单支点排桩支护结构设计示例

1、基坑支护结构设计一基坑侧壁平安等级确实定基坑支护结构设计与其它建筑结构设计一样，要求在规定的时间和规定的条件下，完成各项预定功能。不同的基坑工程，其功能要求那么不同。为了区别对待各种不同的情况,?建筑基坑支护技术规程?JGJ120-99根据支护结构破坏可能产生后果的严重程度，把基坑侧壁划分为不同的平安等级。建筑基坑支护结构设计应根据表1选用相应的侧壁平安等级及重要性系数。 基坑侧壁平安等级及重要性系数 表1平安等级破 坏 后 果0一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围环境及地下结构施工影响很严重；1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围环境及地下结构施工影响一般；1.00

2、三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形，对基坑周围环境及地下结构施工影响不严重0.90建筑基坑分级的标准各种标准不尽相同，?建筑地基根底工程施工质量验收标准?对基坑分级和变形监控值的规定如表1-2。 基坑变形监控值cm 表2级坑类别围护结构墙顶位移监控值围护结构墙体最大位移监控值地面最大沉降监控值一级基坑333二级基坑686三级基坑81010注：1.符合以下情况之一，为一级基坑：重要工程或支护结构做主体结构的一局部；开挖深度大于10m；与临近建筑物、重要设施的距离在开挖深度以内的基坑；基坑范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护的基坑。2三级基坑为开挖深度小于7m，且周围环境无特殊要

3、求的基坑。3除一级和三级外的基坑属于二级基坑。4当周围已有的设施有特殊要求时，尚应符合这些要求。基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算；对于平安等级为一级的及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。二计算参数确实定基坑工程支护设计的主要计算参数，包括土的重力密度及土的抗剪强度指标c、值。对于超固结土，用常规试验方法进行剪切试验获得的粘聚力，包括真粘聚力和表观粘聚力两局部，其中表观粘聚力比真粘聚力要大的多。而超固结土一旦遇水，表观粘聚力迅速下降至真粘聚力。因此应对试验给出的粘聚力值进行折减后，才能用于基坑工程设计。根据长春地区的工程经验，将c值乘以0

4、.40.5的折减系数，给出设计计算参数、和值。为了将土压力分布表为直线，,应求出基坑底面以上及基坑底面至桩端处的平均土性指标。平均重度：平均粘聚力：平均内摩擦角：根据长春地区的工程经验，鉴于本工程的实际情况，将c值乘以0.40.5的折减系数，给出设计计算参数、和值如表二所示：某基坑工程主要计算参数 表3层号岩 土名 称层厚实验给出参数设计计算参数CkPA°KN/m3CkPA°KN/m3+杂填土粉质粘土2.822.616.018.011.316.018.0粉 质粘 土1.648.618.019.121.918.019.1粉 质粘 土3.940.520.519.618.220.

5、519.6粘 土4.355.415.020.222.215.020.2粘 土1.645.015.020.120.215.020.1粘 土4.594.614.520.337.814.520.3粉 质粘 土1.5106.314.019.942.514.019.9三荷载计算作用在支护结构的荷载包括：土压力、水压力、施工荷载、地面超载等。土压力：土压力是指土体作用在支护结构上的侧向压力，它是由土体的自重产生的。地面荷载：地面临时荷载一般包括建筑材料、临时堆放待运弃土及施工机械等。地面临时荷载可按2030KN/m2计算，它根本上可以包罗现场各种各样的临时荷载。水压力：在地下水位较高的地区，基坑内外存在着

6、水位差，将对支护结构产生水压力。?建筑基坑支护技术规程?中建议，对于粘性土可采用水压力与土压力合算的方法，即对作用在支护结构上的土压力，用土的天然重度和总应力抗剪强度指标进行计算，不另计水压力。作用在支护结构上的荷载，可按?建筑基坑支护技术规程?给出的支护结构水平荷载标准值及水平抗力标准值计算表达式进行计算。1水平荷载标准值主动土压力?建筑基坑支护设计规程?中规定：对于粉土及粘性土，支护结构水平荷载标准值可按下式计算。式中 ajk作用于深度zj处的竖向应力标准值；式中 k计算点深度zj处自重竖向应力；计算点位于基坑开挖面以上时：式中 mj深度zj以上土的加权平均重度；zj计算点深度。计算点位于

7、基坑开挖面以下时：式中 开挖面以上土的加权平均重度；0k当支护结构外侧，地面作用满布附加荷载q0时，基坑外侧任意点附加竖向应力标准值，可按下式确定：cik第i层土粘聚力标准值； Kai第i层土主动土压力系数。Kai=tan2(45°-ik/2)式中 ik第i层土的内摩擦角的标准值。由于土压力呈直线变化，按上述公式计算主动土压力时，可取三个计算点，即基坑顶面处Z=0、基坑底面处Z=H、基坑底面以下ZH。当按上述公式计算的基坑开挖面以上水平荷载标准值小于零时，那么取其值为零。按上述公式计算主动土压力：zj=0时基坑顶面处a0k=18.0×0+30=30KN/m2Kao=tan2

8、(45°-16°/2)=0.568Kao= tan (45°-16°/2)=0.754cik=11.3kpaea0k=30×0.568-2×11.3×0.754=0zj=11.2m时基坑底面处为了将水平荷载分布表为直线，求zj11.2m范围内的平均土性指标，平均重度：=(18×2.8+19.1×1.6+19.6×3.9+20.2×2.9)/11.2=19.3KN/m3平均粘聚力：cmh=(11.3×2.8+21.9×1.6+18.2×3.9+22.2

9、15;2.9)/11.2=18.0KN/m2平均内摩擦角：mh=(16.0×2.8+18.0×1.6+20.5×3.9+15.0×2.9)/11.2=17.6°平均主动土压力系数：=tan2(45°-17.6°/2)=0.536=19.3×11.2+30=246.2 KN/eahk=246.2×0.536-2×18.0×0.732=105.6KN/zj11.2时基坑底面以下=19.3×11.2+30=246.2 KN/m2eajk=246.2×0.536-2

10、5;18.0×0.732=105.6KN/m2图3-3水平荷载标准值计算简图2水平抗力标准值被动土压力基坑内侧水平抗力标准值epjk，按下式计算式中作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值=mjzjmj深度zj以上土的加权平均天然重度zj基坑底面至计算点的距离第i层土的被动土压力系数zj=0时 (基坑底面处)pjk=miZj=0cik=22.2KN/ jk=15.0° jk=20.2KN/m3K=tan(45°+15°/2)=1.303 epjk=0+2×22.2×1.303=57.9KN/m2zj=9.0m时(设hd=9m 桩端

11、处)为了将水平抗力分布表为直线,求基坑底面以下zj=9m范围内的平均土性指标平均重度：=(1.4×20.2+1.6×20.1+4.5×20.3+1.5×19.9)/9.0=20.2KN/m3平均粘聚力： cm=(.4×22.2+1.6×20.2+4.5×37.8+1.5×42.5)/9.0=33.0KN/m2平均内摩擦角： m=(15.0×1.4+15.0×1.6+14.5×4.5+14.0×1.5)/9.0=14.6°平均被动土压力系数： Kpm=tan2(45+

12、14.6/2)=1.674pjk=miZj =20.2×9.0=181.8KN/m2epjk=181.8×1.674+2×33.0×1.294=389.7KN/图3-4水平抗力标准值计算简图四单支点桩锚支护结构设计计算等值梁法?建筑基坑支护技术规程?规定,对单支点支护结构,可以用“等值梁法确定其嵌固深度及结构内力。1“等值梁法的根本原理“等值梁法根本原理如图()所示： 图图中ab梁一端固定,另一端简支,其弯矩图的正负弯矩在c点转折,假设将ab梁在c点切断,并于c点置一自由支承,形成ac梁 ,那么梁上的弯矩将保持不变,即称ac梁为ab梁上ac段的“等值梁。

13、ac梁为静定结构,可按静力平衡条件求解ac梁段的内力。2单支点桩锚支护结构的计算简图当桩的入土深度较深hd=hmax时，桩前、桩后均出现被动土压力，支护结构在土中处于嵌固状态，可视为上端简支，下端嵌固的超静定梁。桩体中弯矩值大大减小，并出现正负两个方向的弯矩。这种工作状态，所要求桩的截面模量较小，桩体入土局部的位移也较小，稳定性好，平安可靠。固定端式锚桩，虽然比自由端式锚桩的入土深度大，但其桩体的最大弯矩值小，截面配筋量少，锚杆轴向拉力亦小，对桩与锚杆的设计均有利，而且造价相差不大。因此，采用固定端式锚桩比自由端式锚桩更为合理。图3单支点锚桩的锚点位置变化时，桩体沿深度方向的水平位移和弯矩那么

14、不同。从理论上讲，随着锚点位置的降低，锚点处的弯矩值M1增大，桩的最大弯矩值Mmax减小，T1增大。当锚点降至某一位置时，有M1=Mmax，假设继续降低那么出现M1Mmax。因此，当M1=Mmax 时，Mmax为最小，同时锚桩的入土深度及造价比也到达最小。故根据M1=Mmax确定锚点的位置是最优的。但在实际工程中，常常为了抢工期，不能等待锚杆到达一定强度后才开挖，。因此，确定锚点设置深度应留有一定余地，不能太大，以保证平安。综合考虑支护结构变形和受力两方面的因素，单支点锚桩的锚点设置深度应取hT0=0.4H左右为宜。单支点桩锚支护结构的计算简图，如图3所示：3“等值梁“法计算内力1确定弯矩零点

15、的位置用“等值梁法计算单支点支护结构，首先要知道弯矩零点的位置。图4研究说明：单支点支护结构的弯矩零点与基坑底面以下土压力为零的点位置相近，计算时可取该点作为弯矩零点。设：基坑底面至弯矩零点的距离为hcl，根据 ea1k=ep1kea1k=1.3(mjhc1Kpi+2cikKpi)可求得hC1hc1=(105.6/1.3-2×1.303)/(20.2×1.689)=0.7m2计算支点力Tcl计算简图如图4，根据Mc=0得 Tc1=(Ea1ha1+Ea2ha2-Ep1hp1-Ep2hp2)/(hT1+hc1)(3)计算支点力Tcl 取桩间距Sa=1.2m作为计算单元计算简图如

16、图3-7，根据Mc=0图3-7得 Tc1=(Ea1ha1+Ea2ha2-Ep1hp1-Ep2hp2)/(hT1+hc1)Eai=1/2×105.6×11.2×1.2=709.6KN ha1=11.2/3+0.7=4.4mEa2=105.6×0.7×1.2=88.7KN ha2=0.7/2=0.35mEp1=75.3×0.7×1.2=63.3KN hp1=0.7/2=0.35mEp2=1/2(105.6-75.3)×0.7×1.2=12.7KN hp2=0.7/3=0.2m (4)确定嵌固深度设计值确定单支

17、点支护结构嵌固深度，其计算简图如图4，根据极限平衡条件，并考虑一定的平安储藏,按下式确定支护结构的嵌固深度设计值。先假设hd，代入上式进行抗倾覆稳定性验算。 取hd=9.0m hTl+hd=16.2mEa1=1/2×105.6×1.2×11.2=709.6KN ha1=11.2/3+9.0=12.7m图3-8Ea2=105.6×1.2×9.0=1140.5KNha2=9.0/2=4.5mEp1=75.3×1.2×9.0=677.7KNhp1=9.0/2=4.5mEp2=1/2(506.6-75.3)×1.2

18、5;9.0=2329.0KNHp2=9.0/3=3.0m1.2当hd=9.0m时,满足抗倾覆稳定要求。 (5)计算最大弯矩值计算最大正弯矩(+Mmax)在弯矩零点以上，剪力为零的点，即为最大正弯矩的点。设：剪力零点D距地面的距离为x，该点主动土压力强度为eaD那么有 根据三角形的相似比 解方程组得eaD=79.2KN/m2 x=8.4m计算最大负弯矩值(-Mmax)最大负弯矩发生在支点1设：支点的土压力为ea16计算最大剪力值土压力强度为零点即为最大剪力的位置，其最大剪力为：4钢筋混凝土灌注桩设计1桩体布置由于在基坑开挖前已采取人工降水措施，基坑支护不考虑防水,灌注桩可按一字型间隔排列，桩间距

19、一般取1.52.0倍桩径。考虑长春地区桩间土塌落拱的间距在400500，且本工程场地土土质较好，可利用“土拱作用，取桩间距Sa=1.2m。具体布置如3-16所示：图3-162结构内力及支点力设计值截面弯矩设计值 截面剪力设计值 支点力设计值 截面弯矩设计值支点力设计值3截面承载力计算本设计采用沿排桩截面周边均匀配置纵向钢筋。其正截面承载力按?混凝土结构设计标准?GB 5020492的有关规定进行计算，并符合其有关构造要求。计算公式为： 3-19 3-20 3-21式中M弯矩设计值；A构件截面面积 A=r2；As全部纵向钢筋的截面面积；r圆形截面半径；rs纵向钢筋所在圆周半径；1对应于受压区混凝

20、土截面面积的圆心角与2的比值；t纵向受拉钢筋的截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，当0.65时,取t=0。由(3-19)(3-20)可推出： (3-22) (3-23)将r=400mm rs=350mm fc=14.3N/mm2 fy=310N/mm2 代入(3-22)(3-23)式,用迭代法可求得取桩截面配筋为1625，其配筋图如图3-17：图3-17支护桩配筋图4冠梁与腰梁设计1冠梁设计为了使各自独立的支护桩形成一个闭合的、连续的抵抗水平力的整体，在支护桩顶部需设置钢筋混凝土冠梁。冠梁的刚度对支护结构的整体刚度影响很大。其刚度愈大，愈相当于支点的作用，对桩的受力和变形将起着显著的改善作用。因此，设计时可将其截面尺寸加大，并配以适量的钢筋，以增强其刚度。取冠梁尺寸为600×1000，其配筋计算根据经验公式：Aq=(0.50.8)As=39986396mm2取冠梁截面配筋为1025(Aq=4909mm2)其构造如图3-18所示：图3-182腰梁设计为了使基坑外侧土压力及地面荷载对支护桩所产生的水平作用力传