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1、中南大学基础工程课程设计-作者 : _-日期 : _中南大学基础工程课程设计书题 目：铁路桥墩桩基础设计姓 名： xx学 号： xx班 级： xx 班指导老师： 郑国勇2014年 9 月目录第一部分设计任务书第二部分设计说明书13一、基本概况4二、 依据4三、 方案4四、施工建 5第三部分设计计算书 6一、 定尺寸7二、 的布置及 的 接方式8三、承台底面形心 位移 算12四、墩身 性水平位移 算15五、 基 算11参考文献 21第一部分基础工程课程设计任务书铁路桥墩桩基础设计一、设计资料1. 线路：双线、直线、坡度 4、线间距 5m，双块 式无砟轨道及双侧 1.7m宽人行道，其重量为 44.
2、4kN/m。2. 桥跨：等跨 L=31.1m无砟桥面单箱单室预应力混凝土梁，梁全长 32.6m，梁端缝0.1m；梁高 3m，梁宽 13.4m，每孔梁重 8530kN，简支箱梁支座中心距梁端距离0.75m，同一桥墩相邻梁支座间距 1.6m。轨底至梁底高度为 3.7m，采用盆式橡胶支座，支座高0.173m，梁底至支座铰中心 0.09m。3. 建筑材料：支承垫石、顶帽、托盘采用 C40钢筋混凝土，墩身采用 C30混凝土，桩身采用 C30混凝土。4. 地质及地下水位情况：标高（ m）地质情况厚度（ m）36.7936.29耕地0.536.2930.79软塑砂粘土5.530.7921.29粉 砂9.52
3、1.2919.89淤泥质砂粘土 (松软 )1.419.89-3.51细砂 (中密 )23.4-3.51-12.31粗砂 (中密 )8.8-12.31-22.31中砂 (中密 )10.0-22.31-29.31砾砂（中密）7.0-29.31-46.31硬塑粘土17.0土层平均重度20kN / m3 ，土层平均内摩擦角28o 。地下水位标高： 30.5m。5. 标高：梁顶标高 +53.483m，墩底 35.81m。6. 风力： w 800Pa (桥上有车 )。7. 桥墩尺寸：如图 1。二、设计荷载1. 承台底外力合计：双线、纵向、二孔重载：N18629.07kN ， H341.5kN ， M467
4、1.75kN m双线、纵向、一孔重载：N17534.94kN ， H341.5kN ， M4762.57kN m2. 墩顶外力：双线、纵向、一孔重载：H253.44kN ， M893.16kN m三、设计要求1. 选定桩的类型和施工方法，确定桩的材料、桩长、桩数及桩的排列。2. 检算项目(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) 墩顶水平位移检算 （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)
5、设计图（ A3 纸, 最好是手工图 ) 一张四、附加说明1. 如布桩需要，可变更图 1中承台尺寸；2. 任务书中荷载系按图 1尺寸进行计算的结果，如承台尺寸变更，应对其竖向荷载进行相应调整。五、参考资料1. 铁路桥涵地基和基础设计规范（TB 10002.5-2005 ）2. 铁路桥涵设计基本规范（ TB 10002.1-2005 ）3铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB 10002.3-2005 ）4.铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范（TB 10002.4-2005 ）5.桥梁工程邵旭东主编，人民交通出版社，2008年图 1 桥墩及承台尺寸示意图第二部分设计说明书一、基本概况本课
6、程设计任务要求完成铁路桥墩桩基础设计，桥梁计算跨度L=31.1m，梁全长32.6m，梁端缝 L0.1m 。轨底至梁底3.7m，梁底至支座铰中心0.09m ，一孔梁总重8530KN。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，对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）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TB1002.5-2005混凝土结构设计规范GB50010-2
7、002铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范TB1002.3-2005三、设计方案本设计采用钻孔灌注桩，桩身采用 C30 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 43m，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 659kPa，单桩容许承载力 3464.53kN。墩顶水平位移 4.672mm，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 57.215kN.m，选用 2016 的 I 级钢筋，钢筋面积 40
8、19mm2 。钢筋采用环形对称布置，净保护层厚度 60mm，主筋净距为 135.717mm。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 0.8m。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16。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、施工建议地下水位标高为30.5m，桩伸入地下水位以下，施工时要注意加强排水措施，防止流砂等不良地质现象的发生。同时，施工时要加强对周围的地基沉降的观测，防止基础施工引起
9、的周边建筑的不均匀沉降。钻孔施工建议使用反循环法。第三部分设计计算书一、基础尺寸的确定1. 桩身及承台均采用 30 混凝土。2. 设计桩径采用 d =1.00m ，成孔桩径为 1.05m ，钻孔灌注桩，采用旋转式钻头，钻孔机具为直径 100cm 的旋转钻机。3. 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1.5d =1.50m，即桩端进入持力层的深度要大于1.50m，从承台底面标高为33.31m，则取桩长l =40m 。桩底标高为 -6.69m，桩端进入持力层的深度为3.18m。4. 估算桩数：（按双孔重载估算）估算公式： n=N p单桩容许承载力为： P1Ufi li
10、m0 A 2其中Ud1.053.299m（ d按成孔直径计算）Ad 2 =1.002 =0.785m 24 4（ d按设计直径计算）l 10d ，故： 0k2 2 (4 d 3) 6k2 2d该土层平均天然重度20kN / m3 ，图 2由于桩侧土为不同土层，应采用各土层容重加权平均，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：2010 10kN/m 336 .7930 .52030.5 6.69 10求得：236.7911 .447 KN /m6 .690 =430kPa ，深度修正系数 k =5 ， k2=1k2 =2.5。22故： 0k2 2 (4 d 3) 6k2 2d430
11、5 11.45 4 4 1 - 36 2.5 11.45 1 659 kPa土质按较差处理，钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数m00.4li 如下表：地质情况软塑砂粘土粉砂淤泥质砂粘土细砂（中密）粗砂（中密）厚度（lim）极限摩阻力f（ kPa）i2.52359.5451.42523.4503.1880则单桩的轴向受压容许承载力： P1U f i lim0 A 211.052.25359.5451.42523.4503.18800.40.78565923464.53KN/m取 1.3 ，按二孔重载估算桩数：nN18629.07，暂取 n8 ，验算后再作必要调整。1.36.99P3464.53二、桩的
12、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 d1m 时，最外一排桩至承台底板边缘的净距不得小于0.5d ，且不得小于0.25m 。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 10cm ，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：N=18629.07KN, H=341.5KN , M=4671.75 KN.m双线、纵向、一孔重载：N=17534.94KN, H=341.5KN , M=4
13、762.57 KN.m2. 计算 b0 ，（1）桩的计算宽度 b0b0 =K f K 0 Kb其中： K f0.9 ， K 0 =（1.5d0.5）/ d =2水平力作用方向上相邻两桩的净距 L1 2.0m 0.6h1 0.6 3 ( d 1) 3.6m n=2 ， b =0.61 bL10.610.62.0故： K bh10.60.8220.66由上述得： b0 =K f K 0Kb =0.920.822 1.00=1.48（2）基础额变形系数5 mb0EI4其中：桩截面惯性矩Id0.0491m464C30 混凝土受压弹性模量EC3.2104 MPaEI3.21070.04911.57KPa
14、/m 4假定桩为弹性桩，则其计算深度：hm =2( d +1)=2(1.05+1)=4.1mhm 深度内存在两层不同的土，则m 的换算公式为： m= m1h12 +m2 (2h1 +h2 )h2hm2其中： m1 6000KN / m 4，h12.52m； m28000KN / m 4， h21.58m ，则m1h12m2 (2h1h2 )h2mhm26000 2.5228000 （2 2.521.58） 1.587244.45KN / m44.12故桩的变形系数：mb07244.451.4815EI51.571060.369m桩的换算入土深度：l0.3694014.762.5，则桩为弹性桩，
15、假设成立。3. 计算单桩桩顶刚度 1、 2、 3、 411l 0l1AEC0 A0其中 l0 0, l40m, E3.2104 MPa, Ad20.785m2 ,0.54因 A 的直径 Dd 2ltan12* 40 * tan 28o10.82m3m （相邻中心距）故：044AD 2327.069m 2044因 l 40m10m， 故 C0m0 l ml 7244.45 40 289778KN / m3从上得1l 0l100.54017.7910511AEC0 A00.7853.21072897787.069又 l03931070.04911.57KPa /m 40 ， ,EI 3.2查表有
16、YH =1.064 ， YM0.985， M1.484故 23EIYH0.3933 1.57 1061.064 1.014105 KNm32 EIYM0.39321.571060.9852.388105 KN4EI M0.393 1.57 106 1.4849.157 105KN m/ rad4. 计算承台刚性系数bb ni 1aani 2nnn187.79 1056.232106 KN / m281.0141058.112105 KN m382.3881051.910106 KN32ni4ni 1 xi28 9.15710587.79 10522.132107 KNm / rad对于低承台桩
17、基，承台处于软塑砂粘土中，因此，承台的计算宽度为：B0 b+1=11.2+1=12.2m ， Chmh6000 * 2.9817880 KN / m3aa aaB0 Chh8.112 10512.2178802.9811.136106 KNm222B0Ch h1.91010612.217880 2.98211.587 106 KN663B0Chh2.132 10712.2178802.98312.613 107 KN m / rad12125. 计算承台底面形心处的位移 a ， b ，桩基为竖直桩基，桩群对称布置，bababa0 ，则有：aaaaHb bbNaaMN化简后可得： bbbaHaM
18、2aaaaaMaH2aaa（1）荷载情况 1：双线、纵向、二孔重载N=18629.07 KN, H=341.5 KN, M=4671.75KNmbN18629.077.12910 4 mbb2.613107aHaM2aaa2.613107341.51.5871064671.756.0141041.13662.613107（ 1.587621010）aaMaHaaa21.1361064671.751.587106341.52.153104rad1.1361062.613107（ 1.587 1062）（2）荷载情况 2：双线、纵向、一孔重载N=17534.94KN, H=341.5KN, M=4
19、762.57KN mbN =17534.942.81310 3mbb6.232106aHaM2aaa2.613107341.51.5871064762.576.067104m1.1361062.613107（1.587 1062）aaMaHaaa21.1361064762.571.587106341.52.191104rad1.13667（1.58762102.613 1010）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
20、，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H=253.44KN, M=893.16KN m（ 2）墩帽所受风力： H 墩帽 7.50.60.8 3.6KN作用点离墩帽底面的距离为l墩帽0.3m（ 3）托盘所受风力： H 托盘 （7.15.9） 0.5 1.50.87.8KN作用点离托盘底面的距离为h （ a2b）1.5 （5.92 7.1）l托盘b）3 （5.90.773m3 （ a7.1）其中短边 a 5.9m ，长边
21、b7.1m（ 4）墩身所受风力：H 墩身 1-2（5.96.02） 310.8 14.304KN ，2H 墩身 2-3（6.026.14） 310.814.592KN ,2H 墩身 34（6.146.26） 3 10.814.88KN2H 墩身 4（6.26110.181KN56.34） 2.020.82作用点离墩身底面的距离为:3（2）5.96.021.49ml 墩身 1 -2 33（）5.96.023（6.022）l 墩身 2 -336.141.5m3（6.14）6.02l 墩身 3 - 433 （6.1426.26）1.5m3（6.146.26）2.02（2）l 墩身 4-52.026.
22、266.341.01m3（6.26）6.34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托盘顶墩身墩身墩身墩身墩身置0-01-12-23-34-45-5项目墩顶弯矩墩顶水平力墩帽风力托盘风力1-2墩身风力2-33-4墩身风力 4-5总计893.16893.16893.16893.16893.16893.16152.064532.2241292.5442052.8642813.1843325.1331.086.4817.2828.0838.8846.15206.02929.42952.82976.22991.9850
23、021.31364.225107.137136.03100021.88865.66495.14000022.3252.3780000010.2831046.3041437.8932253.7263113.0464016.5744650.2622、托盘底面水平位移计算d 和转角托盘底面水平位移和转角计算表Mi(kN m)h(m)h (m)Ii =bh34)EI(kNm2 )= M ih(rad)d = M ih hi (m)i(miEIiEI i121-2 段1845.81033.6117.20755.16231081.07310 53.873510 52-3 段2683.38636.619.5
24、6475.86941081.37210 59.055210 53-4 段3564.8139.622.15216.64561081.60910 515.446410 54-5 段4333.4182.0212.1124.49447.34831081.19110 514.423010 5总 计5.24510 54.279810 4注：（1）墩身为 C30 混凝土： Eh3.0 107 kPa ；（2）h ：分段高度；（3） hi ：分段水平力作用点到墩顶的距离，M i上 +M i下（4）计算弯矩 M i =2五、桩基检算1. 单桩承载力检算（按二孔重载计算）N=18629.07KN， x1.5m ，
25、2.15310 4 rad，17.79 105 KN / M则桩顶内力：NmaxNx18629.07 / 8 7.79 1051.5 2.153 10 42580.212KNn1桩身 C30 混凝土容重025kN/m3 ，土平均重度20kN/m 3则桩自重：G 12 ( 2.81 25 (40 2.81) 15) 493.31KN4桩入土部分同体积土重：G1.052(2.81 20( 40 2.81)10) 370.69 KN4则 NmaxGG 2580.212 493.31 370.69 2702.83KN1.2 P1.2* 3563.654276.38 KN故单桩轴向受压承载力满足要求。2
26、. 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（ 28o ）较顶面放大（如图 5）。底面尺寸：a 3312l tan4444440 tan 28o91219.823m4b3.012l tan428o31240tan13.823m4Aab19.823 13.823274.001m 2图 5 群桩承载力检算示意图Wab219.82313.8232631.281m366桩自重： G1nG8493.313946.48KN桩侧土重： G2274.0012.81 20(402.81)10370.69 8114334.308KN承台重： G311.272.5254900KN承台部分土重： G311.272.5203920KN故： N0N G1 G2G3G318629.073946.48114334.30849003920137889.858KNN 0M137889.8584671.75659KPaAW274.001510.646KP a631.2813. 墩顶水平位移检算（按一孔重载计算）墩高： H=2.5+12+1.5+0.6=16.6m则墩顶位移a