深基坑开挖与支护设计

1、毕 业论文（本科生）中文标题福州某大厦深基坑开挖与支护设计英文标题A building in Fuzhou city）excavation and supportingdesig n学生姓名扌旨导教师焦贵德学 院 土木工程与力学学院专业土木工程年级 20082012年四月诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指 导下独立进行研究所取得的成果。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。 除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或在网上发表的论文。特此声明。论文作者签名： 日期：目录摘要IAbstract I

2、I第一章设计综合说明11.1 原始资料1工程概况1基坑周边的环境 1基坑的岩土层分布特征 2基坑侧壁安全等级及安全性系数 21.2 设计依据2第二章支护体系方案选择 32.1 支护体系32.2 支护结构选择62.3支护方案的最终确定 72.4本章总结72.4.1 各土层的参数72.4.2 划分计算区段 8计算方法 8最终方案的确定8第三章BC断面的支护设计 93.1 土压力系数的计算93.2支护结构设计计算93.2.1 侧向土压力计算 93.3锚杆的设计133.3.1 计算锚杆承载力 143.4支护桩的配筋的计算 173.4.1 桩体配筋的计算173.4.2 构造配筋18第四章基坑稳定性计算

3、194.1概述194.2验算过程19整体抗滑移稳定性验算 194.2.2 抗倾覆稳定验算194.2.3 坑底抗隆起稳定性验算 214.2.4 抗渗流稳定性验算 23第五章 断面的土钉墙围护设计 255.1 概述255.2 土钉墙设计255.2.1 方案确定265.2.2 土钉计算265.2.3 结构计算31参考文献33结束语34致谢34摘要基坑工程主要包括基坑支护体系设计与施工和土方开挖，是一项综合性很强的系统工程。深基坑工程涉及的内容广泛，包括深基坑工程的土力学 问题，深基坑工程在围护结构施工、降水过程中产生的坑底隆起、基坑稳 定问题以及土方开挖各阶段的变形预测与控制问题分析与讨论，深基坑工

4、 程监测与信息化施工等内容。福州某大厦系一座31层商住楼，高度115 m，占地面积4614 m2,总建筑 面积37355 m2。设地下室3层，基坑平面尺寸56.6 m 36.5 m,自然地面标高-1.65 m,坑底标高-11.65 m,开挖深度10.0 m，土方开挖工作量约21000 m3。土压力计算用郎肯土压力理论，水土合算，被动土压力折减系数取为1.0,支 护桩的长度和入土深度采用极限土压力平衡理论和等值梁法计算确定，支护桩桩长14m，此段基坑支护桩配筋为 3028,在通过配筋验算后还要对此段基坑的 稳定性进行验算。关键词：深基坑开挖支护设计AbstractExcavati on engi

5、n eeri ng mainly in eludes the desig n and con structi on of excavati on support system and earth excavation, is a comprehensive system engineering. Deep excavation engineering involves a wide range of subjects, including deep excavation engineering problems in soil mecha nics, deep excavati on engi

6、n eeri ng in con struct ion, precipitati on process result ing in heave, foundation pit stability issues and the excavation of the various stages of deformation predict ion and con trol problem an alysis and discussi on, deep excavati on mon itori ng and in formati on con structi on and other conten

7、t.A building in Fuzhou is a31 floor residential building, the height of 115m, covers an area of 4614 m2, a total construction area of 37355 m2. Basement3, pit plane size of56.6 m x 36.5m, natural ground level -1.65 m, bottom elevation - 11.65m,10.0 m depth of excavation, excavation work of about 210

8、00m3.Calculation of earth pressure Rankine earth pressure theory for soil and water con servatio n, econo mical, the coefficie nt of passive earth pressure to 1, reta ining pile len gth and depth by using limit earth pressure bala nee theory and equivale nt beam method to determ in e, reta ining pil

9、e len gth14m, the reta ining pile of foun datio n pit rei nforceme nt for30tha n28, on the through the rein forceme nt computati on to this period after the foundation of the stability checking.Key word : Deep excavation ExcavationSupporting design第一章设计综合说明1.1原始资料工程概况福州某大厦系一座31层商住楼，高度115 m,占地面积4614

10、m2,总建筑面积37355 m2。设地下室3层，基坑平面尺寸56.6 m 36.5 m,自然地面标高-1.65 m,坑底标高-11.65m,开挖深度10 m, 土方开挖工作量约21000 m3o基坑周边的环境基坑西侧为马路，最近距离为 9.0米。东侧为审计局宿舍，楼高六层，最近距离为5.0米。；_OOM_图1.1拟建基坑简图1.1.3 基坑的岩土层分布特征 根据地质勘查的资料，在基坑处主要的土层如下：(1) 杂填土( Qmi)：灰黑色，松散，夹碎石块，厚度 1.53.6 m；(2) 粘土( QJ：黄绿色，可塑，厚度23 m,容重丫 =18.3CkN/m3，内聚力C=50.66 kPa,内摩擦角

11、 =14.19;(3) 淤泥：深灰色，流塑(天然含水量 55.8%74.2%)，厚度5.710.1 m，丫 =18.10 kN/m3 C=7.92 kPa, =4.95;(4) 粉质粘土(QJ:褐黄色，可塑，厚度 1.45.7 m, 丫 =17.50 kN/m3, C=19.90 kPa， =9.51;(5) 含泥中细砂：灰白色，中密，粒径0.100.25 mm，含泥量15%20%， 厚度2.710.4 m以上土层为自上而下垂直分布，由于拟开挖基坑位于福州盆地中部，上部的覆盖层为海陆相冲积成的砂性土，基底为燕山期中粗粒花岗岩。水文地质情况：地下水位位于自然地面下0.61.7m,场地除了淤泥、粘

12、土层顶上 贮存有上层滞水外，还有藏于粘土层下的中细砂至碎卵石的多层承压水。 对本工 程而言，关键是要阻断来自于含泥中细砂的承压水(第一含水层)。经过现场抽水试验，此含水层渗透系数 k=1.62m/d;单孔涌水量 q=11.48m3/d ;影响半径 R=96.2m 基坑侧壁安全等级及安全性系数该大厦基坑安全等级为一级，基坑的重要性系数Y = 1.01.2 设计依据(1) 该大厦的地质勘查报告以及其他的一些技术资料(2) 建筑基坑工程技术规范(YB9258-97 ;(3) 建筑基坑支护技术规范(JGJ120-99 ;(4) 深基坑工程；(5) 深基坑工程设计施工手册；第二章支护体系方案选择2.1支

13、护体系在基坑支护施工中有各种方法，例如各种类型的桩、地下连续墙、锚杆、土钉墙、水泥土墙等。这些方法可以单独使用，也可以根据需要结合在一起使用。支护类型支护形式特点板桩式钢板桩优点：工厂成品，有质量保证，可靠性较高；耐久性好，可重复利用；可加多道横向刚支撑，利于软土地区的深基坑；施工方便，可大大缩短工期；缺点：在施工中要注意接头处防水处理，目的是为了防止接缝处水土流失引起地层卜陷以及失稳；刚度较小，开挖前后挠度变形较大；打桩拔桩时振动噪声大，谷易引起周围土体松动；预制混凝土板桩优点：施工方便，造价低；能与主体结构很好的结合；缺点：打桩时挤土和振动强烈，故对周围环境影响较大，周围建筑密集时不 考虑

14、使用；接头处防水性能差；在硬土层中较难施工优点：柱桩横列式施工方便，造价低，但不适合深基坑，只适合宽深都比较小的市政排 管工程；缺点：止水性差，软弱地基施工时易引起坑底隆起和覆土后的沉降； 易引起周围地基沉降；地下连续墙优点：施工时噪声比较低，振动小，接头止水较好，对周围环境影响小； 适宜于软弱地层与建筑密集的市区的深基坑；接头刚性较咼，应用了咼质量刚性接头的地下连续墙可作永久性结 构；施工的基坑范围较大，可达基地红线，可有效的提高基地建筑物的 使用面积，如建筑工期紧，施工场地小，地下连续墙主体结构可米用逆 作法、半逆作法施工；缺点：施工工艺尤其是泥浆处理、水下钢筋混凝土浇筑的施工工艺复杂，

15、造价高；为保证质量，要求较高的施工技术和管理水准；自立式水泥土挡墙水泥土搅拌桩优点：适合软土地区，对环境保护的要求不高；施工噪声低，振动小，止水性较好，经济；缺点：围护挡墙较宽，一般需占用基地红线内的一部分面积；高压旋喷桩挡墙优点：适合软土地区，对环境保护的要求不高；施工噪声低，振动小，止水性好，对周围的环境影响较小；缺点：墙体较厚需占用基地红线内的一部分面积；施工时需做排污工作，工艺复杂，造价较咼；为维护结构需做止水加固措施，旋喷桩较深，深度可达30m；组合式SMW工法优点：施工时噪声小，对周围的环境影响较小；止水性好，结构可靠，可适应于各种土层，如配以多道横向支撑，比 较适合于深基坑；发展

16、前景大；放坡土钉墙优点：可边开挖边支护，由于不占独立工期而大大节省工期，且施工快捷； 设备简单，操作方便，施工所需场地小；材料用量小，经济效益好；引起的土体位移小，可采用信息化施工；自然放坡优点：施工简单，经济效果好；缺点：施工时对土质的要求较高，必须周围比较开阔且具有放坡空间时才可用；柱列式钻孔灌注桩优点：噪声和振动都较小，可现场浇注施工，对周围环境影响较小；缺点：接头防水性差，需根据地质条件从搅拌桩、旋喷桩、注浆等方法中选 取适当方法解决防水问题；尽量不要再沙层和卵石层中使用；整体刚度差，不适宜做主体结构；施工时必须做排污处理；挖孔灌注桩优点：施工方便，造价低廉，质量容易保证；缺点：施工和

17、劳动保护条件较差；不能用在地下水以下不稳定地层；2.2支护结构选择由于本工程位于福州市区，地下水位较高，基坑开挖为 10.05米，且BC侧距 离已建成的建筑物较近，根据以上表格和我国在基坑工程中所取得的经验， 其支 护结构可从以下几种方案中选择：方案1:先设灌注桩后加旋喷桩或搅拌桩止水，再设二至三道横向内支撑；方案2:当外界环境条件允许时，可先打设钢板桩，再设三至四道横向内支撑； 方案3:应用SMW工法；方案4:如要做永久结构，可使用地下连续墙，设三至四道内支撑；方案5:灌注桩加锚杆组合；方案6:桩墙合一地下室逆作法；在本工程中，由于基坑东侧（即BC侧）离已建成的建筑物较近，故可考虑以 上的1

18、、4、5、6方案以下是几种方案的比较万案整体性能抗渗性施工工期对环境的影响经济其他万案1较好较好中小中受力性好万案4好好短小较差工效咼万案5中较好中较小中施工方便万案6较好差短较小中节约支撑费用表2.2几种方案的比较从经济利益的角度考虑，方案 4是不可取的；由于此工程位于福州盆地，地 下水位较高，用方案6达不到好的止水效果，故方案6也是不可取的；至于方案 1,由于东侧距离建筑物较近，采用旋喷桩作为受力结构，旋喷桩止水是合理的， 外加三至四道内支撑，但由于基坑东侧有两米高的挡土墙，故BC段与AD段同一水平线上的支撑受力不一致，因此需要在 AD段有和BC段有同样的设置，这 会增加造价，减少经济效益

19、，故也不可取。综合以上分析，因此方案5是比较合理的，其有如下特点:1. 灌注桩作为受力结构，旋喷桩止水；2. 方便地下结构施工；3. 施工时噪声低，经济；2.3支护方案的最终确定由于在本工程中地下水位较高，基坑开挖深度达到了10米，且BC侧由于距离已建成的建筑物较近，根据建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)、深基坑支护设计与施工 建筑基坑支护设计规程(JGJ12 99)中的有关规定， 本设计基坑支护方案能够满足基坑土方开挖， 地下室结构施工及周围环境保护对 基坑支护结构的要求。在本工程中，由于基坑距离已建成的周围建筑物较近，不宜采用降水井降水，这样会对周围建筑物造成不利影响，故使用排水沟

20、，采用深层搅拌桩做止水帷幕；其他区段采用土钉墙支护，这是因为土钉墙可以适应于多 种地层，同时节省工期且造价低廉，比较经济。2.4 本章总结各土层的参数表2.3 土层设计计算参数层号土类名称基坑各向平均厚度(m)重度(kN/m3)粘聚力(kPa)内摩擦角(度)ABCDDABC1杂填土6.6.620.01222.52粘土5.24.820.0/363淤泥1.51.520.12013.54强风化粉砂质泥岩2.52.922.318*23*5含泥中细砂5.05.025.623.427*注：带*的值为估计值242划分计算区段表2.4标号ABBCCDDA地面荷载（kPa）10101010开挖深度1010101

21、0243计算方法根据有关规范的要求，土压力的计算按照矩形分布模式，采用郎肯土压力理 论，所有的土层均采用水土合算，因为地下水位较高，故采用天然重度；用等值 梁法求支撑轴力；用力矩平衡法求净土压力零点；用柱端力矩求桩长，但必须满 足抗隆起及整体稳定性要求。由于施工时工况会随时变化，故设计时应按最不利情况考虑。244最终方案的确定通过以上分析可以得出结论，本着安全经济的原则，基坑的AB ,CD,AD侧应该采用土钉墙支护形式，而基坑 BC侧应该采用钻孔灌注桩加锚杆作为支护。不 妨让BC侧的灌注桩直径为1000mm,桩距2.0米。第三章 BC断面的支护设计3.1 土压力系数的计算根据郎肯土压力理论，主

22、动土压力系数：Kai=tg2（45 - i/2）被动土压力系数：Kpi=tg2（45 + i/2）计算时，为安全起见，可不考虑支护桩体与土体的摩擦，同时不对主被动压 力系数进行调整。3.2支护结构设计计算该段是基坑的BC侧，采用钻孔灌注桩和锚杆施工，基坑开挖深度10m桩径im桩距2.0m，结构外侧附加荷载定为10kpa。3.1各土层系数表序号图层名称层厚（m）粘聚力C（ kPa）内摩擦角 （）重度3 (kN /m )KaKp1粉质粘土6.61222.520.20.4452.2482圆砾4.803620.00.2713.6903粘土1.52013.520.20.6191.615侧向土压力计算锚杆

23、支护体系采用等值梁法进行详细计算，计算步骤：（1）根据被动土压力与主动土压力相等的关系，求出零点的位置u。（ u为该点到基坑底部的距离)(2) 根据公式t=u+1.2x求出桩的入土深度。(3) 设最大弯矩距土压力零点的距离为Xm,根据等值梁法求最大弯矩。 土压力计算：第一阶段挖土至0.25m深，此阶段结构较稳定，可不需计算。第二阶段挖土Ijlj7至7.0m深，在-4m处设立锚杆，按照以下公式计算：pa = (q +响笛-氏曲Pa为主动土压力强度q地面均匀荷载-郎肯主动土压力系数日第i层土厚度h 第i层土的重度其中：K =tan2a何-l)% = tan2(42)c、为计算处的土的抗剪强度指标(

24、kPa)P0 qKai 2c 10 0.445 2 120.44511.56kpaPa (q rh)Ka 2c.応(20.2 / J W12L1；： W；=51.36kpaPa下=ih q Ka2 2C2、Ka2=(20.2 X 7.0+10) X 0.2712X OX 0.521=41.03 KPa(b) 求开挖面下土压力为0点a2Pa a2 r Kp Ka41.03203.6900.2710.600 m(c) 求O点开挖面以上土压力Ea211.56 248.67 4.741.03 0.600Ea2115.12kpa2 2 2(d) 求 y2桩上土压力对o点的力矩：Mo 11.564.7 0

25、.600115.12 勺 0.60011.34 2 0.600333174.05 KN .m/ my2MoEa2174.05115.121.5m(e) 支撑反力R的计算支撑到d点的距离a17.0 0.600 3 4.600m支撑反力 R1业 174.05 37.86KN / ma14.600假设支座 d 处的反力 Ed Ea2 R1 115.02 37.86 77.16KN /m(f) 桩在d下嵌故深度ttEdKa6 77.1620.0 3.690.2712.60m需要桩长度 L17.0 0.600 1.2 2.6010.72m(g) 桩强度验算桩上剪力为0的位置距地面以下y处qkay 开ka

26、 Ra 01 210 0.445y 20.0 y 37.8602y 2.0m1 2 12 yMmax -qkay匚ry ka 匚 Ra y 32 23丄 10 0.445 2.0221 2 0-20.0 2.02 0.44537.86 2.0 32358.63 KN m/m M第三阶段挖土至-10m,并在-7m标高处设立锚杆 22.6 7.0 35 23 026.50土压力系数采用加权平均计算，开挖范围内土体力学加权平均值为:9C 12 7.0 0 2.3 Kpa 9.3KpaKatan2 450-0.382(a) 土压力计算0m处：Eao100.389,0.3827.3KN /m10m处以上

27、:Ea上10 20.07.020.02.30.382 9.0.38 63.38KN / m210m下Ea下10 20.07.020.02.30.271.0.27153.1KN/m2土压力为0的距开挖面的距离d：53.1d0.776m20.03.69 0.271d以上对桩的土压力的合力:Ea1 7.3 0.85 丄 63.38 8.152 21 53.120.776276.43Kpad以上土压力对d点的力矩:Md 3.142 0.85 8.1530.82258.27吐 0.82321.282 0.82895KN .m/m3(b)计算支撑反力:第一层支撑到d点距离:a19.82 36.82m第二层

28、支撑到d点距离:a29.82 63.82m第一层支撑反力取第一层挖土时的值:Ra 40.93KN / m第二层支撑反力值M dRaa1Rba2895 羿86 682161.22 KN /m3.82假设支座d处的反力:EdEa Ra & 276.43 40.93 161.22 74.28KN/m（f）桩在d下嵌故深度tt20.0 3.69 0.2716 74.282.65m需要桩长度 L,9 0.82 1.2 2.65 13m(g)桩强度验算桩上剪力为0的位置距地面以下y处1 2qkay -ry ka Ra R.021 210 0.39y 20.2 y 0.38 40.93 161.2202y

29、4.3m1212 yMmax -qkay-ry kaRa y 3 R. y 331 2124310 0.39 4.3220.2 4.32 0.3940.93 4.3 3 161.22 4.3 62 23361.31 KN m/m M3.3 锚杆的设计锚杆支护具有成本低，操作简单，支护效果好，占用使用空间少，使用灵 活等优点。主要力学作用有悬吊作用、挤压作用、组合作用。设计步骤：（1）确定支护方案，根据开挖深度和土的性质，确定锚杆的数量，间距、 倾角等。（2）确定挡土墙单位长度受到的锚杆水平力（3）计算锚杆轴力（4）计算固定端长度（5）计算自由端长度(6) 计算总长度(7) 确定端面尺寸(8)

30、稳定性验算(9) 确定腰梁断面尺寸331计算锚杆承载力(1)根据要求可以采用两层锚杆，水平间距(1.54.5)m本设计中取为2.0 m,倾角 15根据前面的计算，锚杆水平力 Ra1 37.86KN ,Ra2 161.22KN(3)根据三角关系得锚杆轴力NaNbRacosRcos37.8639.0KN0.97161.22166KN0.97(4) 自由段长度的计算如图所示ETCX” / JA)/Ch/Cl5+/2图中0为土压力 零点，虚线0E为假设的滑坡面，设置的锚杆 AD与水平线的夹 角为，AB的长度可由几何关系得：4545-2 2, AO tan sin ABsin 135-2这里，25.8则

31、 ab AO tan sinsin 135-2&82 .63 853.8m0.96由于3.8m5.0表5.2 (AB.AD.DC)侧基坑土层系数表序号图层名称层厚(m)粘聚力C( kPa )内摩擦角 ()重度3 (kN /m )KaKp1粉质粘土6.31222.620.20.4452.2482圆砾5.103520.00.2713.6905.2.2 土钉计算土钉所受土压力公式:T (q rhi)Kai 2cSxSy( 1)Ti是第i个土钉所受的土压力KNq坡上超载r 土的重度Sx及Sy 土钉水平及垂直间距(2)土钉抗拔力（滑裂面外）DLbTT .第i个土钉滑裂面外的抗拔力KN/mUiL i层土钉

32、伸入破裂面外稳定区长度bibi共设6层土钉La6LAB tan 45图5.2 图5.1蓝色部分详图 tan27.5529 mmcos10而由于土钉垂直倾角很小所以将 Lm近似取为La同理可求：La52500cos100tan0452500cos100tan 27.501321 mmL6.3m3700cos100tan 45037000 tan27.5 1956 mmcos100300La419560 tan450cos1021800La 319560 tan450cos1021956300Ttan33.70 2159 mmcos10195618000 tan 33.703157 mmcos10

33、La2195633000tan 450cos10195633000tan33.704157 mmcos10Lai19564800cos10tan4501956 48000 tan33.70 5157 mmcos10而 LiLa Lbi 所以 LbiLiLa.iiT值粘结强度参照岩土锚杆(索)设计规程(CECS22 2005)取值如下:Lb11100051575843mmLb21100041576843mmLb31100031577843mmLb4900021596843mmLb5900013217679mmLb680005297471 mm60kpa粉质粘土200kpaa. 第一道土钉T， T

34、 .i Ui由公式T (q r.h.)K . 2c 厂 S S 以及 T . DT .得：ii r ai . ai x yui uiT1(10 20.2 1.5)0.445 2 12 .0.4451.5 1.5 4.3 KNT .DLbT 3.14 0.1 5.8 60 109.2 KNu1bb. 第二道土钉T , T .及K值i uiT2(10 20.2 3)0.445 2 12、0.4451.5 1.5 34.7 KNT DLbT 3.14 0.1 6.8 60 128.1 KNu2bK丘遁3.69T234.7c. 第三道土钉T , T .及K值i ui(10 20.2 4.5)0.445

35、2 12、0.4451.5 1.565 KNTu3DLbT 314 0.1 6.8 60 12站 KNTu3 128.1T3651.9d. 第四道土钉T , T .及K值i uiT4(1020.26)0.445212,0.445TDL t 3.140.17.860u4bKTu4147T95.341.5 1.595.3 KN147KN1.54e. 第五道土钉Ti,T .及K值UiT (10 20.2 6.3 1.2 20)0.271T cDLt 3.14 0.1 7.7 200u5 bTu5 483.5T 98.351.5483.51.5KN98.3 KNf. 第六道土钉Ti ,Tui及K值T6

36、(10 20.2 6.3 2.7 20)0.2710 1.5 1.5 116.6 KNTu6DLbT 314 Z 肚 200 471 KNK k竺4T61166深度在10m的各层土钉，其计算结果如下:表5.3 各层土钉计算结果表土钉KaVKac kpaH仃T KN1l仃i Lb nA KNKT0.40.612221.54.3115.8109.24567.6T,0.40.61222334.7116.8128.13.4567.669Ti 0.40.612224.565116.8128.11.4567.69T0.40.61222695.397.81471.4567.654T,0.20.50357.598.397.7483.557121T：0.2710.5210359116.687.54714T 414.2KNT.1467KNi 25 A=490.9可采用 2