基础工程课程设计铁路桥梁高承台桩基础设计.docx

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基础工程课程设计-铁路桥梁高承台桩基础设计

基础工程课程设计

铁路桥梁高承台桩基础设计

一、收集设计资料

某单线桥位于直线上，冲刷线以下的河床上部为厚度很大的中密孵石层，其容重γ=2000KN，内摩擦角,=38º，地基的基本承载力σ=900KPa。

局部冲刷线标高为19.200m，0

承台底与水位线平齐，设计标高为26.800m。

采用钻孔灌注桩施工，桩基直径为1.0,1.8m。

4设计时，桩侧土极限摩阻力f=180KPa，横向地基系数的比例系数m=80MN/m。

基桩混凝

7土采用C30，其受压弹性模量E=2.65×10KPa。

h

二、设计荷载

该桥墩由主力加附加力双孔活载控制桩基设计。

作用于承台底面的竖向力:

N=2000KN、水平力H=400KN，力矩M=6900KNm。

三、基桩选择

1.基桩类型与尺寸

（1）基桩类型——钻孔灌注桩

根据设计资料知:

考虑挤土效应和基桩的强度、刚度，选择灌注桩。

而冲刷线以下的河床上部为厚度很大的中密孵石层，有含水层，不宜采用人工挖空桩，考虑经济因素，采用钻孔灌注桩。

在桩位就地钻孔，成孔后将钢筋笼置入孔内灌注混凝土而成桩。

（2）基桩尺寸—1.25×（7.6+12.4）

本设计中冲刷线以下的河床上部为厚度很大的中密孵石层，承载力高，可作为持力层，从承台底面到局部冲刷线长度为7.6m，故上部桩长取7.6m，总桩长不妨取为为20m，桩地标高6.8m处。

故基桩尺寸为:

桩长取为20m，上部长度7.6m,下部长度为12.4m;桩径1.25m。

（3）混凝土等级

基桩采用C30混凝土，承台采用C25。

2.基桩数量

N,n,,[p]

按双孔重载估算桩数:

式中:

µ为经验系数，桥梁桩基采用1.3,1.8。

（1）计算单桩容许承载力

1PUflmA,,，,[][]ii02

,222AA,d,，1.25,1.227m式中:

——桩底面积，此处为44

m,0.55——桩底支撑力折减系数，按规范6.2.2-6，取m00

2UUr,，,,（0.05）3.299——桩身截面周长，（按旋转锥计算）

fkPa,180——极限摩阻力，fii

lm,12.4——土层厚度，lii

'[]（43）6,,,,,，,，kdkd[],——桩底地基土的容许承载力，按公式02222

'[]（43）6,,,,,，,，kdkd02222

式中:

——地基基本承载力，,,900kPa,00

k,3——由铁路桥涵规范4.1.3，取，kk,6222

'[]（43）6,,,,,，,，kdkd02222

900，6，20，（4，1.25,3），6，3，20，1.25,1590KPa

根据规范4.2.2，主力加附加力时，可以把地基容许承载力提高20%

[,],1590，1.2,1908KPa

1PUflmA,,，,[][]ii02

1,，3.299，180，12.4，0.55，0.785，1908,4505.4632

（2）确定桩数n

N20000,n,u,1.3，,5.77P4505.436暂取n,6，验算后在做必要调整。

3.基桩布置

根据铁路桥涵规范6.3.2，钻孔灌注桩的中心距不应小于2.5倍成孔桩径;各类桩的承

台板边缘至最外一排桩的净距，当桩径时，不得小于，且不得小于0.5m。

根d,1m0.3d

据承台及以上布桩原则，基桩的布置图如下:

图

1

基

桩

布

置

图

四、每根桩顶内力计算

1.单桩的计算宽度b0

形状换算系数圆形截面，=0.9;Kf

d，1K,,1.80受力换算系数d

桩间相互影响系数L,4m,h,3（d，1）,3，（1.25，1）,6.75m11

L,4m,0.6h1,4.05m故，1

L（1,b'）（1,0.45）41K,b'，,,0.45，,,0.990.6h0.66.751

b,0.99，0.9，1.8，1.25,2.0m单桩计算宽度0

2.桩的变形系数

4，1.25,76EI,0.8EI,0.8，2.65，10，,1.625，10桩的抗弯刚度:

h64

mb80000，2055,,,,0.629基础的变形系数:

6EI1.625，10

桩的入土深度:

l,0.629，12.4,7.800m,2.5m

可见，此桩按弹性桩计算。

3.单桩桩顶刚度

（1）轴向刚度系数,1

,0.5该桩为钻孔灌注桩，故。

77lmlm,,12.4,7.6EA,1.227，2.65，10,3.25，100，

38由公式D,d，2，l，tan,,1.25，2，12.4tan,5.4m大于桩间中心距4m，4

故，取D,4m

,222则，A,D,，4,12.56m0044

C,ml,80000，12.4,99200000

116,,,,1.98，101,l，l7.6，0.5，12.4110，，7992000，12.563.25，10EACA00

（2）轴向刚度系数、、,,,324

l,0.629，12.4,7.800,,l,0.629，7.6,4.780-57计算，按式60

由表6-15可知:

Y,0.0414,Y,0.1358,,,0.5988HMM

3364,,,EIY,0.629，1.625，10，0.0414,1.67，10KN/mH2

3364,,,EIY,0.629，1.625，10，0.1358,5.49，10KN/mM3

3365,,,EIY,0.629，1.625，10，0.5988,2.42，10KN/mH4

4.承台刚度系数与承台底面形心处位移计算

按公式6-63计算各反力和反力矩

67,,,n,6，1.98，10,1.188，10KN/mbb1

45,,,n,6，1.67，10,1.002，10KN/maa245,,,,,,n,,6，5.49，10,,3.294，10KN/m,,,,3

25627,,n,，,nx,6，2.42，10，1.98，10，6，2,4.897，10KN/m,,,ii41

按公式6-62计算b,a,β

N200003,b,,,1.684，10m7,1.188，10bb

75,,H,M4.897，10，400，3.294，10，6900,,,,3,a,,,4.465，10m257521.002，10，4.897，10,（3.294，10）,,,,aa,,,,

55,,M,H1.002，10，6900，3.294，10，400,,aa4,,,,,1.715，10rad257521.002，10，4.897，10,（3.294，10）,,,,aa,,,,

5.桩顶内力计算

按公式6-64计算。

分别以代入第一式，可以求得桩顶的最大和最小轴向力:

x,2

Nmax401220000N,46,x,,=,,2，1.715，10，1.98，10=KN1n62654Nmin

此外,

34,44H,a,,,,,4.465，10，1.67，10,1.715，10，5.49，10,66.67KNi23

45,34M,,,,a,,1.715，10，2.42，10,4.465，10，5.49，10i43

,202.802KNm

校核:

N,3，（4012，2654）,20000KN,N,i

H,6，66.67,400KN,H,i

M,[,202.802，3，（4012,2654），3]，2,6930KNm,M,

五、局部冲刷线处桩身的横向位移和转角

x,因桩下端在土层内，且，故和可利用式6-38和6-39计算，即al,2.500

HM00,，xAB0xx32,,EIEI

HM00,,，AB,,02EIEI,,其中

M,M，Hl,,202.802，66.67，7.6,303.89KNm0ii0

H,H,66.7KN0i

AB系数、、、可根据（地面处）及AB,z,0z,0,l,4.0xx,,

A,2.441B,1.621xx

A,,1.621B,,1.751,,则

66.67303.890,4x,，2.441，,8.75，10m036260.629，1.625，100.629，1.625，10

66.67303.890,4,,,1.621，,，1.751,6.887，10rad02660.629，1.625，100.629，1.625，10

六、桩身内力计算

1.求任意深度z处桩身截面上的弯矩

H66.670M,A，MB,A，303.890B,105.994A，303.890BM0MMMMM,0.629

AB系数、值可根据值及从表6-11查得。

将局部冲刷线以下任意深,z,l,4.0MM

度z处的Mz值表计算如下表所示。

2.求任意深度z处的桩侧土的抗力

22,,HM0.629，66.670.629，303.89000,A，B,A，B,20.996A，60.112B,z,,,,,,bb2200

M则，和列表计算如下表1，并将计算结果绘于图2。

zxz

M表1和计算表,zxz

60.112B,/kPa,z20.996A303.890BM105.994AAB,xzABZ/mZ,M,,MMM

0.000.0000.0001.0000.000303.890303.8900.0000.0000.0000.0000.0000.200.3180.1970.99820.881303.282324.1630.4240.2588.90215.50924.4110.400.6360.3770.98639.960188.701339.5950.7210.40015.13824.04539.1830.600.9540.5290.95956.071183.533347.5010.9020.45018.93827.05045.9890.801.2720.6460.91368.472174.730345.9240.9790.43020.55525.84846.4031.001.5900.7230.85176.634162.864335.2440.9700.36120.36621.70042.0671.201.9080.7620.77480.767148.128315.9780.8950.26318.79115.80934.6011.402.2260.7650.68781.085131.478289.8580.7720.15116.2099.07725.2861.602.5440.7370.59478.118113.680258.6280.6210.03913.0392.34415.3831.802.8620.6850.49972.60695.499224.2470.457-0.0649.595-3.8475.7482.003.1800.6140.40765.08077.892188.7640.294-0.1516.173-9.077-2.9042.203.4980.5320.32056.38961.242153.6340.142-0.2192.981-13.165-10.1832.403.8160.4430.24346.95546.505120.8010.008-0.2650.168-15.930-15.7622.604.1340.3550.17537.62833.49290.809-0.104-0.290-2.184-17.432-19.6162.804.4520.2700.12028.61822.96665.085-0.193-0.295-4.052-17.733-21.7853.004.7690.1930.07620.45714.54543.552-0.262-0.284-5.501-17.072-22.5733.505.5640.0510.0145.4062.6799.660-0.367-0.199-7.706-11.962-19.6684.006.3590.0000.0000.0000.0000.000-0.432-0.059-9.070-3.547-12.617

图2桩身弯矩和桩侧土横向压应力分布图

M=-202.802KNmmax

=46.412KPa,max

M=303.89KNmmax

M=347.512KNmmax

3.任意深度z的剪力Hz

H,HA，,MB,66.67A，0.629，303.89，B,66.67A，191.147Bz0H0HHHHHH则，列表计算如下表2，并将计算结果绘于图3。

z

表2H剪力计算表z

191.147B66.67AHz,zABHZHHH

0.000.0001.0000.00066.6700.00066.6700.200.3180.956-0.28063.737-53.52110.2150.400.6360.839-0.09655.936-18.35037.5860.600.9540.675-0.18245.002-34.78910.2130.801.2720.458-0.27130.535-51.801-21.2661.001.5900.289-0.35119.268-67.093-47.8251.201.9080.102-0.4136.800-78.944-72.1431.402.226-0.066-0.455-4.400-86.972-91.3721.602.544-0.206-0.474-13.734-90.604-104.3381.802.862-0.313-0.471-20.868-90.030-110.8982.003.180-0.388-0.449-25.868-85.825-111.6932.203.498-0.432-0.449-28.801-85.825-114.6262.403.816-0.446-0.412-29.735-78.753-108.4872.604.134-0.437-0.363-29.135-69.386-98.5212.804.452-0.406-0.307-27.068-58.682-85.7503.004.769-0.361-0.249-24.068-47.596-71.6633.505.564-0.200-0.067-13.334-12.807-26.1414.006.359-0.0100.000-0.6670.000-0.667

图3剪力分布图

H=66.67KNzmax

H=114.626KNzmax

七、基桩配筋计算

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，主筋净保护层不因小于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C30，根据《桥规》规定，取μ=0.2%。

min

M,347.512KNm,H,114.626KN,Nmax,4012KN设计荷载:

maxzmax

根据计算和构造要求，初步配筋为:

桩与承台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对光圆钢筋不得不小于45倍主筋直径，取1m,主筋应配到4/a处

以下2m处，故主筋在桩中的长度为16.96m,取为17m,箍筋采用单肢8，间距为200mm。

为增

加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔2m加一道20的骨架钢筋。

为预防施工中钢筋笼被混凝

土顶起，使2根20主筋伸到桩底。

下面对以上配筋进行具体计算分析。

1.主筋

（1）截面配筋

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，主筋净保护层不小于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μ=0.5%,则:

min

此处采用对称配筋，按照最小配筋率初定钢筋截面面积，即

23.14，12502A,,，A,0.2%，,2453mmsc,minmin4

2选取8Φ20的一级钢筋，取净保护层厚度为70mm。

A,2513mms实

此时主筋间距为:

2R2，3.14，（625,70,10）,（,d）,（,20）,407.8,120mm0n8

图5:

横截面配筋（单位:

mm）

（2）计算偏心距ei

3M347.512，10maxe,,,130.9mm0N2654min

0.10.1,,，0.16,，0.16,0.531e86.600.2，0.2，1250h

查基础工程课本表6-25可知:

对于桩在的多排桩，计算长度为,l,4

44l,0.5，（l，）,0.5，（7.6，）,7.6mc0,0.531

l/d,6.1,7因为，由表6-26可知:

纵向弯曲折减系数,,1c

7Eckpa,，3.210取，由附表2.3可知:

K,0.6

则:

11,,,=1.0002KN0.6，4012,1,1,0.531227EI3.14，3.2，10，0.120,cc227.6lc

e,,e,1.0002，130.9,130.9mm偏心距为i0

（3）截面校核

取n=15，换算截面面积为

222A,,R，nA,3.14，625，15，2513,1264257.5mms0

换算截面惯性矩为

44d13.14，12501,22114I,，nAr,，，15，2513，（625,70,10）,1.258，10mmss0642642

核心距为

11I1.258，100为小偏心。

k,,,159.2mmAy1264257.5，6250

小偏心受压构件为全截面受压，故受压区圆心角为360?

，α=180?

。

1cos1,,,（-1）K,,,12232

V,,，,,，，,,2sin3cos43sincos033.14

（1）9.42,,,,,3

W,,,,123sin432sincos37.7,,,,

Q,,,3cos9.42,,

配筋率为

A2513实,,,,2.1%A1226562.5c

混凝土的最大压应力为:

96KM,max,,c2，，r,,3sRWn24，,,,,,,R,,,,，，

696，1，1.0002，347.512，10,54532625，[37.7，24，15，3.14，0.0021，（）]625

3.46MPa,[,],11.2MPab

钢筋的最大压应力为:

RKr21,，，，s',,,nsc2KR

625，（2，1,1），545,15，3.46，2，1，625

48.59MPa,[,],160MPas

符合要求。

2.箍筋与骨架钢筋

箍筋采用φ8，间距为200mm，为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔2m加一道φ18的骨架钢筋。

则综合上述计算得出设计配筋为:

根据计算和构造要求，初步配筋为:

桩与承台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对光圆钢筋不得不小于45倍主筋直径，取1m,主筋应配到4/a处以下2m处，故主筋在桩中的长度为16.96m,取为17m,箍筋采

用单肢8，间距为200mm。

为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔2m加一道20的骨架钢,筋。

为预防施工中钢筋笼被混凝土顶起，使2根20主筋伸到桩底。

八、基桩验算

1.单桩轴向承载力验算

本题桩底置于透水土中，计算桩身自重和桩入土部分同体积的土重时均可考虑水的浮力。

桩身自重为:

22,,DD,（，7.6，，12.4），（,,10）G44

223.14，1.253.14，1.3,（，7.6，，12.4），（25,10）44

386.585KN桩入土部分同体积土的重量:

2,D',，12.4，（,',10）G4

23.14，1.3,，12.4，（20,10）4

164.505KN则桩底受力:

'N，G,G,4012，386.585,164.505,4234.08KNmax

1.2[P],1.2，4505.263,5046.316KN,4234.08KN

故，单桩承载力符合要求。

2.单桩稳定性检算

l,7.6m桩的计算长度为，查铁路桥涵混凝土结构设计基本原理表11-3可知，c

m,10.4。

3ll7.6，10cc,,,,,24.111iI1.258，100

A1264257.50

,0.898故，查规范

N,,h'（），AmA,cs

34012，10,1.0，（1226562.5，10.4，4012）

3.52MPa,[,],9.0MPac单桩稳定性符合要求。

3.单桩斜截面承载力验算

由混凝土结构设计规范可知，圆形截面的钢筋混凝土受弯构件和偏心受压构件，其斜截

面受剪承载力可换算成矩形截面进行计算。

此时

h,1.6r,1.6，0.625,1m，b,1.76r,1.76，0.625,1.1m0

Asv0.70.07VfbhfhN,，，0toyvs

50.3,0.7，1.24，1100，1000，210，，1000，0.07，4012000200

1288.455KN,V,114.626KNmax

受剪承载力符合要求。

4.横向力作用下桩的稳定性及其承载力

由基础工程公式6-110可知:

,,,[,z（,k,k），2c（,K，K）]z12papa

b0,,1.0,,0.8式中:

，，，暂取,,,2ckpa,10z,2.9012，b

382k,，,tan（45）2.35p2

382k,,,tan（45）1.39a2

代入计算可得:

,,,[,z（,k,k），2c（,K，K）]z12papa

，，,，，，，,，，，1.00.82014.622.351.392022.351.18，，，，，，

773.2KPa,,,46.12KPamax

检核通过。

5.地基持力层承载力验算

检算条件:

桩中心间距为5米，小于6d，考虑群桩效应;

NM0,,,，,检算方法:

,AW

如下图4，为假想实体基础示意图

式中:

N——桩台以上的竖向力、桩重、土重，此处

M——高承台桩局部冲刷线以上外力对该平面处桩群形心的力矩

A——实体基础底面面积，由于内摩擦角的影响

W——实体基础的地面截面模量

图4假想实体基础示意图

由于内摩擦角的影响，外伸宽度:

038am,，，，,8212.4tan9.874

038bm,，，,5212.4tan6.874

2Aabm,，,，,9.876.8767.81

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