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
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
22ba6
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