高层框架结构桩基础工程课程设计大学论文.doc

基础工程课程设计

名 称：桩基础设计
姓 名：文嘉毅
班 级：051124
学 号：20121002798
指导老师：黄生根

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基础工程课程设计
桩基础设计题
高层框架结构（二级建筑）的某柱截面尺寸为1250×850mm ，该柱传递至基础顶面的荷载为：F=9200kN ，M=410kN∙m ，H=300kN ，采用6-8根φ800的水下钻孔灌注桩组成柱下独立桩基础，设地面标高为±0.00m，承台底标高控制在-2.00m ，地面以下各土层分布及设计参数见附表，试设计该柱下独立桩基础。
设计计算内容：
1.确定桩端持力层，计算单桩极限承载力标准值Quk；
2.确定桩中心间距及承台平面尺寸；
3.计算复合基桩竖向承载力特征值Ra及各桩顶荷载设计值N，验算基桩竖向承载力；计算基桩水平承载力RHa并验算；
4.确定单桩配筋量；
5.承台设计计算；
6.绘制桩基结构图。
项

目

湿
重
度
g
kN/m3
孔
隙
比
e

液性
指数

IL

压缩
模量

Es
MPa
承载力
特征值

faK
kPa
层
厚

m
钻孔灌注桩桩基参数
极限侧
阻 力
标准值
qsik
kPa
极限端
阻 力
标准值
qPK
kPa
地基土水平抗力系数的比例系 数
m(MN/m4)
层①粉土
19.0
0.902

6.0
80
4.3
23

6
层②粉细砂
19.6
0.900

6.5
105
3.8
20

9
层③细砂
19.8
0.860

7.8
125
2.8
28

13
层④粉土
19.6
0.810

10.5
140
2.3
40

15
层⑤1粉细砂
19.7
0.85

7.0
115
4.4
28

12
层⑤粉细砂
19.7
0.770

16.0
170
3.0
48
850
28
层⑥粉质粘土
19.8
0.683
0.25
8.5
160
2.5
66

25
层⑦粉土
19.8
0.750

13.7
170
2.9
58

25
层⑧粉质粘土
19.9
0.716
0.46
6.1
145
5.7
60

14
层⑧1粉砂
20.0
0.770

14.0
190
0.8
52
820
37
层⑧粉质粘土
19.9
0.716
0.46
6.1
145
4.5
60
710
14
层⑨粉土
20.4
0.700

13.0
195
3.5
62

36
层⑩粉质粘土
19.9
0.706
0.27
8.2
170
4.8
68

28
层⑾细砂
20.2
0.690

22.0
220
17.7
70
1500
45

设计内容

一．确定桩端持力层，计算单桩极限承载力标准值
1.确定桩端持力层及桩长
根据设计要求可知，桩的直径d =800mm。
根据土层分布资料，选择层厚为4.5m的层⑧粉质粘土为桩端持力层。根据《建筑桩基技术规范》的规定，桩端全断面进入持力层的深度，对粘性土、粉土不宜小于2d。因此初步确定桩端进入持力层的深度为2m。则桩长为：
=4.3+3.8+2.8+2.3+4.4+3.0+2.5+2.9+5.7+0.8+2-2=32.5m
2.计算单桩极限承载力标准值
因为直径800mm的桩属于大直径桩，所以可根据《建筑桩基技术规范》中的经验公式计算单桩极限承载力标准值：
（1-1）
其中桩的周长==2.513m；桩端面积==0.503㎡；、为别为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数，==1，==1。
根据所给土层及参数，计算：
=2.513×1×[23×(4.3-2)+20×3.8+28×2.8+40×2.3+28×4.4+48×3.0+66×2.5+
58×2.9+60×5.7+52×0.8+60×2]+1×710×0.503=3883.6kN
确定单桩极限承载力标准值后，再按下式计算单桩竖向承载力特征值：
（1-2）
其中为安全系数，取=2。
则=3883.6/2=1941.8kN。

二． 确定桩中心间距及承台平面尺寸
桩数=F/=9200/1941.8=4.7，所以暂取桩数为6根。
根据《建筑桩基技术规范》的规定，非挤土灌注桩的最小中心距为3d，边桩中心至承台边缘的距离不应小于桩的直径或边长，且桩的外边缘至承台边缘的距离不应小于150mm。
取桩中心距为2.5m，边桩中心距承台边缘的距离取为0.8m。
则承台长度=2×(2.5+0.8)=6.6m，承台宽度=2×0.8+2.5=4.1m。
承台平面示意图如下：

三． 计算复合基桩竖向承载力特征值及各桩顶荷载设计值，验算基桩竖向承载力；计算基桩水平承载力并验算
1.确定复合基桩竖向承载力特征值
根据《建筑桩基技术规范》中介绍的方法，对于此类情况，应按下式确定其复合基桩的竖向承载力特征值：
（3-1）
其中为承台效应系数，可根据/、/等参数查表得到。当计算桩为非正方形排列时，，A为承台计算域面积，为桩数。
=2.124，=2.655，=0.126，
通过查表，可取为0.06。
为承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内地基承载力特征值的厚度加权平均值，由资料可得，为80kPa。
为计算基桩所对应的承台底净面积，，为桩身截面面积。则=(6.6×4.1-6×0.503)/6=4.007㎡。
则复合基桩的竖向承载力特征值
=1941.8+0.06×80×4.007=1961.1kN
2.确定各桩顶荷载设计值，验算基桩竖向承载力
根据《建筑桩基技术规范》中介绍的方法，各桩顶荷载设计值可由下式计算：
（3-2）
式中为荷载效应标准组合下作用，作用于承台顶面的竖向力；为桩基承台和承台上土自重标准值，对稳定的地下水位以下部分应扣除水的浮力，此处承台上土的重度取为10kN/m³；、分别为荷载效应标准组合下，作用于承台底面，绕通过桩群形心的、主轴的力矩；、、、分别为第、基桩或复合基桩至、轴的距离。
暂取承台高度为1.8m，M与长边方向（轴方向）一致。桩按从左到右、从上到下的顺序分别记为1~6号桩。各桩顶荷载设计值如下：
(9200+2×6.6×4.1×10)/6[(410+300×1.8) ×2.5]/(4×2.5×2.5)
=1718.5kN
(9200+2×6.6×4.1×10)/6=1623.5kN
(9200+2×6.6×4.1×10)/6-[(410+300×1.8) ×2.5]/(4×2.5×2.5)
=1528.5kN
由计算结果可得：
=1528.5kN＞0，基桩不受上拔力。
=1718.5kN＜1.2,基桩竖向承载力满足要求。
3.计算基桩水平承载力并验算
根据《建筑桩基技术规范》规定，当缺少单桩水平静载试验资料时，可按下式估算桩身配筋率小于0.65%的灌注单桩水平承载力特征值：
（3-3）
为桩的水平变形系数，，其中为地基土水平抗力系数的比例系数；为桩身的计算宽度，对于圆形桩，当直径≤1m时，；为桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，，为混凝土弹性模量，为桩身换算截面惯性矩：圆形截面；为桩身换算截面受拉边缘的截面模量，此处；为扣除保护层的桩直径；为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值；为桩身配筋率； 为桩截面模型塑性系数，圆形截面=2；为桩身混凝土抗拉强度设计值；为桩身最大弯矩系数；为桩顶竖向力影响系数，竖向压力取0.5；为桩身换算截面积，圆形截面；为在荷载效应标准组合下桩顶的竖向力。
[(4.3-2)×6+38×9+2.8×13+2.3×15+4.4×12+3×28+2.5×25+2.9×25+5.7×14
+0.8×37+2×14]/32.5=16.25MN/
0.9×(1.5×0.8+0.5)=1.53m
若桩身采用C30的混凝土，其弹性模量为，混凝土保护层的厚度取为60mm，采用HRB335规格的钢筋，其弹性模量为。
=800-2×60=680mm
==6.67
当桩径为300-2000mm时，桩身正截面的配筋率可取0.65%-0.2%，暂取桩身配筋率为0.58%。
0.053
0.5×0.053×0.68=0.01802

0.558
C30混凝土的抗拉强度设计值为1.43MPa。桩身最大弯矩系数可根据的值查表获得，为0.926。
0.519
所以基桩水平承载力为：
=
=51.69kN
群桩基础的基桩水平承载力特征值应考虑由承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，可按下列公式确定：
（3-4）
（3-5）
（3-6）
（3-7）
（3-8）
式中为群桩效应综合系数；为桩的相互影响效应系数；为桩顶约束效应系数；为承台侧向土水平抗力效应系数（承台外围回填土为松散状态时取=0）；为承台底摩阻效应系数；为沿水平荷载方向的距径比；、分别为沿水平荷载方向与垂直水平荷载方向每排桩中的桩数；为承台底与地基土间的摩擦系数；为承台底地基土分担的竖向总荷载标准值。
沿水平荷载方向的距径比=2.5/0.8=3.125。
沿水平荷载方向每排桩中的桩数=3，垂直水平荷载方向每排桩中的桩数=2。
桩的相互影响效应系数0.678。
通过查表可得，=2.05。
承台侧向土水平抗力效应系数=0。
115.4kN
通过查表，可取承台底与地基土间的摩擦系数为0.3。
0.112
1.502
由此可得，群桩基础的基桩水平承载力特征值为
77.6kN
基桩水平力设计值50kN＜77.6kN，所以基桩水平承载力满足要求。

四． 确定单桩配筋量
由配筋率=0.58%可得，单桩中纵向钢筋的截面面积为：
2915
根据灌注桩的配筋要求，选用8根Φ22的HRB335钢筋，其截面面积为3041，满足要求。
桩顶纵向主筋应锚入承台内，锚入长度取为800mm。
根据《混凝土结构设计规范》规定，柱及其他受压构件中的周边箍筋应做成封闭式；其间距在绑扎骨架中不应大于15（为纵筋最小直径），且不应大于400mm，也不大于构件横截面的短边尺寸。箍筋直径不应小于/4（为纵筋最大直径），且不应小于6mm。
根据箍筋的配置要求，箍筋选用Φ8的HPB235级钢筋，采用间距为200mm的螺旋式箍筋。

五． 承台设计计算
1. 承台构造
根据《建筑桩基技术规范》要求，桩嵌入承台内的长度对中等直径桩不宜小于50mm，对大直径桩不宜小于100mm。承台底面钢筋的混凝土保护层厚度，当有混凝土垫层时，不应小于50mm，无垫层时，不应小于70mm，并不小于桩头嵌入承台内的长度。
取承台高度为1.8m，桩头嵌入承台内的长度为100mm，承台底面钢筋的混凝土保护层厚度取为120mm。
2.抗剪切计算
按照《建筑桩基技术规范》规定，柱下独立桩基承台斜截面受剪承载力应按下列规定计算：
（5-1）
（5-2）
（5-3）
式中为不计承台及其上土自重，在荷载效应基本组合下，斜截面的最大剪应力设计值为混凝土轴心抗拉强度设计值；为承台计算截面处的计算宽度；为承台计算截面处的有效高度；为承台剪切系数；为计算截面的剪跨比，，，此处，、为柱边（墙边）或承台台阶处至、方向计算一排桩的桩边的水平距离；为受剪切承载力截面高度影响系数。
计算示意图如下：

有效高度=1800-120=1680mm。
0.831
根据《建筑桩基技术规范》规定，对于圆柱及圆桩，计算时应将其截面换算成方柱及方桩，换算桩截面边长0.64m。
柱边至、方向计算一排桩的桩边的水平距离：
1555mm，505mm
计算截面的剪跨比：
0.926，0.301
承台剪切系数：
0.909，1.345
桩按从左到右、从上到下的顺序分别记为1~6号桩。
（1）对于Ⅰ—Ⅰ截面：
=6.6m
=4870.5kN
17722kN＞4870.5kN，所以满足要求。
（2） 对于Ⅱ—Ⅱ截面：
4.1m
3437.0kN
7440kN＞3437.0kN，所以满足要求。
3.抗冲切计算
按照《建筑桩基技术规范》规定，冲切破坏椎体应采用自柱（墙）边或承台变阶处至相应桩顶边缘连线所构成的椎体，椎体斜面与承台底面之夹角不应小于45°。
椎体斜面与承台底面之夹角47.2°，所以夹角满足要求。
（1） 承台受柱冲切的承载力计算
对于柱下矩形独立承台受柱冲切的承载力可按下列公式计算：
（5-4）
（5-5）
（5-6）
式中为不计承台及其上土重，在荷载效应基本组合下作用于冲切破坏椎体上的冲切力设计值；为承台混凝土抗拉强度设计值；为承台受冲切承载力截面高度影响系数，当≤800mm时，取1.0，≥2000mm时，取0.9，其间按线性内插法取值；、分别为、方向的柱截面的边长；为柱（墙）冲切系数；为冲垮比，，为柱边或承台变阶处到桩边水平距离，当＜0.25时，取=0.25，当＞1.0时，取=1.0；为不计承台及其上土重，在荷载效应基本组合下柱（墙）底的竖向载荷设计值；为不计承台及其上土重，在荷载效应基本组合下冲切破坏椎体内各基桩或复合基桩的反力设计值之和。
0.746，1.677
根据线性插值法计算得到，=0.917。
因为冲切破坏椎体内无基桩，所以=0。
冲切力设计值为：
9200kN
承台受柱冲切的承载力为：

25179kN＞
因此，承台受柱冲切的承载力满足要求。
（2） 承台受基桩冲切的承载力计算
根据《建筑桩基技术规范》规定，四桩以上（含四桩）承台受角桩冲切的承载力可按下列公式计算：
（5-7）
（5-8）
（5-9）
式中为不计承台及其上土重，在荷载效应基本组合作用下角桩（含复合基桩）反力设计值；、为角桩冲切系数；、为从承台底角桩顶内边缘引45°冲切线与承台顶面相交点至角桩内边缘的水平距离，当柱（墙）边或承台变阶处位于该45°线以内时，则取由柱（墙）边或承台变阶处与桩内边缘连线为冲切椎体的椎线；、为角桩内边缘到承台外边缘距离；为承台外边缘的有效高度；、为角桩冲垮比，，，其值均应满足0.25~1.0的要求。
1555mm，505mm
0.926，0.301
则角桩冲切系数0.497
=1.118
1120mm
不计承台及其上土重，在荷载效应基本组合作用下角桩反力设计值最大值为：
1628.3kN
承台受基桩冲切的承载力为：

6176kN＞
因此，承台受基桩冲切的承载力满足要求。
4.抗弯计算
桩基承台应进行正截面受弯承载力计算。按照《建筑桩基技术规范》规定，多桩矩形承台弯矩计算截面取在柱边和承台变阶处，可按下列公式计算：
（5-10）
（5-11）
式中、分别为绕轴和绕轴方向计算截面处的弯矩设计值；、为垂直轴和轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离；为不计承台及其上土重，在荷载效应基本组合下的第基桩或复合基桩竖向反力设计值。
根据《建筑桩基技术规范》的要求，承台纵向受力钢筋直径不应小于12mm，间距不应大于200mm。柱下独立桩基承台的最小配筋率不应小于0.15%。
（1） 对于轴方向：
6444.4kN·m
若选用HRB335级的钢筋，其抗拉强度设计值=300N/。
沿轴方向布置钢筋的面积为：
14207
按照规定，可选用30根Φ25的钢筋，间距130mm，其截面面积为14715。采用上下两层布置钢筋，配筋率0.42%＞0.15%，符合要求。
（2） 对于轴方向：
4018.2kN·m
沿轴方向布置钢筋的面积为：
8858
可选用36根Φ18的钢筋，间距170mm，其截面面积为9162。采用上下两层布置钢筋，配筋率0.17%＞0.15%，符合要求。

六． 桩基结构图