《土力学与基础工程》

课程设计报告

题 目： 桩基础课程设计

院 （系）： 城市建设学院

专业班级： 土木1003班

学生姓名： 彭刚杰

学 号： 20101222174

指导教师： 张苡铭

20xx年 1 月 13 日至20xx年 1 月 19 日

华中科技大学武昌分校制

目 录

1、桩基础设计原则........................................................1

60

2、桩基设计等级..........................................................1

3、基本设计资料..........................................................2

4、桩的类型、截面和桩长的选择............................................2

4.1桩的类型..............................................................2

4.2桩的截面选择..........................................................2

4.3桩长选择..............................................................2

5、桩的根数和布置.........................................................2

5.1单桩竖向承力特征值.....................................................2

5.2初步估计桩数...........................................................3

5.3桩的布置...............................................................3

6、桩基承载力验算.........................................................3

6.1基桩竖向承载力验算.....................................................3

6.2基桩水平承载力验算.....................................................4

7、群桩地基承载力验算......................................................7

7.1桩底持力层承载力验算...................................................7

7.2桩底软弱下卧层承载力验算...............................................8

7.3桩身截面强度计算及桩身结构设计.........................................8

8、承台设计...............................................................10

8.1类型及构造要求........................................................11

8.2拟定承台尺寸及抗冲切计算..............................................11

8.3承台受剪承载力的计算..................................................13

8.4承台受弯承载力的计算..................................................14

9、施工图.................................................................17

61

设计总则

1、桩基础设计原则

①承载能力极限状态：对应于桩基受荷达到最大承载能力导致整体失稳或发生不适于继续承载的变形；

②正常使用极限状态：对应于桩基变形达到为保证建筑物正常使用所规定的限值或桩基达到耐久性要求的某项限值。

2、桩基设计等级

桩基根据本次课程设计要求应分别进行下列承载能力计算：

应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的竖向承载力计算和水平承载力计算。应对桩身和承台结构承载力进行计算。

桩基设计时，所采用的作用效应组合与相应的抗力应符合下列规定：

1. 确定桩数和布桩时，应采用传至承台底面的荷载效应标准组合；相应 抗力应采用基桩或复合基桩承载力特征值。

2. 在计算桩基结构承载力、确定尺寸和配筋时，应采用传至承台顶面的荷载效应基本组合。

3. 桩基结构设计安全等级、结构设计使用年限和结构重要性系数? 应按现行有关建筑结构规范的规定采用。本次课程设计为房屋建筑，属于一般的民用

1

建筑物，破坏后果严重，?取1.0（?*S?R）。

桩基础设计内容

3、基本设计资料

本次课程设计的基本设计资料主要来源课程设计任务书。

4、桩的类型、截面和桩长的选择

4.1、桩的类型

根据课程设计资料，桩端进入的持力层的物理性质指标:IL?0.25,为硬塑状态，Es?13.0为中压缩性土，e?0.5<0.6密实。可见，持力层为较密实的硬塑性粘土为优良地基。可以选择端承摩擦桩。根据《建筑桩基技术规范》附录A， 对于桩端进入持力层为硬塑性粘土，地下水位以下的可用预制静压桩。

4.2、桩的截面选择

边长为400mm?400mm的预制桩；

4.3、桩长选择

根据构造要求，为保证群桩与承台之间连接的整体性，装顶应嵌入承台一定长度，对于大直径桩（d?800mm）宜大于等于100mm，对于中等直径的桩（250mm?d?800mm）宜大于等于50mm。现先暂取50mm。根据《桩基规范

3.3.3》应选择较硬土层作为桩端持力层。桩端全断面进入持力层的深度，对于黏性土、粉土不宜小于2d。综合以上情况，预估桩长：l?2.0+4.5+2.05 +0.05?8.6m。并初步确定承台底面标高为任务书为天然地坪下1.7m。

5、桩的根数和布置

5．1、单桩竖向承力特征值

由《桩基规范5.3.5》根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值时，宜按下式估算：

Quk?Qsk?Qpk?up?qsikli?qpkAp

Qsk—单桩总极限侧阻力标准值；

2

Qpk—单桩总极限端阻力标准值；

qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；

qpk—桩端极限端阻力标准值；

表一

Quk?1.6?(130?189?176.3)?2500?0.16?1192.48Kpa

单桩竖向承载力特征值Ra?Quk?Quk?596.24Kpa

5.2、初步估计桩数

按轴压，暂不考虑承台及上部回填土自重：n?

考虑偏压，2.625?1.2?3.15根，暂取4根。 Fk1565kpa??2.625 Ra596.24kpa

5.3、桩的布置

根据《桩基规范3.3.3》桩基的最小中心距取4d?1.6m。由承台的构造要求，承台边缘至边桩中心距离不应小于桩的直径和边长，且边缘挑出部分应大于等于150mm。桩的布置采用等间距双排布置，承台形状根据桩的布置形式选择正方形，边长初步定为：0.4+0.4?4+0.4=2.4m。

6、 桩基承载力验算

6.1、基桩竖向承载力验算

考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值R可按下式确定：

不考虑地震作用时：R?Ra??c*fakAc，式中

?c ：承台效应系数

3

fak：承台底承台宽度范围（?5m）内各土地基承载力特征值按厚度的加权平均值。

Ac:计算基桩所对应的承台底地基土净面积，Ac?(A?nAps)，Aps为桩身截面积，A为承台计算域面积；

Bc2.4，查表5.2.5知，承台效应系数： ??0.279，由《桩基规范5.2.5》l8.6

?c?0.15，Ac?(2.42?4?0.16)

fak?250Kpa ?1.28

R?596.24+0.15?250?1.28=644.24

基桩桩顶荷载效应计算： 轴心竖向力作用下：

Nk?Fk?Gk1565?20?1.7?2.4?2.4??440.21?R?644.24。满足。 n4

偏心竖向力作用下：

Fk?GkMxkyiMykyi254?0.8?Nik?=440.21+??519.6?1.2R 222yxn0.8?4ii

=773.1。满足。

6.2、基桩水平承载力验算

对于受水平力的竖直桩，在一般建筑物中，当外荷载合力与竖直线的夹角小于等于50时，竖直桩的水平承载力能满足设计要求，可不设置斜桩，但要求基桩的桩顶水平荷载设计值满足：Hik?Rh

式中：Hik：在荷载效应标准组合下，作用于基桩i 桩顶处的水平力； Rh：单桩基础或群桩中基桩的水平承载力特征值，对于单桩基础，可取

单桩的水平承载力特征值Rha。当桩的水平承载力有水平位移控制时，

且缺少单桩水平静载实验资料时，对于预制桩，其Rha?

式中：x0a：桩顶容许水平位移

4 0.75?3EI?xx0a

?x：桩顶水平位移系数；

?:为桩的水平变形系数；??mb1mb1= 0.85EcI0EI

m:为地基土横向抗力系数的比例系数，其值可根据《桩基规范5.7.4》

查得，m取12MN； m4

?kf(d?1),d?1m b1:桩的截面计算宽度；b1??k(1.5d?0.5),d?1m?f

kf:桩的形状系数，方形截面桩kf=1.0；

d:桩的直径，方形截面时为桩的边长；

I0:I0?W0b0,W0?b22b?2??E?1??gb0，b0为扣除保护层厚度的桩6??

截面宽度，取1.5b+0.5=1.1m，?E为钢筋弹性模量与混凝土弹性模

量的比值。混凝土采用C30，钢筋用HPB300,的钢筋，代入数据：

2.1?105

?7， ?E=3.0?104

W0=0.0113(m3)，I0=0.002(m4)

??12?103?1.1?0.51 70.85?3?10?0.002

0.75?3EIRha??x0.75?0.513?0.85??3?107?0.002x0a??0.01?63.5KN 0.94

由《桩基规范》群桩基础的水平承载力特征值应考虑承台、桩群、土相互作用产生的群桩效应，可按下式计算：

Rh??hRha

?h??i?r??l??b（属于规范中的其他情况） ?sa????d? ?i? 0.15n1?0.10n2?1.90.015n2?0.45

5

m?x0a?B'c?hc ?l? 2?n1?n2?Rha2

?b???Pc

n1?n2?Rh

Pc??cfak?A?nAps?

式中：?h：群桩效应综合系数；

?i：桩的相互影响效应系数；

?r：桩顶约束效应系数；

?l：承台侧向土抗力效应系数； ?b：承台底摩阻效应系数； 'sa ：沿水平方向的距径比； d

x0a：桩顶的水平位移容许值； Bc：承台受侧向土抗力一边的计算宽度；Bc=Bc?1，Bc为承台宽度； ?：承台底与地基土之间的摩擦系数； Pc：承台地基土分担的竖向总荷载标准值；Pc=?cfak(A?nAps)，A为承

台总面积，Aps为桩身截面积。代入数据：Pc?0.15?250?(2.42?4?0.16)?48 ''

12?103?0.01?3.4?0.82

?0.514 ?l=2?2?2?63.5

?r：查表得2.05；??0.28； 40.015?2?0.45

?0.81 ?i?0.15?2?0.1?2?1.9

?b?0.28?48?0.053 2?2?63.5

?h?2.05?0.81?0.514?0.053?2.23

6

Rh?2.23?63.5?141.6KN?Hk?42KN，满足。

7、 群桩地基承载力验算

7.1、桩底持力层承载力验算

摩擦型群桩基础当桩间中心距小于6倍桩径时，将桩基础视为相当于一定范围内的实体基础，认为桩侧外力以φ/4角向下扩散，可按下式验算桩底平面处土层的承载力：

（1）当轴心受压时：p???l??h?BL?hN

A?A

（2）当偏心受压时：p?BL?h

max??l??h?A?N

A(1?eA

W)??a?fa?

A?a?b ?

当桩的倾斜度???

4时，a?L??

0?d?2ltan4 ,b?B0?d?2ltan?

4

p、pmax:桩端平面处的平均应力，最大压应力；

??:承台底面包括桩的重力在内至桩端平面土的平均重度；

l:桩的深度；

?:承台底面以上土的重度；

L:承台厚度；

B:承台宽度；

N:作用于承台底面合力的竖向分力

A:假想的实体基础在桩端平面处的计算面积；

a、b：假想的实体基础在桩端平面处的计算长度和宽度；

L0:外围桩中心围成矩形轮廓的长度；

B0:外围桩中心围成矩形轮廓的宽度；

d:桩的直径或边长；

W:假想的实体基础在桩端平面处的截面抵抗拒

e:作用于承台底面合力的竖向分力对桩端平面处计算面积重心轴的偏心距

7

?:基桩所穿过土层的平均土内摩擦角 ?

?fa?:桩端平面处的承载力容许值；

?R:抗力系数；

带入数据：?=(?2.0?19?8.4?4.5?11.7?2.05?25)?18.3KN3 m8.6

a?b?4?0.4?0.4?2?8.6?tan50?3.5m

A?3.52?12.25m2 ，e?254?0.162m 1565

11W?bh2??3.53?7.15m3 66

2.42?16?1.71565 p?18.3?8.6?16?1.7???325.15Kpa?400Kpa 3.523.52

满足。

pmax

满足。 15650,162?3.52?157.36?27.2?12,79?(1?)?335Kpa?400Kpa 27.153.5

7.2、桩底软弱下卧层承载力验算：

桩端进入的持力层的物理性质指标:IL?0.25,为硬塑状态，Es?13.0为中压缩性土，e?0.5?0.6密实。可见，持力层为较密实的硬塑性粘土为优良地基。无需验算软弱下卧层承载力。

7.3、桩身截面强度计算及桩身结构设计

根据《桩基规范4.1.5、4.1.6》，预制桩的混凝土强度等级不宜低于C30,采用静压沉桩时，可适当降低，但不宜小于C20。预制桩的桩身配筋应按吊运、打桩以及桩在使用中的受力等条件计算确定。静压沉桩时，最小配筋率不宜小于0.6％，主筋直径不宜小于?14，打入桩，在桩顶以下4～5倍桩身直径长度范围内箍筋应加密，并设置钢筋网片。箍筋直径可取6～8mm，间距小于等于200mm，在桩顶和桩尖处应适当加密。

对受偏心荷载（包括水平力和弯矩）作用时，可先求出桩身最大弯矩及相应位置，再根据《混凝土结构设计规范》要求，按偏心受压确定出桩身截面所需的

8

主筋面积，同时满足桩的最小配筋率。

要设计桩截面配筋，最关键的是求出桩身最大弯矩值Mmax及相应的截面位置z0，根据最大弯矩截面剪应力为零的条件，可以导出无量纲法计算过程如下： 由CD=?MD,可由查表得相应的换算深度z??z，则最大弯矩截面深度z0D

为：

z0=mb1mb1z，??= 0.85EcI0?EI??

?:为桩的水平变形系数；

m:为地基土横向抗力系数的比例系数，其值可根据《桩基规范5.7.4》查得，m

取12MN； 4m

?kf(d?1),d?1m b1:桩的截面计算宽度；b1??k(1.5d?0.5),d?1m?f

kf:桩的形状系数，方形截面桩kf=1.0；

d:桩的直径，方形截面时为桩的边长；

I0:I0?W0b0,W0?b22b?2??E?1??gb0，b0为扣除保护层厚度的桩截面 ，6??

取1.5b+0.5=1.1m，?E为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值。?g为桩身配筋率，一般可取0.2%～0.65%，小桩径取高值，大桩径取低值。混凝土采

2.1?105

?7， 用C30，钢筋用HPB300,的钢筋，代入数据： ?E=3.0?104

W0=0.0113(m3)，I0=0.002(m4)

???12?103?1.1?3.08,查表得，z?0.56 ?0.51,CD?0.51?25470.85?3?10?0.002

CM?1.138，Mmax?CM?M0=289.1KN.m

按偏心受压确定桩身截面所需主筋面积，采用对称配筋。Nb??1fc?bbh0=1.0?14.3?0.5757?400?360?1185.5KN?N?495.61KN

9

M289.1?106

因为只知道一个弯矩。) e0???556.4mm (此处未考虑二阶效应，N519.6?103

e?ea?e0?556.4?20?576.4mm?0.3h0?108mm，

N519.6?103'x???90.8mm?2as?80mm ?1fcb1.0?14.3?400

)Ne??fbx(h?1c0'， As?As?''fy(h0?as)

519.6?103?576.4?1.0?14.3?400?90.8?(360?45.4)A?As? 300(360?40)'

s

?1417.7mm2?0.2%bh?320mm2

两边各配4根直径为22mm，HRB335级钢筋，实配As?As?1520mm2

预制桩除了满足上述计算之外，还应考虑运输、起吊和锤击过程中的各种强度验算。桩长在20m以下者，起吊时一般采用双点起吊，其产生的最大负弯矩M1?0.0214Kql2?0.0214?1.3?25?0.4?0.4?8.62?8.23KN.m

Mu?fy'As(h0?as')?300?1417.7?(360?40)?136.1KN.m?M1,满足。 ''

在打桩架龙门吊立时，采用单点吊。吊点位置应按吊点间的正弯矩和吊点处的负弯矩相等的条件确定。

M2?0.0429Kql2?0.0429?1.3?25?0.4?0.4?8.62?16.5KN.m?Mu，满足。 (配筋图见CAD图纸)

8、承台设计

8.1、类型及构造要求

承台的平面尺寸一般由上部结构、状数及布桩形式决定，本次课程设计采用柱下独立承台。由《桩基规范》承台构造要求：

1.在宽度和厚度方面，①承台的最小宽度不能小于500mm，承台边缘至桩中心的距离不宜小于桩的直径或边长，边缘挑出部分不得小于150mm；②承台厚度不应小于300mm；

2.材料强度和等级方面，承台混凝土强度等级宜大于等于C15,采用

10

HRB335级钢筋时宜大于等于C20;柱下独立桩基承台纵向受力钢筋应通长配置，桩以上（含四桩）承台宜按双向均匀布置。纵向钢筋锚固长度自边桩内侧（当为圆桩时，应将其直径乘以0.8 等效为方桩）算起，不应小于35dg(dg 为钢筋直径)；当不满足时应将纵向钢筋向上弯折，此时水平段的长度不应小于25dg，弯折段长度不应小于10dg。承台纵向受力钢筋的直径不应小于12mm，间距不应大于200mm。柱下独立桩基承台的最小配筋率不应小于0.15%。

3.钢筋配置方面，①柱下独立桩基承台受力钢筋宜通长布置：矩形承台宜双向均匀通长配筋；②承台底面钢筋的混凝土保护层厚度，设素混凝土垫层时，保护层厚度不应小于50mm；无垫层时，不应小于70mm。

4. 桩与承台连接，①桩顶嵌入承台的长度不宜小于50mm，大直径桩不宜小于100mm，②桩顶主筋应伸入承台内，其锚固长度不宜小于35倍主筋直径；

5.柱与承台连接，①多桩承台，柱纵向主筋应锚入承台不应小于35倍主筋直径；当承台高度不满足时，锚入不小于20倍主筋直径，并向柱轴线方向900弯折。

8.2、拟定承台尺寸及抗冲切计算

初步拟定承台尺寸为2.4m?2.4m，高度h?800mm，有效高度h0?800mm?35mm?50mm?715mm

（1）由《桩基规范》承台抗冲切承载力与冲切椎角有关，可以用冲垮比?表达。对于柱下矩形承台验算时应满足：

Fl??hp?0umfth0

Fl?F??Ni ?0?0.84 ??0.2

式中：Fl：作用于冲切破坏椎体上的冲切设计值；

ft：承台混凝土抗拉强度设计值；

um：冲切破坏椎体有效高度中线周长；

11

h0：承台冲切破坏椎体有效高度；

?hp：受冲切剪力截面高度影响系数，当h?800mm，时?hp=1.0；当

h?2000mm时，?hp=0.9，其间按线性内插取值；

?0：冲切系数；

?：冲垮比，??a0（a0为冲垮，即柱边或承台边阶处到桩边的水平距h0

离），当??0.25时，取??0.25，当??1.0时，取??1.0；

F：作用于柱（墙）底的竖向荷载设计值； ?Ni：冲切破坏椎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

柱下独立承台受柱冲切时可按下列公式计算:

Fl?2??0x(bc?a0y)??0y(hc?a0x)??hpfth0

式中：?0x、?0y可由?0?a0ya0.84,?0x，?0y均应满足求得。?0x?0x,?0y?h0h0??0.2

0.25～1.0的要求；

hc,bc：柱截面长边，短边尺寸；

a0x，a0y：自柱长边或短边到最近桩边的水平距离； 代入数据：a0x?0.3m, a0y?0.4m,?0x?

a0y

h00.4?0.56 0.715a0x0.3??0.42, h00.715?0y??

?0x?0.840.84?1.355,?0y??1.11 0.42?0.20.56?0.2

因h?800mm，?hp?1.0

2?0x(bc?a0y)??0y(hc?a0x)?hpfth0

?2?1.355?0.4?0.4??1.11?0.6?0.3???1.0?1100?0.715 ?3276.6KN?2100?0?2100KN??

12

满足。

（2）四桩矩形承台受角桩冲切验算，应按下列公式计算： ??a1y?a1x??? Nl???1x??c2?2????1y?c1?2???hpfth0 ????????

?1x?0.560.56 ?1y? ?1y?0.2?1x?0.2

式中：Nl：不计承台及其上土重，在荷载效应基本组合下角桩（含复合基桩）

反力设计值；

?1x、?1y：角桩冲切系数

a1x、a1y：从承台底角桩内边缘引450冲切线与承台顶面相交点至角桩内

边缘的水平距离；当柱（墙）边或承台变阶处位于该450线以内，则取由柱（墙）边和变阶处与桩内边缘连线为冲切椎体的锥线； h0：承台受冲切破坏椎体的有效高度；

?1x、?1y：角桩冲垮比；

c1、c2：从角桩内边缘至承台外边缘的距离。 代入数据：c1?c2?0.8m，a1x?a0x?0.3m，?1x??0x?0.42

a1y?a0y?0.4， ?1y??0y?0.56,?1x?0.56?0.90 042?0.2

?1y?

满足。 0.56?0.737 0.56?0.2

8.3、承台受剪承载力的计算

由《桩基规范》承台的斜截面承载力可按下列公式计算： V??hs?ftb0h0 ??

?hs1.75 ??1?800????h?? ?0?

13 14

式中：V：不计承台及上土重，在荷载效应基本组合下，斜截面的最大剪力设计

值；

ft：混凝土轴心抗拉强度设计值；

b0：承台计算截面处的计算宽度；

h0：承台计算截面处的有效高度；

?：承台剪切系数；

?hs：受剪切承载力截面高度影响系数；

ayax ?：计算截面的剪跨比，?x?，?y?，ax,ay为柱（墙）边或承台h0h0

变阶处至y,x方向计算一排桩的桩边的水平距离，当??0.25时，取??0.25，当??3时，??3。

1-1截面：?x?ax0.3??0.42，因h0?715mm?800mm，取h0?800mm h00.715

1

4?800?1.751.75? ?hs??，????1.23 ?1.0x?h???10.42?1?0?

?hs?ftb0h0?1.0?1.23?1100?2.4?0.715?2321.7KN?2Nkmax?991.2KN 2-2截面：?y?ay

h0?0.41.751.75?0.56，?y???1.12 0.715??10.56?1

?hs?ftb0h0?1.0?1.12?1100?2.4?0.715?2114.1KN?2Nkmax?991.2KN 可见满足受剪切验算。

8.4、承台受弯承载力的计算

柱下独立桩基承台(四桩及三桩承台)在配筋不足情况下将产生弯曲破坏，其破坏特征呈粱式破坏。所谓梁式破坏，指挠曲裂缝在平行于柱边两个方向交替出现，承台在两个方向交替呈梁式承担荷载，最大弯矩产生在平行于柱边两个方向的屈服线处。

（1）根据《桩基规范》柱下多桩矩形承台，其计算截面应取在柱边和承台高度变化处（杯口外侧或台阶边缘），按下式计算：

14

??Mx??Niyi ? ??My??Nixi

式中：Mx、My：垂直x、y轴方向计算截面处弯矩设计值；

xi、yi：垂直y轴和x轴方向自轴线到相应计算截面的距离； Ni：扣除承台和承台上土自重设计值后i桩竖向净反力设计值，当不考虑

承台效应时，则为i桩竖向总反力设计值。

代入数据：

?2100?Mx??Niyi?2????0.6?630kN.m 4??

?2100350?0.8?My??Nixi?2????0.5?743.8kN.m 2?2?0.8??4

（2）承台底板配筋，应符合《混凝土结构设计规范》正截面受弯承载力计算公式：?X?0,?1fcbx?fyAs

?M?0,M??

2xfbx(h?) 1c02在垂直x轴方向： x?h0?h02M2?630?1062??715?715??39.3mm ?1fcb1.0?9.6?2400

x??bh0?0.55?715mm?393.25mm，不会发生超筋破坏。

As??fcbx

fy?1.0?9.6?2400?39.3?3018.2mm2300， As?1666.6mm2?0.15%bh?0.15%?2400?715?2574mm2（构造要求） As实配：15根直径为16的HRB335级钢筋（3016.5mm2）

在垂直y轴方向：

x?h0?h022M2?743.8?1062??715?715??46.7mm ?1fcb1.0?9.6?2400

x??bh0?0.55?715mm?393.25mm，不会发生超筋破坏。

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As??fcbx

fy?1.0?9.6?2400?46.7?3586.6mm2 300

As?3586.6mm2?0.15%bh?0.15%?2400?715?2574mm2(构造要求) As实配：18根直径为16的HRB335级钢筋（3619.8mm2）

9、施工图（见图纸）

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课程设计成绩评定表

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