《基础工程》铁路桥梁桥墩基础课程设计

目录

一、工程概况 .................................................. 1 二、工程地质和水文地质 ........................................ 1 三、设计荷载 .................................................. 2

1、恒载 ................................................... 2

（1）结构构件自重 ........................................................................................... 2

（2）附属设施重（二期恒载） ....................................................................... 2

2、活载 ................................................... 2 四、设计步骤 .................................................. 3

1.支座反力的确定： ........................................ 3

（1） （2）

（3）

基底以上墩及土的重量和GK的计算 .............................................. 3 附加力（风力） ................................................................................. 4 主力 ..................................................................................................... 5

2.基础的选择与检算 ........................................ 9

（1） 选定桩基类型 ..................................................................................... 9

（2） 选择桩材与桩径 ................................................................................. 9 （3） 拟定承台底面平面形状及尺寸 ....................................................... 11 （4） 桩与承台连接方式 ........................................................................... 12 （5） 求R和桩数检验 .............................................................................. 12 （6） 求桩顶荷载 ....................................................................................... 13 （7） 基桩竖向抗压承载力验算 ............................................................... 14 （8） 水平承载力检验 ............................................................................... 14 （9） 承台抗冲切验算 ............................................................................... 14 （10） 承台底面形心处的位移计算 ........................................................... 15 （11） 桩基检算 ........................................................................................... 20

3.基础配筋 ............................................... 23

（1）

（2） （3） （4）

判断大小偏心 ................................................................................... 24 应力检算 ........................................................................................... 24 稳定性检算 ....................................................................................... 25 单根桩材料表 ................................................................................... 25

五、施工图绘制 ............................................... 26 六、规范及参考书 ............................................. 26

某高速铁路桥梁桥墩基础设计

设计任务

一、工程概况

该桥梁系高速铁路干线上的特大桥（复线），线路位于直线平坡地段。该地区地震烈度较低，不考虑地震设防问题。

桥梁及桥墩部分的设计已经完成，桥跨由8孔32m预应力钢筋混凝土整体箱梁组成，见图3-1和图3-3。

二、工程地质和水文地质

场地处的地质剖面见图3-2，相关土工试验资料见表3-1。水文资料见图3-1。

表3-1 土工试验成果表 地含水液限 塑限 重度 土层编号 质 比重 量 wL wp  及名称 年Gs w /kN/m3 /% /% 代 /% ① 软粘土 Q4 2.72 14.9 ② 砂粘土 Q4 2.69 18.8 ③ 粗砂中Q3 2.60 19.5 密 ④ 强风化K 砂岩 ⑤ 中风化K 砂岩  地基 渗透系压缩系承载c 数k 数a 力特/kPa /cm/s /MPa-1 征值(kpa) 100 190 350 91.5 85.0 55.0 617’ 10.1 2.8E-8 0.494 34.5 43.0 28.0 1205’ 19.4 3.4E-7 0.112 26.2 / / 2432’ / 2.7E-1 0.011 饱和单轴抗压强度 R=2.4MPa 饱和单轴抗压强度 R=6.7MPa 1

三、设计荷载

1、恒载

（1）结构构件自重

按《铁路涵设计基本规范》（TB10002.1-2005)采用。按照图纸提供采用

梁的自重Q1：

钢筋混凝土重度25kN/m3，梁体混凝土用量259.8m则：

3Q1=25259.832203kN/m （2）附属设施重（二期恒载）

轨下枕底道碴厚度为35cm。包括钢轨、道碴、轨枕、防水层、保护层、人行道遮板、声屏障、挡碴 墙、电缆槽竖墙、盖板等重量，直线梁按184kN/m计算，曲线梁按198kN/m计算。则：

Q2=184kN/m。

2、活载

列车竖向活载纵向计算分别采用ZK标准活载。

2

恒载图示：

Q1Q2203184387kN/m

图2 恒载作用简图（尺寸单位：mm）

四、设计步骤

1. 支座反力的确定：

根据提供的上部结构恒载及活载，分双线纵向主＋附两孔满载、双线纵向主＋附一孔轻载两种情况。先计算四个支座的支座反力，再把荷载计算到承台底面形心处。

（1） 基底以上墩及土的重量和GK的计算 墩台自重G的计算：

3

顶帽及托盘钢筋混凝土用量：66.63m； 墩身混钢筋混凝土用量：83.62m；

吊篮：一个桥墩：Q235钢材（12h+1529.3）kg；

2m涂装面积：72.43（重量可忽略）；

3

3

支承垫石钢筋混凝土用量：2.8m。

底座钢筋混凝土用量：17.43.419.45.475.92m

33

G66.6383.622.875.92251281529.39.8110005740.19kN土的重量：

基底以上土的体积：75.92m；

314.9kN/m该土为软粘土，其重度。

3该体积的软粘土重量：75.9214.91131.21kN

GKG1131.216871.40kN

（2） 附加力（风力）

计算公式：

WK1K2K3W0

式中：W—风荷载强度（Pa）；

W0—基本风压值（Pa），查规范取550Pa；

K1—风载体型系数，L/b=2.19取1.1； K2—风压高度变化系数，取1.0；

4

K3—地形、地理条件系数，取1.0。

WK1K2K3W01.11.01.0550605Pa

桥上有车时按上式值的80%计算。

W80%6050.484kPa

a) 顶帽风力 迎风面积：

2.80.37622.1m2

顶帽风力=0.484×2.1=1.12kN

对基底产生的矩为：1.12×（0.188+14.2）=16.1kN•m b) 墩身风力 迎风面积=67.4m2

墩身风力=67.4×0.484=32.62kN

对基底产生的矩为：32.62×8=292.96kN•m 总的纵向风力H=1.12+32.62=33.72kN，取34kN。 （3） 主力 支座编号：

5

图3 支座编号（横向）简图

a) 情况1：双线纵向主＋附两孔满载

图4 两孔满载简图（尺寸单位：mm）

列车活载动力系数：

0.996L0.20.913，L—结构计算跨度，单位m

0.996L0.20.996320.2本设计：0.9130.9131.1

此时支座反力计算： 左跨部分：

M0:

11.128.822001.128.80.82001.128.80.81.62

1387322FN13202FN17522.38kN

由对称性：FN1FN2FN3FN47522.38kN 此时荷载计算到承台底面形心处:

FK4FN147522.38300.52kN

6

图5 两孔重载时承台地面受力简图

FK—对应于荷载效应标准组合时，上部结构传至承台底部的竖向力； GK—基底以上基础、土等的自重之和。 b) 情况2：双线纵向主＋附一孔轻载

图6 单孔轻载简图（尺寸单位：mm）

此时支座反力计算： 左跨部分：

M0:

2001.11.63.24.8126.41.126.41.630.8221387322FN13202

FN16803.95kN

7

由对称性：

FN1FN26803.95kN

右跨部分：

M0:12387322FN3320 FN36192kN

由对称性：FN3FN46192kN 此时荷载计算到承台底面形心处:

FK2FN12FN326803.952619225991.9kN

偏心距e=1.7+0.7=2.4m

MK2FN12FN3e16.1292.9626803.95261922.416.1292.963246.42kNmMK—竖向合力和风力产生的偏心矩。

图7 单孔轻载时承台底面受力简图

8

2. 基础的选择与检算

（1） 选定桩基类型

考虑桩基为低承台，采用钻孔灌入桩，确定设计为端承桩。 （2） 选择桩材与桩径

图8 土层分布图

a) 桩身采用C25混凝土。

b) 设计桩径采用d=1m，成孔桩径为1.05m,钻孔灌注桩，采用旋转式

钻头。

c) 画出土层分布图如图8所示，选用强分化砂岩层为持力层，桩端进

入持力层的临界深度为1.5d=1.5m，即桩端进入持力层要大于1.5m，从承台底面到粗砂中密层底部深度为19.10m，则取桩长l=22m。桩底标高12.13m，进入持力层2.90m。 d) 估算桩数：（按双孔重载估算）

9

估算公式：nFKGK R式中：FKGK—竖向承载力总和（kN）；

R—基桩的竖向承载力设计值；

—经验系数。

QukQskQpkuqsikliqpkAp

RQsk/sQpk/pR'APuqsikli/sqpkAp/pR'AP

ud10.053.299m Apd240.785m2

qsik由教材表5-6查得桩的极限侧阻力的标准值软粘土：IL=1.22，qs1k=21kPa，l1=2.59m; 砂粘土： IL=0.43，qs2k=70kPa，l2=8.45m; 粗砂中密： qs3k=74kPa，l3=8m； 强分化砂岩：R'=2.4MPa，l4=2.96m。 由教材表5-7查得桩的极限端阻力标准值

为：

qpk为：

强分化砂岩：h=25m，取qpk=6300kPa。故：

QukQskQpkuqsikliqpkAp3.299212.59708.4574863000.785 4083.84945.59029.30kN由于桩端端阻力承受主要竖向力，取c0，spsp1.0，

sp1.65。故：

10

RQsk/sQpk/p2.4Ap4083.8/1.654945.5/1.652.40.7857356.30kN

取1.3，则估算桩数：

nFKGK300.526871.401.35.02根R7356.3

暂时取n=6根，验算后作必要调整。 （3） 拟定承台底面平面形状及尺寸

查《铁路桥规》，当d1m时，最外一排桩至承台底板边缘的净距不得小于0.5d（设计桩径）且不得小于0.25m，且钻孔灌注桩中心距不应小于2.5成孔桩径，满足桩间距和和承台边到桩净距的前提下得到桩在承台底面的布置情况，如下图（单位：cm）：

图9 桩在承台底面的布置（尺寸单位：cm）

s 由上图可知桩中心距a在（3-4）d之间，所以桩端处地基中各桩传

11

来的压力将相互重叠。 （4） 桩与承台连接方式

采用主筋伸入式，桩伸入承台板内10cm，具体配筋见后面详述。 （5） 求R和桩数检验

计算考虑群桩效应下的基础竖向承载力设计值R并检验桩数是否合适

根据式（5-67）可知

RsQsk/spQsk/pcQck/c

其中

QckqckAc na) 求侧阻、端阻群桩系数s、p。这两个系数可根据sa/d和Bc/l由表5-20查得，但由于横向和纵向

sa不相等，查表时应采取平均值，即

sa/d3.43.5/23.45

1以sa/d3.45和Bc/l5.4/220.245，按桩周为砂土，用内插法从表5-20

得出

s1.155,p1.267

b) 求承台底的土抗力群桩效应系数c。这个系数可按式5-70计算。首先求出承台内区、外区的净面积Aci、Ace 和承台底地基土净面积Ac

Ac5.49.460.78546.05m2

Aci20.53.40.53.523.4420.78534.46m2

12

AceAcAci46.0534.4611.59m2

ci、ce可根据sa/d3.45和Bc/l5.4/220.245由表5-21内插法查得,由于承台下的砂粘土属于高压缩性土，故ci按Bc/l0.2取值。按

sa/d3.45和Bc/l0.2，用内插法得

ci0.1235,ce0.684

按式（5-70）得

eAci34.4611.59eAccc0.12350.6840.26

AcAc46.0546.05ic（6） 求桩顶荷载

竖向力FKGK25991.96871.4032863.3kN;承台高度h为2m，则承台所受的弯矩（绕y轴）(绕轴方式：水平向右为y轴，向上为x轴)

My2937.36292.9616.13246.42kNm

按式（5-60），各基桩所受的平均竖向压力设计值为

NFKGK32863.35477.22kN n6按式（5-61），基桩最大和最小竖向压力设计值为

NmaxFKGKMyxi3246.423.465477.22n63.422 xii15477.22159.175636.39kNNminFKGKMyxi3246.423.465477.22n63.422 xii15477.22159.175318.05kN013

（7） 基桩竖向抗压承载力验算

0NR和式基础偏心受压时，验算时要同时满足式（5-72）（5-73）

0Nmax1.2R两个条件，设计桩基的安全等级为一级，则建筑基桩重要性系数

0=1.2。验算如下

0N1.25477.226572.66kNR7356.30kN

0Nmax1.25636.396763.67kN1.2R8707.56kN 两项验算均满足要求。 （8） 水平承载力检验

水平力H=34kN,水平力和竖向力的合力与铅垂线的夹角

arctan34 0.0745，故可以不验算基桩的水平承载力。

25991.9（9） 承台抗冲切验算

设计承台厚2.0m，冲切破坏锥体的有效高度h01.9m。 a) 柱对承台的冲切验算。根据公式（5-93），（5-94），（5-95）

0Flftumh0 FlFQi

0.72/0.2

式中：

Fl—作用于冲切破坏锥体上的冲切力设计值； —承台混凝土抗拉强度设计值； —冲切破坏锥体有效高度中线周长； —承台冲切破坏锥体的有效高度；

14

ftumh0

—冲切系数；

—冲跨比，a0/h0，a0为冲跨，即柱（墙）边或承台变

阶处到桩边的水平距离；当当

a00.20h0a00.20h0时，取

a00.20h0；

，取

a0h0，满足0.2~1.0；

F—作用于柱或墙底的竖向荷载设计值；

Ni—冲切破坏锥体范围内各基桩的净反力（不计承台和承台上土自重）设计值之和。

设计一级桩基，01.2

FlFQi25991.9025991.9kN

由于在x方向a0166mm，在y方向a0200mm。采用两者平均值，即

a0183mm，则

a0/h0183/19000.096

0.72/0.20.72/0.0960.22.43

5.6664.423.5um215.6m

22承台混凝土选用C30，抗拉强度设计值ft1430kPa，则

ftumh02.43143015.61.9102996.04kN0Fl25991.9kN 满足要求。

（10） 承台底面形心处的位移计算 a) 设计荷载：

双线、纵向、二孔重载：

15

N300.52kN,H34kN,M0kNm

双线、纵向、一孔轻载：

N25991.9kN,H34kN,M3246.42kNm

b) 计算b1、 i.

桩的计算宽度：

b1kfd10.9111.8m

ii.

计算基础变形系数α

5Imb1 EI0.0491m4，

d4查《铁路桥规》Eh2.8107kPa

∴铁路E0.8Eh0.82.81072.24107kPa

EI2.241070.04911.10106kPa/m4

假定桩为弹性桩，则其计算深度：

h21d21.0514.1mmhm深度内存在两层不同的土，则地基比例系数m的换算公式为：

mm1h1m22h1h2h22hm2

其中 m15000kN/m4，h12.59m，m28000kN/m4，h21.51m，则

16

m1h12m2(2h1h2)h2m2hm50002.598000(22.591.51)1.5146802.838kN/m4.12mb156802.8381.80.407m1 6EI1.10102

∴ 5 而l0.407228.9542.5，则桩为弹性桩，按弹性桩计算。

c) 计算单桩桩顶刚度1、2、3、4

11l0l1AEC0A0

其中：

l00，l22m，E2.810kPa，A7d240.785m2，1.0

2432'Dd2ltan1222tan5.73m3m，所以取D3m44 A0D243247.069m2

l22m10m ∴C0m0lml6802.83822149662.436kN/m3

11l0l1AEC0A011.02210.7852.8107149662.4367.0695.138105kN/m1.0,Y0.985,1.48又l0.407228.9544.0，查表有Y HMM∴2EIYH0.4071.1101.07.110kNm

3332EIYM0.40721.11060.9851.795105kN

17

4EIM0.4071.11061.4846.8105kNm/rad i.

计算承台刚性系数

bbni1n165.1381053.083106kN/maani2n267.11045.935105kNmaani3n361.7951051.077106kNni4ni1xi52 3.42766.81065.13810()1.30310kNm/rad25 对于低承台桩基，承台完全处于软塑砂粘土中，因此，承台的计算宽度为：

B0b19.4110.4m，Chmh80004.463.568104kN/m3∴

aaaaChh3.5681044.465B05.9351010.41.421106kNm

22Chh23.5681044.4626B01.0771010.40.153106kN66

aaaChh33.5681044.4637B01.3031010.41.577107kNm/rad1212

ii.

计算承台底面形心处的位移a，b，β

桩基为竖直桩基，桩群对称布置，bababa0，则有：

18

''aHaaaNbbb''aMa

Nbbb''aHaM'aa''2a'M'H aaa'''2aaa荷载情况1—双线、纵向、二孔重载：

N300.52kN,H34kN,M0kNm

bN300.52bb3.083109.7601036m

aHaM2aaa1.57710734014.211051.577107(0.153106)20.240104maaMaH2aaa14.211050(0.153106)3414.211051.577107(0.153106)22.324107rad荷载情况2—双线、纵向、单孔重载：

N25991.9kN,H34kN,M3246.42kNm

bN25991.93.0831068.431103mbb

由上式得承台形心位移：

19

aHaMaaa21.577107340.1531063246.4240.22910m576214.21101.57710(0.15310)

aaMaHaaa2

14.211053246.42(0.153106)3442.06310rad576214.21101.57710(0.15310)（11） 桩基检算

a) 群桩承载力检算（按双孔重载计算）

将桩群看作一个实体基础，则实体基础为一台体，台体底面由于

内摩擦角（2432'）较顶面放大，底面尺寸：

a123.52ltan42432'17222tan

413m2432'b3.512ltan4.5222tan10m44

Aab1310130m2

ab212.7289.2282W180.4m3

66桩自重：G1220.7852562590.5kN 桩侧土重：

20

G2117.454(2.5914.98.4518.810.9619.5)117.454647588.955kN承台重：G32510.45.413.47.412033kN

承台部分土重：G32010.45.413.47.411626.4kN

NNGGGG01233 300.522590.547588.9520331626.480675.57kNN0M80675.573246.425639kPa[]4kPa AW130180.b) 墩顶水平位移检算（按一孔重载） 墩高：H=14.35m 则墩顶位移

aHd0.2291042.06310414.356.4341043.627103m []5L53228mc) 结构在土面处的位移（按一孔轻载）

在《桥规》中查m、m0时，只适用于结构在地面处的最大位移为6mm，若超过6mm就不能采用“m”法进行计算，故需要对桩在土面处的位移进行检算。

墩身埋于土中高度：h'38.46371.46m

ah0.2991042.0631041.460.331103m6mm

∴可以用m法直接查表计算 d) 桩身截面配筋设计（一孔重载） i.

桩身弯矩计算

H0a230.2991047.11042.0631041.79510534.67kN

21

M04a32.0631046.81050.2991041.795105136.24kNm∴任意深度z处桩身截面弯矩：

MzH0AMM0BM34.67AM136.24BM85.184AM136.24BM 0.407Mz列表计算如下：

Z 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.5 4.0 Z(m) 0.00 0.477 0.955 1.432 1.909 2.387 2.8 3.341 3.819 4.296 4.773 5.251 5.728 6.205 6.683 7.160 8.353 9.547 AM 0 0.197 0.377 0.529 0.6 0.723 0.762 0.765 0.737 0.685 0.614 0.532 0.443 0.355 0.27 0.193 0.051 0 Bm 1 0.998 0.986 0.959 0.913 0.851 0.774 0.687 0.594 0.499 0.407 0.32 0.243 0.175 0.12 0.076 0.014 0 41.332AM 1.994BM 0 16.781 32.114 45.062 55.029 61.588 .910 65.166 62.781 58.351 52.303 45.318 37.737 30.240 23.000 16.441 4.344 0.000 136.248 135.976 134.341 130.662 124.394 115.947 105.456 93.602 80.931 67.988 55.453 43.599 33.108 23.843 16.350 10.355 1.907 0.000 Mz(kNm) 136.248 152.757 166.455 175.724 179.423 177.535 170.366 158.768 143.712 126.339 107.756 88.917 70.845 54.084 39.349 26.795 6.252 0.000 由表知：Mmax179.423kNm

NminN300.52x5.13810n1561.72.0631044834.73kN

ii. 计算偏心距

22

初始偏心距：e0Mmax179.4230.037m Nmin4834.73偏心距放大系数：1

KN12EhIhlc2其中，影响系数0.10.10.160.160.618 e00.0370.20.22.00h4.0计算长度：lc0.5(l0系数）

)0.5(04.0)4.914m，（为变形0.407 主力+附加力，所以K=0.6 则111.008

KN0.64834.73112EhIh22.81070.04910.61824.9142lc

∴

ee01.0080.0370.0373m3. 基础配筋

根据灌注桩构造要求，桥梁桩基主筋宜采用光圆钢筋，主筋直径

不宜小于16mm，净距不宜小于120mm，且任一情况下不得小于80mm，主筋净保护层不应小于60mm。在满足最小间距的情况下，尽可能采用单筋、小直径的钢筋，以提高桩的抗裂性，所以主筋采用I级钢筋。桩身混凝土为C25，根据《桥规》规定，取min=0.5%,则

As,minminAc0.5%

4100023927mm2

23

选用16φ18的Ⅰ级钢筋，As,实4072mm2，取净保护层厚度

as60mm，采用对称配筋，则主筋净距为：

2R2(500609)符合要d18151.253mm120mm，

1616求。

桩与承台的联结方式为主筋伸入式，桩身伸入承台板0.1m，主筋伸入承台的长度（算至弯钩切点）对于光圆钢筋不得不小于45倍主筋直径（即810mm），取900mm,主筋应配到4/α处以下2m处（约为11.55m）,取其长度为12m，则主筋总长为13m。箍筋采用Φ8@200mm，为增加钢筋笼刚度，顺钢筋笼长度每隔2m加一道φ18的骨架钢筋。

桩身截面配筋如设计图纸。

（1） 判断大小偏心

n=16，换算截面面积：A0换算截面惯性矩：

d24nAs850550mm2

1500412I0nAsrs164072(50069)25.6851010mm44242R4I056751010核心距：k133.44mme37.3mm

A0y850550500故属小偏心构件 （2） 应力检算

小偏心构件，全截面受压，则

24

NM4834.73103179.423103cy5005.69MPa[b]9.5MPa10A0I08505505.67510

NM4834.73103179.423103sn[(yas)]16[(500609)] A0I08505505.675101090.97MPa[s]160MPa应力合格

（3） 稳定性检算

桩计算长度lc4.914m，d1m，lc/d4.9147 查表取得Φ=1.0， m=12.4

4834.73103c5.784MPa[c]7.6MPa21.0(/4100012.44072)(AcmAs)N 则稳定性满足要求 （4） 单根桩材料表

a) 钢筋 受力纵筋 环向箍筋 骨架钢筋 直径mm 18 8 18 根数 16 65 6 单根长m 13 2.76 2.65 单重kg/m 2 0.395 2 总长m 总重kg 208 179.4 15.9 416 70.86 31.80 b) 混凝土

桩

等级 C25 直径m 1.05 长m 22 体积m3 19.050 25

五、施工图绘制

设计结果应表示为施工图。图纸统一用标准A3图幅（297mm420mm）。标题栏的形式如下：

西南交通大学土木工程系 班 级 姓 名 指导教师 日 期 （图名） 标题栏长度设计为150mm，左起第一栏长100mm，第二栏和第三栏各长25mm；高度设计为30mm，各行均分。

图纸内容如下： 1. 基础结构图； 2. 基础配筋图。

各图纸应包括图纸说明和工程数量表。

六、规范及参考书

1．中华人民共和国国家标准．建筑地基基础设计规范，GB 50007—2002

2．中华人民共和国铁道部标准．铁路桥涵地基基础设计规范，TBJ2－99

3．赵明华主编，徐学燕副主编．基础工程．高等教育出版社，2003 4．李克钏主编，罗书学副主编．基础工程．中国铁道出版社，2000

26