基础工程课程设计书.doc

设计主要步骤一、确定桩基持力层的位置1基本要求（1）应选择压缩性低、承载力高的较硬土层作为持力层；（2）持力层应有一定的厚度，既能保证桩端进入持力层的深度要求，又能使桩端以下有一定厚度的剩余持力层；（3）桩端全断面进入持力层的深度要求为：对于粘性土、粉土不宜小于 2d（d 为桩径），砂土不宜小于 1.5d。碎石类土不宜小于 1d。当存在软弱下卧层时，桩基以下硬持力层厚度不宜小于 3d；当持力层较厚、施工条件 许可时，桩端全断面进入持力层的深度宜达到桩端阻力的临界深度。砂与碎石类土的临界深度为(310)d。2根据实际工程地质条件选择由表1工程地质条件可知，土层底标高 5.91m 以下任一土层均可为持力层。现选第层中砂为持力层。桩端进入持力层的深度为 2.41m。表 1 土层参数土层编号土层名称土层底标高（m）土层厚度（m）重 度（kN/m3）压缩模量（MPa）天然地基承载力（kPa）极限侧阻力标准值（kPa）极限端阻力标准值（kPa）黏土25.52.519.36.31505024.610.89淤泥质土22.911.717.02.575252粉质黏土19.313.619.89.216055粉土18.610.720.032170501黏土13.615.019.17.216050粉质黏土8.914.720.311.6180553黏土7.811.119.310200508001粉质黏土5.911.920.010.821060700中砂3.52.4120.0372307013000.912.591黏土-2.593.518.04.47525200粉质黏土-5.492.920.315.22406010001黏土-6.49119.410.922055900中砂-10.694.220.042260701500基岩二、确定桩型、尺寸和构造1根据表 1 地质条件和所选择的持力层可知，本桩基为摩擦型桩基。2当持力层确定后，桩截面尺寸应根据作用于柱上的荷载大小确定。如果荷载较大，则应选择较大的截面尺寸。作用在设计地面标高处的荷载为轴力轴力 Fk6210 kN，剪力 Hk=236 kN，弯矩 mk=670 kN.m。因荷载较大，故选择的桩截面为 550mm，柱采用 C45 混凝土(抗压强度 fc=21.1N/mm2，抗拉强度 ft=1.8N/mm2 ），截面为 600mm600mm Fk/fc=6210103/21.1 =294312.8mm2。承台采用 C25 混凝土(抗压强度 fc=11.9N/mm2，抗拉强度 ft=1.27N/mm2）3因桩端进入持力层的深度为 2.41m1.5d=1.50.55=0.825m，故桩端全断面进入持力层的深度满足要求。4因层为性质较好、厚度较大的黏土，承台可放其中，故选承台标高为 25.5m，这样，承台埋深 d=28- 5.5=2.5m，净桩长为 25.5-3.5=22m。此外，根据预制桩与承台的连接要求(桩嵌入承台内的长度：大直径桩(d800mm)不宜小于100mm，中(800mmd250mm)、小(d250mm)直径桩不宜小于 50mm），选择预制桩嵌入承台内的长度为 50mm。这样整个桩的长度为 22.05m。5考虑到一般预制桩的节长为 513m 及运输方便、便于接桩(1 根桩的接桩数一般不超过 3 次)，对一根单桩，可选择 3 节长度为 8m 的管桩。三、确定单桩承载力1单桩竖向极限承载力标准值 Quk根据Quk = Qsk+ Q pk= u pqsik li + q pk Ap有,Qsk=0.6(0.8950+1.725+3.655+0.750+550+4.755+1.150 +1.960+2.4170)=2015.049kNQ pk =13000.552/4=308.8578kNQuk =2015.049+308.8578=2323kN2单桩竖向极限承载力特征值 Ra根据 Ra=Quk/K，取安全系数 K=2，可得 Ra=1162 kN。3基桩竖向极限承载力特征值 R（1）由于基桩的承载力是在单桩承载力的基础上考虑群桩效应和承台效应得到的，而群桩效应在现规范中一般不予考虑，因此，确定基桩的承载力的关键就在于是否再考虑承台效应；（2）根据考虑承台效应的一般原则可知：因本工程为柱下独立摩擦型桩基，因此，如果桩数不少于 4根，则应考虑承台效应；（3）根据 R=Ra+cfakAc 及 Ac=(A-nAps)/n 可知：为确定 R，必须事先知道桩基的桩数 n 或者桩的平面布置，但这 又与 R 有关。为此，桩数 n 大致可按下述方法预估：（A）首先不考虑承台效应，即认为 RRa；（B）因按中心受压桩基计算桩数 n=(Fk+Gk)/R 时 G=GDA(G=20kN/m3，D为承台埋深，A为承台底面积)时，A 也与桩数 n 或者桩的平面布置，因此，可先仅考虑 Fk，将得到的桩数扩大 510用于考虑 Gk。对本设计，因 Fk=6210 kN，故 n1=Fk/R=6210/1162=5.34，n2=(1.051.1)n1=5.615.88，故可取 n26。（C）因本工程为偏心受压桩基(作用在承台底面处的弯矩Mk=670+2362.5=1260kN.m），因此，还应根据偏心情况将中心受压时的桩数扩大(1020)。即 n=(1.11.2)n2=6.17.1。（D）值得注意的是，因为考虑承台效应时 R 增加、桩数 n 减小，故 n 可取 6 或 7 根。（E）进行平面布置：因：（1）无论是打入或静压式预制桩，都属挤密型桩；（2）设计中有地下水，故基桩间距 Sa 取 4d。此外，因规范规定“承台边缘至边桩中心的距离不宜小于桩的直径或边长，且边缘挑出部分不应小于 150mm”，故桩基平面布置如下图 1 示。（F）确定考虑承台效应的基桩承载力特征值 R当n=6时：A=5.53.3=18.15m2，Aps=d2/4=0.552/4=m2，Ac=A/n-Aps 18.15/6-0.23758 =3.7173m2。Sa=4d，承台宽度 Bc=3.3m，桩长 l=22m，Bc/l=0.150.4，故查指导书P9 表 1 有 c=0.14。承台下 1/2 承台宽度为 Bc/2=3.3/2=1.65m5m，该深度内土层地基承载力特征值为fak=(0.89150+(1.65-0.89)75)/1.65=115.1545 kPa。这样，R=Ra+cfakAc=1162+0.14115.15452.78742=1207.1kN当n=7时：A=5.53.3=18.15m2，Aps=d2/4=0.552/4=m2，Ac=A/n-Aps=18.15/7-0.23758=2.3553m2。Sa=4d，承台宽度 Bc=3.3m，桩长 l=22m，Bc/l=0.150.4，故查指导书P9 表 1 有 c=0.14。承台下 1/2 承台宽度为 Bc/2=3.3/2=1.65m5m，该深度内土层地基承载力特征值为fak=115.1545 kPa这样，R=Ra+cfakAc=1162+0.14115.15452.3553=1200.1kN群桩平面布置时注意：1.除非上部结构或承台有特殊要求，否则应尽量按行列式方式规则布桩且承台底面最好为矩形；2.承台底面长边通常在弯矩作用(即偏心)方向；3.承台底面长边与短边不要相差太大，否则为保证长边方向的抗弯要求，承台厚度必然很大。此时最好通过增大 桩径或桩长从而提高桩的承载力来减小长边的桩数。四、确定桩数和布置1确定桩数 n前面已初步确定了桩数n（6或7根）并进行了布置。现再考虑承台及其上方填土自重 Gk 及弯矩 M 作用条件下的桩数。当n=6时：Gk=GLkBkD=205.53.32.5=907.5 kN，中心受压时n(Fk+Gk)/R=(6210+907.5)/ 1207.15.9，考虑弯矩作用时应再增大(1020)，即 n=6.57.1，因此可取 n=7根。当n=7时：Gk=GLkBkD=205.53.32.5=907.5 kN，中心受压时n(Fk+Gk)/R=(6210+907.5)/ 1200.15.9，考虑弯矩作用时应再增大(1020)，即 n=6.57.1，因此可取 n=7 根。综上可见，本桩基理应取 n=7 根。但为减少造价并便于布桩，现暂按 n=6 试算。若验算不满足要求，可调整为 n=7 根或增大桩径。2进行平面布置:见图 1(a)。五、基桩竖向承载力验算1验算时，荷载效应应采用标准组合。2验算：（1）竖向承载力验算Gk=G LkBkD=205.53.32.5=907.5 kN，Fk =6210kN， 轴心受压：Nk=(Fk+Gk)/n=(6210+907.5)/6=1186.3 kN R=1207.1 kN，满足要求。i偏心受压：因 Myk=mk+HkD=670+2362.5=1260kN.m，xmax=2.2m，xi2=222.22=19.36m2，则Nk max=Nk+ = 1186.3+ =1329.54，故h=4，查表 8.17 有 vx=2.441单桩水平承载力特征值Rha=0.753EI0a/vx=0.750.52923125272.10.01/2.441=57.0437kN注意到 n1=3，n2=2，Sa/d=4，则i=40.0152+0.45/(0.153+0.12+1.9)=0.7629因预制桩嵌入承台内的长度为 50mm 且 h=4，故查指导书P31 表 9 有 r=2.05。Bc=Bc+1=3.3+1=3.4m，承台厚度 hc=1.8m (见后)，故1= = =0.6745Pc=cfakAc=0.14115.45452.78742=45.1kN查指导书P31 表 10，取承台底与地基土之间的摩擦系数=0.3，则b= = =0.03953h=ir+1+b=0.76292.05+0.75867+0.03953=2.70545基桩水平承载力特征值Rh=hRha=2.7054557.0437=154.33kN而 H1k=Hk/n=236/6=39.33kN600mm(满足要求)。2承台尺寸承台的底面尺寸可通过对桩的平面布置确定(如见图 1)，而立面尺寸确定时应通盘考虑多项因素。主要有：（1）根据基础的最小埋深原则，承台顶面距地面的距离不应小于 100mm；（2）承台厚度不应小于 300400mm、最小宽度不应小于 500mm、埋深不应小于 600mm；底面钢筋保护层厚度不应小于 50mm（有混凝土垫层）或 70mm（无混凝土垫层）；桩嵌入承台长度不应小于100mm（大直径桩） 或 50mm（中等直径桩）；（3）确定承台或台阶厚度h时，一定要兼顾承台满足受弯、剪、冲等验算的要求。即众多“450 线”及 X 和 Y 向冲跨 i=ai/h0i=0.251.0 或 h0i=(14)ai 的要求。即h=maxh0x，h0y+桩嵌入承台内的长度300400mm其中：h0X/Y(14)a0X/Y=X/Y向边桩中心至柱中心的水平距离-0.5(X/Y向柱边长+圆桩等效为方桩时X/Y向桩边长(=0.8d) (等效原因见承台抗冲切验算)对本设计而言，首先确定承台内钢筋保护层厚度70mm（C10混凝土垫层）、桩嵌入承台长度50mm（因桩径d=600mm为中等直径桩）。此外，X 方向边桩中心至柱中心的水平距离-0.5(X向柱边长+圆桩等效为方桩时 X 向桩边长)= 2.2-0.5(0.6+0.80.55)=1.78m，Y 方向边桩中心至柱中心的水平距离-0.5(Y 向柱边长+圆桩等效为方桩时 Y 向桩边长)= 1.1-0.5(0.6+0.80.55)=0.58m。因此为满足柱边抗冲切时“450 线”的要求，承台厚度 h 必须大于 1.71+0.05 =1.76m，现取 1.8m。这样，承台顶面距地面 2.5-1.8=0.7m0.1m 也满足要求。由于承台的厚度(1.8m)较大，为降低造价，可将承台分阶。分阶的方法是，从X或Y方向角桩顶内边缘做450 射线，只要台阶位于该 450 射线之上即可。另外，各台阶的高、宽不要相差太大。最终的台阶尺寸见图 2。七、桩基软弱下卧层承载力验算1.前提：桩距 Sa6d 且桩端以下受力范围内存在承载力低于桩端持力层承载力 1/3 的非端承型桩。2.要求:z+czfaz。其中 z 和 cz 分别为软弱下卧层顶面处的竖向附加应力及有效自重应力(地下水位以下取有效 重度 =sat-w)；并且计算 cz 时从承台底(桩顶)算起。faz 为软弱下卧层顶面处经深度修正(取d=1)后的承载 力特征值，并且深度修正时不计承台埋深。3对本设计：桩基为摩擦型的，桩距 Sa=4d6d，持力层为厚5m、天然承载力 230kPa的中砂层，其下有厚 3.5m、天然承载力 75kPa230/3=76.66kPa 的粘土层1， 因此，应进行软弱下卧层1的承载力验算。桩端以下持力层厚度 t=3.5-0.91=2.59m，持力层平均压缩模量Es1 =37MPa，下卧层模量 Es2=4.4MPa，Es1/Es2=8.41MPa0.5，查表 3 并 线性内插有=25+(30-25)(8.41-5)/(10-5)=28.41。软弱下卧层顶面处的自重应力(注意：从承台底算起)为sz=0.8919.3+1.717+3.619.8+0.720+519.1+4.720.3+1.119.3+1.920+520=481.497kPa 承台底以下桩长范围内的 qsik li =1166.2kN/m，软弱下卧层顶面处的附加应力为z=36.1573kPa软弱下卧层顶面以上土层的平均重度m=sz/(l+t)=481.497/(22+2.59)=19.581kN/m3承载力为fak=fk+dm(l+t-0.5)=75+119.581(22+4.89-0.5)=546.7kPa软弱下卧层顶面处的合应力为 sz+z=481.497+36.1573=517.6543kPah =1800mm800mm，故hp 在0.9 与 1.0 之间线性内插。即hp=1+(0.9-1.0)(h-800)/(2000-800)。将 h=1800mm 代入有hp=1+(0.9-1.0)(1800-800)/(2000-800)=0.91667因是方柱，故边长 bc=hc=600mm；承台为 C25 混凝土时抗拉强度 ft=1.27N/mm2。因冲切锥体底面范围内有2根桩(中心处)，故冲切力设计值 Fl=F-Q=8383.5-1397.252=5589kN20x(bc+a0y)+0y(hc+a0x)hpfth0=20.7173(0.6+0.58)+1.5692(0.6+1.68)0.9166712701.73=17821kNFl=5589kN，故柱对承台冲切承载力满足要求。（2）上台阶对承台(向下)冲切验算上台阶对承台冲切时，相当于将上台阶看作一个虚拟的“柱”，只不过该“柱”的“截面尺寸”等于上台阶在水平面上的尺寸，并且承台破坏锥体的有效高度等于上台阶以下所有台阶的有效高度之和h10=930mm。因冲切锥体底面范围内有6根桩，故无需继续进行上台阶对承台(向下)冲切验算。（3） 角桩承台(向上)冲切注意到角桩冲切时承台外边缘的有效高度h0是h10=930mm。c1=c2=770mm，a1x=480mm，a1y=30mm。1x= a1x/h0=0.5161，1y= a1y/h0=0.0323 ,1x=0.56/(1x+0.2)=0.782，1y=0.56/(1y+0.2)=2.4107，此外，因“承台高度”h1=1000mm800mm，故hp在0.9与1.0之间线性内插。即hp=1+(0.9-1.0)(1000-800)/(2000-800)=0.98331x(c2+a1y/2)+1y(c2+a1x/2)hpfth0=0.782(0.77+0.03/2)+2.4107(0.77+0.48/2)0.983312700.93=3540.7kNNmax=1500.034kN， 即角桩对承台冲切承载力满足要求。九、承台抗剪承载力验算1由于剪切破坏面通常发生在柱(墙)边与桩边连线形成的贯通承台的斜截面处，因而受剪计算斜截面取在柱边处。当柱(墙)承台悬挑边有多排基桩时，应对每个柱(墙)边、变阶处与桩边连线形成的斜截面的受剪承载力进行计算。抗剪承载力验算的公式是 hsftb0h0V。其中 V 是计算截面以外所有桩的净反力。应注意 X 和 Y 方向台阶和柱边计算截面处的计算宽度 b0 的确定方法。3本工程的柱下独立桩基为阶梯型，其中变阶处截面为 A1A1 和 B1B1；柱边处截面为 A2A2 和 B2B2，如图 4 所示。对变阶A1A1截面：截面有效高度h10=930mm,截面计算宽度b0=by1=3.3m，a1x=480mm，1x= a1x/h10=480/930=0.5161，1x =1.75/(1x+1)=1.1543，hs=0.9631，A1A1截面以外(左)共有2根桩，其净反力V=2Nmax =2x1500.034=3000.1kN，而 hsftb0h0=0.96311.154312703.30.93=4333kNV=3000.1kN，即承台变阶处满足抗剪承载力要求。对变阶B1B1截面：截面有效高度h10=930mm,截面计算宽度b0=bx1=5.5m，a1y=30mm，1y= a1y/h0=30/930=0.0323，1y =1.75 / (1y+1)=1.6952，hs=0.9631，B1B1截面以外(左)共有2根桩，其净反力V=3N =3x1397.25=4191.8kN，而 hsftb0h0=0.96311.695212705.50.93=10606kNV=4191.8kN，即承台变阶处满足抗剪承载力要求。对柱边A2A2截面：h20=h0-h10=1730-930=800mm，截面有效高度h0=1730mm，by1=3.3m，by2=1.7m，截面计算宽度b0=(by1h10+by2h20)/h0=(3.30.93+1.70.8)/1.73=2.5601m，ax=a1x+1.2=0.48+1.2=1.68m，x= ax/h0=1.68/1.73 =0.9711，x= 1.75/(x+1) =0.8878，hs=0.82463。A2A2截面以外(左)也共有2根桩，其净反力V=2Nmax=2x1500.034=3000.1kN，而hsftb0h0=0.824630.887812702.56011.73=4117.9kNV= 3000.1kN，即承台变阶处满足抗剪承载力要求。对柱边B2B2截面：h20=h0-h10=1730-930=800mm，截面有效高度h0=1730mm，bx1=5.5m，by2=3m，截面计算宽度b0=(bx1h10+bx2h20)/h0=(5.50.93+30.8)/1.73= 4.3439m，ay=a1y+0.55=0.03+0.55=0.58m，y= ay/h0=0.58/1.73 =0.3353，y= 1.75/(y+1) =1.3106，hs=0.82463。B2B2截面以外(左)也共有3根桩，其净反力V=3N=3x1397.25=4191.8kN，而hsftb0h0=0.824631.310612704.34391.73= 10315kNV=4191.8kN，即承台变阶处满足抗剪承载力要求。十、承台抗弯承载力验算1承台抗弯承载力验算时是将承台看作在桩反力作用下的受弯构件进行的。2试验研究表明，柱下多桩独立桩基承台在配筋不足的情况下将产生弯曲破坏，其破坏特征呈梁式破坏，即弯曲裂缝在平行于柱边两个方向交替出现，承台在两个方向交替呈梁式承担荷载，最大弯矩产生在平行于柱边两个方向的屈服线处。3.承台受力钢筋的直径不宜小于 12mm，间距不宜大于 200mm。柱下独立桩基承台的最小配筋率不应小于0.15%。4对本桩基：绕X轴的弯矩Mx=Niyi=31397.25(1.1-bc/2)=31397.25(1.1-0.3)=3353.4 kN.m若承台配置HRB335级钢筋(设计强度fy=300N/mm2)，需要的配筋面积As=7179.2mm2与最小配筋率相应的最小配筋面积=0.15%A有效=0.15%b腹宽h0=0.15%6001730=1557mm2As =7179.2mm2，故按计算配筋面积配筋： 选用3716150， As=7439.3mm2， 平行于y轴方向均匀布置。绕y轴的弯矩My=Nixi=21500.034(2.2-bc/2)=21500.034(2.2-0.3)=5700.1 kN.m若承台配置HRB335级钢筋，需要的配筋面积As=12203mm2与最小配筋率相应的最小配筋面积=0.15%A有效=0.15%b腹宽h0=0.15%6001730=1557mm2As =12203mm2，故按计算配筋面积配筋： 选用2625130， As=12763mm2， 平行于x轴方向均匀布置。关于“配筋率”的附注：1.配筋率是钢筋混凝土构件中纵向受力钢筋的面积与构件的有效面积之比(轴心受压构件为全截面的面积）。即=As/bh0其中，为配筋率；As为受拉区纵向钢筋的截面面积；b为矩形截面的宽度；h0为截面的有效高度。配筋率是反映配筋数量的一个参数。2.台阶形承台底板是受弯构件，受弯截面为过柱边的竖直面，呈T型；3.理论上最小配筋率是根据钢筋混凝土截面的受弯承载力不低于同样截面尺寸的素混凝土截面的受弯承载力这一条件确定的， 而混凝土截面的承载力则取决于抗裂的能力，即主要取决于受拉区的抗拉能力。可见，素混凝土T 型截面的受弯承载力与高度相同， 宽度与其腹板宽度相同的素混凝土矩形截面梁的相近， 因此在验算 T 型截面的最小配筋率时，应近似取腹板宽度 b 计算(不考虑 T 形截面梁的翼缘，按照等效矩形截面梁来计算其最小配筋率)。十一、桩基沉降计算1计算方法：见教材或课程设计指导书。2计算过程：因本桩基底面为矩形桩，因此桩基中点的沉降量按可下式计算：S=eSS=SiSi=4p0（1）确定桩基等效沉降系数 e因 Sa/d=4， d /l =22/0.55=40，Lc/Bc=5