哈工大桥梁基础工程课程.doc

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1、目录一、哈尔滨工业大学课程设计任务书 .2二、地基和基础的方案比较. 4三、高承台桩基的设计与计算. 53.1桩基的设计53.2桩的设计.93.3单桩桩顶所受外荷载计算.113.4验算.20一、哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 任务起至日期：2012年11月26日 至2012年11月30日 课程设计题目：某公路桥B号桥墩的基础与地基设计工 程 概 况本设计对象为某I级公路干线上的桥梁，该桥由5跨30m预应力钢筋混凝土梁组成，桥墩为混凝土实体桥墩，该桥位于直线平坡段上，与河流正交，该地区无流冰及地震，该河道不通航。该桥梁的上部结构及桥墩部分设计已经完成，本

2、课程设计的任务是完成B号桥墩基础与地基的设计与检算。墩帽尺寸简图及墩身坡度见图1。图1 墩帽尺寸 （单位：cm）墩帽宽=3.2m；墩帽长b=8.7m；墩帽厚d=0.52m墩身坡1:m=1:20，墩帽顶面标高145.32m。工程地质和水文地质表1 土的物理力学性质表土层编号土的名称土层顶面标高(m)土层厚度(m)饱和容重相对密度Dr土的状态# 1细砂130.03.519.530.35中密# 7粉砂126.54.519.010.52中密# 3中砂122.019.660.40中密续表2 土的物理力学性质表土层编号土的名称内摩擦角粘聚力C(kPa)m kN/m4基本允许承载力fa0 ( kPa )侧摩

3、阻力标准值qik（kPa）# 1细砂40/1500027050# 7粉砂33/1600019050# 3中砂45/2000037060 水文情况：高水位：142.0m 施工水位：132.0m 常水位：132.0m一般冲刷深度：河底以下1.60m 局部冲刷深度：河底以下5.30m荷载情况上部结构为30 m预应力钢筋混凝土梁，桥面净宽7m20.75m，设计汽车荷载为公路I级，人群荷载标准值为3.0kN/m2。因桥墩为实体墩故不计冲击力，同时因为线路为直线也不计离心力。以顺桥向计算为主，计得至墩台顶的各作用标准值见表3。表3 墩台顶各作用标准值荷载情况P/kNH/kNM/(kNm)结构重力(两跨)2

4、700.00.00.0汽车双列双孔1302.00.0336.0人群双孔135.00.00.0汽车双列单孔987.00.0493.5人群单孔67.50.033.8单孔制动力0.0165.00.0风压强度：1.25kPa。设 计 要 求1综合分析设计资料，对三种常用的桥梁基础类型（刚性扩大基础、桩基础和沉井基础）的技术合理性进行比较（限于课时，本次课程设计不考虑造价因素），选择较为合理的基础方案。2对选定的基础方案进行详细设计。3将以上全部成果整理成设计计算说明书和设计施工图。二、地基和基础的方案比较 基础类型方案比较浅基础浅基础一般埋深较浅，且基础侧面土体的横向抗力很小而可以忽略不计，对浅层土质

5、的要求较高。然而在本设计资料中，浅层土体承载力较低。故不适用。低承台桩基低承台桩基稳定性好，但在水中施工难度大，适用于季节性河流或冲刷深度较小的河流，有利于提高基础的稳定性。高承台桩基高承台桩基适用于常年有水，水位较高，冲刷深度大且施工时不易排水的河流，施工较低承台桩基方便，然而在稳定性方面不如低承台桩基。由于该河道不通航，无流冰。故此处比较选择高承台桩基。沉 井深井适用于地基深层土的承载力大，而上部土层比较软，易于开挖的地层。但由于沉井在下沉过程中，在穿过地下水位以下的细、粉砂层时，大量砂土涌入井内，使沉井倾斜，对沉井的施工造成困难。对于本铁路桥梁基础而言，沉井基础施工不易，性价比过低。故不

6、适用。三、高承台桩基的设计与计算3.1桩基的设计（一）承台尺寸的确定1承台底面的标高：132.0.0m 对于高承台桩基，为了节省圬工或便于施工，可将底面标高放于施工水位以上。故此处，将承台底面的标高放于施工水位上。2承台高度的确定：选用C30混凝土，厚度选用2.0m。 承台板的厚度不宜小于1.5m，混凝土强度等级不得低于C25。3承台平面尺寸的确定：承台长为10.5m，宽为5.0m已知墩帽顶面标高为145.32m。墩帽的长为8.7m，宽为3.2m，墩身坡为1:20。承台底面标高为132.0m，承台厚度为2.0m。即承台顶面标高为134.0m。墩身高度为由此可计算得出，墩身底面长度为8.5+ 2

7、(10.8/20)=9.58m，宽度为4.08m。考虑到材料刚性角要求，选取墩底加襟边。故选取承台长为10.5m，宽为5.0m。（二）作用在承台底面重心处的荷载设计1主力：包括恒载（包括浮力）、活载、冲击力和离心力，因为桥墩为实体故不计冲击力，同时当线路为直线也不计离心力。垂直静载(结构重力+墩帽重+墩身重+承台重+承台台阶上土重)（1）结构重力：2700kN（2）墩帽重：333.32墩帽重 （3）墩身重： 墩身体积 其中，墩身顶部面积 墩身底部面积 故墩身体积 墩身重（4）承台重：2625 承台体积 承台重（5）承台台阶上土重： 因承台底面标高处于施工水位上，承台台阶上没有土层覆盖，故承台台

8、阶上土重为。浮力常水位时：承台处于水位线以上。故浮力高水位时：承台和部分墩身处于水位线以下。对于承台： 对于墩身：， 其中， ， 故 综上，活荷载一孔活载：车辆987.0kN ，人群67.5kN二孔活载：车辆1302.0kN , 人群135kN2附加力：制动力：165kN 风力（忽略横向风力，只考虑纵向风力）从不利荷载考虑，包括常水位和高水位时的风荷载：风压强度为：1.25kPa墩帽： 墩身：常水位时：整个墩身皆位于水平面以上，此时， 高水位时：承台风力： 3、作用力系表(考虑主力和纵向的附加力)承台底面重心处荷载组合计算表- 15 -表1承台底面重心处荷载组合计算表荷载类型双跨布载，高水位双

9、跨布载，常水位单跨布载，高水位单跨布载，常水位NH力臂MNH力臂MNH力臂MNH力臂M上部结构重力2700270013501350墩帽自重333.32333.32333.32333.32墩身自重7287.017287.017287.017287.01承台自重2625262526252625水浮力-3340.560000-3340.560000汽车荷载1302302.41302423.2987302.4987423.2人群荷载13513567.525.967.525.9制动力16513.722263.816513.722263.816513.722263.816513.722263.8风荷载墩帽

10、5.6513.0673.795.6513.0673.795.6513.0673.795.6513.0673.79墩身12.7412.9145.24122.038.71061.6612.7412.9145.24122.038.71061.66承台12.5112.512.5112.5短期效应组合N9312.8914623.89756.6911260.41H176.32245.26158.26251.33M589.681103.262106.973209.843.2桩的设计1、桩材选择：根据本工程的特点，选择钢筋混凝土钻孔灌注桩。2、桩径：初步选定桩径为1.0m，成孔桩径1.05m。3、桩长和桩数的

11、估算： 根据构造措施，钻孔中径不小于2.50m，边桩外侧距承台边缘的距离不小于0.5倍桩径。设置8根桩，行列式排列，布置图如下：该地基土由三层土组成，根据公路基规中确定单桩轴向受压承载力容许值的经验公式初步反算桩长。设该灌注桩局部冲刷线以下的桩长为良好地基，则由轴向受压承载力要求得：Ni为一根桩受到全部竖向荷载，桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力）的差值作为荷载考虑。采用正常使用极限状态的短期效应组合，各系数取值如下：桩身混凝土重度：每米桩重（考虑浮力）：上层土的有效重度为：中层土的有效重度为：底层土的有效重度为：桩身截面积为：桩的自由长度：桩顶标高-局部冲刷线标高=13

12、2-125.5=6.5m桩数：8当两跨布载，常水位时 当单跨布载，常水位时 为单桩轴向受压容许承载力的抗力系数，按公桥规基表5.3.7选用。因计算使用阶段，短期效应组合，荷载仅包括结构自重、汽车和人群荷载，所以，。为摩擦桩钻孔灌注桩的单桩轴向受压承载力容许值桩的设计直径d=1.0m,采用旋转钻施工，则（1） 桩周长：（2） 桩端面积：（3） 清底系数：（4） 修正系数，按，桩端为透水性土选用，=0.70（5） 为桩端土的承载力基本容许值，第三层土 （6） 为承载力容许值随深度的修正系数，中密中砂取（7） 为桩端至一般冲刷线各土层的加权平均重度，当持力层为透水性土时，水中部分土层取浮重度。近似取

13、#3号土的浮重度：（8） 为桩端的埋置深度，对有冲刷的桩基，埋深由一般冲刷线起算 （kN）当双跨，常水位时，由得求得当单跨，常水位时，由得求得桩总长：，取，即局部冲刷线以下桩长为，桩底标高107.0m。此时桩端处的承载力容许值为 由上式验算，可知桩的轴向承载力满足要求。3.3单桩桩顶所受外荷载计算1.桩的各参数确定（1）地基系数的比例系数m假设为弹性桩，局部冲刷线以下选取m值的计算深度hm为：桩间净距构件局部冲刷线以下的计算深度 在hm深度内有两层土时，应将两层土的比例系数换算成一个m值，作为整个深度的m值。 （2） 桩的计算宽度b1，故 。由于，所以故 ，要求满足：（3） 桩的抗弯刚度EI，

14、受弯构件2、桩的变形系数，按弹性桩计算。3、单位“力”作用局部冲刷线处，桩在该处变位（1）式中系数Kh：当桩底置于非岩石类土上，且h2.5，令Kh=0。（2）式中系数Ai、Bi、Ci、Di值，根据查表确定，当时，按查表确定。4. 单位“力”作用桩顶时，桩顶变位计算 5.桩顶发生单位变位时，桩顶产生内力计算（单桩桩顶刚度系数）。、 计算1已知条件：=0.5，L0=1.5m，h=19.7m，EA=且 D0=d+2Ltan(/4)=，则： ，故：=、 计算 桩底土受压面积6.承台发生单位变位时，所有桩顶对承台作用反力之和7.承台变位计算、 内力按承载能力极限状态下作用效应基本组合计算，除汽车荷载效应

15、外，还考虑人群荷载、汽车制动力、风荷载的可变效应。将汽车荷载作为最大的可变作用，即 8.任一桩顶分配的作用效应组合设计值，表2桥梁基础工程课程设计表2荷载形式承台底部中心荷载承台变位桩顶分配荷载NHMb0a00NimaxNiminHiMi短期效应组合双跨布载，高水位9312.89176.32589.680.0078950.0015790.00045312630.21001.26-35.367276.368单跨布载，高水位7566.69158.262106.970.0064480.0015790.00100812689.07321.08-131.579963.257双跨布载，常水位14623.8

16、9245.261103.260.012380.0032980.0007921025.6815730.68-51.0578398.357单跨布载，常水位11260.41251.333209.840.013020.0032980.00134521985.3513980.48-146.3891010.258基本组合双跨布载，高水位10987.26149.682536.270.009210.0009670.0008621598.6311258.37-121.699868.654单跨布载，高水位9835.60149.682538.260.008210.0009670.00086714598.579763

17、.25-122.415858.388双跨布载，常水位19012.25217.3631000.013020.0020760.00110326021.182001.35-128.987979.587单跨布载，常水位17835.98217.363124.050.013980.0020760.00110824256.361864.32-132.268967.354表3荷载形式校核承台底部中心荷载局部冲刷线处的内力和位移NHMN0maxN0min H0M0X00短期效应组合双跨布载，高水位9312.89176.32589.6812402.6810109.22-36.482438.44826-0.0164

18、70.001987单跨布载，高水位7566.69158.262106.9712496.627389.093-132.57793.98107-0.060220.007678双跨布载，常水位14623.89245.261103.2621060.2817057.93-50.942664.91198-0.022910.002662单跨布载，常水位11260.41251.333209.8421154.2214337.8-147.037120.4448-0.066660.008353基本组合双跨布载，高水位10987.26149.682536.2715887.0411543.06-122.61681.88

19、027-0.055740.007151单跨布载，高水位9835.60149.682538.2614347.189976.459-123.5382.40802-0.056150.007205双跨布载，常水位19012.25217.36310025803.7420237.18-135.335101.2057-0.061430.007785单跨布载，常水位17835.98217.363124.0524263.892414.450779-136.249101.7335-0.061850.007839- 22 -9.校核:各桩顶所分配的力总和是否等于承台底面所受力。10.计算局部冲刷线上的外力、11.局

20、部冲刷线处桩柱变位计算，表3 12.局部冲刷线以下深度z处桩身各截面内力Mz、Qz计算（基本组合）表4 局部冲刷线以下深度桩身各截面内力rzzA3B3C3D3Mz双跨，高水位单跨，高水位双跨，常水位单跨，常水位0.20.507614-0.00133-0.000130.999990.2000031.8701155.7914936.0152582.819970.41.015228-0.01067-0.002130.999740.399989.3834365.9744741.4012697.988370.61.522843-0.03600-0.010800.998060.599749.5708397

21、3.7683845.40977109.6030.82.030457-0.08532-0.034120.991810.798549.50700578.6418947.7424116.873312.538071-0.16652-0.083290.975010.994459.19041780.4521448.32717119.58621.23.045685-0.28737-0.172600.937831.183428.64336879.3244647.24662117.92761.43.553299-0.45515-0.319330.865731.358217.90738875.6137644.71

22、438112.42511.64.060914-0.67629-0.543480.738591.506957.03407869.8118141.02093103.80991.84.568528-0.95564-0.867150.529971.611626.07764362.4749636.4908892.9093225.076142-1.29535-1.313610.206761.646285.09206654.1849431.4610880.58862.25.583756-1.69334-1.90567-0.270871.575384.12592245.4949226.2491967.6706

23、2.46.091371-2.14117-2.66329-0.948851.352013.22033236.899621.1370554.891322.66.598985-2.62126-3.59987-1.877340.916792.40708828.8099216.3566442.862232.87.106599-3.10341-4.71748-3.107910.197291.71017621.5687312.0993232.0935837.614213-3.54058-5.99979-4.68788-0.891261.14561515.428798.50509222.961623.58.8

24、83249-3.91921-9.54367-10.3404-5.854020.3458455.8357842.9240178.690773当桩的入土深度时，深度以下桩身截面作用效应可忽略不计。由表求得 桩身最大弯矩。其轴向力设计值如hm范围内有两层土，桩身实际最大弯矩可按下式进行修正：按偏心受压构件进行配筋设计：根据和按偏心受压构件进行配筋计算：采用C30混凝土，二级钢筋 计算偏心增大系数为长细比，应考虑纵向弯曲对偏心距的影响。取,则截面有效高度。则，计算受压区高度系数试算，当时，计算纵向力与设计值相近。这时得到的为负值。表5 纵向力计算表ABCDNu0.20.32440.2628-1.529

25、61.4216-0.0076338956600.210.34810.2787-1.46761.4623-0.0079140730520.220.37230.2945-1.40741.5004-0.0081942510980.230.39690.3103-1.34861.5361-0.0084744295790.240.42190.3259-1.29111.5697-0.0087546075240.250.44730.3413-1.23481.6012-0.0090147852830.260.47310.3566-1.17961.6307-0.0092849635000.270.49920.37

26、17-1.12541.6584-0.009545141059由于规定的最小配筋率，故采用计算。现选用20根公称直径为22的二级钢筋，钢筋布置图如下，;纵向钢筋的净距为200.0mm，满足规定的净距不应小于50mm且不应大于350mm的要求，按照构造要求箍筋直径取10mm，间距取200mm。3.4验算1.单桩轴向承载力验算短期效应组合 由上式验算，可知桩的轴向承载力满足要求。2.墩台顶水平位移应满足关系 墩台水平位移见表6表6 墩台水平位移见表荷载形式NHM长期组合 双跨布载，高水位8514.61182.4862620.8150.016851单跨布载，高水位7459.23182.4862724.4150.017309双跨布载，常水位15117.59256.2343129.8230.022116单跨布载，常水位14061.91256.2343140.1830.0222013.桩端最大压应力验算桩端土为非岩石类土，且，根据公桥基规，可不验算桩端土压应力。群桩基础承载力4.桩底持力层验算本设计中采用8根基桩组成的群桩基础，因此可不验算群桩桩端平面处的承载力。5.软弱下卧层验算持力层下无软弱下卧层，可不进行此项验算。