桩基础课程设计如何确定承载力与沉降？

《土力学与桩基础课程设计》指导书

课程设计目的

本课程设计是《土力学》和《基础工程》等课程的重要实践教学环节,其目的在于：

1. 巩固理论知识：综合运用土力学、基础工程、材料力学等相关课程的知识,解决实际的工程问题。
2. 掌握设计方法：熟练掌握桩基础的设计流程、计算方法和构造要求，特别是《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008）的应用。
3. 培养工程能力：培养分析问题、解决问题的能力，以及查阅规范、整理数据和绘制工程图纸的能力。
4. 熟悉规范应用：熟悉并严格遵守国家现行规范,培养严谨的工程态度。

设计任务与基本资料

设计任务

为某拟建的多层建筑（6-8层框架结构）设计一个安全、经济、合理的桩基础,具体任务包括：

• 选择桩的类型、截面尺寸和桩长。
• 确定单桩竖向承载力特征值。
• 进行桩的平面布置,确定承台的尺寸和形式。
• 计算桩顶荷载，并进行承载力验算（竖向、水平、抗拔）。
• 进行承台的设计与计算（抗冲切、抗剪切、抗弯配筋）。
• 绘制桩基础施工图（包括桩位平面图、承台详图）。
• 编写设计计算书。

基本资料（示例，请根据题目要求填写）

• 上部结构资料：

  • 建筑类型：6层框架结构办公楼。
  • 结构平面尺寸：15m × 30m。
  • 柱网布置：柱距5m × 5m，共4×3=12根柱。
  • 柱底荷载标准值（每根柱）：
    • 轴力：Fk = 2500 kN
    • 弯矩：Mk = 150 kN·m
    • 剪力：Vk = 50 kN
  • 荷载效应组合：按《建筑结构荷载规范》进行基本组合和标准组合。

• 工程地质资料：

  
  • 场地地势平坦，地下水埋深为地面下-5.0m。
  • 各土层物理力学性质指标如下表：

• 设计参数：
  • 混凝土强度等级：C30（fc=14.3N/mm², ft=1.43N/mm²）。
  • 钢筋强度等级：HRB400（fy=360N/mm²）。
  • 建筑物重要性等级：二级。
  • 抗震设防烈度：7度。

设计步骤与方法

第一步：确定桩的类型与几何尺寸

1. 桩型选择：

   • 根据地质条件（土层分布、承载力要求、施工条件）和上部结构特点,初步选择桩型。
   • 方案对比：
     • 预制桩：如PHC管桩或方桩，优点：质量可控、施工速度快、承载力较高，缺点：噪音大、挤土效应、成本可能较高。
     • 灌注桩：如钻孔灌注桩，优点：适用性强、噪音小、无挤土效应，缺点：施工工艺复杂、易出现质量缺陷（如缩颈、沉渣）、承载力稳定性稍差。
   • 决策：本例中，④层粉砂层可作为很好的持力层，承载力高，可选择钻孔灌注桩或预制桩，这里我们选择钻孔灌注桩进行设计。

2. 桩截面尺寸：

   • 根据单桩预估承载力和施工设备，选择桩径 d，常用直径有600mm, 800mm, 1000mm等。
   • 假设：初选桩径 d = 800mm。

3. 桩长确定：

   
   • 桩长 L 应选择承载力高、压缩性低的土层作为持力层。
   • 从地质资料看，④层粉砂是理想的持力层，桩端应进入持力层一定深度，一般不小于 (2~3)d。
   • 假设：桩端进入④层粉砂层2.0m，则桩顶标高假设为-0.5m（考虑承台埋深），桩底标高为-17.5m。
   • 桩长 L = 17.5 - 0.5 = 17.0m。

第二步：计算单桩竖向承载力特征值

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），单桩竖向极限承载力标准值 Quk 的计算公式为：

Quk = Qsk + Qpk

• Qsk 为总极限侧阻力标准值。
• Qpk 为总极限端阻力标准值。

计算总极限侧阻力标准值 Qsk

Qsk = u * Σqsik * li

• u 为桩身周长，对于圆形桩，u = π * d = 3.14 * 0.8 = 2.512 m。
• qsik 为第 i 层土的极限侧阻力标准值（查表）。
• li 为第 i 层土的厚度。

计算各土层厚度：

• ②层粉质粘土：l2 = 8.0 - 2.0 = 6.0 m
• ③层淤泥质粘土：l3 = 15.0 - 8.0 = 7.0 m
• ④层粉砂：l4 = 17.5 - 15.0 = 2.5 m (桩端进入2.5m)

Qsk = 2.512 * (50 * 6.0 + 22 * 7.0 + 60 * 2.5) Qsk = 2.512 * (300 + 154 + 150) Qsk = 2.512 * 604 = 1517.25 kN

计算总极限端阻力标准值 Qpk

Qpk = Ap * qpk

• Ap 为桩端横截面积。Ap = π * d² / 4 = 3.14 * 0.8² / 4 = 0.5024 m²。
• qpk 为极限端阻力标准值（持力层④层粉砂，查表得 qpk = 3500 kPa）。

Qpk = 0.5024 * 3500 = 1758.4 kN

计算单桩竖向极限承载力标准值 Quk

Quk = Qsk + Qpk = 1517.25 + 1758.4 = 3275.65 kN

计算单桩竖向承载力特征值 Ra

Ra = Quk / K (K为安全系数，取2.0)

Ra = 3275.65 / 2.0 = 1637.83 kN

初步设计的单桩竖向承载力特征值 Ra ≈ 1638 kN。

第三步：桩的平面布置与承台设计

1. 估算桩数 n：

   • 按轴心受压估算：n = (Fk + Gk) / Ra
   • Fk 为上部结构传至基础的竖向力标准值（本例为12根柱总和，但通常按单柱估算，再乘以柱数）。
   • Gk 为承台及上覆土自重，初步估算承台尺寸为4m×4m×1.5m，则 Gk ≈ 4*4*1.5*20 = 480 kN（按20kN/m³估算）。
   • 单柱所需桩数 n_single = (2500 + 480) / 1638 ≈ 1.82。
   • 考虑弯矩影响，需增加桩数，取 n = 4根/柱。

2. 桩的平面布置：

   • 将4根桩布置在柱子周围,形成对称的矩形或梅花形布置。
   • 布置方案：采用矩形布置，桩间距 s = 3d = 3 * 0.8 = 2.4 m，桩中心至柱边缘的距离取 (s-d)/2 = (2.4-0.8)/2 = 0.8 m。
   • 承台尺寸初步定为 6m × 4.6m（柱子居中，两边各0.8m+0.8m+桩径0.8m的一半）。

3. 承台设计：

   • 承台厚度 h：根据柱对承台的冲切要求初步确定。h 一般取 (1/8~1/12) 的承台短边边长，初取 h = 1.2 m。
   • 承台底板配筋：需要计算柱边截面的弯矩,然后进行配筋计算。

第四步：桩顶荷载计算与验算

1. 计算承台及其上土重 Gk：

   • 承台体积 V = 4.6 * 4.6 * 1.2 = 25.408 m³。
   • Gk = V * γ_G = 25.408 * 20 = 508.16 kN。

2. 计算桩顶平均竖向力 Nk：

   • Nk = (Fk + Gk) / n = (2500 + 508.16) / 4 = 752.04 kN
   • 验算：Nk ≤ Ra (752.04 kN < 1638 kN),满足。

3. 计算桩顶最大/最小竖向力 Nk,max / Nk,min：

   • 考虑弯矩 Mk 和剪力 Vk 的影响。
   • Nk,max/min = (Fk + Gk)/n ± Mk * x_max / Σx_i²
   • x_max 为桩中心至承台形心的距离，x_max = 1.2 m。
   • Σx_i² = 2 * (1.2² + 1.2²) = 5.76 m²。
   • Nk,max = 752.04 + 150 * 1.2 / 5.76 = 752.04 + 31.25 = 783.29 kN
   • Nk,min = 752.04 - 31.25 = 720.79 kN
   • 验算：Nk,max ≤ 1.2 * Ra (783.29 kN < 1.2 * 1638 = 1965.6 kN),满足。

4. 水平力与抗拔力验算：

   • 本例中，水平力 Vk = 50 kN 较小，通常由桩身和土体共同承担，可不单独验算单桩水平承载力,或按构造要求配置钢筋。
   • 无抗拔要求,故不进行抗拔验算。

第五步：承台设计与计算

1. 抗冲切计算：

   • 验算柱对承台的冲切和角桩对承台的冲切。
   • 柱对承台冲切：F_l ≤ 0.7 * β_hp * f_t * u_m * h_0
   • 计算冲切力 F_l 和冲切面周长 u_m，代入数值进行验算，若不满足,需增加承台厚度。

2. 抗剪切计算：

   • 验算承台斜截面抗剪承载力。
   • V ≤ β_hs * β_f * f_t * b_0 * h_0
   • 计算剪力 V 和验算截面宽度 b_0,代入数值验算。

3. 抗弯计算与配筋：

   • 计算承台底板弯矩（按柱边截面）。
   • M = ΣN_i * x_i (N_i为桩顶净反力，x_i为桩中心至计算截面的距离)。
   • 根据弯矩 M 计算所需钢筋面积 As = M / (0.9 * fy * h_0)。
   • 根据计算结果，选择钢筋的直径和间距,并满足最小配筋率要求。
   • 示例：
     • 计算柱边弯矩 M = 2 * Nk,max * 1.2 = 2 * 783.29 * 1.2 = 1880 kN·m。
     • h_0 = h - a_s = 1200 - 50 = 1150 mm。
     • As = 1880 * 10^6 / (0.9 * 360 * 1150) ≈ 5022 mm²。
     • 选用 20@150 (As=6032 mm²),满足要求。

第六步：绘制施工图

1. 桩位平面图：

   • 绘出建筑底层平面轮廓。
   • 标明所有承台和桩的位置、编号。
   • 标注桩的直径、间距、承台的平面尺寸。
   • 注明必要的标高（如承台顶标高、承台底标高）。

2. 承台详图：

   • 绘制一个典型承台的剖面图（1:50或1:100）。
   • 标明承台的厚度、底板顶面和底面的标高。
   • 画出钢筋的布置、规格、数量和间距。
   • 标注桩与承台的连接方式（如桩顶伸入承台100mm，并设置锚固钢筋）。

第七步：编写设计计算书

将以上所有计算过程、公式、数据、图表和结果整理成一份完整、条理清晰的设计计算书,内容应包括：

1. 设计任务与基本资料
2. 桩型选择与几何尺寸确定
3. 单桩竖向承载力计算
4. 桩的平面布置与承台初步设计
5. 桩顶荷载计算与验算
6. 承台抗冲切、抗剪切、抗弯计算与配筋
7. 结论与说明
8. 参考文献（列出所用规范名称和编号）

注意事项

1. 规范为准：所有计算必须严格按照国家现行规范（主要是JGJ 94-2008和GB 50007-2011）进行。
2. 假设合理：在初步设计阶段的各种假设（如桩长、承台尺寸）需要合理,并在后续计算中进行验证和调整。
3. 单位统一：计算过程中注意单位的统一，通常采用“kN”和“m”。
4. 图纸规范：图纸绘制应符合《建筑制图标准》，线型、尺寸、标注要清晰、准确、完整。
5. 安全与经济：设计要在保证安全的前提下，力求经济合理,避免不必要的浪费。

这份指南为你提供了一个清晰的框架，在实际操作中，你需要根据具体的题目要求，灵活运用这些步骤和方法，并不断迭代和优化你的设计,祝你课程设计顺利！

标签： 沉降量分析 设计规范应用