基础工程课程设计.docx

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1、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）16.516.2耕 地0.3-24.4-30.9粗砂（中密）6.516.211.3软塑砂粘土4.9-30.9-40.5中砂（中密）9.61

2、1.33.2粉 砂8.1-40.5-45.6砾砂（中密）5.13.22.4淤泥质砂粘土（松软）0.8-45.6-58.7硬塑粘土13.12.4-24.4 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：、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

3、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

4、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）31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

5、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TB1000

6、2.3-2005三、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1618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

7、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8200mm。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18。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12。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

8、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

9、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250粉砂8.160淤泥质砂粘土0.835细砂（中密）26.855粗砂（中密）2.380则单桩的轴向受压容许承载力： =1/23.299（502.0+608.1+350.8+5526.8+802.3）=3997.69KN取，按二孔重载估算桩数：n=Np=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

10、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

11、，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

12、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5410.005410.005410.005410.00541

13、0.005410.00墩顶水平力1094.042461.594467.336473.078405.878679.38墩帽风力5.7620.1641.2862.4082.7585.63托盘风力09.3930.6451.8972.3775.27墩身风力1-2006.2018.5930.5332.222-30006.2018.1418.983-400005.757.38承台风力4-5000000.32总计6509.807901.149955.4512022.1414025.4114309.182、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8928.292.23.84.08861.

14、2266 1.6016.08522-3段10988.802.264.45101.33531.8111.08633-4段13023.782.128.164.82691.44811.9071.55594-5段14167.300.39.3729.49128.84740.0480.4501总 计5.3673.2957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

15、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00010309.117309.

16、1170.20.5050.1970.998-5.964308.499302.5350.41.0090.3770.986-11.413304.789293.3760.61.5140.5290.959-16.015296.443280.4280.82.0190.6460.913-19.557282.224262.6671.02.5230.7230.851-21.888263.059241.1711.23.0280.7620.774-23.069239.257216.1881.43.5320.7650.687-23.160212.363189.2031.64.0370.7370.594-22.312

17、183.615161.3031.84.5420.6850.499-20.738154.249133.5112.05.0460.6140.407-18.588125.811107.2232.25.5510.5320.32-16.10698.91782.8112.46.0560.4430.243-13.41175.11561.7042.66.5600.3550.175-10.74754.09543.3482.87.0650.270.12-8.17437.09428.9203.07.5700.1930.076-5.84323.49317.6503.58.8310.0510.014-1.5444.32

18、82.7844.010.09300000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1618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

19、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8200mm。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18。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12。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=1.0，m=13.8 故稳定

20、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 300000005000 27 0.37000 27 4.97000 27 8.17000 27 0.810000 27 26.825000 27 2.34 1. 1. 0 40 0 -1.54 1. 1. 0 40 0 1.53.3 11.2936 18061.8 14674.37936 18061.8 14674

21、.37936 20442.5 12610.72.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

22、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

23、 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(

24、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

25、.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

26、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

27、) 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 -31.1

28、48 -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 -0.64

29、2 * 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

30、.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)