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夏开宗基础工程课程设计

21
2020年4月19日
文档仅供参考
桥梁基础工程课程设计资料

㈠、基本资料
1 地质及水文资料
河床土质为卵石土，粒径50-60mm约占60%，20-30mm约占30%，石质坚硬，孔隙大部分由砂填充密实， 卵石层深度达58.6m；
地基比例系数（密实卵石）；
地基承载力基本容许值；
桩周土摩阻力标准值；
土的重度 (未计浮力)；
土内摩擦角。
地面(河床)标高69.54m；一般冲刷线标高63.54m；最大冲刷线标高60.85m；承台底标高67.54m；常水位标高69.80m，如图1。

图1 双排桩计算例题图
2 作用荷载
上部为等跨30m的钢筋混凝土预应力梁桥，荷载为纵向控制设计，作用于混凝土桥墩承台顶面纵桥向的荷载如下。
永久作用及一孔可变作用 (控制桩截面强度荷载) 时:
∑N=6757.40kN
∑H=320.60kN(制动力及风力)
∑M=4617.30kN.m（竖直反力偏心距、制动力、风力等引起的弯矩)
永久作用及二孔可变作用(控制桩入土深度荷载)时:
∑N=7798kN
3承台尺寸：2.0m×9.8m×5.6m。拟定采用六根桩，设计直径1.2m。桩身混凝土用20号，其受压弹性模量,承台混凝土单位容重,采用钻孔灌注桩基础,以冲抓锥施工。
㈡、设计依据规范
1 公路桥涵地基及基础设计规范（JTG D63- ）
2 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTGD62- ）
㈢、设计要求
设计满足要求的群桩基础，并形成图纸与计算文件。计算文件包括以下内容：
1、选定桩径、桩端持力层等；
2、按最不利竖向荷载组合确顶桩长、并进行单桩竖向容许承载力验算；
3、计算桩土变形系数，判断刚性桩或弹性桩；
4、按最不利桩顶弯矩组合，计算桩身内力并绘制桩身弯矩与剪力分布图，确定地面下桩身最大弯矩值；
5、桩身截面配钢筋与强度验算，并计算钢筋用量。
6、绘图。
㈣、参考文献
1、基础工程,北京：交通人民出版社，
2、凌治平，易经武.基础工程.北京：人民交通出版社，
3、朱浮声.地基基础设计与计算.北京：人民交通出版社，
4、叶见曙.结构设计原理. 北京：人民交通出版社，
5、JTG D63- 公路桥涵地基与基础设计规范(含条文说明)

设计计算书

1.作用荷载的计算
1.1 永久作用及一孔可变作用 (控制桩截面强度荷载)

1.2永久作用及二孔可变作用(控制桩入土深度荷载)

2.根据单桩容许承载力拟定桩长
2.1 选定桩径，桩端持力层等
桩径选1.2m；桩端持力层为密实卵石层,
2.2桩长的计算
按单桩容许承载力《公路桥涵地基及基础设计规范》（JTG D63- ）经验公式初步反算桩长，桩径选取为1.2m。冲抓锥成孔直径1.25m设桩埋入最大冲刷线以下深度为h，一般冲刷线以下深度为 ，

桩（直径1.2 m）自重每延米， 即：

上式中
—单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力 时，置换土重也计入浮力）的差值为荷载考虑。
—桩的周长
—桩端截面面积（），对于扩底桩，取扩底截面面积
—土的层数，
—承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度(m)，扩孔部分不计
—与对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（kPa），
—桩端处土的承载力容许值，当持力层为砂土、碎石土时，若计算值超过下列值，宜按下列值采用：粉砂1000 kPa；细砂1150 kPa；中砂、粗砂、砾砂1450 kPa；碎石土2750 kPa
—桩端处土的承载力基本容许值（kPa）
—桩端的埋置深度(m),对于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算，的计算值不大于40m，当大于40m时，按40m计算。
—地基土容许承载力随深度的修正系数.0
—桩端以上各土层的加权平均重度（），若持力层在水位以下且不透水时，不论桩端以上土层的透水性如何，一律取饱和重度；当持力层为透水层时，则水中部分土层取浮重度。
—修正系数
—清底系数
因此：

因此解得，
现取，桩底标高为-51.85m,2.69为一般冲刷线到最大冲刷线的高度，取符合桩的轴向承载力符合要求。
3.群桩结构分析
3.1桩顶受力计算
3.1.1桩的计算宽度
已知：=2.0m；=3（d+1）=6.6 m;n=2,=0.6
时，
因此
式中：
—桩形状换算系数，即在受力方向将各种不同的截面形状的桩宽度，乘以换算为相当于矩形截面宽度
—平行于水力作用方向的桩间的相互影响系数
—桩径或垂直于水平外力H作用方向桩的宽度
3.1.2桩的变形系数
C20混凝土的受压弹性模量
则E=0.80×=2.08KN/; =0.1017(m4)
==0.600
桩在最大冲刷线以下深度h=11m,其计算长度则为：
=5.4＞2.5，故按弹性桩计算。
3.1.3桩顶刚度系数、、、值的计算
=6.69m;h=8m; (根据《公桥基规》钻挖孔桩采用)，
A===1.1304,
,按桩中心距计算面积， 。故取： 已知： （＞4），取=4，查教材《基础工程》附表17、18、19得：=0.05989 =0.17312 =0.67433
=0.0129EI
=0.06232EI
=0.6×0.67433EI=0.4046EI
3.1.4按最不利桩顶弯矩组合， 计算承台底面原点O处位移、、（单孔活载+恒载+制动力等）
==
=6×0.4046EI +0.953 EI×6×=17.0657EI
6×0.0129EI=0.0774EI
=6×0.06232EI=0.37392 EI

==
3.1.5计算作用在每根桩顶上作用力、、：
竖向力：==0.953EI=
水平力： =－=0.0129EI·－0.06232EI·=53.43KN弯矩：=－=0.4046EI=－211.949KN·m
校核：
=3×(7715.669－6355.243)×1.6+6×(-211.949)=5258.40KN·m
=3×(7715.669+6355.243)=42212.74N≈7035.46×6=4221276KN
3.2计算最大冲刷线处桩身弯矩，水平力，及轴向力：
==-－211.949KN·m +53.43×6.69=145.497 =53.43KN
=7715.669+1.1304×6.69×(25-9.8)=7600.72KN
3.3最大冲刷线深度下沿桩身长度方向弯矩、剪力的计算：
由：=0 得：
由=1.634 且=5.4（＞4） 取=4.0，查教材《基础工程》附表13得
=0.8284 故 =
又由=0.860 及=5.4(＞4 ) 取=4.0，查教材《基础工程》附表13得=1.321 =1.321×145.497=192.20 KN·m
采用无量纲法计算，由=5.4＞2.5，因此用摩察桩公式计算：

其中 = =53.43KN =145.497KN
、、、的值查教材《基础工程》附表3、4、7、8 ，计算如下表：
表1 桩身长度方向弯矩、剪力的计算

0.000
0.0
0.00000
1.00000
1.00000
0.00000
145.497
53.430
0.167
0.1
0.09960
0.99974
0.98833
-0.00753
154.328
52.149
0.333
0.2
0.19696
0.99806
0.95551
-0.02795
162.754
48.591
0.500
0.3
0.29010
0.99382
0.90468
-0.05820
170.431
43.256
0.667
0.4
0.37739
0.98617
0.83898
-0.09554
177.091
36.486
0.833
0.5
0.45752
0.97458
0.76145
-0.13747
182.541
28.683
1.000
0.6
0.52938
0.95861
0.67486
-0.18191
186.616
20.177
1.167
0.7
0.59228
0.93817
0.58201
-0.22685
189.243
11.293
1.333
0.8
0.64561
0.91327
0.48522
-0.27087
190.370
2.279
1.500
0.9
0.68926
0.88407
0.38689
-0.31245
190.008
-6.605
1.667
1.0
0.72305
0.85089
0.28901
-0.35059
188.190
-15.164
1.833
1.1
0.74714
0.81410
0.19388
-0.38443
184.982
-23.201
2.000
1.2
0.76183
0.77415
0.10153
-0.41335
180.477
-30.660
2.167
1.3
0.76761
0.73161
0.01477
-0.43690
174.803
-37.351
2.333
1.4
0.76498
0.68694
-0.06586
-0.45486
168.069
-43.227
2.500
1.5
0.75466
0.64081
-0.13952
-0.46715
160.438
-48.240
2.667
1.6
0.73734
0.59373
-0.20555
-0.47378
152.046
-54.343
2.833
1.7
0.71381
0.54625
-0.26359
-0.47496
143.043
-55.547
3.000
1.8
0.68488
0.49889
-0.31345
-0.47103
133.576
-57.868
3.167
1.9
0.65139
0.45219
-0.35501
-0.46223
123.799
-59.320
3.333
2.0
0.61413
0.40658
-0.38839
-0.44914
113.844
-59.961

3.667
2.2
0.53160
0.32025
-0.43174
-0.41179
93.934
-59.016
4.000
2.4
0.44334
0.24262
-0.44647
-0.36312
74.780
-55.555
4.333
2.6
0.35458
0.17546
-0.43651
-0.30732
57.104
-50.151
4.667
2.8
0.26996
0.11979
-0.40641
-0.24853
41.469
-43.411
5.000
3.0
0.19305
0.07595
-0.36065
-0.19052
28.242
-35.902
5.833
3.5
0.05081
0.01354
-0.19975
-0.01672
6.495
-12.132
6.667
4.0
0.00005
0.00009
-0.00002
-0.00045
0.018
-0.040

图 2 桩身长度方向弯矩、剪力图

3.4桩顶纵向水平位移验算：
桩在最大冲刷线处水平位移和转角的计算：
由 =0 =5.4＞4 取 =4 查教材《基础工程》附表1、2、5、6 得：
=2.44066 =-1.6210 =1.6210 =-1.75058

=
=0.801mm＜6mm
符合规范要求

=
桩顶纵向水平位移验算：
由 =5.4＞4，取4，，由附表14、15 可查得：=42.69124 ==12.54773 =4.99058

==7.39mm

=-1.45×
桩顶的纵向水平位移
水平位移的容许值=27.4mm>7.39mm,符合要求。
4.桩身截面的配筋计算及截面强度的校核
4.1各种参数及系数的计算
最大弯矩发生在最大冲刷线以下处，该处
计算桩最大弯矩控制截面的轴向力

式中 ——控制截面的轴向力；
——单桩桩顶最大竖向力，已求出；
——桩每延米的自重（包括浮力），；
——桩周土摩阻力标准值，已知
——冲抓锥成孔面周长，
因此，计算得：

桩的半径r=1200/2=600mm,混凝土保护层取
则
桩的长细比： ＞4.4,应考虑偏心距增大系数

>1
=1

4.2计算配筋率
采用C20混凝土，钢筋拟采用HRB335钢筋，即： ；，计算受压区高度系数，根据经验公式得：

采用试算法列表计算，根据规范，系数A、B、C、D查附表所得：
表2 受压区高度的计算

0.75
1.9681
0.6271
1.4030
1.2706
-0.01168
4867.12
4994.09
0.97
0.76
1.9994
0.6206
1.4529
1.2392
-0.01171
4906.35
4994.09
0.98
0.77
2.0306
0.6136
1.5013
1.2086
-0.01172
4951.16
4994.09
0.99
0.78
2.0617
0.6061
1.5482
1.1787
-0.01170
5002.40
4994.09
1.00
0.79
2.0926
0.5982
1.5938
1.1496
-0.01164
5060.67
4994.09
1.01
0.80
2.1234
0.5898
1.6381
1.1212
-0.01155
5126.02
4994.09
1.03

由表中计算可见，当=1.00时，计算纵向力与设计值相近，且大于设计值。且强度不要求配筋.现按构造要求取：（全部纵向钢筋）。
4.3 配筋并绘制基桩构造及钢筋布置图
钢筋的面积为：

现选用12根=25的HRB335钢筋，钢筋的面积为：=5888；
实际配筋率为：

图 3 桩基配筋构造图

4.4 对截面进行强度复核
在垂直于弯矩作用平面内
长细比，故稳定系数；混凝土截面积为，实际纵向钢筋面积=5888；，则在垂直于弯矩 作用平面的承载力为：

＞
在弯矩作用平面内，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》《JTG D63— 》求得：

以下采用试算法列表计算，各系数查规范得：
表 3 求的计算值

0.94
2.5343
0.4295
2.1433
0.7847
111.81
96.21
1.1621
0.95
2.5618
0.4155
2.1726
0.7645
107.11
96.21
1.1133
0.96
2.5890
0.4011
2.
0.7446
102.46
96.21
1.0650
0.97
2.6158
0.3865
2.2290
0.7251
97.90
96.21
1.018
0.98
2.6424
0.3717
2.2561
0.7061
93.42
96.21
0.971
0.99
2.6685
0.3566
2.2825
0.6874
88.99
96.21
0.925

由计算表可见，当=1.018时，，与设计的很接近，故取=1.018为计算值、
在弯矩作用平面内的承载力为：
＞

＞
综上计算，均满足要求
5承台的强度检验
5.1承台冲切承载力验算

对于圆形截面桩换算为边长等于0.8倍的圆柱直径的方形桩，即； 取
其向上冲切承台的冲切承载力按下列规定计算：
⑴角桩

式中：—角桩竖向力设计值，；
、—承台边缘至桩内边缘的水平距离，根据上尺寸图，
计算得、
、—冲跨，为桩边缘至相应柱或墩台边缘的水平距离，其值不应大于，这里
取；
、—冲跨比，，
、—分别与冲跨比、对应的冲切承载力系数。
；
根据安全等级为二级进行验算，因此
+

因此，角桩满足要求

⑵边桩
满足，进行下式验算：

式中： —边桩竖向力设计值；
—承台边缘至桩内边缘的水平距离；
—方桩的边长；

5.2承台抗弯验算

根据钢筋混凝土矩形截面受弯构件极限状态进行承台配筋计算，纵桥向配筋，采用HRB 335级钢筋。
，
验算是否需要采用双筋截面
故不需采用双筋截面
，查表得到=0.0035 ；=0.983
即：

选用26（），钢筋间净距

横桥向配筋，采用HRB 335级钢筋
，
验算是否需要采用双筋截面

故不需采用双筋截面
，查表得到=0.022 ；=0.989，即：
选用29（），钢筋间净距
5.3承台抗剪切强度验算
按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62- ) 8.5.4 计算：

式中：—没排桩的竖向力设计值，取其中一根最大值乘以该排桩的根数，=8076.06×3=24228.18KN;
—边长150mm的混凝土立方体抗压强度标准值，=30Mpa；
—剪跨比，取=0.5
—斜截面内纵向受拉钢筋的配筋百分率，取=2.5。
根据安全等级为二级进行验算，因此
满足要求