姜谙男教授昆明基坑讲义《基坑工程设计》

1、道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering基坑工程设计基坑工程设计 姜谙男姜谙男 ( (教授）教授） 大连海事大学道桥所大连海事大学道桥所 昆明地铁讲义昆明地铁讲义2014.1.19道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1. 基坑支护结构的设计n1.1 设计原则n1.2 支护方案的选择 n1.3 几种支护结构设计 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.

2、1 设计原则n 1.1.1 基坑工程的分级n 1.1.2 基坑支护结构极限状态n 1.1.3 设计计算内容n 1.1.4 设计荷载 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering 1.1.1 基坑工程的分级 建设部规范建筑基坑技术规范：安全等级 破 坏 后 果一级支护结构破坏对基坑周边环境影响很严重。1.10二级支护结构破坏对基坑周边环境影响很小，但对本工程地下结构施工影响严重。1.00三级支护结构破坏对基坑周边环境影响及地下结构施工影响不严重。0.95道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of R

3、oad and Bridge Engineering1.1.21.1.2 基坑支护结构极限状态n 基坑支护结构极限状态分为下列两类： 1、承载能力极限状态、承载能力极限状态 对应于支护结构达到最大承载能力或基坑 底失稳、管涌导致土体或支护结构破坏；2、正常使用极限状态、正常使用极限状态 对应于支护结构的变形已破坏基坑周边的平衡状态并产生了不良影响。道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.1.31.1.3 设计计算内容n支护结构均应进行承载能力极限状态的计算。n对有位移控制要求的工程应进行支护结构的位移计算。道路

4、与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.1.4 设计荷载 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.2 设计方案选择n1.2.1 方案选择的依据方案选择的依据n1.2.2 基坑变形控制标准基坑变形控制标准n1.2.3 不同开挖深度的方案选择不同开挖深度的方案选择道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.2.1 方案选择依据n 基坑开挖深度；n 工程地质与

5、水文地质；n 基坑等级（邻近环境）；n 土方开挖方法；n 地下水处理；n 支护工程造价道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.2.2 基坑变形控制标准基坑变形控制标准 保护保护要求要求 地面最大沉降地面最大沉降（ ）支护墙最大水平位移支护墙最大水平位移（ ）特别特别0.1%h0.15%h重要重要0.2%h0.3%h一般一般0.5%h0.7%h低低1%h1.5%hh 基坑开挖深度基坑开挖深度道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.

6、2.3 不同开挖深度的方案选择 h3 m (半地下室半地下室) 挡土结构降水或止水措施1、放坡开挖明排水、井点降水2、土钉墙明排水、井点降水3、水泥土搅拌桩4、悬臂式钢(混凝土)板桩明排水、井点降水道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.2.3 不同开挖深度的方案选择h = 36m ( (一层地下室一层地下室) ) 挡土结构降水或止水措施1、土钉墙井点降水、搅拌桩止水2、水泥土搅拌桩3、悬臂式钢（砼）板桩明排水、井点降水4、钢(砼)板桩 + 一道支撑搅拌桩止水、井点降水5、灌注桩 + 一道支撑搅拌桩止水道路与桥

7、梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.2.3 不同开挖深度的方案选择 h = 69m (一一 二层地下室二层地下室) 挡土结构降水或止水措施1.水泥土搅拌桩2.钢(砼)板桩 + 一 二道支撑搅拌桩止水3.灌注桩 + 一 二道支撑搅拌桩止水道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.2.3 不同开挖深度的方案选择 h = 912m ( (二二 三层地下室三层地下室) ) 挡土结构降水或止水措施1钢(砼)板桩 + 二 三道支撑搅拌桩止水2灌注

8、桩 + 二三道支撑搅拌桩止水3SMW工法 4地下连续墙（搅拌桩止水）道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering1.2.3 不同开挖深度的方案选择 h 12m ( (三层以上地下室三层以上地下室) ) 挡土结构降水或止水措施1灌注桩 + 三四道支撑搅拌桩止水2SMW工法3地下连续墙（搅拌桩止水）4半逆作法、逆作法地下连续墙道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering放坡开挖放坡开挖图1.3-1图1.3-2 草袋装土或图1.3-3 短桩隔板围护干

9、砌块石简易挡土道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering悬臂式围护结构、水泥土重力式（图 1.3-4 悬 臂 式 围 护 结 构 示 意 图图 1.3-5 水 泥 土 重 力 式 围 护 结 构 示 意 图道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering水泥土墙道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of R

10、oad and Bridge Engineering水泥土墙道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering内撑式围护结构1.3.4 内撑式围护结构 内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑，分别如图1.3-6（a）（b）及（d）所示。(a)(b)(c)(d)图 1.3-6 内 撑 式 围 护 结 构 示 意 图道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institut

11、e of Road and Bridge Engineering 内撑式围护结构内撑式围护结构n 结构特征：由挡土结构与支撑结构两部分组成；结构特征：由挡土结构与支撑结构两部分组成；n 支撑材料：挡土材料有钢筋混凝土桩、地下连续墙，支撑材料有支撑材料：挡土材料有钢筋混凝土桩、地下连续墙，支撑材料有钢筋混凝土梁、钢管、型钢等；钢筋混凝土梁、钢管、型钢等；n 受力特征：水平支撑、斜支撑，单层支撑、多层支撑；受力特征：水平支撑、斜支撑，单层支撑、多层支撑；n 适用条件：各种土层和基坑深度。适用条件：各种土层和基坑深度。内撑式围护结构内撑式围护结构道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institu

12、te of Road and Bridge Engineering内撑式围护结构 内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管（或型钢）支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收，且加预压力方便。 内撑式围护结构适用范围广，可适用各种土层和基坑深度。p 优点：安全度较大，我市已具有丰富经验。p 缺点：内支撑给基坑挖土带来不便。 如基坑平面形状成近似正方形可采用拱圈作支撑，但需注意土压力的平衡。 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering灌注桩排桩道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Ins

13、titute of Road and Bridge Engineering混凝土支撑道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering钢支撑道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering地下连续墙道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering钢-混凝土组合支撑道

14、路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering图 1.3-7 拉锚式围护结构示意图(b)(a)地面拉锚式双层锚杆式道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering图 1.3-8 土钉墙围护示意图道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering土钉墙道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering8.3 支护结构

15、上的荷载支护结构上的荷载 水、土压力计算水、土压力计算n 水、土压力分算方法水、土压力分算方法 对于透水性比较大的砂性土和粉土，分别计算作用在围护结对于透水性比较大的砂性土和粉土，分别计算作用在围护结构上的土压力（按朗肯土压力理论计算）和水压力（按静水压力构上的土压力（按朗肯土压力理论计算）和水压力（按静水压力计算），然后叠加作用在围护结构上。计算），然后叠加作用在围护结构上。 或：或：HK2cHKpHK2cHKpwpppwaaa HK2cHKpHK2cHKpwpppwaaa 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineerin

16、gn 水、土压力合算方法水、土压力合算方法 对于透水性比较差的粘性土地基，采用水、土压力合算的方对于透水性比较差的粘性土地基，采用水、土压力合算的方法计算作用于围护结构上的侧向压力。法计算作用于围护结构上的侧向压力。各项参数的定义见各项参数的定义见p.298说明。说明。ppsatpaasataK2cHKpK2cHKp 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering 挡土结构位移对土压力的影响挡土结构位移对土压力的影响 一般的围护结构自身刚度不大，在侧向压力作用下产生较大一般的围护结构自身刚度不大，在侧向压力作用下产生较大

17、的相对位移时，对土压力的分布与大小产生影响。一般有以下几的相对位移时，对土压力的分布与大小产生影响。一般有以下几种情况：种情况：n 挡土构造不发生位移挡土构造不发生位移 墙后主动土压力为静止墙后主动土压力为静止土压力，土压力分布为三角土压力，土压力分布为三角形分布。形分布。道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineeringn 挡土构造上下两端不动，中部发生向外位移挡土构造上下两端不动，中部发生向外位移 墙后主动土压力为马鞍形分布。墙后主动土压力为马鞍形分布。n 挡土构造下端不动，上端向外位移挡土构造下端不动，上端向外位移 无

18、论位移多少，作用在墙背上的压力都按直线分布。当墙上无论位移多少，作用在墙背上的压力都按直线分布。当墙上端的移动达到一定数值后，墙后填土会发生主动破坏，此时作用端的移动达到一定数值后，墙后填土会发生主动破坏，此时作用在墙上的土压力称为主动土压力。在墙上的土压力称为主动土压力。道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering支护结构的侧压力PaBABAPp外 力CpPP0Pa墙 向 后 移墙 向 前 移位 移土 压 力图 2.2-1k0 静止土压力 k0 = 1sin 土的有效内摩擦角达到主动极限平衡状态 位移小 15 墙高达

19、到被动极限平衡状态 位移大 4% 墙高道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineeringn经典土压力理论只能计算刚性界面上的接经典土压力理论只能计算刚性界面上的接触压力触压力n经典土压力理论没有考虑挡墙本身的变形，即经典土压力理论没有考虑挡墙本身的变形，即将挡墙作为将挡墙作为完全刚性完全刚性的，只考虑挡墙的的，只考虑挡墙的平移或平移或转动转动等刚性位移。等刚性位移。n但在基坑工程中，排桩式和地下连续墙等板式但在基坑工程中，排桩式和地下连续墙等板式的围护结构都是柔性的，会产生比较大的变形，的围护结构都是柔性的，会产生比较大的变

20、形，而且在支撑和锚杆的约束下，围护结构的变形而且在支撑和锚杆的约束下，围护结构的变形非常复杂，目前也没有解析的方法可以计算柔非常复杂，目前也没有解析的方法可以计算柔性挡墙与土体的接触压力。性挡墙与土体的接触压力。 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineeringn经典土压力理论是在经典土压力理论是在平面应变条件平面应变条件下的下的解答解答n无论是库仑理论或者是朗肯理论，都是无论是库仑理论或者是朗肯理论，都是平面应变条件下的解答，没有考虑末端平面应变条件下的解答，没有考虑末端的影响。的影响。n而实际的工程条件总是有限长的，在

21、长而实际的工程条件总是有限长的，在长边方向的中部比较接近于平面条件，但边方向的中部比较接近于平面条件，但在基坑的转角处则与平面问题假定相距在基坑的转角处则与平面问题假定相距甚远，甚远，存在末端的影响存在末端的影响。 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering土压力的量测试验结果土压力的量测试验结果 n 国内在国内在90年代初，周应英等报道了五组很有年代初，周应英等报道了五组很有意义的试验结果，为认识土压力的分布规律提意义的试验结果，为认识土压力的分布规律提供了实测的数据。供了实测的数据。n 试验填料分别采用砂土和粘性

22、土。采用压力试验填料分别采用砂土和粘性土。采用压力盒量测土压力，在砂土的试验中用了盒量测土压力，在砂土的试验中用了20个压力个压力盒，粘性土的试验中用了盒，粘性土的试验中用了59个压力盒。个压力盒。 道路与桥梁工程研究所道路与桥梁工程研究所Institute of Road and Bridge Engineering水土合算与水土分算水土合算与水土分算n在土压力计算公式中，要用到土的重度指标，在土压力计算公式中，要用到土的重度指标，这反映了土体的自重对土压力的影响。所谓这反映了土体的自重对土压力的影响。所谓水水土合算和水土分算土合算和水土分算，就是在计算公式中，土的，就是在计算公式中，土的重度是用天然重度还是浮重度，在物理概念上重度是用天然重度还是浮重度，在物理概念上是土中水对挡墙的作用如何考虑的问题。从不是土中水对挡墙的作用如何考虑的问题。从不同的概念出发，建立在不同假定的基础上，采同的概念出发，建立在不同假定的基础上，采用不同的强度指标，可以得出不同的计算方法。用不同的强度指标，可以得出不同的计算方法。 道