第五章 基坑支护结构设计(2)

1、第七章第七章 明挖基坑支护结构设计明挖基坑支护结构设计 胡华l 2.设计内容l 排桩或地下连续墙式支护结构的支护桩墙种类很多，以下分别介绍它们各自有关的设计内容。l 1)钢板桩、钢筋混凝土板桩l 选择截面形式及大小。钢板桩常用的界面形式有U型、Z型、直腹板式及H型、槽钢、半圆形等；钢筋混凝土板桩的截面确定还应考虑起吊时的自重弯矩。钢筋混凝土板桩的厚度尚应结合其长度确定，表7-3可供参考。选择何种形式及型号要根据变形计算机施工条件等综合确定。桩长/m 101520桩的厚度/cm 163550l （1）内力计算l 确定U型钢板桩构件的惯性矩和弹性抵抗矩时，应根据锁扣状态，分别乘以折减系数 和 。当

2、桩顶设有整体圈梁及支护点或锚头设有整体圈梁时，取；桩顶不设圈梁或围梁分段设置时，取l 。l 入土深度的确定根据前述基本计算的坑底土抗隆起、抗渗、抗倾覆及内力变形计算等综合确定。0.6,0.7l （2）防渗措施l 对于钢板桩，当采用墙体自防渗时，抗渗等级不宜小于S6级，并在板桩接缝处设置可靠地防渗水构造；当采用锁口式防水结构时，沉桩前应在锁口内嵌填黄油、沥青或其他密封止水材料，必要时可在沉桩后坑外锁口处注浆防渗。对于预制钢筋混凝土板桩，当采用墙体自防渗时，混凝土的设计强度等级不宜低于C30，钢筋混凝土板桩在接缝处的凹凸槽有专门构造，在凹凸槽孔内注浆防渗，注浆材料的强度等级不应低于M15.l 2)

3、钻孔灌注桩l (1)内力计算l 按上述内力变形计算方法可计算得到平面上每延米支护墙的内力 ，若桩间净距为 ，桩径为D,则可进一步换算得到单桩内力为 。wMt()pwMDt Ml (2)入土深度的确定l 要根据前述基本计算的坑底土抗隆起、抗倾覆及内力变形计算等综合确定。l (3)构造要求l 钢筋笼的箍筋宜采用 的螺旋箍筋，间距200300mm；加强箍筋应焊接封闭，间距宜取2m， 。桩身混凝土设计强度等级不应小于C20，水泥通常为42.5Mpa或52.5Mpa的普通硅酸盐水泥，主筋保护层厚度不小于50mm。6 8mm12 14mml (4)确定平面布置及截面l 平面布置的几种形式见图7-5.桩径不

4、宜小于600mm，常用的桩径为，具体大小要根据内力变形计算等确定。l (5)截面配筋l 当钻孔灌注桩纵向钢筋要求沿截面周边均匀布置，且不少于6根时（图7-19），截面抗弯承载力可按下面的偏心受压公式计算332sinsinsin3tccmyssMff A21 0.75(1 0.75)0.5 0.625ysysycmcmscmfAfAfAf Af Af A 1.252tl (6)防渗设计l 防渗帷幕的深度由抗渗验算确定，并应贴近钻孔灌注桩，其底部宜进入不透水土层，防渗常有以下几种形式（见图7-20） l 注浆帷幕：与灌注桩之间的净距不宜大于150mm；l 桩间高压旋喷：应使旋喷桩体紧贴灌注桩；l

5、深层搅拌桩：通常相互搭接20cm，与灌注桩之间的净距不宜大于15cm。l 帷幕顶宜设置厚15cm的混凝土面层，并与灌注桩桩顶圈梁浇成一体，防止地表水渗入。l 3)SMW工法（劲性水泥土搅拌桩）l 通常认为水土侧压力全部由型钢承担，而水泥土桩的作用在于抗渗止水。水泥土对型钢的包裹作用提高了型钢的刚度，可起到减少位移的作用。此外，水泥土起到套箍作用，可以防止型钢失稳。l (1)内力计算l 内力分析按上述内力变形计算可得到平面上每延米支护墙的内力、若型桩间净距为t，桩的宽度为B,则可进一步换算得到单根型钢钢内力 l (2)入土深度的确定l 入土深度的确定结合板式支护墙的坑底隆起、抗倾覆、抗渗以及内力

6、变形计算等综合确定。l (3)桩身强度验算l 1.抗弯验算l 考虑弯矩全部由型钢承担，则型钢应力满足式 l (7-20)l ()wMpBt MMWl 2.型钢抗剪验算l (7-21)l 4)地下连续墙l （1）内力计算l 接前述的竖向弹性地基梁法进行计算。l （2）界面确定l 地下连续墙单元槽.单元的平面形状见图7-7。单元槽段的平面形状和成槽长度，根据墙段的结构受力特性、槽壁稳定性、环境条件和施工条件等因素由计算确定。l （3）入土深度确定l 入土深度的确定要结合板式支护墙的坑底土抗隆起、抗倾覆、抗渗以及内力变形计算等综合确定。 QSIl （4）构造要求l 混凝土的设计强度等级不应低于C20

7、，纵向受力钢筋应采用HRB335钢筋，直径不小于16mm；水平筋可采用1618mm及以上的圆筋或螺纹筋，最大间距在300mm以下，在主要受力部位间距小些；构造钢筋可采用I级钢筋，直径不应小于12mm；主筋保护层厚度不小于70mm；单元槽段的钢筋笼应制成一整体，必须分段时，宜采用焊接或机械连接，接头位置宜选用受力较小处并相互错开。当采用搭接接头时，接头的最小搭接长度不宜小于150mm的间隙，钢筋笼下端500mm长度范围内宜按1：10收成闭合状，且钢筋笼的下端于槽底之间宜留有不小于500mm的间隙。 l（5）防渗设计l 墙体混凝土的抗渗等级不宜小于S6级。在墙段接头处设止水带或刚性防渗接头，止水带

8、接头有钢板或橡胶止水带形式，刚性接头穿孔钢板接头和搭接钢筋接头两类，一般使用效果均较好。当墙段之间接缝不设止水带时，应选用锁口圆弧形、槽型或V形等可靠的防渗止水接头，其接头面必须严格请刷，不得有夹泥或沉渣。在正常施工条件下，严格按施工规程操作，一般均可达到防渗止水要求，在环境要求较高时，常在墙段接头处的坑外增设注浆防渗作为加强措施。l4.8.2 支护系统设计l1.支护系统材料选择及结构布置l1）材料选择l支护材料可以采用钢材、钢筋混凝土或这两种材料的组合。l2）结构布置l水平支护系统的布置：水平支护系统由立柱、围梁及水平支护等部分组成。l（1）立柱l 立柱的作用主要有两方面，一是承受支护重量及

9、施工荷载；二是增加对支护杆件的约束，减小其自由长度。l 立柱一般设置在纵横向支护处或桁架式支护的节点处。并应避开地下结构的梁、柱及承重墙，若设计许可，可利用工程桩来作为立柱的嵌固段，否则立柱的间距应根据支护构件的稳定和竖向荷载的大小确定。立柱下端应支撑于较好土层中，开挖面以下的埋置长度应满足支护等对立柱承载力和变形的要求。l （2）围梁l 沿支护墙的内侧周边布置。通常情况下应利用支护墙顶的水平圈梁兼作第一道水平支护的围梁。当第一道水平支护标高低于墙顶圈梁时，可另设圈梁。l （3）水平支护l 1、水平向的布置。若主体结构施工时，支护尚不能拆除，则支护杆件的布置应避开柱子、梁及承重墙的位置。相邻支

10、护之间的水平距离应满足基坑开挖土方工程的施工要求，通常不宜小于4m，当采用机械挖土时，不宜小于8m。基坑平面形状有内凸的阳角时，应在阳角的两个方向上设置支护点。l 钢支护的平面布置方式通常优先采用相互正交、均匀布置的对支或对支桁架体系；对于长条形基坑宜采用单向布置的对支或桁架式对支体系，在四角设置角支；当相邻支护间的水平距离较大时，应在支护端部两侧于围梁之间设置八字支，八字支宜左右对称，长度不大于9m，与围梁夹角宜为60度，当八字支不对称，且轴力相差较大时，应在相邻主支护的八字节点间增设水平联系杆。l 钢筋混凝土支护的平面布置除可采用钢支护的布置方式外，对于平面形状较复杂的基坑可采用桁架和对支

11、或角支组成的体系，当支护平面中需留设较大作业空间时，宜采用边桁架和对支桁架或斜支桁架组成的体系，对规则的方形基坑可采用斜支桁架组成的体系或圆形环梁体系。 l 2、竖向的布置。水平支护的层数应根据基坑开挖深度、支护墙体的类型、土方施工以及工程经验等由计算工况确定。各道水平支护的轴线在平面上应尽量一致，各道支护间的净距不宜小于3m，当采用机械下坑开挖及运输时不宜小于4m，最下一道支护的标高在不影响底板施工的条件下，应尽可能降低。l 对于第一道支护，若利用支护桩顶圈梁，不仅节省费用，与支护的连接也易处理，但由于受力较小，不能充分发挥支护的作用。第一道支护设置于自然地面以下超过1.5m时受力较有利，但

12、通常要增设一道圈梁。设置的各道支护标高，不得妨碍主体结构的底板、楼板及梁的施工。支护顶面与主体结构水平构件地面之间的净距不宜小于300mm，支护底面与主体结构底板或楼板之间的净距不宜小于600mm。l （4）竖向斜支系统l 竖向斜支系统通常由斜支、围梁及斜支基础等组成。当斜支中部设置立柱以减小受压自由长度和承受支护自重。斜支宜均匀对称布置，水平间距不宜大于6m。斜支宜采用型钢或组合型钢截面。如图7-21.斜支坡度不宜大于1：2，并与基坑内土堤的稳定边坡相一致。同时斜支基础与支护墙之间的水平距离也不宜小于支护墙插入深度的1.5倍。斜支与围梁及斜支与基础之间的连接以及围梁与支护墙之间的连接应满足斜

13、支水平力和垂直力的传递要求。l 2.支护系统计算l 1）内力变形计算l 作用于内支护上的荷载主要由以下几部分构成：水平荷载有支护墙体将坑外水土压力沿围梁作用于支护系统上的分布力，对于钢支护还有给主支护系统施加的预加轴力以及温度变化等引起的水平荷载；垂直荷载有支护自重以及支护顶面的施工活荷载，通常取4Kpa。l 内支护系统的空间计算模型通常采用以下计算方法：将支护结构从整个支护结构中截离出来，在截离除作用着支护结构按简化的平面计算模型得到的与水平反力以及其他荷载（加预加轴力），用空间杆系模型程序对支护系统进行计算，l 支护结构计算的边界条件假定为1、在支护与额围梁、立柱的节点处以及围梁转角处设置

14、竖向铰支座和弹簧；2、当作用于基坑四周的围梁长度方向的正交水平荷载不均匀分布或支护刚度在平面内分布不均匀时，为避免支护系统整体转动和平移，宜在基坑转角处设置水平约束。l内支护系统的简化计算方法时当支护系统平面形状规则，支护杆件相互正交时，可按以下简化方法计算：l （1）水平荷载作用下支护杆件的轴向力。按支护墙作用于围梁长度方向的水平反力乘以相邻支护沿围梁的中心距计算。当支护杆件与围梁斜交时，按水平反力沿支护长度方向上的投影来考虑。l （2）垂直荷载作用下支护杆件的内力变形。支护杆件按单跨或多 跨连续梁来计算，计算跨度取相邻立柱的中心距。l （3）立柱的轴力。取纵横横向支护的支座反力之和。l （

15、4）围梁。受水平力作用，钢筋混凝土围梁按多跨连续梁计算，计算跨度取相邻支护点的中心距；钢围梁按简支梁计算，计算跨度取相邻水平支护的中心距。当水平支护杆件与围梁斜交时，围梁还受水平力在围梁长度方向引起的轴力作用。l 2）承载力计算l 开挖面以下立柱的竖向和水平承载力按单桩承载力验算，立柱按偏心受压构件计算。截面的弯矩应包括下例各项：l 1、竖向荷载对立柱截面型心的偏心弯矩；l 2、水平支护标高处大小为支护轴向力的1/50的水平力随立柱产生的弯矩；l 3、土方开挖时，作用于立柱的侧向土压力引起的弯矩。l 4、立柱受压的计算长度取竖向相邻层的水平支护的中心距，最下一道支护以下的立柱取该道支护中心线至

16、开挖面以下5倍立柱直径处的距离。l 通常情况下围梁卡可按水平向的受弯构件来计算。当围梁与水平支护斜支或围梁作为边桁架的弦杆时，应按偏心受压构件计算，围梁的受压计算长度取相邻支护点的中心距。对于钢围梁，当拼接点按铰接考虑时，其受压计算长度取相邻支护点的1.5倍。现浇钢筋混凝土围梁的支座弯矩，可乘以0.80.9的折减系数，但跨中弯矩应相应增加。l 支护杆件应按偏心受压构件来计算。截面偏心弯矩包括由竖向荷载产生的弯矩以及支护轴向力对构件初始偏心距产生的弯矩。构件截面的初始偏心距可取支护计算长度的2/10003/1000， 对于混凝土支护不宜小于20mm；对于钢支护则不宜小于40mm。现浇钢筋混凝土支

17、护在竖向平面内的支座弯矩可乘以0.80.9的折减系数，但跨中应相应增加。当支护的内力计算为考虑预加压力或温度变化的影响时，截面验算时的支护轴向力宜乘以1.11.2的增大系数。l 3.支护系统构造要求l 1）立柱l 基坑开挖面以上的立柱宜采用格构式钢柱、钢管或H型钢。基坑开挖面以下的立柱宜采用直径不小于650mm的钻孔灌注桩或开挖面以上的立柱截面相同的钢管及H型钢。的那当为钻孔灌注桩时，其上部钢立柱在桩内的插入长度不小于钢立柱长边的4倍，并与桩内钢筋笼焊接。立柱桩在基坑开挖面以下的插入长度宜大于基坑开挖深度的2倍，且穿过淤泥或淤泥质土层。立柱的长细比应不大于25.l 2）围梁l 1、钢围梁。钢围

18、梁的截面宽度应大于300mm，可采用H型钢、工字钢或槽钢以及他们的组合。钢围梁的现场拼接点位置应尽量靠近支护点，并不应超过围梁计算跨度的三分点以外，围梁分段的预制长度不应小于支护间距的2倍。钢围梁安装前，应在支护墙上设置牛腿。安装牛腿可采用角钢或直径不小于25mm的钢筋与支护墙主筋或预埋件焊接组成钢筋牛腿，其间距不大于2m，牛腿焊缝由计算确定。钢围梁与钢筋混凝土支护墙之间应留设宽度不小于60mm的水平向全长孔隙，其间用强度等级不低于C30的细石混凝土填实。支护杆件与围梁斜交时，在围梁与支护墙之间应设置由计算确定的剪力传递构造。此时嵌填混凝土的宽度应满足剪力传递构件的锚固要求。l 2、钢筋混凝土

19、围梁。钢筋混凝土围梁应与钢筋混凝土支护杆件整浇在同一平面内，基坑平面转角处的纵横向围梁应按刚接点处理。围梁的宽度不应小于其水平向计算跨度的1/8，截面高度不应小于支护的截面高度。围梁与支护墙之间不应留间隙，与支护墙之间需要传递水平剪力时，应在墙体上沿围梁长度方向预留由计算确定的剪力钢筋和剪力槽。l 3）支护杆件l 支护杆件的长细比应不大于75，联系杆的长细比应不大于120.钢支护杆件的构造应符合钢结构设计规范的有关规定，构件长度的拼接宜采用高强度螺栓连接或焊接，拼接点的强度不应低于构件的截面强度。现浇钢筋混凝土支护杆件的构造应符合混凝土结构设计规范的有关规定，混凝土的强度等级不应低于C20.支

20、护杆件的截面高度不应小于其竖向平面计算跨度的1/20.钢支护的截面可采用H型钢、钢管、工字钢或槽钢以及他们的组合。l 4）连接节点l 立柱与水平支护的连接可采用铰接构造，但连接件在竖向和水平向的连接强度应大于支护轴力的1/50.当采用钢牛腿连接时，钢牛腿的强度和稳定性应由计算确定。钢支护杆件与钢围梁的连接可采用焊接或螺栓连接，节点处支护与围梁的翼缘和腹板均应加焊加劲板，加劲板的厚度不小于10mm，焊缝高度不小于6mm。l 5）钢筋混凝土结构配筋l 支护杆件与围梁的纵向钢筋直径不宜小于16mm，沿截面四周纵向钢筋的最大间距应小于200mm；箍筋直径不应小于8mm，间距不应大于250mm；支护的纵

21、向钢筋在围梁内的锚固长度不宜小于30倍钢筋直径。l 4.支护系统施工要求l 1）支护安装及浇注的容许偏差应符合有关要求l 2）支护施工与挖土的关系l 刚支护安装应采用开槽架设，对于现浇钢筋混凝土支护，必须在混凝土强度达到设计强度的80%以上才能开挖支护以下的土方。确保先支后挖，土方分层分区开挖时，支护可随开挖进度分区安装，且一个区段内的支护应形成整体。当支护顶面需运行挖土机械时，支护顶面的安装标高宜低于坑内土面2030mm，钢支护与基坑土之间的空隙应用粗砂回填，并在挖土机及土方车辆的通道处架设走道板。l 3）换支l 利用主体结构换支时，主体结构的楼板或底板混凝土强度达到设计强度的80%以上。在

22、主体结构与支护墙之间设置可靠的传力结构。在主体结构楼盖局部缺少部位，应在适当部位设置临时支护系统，支护截面应按换支传力要求，由计算确定。当主体结构的底板和楼板分块施工或设置后浇带时，应在分块或后浇带的适当部位设置可靠的传力构件。l 4）止水构造措施l 立柱穿过主体结构底板以及支护结构穿越主体结构地下室外墙的部位，必须采用可靠的止水构造措施。l 5）预加轴力l 千斤顶必须由计量装置。施加预压力的机具设备及仪表应由专人使用和管理，并定期维护校验，正常情况下每半年校验一次，使用中发现有异常现象应重新校验。支护安装完毕后，应及时检查各节点的连接情况，经确定符合要求后方可施加预压力，预压力的施加宜在支护

23、的两端同步对称进行。预压力应分级施加，重复进行，一般情况下，预压力的控制值不宜小于支护设计轴力的50%，但也不宜过高，当预压力控制值取用支护设计轴力的80%以上时，应防止支护结构的外倾、损坏及对坑外环境的影响。预压力加至设计要求的额定值后，应再次检查各连接点的情况，必要时对节点进行加固，待额定压力稳定后予以锁定。支护端部的八字可在支护施加压力后安装。l 4.9 土层锚杆设计l 土层锚杆由锚头、自由段及锚固三部分组成，见图7-9.土层锚杆的倾角根据地层分布、环境要求及施工工艺确定，一般以1525度为宜，锚固段宜设置于黏性土、粉性土及砂土地层中，对于淤泥质土层应通过试验确定。l 1.锚杆材料l 锚

24、杆杆体宜选用钢绞线、高强钢丝或精扎螺纹钢筋等作为预应力筋，当锚杆设计轴力较小时，可采用HRB335或HRB400钢筋。水泥浆会水泥砂浆的水泥宜使用普通硅酸盐水泥，标号不宜低于42.5Mpa，细骨料应使用粒径小于2mm的中细砂。砂中含泥量不得大于3%。l 2.锚杆截面确定l 土层锚杆或锚索的截面面积按式（7-22）确定l l （7-22）l 3.锚杆总长度l 锚杆总长度按式（7-23）来确定l l （7-23）l （7-24）mjtptK NAfmafLLLmltamK NLdl 4.土层锚杆深层滑移稳定性验算l （1）单层锚杆支护墙按图7-22验算深层滑移的稳定性。通过锚固段中点c与支护墙的假

25、象支撑点b连一直线，再过c点做竖直线交地面于d点，从而确定土体稳定性验算的范围；用图7-22（b）所示的力多边形对abcd土体做静力平衡分析，得到锚杆拉力，按式（7-25）计算深层滑移稳定性安全系数。l （7-25） l （2）两层及两层以上的土层锚杆支护墙深层滑移稳定性验算见图7-23，其分析方法同单层锚杆体系。在单元体内存在bc，be及bec三个可能的滑动面，分别利用力多边形求出锚杆所需的最大拉力 ，从而得到相应的安全系数，一般不小于1.21.5。l （3）当锚固段的中点低于基坑开挖面时，可不必进行深层滑移稳定性验算。 , maxtmstRKN()max,()max,()maxRt bcR

26、t beRt becl 5.土层锚杆竖向稳定性验算l 当土层锚杆倾角大于30度或者支护结构为钢筋混凝土板桩、地下连续墙，且插入深度较小，下卧层非常软弱时，应按下式验算 l （7-26）l 6.锚杆变形计算l 锚杆弹性变形由试验确定，初步设计时可按下式计算l (7-27)l （7-28）l 在竖向弹性地基梁法分析支护结构时，锚杆的水平刚度系数由下式确定l （7-29）mvvQKN()3faesccLLSTE AE AsmmcmAEA EEAA3(3)cossccfccsaAE E AKTlE AE All 4.10 土钉墙支护结构设计l 4.10.1 一般规定l 土钉钢筋采用HRB335和HRB

27、400热轧变形钢筋，直径在1632mm范围。l 土钉孔劲在70120mm之间，注浆的强度等级一般不低于10Mpa，3d不低于6Mpa。l 土钉长度l与基坑深度H之比对于非饱和土宜为0.61.2，密实砂土和坚硬黏土取地值，软塑黏土不应小于1.0.l 土钉的水平和竖直间距额宜为12m，在饱和黏性土中可小到1m；在干硬黏性土中可超过2m。此外，沿面层布置的土钉密度不应低于每6一根。l 喷射混凝土面层的厚度在50150mm范围内，混凝土强度等级不低于C20.3d强度不低于10Mpa，面层内设置钢筋网，钢筋mm，间距150300mm，当面层厚度大于120mm时，宜设置两层钢筋网。l 土钉钻孔的喷射混凝土面层宜插入基坑底部以下，插入深度不少于0.2m，在基坑顶部也宜设置宽度为12的喷射混凝土护顶。l4.10.2基本计算l1、内部整体滑动稳定性验算l土钉支护的内部整体稳定性验算是指边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部并穿过全部或部分土钉。假定破坏面上的土钉只承受拉力且达到极限抗拉能力R,按圆弧对破坏面采用简单条分法对土钉支护做内部整体稳定性验算，如图7-24所示，安全系数为l