ik R U l q m A f k r h λ=

++-∑

计算[]a R 时取以下数据：桩的设计桩径1.50m,成空直径1.60m,桩周长 π6.1=U =5.03，

2

(1.5)4

p A π=

=1.7662

m ,λ=0.7, 0m =0.85, 2K =5.0,

0[]a f =430a kp ,2γ=11.803/KN m (已考虑浮力)，ik q =60a kp ，所以

得00221

1[][[](3)]2n

a ik i p a i R u q l m A f K h λγ==++-∑

=

1

2

×5.03×h ×60+0.7×0.85×1.766×[430+5×11.8×(h+2.32-3)] =409.67+212.895h

解得h=14.64m 取h=15.0m 桩底标高为58.62 取h=15.0m 桩的轴向承载力满足要求。

3.2．单桩所受外荷载的分配

计算墩柱顶外荷载i P 、i i H M 、（按单跨计算）

656.21898.04.121.324.15.2802.14.1467=??+?+?=i P

20

.11696.0)]}62.7332.788.5(7.4[1.14.118.134.1)62.7372.84(9.81{4.167.243=?-+??+?+?-?+?=i M

3.3．桩身内力及变位计算

3.3.1 局部冲刷线处000P H M 、、计算

汽车按一跨布载考虑，按承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合计算，除汽车荷载效应外还需考虑人群荷载、汽车制动力、风荷载的可变效应。

25.29312.1)]]62.7332.78(91.259.6632.165264[0=?-?++++=i P P KN M H i 11.1258.41.10=?+=

6.01.1)62.7332.785.2(8.40??-+?+=i M M =1192.01KN*M

3.3.2 桩的各参数确定及α

83.1194.19.811.17.4=?+?=i H

地基土比例系数4

10000m KN m =

计算宽度1(1)0.9(1.501) 2.25f b K d =+=?+=m

746

1

0.80.8 2.610 1.50 5.1691064

0.3370.33715.00 5.055 2.5h EI E I m h π

αα-==???

?=?====?=≥基础变形系数换算深度h 为弹性桩

3.3.3单位力作用在局部冲刷线处，桩柱在该处产生的变位计算

据分析，摩擦桩且h α＞2.5或支承桩且 3.5h α≥时，h M 几乎为零，且此时h K 对0......δδ(0)（）

HH MH 、

的影响极小，可以认为0h K =

0H =1作用时，水平位移(0)34432442334432442()()1

()()

h HH

h B D B D K B D B D EI A B A B K A B A B αδ

-+-=

?

-+- =

36266.061279.9961

0.337 5.1710109.012114.722

h h K K +???+

=1.235

10-?m 转角

(0)34432442234432442()()1()()h MH

h A D A D K A D A D EI A B A B K A B A B αδ

-+-=

?-+- =

27

176.709185.9961

0.337 5.1710109.012114.722

h h K K +???+ =2.77-6

10?rad

0M =1作用时，水平位移

(0)(0)

62.7710HM

MH δδ-==?m

转角

(0)3443244234432442()()1

()()

h MM

h A C A C K A C A C EI A B A B K A B A B αδ

-+-=

?-+- =

7190.834200.0471

0.337 5.1710109.012114.722

h h K K +???+

=1.00-6

10?rad

3.3.4局部冲刷线处桩柱变位计算 水平位移 (0)(0)

00

0HH HM x H M δδ=+

=5

6

125.11 1.23101691.39 2.7710--??+?? =6.223

10-?m

转角 (0)(0)

00

0()MH MM H M ?δδ=-+

=6

6(125.11 2.77101691.39 1.0010)---??+??

=3

2.0410--?m

3.3.5 局部冲刷线以下深度Z 处桩身各截面内力计算 弯矩2

0000333323()z M H

M EI x A B C D EI EI

?αααα=+

++ =3652.083A -3554.273B +1192.033C +371.253D 剪力3

0000444423()z M H

Q EI x A B C D EI EI

?αααα=+

++ =1230.754A +1197.794B +401.714C +125.114D

由图示可知:'

max 1319.20., 1.63M KN m Z m ==

3.4 柱底最大压应力验算

桩端最大和最小压应力应满足下式要求： max min

00

((hk hk

r rk N M p q q A W α=

±≤r 钻孔桩）或沉入桩） 式中GK=15KM 65.38891.25=? 654321P P P P P P P K +++++=

89.6624.1849.6632.1652644.1467+++++=

KN 75.3214=

则)(18

.358523.2155.160=-???=πK T

则18.358575.321465.388-+=-+=K K K HK T P G N =18.22KN 则因 4≥h α 故Kpa d A N P P hk nax 31.104

/22

.1820min ===

=π

则))(([]32200-++=h R K fa m Q r λ )([]358.110.54307.085.0-??+??= 11.677=

显然：max 10.31 1.25r P Q =< 3.5. 桩柱顶水平位移验算 桩柱顶水平位移

564.05.13.14

411===EI I E n

7.462.7332.781=-=h 4.632.7872.842=-=h

KN H 9.81=

18.1367.243+=M

6611102921017.5564.0?=??==nEI I E ()00210X h h ??=+++?

又()()()()()()332

012121221211111

33

62

6332281.910.564 4.7 6.40.564 4.7 6.4 4.7 6.42.92103265.85 6.40.564 4.72 6.4 4.72 2.92100.0122 1.226.2210 2.041011.H M nh h nh h h h h nh h h E I E I m cm --?????=+++++++??????=

???+???++?????

???+??+?

???==?=?-?

?10.0122 4.22[]27.39mm

mm mm +=-?==≥水平位移 ４.22 满足要求

3.6 配筋

3.6.1计算受压区高度系数

()23478

P 6

3

1467.4264165.3266.928.532.212024.33243.6713.1881.984.7278.32 4.7 5.8 4.8 2.5820.27?m 4.0L 0.7 4.711.6

0.337820.27104052024.3310

o P P P P P KN

M KN M E mm N +++++=+++++==++?-+?+?=?

?=+= ???

?===?1M=P

121881012.54 4.41500

6757501425

4050.2 2.7

0.2 2.70.20.770.97142518.81

1.15 1.01 1.0211.5

1

s o o cd

r r e h f f ξξξηρ==>?=+=+==+=+=+==-?

=>=?=p 02L 长细比:

d 应考虑纵向弯曲对偏心的影响 取rs=0.9r=0.9750=675则截面有效高度为h 取则=1.383405=560mm

计算受压区高度系数:()()()()002

2

2

2

··

7505609.2560625690051521092001218757509.27501955175000109687500sd cd cd

e C e Dgr

B A

C

D B A C D Ar f C r f A c A C ηηρρρ

-?-?=?

?-?-=

-=+=??+?=+r u ＢＡ由Ｎ

以下采用试算法列表计算。

由上表可见，当ξ=0.22时，计算纵向力u N 与设计值N 相近。这时得到：

34.3710ρ-=-?。由于min 0.005=0.005ρρρ≤=故取计算，则：

222

0.005 3.147508831s A r mm ρπ==??= 现选用24φ22，22

191324()s s A mm A d ρπ=实际配筋率＝2

49132

3.14 1.5?=

?

0.00520.005=≥，60;s a mm =纵向钢筋间净距为188mm,满足规定的净距不应小于

80350mm mm 且不大于的要求。

3.6.2 由上可知0500,60,675,0.9s s e mm a mm r mm g η====。 1)在垂直于弯矩作用平面内， 长细比

7.737,0.98p l d ?=≥=故稳定系数

混凝土截面积为2

223.14(1500)17662504

c d A mm π=

=?=，实际纵向钢筋面积s A =

91322

mm ,则在垂直于弯矩作用平面的承载力为

'

0.9()u cd c sd s N f A f A ?=+

0.90.98(9.217662502809132)

16587.30(2582.478)

KN N KN =???+?=≥=

2)在弯矩作用平面内

0cd sd

cd sd

Bf D gf e r Af C f ρηρ+=

+

9.20.00520.9280

750

9.20.0052280

6900982.89.2 1.456B D A C B D A C

+???=

?+??+=

+

由计算表可见，当00.55502.45,e mm ξη==时，与设计的0500e mm η=很接近，故取

0.55ξ=为计算值。

在弯矩作用平面内的承载力为22

u cd sd N Ar f C r f ρ=+

221.33147509.20.24360.00527502807089.50(2582.478)

KN N KN =??+???=≥=

满足要求。 (3)箍

筋

选

用

12mm,

满

足直径大于

22022

/7.7312 21380/41494954 0.9()/0.9 16587300 37850.252283p s d u cd sd so sd s u cd sd s

so sd

u so s l d d a mm mm r N N f kf A f A N f f A A kf N N

A mm A mm π=<=-===≤=++--=

==>=cor cor cor cor cor 由于长细比故可以按螺旋箍筋柱设计核心面积直径d 核心面积 A d 由于A A 得 其中得现21

12

1 8=50.357.61/528580=40=3634.50.9()0.9(9.2149495421953634.51959132)15256.5925so so so

so u cd sd so sd s A A mm S mm

A mm mm mm mm

A

mm S

N f kf A f A πφπ=

=≤=≤>==++=??+??+?=>cor cor cor so cor d 取单肢箍筋的截面积间距由构造要求S 应满足S d 和S 故取S 60截面复核

d A A 82.478KN 满足要求

参考文献

[1 ]《水泥与水泥混凝土》. 申爱琴. 人民交通出版社2005 版

[2 ]《公路桥涵施工技术规范实施手册》. 刘吉士. 人民交通出版社2005 版 [3 ]《桥梁建筑美学》. 盛洪飞. 人民交通出版社2005 版 [4 ]《桥梁施工百问》. 刘吉土. 人民交通出版社2005 版 [5 ]《公路施工手册——桥梁篇》. 公路一局(2005 新版) [6 ]《公路工程施工及验收标准规范汇编》. 2005 版