桩基础计算
基础采用桩基础设计.根据桩的承载性状是端承桩考虑,施工方法采用灌注桩.由于端承型桩基持力层坚硬,桩顶沉降较小,桩侧摩阻力不易发挥,桩顶荷载基本上通过桩身直接传到持土层上.而桩端处承压面积很小,各桩端的压力彼此互不影响,因此近似认为端承型群桩基础中各基桩的工作性状与单桩基本一致;同时由于桩的变形很小,桩间土基本不承受荷载,群桩基础的承载力就等于各单桩的承载力之和;群桩的沉降量也与单桩基本相同,即群桩效应系数为1. (一)桩根数为3时,钻孔编号为ZK-1. 单桩竖向承载力设计值:
F=F1+F2=(3200*2.5+15*1.5+998)*1.2=10825KN N=F/3=10825/3=3608KN
F ----------桩顶上部总荷载,包括设备正常运转时的设备重要及基础自重; F1----------设备正常运转时的设备重要,包装设备自重及物料重量等; F2----------基础自重,包括承台及上部结构自重; N-----------单桩最小竖向承载力设计值. 一、基本资料:
1、工程概述:详见地质报告:《冀东水泥丰润公司2*5000t/d水泥生产线场地岩土工程地质勘察 报告书》(详细勘察阶段) 2、土层参数:
qsik ----------- 桩侧极限侧阻力标准值(kPa); qpk ----------- 桩端极限端阻力标准值(kPa);
ψs、ψp ------ 大直径桩侧阻力、端阻力尺寸效应系数; (1)、干作业钻孔灌注桩 (大直径,d≥0.8m) 土层名称 qsik qpk ψs ψp 填土 0 0 0 0 粘性土 0 0 0 0 粉土 0 0 0 0 中风化花岗岩 0 3800 0 0.810 3、钻孔参数:
(1)、ZK-1 孔口标高Hd=69.27m
土层名称 层底深度 土层层厚 填土 0.30 0.30 粘性土 14.50 14.20 粉土 16.40 1.90 中风化花岗岩 20.20 3.80 4、设计时执行的规范: 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94) 以下简称 桩基规范 二、计算结果:
γs、γp ------ 分别为桩侧阻抗力分项系数、桩端阻抗力分项系数; Ht ------------ 桩顶面标高(M);
d、D ---------- 分别为桩身直径、扩大头直径(mm);
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u、L ---------- 分别为桩身周长、桩身长度(M); Ap ------------ 桩端面积(M
Lsu ----------- 扩大头以上不计桩侧阻力长度(M); Lc ------------ 桩全断面进入持力层深度Lc(M); V ------------- 桩身体积(M Gk ------------ 桩身自重标准值(kN);
Qsk、Qpk ------ 单桩总极限侧阻力标准值、总极限端阻力标准值(kN); Quk、R -------- 单桩竖向极限承载力标准值、竖向承载力设计值(kN); 1、干作业钻孔灌注桩 γs=γp=1.65
桩顶面标高Ht=63.20 d=φ850 D=φ1600 Lsu=10.40 u=2.670 Ap=2.011
桩端持力层:中风化花岗岩 Lc=0.20 最小承载力设计值Rmin=3608kN
大直径桩(d≥800mm)单桩竖向极限承载力标准值可按下式计算:
Quk = Qsk + Qpk = u * ∑ψsi * qsik * lsi + ψp * qpk * Ap (桩基规范 5.2.9) 单桩竖向承载力设计值可按下式计算:
R = Qsk / γs + Qpk / γp (桩基规范 5.2.2-1) (1)、ZK-1:
粘性土 等桩侧土层:ψs=0.000 中风化花岗岩 桩端土层:ψp=0.810
钻孔编号 L V Gk Qsk Qpk Quk R ZK-1 10.5 20.28 507 0 6189 6189 3751 三、结论:
当桩端持力层为“中风化花岗岩”的最大R=3751KN ≥ N=3608KN,采用上述方案,单桩最小竖向承载力满足要求.
(二)单桩水平承载力设计值 1、基本资料:
桩类型:桩身配筋率ρg<0.65%的灌注桩 桩顶约束情况:铰接、自由 截面类型:圆形截面 桩身直径 d = 900mm
混凝土强度等级 C25 Ft = 1.27N/mm Ec = 28000N/mm 桩身纵筋 As = 3054mm 净保护层厚度 c = 35mm 钢筋弹性模量 Es = 200000N/mm 桩入土深度 h = 10.000m
桩侧土水平抗力系数的比例系数 m = 24MN/m4 桩顶竖向力 N = 3608.0kN 设计时执行的规范: 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94) 以下简称 桩基规范 2、单桩水平承载力设计值计算: F3=0.15*3000*2.5=400KN (1)、桩身配筋率 ρg:
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ρg = As / (π * d ^ 2 / 4) = 3054/(π*900^2/4) = 0.48% (2)、桩身换算截面受拉边缘的表面模量 Wo:
扣除保护层的桩直径 do = d - 2 * c = 900-2*35 = 830mm
钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值 αE = Es / Ec = 200000/28000 = 7.143 Wo = π * d / 32 * [d ^ 2 + 2 * (αE - 1) * ρg * do ^ 2]
= π*0.900/32*[0.900^2+2*(7.143-1)*0.48%*0.830^2] = 0.075m (3)、桩身换算截面积 An:
An = π * d ^ 2 / 4 * [1 + (αE - 1) * ρg]
= π*0.900^2/4*[1+(7.143-1)*0.48%] = 0.65m (4)、桩身抗弯刚度 EI:
桩身换算截面惯性距 Io = Wo * d / 2 = 0.075*0.900/2 = 0.0338m4 对于钢筋混凝土桩,EI = 0.85 * Ec * Io
EI = 0.85*28000*1000*0.0338 = 804952.479kN/m (5)、桩的水平变形系数 α 按下式确定:
α = (m * bo / EI) ^ 1 / 5 (桩基规范5.4.5)
对于圆形桩,当直径 d ≤ 1m 时,bo = 0.9 * (1.5 * d + 0.5) bo = 0.9*(1.5*0.900+0.5) = 1.665m
α = (23660*1.665/804952.479)^1/5 = 0.5469(1/m) (6)、桩顶(身)最大弯矩系数 νm:
桩的换算埋深 αh = 0.5469*10.000 = 5.469 查桩基规范表5.4.2得:νm = 0.768 (7)、其余参数:
桩截面模量塑性系数 γm = 2.00 (圆形截面) 桩顶竖向力影响系数 ζN = 0.5 (竖向压力) (8)、单桩水平承载力设计值 Rh:
对于桩身配筋率ρg<0.65%的灌注桩,可按下列公式计算单桩水平承载力设计值 Rh: Rh = α * γm * ft * Wo / νm * (1.25 + 22 * ρg) * (1 ± ζN * N / γm / ft / An) (桩基规范5.4.2-1)
= 0.547*2*1270*0.075/0.768*(1.25+22*0.48%)*(1+0.5*3608.0/2/1270/0.65) = 384.9kN
验算地震作用桩基的水平承载力时,应将单桩水平承载力设计值乘以调整系数 1.25: RhE = 1.25 * Rh = 1.25*384.9 = 481.13kN 3、结论:
单桩水平承载力设计值F3=400KN≤RhE=481.13kN,采用上述方案,单桩单桩水平承载力设计值满足要求.
(三)承台验算:CT-1 一、基本资料: 承台类型:三桩
圆桩直径 d = 900mm
桩列间距 Sa = 1200mm 桩行间距 Sb = 1800mm
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桩中心至承台边缘距离 Sc = 1090mm
承台根部高度 H = 1800mm 承台端部高度 h = 550mm
柱子高度 hc = 1975mm(X 方向) 柱子宽度 bc = 2275mm(Y 方向) 单桩竖向承载力特征值 Ra = 3751kN
混凝土强度等级为 C25 fc = 11.94N/mm ft = 1.27N/mm
钢筋强度设计值 fy = 300N/mm 纵筋合力点至近边距离 as = 80mm 荷载的综合分项系数 γz = 1.25 永久荷载的分项系数 γG = 1.35 承台混凝土的容重 γc = 25kN/m 承台上土的容重 γs = 18kN/m 承台顶面上覆土厚度 ds = 0mm
承台上的竖向附加荷载标准值 Fk' = 300kN 设计时执行的规范:
《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002) 以下简称 基础规范 《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002) 以下简称 混凝土规范 《钢筋混凝土承台设计规程》(CECS 88:97) 以下简称 承台规程 二、控制内力:
Nk ----------- 相应于荷载效应标准组合时,柱底轴向力值(kN);
Fk ----------- 相应于荷载效应标准组合时,作用于基础顶面的竖向力值(kN); Fk = Nk + Fk'
Vkx 、Vky ---- 相应于荷载效应标准组合时,作用于柱底的剪力值(kN);
Mkx'、Mky' --- 相应于荷载效应标准组合时,作用于基础顶面的弯矩值(kN·M); Mkx 、Mky ---- 相应于荷载效应标准组合时,作用于基础底面的弯矩值(kN·M); Mkx = Mkx' - Vky * H、 Mky = Mky' + Vkx * H
F、Mx 、My --- 相应于荷载效应基本组合时,竖向力、弯矩设计值(kN、kN·M); F = γz * Fk、 Mx = γz * Mkx、 My = γz * Mky
Nk = 8023kN; Mkx' = 4800kN; Mky' = 0kN; Vkx = 0kN; Vky = 1200kN Fk = 8323kN; Mkx = 2640kN; Mky = 0kN 地震力参与组合 F = 10403.8kN; Mx = 3300kN; My = 0kN 地震力参与组合 三、承台自重和承台上土自重标准值 Gk:
A = 2 * (Sc + Sa)=2 * (1.09+1.2)=4.58m b = 2Sc + Sb =2*1.09+1.8=3.98m
承台底部面积 Ab = a * b - 2Sa * Sb / 2 =4.58*3.98- 2*1.2*1.8/ 2 =16.07m 承台体积 Vct = Ab * H =16.07*1.8=28.923(m3)
承台自重标准值 Gk '' = γc * Vct =25*28.923=723.1kN
土自重标准值 Gk ' = γs * (Ab - bc * hc) * ds =18* (16.07-2.28*1.98) *0=0kN 承台自重及其上土自重标准值 Gk = Gk '' + Gk' =723.1+0=723.1kN 承台自重标准值 Gk '' = γc * Vct=25*28.923=723.1kN
承台自重及其上土自重标准值 Gk = Gk '' + Gk' =723.1+0=723.1kN 四、承台验算:
圆桩换算桩截面边宽 bp = 0.866d = 0.866*900 = 779.4mm 1、承台受弯计算:
(1)、单桩桩顶竖向力计算:
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在轴心竖向力作用下
Qk = (Fk + Gk) / n (基础规范 8.5.3-1) Qk = (8323 + 723) / 3 = 3015.36kN
< 1.25*Ra = 1.25*3751kN,满足要求。 在偏心竖向力作用下
Qik = (Fk + Gk) / n ± Mxk * Yi / ∑Yi ^ 2 ± Myk * Xi / ∑Xi ^ 2
(基础规范 8.5.3-2) Y1 = 2 * 1.8 / 3 = 1.2 Y2 = 1.8 / 3 = 0.6 Y3 = 1.8 / 3 = 0.6 ∑Yi ^ 2 = 2.16 X1 = 0
X2 = 1.2 = 1.2 X3 = 1.2 = 1.2 ∑Xi ^ 2 = 2.88
Q1k = (Fk + Gk) / n + Mxk * Yi / ∑Yi ^ 2 = 3015.36 + (2640 * 1.2 / 2.16 ^ 2)
= 4482.03kN < 1.2Ra = 4501.2kN,满足要求。
Q2k = (Fk + Gk) / n - Mxk * Yi / ∑Yi ^ 2 - Myk * Xi / ∑Xi ^ 2 = 3015.36 - (2640 * 0.6 / 2.16 ^ 2) - (0 * 1.2 / 2.88 ^ 2) = 2282.03kN < 1.2Ra = 4501.2kN,满足要求。
Q3k = (Fk + Gk) / n - Mxk * Yi / ∑Yi ^ 2 + Myk * Xi / ∑Xi ^ 2 = 3015.36 - (2640 * 0.6 / 2.16 ^ 2) + (0 * 1.2 / 2.88 ^ 2) = 2282.03kN < 1.2Ra = 4501.2kN,满足要求。 每根单桩所分配的承台自重和承台上土自重标准值 Qgk: Qgk = Gk / n = 723 / 3 = 241.03kN
扣除承台和其上填土自重后的各桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值: Ni = γz * (Qik - Qgk)
N1 = 1.25 * (4482.03 - 241.03) = 5301.25kN N2 = 1.25 * (2282.03 - 241.03) = 2551.25kN N3 = 1.25 * (2282.03 - 241.03) = 2551.25kN (2)、承台形心到承台两腰的距离范围内板带的弯矩设计值:
S = (Sa ^ 2 + Sb ^ 2) ^ 0.5 = (1.2 ^ 2 + 1.8 ^ 2) ^ 0.5 = 2.163m αs = 2Sa = 2*1.2 = 2.4m
α = S / αs = 2.163 / 2.4 = 0.901 承台形心到承台两腰的距离 B1:
B1 = Sa / S * 2Sb / 3 + Sc * (Sa + Sb) / S = 2.177m
M1 = Nmax * [S - 0.75 * c1 / (4 - α ^ 2) ^ 0.5] / 3 (基础规范 8.5.16-4) = 5301.3 * [2.16 - 0.75 * 2.275 / (4 - 0.901 ^ 2) ^ 0.5] / 3 = 2134kN·m
ξ = 0.028 ρ = 0.11% ρmin = 0.15% As = 5878(mm2)
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(3)、承台形心到承台底边的距离范围内板带的弯矩设计值:
承台形心到承台底边的距离 B2 = Sb / 3 + Sc = 1.69mm
M2 = Nmax * [αs - 0.75 * c2 / (4 - α ^ 2) ^ 0.5] / 3 (基础规范 8.5.16-5) = 5301.3 * [2.4 - 0.75 * 1.975 / (4 - 0.9 ^ 2) ^ 0.5] / 3 = 2774.9kN·m
ξ = 0.048 ρ = 0.19% As = 5509(mm2) 2、承台受冲切承载力验算: (1)、柱对承台的冲切验算:
扣除承台及其上填土自重,作用在冲切破坏锥体上的冲切力设计值: Fl = 10403.75kN
柱对承台的冲切,可按下列公式计算:
Fl ≤ [βox*(2bc+aoy1+aoy2)+(βoy1+βoy2)*(hc+aox)]*βhp*ft*ho (参照承台规程 4.2.1-2) X 方向上自柱边到最近桩边的水平距离:
aox = 1*Sa - 0.5*hc - 0.5*bp = 1*1200 - 0.5*1975 - 0.5*779.4 = -177mm λox = aox / ho = -177.2 / 1720 = -0.103 aox ≤ 0,故不需要验算该冲切锥体。 (2)、底部角桩对承台的冲切验算:
扣除承台和其上填土自重后的角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值: Nl = N1 = 5301.25kN
承台受角桩冲切的承载力按下列公式计算:
Nl ≤ β12 * (2c2 + a12) * tg(θ2 / 2) * βhp * ft * ho (基础规范 8.5.17-10) θ2 = 2 * arctg(Sa / Sb) = 2 * arctg(1200 / 1800) = 67.4° c2 = [Sc * ctg(θ2 / 2) + 0.5bp] * Cos(θ2 / 2)
= [1090 * ctg(1.176 / 2) + 1090 + 0.5*779.4] * Cos(1.176 / 2) = 2592mm a12 = (2Sb / 3 - 0.5bp - 0.5bc) * Cos(θ2 / 2)
= (2 * 1800 / 3 - 0.5 * 779.4 - 0.5 * 2275) * Cos(1.176 / 2) = -272mm λ12 = a12 / ho = -272.247 / 1720 = -0.158
当 λ12 < 0.2 时,取 λ12 = 0.2,a12 = 0.2ho = 0.2*1720 = 344mm 底部角桩冲切系数 β12 = 0.56 / (λ12 + 0.2) (基础规范 8.5.17-11) β12 = 0.56/ (0.2 + 0.2) = 1.4
β12 * (2c2 + a12) * tg(θ2 / 2) * βhp * ft * ho
= 1.4*(2*2591.587+344)*tg(1.176/2)*0.923*1.271*1720/0.85 = 12250.491kN ≥ Nl = 5301.25kN,满足要求。 (3)、顶部角桩对承台的冲切验算:
扣除承台和其上填土自重后的角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值: Nl = Max{N2, N3} = 2551.25kN
承台受角桩冲切的承载力按下列公式计算:
Nl ≤ β11 * (2c1 + a11) * tg(θ1 / 2) * βhp * ft * ho (基础规范 8.5.17-8) θ1 = arctg(Sb / Sa) = arctg(1800 / 1200) = 56.3° c1 = ctgθ1 * 2Sc + Sc + 0.5bp
以人为本 诚信务实 勇于创新 乐于奉献
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= ctg0.983 * 2 * 1090 + 1090 + 0.5 * 779.4 = 2933.033mm a11 = Sa - 0.5bp - 0.5hc
= 1200 - 0.5 * 779.4 - 0.5 * 1975 = -177.2mm λ11 = a11 / ho = -177.2 / 1720 = -0.103
当 λ11 < 0.2 时,取 λ11 = 0.2,a11 = 0.2ho = 0.2*1720 = 344mm 顶部角桩冲切系数 β11 = 0.56 / (λ11 + 0.2) (基础规范 8.5.17-11) β11 = 0.56 / (0.2 + 0.2) = 1.4
β11 * (2c1 + a11) * tg(θ1 / 2) * βhp * ft * ho
= 1.4 * (2 * 2933.033 + 344) * Tan(0.983 / 2) * 0.923 * 1.271 * 1720 = 9392.036kN ≥ Nl = 2551.25kN,满足要求。 3、承台斜截面受剪承载力计算:
(1)、X方向(上边)斜截面受剪承载力计算:
扣除承台及其上填土自重后 x方向斜截面的最大剪力设计值: Vx = N2 + N3 = 5102.5kN 柱上边缘计算宽度 bxo:
Sb / 3 - Sc = 1800 / 3 - 1090 = -490mm ≤ 0.5bc = 1137.5mm bxo = 2 * (Sa + Sc) = 4580mm 承台斜截面受剪承载力按下列公式计算:
Vx≤ βhs * βy * ft * bxo * ho (基础规范 8.5.18-1) x方向上自桩内边缘到最近柱边的水平距离:
ay = Sb / 3 - 0.5bc - 0.5bp = 1800 / 3 - 0.5 * 2275 - 0.5 * 779.4 = -927mm λy = ay / ho = -927.2 / 1720 = -0.539 当 λy < 0.3 时,取 λy = 0.3
βy = 1.75 / (λy + 1.0) = 1.75 / (0.3 + 1) = 1.346 bxo = 2 * (1200 + 1090) = 4580mm
βhs * βy * ft * bxo * ho / γRE = 0.826*1.346*1.271*4580*1720/0.85 =13095.004kN≥ Vx =5102.5kN,满足要求。 (2)、X方向(下边)斜截面受剪承载力计算:
扣除承台及其上填土自重后 x方向斜截面的最大剪力设计值: Vx = N1 = 5301.25kN 柱下边缘计算宽度 bxo:
bxo = 2 * [Sc + (2Sb / 3 - 0.5bc + Sc) * Sa / Sb] = 3716.667mm 承台斜截面受剪承载力按下列公式计算:
Vx≤ βhs * βy * ft * bxo * ho (基础规范 8.5.18-1) x方向上自桩内边缘到最近柱边的水平距离:
ay = 2*Sb/3 - 0.5bc - 0.5bp = 2 * 1800 / 3 - 0.5 * 2275 - 0.5 * 779.4 = -327mm λy = ay / ho = -327.2 / 1720 = -0.19 当 λy < 0.3 时,取 λy = 0.3
βy = 1.75 / (λy + 1.0) = 1.75 / (0.3 + 1) = 1.346
bxo = 2 * (1090 + (2 * 1800 / 3 - 0.5 * 2275 + 1090) * 1200 / 1800) = 3716.667mm βhs * βy * ft * bxo * ho / γRE = 0.826*1.346*1.271*3716.667*1720/0.85
以人为本 诚信务实 勇于创新 乐于奉献
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=10626.586kN≥ Vx =5301.25kN,满足要求 (3)、Y方向斜截面受剪承载力计算:
扣除承台及其上填土自重后 y方向斜截面的最大剪力设计值: Vy = Max{N2 , N3} = 2551.25kN 柱左右两边边缘计算宽度 byo:3980mm 承台斜截面受剪承载力按下列公式计算:
Vy≤ βhs * βx * ft * byo * ho (基础规范 8.5.18-1) y方向上自桩内边缘到最近柱边的水平距离:
ax = 500 - 0.5hc - 0.5bp = 1200 - 0.5 * 1975 - 0.5 * 779.4 = -177mm λx = ax / ho = -177.2 / 1720 = -0.103 当 ax ≤ 0 时,不需要验算该斜截面受剪承载力。 4、 柱下局部受压承载力计算
Fl ≤ ω * βl * fcc * Al (混凝土规范式 A.5.1-1) 局部荷载设计值 Fl = 10403.75kN
混凝土局部受压面积 Al = bc * hc = 2275 * 1975 = 4493125(mm2) 基础在柱下局部受压时的计算底面积按下列公式计算:
c = Min{Cx, Cy, bx, by} = Min{1303,853,2275,1975} = 853mm Ab = (bx + 2c) * (by + 2c)
Ab = (2275 + 2853) * (1975 + 2853) = 14646400(mm2) 混凝土局部受压时的强度提高系数 βl = (Ab / Al) ^ 0.5 = (14646400 / 4493125) ^ 0.5 = 1.805
ω * βl * fcc * Al = 1 * 2*0.85*11943 * 4.49 = 82351.6kN ≥ Fl = 10403.8kN,满足要求。 5、 桩局部受压承载力计算
Fl ≤ ω * βl * fcc * Al (混凝土规范式 A.5.1-1)
局部荷载设计值 Fl = Nmax + γg * Qgk =5301.3+1.35*241=5626.64kN 混凝土局部受压面积 Al = π * d ^ 2 / 4 = π*900^2/4 =636173(mm2) 承台在角桩局部受压时的计算底面积按下列公式计算: 圆桩 bx = by = Sqr(Al) = 798mm
c = Min{Cx, Cy, bx, by} = Min{640,640,798,798} = 640mm Ab = (bx + 2c) * (by + 2c)
Ab = (798 + 2640) * (798 + 2640) = 4316439(mm2)
混凝土局部受压时的强度提高系数 βl = (Ab / Al) ^ 0.5 = (4316439.35 / 636172.51) ^ 0.5 = 2.605
ω * βl * fcc * Al = 1 * 3*0.85*11943 * 0.64 = 16822.2kN ≥ Fl = 5626.6kN,满足要求。
承台设计满足要求.
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