第三章第三章 基坑工程支护设计基坑工程支护设计3.1 概述概述3.2 围护结构形式及适用范围围护结构形式及适用范围3.3 支护结构上的荷载支护结构上的荷载3.4 悬臂式围护结构内力分析悬臂式围护结构内力分析3.5 单锚式围护结构内力分析单锚式围护结构内力分析3.6 基坑的稳定验算基坑的稳定验算3.7 土钉墙支护设计土钉墙支护设计3.8 地下连续墙设计地下连续墙设计基坑支护目的与作用基坑支护目的与作用基坑支护的目的基坑支护的目的（1 1）确保基坑开挖和基础结构施工安全、顺利；）确保基坑开挖和基础结构施工安全、顺利；（2 2）确保基坑临近建筑物或地下管道正常使用；）确保基坑临近建筑物或地下管道正常使用；（3 3）防止地面出现塌陷、坑底管涌发生。）防止地面出现塌陷、坑底管涌发生。基坑支护的作用基坑支护的作用 挡土、挡水、控制边坡变形。挡土、挡水、控制边坡变形。基坑工程的基本技术要求基坑工程的基本技术要求（1 1）安全可靠性；）安全可靠性； （2 2）经济合理性；（）经济合理性；（3 3）施工便利性和工）施工便利性和工期保证性。期保证性。 1 1）按开挖深度分按开挖深度分。开挖深度。开挖深度H H5m5m称为深基坑；称为深基坑；H H5m5m为浅基坑。为浅基坑。 2 2）按开挖方式分按开挖方式分。分为放坡开挖和支护开挖两。分为放坡开挖和支护开挖两大类。大类。 3 3）按功能用途分按功能用途分。楼宇基坑、地铁站基坑、市。楼宇基坑、地铁站基坑、市政工程基坑、工业地下厂房基坑等。政工程基坑、工业地下厂房基坑等。 4 4）按安全等级分按安全等级分。基坑规程基坑规程将基坑支护结将基坑支护结构分为三个安全等级。构分为三个安全等级。3.23.2 围护结构形式及适用范围围护结构形式及适用范围基坑侧壁安全等级及重要性系数基坑侧壁安全等级及重要性系数安全安全等级等级破坏后果破坏后果 一级一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工周边环境及地下结构施工影响很严重影响很严重1.101.10二级二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工周边环境及地下结构施工影响一般影响一般1.001.00三级三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工周边环境及地下结构施工影响不严重影响不严重0.900.903.3 3.3 支护结构上的荷载支护结构上的荷载作用在一般结构上的荷载可分为三类作用在一般结构上的荷载可分为三类: :(1)(1)永久荷载永久荷载(2)(2)可变荷载可变荷载(3)(3)偶然荷载偶然荷载作用在支护结构上的荷载主要有作用在支护结构上的荷载主要有: :(1)(1)土压力土压力(2)(2)水压力水压力(3)(3)影响范围区内建筑物影响范围区内建筑物, ,结构物荷载结构物荷载(5)(5)若支护作为主体结构的一部分时若支护作为主体结构的一部分时, ,应考虑地震力应考虑地震力(4)(4)施工荷载施工荷载: :汽车汽车, ,吊车及场地堆载等吊车及场地堆载等(6)(6)温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载土压力土压力n主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是支护支护结构存在位移结构存在位移；n当支护结构当支护结构没有位移没有位移时，则土对支护结构的压力为时，则土对支护结构的压力为静止土压力静止土压力。 n土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力，即比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力，即计算结果偏大计算结果偏大。 n土的内聚力土的内聚力C C、内摩擦角、内摩擦角值可根据下列值可根据下列规定适当调整：规定适当调整：n 在在井点降低地下水井点降低地下水范围内，当地面有排范围内，当地面有排水和防渗措施时，水和防渗措施时，值可提高值可提高20%20%；n在在井点降水土体固结井点降水土体固结的条件下，可考虑的条件下，可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响，土与支护结构间侧摩阻力影响，将土的将土的内聚力内聚力c c提高提高20%20%。土压力计算公式土压力计算公式n主动土压力主动土压力：n被动土压力被动土压力：水压力水压力n水压力，主要水压力，主要根据土质情况根据土质情况确定如何考虑水压力的确定如何考虑水压力的问题问题 。n对于对于粘性土粘性土，土壤的透水性较差，此粘性土产生的，土壤的透水性较差，此粘性土产生的侧向压力可采用侧向压力可采用水土合算水土合算的方法，即侧压力为相应的方法，即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数。深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数。n对于对于砂性土砂性土，采用，采用水土分算水土分算，即侧压力为相应深度，即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和。和。3.4 3.4 悬臂式围护结构内力分析悬臂式围护结构内力分析n计算主动土压力和被动土压力计算主动土压力和被动土压力n并确定计算简图，确定嵌固深度、内力计算；并确定计算简图，确定嵌固深度、内力计算；n支护桩或墙的截面设计以及压顶梁的设计等。支护桩或墙的截面设计以及压顶梁的设计等。 n根据朗肯根据朗肯- -库伦土压力理论分层计算主动库伦土压力理论分层计算主动土压力和被动土压力；土压力和被动土压力；n在此基础上确定图所示的计算简图。在此基础上确定图所示的计算简图。n据此简图求出嵌固深度据此简图求出嵌固深度h hd d; ;n最大弯矩截面位置及最大弯矩值；最大弯矩截面位置及最大弯矩值；n进行配筋设计或承载力计算；进行配筋设计或承载力计算；n计算支护结构顶端位移。计算支护结构顶端位移。内力与变形计算常用的方法有：内力与变形计算常用的方法有：极限平衡法和弹性抗力法两种极限平衡法和弹性抗力法两种: : 极限平衡法假设基坑外侧土体处于主动极限平衡状态，基坑内侧土体处于被动极限平衡状态1.1.入土较浅时单支点板桩墙支护结构计算：入土较浅时单支点板桩墙支护结构计算： 方法方法: :平衡法平衡法 当当板板桩桩墙墙入入土土深深度度较较浅浅时时，板板桩桩墙墙前前侧侧的的被被动动土土压压力力全全部部发发挥挥，板板桩桩墙墙的的底底端端可可能能有有少少量量向向前前位位移移的的现现象象发发生生。此此时时板板桩桩墙墙前前后后的的被被动动和和主主动动土土压压力力对对支支锚锚点点的的力力矩矩相相等等，板板桩桩墙墙体体处处于于极极限限平平衡衡状状态，板桩墙可看做在支锚点铰支而下端自由的结构。态，板桩墙可看做在支锚点铰支而下端自由的结构。 2 2）假假设设在在C C点点切切开开，认认为为ACAC段段为为一一简简支支梁梁，即即等等值值梁梁ACAC。根根据据平平衡衡方方程程计计算算支支点点反反力力T T和和C C点剪力点剪力P P0 0。 3 3）取取板板桩桩墙墙下下段段CECE为为隔隔离离体体，可可求求出出有有效效嵌固深度嵌固深度t t而板桩墙在基坑底以下的入土深度而板桩墙在基坑底以下的入土深度D D 4 4）由等值梁）由等值梁ACAC求算最大弯矩。求算最大弯矩。n计算方法是计算方法是“等值梁法等值梁法”。n等值梁法的关键是等值梁法的关键是如何如何确定反弯点的位置。确定反弯点的位置。n对单锚或单撑支护结构，对单锚或单撑支护结构，地面以下土压力为零的地面以下土压力为零的位置，位置，即主动土压力等即主动土压力等于被动土压力的位置，于被动土压力的位置，与反弯点位置较接近与反弯点位置较接近 。3.6 多道支撑（锚杆）挡土桩墙计算多道支撑（锚杆）挡土桩墙计算多道（层）支撑（锚杆）挡土桩的计算方法很多，有等值梁法；二分之一分担法；逐层开挖支撑支承力不变法；弹性地基梁法（m法）；有限元计算法等。3.6.1 等值梁法等值梁法一、计算步骤一、计算步骤 多道支撑等值梁法计算原理与单道相同，但须计算固端弯矩，求出弯矩后尚须进行分配，最后计算各支点反力。二、工程实例计算二、工程实例计算 北京京城大厦北京京城大厦为超高层建筑，地上52层，地下4层，建筑面积110270m2，地面以上高183.53m，基础深23.76m(设计按23.5m计算)，采用进口488mm30mmH型钢桩挡土，桩中间距1.1m，三层锚杆拉结。地质资料如下图所示。 对各土层进行加权平均后得：重度=19kN/m3，内摩擦角=300，粘聚力c=10kPa。23m以下为砂卵石，p=350430，潜水位在2330m深的圆砾石中，深10m，地面荷载按10kN/m2计算。 （一）计算土压力（一）计算土压力系数系数取=(2/3)p=25o，则：Ka=tan2(45o-/2)=tan230o=0.33（二）计算土压力零点（二）计算土压力零点( (近似零弯矩点近似零弯矩点) ) 距基坑坑底的距离距基坑坑底的距离y eaH1=qKa=100.33=33kPa eaH2=HKa=1923.50.33=147.3kPa eaH=eaH1+eaH1=33+147.3=150.6kPa(KpKa)=19(11.80.33)=217.9kN/m30.69m（三）绘制基坑支护简图（三）绘制基坑支护简图图3-33基坑支护简图 图3-34连续梁计算简图（四）求各支点的荷载集度（四）求各支点的荷载集度（没有考虑c!）qA=qKa=100.33=3.3kN/m2qB=qKa+ 3.3+1950.33=34.6kN/m2同理可求：qC=78.5kN/m2qD=116.2kN/m2qE=150.6kN/m2（五）分段计算连续梁各固定端的弯矩（五）分段计算连续梁各固定端的弯矩1. AB段段AB段为悬臂梁MAB=0MBA= 3.35(5/2)+(1/2)(34.6-3.3)5(5/3)=171.7kNm2. BC段梁段梁 梁BC段的受力如下图所示，B支点荷载q1 = qB =34.6kN，C支点荷载q2 = qC =78.5kN，由结构力学可求得：269.4kNm3. CD段梁段梁CD段梁的受力如下图所示，两端均为固支，将原梯形分布荷载看成一矩形荷载q1 =qC=78.5kN和一三角形荷载q2=qD-qC=116.2-78.5=37.7kN的叠加，由结构力学可求得：280.7kNm303.4kNm4. DEF段梁段梁 DEF段梁如下图所示，D端固定，F点为零弯矩点，简支。将原多边形分布荷载看成一个矩形分布荷载和两个三角形分布荷载的叠加。q1 =qD=116.2kN，q2 =150.6-116.2=34.4kN，q3=150.6kN。查得：将a =5.5m，b=0.69m，l=6.19m，q1 =116.2kN，q2 =34.4kN，q3=150.6kN代入上式，可以计算得到：MDF=-637kNm（六）弯矩分配（六）弯矩分配 1. 背景知识背景知识由结构力学知：以上各式中：MIg是固定端I上的不平衡弯矩；MIk为会交于固定端I的第k根杆上的分配弯矩；MkIC为会交于固定端I的第k根杆上另一端的弯矩，称为传递弯矩；Ik为会交于固定端I的第k根杆上的弯矩分配系数；CIk称为传递系数；SIk称为劲度系数。在等截面杆件的情况下，各杆的劲度系数和传递系数如下：远端为固定支座时：SIk=4iIk，CIk=1/2=0.5远端为铰支座时：SIk=3iIk，CIk=0其中iIk=EI/lIk，并称为杆件的线刚度。在前面的分段计算中得到的固定端C、D的弯矩不能相互平衡，需要继续用刚刚介绍的弯矩分配法来平衡支点C、D的弯矩。2. 求分配系数求分配系数固端C：SCB =3iCB=(3/7)EI，SCD=4iCD=(4/6)EI=(2/3)EI，SCI=SCB+SCD=(23/21)EI=0.391CD=1-CB=1-0.391=0.609n固端D与固端C类似，可求得：nDC=0.58，DF=0.423. 分配弯矩分配弯矩由于D点的不平衡力矩MDg=MDC+MDF=303.4 637=-333.6kNm，C点的不平衡力矩MCg=MCB+MCD=269.4- 280.4=-11kNm。显然应当：首先对D支点进行弯矩分配 MDC=-DCMDg=-0.58(-333.6)=+193.5kNm MDF=-DFMDg=-0.42(-333.6)=+140.1kNm由于C点是固支，MDC将对其产生传递弯矩： MCDC=CDCMDC=0.5193.5=96.8kNm 而F点是简支，MDF不会对其产生传递弯矩。再对C支点进行弯矩分配 MCg=MCg+MCDC=(-11)+96.8=86.8kNm与其相应的分配弯矩和传递弯矩分别为： MCB=0.39186.8=-33.9kNm， MCD=0.60986.8=-52.7kNm MDCC=(1/2)(-52.7)=-26.4kNm 此时，C点达到了基本平衡，D点又有了新的不平衡弯矩 MDg=MDCC=-26.4kNm，不过已经小于原先的不平衡弯矩。按照完全相同的步骤，继续依次在结点C和D消去不平衡弯矩，则不平衡弯矩将越来越小。经过若干次同样的计算以后，到传递力矩小到可以忽略不计时，便可停止进行。此时，挡土桩墙已非常接近其真实平衡状态。上述各次计算结果可以用下表清晰表达：表表3-4BCDF-33.4分配系数0.3910.6090.580.42固端弯矩171.8-171.8+269-280.4+303.4-637D一次分配传递C一次分配传递D二次分配传递C二次分配传递D三次分配-33.9-3.0+96.8+193.5-52.7-26.4+7.6+15.2-4.6-2.3+1.3+140.1+11.1+1.0最后杆端弯矩（近似）171.8-171.8232.6-232.6+485-485通过以上计算，得到各支点的弯矩为：MB =-171.8kNmMC =-232.6kNmMD =-485kNmMF =0（七）求各支点反力（七）求各支点反力根据连续梁各支点的弯矩平衡，并参照下图，可以容易求得各支点反力。 参照图（a），根据MA=0求RBRB=94.8kN同样，参照图（b），可以求得：RB=114.5kNRC=281.4kN参照图（c），可以求得：RC=153.6kNRD=430.5kNDF段受力比较复杂，计算时应当小心。参照图（d）根据MF=0，可以列出下式：RD=476kN根据MD=0，可以列出下式：RF=388kNn各支点反力为：209.3kN435kN906.5kN RF=388kN3.6.2 二分之一分担法二分之一分担法n二分之一分担法是多支撑连续梁的一种简化计算方法，计算较为简便。nTerzaghi和Peck根据对柏林和芝加哥等地铁工程基坑挡土结构支撑受力的测定，以包络图为基础，用二分之一分担法将支撑轴力转化为土压力，提出了图3-12所示的土压力分布。反之，如土压力分布已知（设计计算时必须确定土压力分布），则可以用二分之一分担法来计算多道支撑的受力。这种方法不考虑支撑桩、墙的变形，求支撑所受的反力时，直接将土压力、水压力平均分配给每一道支撑，然后求出正负弯矩、最大弯矩，以确定挡土桩的截面及配筋。显然，这种计算简单方便。计算简图如图3-40所示。n如要计算反力R2，只要求出(l1+l2/2)至（l1+l2+l3/2）之内的总土压力，因此计算很方便。（a）弯矩图（b）轴力图图3-40二分之一分担法计算简图3.6.3 逐层开挖支撑逐层开挖支撑( (锚杆锚杆) )支承力不变法支承力不变法n多层支护的施工是先施工挡土桩或挡土墙，然后开挖第一层土，挖到第一层支撑或锚杆点以下若干距离，进行第一层支撑或锚杆施工。然后再挖第二层土，挖到第二层支撑（锚杆）支点下若干距离，进行第二层支撑或锚杆施工。如此循序作业，直至挖到坑底为止。一、方法介绍一、方法介绍n该计算方法假设每层支撑或锚杆安装后，其受力和变形均不因下阶段开挖及支撑设置而改变。（一）计算的假定（一）计算的假定1.支撑荷载不变支撑荷载不变每层支撑（锚杆）受力后不因下阶段开挖及支撑（锚杆）设置而改变其数值，所以钢支撑需加轴力，锚杆需加预应力。2.支撑位移不变支撑位移不变下层开挖和支撑对上层支撑变形的影响甚小，可以不予考虑。比如第二层支撑完成后，进行第三层土方开挖和第三道支撑时，就认为第二层支撑变形不再变化。3.对支护桩墙来讲，每层支撑安设后可以看作简单铰支座。根据以上假定，上层支撑（锚杆）设计，要考虑的挖土深度应当直到下层支撑（锚杆）施工时的开挖深度。并且应当考虑到坑底下的零弯点，即近似土压力零点。（二）计算方法及步骤（二）计算方法及步骤1.求各道支撑的支撑力求各道支撑的支撑力RI(1)求第一道支撑的水平力RB，见图3-42中的右下图。 基坑开挖到B点以下若干距离（满足支撑或锚杆施工的距离），但未作第一层（B点）支撑或锚杆时，必须考虑悬臂桩（AC段）的要求，如弯矩、位移等。在设计和施工图3-42计算简图第一层（B点）支撑时，要考虑它必须满足第二阶段挖土所产生的水平力，直到第二道（C点）支撑未完工之前。算法是：先用前述公式求出C点下零弯点O距临时坑底的距离y；然后求出O点以上总的主动土压力Ea（包括主动土压力、水压力），此时C点尚未支撑或未作锚杆，B支撑以下部分的土压力将由RB及RO 承受。从O点取矩可以求出RB。EA =RO+RB，即一部分主动土压力由被动土压承担。(2)求第二道（C点）支撑（锚杆）的支撑力RC同样，在求第二道（C点）支撑的支撑力RC时，要先求出第三道支撑（D点）下的零弯点O(土压力零点)，再求出第三阶段挖土结束但第三道（D点）支撑（锚杆）尚未完成时的各种水平力。从O点取矩可以求出RC。 以下各道支撑的支撑力RI求解方法与以上相同。2. 求各断面的弯矩求各断面的弯矩n将桩视为连续梁，各道支撑为支点，连续梁上各支点的支撑力已经通过上述计算得到，从而可以求出各断面的弯矩，找出其中的最大值作为核算强度依据。3.6.4 弹性地基梁法弹性地基梁法* *一、一、简介简介n目前在支挡结构设计中应用较多的仍然是等值梁法和弹性地基梁法。等值梁法基于极限平衡状态理论，假定支挡结构前、后受极限状态的主、被动土压力作用，不能反映支挡结构的变形情况，无法预估开挖对周围建筑物的影响，故一般只能用于校核支护结构内力。n弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调，并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素的影响，如挡墙两侧土压力的变化，支撑数量随开挖深度的增加，支撑预加轴力和支撑架设前的挡墙位移对挡墙内力、变形的影响等，同时从支挡结构的水平位移也可以初步估计开挖对邻近建筑的影响程度，因而它已经成为一种重要的基坑支挡工程设计方法，展现了广阔的应用前景。2. 弹性抗力法弹性抗力法弹性抗力法也称为土抗力法或侧向弹性地基反力法，将支护桩作为竖直放置的弹性地基梁，支撑简化为与支撑刚度有关的二力杆弹簧；土对支护桩的抗力(地基反力)用弹簧来模拟(文克尔假定)，地基反力的大小与支护桩的变形成正比。其计算简图如图所示。n弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力（地基反力）用弹簧来模拟，地基反力的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数（机床系数）同该深度地基反力由水平地基反力系数（机床系数）同该深度挡墙变形的乘积确定挡墙变形的乘积确定。地基反力系数有多种分布，不同的分布形式就形成了不同的分析与计算方法。图3-48给出地基反力系数的五种分布图示。图3-48地基反力系数沿深度的分布n上述五种分布图示都可以用下面的通式来表达：（3-27）式中：z为地面或开挖面以下深度；k为比例系数；n为指数，反映地基反力系数随深度而变化的情况；A0为地面或开挖面处土的地基反力系数，一般取为零。根据n的取值，人们将图3-48(a)、(b)、(d)分布模式的计算方法分别称为张氏法张氏法(n= 0)、C法法(n= 0.5)和和K法法(n= 2) 。在图3-48(c)中，n=1，Kh=kz(3-28)此式表明水平地基反力系数沿深度按线性规律增大，由于我国以往应用此种分布图示时，用m表示比例系数，即Kh=mz，故通称m法法（中国交通部标准JTJ024-85）。n采用m法时土对支挡结构的水平地基反力f 可写成如下的形式：f=mzy(3-28) 式中：y为计算点处挡墙的水平位移。n水平地基反力系数Kh和比例系数m的取值原则上宜由现场试验确定，也可参照当地类似工程的实践经验。国内不少基坑工程手册或规范也都根据铁路、港口工程技术规范给出了相应土类Kh和m的大致范围，当无现场试验资料或当地经验时可参照下面的表3-6和表3-7选用。表表3-6 不同土的水平地基反力比例系数不同土的水平地基反力比例系数m 地地 基基 土土 类类 型型m(MN/m4) 液性指数IL 1的粘性土，淤泥12 液性指数0.5IL1.0的软粘土，粉砂，松散砂24 液性指数0IL0.625时，取=0；混凝土构件受压区应力图的应力值取为轴心抗压强度设计值fc乘以系数，当混凝土强度等级不超过C50时当混凝土强度等级为C80时M护坡桩弯矩设计值。=1，=0.94，其间按线性内插法确定；以上方程组可通过试算求解；另外可按以下方法计算(按经验估算As求系数K=fyAs/fcA由第二式或查表2-1求 把带入第一式左边求承载力(记为Mc)，若Mc小于弯矩设计值，=1)：则重设As，重复以上步骤，直至Mc大于弯矩设计值，则得护坡桩配筋As。2)钢筋混凝土护坡桩配筋计算99规程方法简介截面受拉区内纵向钢筋不少于三根的圆形截面的情况，沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩，其正截面受弯承载力可按99规程以下公式计算。配置局部均匀配筋和集中配筋的圆形截面配置局部均匀配筋和集中配筋的圆形截面式中：对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2的比值，应满足下列要求：；另外应满足1/3.5，否则第二式应按下式计算：矩形截面的相对界限受压区高度， rs纵向钢筋所在圆周的半径； r圆形截面的半径；对应于周边均匀受拉钢筋的圆心角(rad)与2的比值；值宜在l/6l/3之间选取，通常可取定值0.25；对应于周边均匀受压钢筋的圆心角(rad)与2的比值，0.5A构件截面面积；Asr、Asr均匀配置在圆心角、Asc、Asc集中配置在圆心角、面积范围内的纵向受拉、受压钢筋截面面积；ysc、ysc纵向受拉、受压钢筋截面面积Asr、Asr的重心至圆心的距离；fy普通钢筋的抗拉强度设计值；fcm混凝土弯曲抗压强度设计值；宜取受拉、受压钢筋截面面积；内沿周边的纵向的混凝土弓形注意事项：注意事项：n1 1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；中心距和单位长度中心距和单位长度；n2 2）有支撑变形计算按弹性支点法计算）有支撑变形计算按弹性支点法计算, ,支点刚支点刚度系数度系数 及地基土水平抗力系数及地基土水平抗力系数m m应按地区经验取值应按地区经验取值；n3 3）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，计计 算内力和变形。算内力和变形。5 支护结构的设计步骤支护结构的设计步骤n设计内容包括：桩径、桩距、入土深度、桩身配筋、圈梁配筋、变形计算、稳定性验算等。n步骤如下： 桩径、桩距桩径、桩距：按照经验取值。n桩径D0.6m；n有地下水时，桩中心距（1.21.5）D，砂土和软土取小值。粘性土取大值；n无地下水、降水或者土质较好时，桩中心距（22.5）D；n对于确定的按经验配筋的桩，其抗弯弯矩可计算，对于确定的按经验配筋的桩，其抗弯弯矩可计算，为为Mc，根据每米单宽土压力可计算出桩身最大弯矩及，根据每米单宽土压力可计算出桩身最大弯矩及设计值设计值M，则桩中心距可取，则桩中心距可取Mc/ M。基坑深度基坑深度hm灌注桩直径灌注桩直径Dm地下连续墙宽度地下连续墙宽度bmh50.40.6570.60.87100.81.00.60.810151.01.20.81.0h151.01.2 排桩支护经验参数排桩支护经验参数 一般当基坑深度一般当基坑深度h12m时，灌注桩直径时，灌注桩直径D =0.60.8m或稍大；或稍大；h12m时，时，灌注灌注桩直径桩直径D =0.81.2m。基坑深度基坑深度hm支撑支撑道数道数跨度跨度m支撑断面（宽支撑断面（宽高高）m圈梁断面（宽圈梁断面（宽高高）mh618100.60.71.00.768128100.70.80.80.81.50.7(0.8)1.20.881028100.80.81.00.8(1.21.5)0.8 1014238101.00.8(1.21.8)0.8h14348101.20.8(1.22.0)0.8 支撑参数经验值（支撑参数经验值（锚杆层数可参照支撑道数锚杆层数可参照支撑道数）锚杆位置要低于基坑边壁中相邻建筑物的浅基础底部锚杆位置要低于基坑边壁中相邻建筑物的浅基础底部。坑底以下土层悬臂桩单支点排桩硬坚硬土层0.70.80.50.6强风化软质岩0.60.70.40.5强风化硬质岩0.50.60.30.4中风化软质岩0.40.5中风化硬质岩0.30.40.20.3微风化岩0.20.40.10.2 嵌固深度嵌固深度hdoh广州地区广州地区悬臂桩和单支点排桩嵌固深度经验系数悬臂桩和单支点排桩嵌固深度经验系数表表6 6、桩墙式支护结构的施工、桩墙式支护结构的施工1） 桩墙式支护结构的构造要求桩墙式支护结构的构造要求(1) 现浇钢筋混凝土支护结构的混凝土强度等级不得低于C20。(2) 桩墙式支护结构的顶部应设圈梁，如图所示，其宽度应大于桩、墙的厚度。桩、墙顶嵌入圈梁的深度不宜小于50mm；桩、墙内竖向钢筋锚入圈梁内的长度宜按受拉锚固要求确定。 (3) 支撑和腰梁，如图所示的纵向钢筋直径不宜小于16mm； 箍筋直径不应小于8mm。 （4）圈梁配筋）圈梁配筋 圈梁高度圈梁高度一般为桩直径的0.50.8倍，且0.4m；宽度宽度桩的直径。桩的主筋锚固于圈梁筋锚固于圈梁，锚固长度不小于30倍主筋直径。 焊接接头焊接接头分散布置，同一截面接头数不得超过钢筋数的一半。圈梁配筋一般采用构造配筋，一般符合最小配筋率要求，经验值一般符合最小配筋率要求，经验值为为0.50.8）As。As为桩身主筋配筋总面积。当圈梁兼作腰梁圈梁兼作腰梁时，按照腰梁受力，以最大弯矩按照钢筋混凝土梁计算配筋。n钢板桩施工流程钢板桩施工流程：测量放线测量放线安装导架安装导架钢板桩打设钢板桩打设挖土、监测、基础施工挖土、监测、基础施工钢板桩拔除钢板桩拔除石灰线石灰线地表插钢筋或木桩地表插钢筋或木桩对中对中 “十字十字”架，吊架，吊线坠测垂直度线坠测垂直度要求半径尽量相等，要求半径尽量相等，误差在允许范围内误差在允许范围内2） 灌注桩挡土结构施工概述灌注桩挡土结构施工概述灌注桩挡土结构主要有钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔灌注桩，布置形式可分为密排、疏排、双排，如图所示，疏排桩、双排桩可与止水帷幕结合使用。 n挖孔桩施工支护流程挖孔桩施工支护流程：施工准备之后：放线定桩位和高程放线定桩位和高程第一节土方开挖、外运第一节土方开挖、外运支护壁模板、放附加钢筋支护壁模板、放附加钢筋浇灌第一节护壁混凝土浇灌第一节护壁混凝土检查桩位（中心）轴线检查桩位（中心）轴线安装电葫芦（卷扬机）安装电葫芦（卷扬机）安装吊桶、照明、活动盖板、水泵、通风机等安装吊桶、照明、活动盖板、水泵、通风机等开挖吊运第二节土方开挖吊运第二节土方拆第一节、安装第二节支护壁模板、放钢筋拆第一节、安装第二节支护壁模板、放钢筋假设垂直运输架假设垂直运输架逐层循环作业至设计深度逐层循环作业至设计深度浇灌第二节护壁混凝土浇灌第二节护壁混凝土检查桩位（中心）轴线检查桩位（中心）轴线检查验收检查验收制作钢筋笼制作钢筋笼吊放钢筋笼吊放钢筋笼浇灌桩身砼浇灌桩身砼移位移位桩身砼养护桩身砼养护破桩破桩圈梁施工养护圈梁施工养护开挖、监测、封底、基础施工开挖、监测、封底、基础施工移位移位破桩破桩 混凝土养护混凝土养护圈梁施工和养护圈梁施工和养护第一步开挖第一步开挖第第1层锚杆施工、养护、层锚杆施工、养护、桩间土护壁桩间土护壁、排水管安放、排水管安放腰梁、施加预应力、锁定腰梁、施加预应力、锁定分层开挖、分层施工锚杆、腰梁等直至坑底分层开挖、分层施工锚杆、腰梁等直至坑底锚杆和浆液制作锚杆和浆液制作封底、基础施工封底、基础施工 开挖桩间土、修坡开挖桩间土、修坡钢筋网片安装固定钢筋网片安装固定钢筋网片隐检钢筋网片隐检埋设厚度标志埋设厚度标志钢筋网片加工钢筋网片加工喷射混凝土拌合料准备喷射混凝土拌合料准备混凝土喷射作业混凝土喷射作业喷射混凝土养护喷射混凝土养护 验收验收桩间土层渗水处理桩间土层渗水处理桩间网喷护壁施工工艺流程桩间网喷护壁施工工艺流程7 7、内支撑的施工、内支撑的施工支撑在坑内土面挖槽安装。当要在支撑顶面开行挖土机械 时，支撑顶面低于坑内土面25cm左右，并架设通道板。一般在混凝土强度达到80%设计强度后，开挖支撑以下的土方。支撑穿越工程结构时，应设止水结构。钢支撑施加预压力时，应注意对相临支撑的影响。支撑长度超过30m，一般要在支撑两端同时加压。预压力宜为30% 60%支撑轴力。支撑的拆除，可用大锤、机械，甚至爆破。3.6 基坑的稳定性分析基坑的稳定性分析 基坑工程的稳定性主要表现为以下几种形式：(1) 整体稳定性；(2) 倾覆及滑移稳定性；(3) 基坑底隆起稳定性；(4) 渗流稳定性。 对无支护结构的基坑，验算方法见土力学教材。对有支护结构的基坑，需计算圆弧切桩与圆弧通过桩尖时的基坑整体稳定性，圆弧切桩时需考虑切桩阻力产生的抗滑作用，即每延米中桩产生的抗滑力矩Mp，可按下式计算。 有支护结构的基坑整体稳定性验算有支护结构的基坑整体稳定性验算1. 整体稳定性验算整体稳定性验算 大量工程实践经验表明，整体稳定破坏大体是以圆弧滑动破坏面的形式出现，条分法是整体稳定分析最常使用的方法。最危险的滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求： MR/MS1.2式中：MR抗滑力矩 MS滑动力矩。(2-42)式中：Mp每延米中的桩产生的抗滑力矩(kNm/m)；桩与滑弧切点至圆心连线与垂线的夹角；Mc每根桩身的抗弯弯矩(kNm/单桩)；hi切桩滑弧面至坡面的深度(m)；hi范围内土的重度(kN/m3)；Kp、Ka土的被动与主动土压力系数；d桩径(m)；d两桩间的净距(m)。对于地下连续墙、重力式支护结构d+d1.0m。 3.7 支护桩墙稳定验算支护桩墙稳定验算n支护桩墙除需保证结构本身稳定外，还要保证开挖基坑后不会出现坑底隆起和管涌等现象。 按照剪切破坏验算地基的稳定性按照剪切破坏验算地基的稳定性图3-72 地基隆起验算(a) 坑底隆起现象；(b) 计算简图基坑壁后土体在重量W的作用下，其下的软土地基沿某圆柱面发生破坏和滑动，绕中心轴O转动。此时：3.7.1坑底隆起验算坑底隆起验算在开挖软粘土基坑时，如桩背后的土柱重量超过基坑底面下地基承载力时，地基平衡状态受到破坏，就会发生坑壁土流动，坑顶下陷、坑底隆起的现象。n转动力矩为：(3-49)n抵抗滑动的力矩为：(3-50)n要保证坑底不发生隆起，则要求：Mr/M0=K 1.2(3-51)当土层匀质时Mr=x2n式中地基土的不排水抗剪强度。在饱和软土中 = 0， = c，Mr=cx2。n上述验算方法中，没有考虑垂直面上土的抗剪强度对土体下陷的阻力，所以偏于安全，算出的桩的入土深度是较深的?。【验算举例】上海花园饭店基坑深6.2m，三道支撑，地面荷载20kN/m2。参数为：=17kN/m3，7 m以 下c值 为c2 =25kPa， 值比较小，从安全考虑可以忽略，设 计 板 桩 深 入 坑 底11.8m，试验算其安全系数。n滑动力矩M0为：图3-73 稳定验算简图()M0 = (20 +176.2)11.82/2 = 8730kNm2. 倾覆及滑移稳定性验算倾覆及滑移稳定性验算重力式支护结构的倾覆和滑移稳定性验算的计算简图如图所示:重力式支护重力式支护结构倾覆结构倾覆及滑移稳定及滑移稳定验算计算简图验算计算简图式中：Ka抗倾覆安全系数，Ka1.3；ba主动土压力合力点至墙底的距离(m)；bp被动土压力合力点至墙底的距离(m)；W重力式支护体的重力(kN/m)；B重力式支护体的宽度(m)；Ea主动土压力(kN/m)；Ep被动土压力(kN/m)。抗滑移稳定性按下式验算：式中：Kh抗滑移安全系数，Kh1.2； 墙底与土之间的摩擦系数，当无试验资料时， 可取：对淤泥质土 0.20.50，黏性土 0.250.4，砂土0.40.50。 (2-45) (2-47)式中：Ep、bp分别为被动侧土压力的合力及合力对支护结构 底端的力臂；Ea、ba分别为主动侧土压力的合力及合力对支护结构底 端的力臂。 桩墙式悬臂支护结构的水平推移和抗整体倾覆稳定验算应满足下列条件，如图所示。3. 基坑底隆起稳定性验算基坑底隆起稳定性验算 1.6 式中：Nc承载力系数，条形基础时Nc =5.14；0抗剪强度，由十字板试验或三轴不固结不排水 试验确定(kPa)； 土的重度(kN/m3)； t支护结构入土深度(m)； h基坑开挖深度(m)； q地面荷载(kPa)。以上公式依据Terzaghi地基承载力公式而来：pu=tNq+cNc+1/2bN，=0时，Nc=5.14，Nq=1，N=0。 4. 渗流稳定性验算渗流稳定性验算1) 流土(或流砂)稳定性验算渗流力(或动水压力)可由流网计算，也可按以下简化方法计算，如图所示。 流土流土(或流砂或流砂)稳定性验算稳定性验算 试验证明，流土(或流砂)首先发生在离坑壁大约为挡土结构嵌入深度一半的范围内(hd/2)，近似地按紧贴挡土结构的最短路线来计算最大渗流力，则渗流力(或动水压力)j(可另外考虑安全系数)为式中： 坑内外水头差(m)； hd挡土结构入土深(m)；w水的重度(kN/m3)。上式表明了要避免发生流土(或流砂)的挡土结构最小嵌入深度。2) 突涌稳定性验算按下式验算:突涌稳定性验算突涌稳定性验算1.1 式中：m透水层以上土的饱和重度(kN/m3)；t+t透水层顶面距基坑底面的深度(m)；Pw含水层水压力(kPa)。 注意事项：注意事项：n1 1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；中心距和单中心距和单位长度位长度；n2 2）有支撑变形计算按弹性支点法计算）有支撑变形计算按弹性支点法计算, ,支点刚度系数支点刚度系数 及地基土水平抗力系数及地基土水平抗力系数m m应按地区经验取值应按地区经验取值；n3 3）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，计算内力和变形。间作用协同分析方法，计算内力和变形。3.7 水泥土挡墙设计水泥土挡墙设计 常见水泥土墙截面形式常见水泥土墙截面形式二二二二. .水泥土挡墙支护设计水泥土挡墙支护设计水泥土挡墙支护设计水泥土挡墙支护设计 包括：抗倾覆、滑动、整体稳定、抗渗、墙体应力、位移等包括：抗倾覆、滑动、整体稳定、抗渗、墙体应力、位移等n经验数据经验数据： 宽度宽度b=（0.60.8）h；插入深度；插入深度hd= （0.81.2）hnJGJ120-2012水泥土墙整体稳定性验算水泥土墙整体稳定性验算,确定确定入土深度入土深度hd： 圆弧简单条分法确定入土深度；圆弧简单条分法确定入土深度； 入土深度同时要满足抗渗要求。入土深度同时要满足抗渗要求。 当按照整体稳定性要求和抗渗要求确定的入土深度小于当按照整体稳定性要求和抗渗要求确定的入土深度小于0.4h时，取时，取0.4h。壁式水泥土挡土墙壁式水泥土挡土墙格珊式水泥土挡土墙格珊式水泥土挡土墙倾覆破坏倾覆破坏：墙体宽度、深度墙体宽度、深度不足；地面堆载不足；地面堆载过大、车辆频繁过大、车辆频繁行使等可引起。行使等可引起。地基整体破坏地基整体破坏：基坑开挖深度大，基底基坑开挖深度大，基底土质软弱时，地面堆载土质软弱时，地面堆载过大、车辆频繁行使等过大、车辆频繁行使等可引起地基土与挡土墙可引起地基土与挡土墙一起滑动。伴随地面大一起滑动。伴随地面大量下陷、坑底隆起、主量下陷、坑底隆起、主体桩基础位移等。体桩基础位移等。墙趾外移破坏墙趾外移破坏：墙体插入深度不足，墙体插入深度不足，坑底土质太软或流砂、坑底土质太软或流砂、管涌等削弱，可引起。管涌等削弱，可引起。另外：墙体应力破坏另外：墙体应力破坏：拉裂或压屈拉裂或压屈嵌固深度嵌固深度嵌固深度嵌固深度四四四四. . 墙体厚度墙体厚度墙体厚度墙体厚度当水泥土墙底部位于碎石土或砂土时墙体厚度设计值宜按下式确定，如图所示。(a) 砂土及碎石土砂土及碎石土 (b) 粉土及黏性土粉土及黏性土b 当水泥土墙底部位于粘性土或粉土时墙体厚度设计值宜按下式确定： b式中：水泥土墙底以上基坑外侧水平荷载标准值合力之和；ha合力作用点至水泥土墙底的距离；水泥土墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和；hp合力作用点至水泥土墙底的距离；水泥土墙体平均重度；水的重度；hwa基坑外侧水位深度；hwp基坑内侧水位深度。前者为抗倾覆稳定条件，后者为经验公式。当按上述规定确定的水泥土墙厚度小于0.4h时宜取0.4h。 2) 拉应力验算上式中自重荷载分项系数、基坑重要性系数取1，水泥土抗拉强度设计值等于0.06抗压强度设计值。五五五五. . 正截面承载力正截面承载力正截面承载力正截面承载力1) 压应力验算六六六六. . 重力式水泥土挡墙的施工重力式水泥土挡墙的施工重力式水泥土挡墙的施工重力式水泥土挡墙的施工常用的水泥土挡墙支护结构的布置形式如图所示。可以通过在未结硬的墙体中插入钢管、钢筋、型钢、木棒、竹筋等方法来提高水泥土挡墙支护结构的刚度(抗弯强度)，有时也可用砂、碎石等置换格栅式结构中的土，以增加结构的稳定性。水泥土挡墙支护结构的常用布置形式水泥土挡墙支护结构的常用布置形式(a) 壁式壁式 (b) 格栅式格栅式 (c) 拱式拱式 (d) 设置型钢式设置型钢式 (e) 填料式填料式 1） 水泥土搅拌桩水泥土搅拌桩 水泥土搅拌法是利用水泥为固化剂，通过特制的机械(型号有多种，SJB系列深层搅拌机如图所示，另配套灰浆泵、桩架等)，在地基深处就地将原位土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，形成水泥土桩。 SJB系列深层搅拌机1输浆管 2外壳 3出水口 4进水口 5电动机 6导向滑块 7减速器 8搅拌轴 9中心管 10横向系统 11球形阀 12搅拌头水泥土搅拌桩施工步骤由于湿法和干法的施工设备不同而略有差异。其主要步骤应为(1) 搅拌机械就位、调平；(2) 预搅下沉至设计加固深度；(3) 边喷浆(粉)、边搅拌提升直至预定的停浆(灰)面；(4) 重复搅拌下沉至设计加固深度；(5) 根据设计要求，喷浆(粉)或仅搅拌提升直至预定的停浆(灰)面；(6) 关闭搅拌机械。2. 高压喷射注浆桩高压喷射注浆桩高压水泥浆(或其他硬化剂)的通常压力为15MPa以上，通过喷射头上一或两个直径约2mm的横向喷嘴向土中喷射，使水泥浆与土搅拌混合，形成桩体。 高压喷射注浆桩施工工艺流程高压喷射注浆桩施工工艺流程(a) 单管法 (b) 二重管法 (c) 三重管法单管法、二重管法的喷射管(a) 单管法 (b) 二重管法七七. . 水泥土挡墙的构造要求水泥土挡墙的构造要求 进行水泥土行水泥土挡墙设计应满足如下构造要求：足如下构造要求：A A、水水泥泥土土挡墙采采用用格格栅式式设计布布置置时，水水泥泥土土桩置置换率率对淤淤泥泥不不小小于于0.80.8，淤淤泥泥质土土不不小小于于0.70.7，其其他他土土质条条件件不不小小于于0.60.6；格格栅长宽比比不不宜宜小小于于2 2；B B、水水泥泥土土桩与与桩之之间的的搭搭接接宽度度应根根据据挡土土及及截截水水要要求求确确定定，考考虑截截水水作作用用时，桩的的有有效效搭搭接接宽度度不不宜宜小小于于150mm150mm；当当不不考考虑截截水水作作用用时，搭搭接接宽度不宜小于度不宜小于100mm100mm。 当当变形不能形不能满足要求足要求时，宜采用基坑内，宜采用基坑内侧土体土体加固或水泥土加固或水泥土墙插筋加混凝土面板及加大嵌固深插筋加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。度等措施。