基坑支护结构设计

1、基坑支护结构设计基坑土层力学参数层号土层名称层厚(m)重度(kn/m3)浮重度(kn/m3)粘聚力(kpa)内摩擦角(°)m值1杂填土2粉质黏土3粉质黏土4粉质黏土5粉质黏土6粉质黏土7粉质黏土8中砂9粗砂10砾砂11粗砂基坑存在的超载表超载位置类型超载值(kpa)作用深度(m)作用宽度(m)距坑边距(m)形式长度(m)a-a局部荷载条形此深基坑工程需要基坑支护结构来保证基坑的安全稳定，各种支护结构设计均遵循建筑基坑支护技术规程(jgj 120-2012)，混凝土结构设计规范(gb 50010-2010)，钢结构设计规范(gb 50017-2017)。因此，本文将设计3种支护结构，分

2、别为锚杆支护体系+护坡桩、地下连续墙、地下连续墙+锚杆支护体系。由规程知，设计支护形式需考虑作用在结构上的水平荷载，影响基坑支护的水平荷载有土体、基坑周围的建筑、车辆、施工材料及设备、温度及水等因素。确定荷载需要确定基坑内外土压力，土体在重力作用下会对支护结构产生侧压力，基坑外侧土体作用在支护结构上的力为主动土压力，主动土压力使支护结构变形挤压基坑内侧土体，此时基坑内侧土体土体对支护结构作用的力为被动土压力。土压力计算方法为朗金土压力计算方法，即分别按下式计算： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）式中：、分别表示第i层土的主动土压力系数与被动土压力系数；、分别表示第i层土的内摩擦角

3、（°）与黏聚力（kpa）；、分别表示支护结构外侧、内侧计算点的土中竖向应力标准值；表示在第i层土中计算点位于支护结构外侧的主动土压力强度标准值（kpa），若该值小于0，应取0；表示在第i层土中计算点位于支护结构内侧的被动土压力强度标准值（kpa）。则该基坑的主动土压力系数及被动土压力系数如表3-1所示。表3-1 土层主动土压力系数及被动土压力系数土层内摩擦角（º）主动土压力系数被动土压力系数11223456723838939据勘测报告的描述可知，土体表面存在局部荷载，可近似认为其土压力分布范围通过平行于破裂面传递至墙背，即沿与水平方向成角向墙背方向传递。若超出平行线范围，可

4、认为不受该局部荷载影响。局部荷载作用范围内的主动土压力，仍可按照计算。如图3-1所示，其中，其影响范围是从d点到e点，表示两点之间的距离。图3-1 局部荷载作用下土压力分布图则该基坑的局部荷载影响范围应由上述公式得出，但各土层内摩擦角不同，需将不同土层内摩擦角等效为同一内摩擦角。需按下式计算：（3-5）式中：i表示各土层编号；表示第i层土的内摩擦角（°）；表示第i层土的厚度（m）。距基坑西侧4m有7层住宅楼，基坑土体变形较大或者基坑支护结构失效，将对主体结构施工安全造成威胁，使周围建筑物受到影响，所以该基坑的安全等级为一级，根据规程第条所述，本设计结构重要性系数，作用基本组合分项系数

5、。根据规程表所述，为使结构能够满足安全等级要求，本设计分别采用锚杆支护体系+护坡桩，地下连续墙，锚杆支护体系+地下连续墙。以下将对各设计结构分别进行叙述。锚杆支护体系+护坡桩本设计排桩采用人工挖孔桩，该桩桩体采用的混凝土强度等级为c30，桩长30m，桩径，桩中心距，纵向受力钢筋采用hrb400，箍筋采用hpb300。此时，土体等效内摩擦角根据式（3-5）得：局部荷载作用范围：即由地面下至地面下，位于第3层土体到第9层土体中。主动及被动土压力标准值、合力、合力作用点各土层主动土压力系数及被动土压力系数见表3-1。（1）首层土体临界深度首层土体临界深度表示首层土体呈现主动土压力强度标准值为0时的深

6、度，应由下式计算：式中符号代表意义同前。（2）各分层土体主动土压力标准值及被动土压力强度标准值由式（3-2）得：kpakpa因桩长30m，坑深20m，在坑底10m范围内存在被动土压力强度标准值，各层土的被动土压力强度标准值由式（3-4）得：（3）合力大小及合力作用点各土层单位宽度土体主动土压力：土体单位宽度内的主动土压力的合力为：土体单位宽度内主动土压力的合力作用点（距柱底距离）为：各土层单位宽度土体被动土压力：土体单位宽度内的被动土压力的合力为：土体单位宽度内被动土压力合力作用点（距柱底距离）为：因为挡土结构为排桩，所以取排桩间距为作用在单根支护桩上的主动土压力宽度，土反力的计算宽度，所以。

7、本设计基坑外的主动土压力需将单位宽度主动土压力值与桩间距相乘，基坑内的被动土压力需将单位宽度被动土压力值与相乘，并将结果带入到其余计算中。因锚杆的水平间距不小于，若设计多层锚杆，每根锚杆的间距不小于，锚杆倾角不小于，且不大于。本设计将采用7根锚杆，7根锚杆水平间距拟定为，每根锚杆距桩顶距离为3m、6m、11m、16m及18m。把锚杆当做弹性支座来考虑其对挡土结构的约束作用。支护结构内力通过平面杆系结构弹性支点法计算，经过计算，的基坑内侧最大弯矩为，基坑外侧最大弯矩为，最大剪力值。该支护结构弯矩设计值为：该支护结构剪力设计值为： 桩身截面配筋本设计采用桩身全截面均匀配筋，混凝土轴心抗压强度设计值

8、为，混凝土保护层厚度取35mm，纵向受力钢筋选用hrb400，箍筋为hpb300，。桩体截面内纵向钢筋不少于6根，其正截面配筋应符合下式： （3-6） （3-7） （3-8）式中：m桩的弯矩设计值（）；混凝土轴心抗压强度设计值（），因混凝土强度等级未超过c50，取；r支护桩的半径（m）；a支护桩的截面面积（）；纵向钢筋的抗拉强度设计值（）；纵向钢筋中心所在圆周的半径（m）；所有纵向钢筋截面面积（）；受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与的比值；纵向受拉钢筋截面面积与所有纵向钢筋截面面积的比值，若>，=0。根据式（3-6）、（3-7）及（3-8），并利用迭代法计算得、，故选用36根28钢

9、筋，实配筋面积为。斜截面抗剪承载力计算中，需用截面宽度为，截面有效高度为，来代替此圆形截面支护桩。根据式：（3-9）式中：混凝土轴心抗拉强度设计值；b矩形截面宽度；截面有效高度；箍筋的抗拉强度设计值；在同一截面内的所有箍筋的截面面积；s沿构件长度方向的箍筋间距。由式（3-9）知，最小配筋率，实际配筋率，故实际配筋率大于最小配筋率，满足要求。桩身截面配筋见图3-2。图3-2 桩身配筋图 冠梁设计本设计将此冠梁设计成矩形，其截面尺寸为。冠梁设计图如图3-3，图中、为hrb335的20钢筋，为hpb300的8钢筋，其间距为150mm。图3-3 冠梁设计图锚杆设计锚固体直径取130mm，经过平面杆系结

10、构弹性支点法计算，各弹性支点的水平反力如表3-2所示。表3-2 各弹性支点水平反力（kn）节点1234567支点水平反力每根锚杆轴向拉力标准值应按下式计算： （3-10）式中：锚杆轴向拉力标准值（）；各锚杆弹性支点水平反力（）；s锚杆的水平间距（m）；挡土构件的计算宽度（m）；锚杆倾角（）。各锚杆轴向拉力标准值由式（3-10）计算，结果如表3-3所示。表3-3 各锚杆轴向拉力标准值（kn）锚杆1234567轴向拉力标准值锚杆的极限抗拔承载力应满足下式： （3-11）式中：锚杆轴向拉力标准值（）；锚杆极限抗拔承载力标准值（）；锚杆抗拔安全系数，因本设计安全等级为一级，=。 （3-12）式中：锚杆

11、极限抗拔承载力标准值（）；d 锚杆锚固体直径（m）；锚杆锚固段在第i层土中的长度（m）；锚固体与第i层土的极限粘结强度标准值（），其值见表3-4；由式（3-11）得出每根锚杆极限抗拔承载力，结果如表3-4所示。表3-4 锚杆极限抗拔承载力(kn)锚杆1234567极限抗拔承载力表3-5 锚固体与第i层土的极限粘结强度标准值（kpa）锚杆1234567极限粘结强度标准值65939393130130由式（3-12）、表3-4及表3-5得，锚杆锚固段在第i层土中的长度，见表3-6。表3-6 锚杆锚固段在第i层土中的长度(m)锚杆1234567锚固体长度锚杆非锚固段长度，满足下式： （3-13）式中：

12、锚杆非锚固段长度（m）；锚杆的锚头终点至基坑底面距离（m）；基坑底面至基坑内侧被动土压力强度与外侧主动土压力强度相等点的距离（m），对成层土，若存在多个等值点，选最深等值点；d挡土构件水平尺寸（m）；主动土压力强度与被动土压力强度相等点以上各土层按厚度加权的等效内摩擦角（）。因各层土中不存在主动土压力强度与被动土压力强度相同点，故，经（3-13）计算得锚杆非锚固段长度如表3-7所示。表3-7 锚杆非锚固段长度(m)锚杆1234567非锚固段长度因非锚固段不小于5m，非锚固段长度长度实取值如表3-8所示。表3-8 锚杆实取非锚固段长度(m)锚杆1234567非锚固体长度119555本设计采用等长

13、锚杆，锚杆长度均为30m。锚杆杆体应满足抗拉要求： （3-14）式中：n锚杆轴向拉力设计值（kn）；预应力筋抗拉强度设计值（）；预应力筋截面面积（）。轴向力设计值，选用标准型钢绞线，=1320，每根锚杆轴向拉力设计值见表3-9，锚杆设计见表3-10。表3-9 锚杆轴向拉力设计值(kn)锚杆1234567轴向拉力设计值表3-10 锚杆设计表锚杆水平间距(m)竖向间距(m)角度(°)总长(m)锚固段长度(m)钢绞线根数、直径预应力(kn)131030223103033103024103025103026103027210302稳定性验算（1）嵌固稳定性验算本设计含多层锚杆支撑，故不需要此

14、验算。（2）整体稳定性验算需满足下式要求： （3-15） （3-16）式中：圆弧滑动稳定安全系数，安全等级为一级，故取值；第i个圆弧滑动面抗滑力矩与滑动力矩的比值；第j土条滑动面处土的黏聚力（）、内摩擦角（）；第j土条宽度（m）；第j土条滑动面终点处法线与垂直面夹角（）；第j土条滑弧宽度，（m）；第j土条上的附加分布荷载标准值（）；第j土条自重（）；第j土条滑动面上的水压力（）；第k层锚杆在滑动面以外的锚固段的极限抗拔承载力标准值与锚杆杆体受拉承载力标准值（）的较小值（）；第k层锚杆倾角（）；第k层锚杆在滑动面的法线与垂直面夹角（）；第k层锚杆水平间距（m）；计算系数，为第k层锚杆与滑弧交点处

15、内摩擦角（）。每根锚杆值见表3-11。表3-11 锚杆rk,k取值锚杆1234567实际极限抗拔承载力任取圆心o，并以o与桩底连线为半径做滑动圆弧，对该圆弧稳定安全系数计算值见表3-12。表3-12 稳定安全系数计算表分条号111009031880706051504030789201000102170304050604797080107290891100111213总和14268满足整体稳定性要求。（3）抗隆起稳定性验算需满足下式要求： （3-17） （3-18） （3-19）式中：抗隆起安全系数，安全等级为一级，取；分别表示基坑内外挡土构件地面以上土的加权平均重度（）；基坑深度（）；挡土构件

16、嵌固深度（）；地面均布荷载（）；承载力系数；分别表示构件底面以下土的黏聚力（）、内摩擦角（）。将局部荷载等效为均布荷载时得到q=75，故在支护底部，由式（3-18）、（3-19）计算得：满足要求。地下连续墙地下连续墙属于支档式结构，由于基坑附近存在建筑物，此处无法放坡。此地下连续墙单幅宽度（包括接头）6m，拟建30m深，墙厚800mm，采用hrb400级钢筋，拟采用水平间距为6m的q235级29914mm钢管对撑，并将其设在墙顶冠梁上。主动及被动土压力标准值、合力、合力作用点各单位宽度内值计算参见。 墙身截面配筋由于基坑较深，基坑采用分段配筋，这样可减少配筋率。要求配置的钢筋直径不得小于16m

17、m，净间距不小于75mm。水平钢筋间距在200-400mm之间。基坑内侧保护层厚度不小于50mm，外侧不小于70mm，钢筋笼端部与槽段接头之间、钢筋笼端部与相邻墙段混凝土的间隙不大于150mm，钢筋下端500mm内按1:10向内收口。纵向受力钢筋应满足： （3-20） （3-21） （3-22） （3-23）式中：弯矩设计值；系数，；混凝土轴心抗压强度设计值，；受拉区、受压区纵向普通钢筋截面面积；受拉区、受压区预应力钢筋截面面积；受压区纵向预应力筋合力点处混凝土法向应力为零时的预应力筋应力；矩形截面宽度，；截面有效高度，；受压区纵向普通受力钢筋、预应力钢筋合力点至截面受压边缘距离；受压区所有纵

18、向钢筋合力点至截面受压边缘的距离；相对界限受压区高度，。纵向受力钢筋配置见表3-13。表3-13 地下连续墙纵向受力钢筋表配筋范围as配筋实际as228+6203731每根钢筋间距为200mm，水平钢筋安构造要求配筋，选择14hpb300钢筋，钢筋间距为200mm。，满足要求。 内支撑设计内支撑布置在基坑内侧临空面处，实现其支挡作用，拟采用等值梁法进行内支撑设计，该墙所有土层的加权角度为，则由式（3-1）、（3-3）计算主动土压力系数与被动土压力系数为：主动土压力与被动土压力相等点距坑底距离：式中：h基坑深度（m）；其他符号意义同前。将主动土压力与被动土压力相等点作为铰接点，有支撑点假定为用固

19、定支座连接处，经过结构力学求解结果见表3-14。表3-14 支撑受力表支撑1234567支撑距墙顶距离（m）381318支撑点水平反力（kn）内支撑轴向拉力设计值应由计算，式中s=6m，计算结果见表3-15。表3-15 支撑轴向拉力设计值(kn)支撑1234567轴向拉力设计值（kn）内支撑采用钢管支撑，用245×钢管，q235级钢，计算长度取12m，钢管长细比，查得40，则值见表3-16。表3-16 n/a值支撑1234567表内值均小于，满足要求。 冠梁设计（1）配筋设计冠梁按三跨连续梁计算，每跨6m，经计算作用在每跨中心位置最大荷载为，,经计算，跨中最大正弯矩，最大负弯矩为m=

20、，最大剪力为。其计算图示见图3-4。图3-4 冠梁计算模型、剪力和弯矩包络图冠梁设计为宽度500mm，高度800mm，采用c30混凝土，hrb400钢筋，保护层厚度为20mm。根据式（3-20）、（3-21）、（3-22）与（3-23）算出，选配2根hrb40016钢筋，实配面积为402，最大负弯矩处，选配3根hrb40012钢筋，实配面积为338。箍筋配置应满足下式要求： （3-24） （3-25）式中：斜截面上箍筋与混凝土受剪承载力设计值；由预加力提高的受剪承载力设计值；斜截面受剪承载力系数，取；其余符号意义见前式。此时，故按计算配筋，箍筋间隔为120mm，由式（3-25）得，故选一肢箍8

21、钢筋，实配箍筋面积为，符合要求。（2）冠梁侧面局部受压承载力计算局部受压满足下式要求： （3-26） （3-27）式中：局部受压面上的局部压力设计值；混凝土强度影响系数，取；混凝土局部受压强度提高系数；混凝土局部受压面积；混凝土局部受压净面积；混凝土局部受压计算底面积。其余见前式。钢板支撑与混凝土冠梁间设置钢板，钢板为100×100mm，厚度10mm。由式（3-26）、（3-27）计算得：满足要求。 稳定性验算（1）嵌固稳定性验算本设计含多层锚杆支撑，故不需要此验算。（2）整体稳定性验算任取圆心o，并以o与桩底连线为半径做滑动圆弧，对该圆弧稳定安全系数计算值见表3-17，并由式（3-

22、15）、（3-16）计算圆弧滑动稳定安全系数ks。表3-17 稳定安全系数计算表分条号111009031880706051504030789201000102170304050604797080107290891100111213总和14268满足整体稳定性要求。（3）抗隆起稳定性验算见节。 地下连续墙+锚杆支护体系主动土压力、被动土压力计算见节，墙身截面配筋见节，冠梁设计见节，本设计拟将内支撑部分换为锚杆，故本节只介绍锚杆设计。 锚杆设计此处仍设计7根锚杆，锚杆水平间距为，锚杆倾角15º设计锚杆处距桩顶距离与水平反力见表2-16。各锚杆轴向拉力标准值由式（3-10）计算，结果如表3-18所示。表3-18 各锚杆轴向拉力标准值(kn)锚杆1234567轴向拉力标准值由式（3-11）得出每根锚杆极限抗拔承载力，结果如表3-19所示。表3-19 锚杆极限抗拔承载力(kn)锚杆1234567