基础工程设计-桥梁桩基(修改)

桥梁桩基础设计

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. 桩底标高

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p拟采用6根钻孔灌注桩，对称竖直双排桩基础（即2

×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×7m，结合桩间中心距，所以拟定承台形状为矩形4.5m（纵桥向）×8m。

2. 配筋构造要求

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100mm×100mm，钢筋直径采用12mm，钢筋网应通过

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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×250mm布置，钢筋为12mm。

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

n1RuqlAqikiPra2i1

qmf00k22(h3)r式中：Ra——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）；

AP——桩端截面面积；

N——土的层数；

li——承台底部或局部冲刷线以下各土层厚度，扩孔部分不计； qikqr——各土层与桩侧的摩阻力标准值； ——桩端处土的承载力容许值；

f0——桩端处土的承载力基本容许值；

H——桩端的埋置深度，对于有冲刷的桩基，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；

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k2——容许承载力随深度的修正系数；

若持力层在水位以下且不透水2——桩端以上各土层的加权平均重度，

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；

m0——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=1.4m 2) ud4.40m，Ap21.13m2

3) 砂砾石层=0.7，淤泥=0.65；k2=10.0，m0=0.8 4) 液性指数ILwwpwlwp1.5

5) 查《规范》砂砾石层f0=400kPa，qik=100kPa；淤泥层f0=90kPa，

qik=25

kPa；密室砂卵层f0=500

11.51011.7kN/mkPa，

qik=300

kPa，

qr=1450

kPa。

24.5220.817.56.2223

1Ra4.4(1.81000.8254.5300)0.70.81.13(5001011.7(7.13))24029.95kN

即单桩容许承载力为4029.95kN。

2．桩的计算宽度b1

b1KfK0Kd

查《公路桥涵设计手册》得b10.9(d1)K 从本设计中：

L11.5m;h7.1m;h13(d1)6.6m;L10.6h1;n2。

查《规范》，得，

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b'0.5，Kb'1b'0.6L1h0.69 1b10.9(d1)K1.36m；nb121.362.72B'15.5

3. 桩-土变形系数a C25混凝土EC=2.8×104

E0.8EC0.8281062.24107d44I 640.1018mmMN/m4145

m424MN/mm3100MN/m4对于三层土的m系数换算方法采用教材中公式，所以

m2m1h1m22h1h2h2m32h12h2h3h3h2m

4521.844.40.81009.74.57.1289.76MN/m45mb1589761.51.36EI2.241070.10180.557

桩在最大冲刷线以下深度h=7.1m，其计算长度为

ah0.5577.12.992.5

故按弹性桩计算。

4．桩顶刚度系数1、2、3、4的计算

l02.7m；h7.1m；0.5；A1.13m2

C897607.16.371050m0hkN/m3

400400A20(0.51.8tan40.8tan8044.5tan4)8.44m2

按桩中心距计算面积时，A0242.54.91m2

1112.70.57.11所以

l0h1.132.81076.371054.91AE1CC0A

01.931060.848EIhah2.99m2.5m；l02.70.5571.504m

查《手册》得：xQ0.269；xM0.454；M1.068。所以土木工程学院 - 4 -

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2a3EIQx0.0465IE23aEIMx0.1409E IaEIM0.594E9I45.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990024.5824.011628kNH670kN

M4700kNm67026040kNm二孔活载时

N1110024.582412828kN

6. 计算承台底面原点O处位移a0,b0,0 查《手册》标准公式得：

nn41x2i60.5949EI0.848EI61.25211.52EIi1n60.1409EI0.8454EI3n260.0465EI0.2790EIn22230.7147(EI)n(n241xi)Hn3Mai10nn2222(n41xi)n3i111.52EI5131.16700.8454EI60400.279EI11.52EI0.7147(EI)2EIbN116282285.380

n160.848EIEIn2Mn3H0nn2222(n41xi)n3i1EI60400.8454EI6700.27911.52EI0.7147(EI)2900.850.279EIEI7. 计算作用在每根桩顶上作用力Pi，Qi，M 查《手册》标准公式得：单位都为（kN）

Pi1(b0xi0)0.848EI(2285.38EI1.25900.85E)2892.90I983.10土木工程学院

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5131.1900.85Qi2a0300.0465EIEI0.1409EIEI111.67kNMi403a00.5949EI900.850.1409EI5131.1EI187.06kNm

EI校核：

nQi6111.67670kNH670kN

xiPnMi3(2892.9983.1)1.256(187.06)6039.39kNmM6040kNmnnPi3(2892.9983.1)11628kNP11628kN

i18. 计算最大冲刷线处桩身弯矩M0、水平力Q0、轴向力P0

M0MiQil0187.06111.672.7114.45kNm

Q0111.67kN

P02892.91.132.7142935.6kN

9. 桩身最大弯矩位置及最大弯矩计算 由QZ0得：CaM0QQ0.557114.45

0111.670.571由__CQ0.571及h2.99，查《手册》得：z0.98。 故

z0.980.5571.75m5 _由_z0.98及h2.99，查《手册》得：KM2.13

MmaxKMM0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

N2j1.2(2935.63100)0.50.5141.751.21001.750.51.431003758.4kNMj1.2(187.06)1.4111.67(2.71.75)471.23kNm

ej471.2300MNj3758.40.125m；

ed0.1251.20.104

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ae0.10.3e0d0.1430.391；lpl0h2.77.19.8m

Eh2.810kPa7；Ihd6440.102

而

lpd9.81.28.2 7故应考虑偏心距增大系数，根据《公路桥规》

111400e0h0e0h00.51.0(lph)122；h0rrs1.20.540.66；h2r1.2

10.22.7；21.150.01l0h1.151.0.取21

所以

1（8.2）0.51.01.12714000.18912

e01.1270.1250.141m

由已知条件得：

fcdfsdfcd11.5MPa11.5195；fsd195MPa。计算受压区高度系数

B0.6A0.152C0.152D0.546.9B1.748A29.64C105.3DBrA(e0)C(e0)Dgr

查《结构设计原理》得

NuArfcdCrfsdA(0.6)11.51000C(0.6)10001954140A70200C2222

采用试算法列表计算，各系数查《规范》

 A 0.8074 B 0.5191 ；0 C -0.5707 D 1.8609  -0.01 Nu 0.38 3743 计算得当0.38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2935.60.57.10.785142974.6kN

,所以单桩承载力满足要求。

根据前面所算 P4029.95kN12. 桩身强度验算

Nh2947.6kN土木工程学院 - 7 -

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（1）桩身稳定性验算 屈曲临界荷载为：

(0.16NcraEcI0/lp220.1251.2)2.8100.1029.822777532kN

P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配筋率AsdA141mm；as90mm；rs540mm;g0.9

18314.21.131060.005min0.005

按偏心受压构件计算，查《手册》得公式

22'0NdArfcdCrfsd33'0Nde0BrfcdDgrfsd

在弯矩作用平面内

e0BfcdDgfsdAfcdCfsdr11.5BD0.0050.9195A11.5C0.0051956006900B526.5D11.5A0.975C

仍然采用试算法

 A 2.3342 0.87B 0.5191 C 1.9149 141.9mmD 0.9397 e0 0.87 141.9 由计算表可见，当之计算。

时，e0，与设计的e0141mm接近，故取

NuArfcdCrfsd2.334260011.51.91490.00560019510335.7kN0Nd3758.4kNMuBrfcdDgrfsd0.519160011.50.93970.0050.96001951467.6kNm0Nde0469.8kNm33'3322'22

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l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。

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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

004040b4.229.8tan7.6；a7.229.8tan10.644Aab7.610.680.6K14;K210；A'80.661.1373.8_73.892273.80.817.561.139.814321.3kN/m80.69.8_

由maxlhBLhANA(1eAW)hl

hl0K11(b2)K22(h3)（相关系数查规范）

500412(7.62)1011.5（10.63）1642.8kPa_

maxlhBLhANA(1eAW)1162880.6(10.5280.672.25)21.39.81.7224.58221.780.6

457.4kPah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2.0LS ——墩台基础的均匀沉降值；

——相邻墩台间的最小跨径长度，本例取30m。

L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

max457.4kPa_minlhBLhANA(1eAW)290kPa

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

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hi0.4b4.3，取

h=2m。

（1）均布荷载下

计算中心点下各层面处的自重应力在基底8m处

54.8z0.130.2425.4cZ10mn

所以将土层分为4层，0-2，2-4，4-6，6-8，

0290kPa，2221.7kPa，4120kPa667.6kPa，842kPa02255.9kPa，24170.8kPa,4693.8kPa，6854.8kPa

计算最终沉降量

S1ziEshi255.9170.893.854.87000020.0164m

（2）三角形荷载下

z34.6337.40.100.2在4m处，

c

Zn4mz(2Kt12Kt22KC)p0/2，Kt1、Kt2、KC为均差系数表。

083.7KPa,264KPa,434.6kPa0273.8KPa,2449.3kPa

计算最终沉降量

S273.849.37000023.5103m

综合1，2

SS1S20.02m2.0L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100mm×100mm，钢筋直径采用12mm。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，

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钢筋间距不应大于400mm，本例按250mm×250mm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

jACRaPjmACRaj31.13251000255032kNAb1.81.543m2Al0.6Pjs0siPi1.00.81.22892.92777.2kNjA1.13;Ra25MPa;m1.54C

故桩顶处的局部受压验算满足要求。 2. 桩对承台的冲剪验算

桩顶到承台顶面的厚度t0，应根据桩顶对承台的冲剪强度，按下式近似计算确定

t0PjumRjjm

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

P1MAAm1S1MBBm2S2P2

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M1cRabx(h0x2)1sRGAg(h0ag)

'''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。

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