清华大学土木课程地下结构3

地下结构设计与施工

UndergroundStructure—DesignandConstruction主讲：宋二祥

第三章基坑支护设计

本章主要参考书：

【1】刘建航、候学渊主编，基坑工程手册，中国建筑工业出版社，1997【2】中华人民共和国行业标准，建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）,中国建筑工业出版社，1999§3-1概述§3-2土水压力计算§3-3传统支护结构设计计算§3-4锚杆设计§3-5土钉支护设计第三章基坑支护设计

为地下工程施工提供安全的空间§3-1概述

对邻近建筑和设施提供可靠的保护有不同程度的止水作用

讨论基坑支护的必要性一、基坑支护的作用及研究的必要性：§3-1概述

0.901.001.10支护结构破坏、土体失稳或过大变形对周边环境及地下设施影响不严重

支护结构破坏、土体失稳或过大变形对周边环境及地下设施影响一般

支护结构破坏、土体失稳或过大变形对周边环境及地下设施影响很严重

破坏后果

三级二级一级安全等级

基坑侧壁安全等级及重要性系数：二、设计准则考虑两种极限状态：支护体系或周边环境破坏及不能接受的变形。

支护体系的验算：均需验算强度，对一级及有变形控制要求的二级基坑还需验算变形（需先确定变形限值）。§3-1概述

设计内容：支护设计、水的控制措施，质量检测与施工监测要求地下水控制验算：抗渗透验算，抗突涌验算三、支护类型及选用原则§3-1概述

放坡开挖：用于三级基坑，场地允许、深度较小的情况，可与其他方式联合使用其计算属于土坡稳定问题。§3-1概述传统支护方式：挡土构件+横向支撑。用于一、二、三级，悬臂支护在软土中深度小于5m挡土结构：有桩、墙等，可分为骨架式、连续式、半连续式等横向支撑：内支撑、背拉锚杆等§3-1概述

§3-1概述土钉支护：二、三级，非软土场地，深度不宜大于12m（18m）

20世纪90年代初开始在我国城市基坑支护中应用。其新发展为复合土钉支护—与锚杆、微桩等联合使用。在上海，坑深〈6米左右，多用钢板桩加一道拉锚或内支撑；>10米左右则多用连续墙加内钢砼内支撑。北京土钉支护应用广泛。§3-1概述其他支护形式：水泥土墙、逆作拱墙、双排桩。各种形式的联合支护

§3-1概述§3-2土水压力计算§3-3传统支护结构设计计算§3-4锚杆设计§3-5土钉支护设计第三章基坑支护设计

几种情况下的土压分布如图。§3-2土水压力计算与土的性质、体系变形、施工过程等有关，较复杂。一、挡土构件上的土压力

实际土压力值（动用土压）一般并非主动土压或被动土压。特别是被动土压，所需变形大，一般不能充分发挥。§3-2土水压力计算设计时依据上述原理及经验假定土压分布如图（国外多用）：

基坑支护规程：按经典理论计算，但墙后坑深以下主动土压计算时取坑深处的竖向应力。§3-2土水压力计算地面荷载引起挡土结构上的土压力：大面积分布荷载：见图局部荷载：仅在CD段用扩散后的竖向应力计算土压。§3-2土水压力计算土压力计算宽度：连续式挡土结构按每延米计算结构刚度和土压力；骨架式挡土结构：取一根桩计算：基底以上主动土压计算宽度按桩基规范取0.9（D+1m）。或者说，应以此确定挡土桩间距。挡土桩桩距较桩基小。否则要么发生破坏，要么全部土压由桩承受。§3-2土水压力计算但最终值要小于按桩间距计算的值。

基底以下主动土压按D计算，被动土压力由宽度D内值乘以M（两体积之比）计算土压力所用C、φ值:在与现场条件相近的试验条件下测定，一般是固结快剪或固结不排水剪强度指标。§3-2土水压力计算二、挡土构件上的水压力§3-2土水压力计算绕墙下端C有渗流：同“基础工程”所讲。绕墙下端C无渗流：如图b所示。三、土－水压力的分算、合算§3-2土水压力计算土水分算：土水合算：末式严格说无意义，因土压力系数与有效容重不对应。故不宜理解为水压折减。基坑支护规程：粗粒土分算，细粒土合算§3-1概述§3-2土水压力计算§3-3传统支护结构设计计算

§3-4锚杆设计§3-5土钉支护设计第三章基坑支护设计

验算内容与可能的破坏形式密切相关。一、悬臂桩、墙计算§3-3传统支护体系设计计算仅用于开挖深度较小的情况相应的验算：对1按土坡稳定验算，对后两者按以下方法验算。可能的破坏形式：1）整体滑移破坏；2）挡土构件强度不足而破坏；3）嵌深不足而倾覆§3-3传统支护体系设计计算据实际变形情况，设墙体绕E转动，则E以上墙后为主动土压，墙前为被动土压，E点以下则相反。E点以下墙段对上段的作用力记为P（图）。可求出嵌深的上段t，再乘由以1.2作为嵌固深度§3-3传统支护体系设计计算即桩长Mmax由Q=0的条件求出，用于验算挡土构件的强度问：Mmax发生在坑底以上还是坑底以下?

另一计算方法：忽略P，由水平力平衡求嵌深，再乘以1.2。结果相同吗？嵌深与H之比随H增大而增大。在上海嵌深可大于坑深，在北京地区可远小于坑深。

§3-3传统支护体系设计计算2、单锚（撑）支护结构常见破坏形式：（a）锚杆拉断（地面堆载）、拔出（c）挡土构件本身强度不足而破坏（b）踢脚破坏，嵌深不足（d）整体滑移破坏相应的验算：对d按土坡稳定验算，对前三者按以下方法验算。§3-3传统支护体系设计计算土压分布与前类似，但这里多一未知量，超静定，用等值梁法求解。设合土压=0处M=0（近似,x0/H和有关），由CA段SMC=0，可求出拉力T、P0；由下段SMC=0求t，再乘以1.2。§3-3传统支护体系设计计算Mmax此时在坑底以上水平。模型误差修正：M折减30～40%，支撑力增大35～40%（上海地基基础规范）。原因：假定的墙前被动土压偏大及桩后上段主动土压因桩变形而减小。（见3-2节图）考虑摩擦影响对土压的修正：墙前被动土压增大，墙后被动土压减小，主动土压不折减。调整系数查表。

另一验算方法：设桩前为被动土压、桩后为主动土压，由可定支撑轴力与最小入土深度。（用于嵌深小的情况）

§3-3传统支护体系设计计算3、多锚（撑）支护结构基坑深度大时用多撑。计算方法有多种，如二分之一分割法、等值梁法、山肩邦男法等。施工过程：先挖后撑（或先撑后挖）§3-3传统支护体系设计计算§3-3传统支护体系设计计算

a）

二分之一分割法（我国铁路部门常用，见图）设各支撑承受上下各半跨的土压和水压；由SM＝0确定最小插入深度；再以桩为连续梁，其下端据土的密实情况假定为铰接或嵌固于基底下(0.33-0.5)倍插深处，进行支撑力及内力计算（可用力矩分配法）§3-3传统支护体系设计计算b）相当梁法关键是确定反弯点位置，有几种假定：土压为零的点；

坑底水平；

由土的性质定，硬土浅（0.1倍H1），软土深（0.4H1），H1—最下层支撑与坑底的距离；

上海隧道公司统一假定为3米深处。反弯点确定后，其余计算与单撑的情况类似。§3-3传统支护体系设计计算c)山肩邦男近似法基本假定：考虑粘性土层，墙前取被动土压，墙后取三角形分布的土压(可用主动土压系数计算）计算过程：随施工过程计算，每次两个未知量—新起作用支撑的轴力、当前坑底下反弯点位置，由力、力矩平衡两个方程可解。开挖面以下必存在弯矩为零的一点（其位置未知）,忽略该点以下桩段对上段的剪力作用下道横撑设置后，认为上道横撑的轴力不变；§3-3传统支护体系设计计算开挖前，墙两侧均受静止土压。开挖到某一深度时，开挖侧土压释放，释放的压力即为墙所受的荷载。d)模拟开挖的杆系有限元法据此可分步计算，模拟施工过程：支撑和土的约束用弹簧模拟，开挖一步计算一次。注意：每开挖一层，应将模拟其约束作用的弹簧力反向加到结构上。有模拟开挖功能的程序中则只需将其关闭。最终结果为各步结果之和。（如程序可分步计算并累加计算结果，在计算过程中又可修改荷载，则更简便。）§3-3传统支护体系设计计算计算图示算例,其中γ=18kN/M3，φ=14°,C=7kPa，墙厚0.8m，C30砼。e)计算方法比较§3-3传统支护体系设计计算杆系有限元法§3-3传统支护体系设计计算各层支撑最大轴力计算值（kN）方法支撑1支撑2支撑3支撑4二分法12355882弹性法19335882杆系有限元16466667地层有限元16486885由M之差别可见现有计算方法不成熟,可能的原因：(1)未考虑支撑、墙、土相对刚度的影响；(2)未考虑开挖过程;等方法仍然可用的原因：(1)工程类比（经验）；(2)保守设计；(3)结构本身有一定内力重分布能力。4、基坑稳定验算a）荷载引起的基坑失稳计算模型如图转动力矩：稳定力矩：要求：（和x无关）§3-3传统支护体系设计计算其他几种不同的模型：（1）桩刚度及嵌深大，可设滑移中心在桩下端，但X=？试算（2）桩刚度小，可设滑移中心在最下层支撑处，滑面过桩下端（3）可考虑竖直面上的抗滑力§3-3传统支护体系设计计算b）渗透稳定验算：突涌验算：渗透破坏验算：结合渗流计算可求地下连续墙嵌固深度由覆土重>水压有：坑底以下有承压水时验算§3-3传统支护体系设计计算§3-1概述§3-2土水压力计算§3-3传统支护结构设计计算§3-4锚杆设计§3-5土钉支护设计第三章基坑支护设计

§3-4锚杆设计优点：改善施工条件；解决大基坑内支撑的困难；施工设备占空间小；施工噪声小；能施加预应力控制变形100-200,L=10-30m,倾角15-35°,仅水平分力有效，竖向分力有害，但为注浆方便，不宜小于15°自由段、锚固段：后者要在主动破坏区之外，预应力约为设计拉力的70%。上覆土4－5m，否则会拔出或地面隆起（因有竖向分力）

组成：锚头（台座、承压板、紧固器）、拉杆、锚固段锚杆布置：需考虑群锚效应，桩、梁内力等因素。目前趋势是用密而设计拉力小的锚杆，可靠性较好。§3-4锚杆设计锚杆所受拉力：用前述方法计算。

注意：极限摩阻力非均匀分布，锚固段<10m可近似按均布算,锚固段过大无用；粘性土的Ip大，则qs小。不宜用永久锚杆的土层：蠕变大的土层，例有机土，高塑性粘土，松砂。

抗力估计：决定于拉杆强度，钢筋握裹力，岩土锚固力（砂浆与岩土间摩擦力、咬合力）。在土层中由土层锚固力控制:§3-4锚杆设计

群锚效应考虑：锚杆密时近似用下式计算其抗拔力折减系数§3-4锚杆设计锚固系统的整体稳定，决定其总长度（Nt仅定Ls），用Kranz方法.由KRANZ在50年代提出，后经发展于60年代用于德国规范，日本和我国也多用该方法。

KRANZ经研究提出：1)最可能的破裂面为BCF；2)考虑土体EBCF的平衡，可求出图示锚杆抗拔力。图中BE、CF均为主动破裂面，由ABE和CDF的平衡可求Qa与Q0，则土体EBCF所受外力仅P和Qr的大小未知，由力的平衡条件（或力多边形）可解。§3-4锚杆设计推广到多层锚杆安全系数的验算，以下为两种典型配置型式：

a）上短下长上层锚杆：由abc1d1平衡可求其拉力A1（知Ea、E1、G1），此时下层锚杆无影响。所求拉力与其设计拉力之比为安全系数。下层锚杆：由abc2d2平衡可求两锚杆拉力之和。所求锚杆合力与其设计拉力和之比即为安全系数。§3-4锚杆设计b）上长下短此时除按上述方法定出各锚杆相应的破裂面外，bc2c1f亦可能成为破裂面，所以要分析三个土体的平衡求安全系数。实际工程问题千变万化，但理解了上述原理总可分析。§3-1概述§3-2土水压力计算§3-3传统支护结构设计计算§3-4锚杆设计§3-5土钉支护设计第三章基坑支护设计

§3-5土钉支护设计参考文献：【1】陈肇元、崔京浩主编：土钉支护在基坑工程中的应用（第二版），中国建筑工业出版社，2000【2】宋二祥等：深基开挖的土钉支护—设计方法；地下空间，1996年第2期§3-5土钉支护设计一、构造与作用机理

（图）土钉：在土体中成孔后放入钢筋并沿全长注浆所形成的细长杆件，也可仅用钢筋、钢管等。§3-5土钉支护设计施工过程：随基坑开挖的进行，在坑壁做土钉、挂钢筋网片并喷混凝土。

§3-5土钉支护设计同锚杆的区别：土钉间距密、长度小、沿全长注浆、无预应力。与锚杆作用机理的差别见图。

§3-5土钉支护设计作用机理：1）加固作用—加固土体，使其类似于重力式挡土墙。故不要求一定穿过滑移面，也不分自由段和锚固段。2）锚固作用—将可能滑移的土体锚于稳定区，需穿越滑移面。优点：简便、有效，显著缩短工期、节省造价。缺点：需占用场外地下空间，需排除地下水，要求土体有一定自稳能力。二、土钉设计的基本考虑设计目的：保证基坑的安全稳定并在技术上可行、经济上合理。设计内容：坑壁坡度，土钉倾角、土钉长度、加筋直径、孔径及间距，支护面层厚度及配筋，每层开挖深度等。§3-5土钉支护设计坑壁坡度：适当放坡增加稳定性，也较经济。土钉倾角：10～15度，以便注浆。但水平设置能更好控制变形§3-5土钉支护设计孔径：一般由成孔机具决定，10cm左右。间距：要有一定密度，否则难以有效约束钉间土体。一