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土力学课程设计

课程设计任务书 (1)

1 桩的类型及尺寸选择 (2)

2 确定单桩竖向承载力特征值 (2)

2.1 计算公式 (2)

2.2 计算参数确定 (2)

2.3 单桩竖向承载力特征值确定 (3)

3 确定桩的数目及布置方式 (3)

4 计算基桩的承载力和沉降 (4)

4.1.1 计算公式 (4)

4.1.2 计算参数确定 (4)

4.1.2.1 结构重要性系数γ0 (4)

4.1.2.2 桩侧阻、端阻群桩效应系数ηs、ηp (4)

4.1.3 单桩竖向承载力特征值确定 (5)

5 桩身结构设计 (5)

5.1 内力计算 (6)

5.1.1双点起吊时的内力 (6)

5.1.2单点起吊时的内力 (6)

5.2 斜截面受剪验算 (6)

5.3 正截面受弯计算 (7)

6 承台设计 (8)

6.1 承台选型及布置 (8)

6.2 抗冲切验算 (9)

6.2.1 柱边冲切验算 (9)

6.2.2 角桩抗冲切验算 (9)

6.3 承台抗剪切验算 (10)

6.3.1 柱边抗剪切验算 (10)

6.3.2 梯形锥体顶端平台边缘抗剪验算 (11)

6.4 承台正截面配筋计算 (13)

6.4.1沿着承台长度方向的配筋计算 (13)

6.4.2沿着承台宽度方向的配筋计算 (13)

7 个人小结 (14)

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：

题目: 柱下桩基础设计

初始条件：

某承重柱，柱横截面尺寸为0.7×0.7 m2，柱底的中心荷栽设计值F=7000 kn，弯矩很小。地基表层为耕植土，厚度 1.0米，

r=18kn/m3，Es=3Mpa；第二层为粉土，厚2.5米，r

=19.0kn/m3，

sat

e=0.65，w=15%，Es=9Mpa；第三层为粉细砂，厚3.0米，中密状态；

=18.6kn/m3，w=50%， Es=1.8Mpa；

第四层为淤泥，厚4.0米，r

sat

其下为中砂，厚度大于15.0米，密实状态；地下水位深1.9米要求完成的主要任务:

1．课程设计计算说明书

要求有详细的设计计算步骤，设计合理，计算结果正确；书写工整（打印最佳），步骤明确，表述清楚，文理通顺

2．课程设计图纸

手工绘制A2图纸1-2张；图面布局合理，比例适当；书写工整，线条粗细分明，应用得当；图面整洁，符合制图标准

时间安排：

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

1 桩类型及尺寸选择

根据地质勘察报告，施工场地地下水埋藏深度为1.9m ，埋藏较浅。施工要求采用桩基（深基础），考虑到灌注桩施工是在施工现场成孔、灌注混凝土而成，桩身质量不易控制，地下水对桩的质量影响较大（除沉管灌注桩是封闭施工，不受地下水影响）。如采用灌注桩，则必须采取相应措施以减小或是排除地下水的影响。且土层分布较为均匀，因此，桩基采用预制桩。根据地质勘查报告，在地下10m 内有一淤泥层，其承载力极弱，不宜作为桩端的持力层。淤泥层以下是密实中砂土，其承载力较高，可选做桩端的持力土层，宜选择适当桩长以穿过淤泥层，避开软弱层。

初步拟定为桩长L=12m 的圆柱桩，桩身为0.42m ×0.42m 的方形普通钢筋混凝土预制桩。初步拟定承台的尺寸为 4.0m ×2.4m ，承台埋置深度为 d=1.5m （0.6m< d=1.5m < 1.9m ,满足构造要求）

2 确定单桩竖向承载力特征值

2.1 计算公式

根据经验参数法确定单桩承载力特征值。单桩竖向极限承载力标准值：Quk= Qsk+ Qpk=μ∑qsikLi+qpkAp

单桩竖向承载力特征值：

2.2 计算参数确定

采用混凝土预制桩，故

γs

=γ

=1.65 ,桩长L=12.0m ，桩端

持力层为密实的中沙层。各层计算参数如下：

第一层土，粉土层：L1=2.5m-0.5m=2.0m e=0.65<0.75,故q k

s 1=66—88kpa ，取q

s 1=70kpa

第二层土，粉细砂层：L2=3.0m 中密状态，故q k

s 2=48—66kpa ，取q

s 2=50kpa

第三层土，淤泥土层：L3=4m q

s 3=14—20kpa ，取q

s 3=15kpa

第四层土，中砂层（厚度大于15m ）：L4=12m-4m-3m-2m-0.05m=2.95m 密实状态，q

s 4=74—95kpa ，取 q

s 4=80kpa

s sk r Q r Q R +

第四层土作为桩端持力层，q pk

=5500—7000kpa ，取q pk

=6000kpa

2.3 单桩竖向承载力特征值确定

Q sk =μ∑q sik l i = 0.42m ×4×（70kpa ×2m+50kpa ×3m+15kpa ×4m+80kpa

×2.95m ）=984.48 KN Q pk =q pk A p =6000kpa ×0.42m ×0.42m=1058.4 KN

65.148.984KN +65

.14.1058KN

=596.65KN+641.45KN=1238.1KN

3 确定桩的数目及布置方式

=5.9

取n=6，考虑到承台受到的是中心荷载作用，所受的弯矩值极小。因此，不再考虑偏心的影响作用，桩的数目不再调整放大，取n=6 。布置如下图1.1 桩心距最小值：3.5d=3.5×0.42m=1.47m

承台长度最小值：a=2×(1.47m+0.42m)=2.78m ，实际取值a=4.0m>3.78m 承台宽度最小值：b=2×0.42m+1.47m=2.31m ，实际取值b=2.4m>2.31m 承台边缘挑出宽度：400mm-0.5×420mm=190mm>150mm ，均是满足要求的。 =+=p

s sk r Q r Q R R G F n +≥kn m

m m m kn kn 1.12385.14.24/2070003???+

图1.1 承台尺寸及桩的布置图

4 验算基桩的承载力和沉降

由于桩基础的沉降量很小，一般都能满足沉降量要求，故在此不再进行计算。仅进行基桩的承载力验算。

4.1 计算公式及计算参数确定

4.1.1 计算公式

基桩承载力特征值：

ηP

pk p

sk s

R +=

4.1.2 计算参数确定

4.1.2.1 结构重要性系数γ0

桩基础设计等级为乙级，故结构重要性系数 γ

=1.0

4.1.2.2 桩侧阻、端阻群桩效应系数η

、ηp

混凝土预制桩，经验参数法确定承载力特征值，故有65.1==γγp

桩心距：S ax =1600mm=1.6m ，S ay =1600mm=1.6m ，

m m

m S S S

ay ax

6.12

6.16.12

=+=

桩径d=0.42m ，承台宽度B c =2.4m ，桩长L=12.0m

8.342.06.1==

，2.00.124.2==

m m L B c 淤泥层：η

=0.88 ；

粉土层、粉细砂层、中砂：ηs

=1.12 ，在实际采用时，粉土层和粉细砂层处于

非密实状态，故ηs

=1.12 ，中砂层处于密实状态，ηs

要予以折减，中砂层实际

取用ηs

=1.12×（1-5％）=1.06 ；

密实中砂层作为桩端持力土层时，ηp

=1.20，在实际取用时予以折减，故实际采

用ηp

=1.20×（1-5％）=1.14 。

4.1.3 单桩竖向承载力特征值确定

γη

ηP

pk p

sk s

R +=

.1600014.165.195.28042.0406.165.141542.0488.065.135042.0412.165.127042.0412.1)42.0(2

m kpa m

kpa m m kpa m m kpa m m kpa m ??

+????+????+????+????=639.17 kn+731.26 kn =1370.43 kn

n F G N i +==6

70005.14.24/203kn

m m m m kn +???=1214.7 kn N

γ0

=1.0×1214.7 kn=1214.7 kn

承载力富余量百分比：%8.12%1007.12147.121443.1370=?-kn

kn kn ，富余量12.8%可

作为桩基承载力的安全储备，且余量较小。故不再考虑调整桩的尺寸、数目及承台基底尺寸。因为桩端持力土层密实中砂的厚度大于15.0m ，故而不再考虑持力层下是否存在下卧软层对桩基承载力的影响。

5 桩身结构设计

桩长L=12.0m<20m ，起吊时采用双点起吊，在打桩架立时，则采用单点起吊。为使得桩身受到的最大弯矩值取得最小，则是使起吊时桩身的最大正负弯矩值相等，如下图5.1

图 5.1 桩吊点布置及内力图

桩身混凝土强度等级按构造取为C30，受力主筋选用HRB335级钢筋，箍筋选用HPB235级钢筋。C30：

000.1,/43.1,

/3.1422===βc

mm N mm N f

，

在HRB335级钢筋下，21/300,3988.0,550.0,00.1mm N f

sb b ====αξα；

HPB235级钢筋：

2/210mm N f

=。

5.1 内力计算

5.1.1双点起吊时的内力

l M M Kq 2

0214.0==

= 0.0214×1.3×253

/m kn ×0.42m ×0.42m ×12m ×12m

= 17. 7 kn

V 1max =l Kq 207.0?=1.3×253/m kn ×0.42m ×0.42m ×0.207×12m = 14.2 kn

5.1.2单点起吊时的内力

M M Kq 2

210429.0==

= 0.0429×1.3×253

/m kn ×0.42m ×0.42m ×12m ×12m

= 35.4 kn

V 2max =l Kq 293.0?=1.3×253/m kn ×0.42m ×0.42m ×0.293×12m = 20.2 kn

5.2 斜截面受剪验算

h h w 0==420mm-35mm=385mm ，b =420mm ，mm

mm b b h h w 4203850===0.92<4 ， h b f c

25.0β

=0.25×1.0×14.32

/mm

N ×420mm ×385mm=578 kn

桩身最大剪力设计值：=V max 1.35×V 2max =1.35×20.2 kn=27.27 kn

V max

= 27.27 kn < h b f c

25.0β

=578 kn ，即桩身截面满足受弯构件最小

截面尺寸要求。

=385mm<800mm ，故

1)800

800()800

(

===h

，

（按h 0=800mm 取用） =h

b f t

7.0β

0.7×1.0×1.432/mm N ×420mm ×385mm = 161.9 kn

max

=27.27 kn < =h

b f t

7.0β

161.9 kn

故斜截面抗剪配筋（箍筋）按构造配置即可满足要求。详见施工图。

5.3 正截面受弯计算

单点起吊时的弯矩值最大，故按单点起吊时的内力（弯矩）进行配筋计算。重力荷载是不利因素，在此处取其荷载分项系数35.1=γG

。

M 1

==1.35×35.4m kn .=47.79 kn.m

b f C

s M

αα=???2

385(420/3.140.1.79.47mm mm mm N m

kn 0.0537

=0.0537 < αsb =0.3988

=?--=--=0537.0211211αξs 0.055<ξb =0.55(满足要求)

=????==2

/300385420/3.140.1055.0mm N mm

mm mm N f

h b f A

αξ

424mm

取3Φ14（A s =4612

mm ）

=?==mm

mm mm h

b A s

4204204612

ρ0.26% 因为最大正负弯矩值相等，即M M 21= ,所以按照对称配筋。总的配筋率ρρ21==2×0.26%=0.52%<%8.0min =ρ 。（构造要求一般最小配筋率达到1%）故按照构造要求进行配筋：2A s =h

ρ=1%×420mm ×420mm=17642mm ，

A s =8822mm 。实际每侧选用3Φ20（A s

=9422

mm ）。

受力主筋按通长布置，桩尖所有受力主筋焊接在一根圆钢上，配有12mm ×100mm ×100mm 的钢板。桩上埋设吊环，双点起吊时的两个吊环距两端距离为,2484207.0mm l =实际设置为2490mm ；单点起吊时，吊环距离桩

mm l 3516293.0=，实际设置为3520mm 。桩的两侧面配置两根122Φ的构造筋，形成钢筋骨架。正截面配筋示意图如图5.2 。

图 5.2 桩正截面配筋示意图

6 承台设计

6.1 承台选型及布置

承台选择梯形形式，混凝土强度等级为C35，受力主筋为HRB335级钢筋。

承台尺寸及布置如图6.1 。C35：22/57.1,

/7.16mm N mm N f

f t

==，HRB335：

2/300mm N f

=。

图 6.1 承台尺寸布置图

承台顶到地面的距离为：1500mm-1000mm=500mm >100mm ，满足要求。

6.2 抗冲切验算

6.2.1 柱边冲切验算

如图6.1所示，沿着承台长度方向上，柱边和承台交接处与桩顶内边缘连线

的夹角值θ，,0.191.01040

1000tan ≈=-=

θ即夹角近似为045，沿着承台的长度方

向上，柱边和承台交接处与桩顶内边缘连线的夹角值是大于045的。因此，可按照柱边冲切破坏锥体与承台底面的夹角大于等于045的情况进行计算。

=h 01000mm-70mm-50mm-

20mm

=870mm （初设承台主筋直径为20mm ）， =a x 01040mm ，==

a x x 87010400

00λ 1.20>1.0，取0.10=λx ；

=a y 0240mm ，==

a x x 8702400

00λ0.28> 0.25，取

28.00=λ

=+=+=

2.00.184

.02.084.0λβ

0.7 ，=+=+=

2.028.084.02.084.0λβoy oy 1.75

==b

h c

700mm ，800mm

的影响系数=-?--+

=)0.19.0(800200080010000.1mm

mm mm

mm hp β

0.98，

截面抗冲切承载力为： mm

mm N mm mm mm mm h

f a h a b t

x c oy

y c ox

870/57.198.0)]1040700(75.1)240700(7.0[2)]()([220

00???+?++?=+++β

ββ= 9913.5 kn

kn kn F h

f a h a b N F

x c oy

y c ox

i l

5.9913)]()([27000070000

00=+++<=-=-=∑β

ββ满足柱边抗冲切要求。

6.2.2 角桩抗冲切验算

四根角桩是对称布置的，因此，只需验算一根角桩的抗冲切强度即可。计算过程如下。

角桩向上冲切，从角桩内边缘至承台外边缘的距离：

=+==2

42040021mm

mm c c 610mm

角桩冲切截面有效高度：

=?-+=mm mm

mm mm

mm h 250501040610750904mm

=h 0904mm-70mm-50mm-=220mm

774mm 冲跨：=-=mm mm a x 5010001950mm （,10409501mm mm a x <=是成立的），

==a a

x y

01240mm 。

mm mm h a

x 7749500

11λ 1.23>1.0，故取=λx 1 1.0 ，=+=+=2

.00.156

.02.056.011λβx x 0.47

=mm mm h

a y y

7742400

11λ0.31>0.20，故取=λx 10.31，=+=+=2.031.056

.02.056.011λβy

y 1.10 截面高度mm h 904=，mm mm h mm 2000904800<=<，因此，受冲切剪力截面

高度影响系数=-?--+

=)0.19.0(80020008009040.1mm

mm mm

mm hp

0.99。

受冲切截面的抗冲切承载力为：

mm N mm

mm mm mm h f a c a

c t hp x y y

x 6.1848774/57.199.0)]2

950610(10.1)2240610(47.0[)]2

()2([20

111121=???+?++?=+++

βββ角桩冲切力为：n

F G N i +==670005.14.24/203kn

m m m m kn +???=1214.7 kn

<=kn N i 7.1214kn h

f a c a

c t

hp x y y

6.1848)]2

()2([0

111121=+++

βββ ，角桩处满

足抗冲切要求。

6.3 承台抗剪切验算

6.3.1 柱边抗剪切验算

截面有效高度：=h 01000mm-70mm-50mm-=2

20mm

870mm

mm a x 1040=，0.320.187010400

<==

a x

x λ，取20.1=λx ；

mm a y 240=，25.028.08702400

>==

a y x λ，取28.0=λy

80.00.12.175.10.175.1=+=+=λαx

x ，

37.10.128.075.10.175.1=+=+=λαy y

沿承台宽度方向上斜截面受剪承载力：

mm mm mm N h b f h

b f t

1.25688702400/57.180.0)870800()

800

(

241

=????==ααβ

此方向上斜截面上的剪力设计值：

<=?=kn kn V x

3.23336

70002kn h b f h

b f t

1.2568)

800

(

==ααβ

即满足抗剪要求。

沿承台长度方向上斜截面受剪承载力：

mm mm mm N h b f h

b f t

8.73298704000/57.137.1)870800()

800

(

=????==ααβ

此方向上斜截面上的剪力设计值：

<=?=kn kn V y

35006

70003kn h b f h

b f t

8.7329)

800

(

==ααβ

即满足抗剪要求。

6.3.2 梯形锥体顶端平台边缘抗剪验算

截面有效高度

=h 01000mm-70mm-50mm-

20mm

870mm （初拟底板配筋直径为20mm ），梯形斜坡坡高=h 1250mm ，承台长度

mm b

x 40001

=，锥顶长度

mm mm mm b

x 8005027002

=?+=，承台宽度mm b y 24001=，锥顶长度

mm mm mm b

y 8005027002

=?+=。

承台长度方向斜截面的计算宽度：

mm mm

mm mm b b

h b x x x x 2.35404000)]40008001(8702505.01[)]1(5.01[11

10=?-??

-=--=

承台宽度方向斜截面的计算宽度：

mm mm

mm mm b b

b h

b y y y y 1.21702400)]24008001(8702505.01[)]

1(5.01[1

10=?-??-=-

mm mm mm a x 9905010400=-=，0.314.18709900

00<==

a x x λ，取14.10=λx ；

mm mm a y 502400-=，25.022.08701900

00<==

a y x λ，取25.00=λy

82.00

.114.175

.10.175.100=+=+=

λαx x ，40.10.125.075.10.175.100=+=+=

λαy y 沿承台宽度方向上斜截面受剪承载力：

mm mm mm N h b f h

b f y

2.23808701.2170/57.182.0)870800()

800

(

004

0=????==ααβ

此方向上斜截面上的剪力设计值：

<=?=kn kn V x

3.23336

70002kn h b f h

b f y

2.2380)

800

(

004

00==ααβ

即满足抗剪要求。

沿承台长度方向上斜截面受剪承载力：

mm mm mm N h b f h

b f x

3.66298702.3540/57.140.1)870800()

800

(

004

0=????==ααβ

此方向上斜截面上的剪力设计值：

<=?=kn kn V y

35006

70003kn h b f h

b f x

3.6629)

800

(

0==ααβ

即满足抗剪要求。

6.4 承台正截面配筋计算

按受弯构件进行设计，计算过程如下。

单桩净反力：

kn kn

n F N 7.11666

7000===

6.4.1沿着承台长度方向的配筋计算

绕承台板宽度方向的弯矩： =+

??==)2

4201040(7.1166221mm

mm kn x N M y 2916.75m kn ?

=???=

/3008709.075.29169.0mm

N mm m kn f

h M A y

y s 12417.02

mm 选用16Φ32，=A s 128682mm , 钢筋间距为150mm ，沿承台的长度方向均匀布置，两边的保护层厚度为mm mm

mm mm 592

322150152400=-?-，取为60mm

6.4.2沿着承台宽度方向的配筋计算

绕承台板宽长度方向的弯矩： =+

??==)2

420240(7.1166331

mm kn y

N M x 1575.05m kn ?

=???=

/3008709.005.15759.0mm

N mm m kn f

h M

A y

x s 6705.22

mm 选用27Φ18，=A s 68702mm , 钢筋间距为150mm ，沿平行于承台宽度的方向均匀布置，两边的保护层厚度为mm mm

mm mm 412

182150264000=-?-，

取为40mm