常州市某深基坑支护设计

1 目目 录录 第 1 章 工程概况 2 1 1 基坑周边环境 2 1 2 工程地质及水文地质概况 2 1 3 基坑支护结构形式 3 第 2 章 土钉支护结构设计 4 2 1 概况 4 2 2 土钉轴力计算 4 2 3 土钉长度计算 8 2 3 1 锚固段长度计算 9 2 3 2 土钉总长 12 2 4 土钉杆体材料强度验算 13 2 第第 1 章章 工程概况工程概况 1 1 基坑周边环境基坑周边环境 常州市丽景大厦 由 A B 两幢 33 层住宅二层商业和地下车库组 成 高层住宅地下均 1 层 根据建设单位要求需要对离已建居民楼 较近的围墙段进行支护 该段基坑挖深约 4 5 米 支护段长约 50 米 另外对地下车库基坑也需进行支护 该段地面黄海高程为 3 0 米 挖土底标高为 1 5 米 基坑开挖深度为 4 5 米 整个支护段约 340 米 地下水位为地面以下 5 8 米 根据 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 2102 相关规定及本基坑工程所处的周边环境 可以将本基坑工 程的安全等级定为二级 1 2 工程地质及水文地质概况工程地质及水文地质概况 钻孔揭示的本基坑工程场地内的地层条件自上而下依次为杂填 土 淤泥质粉质黏土 粉土 粉砂及风化岩 场地内的地下水主要 为第四系孔隙水 水位埋深 5 8m 对基坑工程影响较小 基坑开挖 深度影响范围内 各土层的物理力学指标如表 1 1 所示 表 1 1 场地土层主要力学参数 固结快剪 层序名称状态 层厚 m 重度 kN m3 c kPa 1杂填土松散1 6818 921 03 5 2 淤泥质粉质 黏土 硬塑2 618 514 616 1 3 3粉土可塑2 2619 6455 8 4粉砂中密3 1218 82829 8 1 3 基坑支护结构形式基坑支护结构形式 本基坑工程开挖深度约为 4 5m 基坑开挖深度影响范围内的主 要土层为杂填土 淤泥质粉质黏土 粉土等 基坑周边环境较为复 杂 基坑安全等级为二级 本基坑工程可以优先考虑使用土钉支护结构 土钉支护结构具 有工程造价低 施工周期短等优点 在开挖深度不大的基坑工程中 得到了广泛使用 在距离坑外建筑物既有围墙较近的部分 因对变 形要求较为严格 不能采用土钉支护结构 结合当地工程经验来看 该支护段可以采用排桩 锚杆支护结构形式 本工程所在场地地层变化较小 各土层近似呈水平状分布 钻 孔揭示的各土层厚度如表 1 2 所示 表 2 1 各支护段典型地质断面对应土层厚度 土层厚度 h m 1 杂填土1 68 2 淤泥质粉质黏土2 60 3 粉土2 26 4 粉砂3 12 5 风化岩 4 第第 2 章章 土钉支护结构设计土钉支护结构设计 2 1 概况概况 土钉支护段典型的地质及支护断面图如图 2 1 所示 基坑采用 放坡开挖 破率为 1 0 5 基坑外侧无临近建筑物 但是施工期间 可能有工程车辆由此通过 为此 拟定坑顶超载为 20kPa 初步拟 定土钉的水平及竖直方向上的间距为 1 5m 土钉的倾角为 15 各 层土钉锚端距离基坑顶面的距离分别问 0 75m 2 25m 3 75m 图 2 1 工况 1 基坑支护结构立面图 2 2 土钉轴力计算土钉轴力计算 本支护段采用土钉支护结构 土钉的水平及竖直方向距离均为 1 5m 各层土钉锚端距离坑顶的深度依次为 0 75m 2 25m 3 75m 5 25m 土钉的倾角为 15 单根土钉的轴 力标准值计算式如下 5 zjxjjakj j jk sspN cos 1 式中 Nk j 第 j 层土钉的轴向拉力标准值 kN j 第 j 层土钉的倾角 墙面倾斜时的主动土压力折减系数 可按本规程第 5 2 3 条确定 j 第 j 层土钉轴向拉力调整系数 可按公式 5 2 4 1 计算 pak j 第 j 层土钉处的主动土压力强度标准值 kPa 应按本 规程第 3 4 2 条确定 sxj 土钉的水平间距 m szj 土钉的垂直间距 m 由上述计算原理可见 在计算各层土钉的轴向拉力标准值之前 应首先计算对应深度的主动土压力 墙面倾斜的主动土压力调整系 数及各层土钉的拉力调整系数 为此 下文将对各项系数进行计算 1 主动土压力 在施工期间 坑顶可能有车辆 施工机械及堆载等作用 本基 坑工程拟定坑顶超载为 20kPa 基坑开挖深度范围内 各土层的物 理力学指标如表 1 1 所示 按照 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 2102 第 3 4 节的原则 计算各层土钉对应开挖深度处的主动土 压力 其中 杂填土层的主动土压力系数 ka 0 88 淤泥质粉质黏土 6 层的主动土压力系数 ka 0 57 粉土层主动土压力系数 ka 0 82 kPa3 988 0 21 288 0 9 18 75 020 75 0 ak p kPa5 1357 0 6 14 257 0 5 18 57 09 18 68 120 25 2 ak p kPa3 2957 0 6 14 257 0 5 18 07 29 18 68 120 75 3 ak p 由上述计算结果可见 土钉 2 土钉 3 端部对应的基坑开挖深度范 围内 主动土压力为正值 土钉 1 端部对应的基坑开挖深度土压力 为负值 负值表示土体自身能够保持稳定 不需要采取支护措施 计算土钉的轴力标准值时 负值对应的部分取值为 0 表 2 1 土压力计算结果 编号pak kPa Eaj kN 土钉 1 9 3 0 土钉 213 530 4 土钉 329 365 9 2 坡面倾斜时的主动土压力折减系数 可按下式计算 2 45tan tan 1 2 tan 1 2 tan 02m m m 式中 主动土压力折减系数 土钉墙坡面与水平面的夹角 m 基坑底面以上各土层按土层厚度加权的内摩擦角平均值 7 本支护段 土钉支护结构的坡面放坡比例为 1 0 5 对应的坡面 倾角为 63 4 基坑开挖底面以上的土层摩擦角加权平均值计算如 下 11 0 4 5 tan5 8 0 22tan16 1 2 6tan3 5 1 68 arctan m 开挖底面以上土层摩擦角的加权平均值为 11 0 坡面的倾角 为 63 4 带入数据 计算主动土压力折减系数如下 2 45 1 2 1 2 02 m m m tan tan tan tan 59 0 2 0 11 45tan 4 63tan 1 2 4 630 11 tan 1 2 0 114 63 tan 2 3 土钉轴向拉力调整系数 j 可按下列公式计算 h zj baaj n i ajj n i ajjb a Ezh Ezh 1 1 式中 j 土钉轴向拉力调整系数 zj 第 j 层土钉至基坑顶面的垂直距离 m h 基坑深度 m Eaj 作用在以 sxj szj为边长的面积内的主动土压力标准值 8 kN a 计算系数 b 经验系数 可取 0 6 1 0 n 土钉层数 本基坑工程 地层条件变化较小 经验系数 b取值为 1 0 带 入数据 计算得 0 1 a 土钉轴力的标准值可以不进行调整 综合以上计算结果 将各数据带入到土钉轴向拉力标准值的计 算公式中 得到计算结果如表 2 2 所示 表 2 2 各层土钉轴力标准值 编号pak kPa 轴向拉力标准值 kN 土钉 1 9 3 0 土钉 213 517 9 土钉 329 338 9 2 3 土钉长度计算土钉长度计算 土钉支护结构中 土钉的长度由三部分组成 分别为潜在滑动 面外锚固段的长度 潜在滑动面内连接段的长度及土钉锚固端部的 工作长度 为便于叙述 下面将这三部分长度分别简称为长度 1 长度 2 及长度 3 土钉支护结构的计算简图如 2 2 所示 9 k j j i m 图 2 2 土钉支护结构计算简图 2 3 1 锚固段长度计算锚固段长度计算 土钉的锚固段长度应该满足抗拔承载能力要求 单根土钉的极 限抗拔承载力标准值可按下式估算 isikj j k lqdR 式中 Rk j 第 j 层土钉的极限抗拔承载力标准值 kN dj 第 j 层土钉的锚固体直径 m 对成孔注浆土钉 按成孔 直径计算 对打入钢管土钉 按钢管直径计算 qsik 第 j 层土钉在第 i 层土的极限粘结强度标准值 kPa 应 由土钉抗拔试验确定 无试验数据时 可根据工程经验并结合表 5 2 5 取值 li 第 j 层土钉在滑动面外第 i 土层中的长度 m 计算单根土 钉极限抗拔承载力时 取图 2 2 所示的直线滑动面 直线滑动面与 10 水平面的夹角取 2 m 本基坑工程拟定采用钻孔注浆型土钉 钻孔直径为 130mm 各 土层与土钉锚固体的极限粘结强度根据 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 2102 建议值取值 具体取值如表 2 3 所示 表 2 3 土钉的极限粘结强度标准值 土层qsi k kPa 1 杂填土25 2 淤泥质粉质黏土25 3 粉土50 4 粉砂65 各层土钉与土层的相对位置关系如图 2 3 所示 由图可见 土 钉 1 在潜在滑动面以外锚固段的长度中 前部分有 1 28m 在杂填土 中 其余部分置于淤泥质粉质黏土层中 土钉 2 在滑动面外的锚固 段长度主要在淤泥质粉质黏土层中 土钉 3 滑动面外的长度 前部 分有 1 58m 在淤泥质粉质黏土层中 其余部分置于粉土层中 11 图 2 3 土钉与土层的位置关系图 单根土钉的抗拔承载力应符合下式规定 t jk jk K N R 式中 Kt 土钉抗拔安全系数 安全等级为二级 三级的土钉墙 Kt分别不应小于 1 6 1 4 Nk j 第 j 层土钉的轴向拉力标准值 kN 应按本规程第 5 2 2 条的规定确定 Rk j 第 j 层土钉的极限抗拔承载力标准值 kN 应按本规程 第 5 2 5 条的规定确定 本基坑工程的安全等级为二级 对应的土钉抗拔安全系数为 1 6 按照上式计算各层土钉的极限抗拔承载力 计算结果如表 2 4 所示 表 2 4 土钉极限抗拔承载力 12 编号 轴向拉力标准值 kN 极限抗拔承载力 kN 土钉 100 土钉 217 928 6 土钉 338 962 2 1 土钉 1 锚固段长度计算 土钉 1 上的轴向拉力为 0 表示该层土钉仅按照一般的构造措 施即可满足要求 为此 本基坑支护段拟定土钉 1 的长度为 6 0m 2 土钉 2 锚固段长度计算 由图 2 3 可见 土钉 2 的主要置于淤泥质粉质黏土层中 土钉 的极限抗拔承载能力为 25kPa 带入数据 计算土钉锚固段的长度 如下 2 80m 250 13 28 6 dq R l s2k k 2 2 3 土钉 3 锚固段长度计算 土钉 3 的锚固段长度可以分为两部分 分别为置于淤泥质粉质 黏土层及粉土层中的部分 有即可关系可见 土钉 3 置于淤泥质粉 质黏土层中的长度为 1 58m 带入数据 计算土钉 3 的锚固段长度 如下 2 26m 500 13 16 162 2 dq 1 58 dq R l s2k s2kk 3 3 3 84m1 582 26l3 2 3 2 土钉总长土钉总长 13 土钉在潜在滑动面以外的长度可以采用 AutoCAD 程序作图直接 量取 该方法能够省去反繁琐的几何关系代换 为此 本基坑工程 中 滑动面以外的土钉长度直接列于下表 表 2 5 各层土钉长度 编号 锚固长度 m 连接长度 m 工作长度 m 总长 m 土钉 1 6 土钉 22 801 400 504 70 土钉 33 840 500 504 84 由上表的计算结果可见 本基坑支护段内 土钉 2 及土钉 2 的 理论计算长度分别为 4 70m 及 4 84m 考虑到施工过程中 土钉长 度种类过多不便于工人操作 易造成上下各层土钉长度混淆等 本 基坑工程拟定将三排土钉的长度均按 6 0m 长度进行设计 2 4 土钉杆体材料强度验算土钉杆体材料强度验算 由表 2 4 可见 土钉 3 的极限抗拔承载力为 62 2kN 本基坑拟 定采用 HRB335 级钢筋作为土钉的杆体材料 土钉杆体的受拉承载 力应符合下列规定 syj AfN 式中 Nj 第 j 层土钉的轴向拉力设计值 kN 按本规程第 3 1 7 的 规定计算 14 土钉杆体的抗拉强度设计值 kPa HRB335 级钢筋取值 y f 300MPa As 土钉杆体的截面面积 m2 带入数据 计算杆体材料的横截面积最小值如下 223 y jk s 207mmmm10 300 62 2 f N A 参照 混凝土结构设计规范 GB 50010 2010 附录 A 本基坑 工程土钉可以选择 18mm 的 HRB335 级钢筋作为杆体材料 15 第第 3 章章 桩锚支护结构设计桩锚支护结构设计 在基坑距离既有建筑物围墙较近的部分 不适合采用土钉支护 结构 经过比选 确定该段支护结构形式为排桩 锚索 结合第 2 章 中 基坑侧壁的土压力计算结果可见 本基坑土层条件较好 对应 的坑外主动土压力值不大 为此 本基坑支护段的围护桩的桩长可 以按照 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 2102 给定的最低标准 取一定的富裕量进行设计 关于排桩围护结构的嵌固深度 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 2102 进行了适当的规定 指出桩身嵌固深度除了满足基坑支护 结构的稳定性及变形要求之外 尚应满足构造要求 对悬臂式结构 尚不宜小于 0 8h 对单支点支挡式结构 尚不宜小于 0 3h 对多支 点支挡式结构 尚不宜小于 0 2h 此处 h 为基坑深度 本支护段的开挖深度为 4 5m 为减小桩身弯矩及剪力峰值 应 将锚索锚固点设置在桩顶以下一定深度范围内 结合第 2 章土压力 计算结果 在坑顶以下 2 0m 范围呢 坑外主动土压力值较小 甚至 部分为负值 对应的桩身剪力及弯矩值较小 为此 本支护段拟定 将锚索的锚固点设置在桩顶以下 2 0m 深度处 对应锚头的标高为 1 0m 锚索的竖向间距宜大于 2 0m 为此 本支护段设置为单层 锚索支撑 对单支点的支挡式结构 桩身的嵌固深度宜大于基坑开挖深度 的 0 3 倍 为此 本基坑支护段的桩身嵌固深度不宜小于 1 35m 对 16 桩身嵌固深度取整 保留一定的富余量 拟定桩身的嵌固深度为 1 5m 对应桩长为 6 0m 采用 理正深基坑 初步试算 该支护段 内的混凝土灌注桩的布设方式为 600 1200mm 基坑支护结构典 型的立面图如图 2 1 所示 图 3 1 基坑支护结构立面图 3 1 支护结构稳定性验算支护结构稳定性验算 按照 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 2102 相关规定 对于 单支点支撑的桩锚式支撑结构 应进行整体稳定性 嵌固深度稳定 性及抗隆起稳定性 本基坑工程所在长度在开挖底面以下不存在软 弱土层 所以不需要验算绕支撑点的转动的圆弧滑动稳定性 地下 水位位于坑顶以下 5 8m 对基坑的稳定性不产生影响 为此 不进 行抗突涌稳定性 综上 本支护段应进行整体稳定性 嵌固深度稳 17 定性及抗隆起稳定性三项 3 3 1 嵌固深度稳定性验算嵌固深度稳定性验算 单层锚杆和单层支撑的支挡式结构的嵌固深度应符合下列嵌固 稳定性的要求 em aak ppk K zE zE 2 2 式中 Kem 嵌固稳定安全系数 安全等级为一级 二级 三级的锚 拉式支挡结构和支撑式支挡结构 Kem分别不应小于 1 25 1 2 1 15 Eak Epk 基坑外侧主动土压力 基坑内侧被动土压力合力的 标准值 kN za2 zp2 基坑外侧主动土压力 基坑内侧被动土压力合力作 用点至支点的距离 m d p2 a2 ak 0 ak pk pk 18 图 3 2 单支点支撑结构的嵌固深度稳定性计算图示 由上述计算理论可见 在计算基坑的嵌固深度稳定性之前 需 先确定支护结构两侧的主动及被动土压力值 并以此计算出主动 被动土压力的合力标准值及作用点的位置 作用在支护结构外侧 内侧的主动土压力强度标准值 被动土 压力强度标准值宜按下列公式计算 1 对于地下水位以上或水土合算的土层 ia ia ak 2KcKp iak 2 45 tan 2 i ia K ipippkpk KcKp i 2 2 45 tan 2 i ip K 式中 pak 支护结构外侧 第 i 层土中计算点的主动土压力强度标 准值 kPa 当 pak 0 时 应取 pak 0 ak pk 分别为支护结构外侧 内侧计算点的土中竖向应力 标准值 kPa 按 建筑基坑支护技术规程 JGJ 120 2102 第 3 4 5 条的规定计算 Ka i Kp i 分别为第 i 层土的主动土压力系数 被动土压力 系数 ci i 第 i 层土的粘聚力 kPa 内摩擦角 按 建筑基 坑支护技术规程 JGJ 120 2102 第 3 1 14 条的规定取值 19 p