基坑支护设计计算方法培训讲义

某基坑支护设计PAGEPAGE32目录摘要:3ABSTRACT4绪论6第一章基坑支护概述12基坑支护的设计要求计算理论12支护设计及施工要点15基坑支护设计原则15侧壁安全等级及重要性系数15支护结构选型15基坑支护结构内支撑体系15第二章基坑支护设计的计算方法12第一节概述15第二节静力平衡法15第三节等值梁法15第四节M法15第三章设计任务及要求17设计原始资料17工程概况17设计条件17结构设计任务及要求18任务18要求18第四章结构方案设计说明21第一节设计依据及规范21本项目相关资料21设计采用的22基坑设计环境控制标准22第二节支护结构方案25方案设计指导思想25方案简介25第五章基坑支护结构设计计算书21第一节土压力计算21一、土压力系数计算21二、土压力计算22第二节嵌固长度及水平锚固力计算25一、土压力系数计算21二、锚杆长度计22三、锚杆杆体材料计算21四、桩长计算22第三节配筋计算21一、排桩配筋计算21第四节验算26整体稳定验算26抗倾覆稳定验算28抗隆起验算29第六章电算结果42参考文献59致谢61第二章基坑支护设计的计算方法2．1概述计算板桩墙的常用方法，主要有自由端支撑法(静力平衡法)、弹性线法、等值梁法，后来又提出1/2分割法，矩形荷载经验法，太沙基法，均适用于基坑围护结构计算。由于本工程拟采用排桩式围护，故主要介绍下面介绍板桩墙设计方法：静力平衡法和等值梁法。2．2静力平衡法它假定支护结构是刚性的，随着板(桩)入土深度的不同，作用在不同深度上各点的净土压力的分布不同。当单位宽度板(桩)墙处于稳定，相应的板(桩)入土深度即为板桩保证其稳定性所需要的最小入土深度，可根据静力平衡条件即水平力平衡方程(∑H=0)和对桩底截面的力矩平衡方程(∑M=0)联解求得。图2-1为单撑(锚)支护结构的内力计算简图。整个支护结构是稳定的，故作用在挡土结构上的Ra、Ea、Ep三力必须平衡。图中Ra为支撑(锚)力；Ea为主动土压力；Ep为被动土压力；q。为地面均布荷载。图2-1底部自由支承单撑(锚)支护结构计算根据力的平衡条件可以得到:(2-10)根据对支撑(锚)位置的力矩平衡条件可以得到:(2-11)由以上两个方程可以得到关于入土深度t的三次方程，当主、被动土压力都确定后，入土深度只随撑(锚)位置ho而改变，调整ho可以调整入土深度，关系是：ho增大，t减小；反之增大。从而可以达到调整桩长的目的。同时桩中的最大弯矩也是ho的函数，当ho从小到大增大时，桩中的最大弯矩是先小后增大，它有一个最小值，取此值进行桩径设计可以使桩径最小。2．3等值梁法桩入坑底土内有弹性嵌固(铰结)与固定两种，当作一端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被动土压力，如图2-1所示。在计算过程中所要求得出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩如图2-2所示，若在得出此弯矩图前己知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将梁(即桩)断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整体梁计算时一样，此段梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算就称为等值梁法，其计算步骤如下：1）根据基坑深度、勘察资料等，计算主动土压力与被动压力，求出土压力零点B的位置，按式(2-12)计算B点至坑底的距离u值；图2-2等值梁法计算简图2）由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力Qв(2-12)(2-13)3)由等值梁BG求算板桩的入土深度，取艺Mc=0，则(2-14)由上式求得(2-15)由上式求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得(2-16)如土质差时，应乘系数，即(2-17)4)由等值梁求算最大弯矩值。第三章设计任务及要求3．1设计原始资料一、工程概况（一）一般概况1．项目名称陆家嘴中心区B2-1地块项目2．项目地点浦东新区陆家嘴中心区B2-1地块3．业主上海陆家嘴金融贸易区开发股份有限公司4．主体设计上海中福建筑设计院有限公司5．岩土勘察上海市岩土地质研究院有限公司（二）结构概况1．本项目位于陆家嘴中心区B2-1地块，基地面积4428.1平方米，由陆家嘴环路和东园路围合而成。本项目为服务性办公楼，由主楼（地面三层）及二层地下室组成，总建筑面积为9318.2㎡。未来将由电信及其它服务性办公进驻本大厦。2．基坑面积及开挖深度本工程建筑±0.00相当于绝对标高+4.25，室外自然地面平均标高取+4.00；基坑开挖面积约2459m2，基坑围护周长约210m，根据结构图纸，底板面标高为-7.55，底板厚为700mm，局部厚为1100mm，垫层厚为100mm。因此基坑开挖深度为8.10米，局部电梯井、集水坑等落深尚未确定。二、设计条件（一）周边条件本工程位于陆家嘴中心区B2-1地块，周边环境情况较为复杂：东侧：基坑开挖面与红线间距离为5.495～5.528米，红线外为汇亚大厦。该建筑物地上33层、地下4层，采用桩基础，与基坑开挖面最小距离为19.125米。南侧：基坑开挖面与红线间距离为10.997～16.636米，红线外为上海银行大厦。该建筑物主楼46层，裙房5层，地下3层，采用桩基础，与基坑开挖面最小距离为17.479米。西侧：基坑开挖面与红线间距离为4.259～4.357米，红线外为东园路。北侧：基坑开挖面与红线间距离为8.696～12.053米，红线外为陆家嘴环路。（二）工程水文地质条件根据《陆家嘴中心区B2-1地块项目岩土工程勘察报告》，本工程基坑开挖影响范围内岩土工程地质有以下特点：拟建场地现为停车场，场地地形基本平坦，实测各勘探点的孔口地面标高在3.84～4.36米之间，一般地面标高在4.00左右。场地内①层填土较厚，在1.80～3.10m之间，上部1.0米为碎石、砖块、建筑垃圾等，下部为灰黄～灰色粘性土、粉性土，土质不均。基坑开挖深度范围内分布有第②3层粉土，富水性好，透水性强，在水头差的作用下易产生流砂等不良地质现象。拟建场地浅部地下水属潜水类型，其水位动态变化主要受控于大气降水和地面蒸发，勘察期间实测取土孔内地下水位静止水位埋深在0.90～1.20m，设计计算时地下水位取0.5m。场区内第⑦层为承压含水层，承压水头在3～11m，其中⑦1层顶最浅埋深约为32米。经计算，按承压水头为自然地面以下3米考虑，当基坑开挖深度小于15.0米时，可不考虑承压水对基坑突涌的影响。由于本工程底板处开挖深度为8.1米，预计局部电梯井、集水坑处开挖深度不会大于15米，因此可不考虑承压水对基坑的影响。场地内土层分布情况及基坑围护设计参数如下表（一）所示。表3-1土层分布情况及设计参数表土层名层厚(M)γ(kN/m3)φ(度)C(kPa)含水量(%)压缩模量(MPaa)渗透系数建议值（cm/s）①填土1.80～3.11017250②3粘质粉土夹粉质粘粘土7.70～9.55018.328732.08.292.0E-04④淤泥质粘土4.20～5.11016.79.51351.42.054.0E-06⑤1-1粘土5.60～6.55017.5131641.13.404.0E-06⑤1-2粉质粘土夹夹粘质粉土8.50～15..0018.1191434.05.168.0E-06注：C、φ均为勘察报告所提供的基坑支护设计参数（直剪固结峰值）；（三）基坑侧壁壁安全等级及及重要性系数数根据本工程的开挖挖深度、地质质情况及周边边环境情况，基坑安全等级为二级，基坑重要性系数γ0=1.0。3．2结构设计任务及要要求一、任务该工程是对基坑围围护做排桩结结合锚杆的设设计。运用了了所学的土力力学及基坑围围护设计等专专业知识结合合毕业实习的的现场实习经经验，通过对对勘察资料的的分析，结合合场地环境及及工程实际并并运用计算机机应用软件，设设计计算。主主要内容：围围护结构的设设计、施工方方案的选择、整整体稳定验算算、坑底隆起起验算、主被被动土压力计计算等。二、要求目的：根据勘探报报告资料和相相关规范结合合专业知识设设计合理的设设计方案以达达到实际工程程设计要求标标准。主要指标：(1))保证开挖面面积达2459mm2；(2))保证基坑深深度达8.1m；(3))抗倾覆稳定定性验算Kss≥1.200；(4))抗隆起验算算Ks≥1.1；(5))抗管涌验算K≥1.5。第四章结构方案案设计说明4．1设计依据及规范一、本项目相关资资料1、陆家嘴中心区BB2-1地块项目建建筑总平面图图、扩初方案案资料；2、地下综合管线图图；3、《陆家嘴中心区区B2-1地块项目岩岩土工程勘察察报告》；二、设计采用的规规范1、国家标准《混凝凝土结构设计计规范》(GB500010-22002)；2、国家标准《地基基基础设计规规范》（GB500007-22002）；3、国家标准《建筑筑结构荷载规规范》（GB500009-22001）；4、国家标准《建筑筑地基基础工工程施工质量量验收规范》（GB50202-2002）5、中华人民共和国行行业标准《建建筑基坑支护护技术规程》（JGJ120-99）三、基坑设计环境境控制标准本工程基坑施工对对周边环境影影响的控制指指标如下：邻近建筑物沉降不不大于20mm，附加倾斜斜不大于1.0‰；管线相邻两监测点点（不大于20米）沉降差10mm，水平位移移差10mm，并满足相相关管线单位位的要求；4．2支护结构方案一、方案设计指导导思想基坑围护方案的选选定必须综合合考虑工程本本身的特点及及周围环境的的要求，在满满足地下室结结构土建施工工及确保周围围环境安全可可靠的前提下下，尽量达到到既经济合理理，又方便施施工及提高工工效的标准。本工程基坑开挖深深度较深，达达8.10米，基坑开开挖面积约2459平方米；项项目位于陆家家嘴中心区，开开挖面与红线线距离仅约4.26～12.05米，与相邻邻建筑物距离离约17.48～19.13米，西、北北两侧紧邻道道路，环境保保护要求比较较高，必须采采取可靠围护护措施。根据本工程的开挖挖深度、地质质情况及周边边环境情况，基基坑围护可按按二级基坑工工程进行设计计。二、方案简介基坑工程具有较强强的环境效应应，基坑工程的的开挖，必将将引起周围地地基中地下水水位变化和应应力场的改变变，导致周围围地基土体的的变形，对相相邻建筑物、构构筑物及市政政地下管网产产生影响。影影响严重的将将危及相邻建建筑物、构筑筑物及市政地地下管网的安安全与正常使使用。本工程程周围的环境境复杂，对环环境的要求比比较苛刻，既既要保证整个个维护结构的的施工过程的的安全，又要要控制围护结结构及其周围围土体的变形形，以保证周周围建筑和地地下管线的安安全。在安全全前提下设计计合理，节约约造价，方便便施工，缩短短工期。故采采用排桩与锚锚杆组合的基基坑护壁体系系。利用排桩与锚杆组组合的基坑护护壁体系是深深基坑施工支支护结构的一一种方法，即即采用钻孔压压浆桩和锚杆杆配合体系进进行护壁。开开挖基坑周围围钻孔，浇筑筑钢筋混凝土土灌注桩，每每隔一定距离离向桩背面斜斜下方用锚杆杆钻机打孔，在在孔内放钢筋筋锚杆，用水水泥压力灌浆浆，达到强度度后，拉紧固固定，在桩中中间进行挖土土直至设计深深度。该方法法既防止侧壁壁土体产生坍坍塌下滑，保保护相邻建筑筑物安全，又又有施工方便便，节省施工工场地，施工工进度快，护护壁效果好，安安全可靠，便便于机械开挖挖的特点，适适用于邻近有有高层建筑，不不允许支护有有较大变形。第五章基坑支护护结构设计计计算书5．1土压力计算算一、土压力系数计计算土压力系数如表55-1所示。土压力系数表表5-1土层KaiKpi①填土0.40590.6371②3粘质粉土夹粉质粘粘土0.35400.59502.82521.6808④淤泥质粘土0.71670.84661.39531.1812⑤1-1粘土0.63270.79541.58051.2572⑤1-2粉质粘土夹夹粘质粉土0.50880.71331.96551.4019二、土压力计算（一）土层分布土压如表5-2所所示。土层分布表5-2层号岩土名称厚度（m）填土2.50②3粘质粉土夹粉质粘粘土8.00④淤泥质粘土4.50⑤1-1粘土6.00（二）土层侧向土土压力计算（1）主动土压力计算算σaA=(20+17×0))×0.40059-2×0×0.63711=8.1188(kPa)σaB上=(20+17××2.5)×0.40599-2×0×0.63711=25.3669(kPa)σaB下=(20+17××2.5)×0.35400-2×7×0.59500=13.7995(kPa)σaC=(20+17××2.5+18.3×5.66)×0.35400-2×7×0.59500=50.073(kkPa)ΣaD上=Ea(23))=50.0073(kPa)ΣaD下=(20+17××2.5+18.3×5.66)×0.717-2×13×0.847=96.269(kkPa)ΣaE上=Ea(31)==96.2669(kPa)ΣaE下=(20+17×2..5+18.3×5.66)×0.63277-2×16××0.79544=78.93(kPPa)σaF=78.93(kPPa)（2）被动土压力计算算σpC=0×2.82552+2×7×1.68008=23.5331(kPa)σpD上=(0+18.33×2.4)×2.82252+2×7×11.68088=147.6614(kPa)σpD下=(0+18.33×2.4)×1.39953+2×13×1.11812=991.9933(kPa)σpE上=(0+18.3×2.44+16.77×4.5))×1.39953+2×13×1.11812=196.850((kPa)ΣpE下=(0+18.3×2.44+16.77×4.5))×1.58805+2×16××1.25772=228.420((kPa)σpF=(0+18.3×2.44+16.77×4.5++17.5××6)×1.58805+2×16×1.2572=3394.3773(kPa)图5-1土压力分布布图（3）净土压力计算（坑坑地面以下）σpC=23.5312--50.0773=-26.5542(kPa)σpD上=147.614--50.0773=97.5441(kPa)σpD下=91.993-996.2699=-4.2776(kPa)σpE上=196.850--96.2669=100.5581(kPa)σpE下=228.421--78.933=149.4491(kPa)σpF=394.373--78.933=315.4443(kPa)得开挖面以下图土土压力零点X/2.4-X==26.5442/97.5441X=0.513(mm)土压力零点在基坑坑底面以下0.5133m处（如图5-2所示）。图5-2净土压力分分布图（三）土压力合力力及作用点的的计算：EaAB=2.55×(8.1188+25.3369)/22=41.8858(KN/m))HaAB=2.55/3×(8.1188×2+25.3369)/((8.1188+25.3369)=1.0335(m)EaBC=(133.795++50.0773)×5.6/22=178.83(KN//m)HaBC=5.66/3×(13.7995×2+50.0073)/((13.7795+500.073))=2.277(m)EaCD=50..073×22.4=120.1175(KN/m))HaCD=2.44/2=1.2(m)EaDE=96.2269×4.5=433.2209(KN/m))HaDE=4.5//2=2.25(m)EpCD=(233.531++147.6614)×2.4/2==205.3374(KN/m))HpCD=2.44/3×(23.5331×2+147..6)/(23..531+1147.6))=0.911(m)EpDE=(911.993++196.8850)×4.5/22=649..895(KN/m))HpDE=4.55/3×(91.9993×2+196..850)//(91..993+1196.8550)=1.978(m))5．2嵌固长度及水平锚锚固力计算一．水平锚固力的的计算：（以以土压力零点点位置计算）以o点取矩：(6.6+0.5113)T=41.8558×(1..035+55.6+0..513)++178.883×(2..27+0..513)++0.5×226.5422×0.5113×2/33×0.5113T=(299.2+4997.68++2.3288)/7.1113T==112.336(kN/m))二．锚杆长度计算算：取60kpa取取1.3钻孔直径取120mmm锚杆位于地地下4m处倾角取=HPB2235钢筋抗拉强强度设计值==0.21kpa/mmm21．自由段长度计算算：=2.5×25+88×28.55+4.5××9.5+66×13==0.513+44.1=4..613m得=2.834m可取自由段长度计计算：2.8344+1.5==4.3m图5-3锚杆自由由段计算简图图2．锚固段长度计算算：根据，，，取1.0,有=16.7m取锚固长度为177m,锚杆总长为17+4..3=21..3m三．锚杆杆体材料料计算：杆体钢筋半径为取取20mm四．桩长计算：设桩端进入⑤1--1层顶面以以下x米处∑Ma=41.858×((1.0355+12.55+x)+178.883×(2..27+2..4+4.55+x)+120.1175×(11.2+4..5+x)++433.2209×(22.25+xx)+78..93×x22/2=39.465x22+774..072x++3866..132∑Mp=205.374××(0.911+4.5++x)+649.8895×(1.9778+x)+228.442×x2/2+1//2[(394.3373-2228.42))×x/6]]×x2/3=4.6098x33+114..210x22+855..269x++2396..496MT=112.36××(13.55+x)=11516.886+1122.36x由∑M=0得：∑Mpp+MT-1.2γ0∑Ma≥0整理得：4.61x3+666.85xx2+38.744x-726≥0解之得：x≥22.786mm嵌固长度hd=22.4+4..5+2.7786=9..686m取10m桩长H=8.1+100=18.11m5．3配筋计算一、排桩配筋计算算（一）最大弯矩计计算：（1）被动土压力弯矩矩分段函数：：1.5≤x≤8..1M=1122.36×((x-1.55)=1122.36x--168.5548.1﹤x≤100.5M=1122.36×((x-1.55)+23..53(x--8.1)22/2+1//2×(147.6-233.53)((x-8.11)3/(2..4×3)=112.36xx-168..54+111.765((x-8.11)2+8.622(x-8..1)310.5﹤x≤115M=1122.36(xx-1.5))+205..4(0.99+x-100.5)+991.99((x-10.5)22/2+1//2×(1996.9-991.99))(x-100.5)3/(4.55×3)=3177.741xx-21388.087++46.0((x-10..5)2+3.8884(x-110.5)3315﹤x≤18.1M=1112.366(x-1..5)+2205.4((0.9+xx-10.55)+6499.895((1.5+x-15)+2228.4221(x-115)2/2+1//2×(3994.3733-228.421))(x-155)3/(6×33)=9677.64x--109111.67+1114.211(x-155)2+4.611(x-155)3（2）主动土压力弯矩矩分段函数：：0≤x≤2.5MM=8.122x2/2+1//2×(255.37-88.12)xx3/9=4.06x2++1.15xx32.5﹤x≤8..1MM=41.886(1.004+x-22.5)+113.7955(x-2..5)2/2+1//2×(500.073--13.7995)(x--2.5)33/(5..6×3)=411.858xx-61.3322+6..898(xx-2.5))2+1.0889(x-22.5)38.1﹤x≤100.5M=41..86(1..035+55.6+x--8.1)++178.88(2.277+x-8.1)+50..07(x--8.1)22/2=2200.69x--1103..9+25..037(xx-8.1))210.5﹤x≤115M==41.866(1.0335+8+xx-10.55)+1788.83(22.27+22.4+x-10.5)++120.1175(1..2+x-110.5)++1/2×996.27((x-10..5)2