基础工程课程设计

第1页土木工程专业基础工程课程设计任务书————桩基础设计一、设计资料1、某建筑场地在钻孔揭示深度内共有6个土层，各层土的物理力学指标参数见表1。土层稳定混合水位深为地面下1.0m，地下水水质分析结果表明，本场地下水无腐蚀性。建筑桩基设计等级为乙级，已知上部框架结构由柱子传来的荷载（作用在柱底即承台顶面）：kNVk3200,kNmMk400，H=50kN；柱的截面尺寸为：400×400mm；承台底面埋深：d=1.5m。2、根据地质资料，以第4层粉质粘土为桩尖持力层，采用钢筋混凝土预制桩3、承台设计资料：混凝土强度等级为C20，轴心抗压强度设计值为kPafc9600，轴心抗拉强度设计值为kPaft1100，钢筋采用HRB335级钢筋，钢筋强度设计值2/300mmNfy4、《建筑桩基技术规范》(GJG94-2008)二、设计内容及要求：1、按照持力层埋深确定桩长，按照长径比40-60确定桩截面尺寸；2、计算单桩竖向承载力极限标准值和特征值；3、确定桩数和桩的平面布置图；4、群桩中基桩的受力验算；5、软弱下卧层强度验算；6、承台结构计算；7、承台施工图设计：包括桩的平面布置图，承台配筋图和必要的图纸说明；8、需要提交的报告：任务书、计算书和桩基础施工图。注：1、计算书打印，按照A4页面，上下左右页边距设置为2.0cm，字体采用宋小四号2、图纸采用3号图幅，图纸说明即为图中的说明3、任务书、计算书和桩基础施工图装订成一册4、将电子稿按班打包交上来，每人的电子稿名称按照学号+姓名命名第2页表1地基土物理力学指标设计参数表工程编号：工程名称：层序岩土名称/层厚(m)含水量土的重度孔隙比土的比重液限塑限塑性指数液性指数压缩系数固快法快剪法无侧限抗压强度建议值凝聚力摩擦角凝聚力摩擦角压缩模量地基承载力特征值预制桩极限标准值桩周土摩擦力桩端土承载力ω0γe0GsωlωpIPILα1-2cφcφquEs1-2fakqskqpk(%)(kN/m3)(%)(%)(%)(%)(%)(MPa-1)(KPa)(°)(KPa)(°)(KPa)(MPa)(KPa)(KPa)(KPa)1素填土/1.52粉质粘土/3.038.718.31.0722.7341.024.816.20.8620.6118.18.349.93.275243淤泥/15.058.516.51.6322.7453.826.627.21.1811.295.52.08.08.816.11.965144粉质粘土/4.027.319.50.7882.7232.919.313.60.5920.3621.58.028.516.05.21003216005淤泥质粉质粘土/6.042.917.61.2192.7341.226.114.51.1140.867.33.410.211.62.475166粉砂/10.08.5250603000第3页桩基础设计计算书一、按照持力层埋深确定桩长，按照长径比40-60确定桩截面尺寸；由地基土物理力学指标设计参数表，桩插入承台的深度50mm。选第四层粉质粘土为持力层，设桩进入持力层深度为1.95m。则桩的长度L=0.05+3.0+15.0+1.95=2.0m。根据长径比40-60选定桩的截面边长b=450mm，显然402000450=44.460。二、计算单桩竖向承载力极限标准值和特征值；Qu=u∑qiskli+APqpk=4×0.45×(24×3+14×15+1.95×32)+1600×0.452=943.92KNRa=QuK=943.922=472KN三、确定桩数和桩的平面布置图；初选桩的根数N=VkRa=3200472=6.72根，暂取7根。易知4.5d=450×4.5=2025mm，取桩心距s=2050mm。采用梅花桩，平面布置如下：承台的宽度和长度分别为:bc=2050×2+450+450=5000mmhc=2050×2+450+450=5000mm取承台埋深为1.5m。承台及其上填土重，地下水位以下土的重度取浮重度。Gk=γAd=（20×1.0+0.5×(20−10)）×5.0×5.0=625KN单桩的竖向作用力Nk=Fk+Gkn=3200+6257=546kN〉Ra=472KN（不可行）第4页当n=8根时，平面布置如下：Nk=Fk+Gkn=3200+6258=478kN〉Ra=472KN（不可行）当n=9根时，平面布置图如下：Nk=Fk+Gkn=3200+6259=425kNRa=472KN（可以）综上，应取9根桩。四、群桩中基桩的受力验算；1、复合桩基竖向承载力特征值R的计算。根据Sa/d=2050/450=4.56，Bc/l=5000/20000=0.25，查表得ηc=0.20计算基桩所对应的承台底净面积：Ac=A−nApsn=25−9×0.45×0.459=2.575mm2承台下1/2承台宽度且不超过5m的深度范围内土的地基承载力特征值为fak=75Kpa，得桩基的竖向承载力特征值R=Ra+ηcfakAc=472+0.19×75×2.575=508.7KN第5页2、桩基顶的竖向荷载。轴心力作用Nk=Fk+Gkn=3200+3659=425kN偏心竖向力作用My=Mk+Hk×1.2=400+50×1.2=460kN∙mNik=Fk+Gkn±Mxyi∑yi2±Myxi∑xi2作用在桩顶的最大、最小竖向力：Nminmax=472±460×1.856×1.85^2={513.44KN1.2𝑅=610.4𝐾𝑁430.56KN0满足竖向承载力要求。3、桩基顶的水平荷载。单桩水平承载力特征值计算公式RHa=0.75×α3EIｖXx0ax0a=10mm，m=4.4MN/mm，C30混凝土的弹性模量为EC=3×104N/mm2，HPB335级钢筋的弹性模量Es=2.0×105N/mm2。b1𝑚，b0=1.5b+0.5=1.5×0.45+0.5=1.175m钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值：αE=EsEc=2.0×1053×104=6.67，ρg=0.7%方形截面：W0=b6[b2+2(αE−1)ρgb02]=0.456×[0.452+2×(6.67−1)×0.7%×1.1752]=2.341×107mm3桩的抗弯刚度EI=0.85ECI0,换算截面惯性矩I0=12W0b0EI=0.85×3×104×12×2.341×107×1175=3.51×108N/m2水平变形系数α=√mb0EI5=√4.4×106N/m4×1.1753.51×1085=0.4302（1/m）换算深度αh=0.4302×20=8.6m查表得vx=2.441，所以，RHa=0.75×0.430243×3.51×1082.441×10=85.86KN单桩水平承载力Hk=Hn=509=5.56kN≪RHa=85.86KN（可以）第6页五、软弱下卧层强度验算；桩心距〈6d，可以将桩基础是为实体基础，软弱下卧层的计算公式为：σz+γmz≤faz淤泥质粉质粘土的孔隙比0.85，液性质数IL=0.5290.85，故深度修正系数ηd=1.6，地下水以下的土的浮重度，根据公式γsat=Gs+e1+wγw及γ‘=γsat−γw则浮重度γ‘=γsat−γw=（Gs+e1+w−1）γwγ2‘=（2.73+1.072%1+0.378−1）×10=9.76kN/m3γ3‘=（2.74+1.634%1+0.585−1）×10=7.39kN/m3γ4‘=（2.73+0.788%1+0.273−1）×10=11.43kN/m3基础底面以上土的厚度加权平均重度γm1=（20×1.0+10×0.5+9.76×3+7.39×15+11.43×1.95）/21.45=8.74kN/m3①按扩散作用基础底面处的附加应力p0k：p0k=pk−σC=FK+GK′A−σc实体深基础底面积A=(a0+2ℓtanφ4)(b0+2ℓtanφ4)，查表的φ=23°A=(4.55+2×19.5×tan23°4)(4.55+2×19.5×tan23°4)=71.86m2p0k=3200+(19−10)×71.86×21.4571.86−8.74×21.45=50.11Kpa②不考虑扩散作用时基础底面处的附加应力p0k：p0k=pk−σC=FK+Gk+GK′−2(a0+b0)∑qsiaℓ𝒾a0b0−γm1(l+d)p0k=3200+625+20×4.55×4.55×19.5−2×9.1×344.44.55×4.55−8.74×21.450（不可行）软弱层顶面以上土的厚度加权平均重度γm2=（20×1.0+10×0.5+9.76×3+7.39×15+11.43×4）/23.5=8.8.97kN/m3两层土的弹性模量之比为ES1Es2=5.22.4=2.17，查表得桩端持力层的扩散角θ=18.4°。第7页实体基础的计算宽度和长度A0=a0+2ℓtanφ4，B0=b0+2ℓtanφ4。即有A0=B0=4.943m软弱层顶面的附加应力σz=p0k×(A0+B0)(A0+2ttanθ)(B0+2ttanθ)=(50.11×(4.943×4.943)(4.943+2×2.05×tan18.4)×(4.943+2×2.05×tan18.4)=30.78Kpa经深度修正后的地基承载力faz=fak+ηdγm2（d−0.5）=75+1.6×8.97×（23.5−0.5）=405.10kpa易知，σz+γmz=30.78+8.94×23.5=236.4kpafaz=405.10kpa下卧层满足承载力要求。六、承台结构计算；相应于荷载标效应组合时作用于柱底的荷载设计值为：F=1.35Vk=1.35×3200=4320kNM=1.35Mk=1.35×400=540KN∙mH=1.35Hk=1.35×50=67.5kN扣除承台和其上填土自重后的柱顶竖向设计值：N=Fn=43209=480kN在偏心荷载作用下Nik=Fk+Gkn±Mxyi∑yi2±Myxi∑xi2第8页Nminmax=N±（M+Hh）xmax∑xi2=480±（540+67.5×1.2）×1.856×1.852={535.9kN424.0KN1、承台受冲切承载力验算①柱对承台冲切的承载力计算。首先对柱边冲切进行计算Fl=F−∑Ni=4320-480=3840KN取a0x=1625mmℎ𝑜=1130mm取a0x=ho=1130mm。ℷ0x=a0xh0=1.0同理，a0y=aoy=1130mm，ℷ0y=ℷ0x=1β0x=ℷ0x=0.84a0x+0.2=0.7由线性内插法的βhp=0.9672[β0x(bc+a0y)+Β0y(hc+a0x)]βhpftb0=2×[0.7×(0.4+1.13)×2]×0.976×1100×1.13=5197.2KNFl=3840KN满足要求。②角桩对承台的冲切计算。C1=C2=675mm，a1x=a1y=1625mmℷ1x=ℷ1y=a1x/ho=1625/1130=1.441.0，取ℷ1x=ℷ1y=1.0β1x=Β1y=0.56λ1x+0.2=0.4667[β1x(C2+a1x/2)+Β1y(C1+a1y/2)]βhpftb0=[0.467×(0.675+1.6252)+0.467×(0.675+1.6252)]×0.976×1100×1.13=1682.65kNmax=535.9kN(可以)2、承台受剪承载力计算。柱下桩基础独立承台斜截面受剪承载力按下式计算：V≤βhsβftb0h0对A-A截面λx=axh0=16251130=1.438(介于0.3与3之间)第9页βhs=(800h0)1/4=(8001130)1/4=0.917剪力系数β=1.75/（λ+1.0）=1.75/（1.438+1）=0.7178Βhsβftb0h0=0.917×0.7178×1100×5×1.13=4090.7KN(535.9×3)=1607.7KN(可以)3、承台抗弯承载力计算计算柱边x，y方向的钢筋量。Mx=∑Niyi=535.9×3×1.6