铁路桥墩桩基础设计中南大学

1、铁路桥墩桩基础设计学院：土木工程学院班级：姓名：学号：指导老师：基础工程课程设计任务书铁路桥墩桩基础设计一、设计资料：1. 线路：双线、直线、坡度4%。、线间距5m双块式无碴轨道及双侧1.7m宽人 行道，其重量为 44.4kN/m。2. 桥跨：等跨L=31.1m无碴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0.09m。3. 建筑材料：支承垫石、顶帽、托盘采用C40钢筋混凝土，墩

2、身采用 C30混凝土，桩身采用C25混凝土。4.地质及地下水位情况:标咼（m）地质情况厚度（m）标咼（m）地质情况厚度（m）36.7936.29耕地0.5-3.51-12.31粗砂（中密）8.836.2930.79软塑砂粘土5.5-12.31-22.31中砂（中密）10.030.7921.29粉砂9.5-22.31-29.31砾砂（中密）7.021.29 19.89淤泥质砂粘土（松软）1.4-29.31-46.31硬塑粘土17.019.89 -3.51细砂（中密）23.4一 Y3土层平均容重=20kN/nt 土层平均内摩擦角=28°。地下水位标高：+ 30.55. 标咼：梁顶标咼+5

3、4.483m,墩底+ 33.31m。6. 风力：3= 800Pa （桥上有车）。7. 桥墩尺寸：如图1。二、设计荷载：1. 承台底外力合计：双线、纵向、二孔重载：N=18629.07kN H=341.5kN M= 4671.75kN双线、纵向、一孔重载：N =17534.94kN，H=341.5kN, M=4762.57kN.m2. 墩顶外力：双线、纵向、一孔重载：H =253.44 kN , M = 893.16 kN.m。三、设计要求：1、选定桩的类型和施工方法，确定桩的材料、桩长、桩数及桩的排列。2、检算下列项目(1)单桩承载力检算（双线、(2)群桩承载力检算（双线、纵向、二孔重载）；纵

4、向、二孔重载）；(3)墩顶水平位移检算（双线、纵向、一孔重载）；(4)桩身截面配筋计算(5)桩在土面处位移检算纵向、一孔重载）；（双线、纵向、一孔重载）（双线、153、设计成果:（1）设计说明书和计算书一份（2）设计图纸（2号图，铅笔图）一张（3）电算结果四、附加说明:1、如布桩需要，可变更图1中承台尺寸；2、 任务书中荷载系按图1尺寸进行计算的结果，如承台尺寸变更，应对其竖 向荷载进行相应调整。基础工程课程设计计算书铁路桥墩桩基础设计、确定基桩几何尺寸及桩数1承台及桩身采用C25混凝土。2、设计桩径取d =1.0m，钻孔灌注桩；米用旋转式钻头。3、考虑选择较硬土层作为桩端持力层，根据地质条件

5、，将桩端定在粗砂层。桩端全截面进入持力层的深度，对于砂土不宜小于1.5 d，所以选择桩长I =40m，标高为-6.69m处，桩端进入持力层深度为3.18m。吃N一4、确定桩数n： n，其中，卩为经验系数，桥梁桩基米用1.31.8。P计算单桩容许承载力P1： PL1， fih m°ALl2其中：A d2 = 0.785m2 (A按设计桩径计算)，U =専爼(1.0 0.05) = 3.299m 4钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数m。=0.4由于 I 10d，故 k- I - ；0 k2 2 4d -3 6k2 2d查铁路桥规，地基基本承载力6 =400KPa ;深度修正系数 k2 = 5，

6、k2今=2.5，桩侧土为不同土层，应采用各土层容重加权平均= 10.7kN /m3(33.31 -30.5) 20(40 -33.3130.5) 1040I - c0 k2 2 4d -3 6k2 2d = 400+5 10.7 4 1-3 6 2.5 10.7 1 =614KPa 软塑砂粘土：f1 =45kPa，I 2.52m粉砂：f2 =45kPa, I2 = 9.5m淤泥质砂粘土：f3 =30kPa, I3 =1.4m细砂：f4 =55kPa, l4 =23.4m粗砂：f5 =80kPa，l5 =3.18m单桩的轴向受压容许承载力:1PU' fih m°A匚213.22

7、9 (45 2.52 45 9.5 30 1.4 55 23.4 80 3.18)0.4 0.785 614 = 3622.92kPa取-1.3，则 n N 1.5 18629.07 =7.71，取 n=8根。IN3622.92二、承台尺寸及布桩1、承台尺寸采用图1中所示尺寸。2、 查桥规知，当d - 1m时，最外一排柱至承台底板边缘的净距不得小于 0.5d 且不得小于0.25m,且钻孔灌注桩的桩中心距不应小于 2.5d，根据承台尺寸及以 上布桩原则，取桩距为3d =3m，桩的分布如下图所示：三、承台底面形心处位移计算1、桩的计算宽度b0和变形系数：b0 = kfk0kb其中，kf =0.9,

8、k0 二 d 1 /d =2桩间距 匚=4.5-1 =3.5 ： 0.6g =0.6 3 (d 1) = 3.61-b"l1-0635.k =b旦=0.635 = 0.989，其中 n = 2时，b = 0.60.6 h0.66因此，b0 =0.9 2 0.989 1 =1.8mI = 0.0491m46464查铁路桥规，桩身采用C25混凝土时Eh =3.00 107KPa764EI =0.8Ehl =0.8 3.0 100.0491 =1.18 10 KPa / m假定为弹性桩，承台底面下计算深度为 hm =2(d1) =2 1.05 - 1 = 4.1m，此深 度内存在软塑砂粘土

9、和粉砂需要换算m值。查表，取 g=6000KN /卅，=33.31 -30.79 = 2.52m ； m2 =9000 KN /m4，2m m2 2h| h2 ghm，h2 =4.1 _2.52 =1.58m26000 2.522 9000 (2 2.52 1.58) 1.584mJ7866.675 帀 1.18 1062 7866.675KN / m44.1-0.413H -0.413 40=d6.48m 2.5m，是弹性桩，故假设成立。2、单桩桩顶刚度的计算= 0.5， 10 = 0，I = 41m，EA = EhA 二 3.00 1074= 2.3562 107KN公式：-l I11，其

10、中EAc0 A01I01EA C0A010 0.5 4012.3562 1071000000 7.069= 1.0098 106 KN m3 ? 一c。二m°l =25000 40 =1000000 KN m，侧摩阻力以一扩散角至桩底平面得出半4d屮28"径 R I tan 0.5 40 tan 5.411m，大于桩间距 1.5m，取 d0 =3m，244：I =0.413 40 =16.52 4.0m查表得：Yh =1.064, Ym =0.985, m =1.484则：二=7.069mEIYh =0.4133 1.18 106 1.064 =8.845 104 KN m

11、2265订 f EIYm =0.4131.18 100.985 =1.983 10 KN- - El M 0.413 1.18 106 1.484 = 7.232 1 05 KN m / rad2、承台刚度系数的计算 因为桩是对称布置，故6 6bb 二 n"=8 1.0098 10 =8.078 10 KN/m45aa =8 8.845 10 =7.076 10 KN m56a，卫工门嘉=-8 1.983 10 -1.586 10 KN256 f 4 5:二 n O ' x2 汕=8 7.232 105 8 10098 106I 2 .丿由于是低承台桩基，故承台计算宽度B。二

12、b 1 =11.212.2m2"-4.668 107 KN m rad承台处于耕地软塑砂粘土中，取 m = 6000 KN / m4，Ch 二m h =6000 2.5 =1.5 104KN /maa iaa B0= 7.076 105 12.2 1.5 10=9.364 105KN m2Yap = 丫阻=Yap + B0CL = 1.586X106 +12.2X 1.5"0 " 2.5 = 1.395X06KN66343Y'EP = YEp+B0 C = 4.668 汉 107+12.2 汉 1.5><10 * 2.5 =4.692 汉 10

13、7KN m/rad123、承台底面形心处位移计算双线、纵向、二孔重载:N=18629.07KN, H=341.5KN, M=4671.75KN ?m厂 J二遊翌=2.306 10”mbb 8.078 106,76丫啞 H -監返 M 4.69200 P41.5(1.395F0 )<4671.754a 二25.369 10 m57629.364 104.692 10 - -1.395 10aa、M - ar H 9.364 105 4671.75：i1.395 106341.557629.364 104.692 10 - -1.395 10_4= 1.155 10 rad双线、纵向、一孔重

14、载：N=17534.94KN, H=341.5KN, M=4762.57kN ?m17534.942.171 10 咕 bb 8.078 106a 二Hrr/692 107 345 g 106 4671化5.399 佔'' '2aa 饰 -a057629.364 104.692 10 - -1.395 10=aa' M - a 八 Haaa"9.364 105 4671.75 - -1.395 106 341.5,1.176 10 rad57629.364 104.692 10 -：厂1.395 104、托盘底面水平位移ad及转角g计算假定墩帽、托盘和

15、基础部分仅产生刚性转动， 将墩身分为四部分，基本风荷载强 度 =800KPa，桥上有车时风荷载强度采用0.8 ，纵向水平风力等于风荷载强 度乘以受风面积。(1) a H和纵向风力引起的力矩墩帽所受风力：H墩帽= 7.5 0.6 0.8 0.8 = 2.88KN一f5 g + 7 1 托盘所受风力：H托盘二 1. 5 0.8 0.8 = 6.24KN2墩身风力：H1 =(5.9 6.02)/2 3 0.8 0.8 =11.443kNH2 =(6.02 6.14)/2 3 0.8 0.8 =11.674kNH34 =(6.14 6.26)/2 3 0.8 0.8 =11.9kNH4=(6.266.

16、34)/2 2.02 0.8 0.8 =8.145kN梯形形心轴距下边缘的距离计算公式为：丫2b)，其中a为下边长度，b为上边长度。3(a +b)故 y托盘-°.727m， yi2 = y23 = y34 = 1.495m，45= 1.008m将墩身分为四部分，如下图：风力及截面弯矩值计算表各截面弯'、矩M水平力（KN） '、托盘顶0托盘底12-23-34-4墩底5墩顶水平力ZH =253.44253.44633.61393.922154.242914.563674.88墩帽风力H=2.880.8645.18413.82422.46431.10439.744托盘风力H

17、=6.2404.82423.54442.26460.98479.704墩身风力Hi-2=11.4430017.10851.43785.767120.096H-3=11.67400017.45252.47387.494Hm=11.900000017.79353.493F4-5=8.1450000016.192墩顶弯矩893.16893.16893.16893.16893.16893.16总计1147.4641536.7482341.5563181.0174055.8414964.763(2)计算托盘底面的水平位移“'和转角M i 上 M i下3得:1536-7682341-556 .19

18、39.162KNM 4 _5234556 3181.°17 -2761.287KN3181.°174055.841 -3618.429KN4055-841 4964-76451O.3O2KNMiAhhih =bh3/12Eh,MjAhhj&d EIi1-2段1939.16234.08817.2085506560004.32E-052-3段2761.28637.08819.5656260800009.38E-053-4段3618.432310.08822.1527088640001.54E-044-5段4511.29313.08824.9847994880002.22

19、E-04总计5.13E-04托盘水平位移和转角计算表:四、桩基检算1、单桩承载力检算(双线、纵向、二孔重载)N N8629.07KN x =2.25m 一： =1.155 10*rad - =1.0098 10 KN /mmax2 Nn= 18629.071.0098 106 2.25 1.155 10*= 2591.056KN8查规范，桩的容重 25KN m3 土平均重度2=20KN；m3，桩身自重:2G 1.052.8125 37.19 (25 -10) =543.873kN4与桩入土部分同体积的土重为：H 2G212 2.81 20 37.19 (20 -10) = 336.229KN4

20、17则：N = Nmax Gi -G2 =2591.056 543.873 -336.229 = 2798.7KN:：:1.2 P 丄 1.2 3622.92 二 4347.504KN所以，单桩承载力合格2、群桩承载力验算（双线、纵向、二孔重载）桩中心距为4.5米，小于6d=6米，考虑群桩效应。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（即=28 ）较顶面放大，如下图:35W乩竺口空6 6=775.721 m2 328'a =3 3 1 2 40 tan 19.823m 428cb =4.5 12 40 tan 15.323m4桩身自重： G =543.873

21、8 =4350.984KN桩侧土重:G2 =303.748 (2.81 2037.19 10)-370.692 8 = 127068.983kN承台重：G3 =25 11.2 7 2.5 =4900kN承台部分土重： G3 = 20 11.2 7 2.5 =3920kNN0 = N G1 G2 G3 - G3= 18629.07 4350.984 127068.983 4900 - 3920 二 151029.037kN303.748血 M 二空空空 阿口5 = 503.245kPa二 “ 644kPaA W 303.748775.721所以，群桩承载力合格3、墩顶水平位移检算（双线、纵向、一

22、孔重载）H =2.5 12 1.5 0.6 0.4 = 17maH 、J=5.399 10， 1.176 10，17 5.130 10*=3.051mm ：5, L =531.1 =27.88mm故墩顶水平位移满足要求。4、桩在土面处位移检算（双线、纵向、一孔重载）在桥规中查m m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。.：二a 冷=5.399 10,1.176 10鼻（36.79 33.31） = 0.949mm ： 6mm故可用m法进行计算。5、桩身配筋计算（双线、纵向、一孔重载）（1）计算桩身弯矩MzHo =

23、a 嘉-乜=5.399 10" 8.845 104 -1.176 10 1.983 105 =24.434KNM ° 二肝4 -a =1.176 10J 7.232 105 -5.399 101.983 1 05 - -22.014KN m任意深度z处桩身截面弯矩H24 434M厂Am M。BmAm -22.014Bm = 59.162" -22.014Ba0.413桩身弯矩M z计算表 ZZAmBm59.162 Am-22.104BmMz00.000010-22.014-22.0140.20.4840.1970.99811.655-21.970-10.3150.

24、40.9690.3770.98622.304-21.7060.5980.61.4530.5290.95931.297-21.11110.1850.81.9370.6460.91338.219-20.09918.12012.4210.7230.85142.774-18.73424.0401.22.9060.7620.77445.081-17.03928.0431.43.3900.7650.68745.259-15.12430.1351.63.8740.7370.59443.602-13.07630.5261.84.3580.6850.49940.526-10.98529.54124.8430.6

25、140.40736.325-8.96027.3662.25.3270.5320.3231.474-7.04424.4302.45.8110.4430.24326.209-5.34920.8592.66.2950.3550.17521.003-3.85217.1502.86.7800.270.1215.974-2.64213.33237.2640.1930.07611.418-1.6739.7453.58.4750.0510.0143.017-0.3082.70949.68500000M 钿=30.526KN m300.0159mNmin 1924.674偏心距放大系数：14 KN I；:二2E

26、cl c0.1 0.16 二0.2 eh0jh9 “6"6231：l =0.413 40 =16.52 4.0所以lc =05 il0空I a4.0=05 i 0 亠J 0.413 丿=4.843m主力加附加力，所以K=1.62KN lc2 =1.0081.6 1924.674 4.84327： ： 10.623 二2 3.00 10764e = e0 =1.008 0.0159 = 0.0160m(3)配筋根据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光钢筋，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、小直径钢筋，以提

27、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Umin = 0.5% ，则：2re x *1 nonoAs min =UminAc =0.005 汉 一 =3927mm，选用 16018 的 I 级钢筋，则4A实=4072mm2。取净保护层厚度a60mm，采用对称配筋此时主筋净距为：-d0 =-18 =151.253mm 120mm，满足。0 16桩与承台的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不小于45倍的主筋直径即45"8=810mm,取900mm主筋应配到4/ a处一 下2m处，取主筋在桩中长度为12m箍筋采用8200m

28、m，为增加钢筋笼刚度， 顺钢筋笼长度每隔2m加一道-18的骨架钢筋。(4) 判别大小偏心取 n =15换算截面面积:二-R2nA15 4072 = 846478mm2换算截面惯性矩：10=旦 1 nAf1000丄 15 4072 (500-60-9)242422=5.476 1010mm4A10I。A)y5.476 10846478 500=129.38mm e 16mm，故属于小偏心受压构件。(5) 截面应力核算小偏心构件，全截面受压，则NM=+ A102764.237 1038464782764.237 1 03 0.0 165.476TO10500=3.27MPa :匸b= 9.5MPa

29、M(y_as)=15 2764237 103A0 l08464782764.237 103 0.0165.476x1010(500-60-9)=48.99MPa 十s =160MPa故桩的截面应力满足要求。(6) 稳定性验算桩的计算长度lc = 4.843m，d =1m，lc / d = 4.843 ： 7，查混凝土结构设计原理表11-4查得=1.0，查表11-3得m=12.4,按轴心受压构件检算桩的稳定性。N2764.237"03：-1 c:A mA；1.0 二 10002/4 12.4 4072= 3.307MP I -J -7.6MPa所以，桩的稳定性满足要求。(7) 桩的抗裂

30、验算由于桩属于小偏心受压，全截面受压，钻孔灌注桩现场浇灌，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。五、电算结果(1)输入文件2 5 20 0.5 3.5 300000006000 28 2.529000 28 9.55000 28 1.415000 28 23.425000 28 8.84 1.0 1.0 0 40 0 -2.25 4 1.0 1.0 0 40 0 2.252.5 11.20 0 0341.5 17534.94 4762.57341.5 18629.07 4671.75（2）输出文件* 第 一 部 分 原 始 数 据 *桩类型组数土层数 作用力H方向上一排

31、桩的桩数2 5 2桩端嵌固类型 MD=.0桩传力类型系数 XS=0.5000最小桩间净距 LS= 3.50（ 米 ）桩材砼弹性模量 E= 0.3000E+08（kN/m2）地基比例系数 （kN/m4） 内摩擦角（度） 第 I 土层的厚度（米）6000.28.02.529000.28.09.505000.28.01.4015000.28.023.4025000.28.08.80IT D DBLO LIAHX1 4 1.000 1.000 0.000 40.000 0.0000 -2.25002 4 1.000 1.000 0.000 40.000 0.0000 2.2500承台埋入地面或局部冲刷

32、线以下的深度： 2.5承台的实际宽度： 11.2荷载类型I 水平力 H(kN) 轴向力 N(kN)弯矩 M（kN.m）10.00.00.02341.5 17534.94762.63 341.5 18629.14671.8*第 二 部 分 计 算 结 果*基础的变形系数 a 及桩顶刚度系数AFLO1LO2LO3LO40.4121096849.1287424.84196804.41 720065.380.4121096849.1287424.84196804.41 720065.38K1K21018543.120010刚度矩阵K30.000000-1308481.6083250.000000 87

33、74793.0000000.000000-1308481.6083250.00000050236103.290835*荷载类型 NP= 1 （ 单孔轻载 ）*承台位移水平位移（毫米）竖向位移（毫米） 转角（rad）0.00 0.00 0.0000E+00I= 1第 1 根桩的桩顶位移JA1(J)A2(J)P2(J)10.000.000.00000020.000.000.00000030.000.000.000000第 1 根 桩桩身内力JH(m)My(kN.m)Qy(kN)dy(kN/m)10.490.0000.0000.00020.970.0000.0000.00031.460.0000.0

34、000.00041.940.0000.0000.00052.430.0000.0000.00062.920.0000.0000.00073.400.0000.0000.00083.890.0000.0000.00094.370.0000.0000.000104.860.0000.0000.000115.350.0000.0000.000125.830.0000.0000.000136.320.0000.0000.000146.800.0000.0000.000157.290.0000.0000.000167.780.0000.0000.000178.260.0000.0000.000188.7

35、50.0000.0000.000199.230.0000.0000.000209.720.0000.0000.000I= 2第 2 根桩的桩顶位移JA1(J)A2(J)P2(J)10.000.000.00000020.000.000.00000030.000.000.000000第 2 根 桩桩身内力JH(m)My(kN.m)Qy(kN)dy(kN/m)10.490.0000.0000.00020.970.0000.0000.00031.460.0000.0000.00041.940.0000.0000.00052.430.0000.0000.00062.920.0000.0000.00073

36、.400.0000.0000.00083.890.0000.0000.00094.370.0000.0000.000104.860.0000.0000.000115.350.0000.0000.000125.830.0000.0000.000136.320.0000.0000.000146.800.0000.0000.000157.290.0000.0000.000167.780.0000.0000.000178.260.0000.0000.000188.750.0000.0000.000199.230.0000.0000.000209.720.0000.0000.000*荷载类型 NP= 2

37、 ( 单孔重载 )*承台位移水平位移（毫米）竖向位移（毫米） 转角（rad）0.47 2.00 0.1071E-03I= 1第 1 根桩的桩顶位移JA1(J)A2(J)P2(J)10.470.4720.26104121.761.76 1927.50219030.110.11 -15.934015第 1 根 桩桩身内力JH(m)My(kN.m)Qy(kN)dy(kN/m)10.49-6.20519.5432.83520.972.86817.6254.93231.4610.79114.8676.30241.9417.23911.6087.00152.4322.0448.1577.11462.922

38、5.1794.7716.75073.4026.7261.6546.02883.8926.854-1.0505.06794.3725.787-3.2503.976104.8623.782-4.9092.851115.3521.103-6.0281.766125.8318.005-6.6410.774136.3214.721-6.801-0.093146.8011.457-6.572-0.825157.298.385-6.020-1.426167.785.648-5.203-1.918178.263.362-4.169-2.328188.751.626-2.948-2.689199.230.524-1.558-3.032209.720.1380.000-3.380I= 2第 2 根桩的桩顶位移JA1(J