基础工程课程设计(桩基础)(西南交通大学)

课程名称：基础工程设计题目： 2#桥墩桩基础设计院 系：专 业：年 级：姓 名：指导教师：西南交通大学峨眉校区2017年6月5日目录一、基础工程课程设计任务书..........................................................................................................21.1设计题目...............................................................................................................................21.2设计目的...............................................................................................................................21.3基本资料...............................................................................................................................21.3.1设计的任务及建筑物的性质和用途.................................................................................21.3.2基本资料............................................................................................................................31.4设计依据...............................................................................................................................41.5设计要求...............................................................................................................................51.6其它.......................................................................................................................................5二、承台上部荷载计算.....................................................................................................................8三、高承台桩基地基和基础的设计与计算....................................................................................93.1桩基设计...............................................................................................................................93.1.1确定承台尺寸.............................................................................................................92.1.2桩的设计....................................................................................................................93.2桩的内力及位移计算..........................................................................................................113.2.1桩的内力和变位计算...............................................................................................113.2.4群桩承载力的检算...................................................................................................143.3桩顶水平位移检算..............................................................................................................153.3.1桩在局部冲刷线处的水平位移和转角...................................................................153.3.2在桩顶处的水平位移和转角...................................................................................153.4桩与承台的联接强度检算..................................................................................................163.5河床底面以下墩身及承台和桩的工程量计算..................................................................17附录一：桩身的弯矩、剪力及土的横向抗力计算表及其分布图................................................18附录二：桩基础横断面、平面及立面图........................................................................................221一、基础工程课程设计任务书——铁路（公路）桥墩浅基础设计1.1设计题目本课程的题目是“1#桥墩独立基础设计”1.2设计目的柱下独立基础是桥梁工程中的常用基础形式之一，在工程中应用范围较广。为系统掌握此类基础的设计方法，通过本次课程设计应全面掌握柱下独立基础设计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》（TB10002.5-2005）和《公路桥涵设计通用规范》（ JTGD60——2004）的有关规定，并初步具备独立进行该类基础设计的能力。1.3基本资料 设计的任务及建筑物的性质和用途设计任务：根据已有建筑物的图样，所受上部结构的荷载、地质和水文地质情况，遵照“中华人民共和国铁路桥涵地基和基础设计规范 TB10002.5—2005”（公路桥涵设计通用规范JTGD60——2015）设计某铁路（公路）干线上跨越某河流的桥梁之 1#号桥墩的地基和基础。建筑物的性质和用途：该桥梁为等跨度 32M，梁全长 32.6m，梁端缝 0.1m，梁高3.0m，梁宽铁路按单线布置，公路按双线布置 m，梁及上部体系自重按 870KN计，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。桥面系为无渣桥面（公路不管有砟无砟），并设双侧人行道人行道宽 1m，荷载定为 3KN/m2，桥墩为混凝土实体桥墩，该桥位于直线平坡段上，与河流正交，该地区无流冰及地震，该河道不通航。2该桥除了为铁路（公路）客货运服务外，亦为附近居民来往的通道。设计依“中华人民共和国铁路桥涵地基和基础设计规范 TB10002.5—2005”（“公路桥涵设计通用规范 JTGD60——2015”）进行设计，活载按铁路标准活载，即“中—活载”或（公路标准荷载）。 基本资料一、 建筑物的立面示意图如下：1#二、 建筑物场地地形图及钻孔布置图如下：场地地形图及钻孔布置图（单位： m） 水平比例尺 1：1000高水位：142.0m 施工水位：132.0m 常水位：132.0m一般冲刷深度： 河底以下 1.50m 局部冲刷深度： 河底以下 5.50m3水文情况：高水位：142.0m 施工水位：132.0m 常水位：132.0m一般冲刷深度： 河底以下 1.50m 局部冲刷深度： 河底以下 5.50m三、 墩帽尺寸简图及墩身坡度墩帽宽δ=240cm墩帽长墩帽厚墩身坡

b=546cmd=52cm1:m=1:20如右图：单位 cm四、 补充资料墩帽顶面在高水位以上3.72m。风力：w=800Pa八、设计方案该基础拟采用刚性基础或柔性基础，分别进行设计。1、采用刚性基础，试确定基础埋深，并设计该刚性基础2、采用柔性基础，高度取 0.8m，基础埋深与基底尺寸同 1，试设计该柔性基础（验算基础高度，进行抗弯检算与配筋）。1.4设计依据1、《铁路桥涵地基和基础设计规范》（ TB10002.5-2005）或（“公路桥涵设计通用规范 JTGD60——2004”）41.5设计要求检算相关内容，设计满足要求的刚性及柔性基础，绘制基础横断面、平面及配筋图。该课程设计主要按如下步骤进行：1、熟悉地基条件及上部结构资料；2、确定合理的基础埋置深度；3、确定地基承载力；4、确定基础底面尺寸，验算地基承载力；5、基础其它验算（偏心距、抗倾覆）；6、确定基础高度和构造尺寸；7、绘制基础横断面、平面及配筋图（柔性基础）。1.6其它本课程设计应于2014年月日前提交。根据学号尾号不同选择下列方案学号尾号单数双数备注铁路规范公路规范刚性基础任意检算3种组合学号倒数第单数刚性基础柔性基础即可；柔性的选取一种荷载二位双数柔性基础刚性基础组合即可参照2#号桥墩绘制设计资料总图设计资料总示意图： （单位cm）5参照2#号桥墩复合各层土的名称、确定其允许承载力一、 地基承载力修正系数 K经查表，结果如上表：二、 各土层的地基的允许承载力的计算由于地基的尺寸和埋深还没有确定，暂时无法确定地基的容许承载力。等后边地基的尺寸和埋深确定后，再进行计算。桩基础设计1、选定桩基类型考虑桩基采用高承台还是低承台，考虑采用打入桩还是钻孔桩等施工方法，确定设计为柱桩还是摩擦桩，设计应说明理由。2、选择桩径与桩材确定桩所采用的材料；桩径选择时应考虑施工机具或预制定型产品的直径。3、承台设计拟定承台底面和顶面标高，确定承台平面尺寸。4、估算桩长和桩数（1）、按纵向主+附两孔重载（低水位）和单孔重载（低水位）计算承台底面以上全部外力，6得出∑N、∑H、∑M。（2）、桩长确定：①、柱桩：桩尖需插入硬层一定深度（如1.0米）；②、摩擦桩桩：先按材料强度定出桩的材料轴向承载力[P材],然后假定不同的桩长，通过试算确定由土阻力确定的轴向承载力[P土]，当[P土]接近[P材]时，所对应的桩长即为合适的桩长。[P材]一般应按实际材料强度计算得到，也可近似取以下值：钢筋混凝土预制桩：Φ=40㎝[P材]=800KNΦ=50㎝[P材]=1000KN预应力钢筋混凝土预制桩：Φ=55㎝[P材]=1200KN钢筋混凝土钻孔桩：Φ=80㎝[P材]=2000KNΦ=100㎝[P材]=3000KNΦ=125㎝[P材]=4500KN（3）、确定桩数Nn[p]式中，n为桩数（取整），∑ N为承台底中心所受竖向外力， μ为考虑弯矩的影响而使桩顶轴向力增大的系数，一般取 1.1～1.5。[P]为[P材]与[P土]中的较小者。5、配合承台设计进行桩的布置注意：应满足桩的布置原则6、按低承台简化计算法进行检算。若不通过重新设计，直至满足此项要求。7、按“m”法进行单桩轴向承载力检算及桩身配筋内力计算。1）、计算单桩变形系数α；2）、计算单桩桩顶刚度系数ρ1、ρ2、ρ3、ρ4；3）、计算承台中心变位a、b、β和桩顶内力Ni、Hi、Mi；4）、桩身的弯矩、剪力及土横向抗力计算，并绘制桩身弯矩图、剪力图及土横向抗力图；5）、单桩的轴向承载力检算Nimax [P]8、群桩检算注：以上检算荷载取纵向主 +附两孔重载（低水位）9、墩顶水平位移检算10、桩与承台的联接强度检算。11、河床底面以下墩身及承台和桩的工程量计算。7二、承台上部荷载计算具体步骤见课程设计一，此处由Excel中的计算表得：活载布置图示一孔轻载一孔轻载二孔重载二孔满载水位高水位，计浮力常水位，计浮力常水位，计浮力常水位，计浮力力或力矩N或HMN或HMN或HMN或HM竖向荷载9683.040.009683.040.009683.040.009683.040.00主力（竖向-2158.300.00-1212.270.00-1212.270.00-1212.270.00水浮力力）竖向活载1521.98532.691521.98532.692973.9542.183032.763.92制动力或牵引力341.845404.49341.845404.49341.845404.49341.845404.49附加力（水2.0030.902.0030.902.0030.902.0030.90顶帽风力平力）墩身风力12.21166.0655.01562.6258.12562.6258.12562.62ΣN(kN)或ΣM(kN.m)9046.736134.149992.766513.6911846.566040.1911513.546040.19ΣH(Kn)356.05398.85398.85398.85以下计算取： N 11846.56kN M 6040.19kNm H 398.85kN8三、 高承台桩基地基和基础的设计与计算3.1桩基设计确定承台尺寸1.承台底面的标高：128m，则l0 3.5m2.承台高度：按经验承台采用 C30混凝土，厚度定为 2m。3.承台平面尺寸：由以上资料可得：墩身高 9.8m，墩身坡1:20计算墩身底面的平面尺寸：底面长为：5.460.215.72（1/20）6.046m底面宽为：2.40.215.72（1/20）2.986m根据构造原则，钻孔灌注桩不应小于2.5倍成孔桩径，且外侧与承台边缘距离对直径大于0.3d。初步选定承台尺寸为： 8m 6m 2m验算：63.18）/22（8 6.24）/22

0.705 1 tan450.44 1 tan45满足材料刚性角的要求。桩的设计1．桩材选择根据本工程的特点，选择钢筋混凝土钻孔灌注摩擦桩，钻孔灌注桩可以用于各类土层，摩擦桩置于压缩性土层2．确定桩径初步选定桩径为 1.0m，成孔桩径1.05m。3．确定桩长将桩地设置在良好的土层中，设桩长L>10d，计算单桩允许承载力[P]：[P]1Ufilim0A[]2已知：[σ0，]=3000KN材1UliimA[[0]k22(h3)][P]20.51.05（1402.550（h3.5）80）0.70.6414.80.251.051.052.520.17(h3.5)182.371h110[P材]=3000故h17.5m，则l0=3.5m，此时[P土]=3081kN4．确定桩数nN[p][p][P]为[P材]与[P土]中的较小者,故[p]=3000kNnN1.311846.56根3000=5.136[p]根据构造原则，钻孔灌注桩不应小于 2.5倍成孔桩径综上，承台设计满足要求，设置 6根桩，行列式排列，布置图如下：103.2桩的内力及位移计算桩的内力和变位计算1.决定桩的计算宽度 b0群桩：b0=0.9(d+1)k其中k为构件相互影响系数桩间净距L0=4—1=3m构件局部冲刷线以下的计算深度 h0 17.5mn=2，故c=0.6由于L0=3.5m<0.6h0=10.5m，1cL00.733所以Kch10.6故b0=0.9(d+1)K=1.32m2.计算桩基变形系数查表取m=20000KN/m4，Eh=32106KPaI=d4=14=0.049m4，6464EI=0.67EhI=0.67321060.049=1.05106KNm2则：5mb05200001.310.478m1EI1.05106因为 h 0.47817.5 8.365m 4，所以应该按弹性长桩设计。3.计算桩基中桩头处的刚度系数 ρ1 ρ2 ρ2 ρ4计算ρ1已知条件：ξ=0.5，l0=3.5m，h=17.5m，Eh=32106KPaEA=2.512107kN，C0moh2000010200000kN/m3A01(0.517.5tan18.5)26.01m24A02S27.75m246.01m2A0minA01,A02Ad2/40.785m2111l0h13.50.510.761060.723EI117.51EhAC0A00.7853.21072000006.01②计算ρρ3ρ42l00.4783.51.673，h0.47817.58.365m4m，取4m查表得：xQ0.23421xm0.42514.фm1.04226故：23EIxQ0.47830.23421EI0.0256EI32EIxm0.47820.42514EI0.0971EIEIm0.4781.04226EI0.497EI计算承台座板竖直位移b、水平位移、转角β和桩顶内力Ni、Hi、Mi4.aN11846.562730.88/EIb60.723EIn1n(n41xi2)Hn3Mai1nn2(n42)n221xi3i1nnnn

41xi260.497EI0.723EI62220.33EIi1260.0256EI0.1536EI360.0971EI0.5826EI（n2223）（0.5826EI）0.3394（EI）a20.34EI398.850.5826EI6040.194176.79/EI0.1536EI20.33EI（EI2）0.3394nn13H12M398.850.5826EI0.1536EI6040.19416.59/EInn0.1536EI20.33EI（EI2222）2(nn41xi)31i1Ni（1bxi)0.723EI(2730.88/EI22576.81kN416.59/EI)1371.40kNHia234176.79/EI0.0256EI416.59/EI0.0971EI66.475Mi 4 a3 416.59/EI 0.498EI 4176.79/EI 0.0971EI 198.kN12校核：nHi 66.475 6 398.85kN HnxiNi nMi 3 (2576.81 1372.14) 2 6 (-198)i 16040.02kNm M 6040.19kNmnnNi3(2576.81+1372.14)11846.85kNN11846.56kNi 15.桩身的弯矩、剪力及土的横向抗力由公式可以得M0 Mi Hil0 198 66.475 17.5 965.31kNQ0 94.69kNN 2576.810.7853.515 2618.02kN①在局部冲刷线以下深度Z处柱截面弯矩Mz计算MzQ0AmM0Bm无量纲系数Am、Bm由附表3-3、3-7查得，Mz值详及其弯矩分布图见附录一。②在局部冲刷线以下深度Z处柱截面横向水平抗力z计算zQ0A2M0BQ0zAx2M0zBxb1b1b1b1无量纲系数Ax、Bx由附表3-1、3-5查得，z值及其横向水平抗力分布图见附录一③在局部冲刷线以下深度Z处柱截面剪力Qz计算MzQ0AQM0BQ无量纲系数Am、Bm由附表3-4、3-8查得，Qz值及其剪力分布图见附录一。136.验算单桩轴向受压容许承载力承载力取决于桩身材料强度和桩周岩土层的阻力，但摩擦桩往往由土阻力控制设计。故此处按土的阻力计算单桩允许承载力 [P]由于桩端置于透水土中，计算桩身自重和与桩入土部分同体积的土重时均应考虑水的浮力。由中计算可知[P土]=3054kN桩身自重:1.052(1.023.517.5)23411.75kN4与桩同体积土重：(1.023.51.05217.5)20.17361.09kN4在双孔重载时，轴向力最大，最不利荷载组合为纵向主+附，轴向允许承载力可提高20%。NGG2618.02411.75361.092668.68kN错误！未找到引用源。1.2[P]，错误！未1.230813k6N97找到引用源。 通过验算。群桩承载力的检算1.桩基承载力的检算：将桩视为群桩实体基础：基底应力应满足：

N MA W内摩擦角 φ取所穿越土层平均值(23 1 16 2.5 18.5 14)/17.5 18.4计算群桩实体的边长 b′、a′bb2htan461217.5tan18.47.83m4aa2htan81217.5tan18.449.83m4群桩实体的基底面积为A=7.83 9.83=76.98m22群桩实体基底纵向截面模量为 W=9.837.83=100.44m36桩底处地基容许承载力为：0 k1r1(b 2) k2r2(h 3)=414.8+2.5 20.17 (17.53) 1037kPa14（的计算公式中h从一般冲刷线开始计算）NN6(2310)(1.05217.5123.5)10.378.626.6217.541.0526 1010.37 11846.56 9924.41=21770.97N4M6040.19398.853.57436.165kNmmaxNM21770.977436.165356.851037KPaAW76.98100.44NM21770.977436.165208.78KPa0minAW-100.4476.98满足要求。3.3桩顶水平位移检算桩在局部冲刷线处的水平位移和转角因桩下端在土层内，且h>2.5，故x0和0x0xy0Q0AxM0Bx3EI2EI0y0Q0AM0B2EIEI其中M0MiQil019866.4753.534.66kNmQ0Qi66.475kN系数Ax、Bx、A和B可根据z=0及h=8.365查表得：Ax=2.441，Bx=1.621，A=-1.621，B=-1.751算得x066.4752.44134.661.6211.385103m1.385mm31.251060.47821.251060.478066.475106(1.621)0.47834.66106(1.751)4.79104rad0.47821.251.25经计算可知，局部冲刷线横向位移x0满足不大于6mm的要求。15在桩顶处的水平位移和转角已知，l00.4783.51.673，h0.47817.58.365m4，查附表3-14、3-15、3-16，可得Ax115.89214，A1Bx16.39204,B13.5508。x0QAx1MBx13EI2EI66.47515.89234.666.3920.851m0.47831.251060.47821.251061(QA1MB1)2EIEI(66.4751066.3934.661063.5508)1.251.250.47820.4780.0169rad水平位移容许值[]0.5L0.5322.83cm，符合要求。3.4桩与承台的联接强度检算本设计中桩的类型为钻孔灌注桩，因此桩与承台的连接方式采用主筋伸入式，桩身伸入承台内0.20m；主筋采用螺纹钢筋，伸入承台内的主筋长度不得小于 35倍钢筋直径，且由于桩顶钢筋设计成喇叭形，所以主筋伸入承台内的长度不得小于 1m；箍筋直径采用 8mm，箍筋间距采用 200mm，如图所示163.5河床底面以下墩身及承台和桩的工程量计算1.承台挖方量承台体积V1 8 6 2 96m3，根据规范选取承台基坑开挖放坡系数为 1:0.5，基坑边线距承台边缘为 1.0m，具体尺寸如下图所示：图1承台挖方尺寸示意图已知开挖基坑为四棱台体，上底面积S18648m2，下底面积S210880m2，h=2m，由此可得承台开挖方量为：V土1h(S1S2S1S2)12(48804880)126.64m333172.混凝土灌注桩挖方量已知混凝土灌注桩 h=21m，d=1m，n=6，则有：V1d2Hn11221698.96m3244综上，土挖方量： V 96 126.64 222.64m3所需混凝土方量： V 126.64 98.96 225.6m318附录一：桩身的弯矩、剪力及土的横向抗力计算表及其分布图191.桩身的弯矩及其分布图yyAMBMMy00.00000.0000