基础工程设计方案桥梁桩基

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1、一、初步桩基础拟定尺寸1. 桩基础类型的选择因为基础位于湖中，考虑到冲刷及潮水，且最高水位差为 95.5-91.4=4.1m, 施工时排水困难，应采用高桩承台式摩擦桩。本设计采用桥梁整体式墩台多排桩 基础，墩台联结及承台板与群桩的连接均为刚性连接（见附图） 。2. 桩底标咼经过初步计算，并考虑单桩承载力、局部冲刷线的影响，结合设计区域桩身穿过密实砂卵石层4.5m，桩底标高拟采用79.1m。3. 桩长、桩径拟定由公路桥涵地基与基础规范，钻孔灌注桩混凝土等级不应小于 C25。在 满足规范要求的情况下，采用桩径为 1.2m的钢筋混凝土桩。桩身采用 C25混凝 土，R235级钢筋，每桩18根主筋，主筋

2、直径20mm，钢筋保护层净距80mm，箍 筋采用闭合式直径8mm,箍筋间距200mm,详见配筋图。4. 基桩根数及其平面布置经过初步试算n N拟采用6根钻孔灌注桩，对称竖直双排桩基础（即 2IpX 3）。查规范知：钻孔灌注桩的摩擦桩中心距不得小于2.5倍成孔直径，所以取钻孔桩中距为3.0m。二、初拟承台尺寸1. 承台尺寸由规范，承台的厚度为桩径的一倍及以上，且不宜小于1.5m，混凝土强度等级不应低于C25。本例采用厚度为2.0m, C25混凝土。采用板式实体承台板，考虑到墩底尺寸为：3.5m X 7m，结合桩间中心距，所以拟定承台形状为矩形4.5m （纵桥向）X 8m。2. 配筋构造要求根据板

3、式刚性承台板的受力特性，于承台底部高出承台板地面约15cm处设置一层钢筋网，网孔为100mmX 100mm，钢筋直径采用 12mm，钢筋网应通过 桩顶主筋且不应截断。承台的顶面和侧面应设置表层钢筋网， 每个面在两个方向 的截面面积均不宜小于 400mm2/m，钢筋间距不应大于400mm，本例按250mm x 250mm布置，钢筋为 T2mm。3. 承台与桩基础的连接基桩与承台的连接用桩顶主筋伸入承台，桩身嵌入承台的深度为100mm；伸入承台内的桩顶主筋做成喇叭形（与竖直线倾斜 15）。伸入承台主筋为带肋 钢筋 22mm，伸入长度650mm。箍筋间距采取160mm，10mm钢筋。4. 承台标高承

4、台应位于一般冲刷线以上，本例为砂砾石层，有比较好的特性，所以将承 台顶部与河床平齐，初拟承台底部标高为 88.9m。三、桩基础的设计计算与验算1 单桩承载力采用钻孔灌注桩单桩承载力公式1n、Ra 】=一u 为 qik h + Apq2丄= m。九& 】+ k2 （h 3） j式中：iRa 单桩轴向受压承载力容许值（kN），桩身自重标准值与置换土重 标准值的差值作为荷载考虑；U桩身周长（m）;A桩端截面面积；N土的层数；h承台底部或局部冲刷线以下各土层厚度，扩孔部分不计；q.各土层与桩侧的摩阻力标准值；qr 桩端处土的承载力容许值；If ：0 1 桩端处土的承载力基本容许值；H桩端的埋置深度，对

5、于有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算；对 无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；k2 容许承载力随深度的修正系数；2桩端以上各土层的加权平均重度，若持力层在水位以下且不透水时，不论桩端以上土层的透水性如何，一律取饱和重度；当持力层透水时则水中部分取浮重度；修正系数，按表选用；m。清底系数，按表选用。各个参数的取值：1）冲抓成孔直径应比桩径大 0.2m，故d=1.4m2）u - : d = 4.40m， Ap -二 2 =1.13m23）砂砾石层 =0.7,淤泥=0.65; k2=10.0, mo =0.8W Wc4) 液性指数II二=1.5W _wp5) 查规范砂砾石层lf-

6、0 1=400kPa， Qk =100kPa ;淤泥层 f.=90kPa，qik =25 kPa ；密室砂卵层 If.J =500 kPa ， qik =300 kPa ，=1450 kPa 。3-10 =11.7kN/m4.5 22 0.8 17.5 6.2 2211.5r -. 1lRa4.4(1.8 100 0.8 25 4.5 300) 0.7 0.8 1.13(500 10 11.7(7.1-3)= 2= 4029.95N即单桩容许承载力为4029.95kN。2桩的计算宽度E查公路桥涵设计手册得d =0.9(d 1)K 从本设计中：J =1.5m ; h =7.1m ; h =3(d

7、1) =6.6m ; J ：: 0.6h ； n = 2。查规范，得，b。0.5，K 二b 1 b 也=0.690.6 h1二 b =0.9(d +1)K =1.36m ； n0 =2汇1.36 =2.72 cB+1 =5.53. 桩-土变形系数aC25混凝土 Ec=2.8X 10-67E =0.8 EC =0.8 28 10 =2.24 10 nd44I0.1018m64m! =45MN / m44m2 =4MN / m4m3 =100MN / m对于三层土的m系数换算方法采用教材中公式，所以严2、mith： +m?(2h +h22 +口3(20 +2b +馆 hm=h 2=2hm45 1.

8、82 4 4.4 0.8 100 9.7 4.5 。一 47.12|=2=89.76MN / ml7.1J二 0C =589761.：.36=0.5572.24 107 0.1018桩在最大冲刷线以下深度h=7.1m,其计算长度为ah =0.557 7.1 =2.992.5故按弹性桩计算。4桩顶刚度系数人、二2、 ；3、订的计算. 2l0 二2.7m ； h 二7.1m ；0.5 ； A 二 1.13mCo 二叫 h =89760 7.1 =6.37 105kN /m3A)-二(0.5 -1.8 tan4000 0840-0.8 tan 4.5 tan442 2)=8.44m按桩中心距计算面积

9、时，Ag.52 = 4.91m24所以AEcC0 A02.7 0.5 7.11_1.13 2.8 1076.37 105 4.916= 1.93 10 =0.848 Elh=aH=2.99m2.5m ; I。=2.7 0.557 =1.504m查手册得：Xq =0.269 ； Xm =0.454 ；=1.068。所以二a3 E Qx=0.04 6 5E I 二a2 E lMx = 0 . 1 4 09E I =a E Im =0.5949 15. 单孔活载+恒载+制动力的计算由于承台和桩身均采用 C25混凝土，作用在承台底面中心的荷载如下。恒载加一孔活载(控制桩截面强度荷载)时： N =990

10、0 2 4.5 8 24.0=11628kN=x H =670kN M =4700kN m 670 2 =6040kN m孔活载时=、 N =11100 2 4.5 8 24 =12828kN6.计算承台底面原点O处位移a。,。查手册标准公式得:nn 订X2 =6 0.5949EI 0.848EI 6 1.252 =11.52EIi 1-n；-3 =6 0.1409EI =0.8454EIn R =6X0.0465EI =0.2790EIn2 身 0.7147(EI)2n(n 】4Xi ) H 亠 n ：?3Mnn：(n4x) n23i 土5131.1-EI11.52 El 6700.8454

11、 El 6040 20.279EI11.52EI -0.7147(EI)tb =Nn ;?i116286 0.848 EI2285.38EIn ：?2Mn ：?3Hn ；2( n让 X2) 一n2i 0.279EI60400.8454 EI 6700.279EI11.52 El -0.7147( El)900.85EI7. 计算作用在每根桩顶上作用力P，Qi，M查手册标准公式得：单位都为（kN）P “血 X J “.848EI (2285_1.25 嗨)=2892.90EIEI983.10Qi =梟 p =0.0465EI51311 0.1409EI900型=111.67kNEIEIMi= 0

12、.5949 El900.85El-0.1409EI5131.1El= -187.06kN m校核:=nQi =6 111.67 =670kNH =670kNXP 十nMj =3x(2892.9 _983.1)x1.25+6x(_187.06) =6039.39kN m八 M =6040 kN mn=、nP =3 (2892.9 983.1) =11628kNP=11628kNi丄8. 计算最大冲刷线处桩身弯矩M0、水平力Q0、轴向力P0M0 =Mj Ql0 - -187.06 111.67 2.7 =114.45kN _mQo =111.67kNP0 =2892.9 1.13 2.7 14 =

13、2935.6kN9. 桩身最大弯矩位置及最大弯矩计算由Qz =0得：CaM0557 114.45 “571Q Q0111.67由Cq =0.571及h =2.99，查手册得:z 二 0.98 oz -981 . 7 m50.557由z =0.98及h =2.99，查手册得:Km =2.13M max =KM M0 =2.13 114.45 =243.62kN m即最大弯矩在最大冲刷线以下1.75m处。10. 配筋计算最大弯矩在最大冲刷线以下1.75m处，该处Mmax =243.62kN m。查结构设计原理：已知一跨活荷载为3100kN=Nj =1. |(2935.6 -3100) 0.5 ：

14、： ：0.52 14 1.75 -二 1.2 100 1.75 0.51.4 3100 =3758.4kN=Mj =1.2 (187.06) 1.4 111.67 (2.71.75) = 471.23kN _mM jNj471.233758.4= 0.125m ;j。125 =0.104d 1.2Ip =1。 h =2.7 - 7.1 =9.8m0.1二 ae0.143 =0.391 ；0.3d二 Eh =2.8 107kPa ；Ipd=9 .81 . 2=8.271- -1 1400色ho=1+1400 0.189(8.2)20.5 1.0=1.127故应考虑偏心距增大系数，根据公路桥规h0

15、 =r Ts =1.2 _0.54 =0.66 ； h =2r =1.2二，。2 2.乍 g：1.0 ；冷.15一。叫15 IO取；J所以e0 =1.127 0.125 =0.141m由已知条件得：fcd =11.5MPa ； fsd =195MPa。计算受压区高度系数_ fedBr _A( e。)11.5 B 0.6 _A 0.1526.9B -1.748A二上0fsd查结构设计原理得 2 2 2 2= Nu =Ar fed Cr fsd = A(0.6)11.5 1000 - C ；?(0.6)1000 195= 4140A 70200C采用试算法列表计算，各系数查规范匕ABCDPNu0.

16、380.80740.5191-0.57071.8609-0.013743计算得当上-0.38 ；:：:0时Nu接近N，故只需配置构造钢筋，构造钢筋如本说明书第二章桩的构造所述（桩身采用 C25混凝土，R235级钢筋，每桩18根主 筋，主筋直径20mm，钢筋保护层净距80mm，箍筋采用闭合式直径8mm，箍筋 间距200mm，见配筋图）。11. 桩的容许承载力验算Nh =2935.60.5 7.10.785 14 =2974.6kN根据前面所算 P ）-4029.95N Nh =2947.6kN，所以单桩承载力满足要求。12. 桩身强度验算（1）桩身稳定性验算屈曲临界荷载为：0 125(0.16)

17、7.22.81070.1022 2 1 2Ncr =a： Eclo/lp =2 = 77532kNp9.82P =2.0 3758.4kN =7516.8kN : Ncr故桩身稳定性满足要求。(2)桩身材料强度的验算由初拟方案得 e0 =141mm ； as =90mm ； rs = 540mm; g =0.9配筋率 J = =18 31弩=0.005 =:皿山=0.005A 1.13X10按偏心受压构件计算，查手册得公式Nd EAr2fcd C”fsd0Nde0 _Br3fcd D Tgrf在弯矩作用平面内Bfcd +DPgfsd11.5B+DX0.005 X0.9 X195 “cceb-

18、r600Afcd +C PfsdAX11.5 +C X0.005 沃 1956900B526.5D11.5A 0.975C仍然采用试算法ABCDg0.872.33420.51911.91490.9397141.9由计算表可见，当=0.87时，e0 =141.9mm，与设计的 d =141mm接近，故取之计算。= Nu 二 Ar2 G C A2 fsd =2.3342 6002 11.5 1.9149 0.005 6002 195=10335.7 kN 0Nd =3758.4kN=Mu =Br3fcd - D ?gr 3fsd 0.5191 600 311.5 0.9397 0.005 0.9

19、600 *95=1467.6 kN m 。儿仓=469.8kN m故桩身强度满足规范要求。13. 群桩基础承载力验算基础底部无软弱下卧层，故不需考虑软弱下卧层强度验算。在本例中桩间中 心距I =2.5 ：:6d =6.0，故按照规范要求需要进行桩底持力层承载力验算。查手册知：摩擦型群桩基础当桩间距小于6倍桩径时，将桩基础视为实体基础，认为桩侧外力以；：/4角向下扩散，按下列公式计算：桩底实体矩形基础的尺寸b =4.2 亠2 9.8 tan40=7.6; a= 7.2 亠2 9.8 tan40=10.6A=a：b=7.6 10.6= 80.6& =4;心=10； A =80.6 _6 1.13=

20、73.83= 21.3kN/m73.8 9 22 73.8 0.8 17.5 6 1.13 9.8 1480.648吒aBT+AsWhJXI-l；o b% 血-2)2(h-3)(相关系数查规范)=500 4 12 (7.6_2) 10 11.5 ( 10.6 _3) =1642.8kPa_BL h NeA=；max = I * h(1)AAW4.5 8 22 1.7 116280.52 80.6、=21.3 9.8 1.7 22(1)80.680.672.25=457.4kPa ：匕h i l-1324.5kPa故桩底平面处最大压应力满足要求。14. 桩基沉降量验算当桩的中心距大于6倍桩径的摩

21、擦型群桩基础，可以认为其沉降量等于同样 土层中静载试验的单桩沉降量。本例将桩基看做实体基础考虑，采用分层总和法 计算沉降量。规范规定墩台基础沉降量应满足S 乞2.0 .LS墩台基础的均匀沉降值；L 相邻墩台间的最小跨径长度，本例取30m。由于桩基底部为密实夹卵石层，按一般工程查规范可以不计算基地沉降 量，现暂时取压缩模量Esi =70MPa。分布在基地为梯形荷载二 max =457.4kPa_丄咛 BL?h丄NeA匚min I h(1) =290kPaA AW将它看成290kPa的均布荷载及最大值为167.4kPa的三角形荷载，分层厚度h 兰 0.4b =4.3，取 h=2m。(1)均布荷载下

22、计算中心点下各层面处的自重应力在基底 8m处= 0.13 空 0.2二 54.8二=425.4.Zn =10m所以将土层分为4层，0-2, 2-4, 4-6, 6-8,卜0 =290kPa，；2 =221.7kPa，；4 =120kPa ；-6 =67.6kPa，;r8 =42kPac0_2 =255.9kPa，64 =170.8kPar4J =93.8kPa，；6&=54.8kPa计算最终沉降量2 =0.0164m_ 255.9 -170.8 93.8 - 54.8-70000（2）三角形荷载下在4m处,337.4Zn =4m二=（2心 收心2Kc）p/2 ,心、Kt2、心为均差系数表。bo

23、 =83.7KPa,”-2 =64KPa,”_4 =34.6kPa |二0 2 = 73.8 KPa, G =49.3kPa计算最终沉降量S2 二73.8 49.3700002 =3.5 103m综合1, 2s =s +S =0.02m 兰2.0兀=0.109m即桩底沉降量满足规范要求。四、承台的验算与设计前面已述及承台的构造验算，为方便起见，这里引用第二篇初拟方案中的尺寸。根据板式刚性承台板的受力特性，于承台底部高出承台板地面约 15cm处设 置一层钢筋网，网孔为100mmx 100mm,钢筋直径采用 T2mm。承台的顶面和 侧面应设置表层钢筋网，每个面在两个方向的截面面积均不宜小于 400

24、mm2/m, 钢筋间距不应大于400mm,本例按250mmx250mm布置，钢筋为12mm。基桩与承台的连接用桩顶主筋伸入承台，桩身嵌入承台的深度为 100mm； 伸入承台内的桩顶主筋做成喇叭形（与竖直线倾斜 15）。伸入承台主筋为带肋 钢筋18mm，伸入长度650mm。箍筋间距采取160mm，10mm钢筋。1.桩顶处的局部受压验算桩顶作用于承台混凝土的压力，如不考虑桩身与承台混凝土间的粘着力， 局部承压时按下式计算BAA迟m沁=3 3 25 WOO 032kN m1.54Pj =托0枢 YsiPi=1.0X0.8X1.2X2892.9 =2777.2kN故桩顶处的局部受压验算满足要求。2.桩

25、对承台的冲剪验算桩顶到承台顶面的厚度t。，应根据桩顶对承台的冲剪强度，按下式近似计算确定Ac =1.13; R? =25MPa ; 4= 1.54Pt0 _u r由于基桩伸入承台较短，在承台的布置范围不超过墩台边缘以刚性角向外扩 散范围，可不验算桩基对承台的冲剪强度。3.承台抗弯及抗剪强度验算承台应有足够的厚度及受力钢筋以保证其抗弯及抗剪切强度。承台在桩反力作用下，作为双向受弯构件尚无统一验算方法， 本例采用的承台内力在两个方向 上分别进行单向受力的近似计算方法。（1）承台抗弯验算承台最大弯矩将发生在桩底边缘截面按单向受弯计算，该截面弯矩计算公式为M aFSP 1JM B _B 二 m2 S P 21x 1 MRabx（h0 -一）RGAg（h0 - ag）c2 s由于本例中群桩的投影面均在墩身投影面内， 所以最大弯矩很小，在构造钢 筋下自然满足抗弯要求。（2）承台抗剪切强度验算跟上面验算同样的道理，群桩的投影面均在墩身投影面内（几乎重合），所以不会产生较大的剪力，只需在承台顶面配置构造钢筋网，见构造图及第二章中 的文字描述。4. 承台悬臂“撑杆-系杆”模式计算配筋承台短悬臂下面没有基桩，基桩全在墩身的投影面内，所以短悬臂只受自身 重力。本例只配置构造钢筋网，见构造图及第二章配筋描述。