基礎(chǔ)工程課程設(shè)計書

設(shè)計主要步驟一、確定樁基持力層的位置1基本要求（1）應(yīng)選擇壓縮性低、承載力高的較硬土層作為持力層；（2）持力層應(yīng)有一定的厚度，既能保證樁端進(jìn)入持力層的深度要求，又能使樁端以下有一定厚度的剩余持力層；（3）樁端全斷面進(jìn)入持力層的深度要求為：對于粘性土、粉土不宜小于 2d（d 為樁徑），砂土不宜小于 1.5d。碎石類土不宜小于 1d。當(dāng)存在軟弱下臥層時，樁基以下硬持力層厚度不宜小于 3d；當(dāng)持力層較厚、施工條件 許可時，樁端全斷面進(jìn)入持力層的深度宜達(dá)到樁端阻力的臨界深度。砂與碎石類土的臨界深度為(310)d。2根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件選擇由表1工程地質(zhì)條件可知，土層底標(biāo)高 5.91m 以下任一土層均可為持力層?，F(xiàn)選第層中砂為持力層。樁端進(jìn)入持力層的深度為 2.41m。表 1 土層參數(shù)土層編號土層名稱土層底標(biāo)高（m）土層厚度（m）重 度（kN/m3）壓縮模量（MPa）天然地基承載力（kPa）極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）黏土25.52.519.36.31505024.610.89淤泥質(zhì)土22.911.717.02.575252粉質(zhì)黏土19.313.619.89.216055粉土18.610.720.032170501黏土13.615.019.17.216050粉質(zhì)黏土8.914.720.311.6180553黏土7.811.119.310200508001粉質(zhì)黏土5.911.920.010.821060700中砂3.52.4120.0372307013000.912.591黏土-2.593.518.04.47525200粉質(zhì)黏土-5.492.920.315.22406010001黏土-6.49119.410.922055900中砂-10.694.220.042260701500基巖二、確定樁型、尺寸和構(gòu)造1根據(jù)表 1 地質(zhì)條件和所選擇的持力層可知，本樁基為摩擦型樁基。2當(dāng)持力層確定后，樁截面尺寸應(yīng)根據(jù)作用于柱上的荷載大小確定。如果荷載較大，則應(yīng)選擇較大的截面尺寸。作用在設(shè)計地面標(biāo)高處的荷載為軸力軸力 Fk6210 kN，剪力 Hk=236 kN，彎矩 mk=670 kN.m。因荷載較大，故選擇的樁截面為 550mm，柱采用 C45 混凝土(抗壓強(qiáng)度 fc=21.1N/mm2，抗拉強(qiáng)度 ft=1.8N/mm2 ），截面為 600mm600mm Fk/fc=6210103/21.1 =294312.8mm2。承臺采用 C25 混凝土(抗壓強(qiáng)度 fc=11.9N/mm2，抗拉強(qiáng)度 ft=1.27N/mm2）3因樁端進(jìn)入持力層的深度為 2.41m1.5d=1.50.55=0.825m，故樁端全斷面進(jìn)入持力層的深度滿足要求。4因?qū)訛樾再|(zhì)較好、厚度較大的黏土，承臺可放其中，故選承臺標(biāo)高為 25.5m，這樣，承臺埋深 d=28- 5.5=2.5m，凈樁長為 25.5-3.5=22m。此外，根據(jù)預(yù)制樁與承臺的連接要求(樁嵌入承臺內(nèi)的長度：大直徑樁(d800mm)不宜小于100mm，中(800mmd250mm)、小(d250mm)直徑樁不宜小于 50mm），選擇預(yù)制樁嵌入承臺內(nèi)的長度為 50mm。這樣整個樁的長度為 22.05m。5考慮到一般預(yù)制樁的節(jié)長為 513m 及運(yùn)輸方便、便于接樁(1 根樁的接樁數(shù)一般不超過 3 次)，對一根單樁，可選擇 3 節(jié)長度為 8m 的管樁。三、確定單樁承載力1單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值 Quk根據(jù)Quk = Qsk+ Q pk= u pqsik li + q pk Ap有,Qsk=0.6(0.8950+1.725+3.655+0.750+550+4.755+1.150 +1.960+2.4170)=2015.049kNQ pk =13000.552/4=308.8578kNQuk =2015.049+308.8578=2323kN2單樁豎向極限承載力特征值 Ra根據(jù) Ra=Quk/K，取安全系數(shù) K=2，可得 Ra=1162 kN。3基樁豎向極限承載力特征值 R（1）由于基樁的承載力是在單樁承載力的基礎(chǔ)上考慮群樁效應(yīng)和承臺效應(yīng)得到的，而群樁效應(yīng)在現(xiàn)規(guī)范中一般不予考慮，因此，確定基樁的承載力的關(guān)鍵就在于是否再考慮承臺效應(yīng)；（2）根據(jù)考慮承臺效應(yīng)的一般原則可知：因本工程為柱下獨(dú)立摩擦型樁基，因此，如果樁數(shù)不少于 4根，則應(yīng)考慮承臺效應(yīng)；（3）根據(jù) R=Ra+cfakAc 及 Ac=(A-nAps)/n 可知：為確定 R，必須事先知道樁基的樁數(shù) n 或者樁的平面布置，但這 又與 R 有關(guān)。為此，樁數(shù) n 大致可按下述方法預(yù)估：（A）首先不考慮承臺效應(yīng)，即認(rèn)為 RRa；（B）因按中心受壓樁基計算樁數(shù) n=(Fk+Gk)/R 時 G=GDA(G=20kN/m3，D為承臺埋深，A為承臺底面積)時，A 也與樁數(shù) n 或者樁的平面布置，因此，可先僅考慮 Fk，將得到的樁數(shù)擴(kuò)大 510用于考慮 Gk。對本設(shè)計，因 Fk=6210 kN，故 n1=Fk/R=6210/1162=5.34，n2=(1.051.1)n1=5.615.88，故可取 n26。（C）因本工程為偏心受壓樁基(作用在承臺底面處的彎矩Mk=670+2362.5=1260kN.m），因此，還應(yīng)根據(jù)偏心情況將中心受壓時的樁數(shù)擴(kuò)大(1020)。即 n=(1.11.2)n2=6.17.1。（D）值得注意的是，因?yàn)榭紤]承臺效應(yīng)時 R 增加、樁數(shù) n 減小，故 n 可取 6 或 7 根。（E）進(jìn)行平面布置：因：（1）無論是打入或靜壓式預(yù)制樁，都屬擠密型樁；（2）設(shè)計中有地下水，故基樁間距 Sa 取 4d。此外，因規(guī)范規(guī)定“承臺邊緣至邊樁中心的距離不宜小于樁的直徑或邊長，且邊緣挑出部分不應(yīng)小于 150mm”，故樁基平面布置如下圖 1 示。（F）確定考慮承臺效應(yīng)的基樁承載力特征值 R當(dāng)n=6時：A=5.53.3=18.15m2，Aps=d2/4=0.552/4=m2，Ac=A/n-Aps 18.15/6-0.23758 =3.7173m2。Sa=4d，承臺寬度 Bc=3.3m，樁長 l=22m，Bc/l=0.150.4，故查指導(dǎo)書P9 表 1 有 c=0.14。承臺下 1/2 承臺寬度為 Bc/2=3.3/2=1.65m5m，該深度內(nèi)土層地基承載力特征值為fak=(0.89150+(1.65-0.89)75)/1.65=115.1545 kPa。這樣，R=Ra+cfakAc=1162+0.14115.15452.78742=1207.1kN當(dāng)n=7時：A=5.53.3=18.15m2，Aps=d2/4=0.552/4=m2，Ac=A/n-Aps=18.15/7-0.23758=2.3553m2。Sa=4d，承臺寬度 Bc=3.3m，樁長 l=22m，Bc/l=0.150.4，故查指導(dǎo)書P9 表 1 有 c=0.14。承臺下 1/2 承臺寬度為 Bc/2=3.3/2=1.65m5m，該深度內(nèi)土層地基承載力特征值為fak=115.1545 kPa這樣，R=Ra+cfakAc=1162+0.14115.15452.3553=1200.1kN群樁平面布置時注意：1.除非上部結(jié)構(gòu)或承臺有特殊要求，否則應(yīng)盡量按行列式方式規(guī)則布樁且承臺底面最好為矩形；2.承臺底面長邊通常在彎矩作用(即偏心)方向；3.承臺底面長邊與短邊不要相差太大，否則為保證長邊方向的抗彎要求，承臺厚度必然很大。此時最好通過增大 樁徑或樁長從而提高樁的承載力來減小長邊的樁數(shù)。四、確定樁數(shù)和布置1確定樁數(shù) n前面已初步確定了樁數(shù)n（6或7根）并進(jìn)行了布置。現(xiàn)再考慮承臺及其上方填土自重 Gk 及彎矩 M 作用條件下的樁數(shù)。當(dāng)n=6時：Gk=GLkBkD=205.53.32.5=907.5 kN，中心受壓時n(Fk+Gk)/R=(6210+907.5)/ 1207.15.9，考慮彎矩作用時應(yīng)再增大(1020)，即 n=6.57.1，因此可取 n=7根。當(dāng)n=7時：Gk=GLkBkD=205.53.32.5=907.5 kN，中心受壓時n(Fk+Gk)/R=(6210+907.5)/ 1200.15.9，考慮彎矩作用時應(yīng)再增大(1020)，即 n=6.57.1，因此可取 n=7 根。綜上可見，本樁基理應(yīng)取 n=7 根。但為減少造價并便于布樁，現(xiàn)暫按 n=6 試算。若驗(yàn)算不滿足要求，可調(diào)整為 n=7 根或增大樁徑。2進(jìn)行平面布置:見圖 1(a)。五、基樁豎向承載力驗(yàn)算1驗(yàn)算時，荷載效應(yīng)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合。2驗(yàn)算：（1）豎向承載力驗(yàn)算Gk=G LkBkD=205.53.32.5=907.5 kN，F(xiàn)k =6210kN， 軸心受壓：Nk=(Fk+Gk)/n=(6210+907.5)/6=1186.3 kN R=1207.1 kN，滿足要求。i偏心受壓：因 Myk=mk+HkD=670+2362.5=1260kN.m，xmax=2.2m，xi2=222.22=19.36m2，則Nk max=Nk+ = 1186.3+ =1329.54，故h=4，查表 8.17 有 vx=2.441單樁水平承載力特征值Rha=0.753EI0a/vx=0.750.52923125272.10.01/2.441=57.0437kN注意到 n1=3，n2=2，Sa/d=4，則i=40.0152+0.45/(0.153+0.12+1.9)=0.7629因預(yù)制樁嵌入承臺內(nèi)的長度為 50mm 且 h=4，故查指導(dǎo)書P31 表 9 有 r=2.05。Bc=Bc+1=3.3+1=3.4m，承臺厚度 hc=1.8m (見后)，故1= = =0.6745Pc=cfakAc=0.14115.45452.78742=45.1kN查指導(dǎo)書P31 表 10，取承臺底與地基土之間的摩擦系數(shù)=0.3，則b= = =0.03953h=ir+1+b=0.76292.05+0.75867+0.03953=2.70545基樁水平承載力特征值Rh=hRha=2.7054557.0437=154.33kN而 H1k=Hk/n=236/6=39.33kN600mm(滿足要求)。2承臺尺寸承臺的底面尺寸可通過對樁的平面布置確定(如見圖 1)，而立面尺寸確定時應(yīng)通盤考慮多項因素。主要有：（1）根據(jù)基礎(chǔ)的最小埋深原則，承臺頂面距地面的距離不應(yīng)小于 100mm；（2）承臺厚度不應(yīng)小于 300400mm、最小寬度不應(yīng)小于 500mm、埋深不應(yīng)小于 600mm；底面鋼筋保護(hù)層厚度不應(yīng)小于 50mm（有混凝土墊層）或 70mm（無混凝土墊層）；樁嵌入承臺長度不應(yīng)小于100mm（大直徑樁） 或 50mm（中等直徑樁）；（3）確定承臺或臺階厚度h時，一定要兼顧承臺滿足受彎、剪、沖等驗(yàn)算的要求。即眾多“450 線”及 X 和 Y 向沖跨 i=ai/h0i=0.251.0 或 h0i=(14)ai 的要求。即h=maxh0x，h0y+樁嵌入承臺內(nèi)的長度300400mm其中：h0X/Y(14)a0X/Y=X/Y向邊樁中心至柱中心的水平距離-0.5(X/Y向柱邊長+圓樁等效為方樁時X/Y向樁邊長(=0.8d) (等效原因見承臺抗沖切驗(yàn)算)對本設(shè)計而言，首先確定承臺內(nèi)鋼筋保護(hù)層厚度70mm（C10混凝土墊層）、樁嵌入承臺長度50mm（因樁徑d=600mm為中等直徑樁）。此外，X 方向邊樁中心至柱中心的水平距離-0.5(X向柱邊長+圓樁等效為方樁時 X 向樁邊長)= 2.2-0.5(0.6+0.80.55)=1.78m，Y 方向邊樁中心至柱中心的水平距離-0.5(Y 向柱邊長+圓樁等效為方樁時 Y 向樁邊長)= 1.1-0.5(0.6+0.80.55)=0.58m。因此為滿足柱邊抗沖切時“450 線”的要求，承臺厚度 h 必須大于 1.71+0.05 =1.76m，現(xiàn)取 1.8m。這樣，承臺頂面距地面 2.5-1.8=0.7m0.1m 也滿足要求。由于承臺的厚度(1.8m)較大，為降低造價，可將承臺分階。分階的方法是，從X或Y方向角樁頂內(nèi)邊緣做450 射線，只要臺階位于該 450 射線之上即可。另外，各臺階的高、寬不要相差太大。最終的臺階尺寸見圖 2。七、樁基軟弱下臥層承載力驗(yàn)算1.前提：樁距 Sa6d 且樁端以下受力范圍內(nèi)存在承載力低于樁端持力層承載力 1/3 的非端承型樁。2.要求:z+czfaz。其中 z 和 cz 分別為軟弱下臥層頂面處的豎向附加應(yīng)力及有效自重應(yīng)力(地下水位以下取有效 重度 =sat-w)；并且計算 cz 時從承臺底(樁頂)算起。faz 為軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正(取d=1)后的承載 力特征值，并且深度修正時不計承臺埋深。3對本設(shè)計：樁基為摩擦型的，樁距 Sa=4d6d，持力層為厚5m、天然承載力 230kPa的中砂層，其下有厚 3.5m、天然承載力 75kPa230/3=76.66kPa 的粘土層1， 因此，應(yīng)進(jìn)行軟弱下臥層1的承載力驗(yàn)算。樁端以下持力層厚度 t=3.5-0.91=2.59m，持力層平均壓縮模量Es1 =37MPa，下臥層模量 Es2=4.4MPa，Es1/Es2=8.41MPa0.5，查表 3 并 線性內(nèi)插有=25+(30-25)(8.41-5)/(10-5)=28.41。軟弱下臥層頂面處的自重應(yīng)力(注意：從承臺底算起)為sz=0.8919.3+1.717+3.619.8+0.720+519.1+4.720.3+1.119.3+1.920+520=481.497kPa 承臺底以下樁長范圍內(nèi)的 qsik li =1166.2kN/m，軟弱下臥層頂面處的附加應(yīng)力為z=36.1573kPa軟弱下臥層頂面以上土層的平均重度m=sz/(l+t)=481.497/(22+2.59)=19.581kN/m3承載力為fak=fk+dm(l+t-0.5)=75+119.581(22+4.89-0.5)=546.7kPa軟弱下臥層頂面處的合應(yīng)力為 sz+z=481.497+36.1573=517.6543kPah =1800mm800mm，故hp 在0.9 與 1.0 之間線性內(nèi)插。即hp=1+(0.9-1.0)(h-800)/(2000-800)。將 h=1800mm 代入有hp=1+(0.9-1.0)(1800-800)/(2000-800)=0.91667因是方柱，故邊長 bc=hc=600mm；承臺為 C25 混凝土?xí)r抗拉強(qiáng)度 ft=1.27N/mm2。因沖切錐體底面范圍內(nèi)有2根樁(中心處)，故沖切力設(shè)計值 Fl=F-Q=8383.5-1397.252=5589kN20x(bc+a0y)+0y(hc+a0x)hpfth0=20.7173(0.6+0.58)+1.5692(0.6+1.68)0.9166712701.73=17821kNFl=5589kN，故柱對承臺沖切承載力滿足要求。（2）上臺階對承臺(向下)沖切驗(yàn)算上臺階對承臺沖切時，相當(dāng)于將上臺階看作一個虛擬的“柱”，只不過該“柱”的“截面尺寸”等于上臺階在水平面上的尺寸，并且承臺破壞錐體的有效高度等于上臺階以下所有臺階的有效高度之和h10=930mm。因沖切錐體底面范圍內(nèi)有6根樁，故無需繼續(xù)進(jìn)行上臺階對承臺(向下)沖切驗(yàn)算。（3） 角樁承臺(向上)沖切注意到角樁沖切時承臺外邊緣的有效高度h0是h10=930mm。c1=c2=770mm，a1x=480mm，a1y=30mm。1x= a1x/h0=0.5161，1y= a1y/h0=0.0323 ,1x=0.56/(1x+0.2)=0.782，1y=0.56/(1y+0.2)=2.4107，此外，因“承臺高度”h1=1000mm800mm，故hp在0.9與1.0之間線性內(nèi)插。即hp=1+(0.9-1.0)(1000-800)/(2000-800)=0.98331x(c2+a1y/2)+1y(c2+a1x/2)hpfth0=0.782(0.77+0.03/2)+2.4107(0.77+0.48/2)0.983312700.93=3540.7kNNmax=1500.034kN， 即角樁對承臺沖切承載力滿足要求。九、承臺抗剪承載力驗(yàn)算1由于剪切破壞面通常發(fā)生在柱(墻)邊與樁邊連線形成的貫通承臺的斜截面處，因而受剪計算斜截面取在柱邊處。當(dāng)柱(墻)承臺懸挑邊有多排基樁時，應(yīng)對每個柱(墻)邊、變階處與樁邊連線形成的斜截面的受剪承載力進(jìn)行計算?？辜舫休d力驗(yàn)算的公式是 hsftb0h0V。其中 V 是計算截面以外所有樁的凈反力。應(yīng)注意 X 和 Y 方向臺階和柱邊計算截面處的計算寬度 b0 的確定方法。3本工程的柱下獨(dú)立樁基為階梯型，其中變階處截面為 A1A1 和 B1B1；柱邊處截面為 A2A2 和 B2B2，如圖 4 所示。對變階A1A1截面：截面有效高度h10=930mm,截面計算寬度b0=by1=3.3m，a1x=480mm，1x= a1x/h10=480/930=0.5161，1x =1.75/(1x+1)=1.1543，hs=0.9631，A1A1截面以外(左)共有2根樁，其凈反力V=2Nmax =2x1500.034=3000.1kN，而 hsftb0h0=0.96311.154312703.30.93=4333kNV=3000.1kN，即承臺變階處滿足抗剪承載力要求。對變階B1B1截面：截面有效高度h10=930mm,截面計算寬度b0=bx1=5.5m，a1y=30mm，1y= a1y/h0=30/930=0.0323，1y =1.75 / (1y+1)=1.6952，hs=0.9631，B1B1截面以外(左)共有2根樁，其凈反力V=3N =3x1397.25=4191.8kN，而 hsftb0h0=0.96311.695212705.50.93=10606kNV=4191.8kN，即承臺變階處滿足抗剪承載力要求。對柱邊A2A2截面：h20=h0-h10=1730-930=800mm，截面有效高度h0=1730mm，by1=3.3m，by2=1.7m，截面計算寬度b0=(by1h10+by2h20)/h0=(3.30.93+1.70.8)/1.73=2.5601m，ax=a1x+1.2=0.48+1.2=1.68m，x= ax/h0=1.68/1.73 =0.9711，x= 1.75/(x+1) =0.8878，hs=0.82463。A2A2截面以外(左)也共有2根樁，其凈反力V=2Nmax=2x1500.034=3000.1kN，而hsftb0h0=0.824630.887812702.56011.73=4117.9kNV= 3000.1kN，即承臺變階處滿足抗剪承載力要求。對柱邊B2B2截面：h20=h0-h10=1730-930=800mm，截面有效高度h0=1730mm，bx1=5.5m，by2=3m，截面計算寬度b0=(bx1h10+bx2h20)/h0=(5.50.93+30.8)/1.73= 4.3439m，ay=a1y+0.55=0.03+0.55=0.58m，y= ay/h0=0.58/1.73 =0.3353，y= 1.75/(y+1) =1.3106，hs=0.82463。B2B2截面以外(左)也共有3根樁，其凈反力V=3N=3x1397.25=4191.8kN，而hsftb0h0=0.824631.310612704.34391.73= 10315kNV=4191.8kN，即承臺變階處滿足抗剪承載力要求。十、承臺抗彎承載力驗(yàn)算1承臺抗彎承載力驗(yàn)算時是將承臺看作在樁反力作用下的受彎構(gòu)件進(jìn)行的。2試驗(yàn)研究表明，柱下多樁獨(dú)立樁基承臺在配筋不足的情況下將產(chǎn)生彎曲破壞，其破壞特征呈梁式破壞，即彎曲裂縫在平行于柱邊兩個方向交替出現(xiàn)，承臺在兩個方向交替呈梁式承擔(dān)荷載，最大彎矩產(chǎn)生在平行于柱邊兩個方向的屈服線處。3.承臺受力鋼筋的直徑不宜小于 12mm，間距不宜大于 200mm。柱下獨(dú)立樁基承臺的最小配筋率不應(yīng)小于0.15%。4對本樁基：繞X軸的彎矩Mx=Niyi=31397.25(1.1-bc/2)=31397.25(1.1-0.3)=3353.4 kN.m若承臺配置HRB335級鋼筋(設(shè)計強(qiáng)度fy=300N/mm2)，需要的配筋面積As=7179.2mm2與最小配筋率相應(yīng)的最小配筋面積=0.15%A有效=0.15%b腹寬h0=0.15%6001730=1557mm2As =7179.2mm2，故按計算配筋面積配筋： 選用3716150， As=7439.3mm2， 平行于y軸方向均勻布置。繞y軸的彎矩My=Nixi=21500.034(2.2-bc/2)=21500.034(2.2-0.3)=5700.1 kN.m若承臺配置HRB335級鋼筋，需要的配筋面積As=12203mm2與最小配筋率相應(yīng)的最小配筋面積=0.15%A有效=0.15%b腹寬h0=0.15%6001730=1557mm2As =12203mm2，故按計算配筋面積配筋： 選用2625130， As=12763mm2， 平行于x軸方向均勻布置。關(guān)于“配筋率”的附注：1.配筋率是鋼筋混凝土構(gòu)件中縱向受力鋼筋的面積與構(gòu)件的有效面積之比(軸心受壓構(gòu)件為全截面的面積）。即=As/bh0其中，為配筋率；As為受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積；b為矩形截面的寬度；h0為截面的有效高度。配筋率是反映配筋數(shù)量的一個參數(shù)。2.臺階形承臺底板是受彎構(gòu)件，受彎截面為過柱邊的豎直面，呈T型；3.理論上最小配筋率是根據(jù)鋼筋混凝土截面的受彎承載力不低于同樣截面尺寸的素混凝土截面的受彎承載力這一條件確定的， 而混凝土截面的承載力則取決于抗裂的能力，即主要取決于受拉區(qū)的抗拉能力。可見，素混凝土T 型截面的受彎承載力與高度相同， 寬度與其腹板寬度相同的素混凝土矩形截面梁的相近， 因此在驗(yàn)算 T 型截面的最小配筋率時，應(yīng)近似取腹板寬度 b 計算(不考慮 T 形截面梁的翼緣，按照等效矩形截面梁來計算其最小配筋率)。十一、樁基沉降計算1計算方法：見教材或課程設(shè)計指導(dǎo)書。2計算過程：因本樁基底面為矩形樁，因此樁基中點(diǎn)的沉降量按可下式計算：S=eSS=SiSi=4p0（1）確定樁基等效沉降系數(shù) e因 Sa/d=4， d /l =22/0.55=40，Lc/Bc=5