桩基础课程设计范例

目录1.设计资料11.1 地质及水文1111河床土质：11.12水文11.2土质扌旨标11.3桥墩、桩、承台尺寸与材料11.4荷载情况12单桩容许承载力的确定及验算23 .桩顶及最大冲刷线处荷载Pi、Qi、Mi及PO、Q0、M0的计算331桩的计算宽度 b1332桩的变形系数43.3桩顶刚度系数p 1、p 2、p 3、p 4值计算4ab3.4计算承台底面原点0处位移a 0、o、 o 5P Q M3.5计算作用在每根桩顶上的作用力P、Qi、M i 53.6计算最大冲刷线处桩身弯矩M o，水平力°0,及轴向力Po 6Mz4 .最大弯矩M max及最大弯矩位置Mmax的计算 65. 桩在最大冲刷线以下各截面的横向土抗力计算 76. 桩顶纵向水平位移验算 87桩身截面配筋计算 97.1计算偏心距增大系数97. 2计算受压区高度系数1073计算所需纵向钢筋的截面积11 74对截面进行强度复核12741在垂直与弯矩作用平面内12742在弯矩作用面内12 8承台结构设计计算14 81桩顶处局部受压验算14 82桩对承台的冲剪验算15 83承台受弯、抗剪承载力计算15 9群桩基础验算15 91群桩基础承载力验算15 10参考文献161计资料1.1.地质及水文1.1.1. 河床土质：地基土为灰色淤泥质粘土，地基土容许承载力 0=200 KPa。1.1.2. 水文：地面(河床)标高为-2.00 m,高水位3.80m，低水位2.00m，最大冲刷线标高为-4.00m ,一般冲刷线标高为-2.00m。1.2.土质指标类型地基系数m(KN/m4)极限摩阻力T(KPa)内摩擦角巾重度(KN/m3)内聚力(KPa)淤泥质粘土30003516°17.9121.3.桥墩、桩、承台尺寸与材料桥墩横向宽为8.10m；纵向宽为1.60m墩顶标高为7.028m；墩身高为3.80m。规范规定：钻(挖)孔灌注的摩擦桩中心距不得小于2.5 倍成孔直径，所以取：承台尺寸：9.5mX4.5mX2.0m。(1) 拟定采用八根桩，设计直径为1.0m。(2) 桩身及承台混凝土用C25号，其受压弹性模量Eh =2.9X107Kpa。受弯弹性模 量 E=1.93X 107Kpa(3) 平面布置图如下图 1 所示：平面布置图如下图 1 所示：950® O O O o o o oinol P50P50inn图 1 平面布置图(单位:厘米)1.4.荷载情况a) 上部为等跨 30m 的预应力钢筋混凝土简支梁桥，混凝土桥墩，承台顶面上纵横桥 向荷载为：何载方向竖向力N (KN)水平力H(KN)弯矩 M(KN m)纵向7880420.53019横向6100228.8770分析说明：由于纵向荷载比横向荷载大，出于安全角度考虑，荷载为纵向控制设计。b)桩(直径1.2m)自重每延米为qi J* y x &=n.78kN (已扣除浮力)兀 x (1.0)24_x 25 = 19.63kNc) 故,作用在承台底面中心的荷载力为:工 N=7880+(2.0X 4.5X9.5X25)= 10017.5 KN 工 H=420.5 KN工 M=3019+420.5X2.0=3860 KN md) 则拟定桩基础采用正循环旋转钻换浆法,为摩擦桩。2 桩容许承载力的确定及验根据公路桥涵地基与基础设计规范中确定单桩容许承载力的经验公式初步反算桩的长度，设该桩埋入最大冲刷线以下深度为h, 般冲刷线以下深度为h3,贝I：N=P =丄 UE i T + 入 mAo +K 丫 (h-3)h2i i0022N 二 10017.5 + (1.228 + 4)x 11.78 +1 x 11.78h 二 1313.77 + 5.89hh 82计算P时取以下数据：桩的设计桩径为1.0m，旋转钻成孔直径为1.04m,U=n X 1.04=3.27m,A=n X 1.042/4=0.849入=0.70, m=0.8, K=1.5,o =200kPa,0 2 0丫 二 17.9KN/m3,T =35 kPa。2P =1 X3.27XhX35+ 0.7X0.8X0.849X200 +21.5X17.9(h+2-3) = N= 1313.77+ 5.89hh所以，贝解方程得： h=19.2m现取h=20m，桩底标高为-24m，桩的轴向承载力符合要求。图 2 双排桩断面图 （ 单位: 厘米） （a ）横桥断面图 （ b ）纵桥断面图3及最大冲刷线处荷载气、Qi、叫及P0、Q0、叫的计算3.1.桩的计算宽度 b1b=KKKd1 f 0K=0.9K=l+l/d=2.0d=1.0f01 + d b 二 0.9 x x K x d 二 1.8K 1d又L = 1.5m ； h = 3(d +1) = 6.0m； n=2 ； b'=0.6 又有L =1.5 < 0.6 h =3.6m故 K= b' +(1 b')xL = 0.6+(1 - °.6)X 15 =0.7670.6 h0.66.01/.b =0.9X2.0X0.767X 1.0=1.38m13.2桩的变形系数a:mba = 515 El最大冲刷线以下m=3 x 103 KN/ m 3I=n d4/64=n X 14/64=0.0491m4受弯构件：E=0.67E=2.9hX107 X 0.67=1.943X107 Kpa3000 x1.38:0.67 x 2.9 x 107 x 0.0491 0.34心桩在最大冲刷线以下深度 h=20m。其换算深度则为h =a h =0.34X20=6.8 (>2.5)故按弹性桩计算33桩顶刚度系数p广p 2、p 3、p 4值计算1 0l =5.228mh=20m E =1/2 (钻孔桩)A=竺-=0.785 m 204Th=20m/ C =m h = 3000x20 = 6x104KN/m300(1.0 “ 160)+ 20 x tan242=11.32m 2按桩中心距计算面积，A0=于=491m2所以 A 二4.91m20C -1Pi _ i +ghr-0 +AE C A005.228 + - x 2020.785 x 2.9 x 10716 x 104 x 4.91一1 = 0.246 x 106 = 0.258EI又已知：h =ah =0.34X20=6.8大于4,所以取4l =a l =0.34X5.228=1.77800由h和厂查附表17、18、19,并用双内插法得：(h二7.1854，取4) 0X =0.23215 x =0.41505=1.02582Q ; m ; mP =a 3 EIx = 0.00912EI 2Qp =a 2 EIx = 0.0480EI3mp =aEI=0.349EI 4m3.4.计算承台底面原点0处位移a、b、00 0 0N 10017.54853.44b =0 np8 x 0.258EIEI1Np +px.2 = 8x0.349EI + 0.258EIx8x 1.252 = 6.017EI 4 1 ii=1np = 8x 0.00912EI = 0.0730EI2np = 8x 0.048EI = 0.384EI3(np )2 = (0.384EI)2 = 0.1475(EI )2 3a=0np + p41i=1np np + p22 H + np M 丿Yx.1 i=1丿6.017 EI x 420.5 + 0.384EI x 38600.0730EI x 6.017 EI - 0.1475( EI )2=13753.26EInp np + p2np M + np H2 -(nP )1Yi=n1x0.0730EI x 3860 + 0.384EI x 420.50.0730EI x 6.017 EI - 0.1475( EI) 21519.33EI(I6.6£) X 8 + 肖二 Xoe.EL IU 7 寸匚)X 寸 HTvys.oz寸H H"oo.oz 寸 H0S&SX8Hs s o g o ravHlxio.o.ixio :?s s o g o z zNNW 铝 刃寸 0.0 X、BZI6OOOH q d b dH 0 EE 6L 9C LN20C09LNfbLA、s缶 E.6Sxml+ls >寸寸.ys50 .7 0 -X 过沟OH( q x+ 9 d9E6.0HOF9.寸寸IX寸E.o0AESO-"-*/;/。-&寸d000 z z 0WNU-M7IH00ZZSXOS.ZS + I6.6ZTH s+ s0 0 00只dr长覆舉>*«叙綜罠feywM本9dss7 忘 n定 ZI00IH dd"忘.$8寸 ZOOIHoe.EL+u.e 寸匚)X 寸 H dudN4098EHWNW098T由 C二0.936及h = 6.8查附表13得:Q不 二 0.973max0.973Z 二 二 2.86 K = 1.651max 0.34MM 二 K x M 二 1.651x144.56 二 238.67KNmmac M 0a = 0.34a h 6.8 > 4M £ A + M Bz a m 0 m无量纲系数A及B由附表3、7查得，M值计算列表如下,m mzZZ=(£h =ah厶叭 o斗厘pa-MF-I.u匕陆00.6" 8010144. 56144. 560.5882352940. 26.'0.196960.9980630.41294118144.2796174.69251.176470580. 46. 80.377390.9861758.27345588142.5607200.83421.7647058820. 66. 80.529380. 95861*81.7425138.5767220.31922.94117647116. 80.723050.85089111.6474265123.0047234.65214.1176470591. 46. 80.764980.68694118.121911899.30405217. 4265.2941176471. 86. 80.684880.49889105.753529472.11954177.87316.4705882352. 26. 80. 53160.3202582.0852941246.29534128.38067.6470588242. &ZSs0.354580.1754654.7513235325.364580.11582fc.82352941236.'0.193050.0759529.8091911810.9793340.7885210.294117653. 56. 80. 050810.013547.8456617651.9573429. 80300411.7647058846. 80.000050.000090.0077205880. 013010.020731弯矩分布图:5在最大冲刷线以下各截面的横向土抗力计算aa 2g = Q zA + MzB zx b 0 x b 20 x1无量纲系数A及B由附表1、5查得，g值计算列表如下x xzxZi-aiAxBxLG002. 440661. 6210000.5882352940. 22.117791.290885.4786314.3144142489.7930451.1764705880. 41.802731.000649.3271686.68873245116. 01592.0588235290. 71.360240. 6388512. 316097.47313646419. 789222.94117647110.970410. 3611912. 552046.03589521218. 587944.4117647061. 50. 466140. 062889.0441291.57619434810. 620325.88235294120. 14696-0.075723.801791-2.5307344361.2710577.0588235292. 40. 00348-0.11030.108031-4.423771922-4. 315748.8235294123-0.0874-0.09471-3.39189-4.748135072-8. 1400210.294117653. 5-0.105-0.05698-4.75127-3.332701852-8.0839711.764705884-0.1079-0. 01487-5.58162-0.993978369-6. 5756土抗力分布图:6顶纵向水平位移验算桩在最大冲刷处水平位移x和转角000由 Z 二 0 h =a h =0.34X20=6.8 查附表 1, 2, 5, 6 得A 二 2.44066xA =1.62100eB = 1.62100xB = 1.75058ex=2 A + 工 B0 a 3 EI x a 2 EI xx 2.44066 +x1.6210052.500.343 x 1.943 x 107 x 0.0491144.560.342 x 1.943 x 107 x 0.0491=5.54 x 103 m = 5.54m m(6mm满足要求-A + 竺 Ba 2 EI e aEI e52.500.342 x 1.943 x 1010 x 0.0491x (1.62100)144.560.34 x 1.943 x 107 x 0.0491x (1.75058)= 1.552x103radQl303EI52.50 x 5.22833 x 1.943 x 107 x 0.0491= 2.621x103mM = 129.91kN mMl2x =0-m 2EI129.91x 5.22822 x 1.943 x 107 x 0.0491= 1.861x103 m所以，桩顶纵向水平位移x = x e l + x + x100 0 Q m= 5.54 x103 +1.552x103 x5.228+2.621x103 1.861x103= 14.41mm水平位移容许值二 0.5、沅=0.530 = 27.4mmX = 14.41mm 27.4mm符合要求7桩身截面配筋计算及其承载力复合7.1.计算偏心距增大系数 最大弯矩截面发生在最大冲刷线以下 Z=2.86m 处，此处设计最大弯矩为M = 238.67kN m ，设计最大竖向力jN 二 1803.73 + 0.5x2.86xll.78-0.5x35“ x1.04x2.86二 1657.13kN j现拟定采用C25号混凝土，HRB335级钢筋，f二11.5MPa f二280mpa cd sd二 0.14mM - 238.67 1657.13j又因为ah = 6.284.0，故桩的计算长度为：4.04.0l 二 0.5(1 +)二 0.5(5.228 +)二 8.5mp 0 a0.34l长细比-p = 85 > 7m，故考虑纵向弯曲对偏心距的影响。d.取 g=0.87r = 0.87 x 500 = 435mmgd = r + r = 435 + 500 = 935 0ge140:=0.2 + 2.7 = 0.2 + 2.7= 0.604< 1.0 所以取 0.6041 d9350l8500:=1.15-0.01+ = 1.15-0.01= 1.065 > 1.0 所以取 1.02 d1000=1卜 1 =1400（e / h ）、1 x1400（140/935广00r8500丫.00 丿x0.604x1.0=1.024ne0=1.024x140=143.36mm7.2 计算受压区高度系数cd xfsdBr - A（ne ） = 11.5 xCGe ）- Dg r= 280 乂 0B x 500 - A x143.36C x 143.36 - D x 0.87 x 5005750B -1648.64A40140.8C - 121800DN = Ar2f + Cpr2f = Ax(500x11.5 + Cpx(500)x280 = 2875000A + 7x10?Cp ucdsd以下采用试算法列表计算，各系数查结构设计原理附表 1-11ABCDpNu(N)Nj (N)Nu/Nj0. 641. 61880. 66610. 73731.6763-0.006651814310743.42816571302. 6013310. 651.65080. 66510. 8081.6343-0.0066181964371724. 84416571302. 638130. 661.68270. 66350. 87661.5933-0.0065519974435718. 85116571302. 6767480. 671. 71470. 66150. 9431.5534-0.006453214503786.11916571302. 7178230. 681.74660. 65891.00711. 5146-0.0063113144576546. 32616571302. 761730. 691.77840. 65591.06921.4769-0.0061290554654177. 02116571302. 8085770. 71. 81020. 65231.12941.4402-0.0058913674738565.33516571302. 8595010. 711. 8420. 64831.18761.4045-0.0055992514830273. 07716571302. 9148430. 721.87360. 64371. 2441.3697-0.0052387764930407. 37316571302. 9752690. 731.90520. 63861.29871.3358-0.0048020545040900.10316571303. 0419460. 741.93670. 63311.35171.3026-0.0042855455162518. 48216571303. 1153370. 751.96810. 62711. 4031.2706-0.0036685395298000. 28916571303. 1970940. 761.99940. 62061.45291.2392-0.002938645449406. 49216571303. 288460. 772. 03060. 61361.50131.2086-0.002075725619835. 49116571303. 3913060. 782. 06170. 60611.54821.1787-0.0010571645812818.45616571303. 5077620. 792. 09260. 59821.59381.14960.0001353686031327. 49816571303. 6396220. 82.12340. 58981.63811.12120.0015446416281894. 32416571303. 7908280. 812.1540. 5811.68111.09340.0032029716569666. 07416571303. 9644840. 822.18450. 57171.72281.06330.0052054876908198. 38516571304. 1687730. 832. 21480. 5621.76351.03980.0075172377295515. 27916571304. 40250. 842. 2450. 55191.80291. 01390.0103235347757235. 95916571304. 6811270. 852. 27490. 54141.84130. 98860.0137083458307219. 82216571305. 013016由计算表可见不存在*使得Nu与设计值N相近。所以应该按构造进行配筋设计。7.3 计算所需纵向钢筋的截面积取最小配筋率P = 0.005所以 A = px r 2 = 3925mm2s选用 1钿 20 A = 4396mm2s4 Axd 24 x 43963.14 x 10002=0.56% > 0.5%箍筋选用°10取 g=0.87r = 0.87 x 500 = 435mm a = r 一 r = 65mmg g g混凝土净保护层厚度c = 65 - y = 55mm > 50mm，符合规范要求布置如图 3 所示图 3 钢筋布置示意图(尺寸单位：除钢筋为毫米外其余为厘米) 纵向钢筋间距为：2兀 x 435-22.7 = 172mm > 80mm符合规范要求147.4 进行强度复核由前面的计算结果，耳e = 143.36mm, a = 65mm, r = 435mm g = 0.87 0sg7.4.1 在垂直于弯矩作用平面内长细比l0 = 8.5 > 7，查结构设计原理附表1-10有稳定系数= 0.98 d混凝土截面面积，A = 785000mm2h4实际纵向钢筋面积 A = 4396mm2s则在垂直于弯矩作用平面内的承载力为N = 0.9申 j A + f 'A)u cd c sd s=0.9 x 0.98 x(11.5 x 785000 + 280 x 4396)= 9047.89103N = 9047.89KN > Nj =1657.13KN7.4.2 在弯矩作用平面内/、Bf + Dpgf11.5B + 0.0056 x 0.87 x 280D “c(ne ) = cd金-r =x 500o Af + Cpf11.5 A + 0.0056 x 280Ccdsd_ 5750B + 682.08D 11.5 A + 1.568C以下采用试算法列表计算，各系数查附表得：ABCD滋©如畸(mm)隔）/唱0. 71. 81020. 65231. 12941.4402209.5366954143. 361. 4616120. 711. 8420. 64831. 18761.4045203.3271633143. 361.4182980. 721.87360. 64371. 2441.3697197. 2814212143. 361. 3761260. 731.90520. 63861.29871.3358191.390693143. 361.3350360. 741.93670. 63311. 35171.3028185. 6768107143. 361. 2951790. 751. 96S10. 62711. 4031.2706130. 1017244143. 361.256290. 761.99940. 62061.45291.2392174. 6523826143. 361.2182780. 772. 03060. 61361. 50131.2086169. 3212603143. 361.1310910. 782. 06170. 60611.54821.1787164. 0977066143. 361.1446550. 792. 09260. 59821.59381.1496159. 0036366143. 361.1091210. 82.12340. 58981.63811.1212154. 0000523143. 361.0742190. 812.1540. 5811.68111.0934149. 1057584143. 361.0400790. 822.18450. 57171.72281.0633144. 2157993143. 361.005970. 832. 21480. 5621.76351.0398139. 5670417143. 360. 9735420. 842. 2450. 55191.80291. 0139134. 9296736143. 360. 9411950. 852. 27490. 54141. 84130. 9886130. 3803361143. 360. 909461由计算表可见，当£_ 0.82时，n e _ 144.216，与设计的n e _ 143.36很接近，故 00取s _ 0.82为计算值。在弯矩作用平面内的承载力为：Nu _ Ar2 f + Cp r2 fcdsd_ 2.1845 x 5002 x 11.5 +1.7228 x 0.0056 x 5002 x 280_ 6955.78 x 103N _ 6955.78KN > Nj _ 1657.13KNM _ f Br3+f Dp r2u cdsd_ 11.5 x 0.5717 x 5003 + 280 x 1.0633 x 0.0056 x 5002_ 822.23kNM _ 238.67kN mj即桩截面符合要求。8承台结构设计计算图 4 桩承台计算图（尺寸单位：厘米）桩与承台的连接采用桩顶主筋伸入承台的方法，伸入长度为1.2m,承台底部桩顶平面 上设置一层钢筋网，具体如上图。8.1.桩顶处局部受压验算P =丫 申 Y 丫 P = 1.0x1.0x1.2"803.73 = 2164.48KN js 0si i卩='匕=20.785A = 0.785cRj = 17500Kpaa丫 = 1.54m卩 A Rj / 丫 = 2 x 0.785 x 17500 一 1.54c a m二 17840.09KN > Pj满足要求8.2. 桩对承台的冲剪验算（取桩身伸入承台长度为 0.15m）t = 1.85m0u + uu =m2兀 xl.O + 兀(2x1.85xtan35o +1.0)=7.2075m2Rj = 4.2x103KN /m2 jP 2164.48 j 丫 =x 1.54 = 0.11 < t = 1.85mu Rj m 7.2075x4.2x1030mj.抗剪承载力满足要求。 8.3.承台抗弯、抗剪承载力计算由于墩在水平面上的投影与桩有接触，所以承台的抗剪及抗弯强度满足要求。9 桩基础验算9.1.群桩基础承载力验算桩距=2.5m小于6d=6m，所以需要进行群桩承载力计算 桩底持力层承载力计算b = B + 2l x tan = (4.5 - 2 x 0.5) + 2 x 22 x tan 一 = 6.58044a = l + 2l x tan = (9.5 - 2 x 0.5) + 2 x 22 x tan 一 = 11.58044b =c + K y (b - 2)+ K y (h - 3)h+l01 12 2b J = 200kpa, K = 0, K = 1.5,0 1 2h = 2 (24 ) = 22m, y = 17.9 KN / m3b = 200 + 0 +1.5 x17.9 x (22 3) = 710.15 KN h+l又因为8 = Yl +y h 畔 + N(1+ |A)品 AAWmaxh+l且 Y = 20KNN / mN = 7 8 8 0+ 9. x5M =3 8 6 0K N /m4x. 5 2x. 0 =2 5 1K0N0 1Me =0. 39NA= axb = 11.58 x 6.58 = 76.20m2L=9.5mB=4.5mh=l=22m=l47.06m3TI7 ab 26.58 xll.582W =6 6=598.03KN / m2c = 20 x 22 + 0 0 +max皿 x (1+ O"6'20)76.20147.06 = 710.15KN / m2h+l10 参考文献1 公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004) S.北京：中华人民共和国交通部发布, 2004.2 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)S.北京：中华人民 共和国交通部发布, 2004.3 公路桥涵地基与基础设计规范(JTGD67-2007) S.北京：中华人民共和国交通部 发布, 2007.4 叶见曙结构设计原理M.北京：人民交通出版社，19975 江祖铭，王崇礼墩台与基础M.北京：人民交通出版社，19946 凌治平，易经武主编，基础工程，北京：人民交通出版社， 19977 叶镇国.水力学于桥涵水文M.北京:人民交通出版社,1998