基础工程课程设计概述( 36页).docx

中南大学基础工程
课程设计

题目：铁路桥墩桩基础设计
姓名：姚嘉旭
学号：1201140406
班级：建工1408班
指导老师：张国祥

2017年9月30日

基础工程课程设计任务书
——铁路桥墩桩基础设计
I
一、设计资料
1. 线路： 级铁路干线，双线、直线、坡度‰、线间距。
2. 桥跨：无碴桥面，单箱单室预应力混凝土梁，计算跨度，梁全长，梁端缝。轨底至梁底，梁底至垫石顶，梁底至支座铰中心，一孔梁总重。
3. 地质及地下水位情况：

标高（m）

地质情况

厚度（m）

标高（m）

地质情况

厚度（m）
16.5～16.2
耕 地
0.3
-24.4～-30.9
粗砂（中密）
6.5
16.2～11.3
软塑砂粘土
4.9
-30.9～-40.5
中砂（中密）
9.6
11.3～3.2
粉 砂
8.1
-40.5～-45.6
砾砂（中密）
5.1
3.2～2.4
淤泥质砂粘土
（松软）
0.8
-45.6～-58.7
硬塑粘土
13.1
2.4～-24.4
细 砂（中密）
26.8

土层平均重度，土层平均内摩擦角，
地下水位标高：。
4. 成孔机具：Φ、Φ、Φ、Φ的旋转钻机。
5. 标高：轨底，墩底。
6. 风力：（桥上有车）。
7. 桥墩尺寸：如图1所示。
二、设计荷载
1. 承台底外力合计：
双线、纵向、二孔重载：
, ,
双线、纵向、一孔重载：
, ,
2. 墩顶外力：
双线、纵向、一孔重载：
,
说明：如因布桩需要加大承台尺寸时，增加部分自重应计入。

图1 桥墩尺寸示意图

三、设计要求
1. 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、纵向、二孔重载）；
（2）群桩承载力检算 （双线、纵向、二孔重载）；
（3）墩顶位移检算 （双线、纵向、一孔重载）；
（4）桩身截面配筋计算 （双线、纵向、一孔重载）；
（5）桩在土面处位移检算（双线、纵向、一孔重载）。
3. 设计成果：
（1）设计说明书和计算书 一份
（2）设计图纸（2号图） 一张
4. 设计提高部分（在完成上面任务的基础上，再分三个层次）
（1）层次一：运用老师提供的Fortran程序，进行承台底面形心处的变位检算；
（2）层次二：对上述程序进行修改，部分或全部加入2中检算项目的内容；
（3）层次三：调整涉及参数（如桩长、桩径、桩间距等），观察这些参数对运行结果（包括承台底面形心处的变位、墩顶位移等）的影响，加深对力学概念的理解。
（4）提交相对的数据文件和结果文件（层次三还可写出心得体会）

目 录

第一部分 设计说明书 ………………………………………………………1 1
一、基本概况……………………………………………………………………11
二、设计依据……………………………………………………………………11
三、设计方案……………………………………………………………………11
四、施工建议……………………………………………………………………12
第二部分 设计计算书…………………………………………………………13
一、拟定尺寸……………………………………………………………………13
二、桩的布置及桩的连接方式…………………………………………………14
三、承台底面形心处位移计算…………………………………………………15
四、墩身弹性水平位移δ计算…………………………………………………18
五、桩基检算……………………………………………………………………11
六、电算结果……………………………………………………………………17
第三部分 设计提高部分 …………………………………………………… 23
一、桩长对计算数据的影响……………………………………………………23
二、桩径对计算数据的影响……………………………………………………26
三、桩间距对计算数据的影响…………………………………………………29
参考文献……………………………………………………………………………31

第一部分 设计说明书
一、基本概况
本课程设计任务要求完成铁路桥墩桩基础设计，桥梁计算跨度，梁全长，梁端缝。轨底至梁底，梁底至垫石顶，梁底至支座铰中心，一孔梁总重。在荷载和承台参考尺寸给定的情况下，要求确定桩数和桩的布置情况，対桩台进行检算使其承载力和变位满足规范的要求，并完成桩的配筋设计。设计内容及步骤如下：
（1）搜集资料
（2）确定桩的尺寸和桩数
（3）墩台底面形心处位移计算
（4）桩基检算
（5）桩身截面配筋设计和强度、稳定性、抗裂性检算
（6）绘制桩基础布置和桩身钢筋构造图
二、设计依据
《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5-2005
《混凝土结构设计规范》GB50010-2010
《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》TB10002.3-2005
三、设计方案
本设计采用钻孔灌注桩，桩身采用C25混凝土，采用旋转钻。持力层选在粗砂（中密）层，桩径采用1.00m，桩长40m，桩端进入持力层深度2.3m，标高26.7m。确定桩数为8根两排，对称布置，桩列间中心距3.0m，排间中心距3.0m。地基容许承载力636.94kPa，单桩容许承载力3546.61kN。墩顶水平位移16.78mm，容许水平位移为31.62mm。单桩承载力、群桩承载力和墩顶水平位移均符合要求。
桩身承受最大弯矩224.349kN.m，选用16Φ18的I级钢筋，钢筋面积。钢筋采用环形对称布置，净保护层厚度60mm，主筋净距为151mm。桩与承台的联结方式采用主筋伸入式，桩身伸入承台板0.1m；主筋伸入承台的长度0.9m。主筋在桩中长度为12.0m。箍筋采用Φ8@200mm。自桩顶以下10cm起向下每2m设置一道加劲箍筋（即骨架钢筋），直径为Φ18。顺钢筋笼长度每隔2m沿圆周均匀设置4根骨架定位钢筋，直径为Φ12。经配筋验算，截面应力和桩的稳定性均符合要求。
四、施工注意事项
地下水位标高为15.00m，桩伸入地下水位以下，施工时要注意加强排水措施，防止流砂、管涌等不良地质现象的发生；同时，施工时要加强对周围地基沉降的观测，防止基础施工而引起的周边建筑不均匀沉降；钻孔施工适宜使用反循环法。

第二部分 设计计算书
一、拟定尺寸
1. 桩身采用混凝土。
2. 设计桩径采用，成孔桩径为，钻孔灌注桩，采用旋转式钻头。

3. 作出土层分布图，如图，根据地质条件，选用粗砂层为持力层，桩端进入砂土持力层的临界深度为，即桩端进入持力层的深度要大于1. 50m，从承台底面到细沙层底部深度为37.7m，则取桩长。桩底标高为，桩端进入持力层的深度为2.3m。
4. 估算桩数：（按双孔重载估算）
估算公式：
单桩容许承载力为：

其中

，故：

该土层平均天然重度，
由于桩侧土为不同土层，应采用各土层容 图2 土层分布图
重加权平均，在地下水位以上采用天然重
度，在地下水位以下采用浮重度：
求得：
根据《铁路桥规》表4.1.2-3，地基的基本承载力，深度修正系数，。
故：

土质按较差处理，钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数
根据《铁路桥规》表6.2.2-3，各土层的极限承载摩阻力如下表：
地质情况
厚度
极限摩阻力
软塑砂粘土
2
50
粉砂
8.1
60
淤泥质砂粘土
0.8
35
细砂（中密）
26.8
55
粗砂（中密）
2.3
80

则单桩的轴向受压容许承载力：

=1/2×3.299×（50×2.0+60×8.1+35×0.8+55×26.8+80×2.3）
=3997.69KN
取，按二孔重载估算桩数：
n=μ∑N[p]=665,暂取，验算后再作必要调整
二、桩的布置及桩的连接方式
1. 布桩
《铁路桥规》6.3.2规定：
钻孔灌注桩中心距不应小于2.5倍成孔桩径。
当桩径时，最外一排桩至承台底板边缘的净距不得小于，且不得小于。
满足桩间距和承台边到桩净距的前提下可得到桩在承台底面的布置情况，如图3。
2. 桩与承台连接方式
连接方式采用主筋伸入式，桩伸入承台板内，具体配筋见后面详述。

图3 桩布置图
三、承台底面形心处位移计算
1. 设计荷载：
双线、纵向、二孔重载：
, ,
双线、纵向、一孔重载：
, ,
2. 计算，
（1）桩的计算宽度

其中： ，
水平力作用方向上相邻两桩的净距
时，
故：
由上述得：
（2）基础额变形系数

其中：桩截面惯性矩
C25混凝土受压弹性模量
则

假定桩为弹性桩，则其计算深度：
深度内存在两层不同的土，则的换算公式为：
其中：，则

故桩的变形系数：
桩的换算入土深度：，则桩为弹性桩，假设成立。
3. 计算单桩桩顶刚度

其中：
因的直径（相邻中心距）故：

因，故
从上述得
又，，查表有，，
故

4. 计算承台刚性系数

对于低承台桩基，承台处于软塑砂粘土中，因此，承台的计算宽度为：
，

5. 计算承台底面形心处的位移，，
桩基为竖直桩基，桩群对称布置，，则有：

化简后可得：

（1）荷载情况1：双线、纵向、二孔重载
, ,

（2）荷载情况2：双线、纵向、一孔重载
, ,

四、墩身弹性水平位移δ计算
假定墩帽、托盘和基础部分产生刚性转动，将墩身分为四个部分，（由于墩身4-5段下部分在土中，故将其分为两段，只计算土上部分风力），分别计算它们所受的风荷载,桥上有车时的风压强度W=800Pa，纵向水平风力等于风荷载强度乘以迎风面积,分别计算出四部分的上下底边长及中线长，然后计算出各个截面的弯矩，再求和即可得到托盘底面所受的总弯矩。
1. 墩顶外力和纵向风力引起的力矩
（1）墩顶外力：双线、纵向、二孔重载
,
（2）墩帽所受风力：
作用点离墩帽底面的距离为
（3）托盘所受风力：
作用点离托盘底面的距离为
其中短边，长边
（4）墩身所受风力：
，作用点离墩身底面的距离为
，作用点离墩身底面的距离为
，作用点离墩身底面的距离为
（5）承台所受风力：
作用点离地面的距离为
示意图如图4所示：

图4 纵向风力示意图
计算由墩顶外力和纵向风力引起的弯矩，计算结果如下表。
墩身各截面弯矩值计算表
截面位置
项目
托盘顶
0-0
墩身
1-1
墩身
2-2
墩身
3-3
墩身
4-4
承台底
5-5
墩顶弯矩
5410.00
5410.00
5410.00
5410.00
5410.00
5410.00
墩顶水平力
1094.04
2461.59
4467.33
6473.07
8405.87
8679.38
墩帽风力
5.76
20.16
41.28
62.40
82.75
85.63
托盘风力
0
9.39
30.64
51.89
72.37
75.27
墩身风力
1-2
0
0
6.20
18.59
30.53
32.22
2-3
0
0
0
6.20
18.14
18.98
3-4
0
0
0
0
5.75
7.38
承台风力4-5
0
0
0
0
0
0.32
总计
6509.80
7901.14
9955.45
12022.14
14025.41
14309.18

2、托盘底面水平位移计算和转角
托盘底面水平位移和转角计算表

1-2段
8928.29
2.2
3.8
4.0886
1.2266
1.601
6.0852
2-3段
10988.80
2.2
6
4.4510
1.3353
1.811
1.0863
3-4段
13023.78
2.12
8.16
4.8269
1.4481
1.907
1.5559
4-5段
14167.30
0.3
9.37
29.4912
8.8474
0.048
0.4501
总 计
5.367
3.2957

注：
（1）墩身为C25混凝土：；
（2）：分段高度；
（3）：分段中线到墩顶的距离，
（4）计算弯矩
五、桩基检算
1. 单桩承载力检算（按二孔重载计算）
，， ，
则桩顶内力：

桩身C25混凝土容重，土平均重度
则桩自重：

桩入土部分同体积土重：

则

故单桩轴向受压承载力满足要求。
2. 群桩承载力检算（按二孔重载计算）
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
（）较顶面放大（如图5）。
底面尺寸：

图5 群桩承载力检算示意图

桩自重：
桩侧土重：
承台重：
承台部分土重：
故：

3. 墩顶水平位移检算（按一孔重载计算）
墩高：
则墩顶位移

4. 结构在土面处的位移（按一孔重载计算）
在《桥规》中查，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“”法进行计算，故需要对桩在土面处的位移进行检算。
墩身埋于土中高度：

可以用法直接查表计算。
5. 桩身截面配筋设计（按一孔重载计算）
（1）桩身弯矩计算

因此，任意深度z处桩身截面弯矩：

列表计算，如下表所示：
计算表

0
0
0
1
0
309.117
309.117
0.2
0.505
0.197
0.998
-5.964
308.499
302.535
0.4
1.009
0.377
0.986
-11.413
304.789
293.376
0.6
1.514
0.529
0.959
-16.015
296.443
280.428
0.8
2.019
0.646
0.913
-19.557
282.224
262.667
1.0
2.523
0.723
0.851
-21.888
263.059
241.171
1.2
3.028
0.762
0.774
-23.069
239.257
216.188
1.4
3.532
0.765
0.687
-23.160
212.363
189.203
1.6
4.037
0.737
0.594
-22.312
183.615
161.303
1.8
4.542
0.685
0.499
-20.738
154.249
133.511
2.0
5.046
0.614
0.407
-18.588
125.811
107.223
2.2
5.551
0.532
0.32
-16.106
98.917
82.811
2.4
6.056
0.443
0.243
-13.411
75.115
61.704
2.6
6.560
0.355
0.175
-10.747
54.095
43.348
2.8
7.065
0.27
0.12
-8.174
37.094
28.920
3.0
7.570
0.193
0.076
-5.843
23.493
17.650
3.5
8.831
0.051
0.014
-1.544
4.328
2.784
4.0
10.093
0
0
0
0
0

由表知：

图6
桩身弯矩分布图
（2）计算偏心距
初始偏心距：
偏心距放大系数：
其中：影响系数
计算长度（此式中为变形系数）
安全系数K=0.6（主力+附加力）
则：

（3）配筋
根据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光圆钢筋，主筋直径不宜小于16mm，净距不宜小于120mm，且任一情况下不得小于80mm，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、小直径的钢筋，以提高桩的抗裂性，所以主筋采用I级钢筋。桩身混凝土为C25，根据《桥规》规定，取=0.5%,则

选用16Φ18的I级钢筋，，取净保护层厚度，采用对称配筋，则主筋净距为：
，符合要求。
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（算至弯钩切点）对于光圆钢筋不得不小于45倍主筋直径（即810mm），取900mm,主 筋应配到处以下2m处（即）,取其长度为12m，则主筋总长为13m。箍筋采用Φ8@200mm。
为增加钢筋笼刚度，自桩顶以下10cm起向下每2m设置一道加劲箍筋（即骨架钢筋），直径为Φ18。顺钢筋笼长度每隔2m沿圆周均匀设置4根骨架定位钢筋，直径为Φ12。
桩身截面配筋见设计图纸。
（4）判断大小偏心

换算截面面积：
换算截面惯性矩：

核心距：
故属大偏心构件。
（5）应力检算

故应力符合要求。
（6）稳定性检算
桩计算长度，，
查《混凝土结构设计原理》得Φ=1.0，m=13.8
故稳定性满足要求。
（7）抗裂验算
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。
6.单桩工程材料用量表

六、电算结果（PPF）
重要说明：因任务书要求未手算一孔轻载，故在电算中取其和一孔重载一样的数据以运行PPF。
1.电算输入文件
2 6 2
0 0.5 2 30000000
5000 27 0.3
7000 27 4.9
7000 27 8.1
7000 27 0.8
10000 27 26.8
25000 27 2.3
4 1. 1. 0 40 0 -1.5
4 1. 1. 0 40 0 1.5
3.3 11.2
936 18061.8 14674.37
936 18061.8 14674.37
936 20442.5 12610.7

2.电算输出文件

**************************************************
* 第 一 部 分 原 始 数 据 *
**************************************************

桩类型组数 土层数 作用力H方向上一排桩的桩数
2 6 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= 2.00(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)
5000. 27.0 0.30
7000. 27.0 4.90
7000. 27.0 8.10
7000. 27.0 0.80
10000. 27.0 26.80
25000. 27.0 2.30

I IT D DB LO LI AH X
1 4 1.000 1.000 0.000 40.000 0.0000 -1.5000
2 4 1.000 1.000 0.000 40.000 0.0000 1.5000
承台埋入地面或局部冲刷线以下的深度： 3.3
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)
1 936.0 18061.8 14674.4
2 936.0 18061.8 14674.4
3 936.0 20442.5 12610.7

**************************************************
* 第 二 部 分 计 算 结 果 *
**************************************************

基础的变形系数a及桩顶刚度系数
I AF LO1 LO2 LO3 LO4
1 0.388 1009797.56 73219.67 174868.33 678769.12
2 0.388 1009797.56 73219.67 174868.33 678769.12

承 台 刚 度 矩 阵
I K1 K2 K3
1 1043054.581516 0.000000 -895919.705101
2 0.000000 8078380.500000 0.000000
3 -895919.705101 0.000000 23682725.326086

*******************************
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)
1.48 2.24 0.6755E-03

I= 1
第 1 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 1.48 1.48 -9.938175
2 1.22 1.22 1234.515912
3 0.68 0.68 200.138138

第 1 根 桩 桩 身 内 力
J H(m) My(kN.m) Qy(kN) dy(kN/m)
1 0.52 194.704 -11.666 6.142
2 1.03 187.704 -15.755 9.276
3 1.55 178.289 -20.832 10.079
4 2.06 166.232 -25.858 9.182
5 2.58 151.758 -30.107 7.157
6 3.09 135.396 -33.130 4.497
7 3.61 117.843 -34.707 1.614
8 4.13 99.858 -34.811 -1.173
9 4.64 82.178 -33.555 -3.632
10 5.16 65.453 -31.148 -5.615
11 5.67 50.208 -27.860 -7.045
12 6.19 36.824 -23.981 -7.906
13 6.70 25.529 -19.800 -8.225
14 7.22 16.411 -15.583 -8.059
15 7.73 9.426 -11.561 -7.478
16 8.25 4.422 -7.929 -6.559
17 8.77 1.155 -4.843 -5.369
18 9.28 -0.688 -2.429 -3.964
19 9.80 -1.482 -0.786 -2.381
20 10.31 -1.646 0.000 -0.642

I= 2
第 2 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 1.48 1.48 -9.938175
2 3.25 3.25 3280.934088
3 0.68 0.68 200.138138

第 2 根 桩 桩 身 内 力
J H(m) My(kN.m) Qy(kN) dy(kN/m)
1 0.52 194.704 -11.666 6.142
2 1.03 187.704 -15.755 9.276
3 1.55 178.289 -20.832 10.079
4 2.06 166.232 -25.858 9.182
5 2.58 151.758 -30.107 7.157
6 3.09 135.396 -33.130 4.497
7 3.61 117.843 -34.707 1.614
8 4.13 99.858 -34.811 -1.173
9 4.64 82.178 -33.555 -3.632
10 5.16 65.453 -31.148 -5.615
11 5.67 50.208 -27.860 -7.045
12 6.19 36.824 -23.981 -7.906
13 6.70 25.529 -19.800 -8.225
14 7.22 16.411 -15.583 -8.059
15 7.73 9.426 -11.561 -7.478
16 8.25 4.422 -7.929 -6.559
17 8.77 1.155 -4.843 -5.369
18 9.28 -0.688 -2.429 -3.964
19 9.80 -1.482 -0.786 -2.381
20 10.31 -1.646 0.000 -0.642

*******************************
荷载类型NP= 2 (单孔重载)
*******************************

承 台 位 移
水平位移(毫米) 竖向位移(毫米) 转角(rad)
1.48 2.24 0.6755E-03

I= 1
第 1 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 1.48 1.48 -9.938175
2 1.22 1.22 1234.515912
3 0.68 0.68 200.138138

第 1 根 桩 桩 身 内 力
J H(m) My(kN.m) Qy(kN) dy(kN/m)
1 0.52 194.704 -11.666 6.142
2 1.03 187.704 -15.755 9.276
3 1.55 178.289 -20.832 10.079
4 2.06 166.232 -25.858 9.182
5 2.58 151.758 -30.107 7.157
6 3.09 135.396 -33.130 4.497
7 3.61 117.843 -34.707 1.614
8 4.13 99.858 -34.811 -1.173
9 4.64 82.178 -33.555 -3.632
10 5.16 65.453 -31.148 -5.615
11 5.67 50.208 -27.860 -7.045
12 6.19 36.824 -23.981 -7.906
13 6.70 25.529 -19.800 -8.225
14 7.22 16.411 -15.583 -8.059
15 7.73 9.426 -11.561 -7.478
16 8.25 4.422 -7.929 -6.559
17 8.77 1.155 -4.843 -5.369
18 9.28 -0.688 -2.429 -3.964
19 9.80 -1.482 -0.786 -2.381
20 10.31 -1.646 0.000 -0.642

I= 2
第 2 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J)