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铁路桥墩桩基础设计（基础工程课程设计）

基础工程课程设计
——铁路桥墩桩基础设计

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学 号：

目 录

第一篇 设计说明书……………………………………………………………2
第二篇 设计计算书……………………………………………………………3
一、 收集资料…………………………………………………………………3
二、 拟定尺寸…………………………………………………………………5
三、 承台底面形心处的位移计算 ………………………………………7
四、 墩身弹性水平位移δ的计算………………………………………11
五、 桩基检算 ………………………………………………………………13
六、 电算结果 ………………………………………………………………19

第一篇 设计说明书
1. 铁路桥墩桩基础设计中所依据规范有
《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB1002.5
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》TB1002.3-99
2．铁路桥墩桩基础设计内容及步骤
①收集资料
②拟定桩的尺寸及桩数
③承台底面形心处的位移计算
④墩身弹性水平位移计算
⑤承载力、位移、稳定性、抗裂性检算及桩身截面配筋设计
⑥绘制桩基础布置及桩身钢筋构造图
3. 设计方案
线路为双线、直线、坡度4‰、线间距5m，双块式无碴轨道。桥跨31.1m，采用桩基础，蹲下设八根桩，设计直径为1.25m，成孔直径为1.28m，钻孔灌注桩，用旋转式钻头，桩身采用C25混凝土，桩长42m，粗砂层为持力层，桩底标高为-8.69m。地基容许承载力[σ]=644kPa，单桩轴向受压容许承载力[P]=4048.52KN，对于主力加附加力[P]乘以1.2的提高系数。
桩顶和承台连接为主筋伸入式，桩顶深入承台0.1m。桩身对称布置20根Φ20的光圆钢筋，钢筋总长15m，深入承台0.9m。箍筋用Φ8@200mm，且沿钢筋笼方向，每隔2m设一道骨架钢筋和定位钢筋，均为Φ18的一级钢。

第二篇 设计计算书
一、收集资料
㈠ 设计资料
1、 线路：双线、直线、坡度4‰、线距5m，双块式2无石渣轨道及双侧1.7m人行道，其重量为44.4kN/m。
2、 桥跨： 等跨L=31.1m无渣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0.09。
3、 建筑材料：支撑垫石、顶帽、托盘采用C40钢筋混凝土，墩身采用C30混凝土，桩身采用C25混凝土。
4、 地质及地下水位情况：

标 高

地质情况
厚度

标 高

地质情况
厚度

36.79~36.29
耕 地
0.5
-3.51~-12.31
粗砂(中密)
8.8
36.29~30.79
软塑
砂粘土
5.5
-12.31~-22.31
中砂(中密)
10.0
30.79~21.29
粉 砂
9.5
-22.31~-29.31
砾砂(中密)
7.0
21.29～19.89
淤泥质
砂粘土
(松软)
1.4
-29.31~-46.31
硬塑粘土
17.0
19.89～-3.51
细砂
(中密)
23.4

土层平均重度γ=20KN/m3，土层平均内摩擦角Φ=28°，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所示(单位：cm，标高：m)。
590
60
¢ñ
130
185
185
130
60
45
270
45
360
750
20
60
20
60
250
1200
150
60
40
241
638
241
166
368
166
20
320
20
166
184
184
166
700
241
319
319
241
1120
¢ñ
50:1
50:1
33.31
35.81
47.81
50.31

图1 桥墩及承台尺寸示意图
㈡ 设计荷载：
1、承台底外力合计：
双线、纵向、二孔重载：
N=18629.07kN,H=341.5KN,M=4671.75kN.m;
双线、纵向、一孔重载：
N=17534.94kN,H=341.5kn,M=4762.57kN.m
2、墩顶外力：
双线、纵向、一孔重载：
H=253.44KN,M=893.16KN.m
二、拟定尺寸
1、桩身采用C25混凝土。
2、设计桩径采用d=1.25m，成孔桩径为1.28m,钻孔灌注桩，采用旋转式钻头。
3、画出土层分布图，选用粗砂层为持力层，桩端进入持力层的临界深度为1.5d=1.5m，即桩端进入持力层要大于1.5m，从承台底面到细沙层底部深度为36.82m，则取桩长l=42m。桩底标高-8.69m，进入持力层5.18m。
4、估算桩数：（按双孔重载估算）
估算公式：

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，
∴
查《铁路桥规》得，地基的基本承载力,取密实砂，，深度修正系数
∴
钻孔灌注桩桩底支撑力折减系数：
各土层的极限承载摩阻力：
软塑砂粘土：
粉砂：
淤泥质砂粘土：
细砂：
粗砂：
∴单桩的轴向受压容许承载力：
取，则估算桩数：
，暂取6，验算后作必要调整。
5、桩在承台底面的布置
查《铁路桥规》，当时，最外一排桩至承台底板边缘的净距不得小于0.3d（设计桩径）且不得小于0.5m，且钻孔灌注摩擦桩中心距不应小于2.5成孔桩径，满足桩间距和和承台边到桩净距的前提下得到桩在承台底面的布置情况，如下图（单位：cm）：

6、桩与承台连接方式
采用主筋伸入式，桩伸入承台板内10cm，具体配筋见后面详述。
三、承台底面形心处的位移计算
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，桩为圆形且d > 1m. 所以

∴，其中
因此，
（2）计算基础变形系数α

，
∴

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m的换算公式为：
其中， ，则

∴
而，则桩为弹性桩，假设成立。
3、计算单桩桩顶刚度

其中，

∴
∴
又，查表有，
∴

4、计算承台刚性系数

对于低承台桩基，承台完全处于软塑砂粘土中，因此，承台的计算宽度为：
，
∴

5、计算承台底面形心处的位移a，b，β
桩基为竖直桩基，桩群对称布置，，则有：

由上式得承台形心位移：
① 荷载情况1—双线、纵向、二孔重载：

② 荷载情况2—双线、纵向、单孔重载：

四、墩身弹性水平位移δ的计算
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，再求和即可得到托盘底面所受的总弯矩。
1、和纵向风力引起的力矩：
墩冒所受风力：
托盘所受风力：
墩身风力：

风力合力作用点位置距长边的距离为y，梯形形心轴距长边的距离公式为：
，其中a为长边，b为短边，h为梯形高
计算得：，，
将墩身分成四段，利用几何关系分别求出边长及中线长，如下图：

风力及截面弯矩值计算表
对各截面弯矩
M（KN·m）
水平力(KN)
托盘顶0
托盘底1
2
3
4
墩底5
墩顶水平力
152.064
532.224
1292.544
2052.864
2813.184
3573.504
墩帽风力

1.08
6.48
17.28
28.08
38.88
49.68
托盘风力

6.029
29.429
52.829
76.229
99.629

墩身
风力

21.384
64.296
107.208
150.120

21.815
65.591
109.367

22.246
66.886

20.240
墩顶弯矩
893.16
893.16
893.16
893.16
893.16
893.16
总计
1046.304
1437.893
2253.797
3113.044
4016.498
4962.586
2、墩顶水平位移计算
注：墩帽托盘 C40：，墩身 C30：

墩冒
969.732
0.6
0.3
29.160
7.5816E+08
2.302E-07
托盘
1242.099
1.5
1.35
17.7493
4.6148E+08
5.450E-06
1-2段
1845.845
3
3.6
17.2075
4.1298E+08
4.827E-05
2-3段
2683.421
3
6.6
19.5646
4.6955E+08
1.133E-04
3-4段
3564.771
3
9.6
22.1521
5.3165E+08
1.931E-04
4-5段
4489.542
3
12.6
24.9839
5.9961E+08
2.830E-04
总计

6.434E-04
表中，：分段高度，：分段中线到墩顶铰支座距离，

五、桩基检算
1、单桩承载力检算（按双孔重载计算）

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
其中，，故单桩轴向受压承载力满足要求。
2、群桩承载力检算（按双孔重载计算）
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（如左图），底面尺寸：

桩自重：
桩侧土重：
承台重：
承台部分土重：

3、墩顶水平位移检算（按一孔重载）
墩高：
则墩顶位移

4、结构在土面处的位移（按一孔重载）
在《桥规》中查m、m0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“m”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m法直接查表计算
5、桩身截面配筋设计（一孔重载）
（1）桩身弯矩计算

∴任意深度z处桩身截面弯矩：

列表计算如下：

0.00
0.00
0.000
1.000
0.000
23.18
23.18
0.20
0.57
0.197
0.998
10.827
23.14
33.96
0.40
1.13
0.377
0.986
20.719
22.86
43.58
0.60
1.70
0.529
0.959
29.073
22.23
51.31
0.80
2.26
0.646
0.913
35.503
21.17
56.67
1.00
2.83
0.723
0.851
39.735
19.73
59.46
1.20
3.39
0.762
0.774
41.878
17.94
59.82
1.40
3.96
0.765
0.687
42.043
15.93
57.97
1.60
4.52
0.737
0.594
40.504
13.77
54.28
1.80
5.09
0.685
0.499
37.646
11.57
49.22
2.00
5.66
0.614
0.407
33.744
9.44
43.18
2.20
6.22
0.532
0.320
29.238
7.42
36.66
2.40
6.79
0.443
0.243
24.346
5.63
29.98
2.60
7.35
0.355
0.175
19.510
4.06
23.57
2.80
7.92
0.270
0.120
14.839
2.78
17.62
3.00
8.48
0.193
0.076
10.607
1.76
12.37
3.50
9.90
0.051
0.014
2.803
0.32
3.13
4.00
11.31
0.000
0.000
0.000
0.00
0.00
由表知：

（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：，（为变形系数）
主力+附加力，所以K=0.6
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20φ20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900mm,主筋应配到4/α处以下2m处（约为13.31m）,取其长度为14m，则主筋总长为15m。箍筋采用Φ8@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。顺钢筋笼长度每隔2m在四个节点处加四个定位钢筋，直径为Φ18。
桩身截面配筋如设计图纸。
（4）判断大小偏心
取n=15
换算截面面积：
换算截面惯性矩：

核心距：
故属小偏心构件
（5）应力检算
小偏心构件，全截面受压，则

应力合格
（6）稳定性检算
桩计算长度
查《混凝土结构设计原理》表11-4得Φ=1.0，查表11-3得m=12.4
则稳定性满足要求
6、单根桩材料表
（1）钢筋

直径mm
根数
单根长m
单重kg/m
总长m
总重kg
受力纵筋
20
20
15
2.47
300
741
环向箍筋
8
75
2.76
0.395
207
81.765
骨架钢筋
18
7
6.14
2
42.98
85.96
定位钢筋
18
28
0.424
2
11.872
23.744

总
932.469

（2）混凝土

等级
直径m
长m
体积
桩
C25
1.28
42
54.045

六、电算结果
1、电算输入文件
2 6 2
0 0.5 3.1 28000000
5000 28 0.5
8000 28 5.5
8000 28 9.5
4000 28 1.4
15000 28 23.4
25000 28 8.8
4 1.25 1.25 0 42 0 -2.25
4 1.25 1.25 0 42 0 2.25
3.48 11.2
0 0 0
341.5 17534.94 4762.57
341.5 18629.07 4671.75
**************************************************
* 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= 3.10(米) 桩材砼弹性模量 E= 0.2800E+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. 28.0 0.50
8000. 28.0 5.50
8000. 28.0 9.50
4000. 28.0 1.40
15000. 28.0 23.40
25000. 28.0 8.80

I IT D DB LO LI AH X
1 4 1.250 1.250 0.000 42.000 0.0000 -2.2500
2 4 1.250 1.250 0.000 42.000 0.0000 2.2500
承台埋入地面或局部冲刷线以下的深度： 3.5
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 0.0 0.0 0.0
2 341.5 17534.9 4762.6
3 341.5 18629.1 4671.8

**************************************************
* 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 LO2 LO3 LO4
1 0.353 1480959.50 125253.74 329182.72 1405956.38
2 0.353 1480959.50 125253.74 329182.72 1405956.38

承 台 刚 度 矩 阵
I K1 K2 K3
1 1574549.091687 0.000000 -1969339.527503
2 0.000000 11847676.000000 0.000000
3 -1969339.527503 0.000000 71321930.609031

*******************************
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(rad)
0.00 0.00 0.0000E+00

I= 1
第 1 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 0.00 0.00 0.000000
2 0.00 0.00 0.000000
3 0.00 0.00 0.000000

第 1 根 桩 桩 身 内 力
J H(m) My(kN.m) Qy(kN) dy(kN/m)
1 0.57 0.000 0.000 0.000
2 1.13 0.000 0.000 0.000
3 1.70 0.000 0.000 0.000
4 2.27 0.000 0.000 0.000
5 2.84 0.000 0.000 0.000
6 3.40 0.000 0.000 0.000
7 3.97 0.000 0.000 0.000
8 4.54 0.000 0.000 0.000
9 5.11 0.000 0.000 0.000
10 5.67 0.000 0.000 0.000
11 6.24 0.000 0.000 0.000
12 6.81 0.000 0.000 0.000
13 7.38 0.000 0.000 0.000
14 7.94 0.000 0.000 0.000
15 8.51 0.000 0.000 0.000
16 9.08 0.000 0.000 0.000
17 9.65 0.000 0.000 0.000
18 10.21 0.000 0.000 0.000
19 10.78 0.000 0.000 0.000
20 11.35 0.000 0.000 0.000

I= 2
第 2 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 0.00 0.00 0.000000
2 0.00 0.00 0.000000
3 0.00 0.00 0.000000

第 2 根 桩 桩 身 内 力
J H(m) My(kN.m) Qy(kN) dy(kN/m)
1 0.57 0.000 0.000 0.000
2 1.13 0.000 0.000 0.000
3 1.70 0.000 0.000 0.000
4 2.27 0.000 0.000 0.000
5 2.84 0.000 0.000 0.000
6 3.40 0.000 0.000 0.000
7 3.97 0.000 0.000 0.000
8 4.54 0.000 0.000 0.000
9 5.11 0.000 0.000 0.000
10 5.67 0.000 0.000 0.000
11 6.24 0.000 0.000 0.000
12 6.81 0.000 0.000 0.000
13 7.38 0.000 0.000 0.000
14 7.94 0.000 0.000 0.000
15 8.51 0.000 0.000 0.000
16 9.08 0.000 0.000 0.000
17 9.65 0.000 0.000 0.000
18 10.21 0.000 0.000 0.000
19 10.78 0.000 0.000 0.000
20 11.35 0.000 0.000 0.000

*******************************
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)
0.31 1.48 0.7537E-04

I= 1
第 1 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 0.31 0.31 14.163336
2 1.31 1.31 1940.732059
3 0.08 0.08 3.537224

第 1 根 桩 桩 身 内 力
J H(m) My(kN.m) Qy(kN) dy(kN/m)
1 0.57 11.444 13.498 2.228
2 1.13 18.652 11.764 3.776
3 1.70 24.661 9.332 4.699
4 2.27 29.172 6.535 5.076
5 2.84 32.061 3.657 5.004
6 3.40 33.349 0.923 4.584
7 3.97 33.168 -1.500 3.923
8 4.54 31.727 -3.501 3.117
9 5.11 29.285 -5.026 2.253
10 5.67 26.117 -6.061 1.401
11 6.24 22.496 -6.628 0.614
12 6.81 18.675 -6.776 -0.074
13 7.38 14.875 -6.566 -0.645
14 7.94 11.279 -6.067 -1.095
15 8.51 8.033 -5.345 -1.434
16 9.08 5.246 -4.458 -1.679
17 9.65 2.997 -3.453 -1.853
18 10.21 1.343 -2.364 -1.981
19 10.78 0.326 -1.210 -2.085
20 11.35 -0.020 0.000 -2.180

I= 2
第 2 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 0.31 0.31 14.163336
2 1.65 1.65 2443.002941
3 0.08 0.08 3.537224

*******************************
荷载类型NP= 3 (双孔重载)
*******************************

承 台 位 移
水平位移(毫米) 竖向位移(毫米) 转角(rad)
0.31 1.57 0.7405E-04

I= 1
第 1 根桩的桩顶位移
J A1(J) A2(J) P2(J)
1 0.31 0.31 14.390883
2 1.41 1.41 2081.893195
3 0.07 0.07 2.225895

第 1 根 桩 桩 身 内 力
J H(m) My(kN.m) Qy(kN) dy(kN/m)
1 0.57 10.262 13.729 2.220
2 1.13 17.602 11.999 3.769
3 1.70 23.746 9.569 4.698
4 2.27 28.391 6.771 5.085
5 2.84 31.412 3.885 5.022
6 3.40 32.826 1.137 4.613
7 3.97 32.761 -1.304