第五章 基坑支护结构设计三

第七章明挖基坑支护结构设计

胡华2.设计内容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。1)钢板桩、钢筋混凝土板桩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/m101520桩的厚度/cm163550（1）内力计算确定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。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。（2）防渗措施对于钢板桩，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M15.2)钻孔灌注桩(1)内力计算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。(2)入土深度的确定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。(3)构造要求钢筋笼的箍筋宜采用的螺旋箍筋，间距200~300mm；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。(4)确定平面布置及截面平面布置的几种形式见图7-5.桩径不宜小于600mm，常用的桩径为，具体大小要根据内力变形计算等确定。(5)截面配筋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(6)防渗设计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）

注浆帷幕：与灌注桩之间的净距不宜大于150mm；桩间高压旋喷：应使旋喷桩体紧贴灌注桩；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。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。3)SMW工法（劲性水泥土搅拌桩）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。(1)内力计算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(2)入土深度的确定入土深度的确定结合板式支护墙的坑底隆起、抗倾覆、抗渗以及内力变形计算等综合确定。(3)桩身强度验算1.抗弯验算考虑弯矩全部由型钢承担，则型钢应力满足式(7-20)

2.型钢抗剪剪验算(7-21)4)地下连续续墙（1）内力计计算接前述的竖向向弹性地基梁梁法进行计算算。（2）界面确确定地下连续墙单单元槽.单元元的平面形状状见图7-7。单元槽段段的平面形状状和成槽长度度，根据墙段段的结构受力力特性、槽壁壁稳定性、环环境条件和施施工条件等因因素由计算确确定。（3）入土深深度确定入土深度的确确定要结合板板式支护墙的的坑底土抗隆隆起、抗倾覆覆、抗渗以及及内力变形计计算等综合确确定。（4）构造要要求混凝土的设计计强度等级不不应低于C20，纵向受受力钢筋应采采用HRB335钢筋，，直径不小于于16mm；；水平筋可采采用16~18mm及以以上的圆筋或或螺纹筋，最最大间距在300mm以以下，在主要要受力部位间间距小些；构构造钢筋可采采用I级钢筋筋，直径不应应小于12mm；主筋保保护层厚度不不小于70mm；单元槽槽段的钢筋笼笼应制成一整整体，必须分分段时，宜采采用焊接或机机械连接，接接头位置宜选选用受力较小小处并相互错错开。当采用用搭接接头时时，接头的最最小搭接长度度不宜小于150mm的的间隙，钢筋筋笼下端500mm长度度范围内宜按按1：10收收成闭合状，，且钢筋笼的的下端于槽底底之间宜留有有不小于500mm的间间隙。（5）防渗设设计墙体混凝土的的抗渗等级不不宜小于S6级。在墙段段接头处设止止水带或刚性性防渗接头，，止水带接头头有钢板或橡橡胶止水带形形式，刚性接接头穿孔钢板板接头和搭接接钢筋接头两两类，一般使使用效果均较较好。当墙段段之间接缝不不设止水带时时，应选用锁锁口圆弧形、、槽型或V形形等可靠的防防渗止水接头头，其接头面面必须严格请请刷，不得有有夹泥或沉渣渣。在正常施施工条件下，，严格按施工工规程操作，，一般均可达达到防渗止水水要求，在环环境要求较高高时，常在墙墙段接头处的的坑外增设注注浆防渗作为为加强措施。。4.8.2支支护系统设设计1.支护系统统材料选择及及结构布置1）材料选择择支护材料可以以采用钢材、、钢筋混凝土土或这两种材材料的组合。。2）结构布置置水平支护系统统的布置：水水平支护系统统由立柱、围围梁及水平支支护等部分组组成。（1）立柱立柱的作用主主要有两方面面，一是承受受支护重量及及施工荷载；；二是增加对对支护杆件的的约束，减小小其自由长度度。立柱一般设置置在纵横向支支护处或桁架架式支护的节节点处。并应应避开地下结结构的梁、柱柱及承重墙，，若设计许可可，可利用工工程桩来作为为立柱的嵌固固段，否则立立柱的间距应应根据支护构构件的稳定和和竖向荷载的的大小确定。。立柱下端应应支撑于较好好土层中，开开挖面以下的的埋置长度应应满足支护等等对立柱承载载力和变形的的要求。（2）围梁沿支护墙的内侧周周边布置。通常情情况下应利用支护护墙顶的水平圈梁梁兼作第一道水平平支护的围梁。当当第一道水平支护护标高低于墙顶圈圈梁时，可另设圈圈梁。（3）水平支护1、水平向的布置置。若主体结构施施工时，支护尚不不能拆除，则支护护杆件的布置应避避开柱子、梁及承承重墙的位置。相相邻支护之间的水水平距离应满足基基坑开挖土方工程程的施工要求，通通常不宜小于4m，当采用机械挖挖土时，不宜小于于8m。基坑平面面形状有内凸的阳阳角时，应在阳角角的两个方向上设设置支护点。钢支护的平面布置置方式通常优先采采用相互正交、均均匀布置的对支或或对支桁架体系；；对于长条形基坑坑宜采用单向布置置的对支或桁架式式对支体系，在四四角设置角支；当当相邻支护间的水水平距离较大时，，应在支护端部两两侧于围梁之间设设置八字支，八字字支宜左右对称，，长度不大于9m，与围梁夹角宜宜为60度，当八八字支不对称，且且轴力相差较大时时，应在相邻主支支护的八字节点间间增设水平联系杆杆。钢筋混凝土支护的的平面布置除可采采用钢支护的布置置方式外，对于平平面形状较复杂的的基坑可采用桁架架和对支或角支组组成的体系，当支支护平面中需留设设较大作业空间时时，宜采用边桁架架和对支桁架或斜斜支桁架组成的体体系，对规则的方方形基坑可采用斜斜支桁架组成的体体系或圆形环梁体体系。2、竖向的布置。。水平支护的层数数应根据基坑开挖挖深度、支护墙体体的类型、土方施施工以及工程经验验等由计算工况确确定。各道水平支支护的轴线在平面面上应尽量一致，，各道支护间的净净距不宜小于3m，当采用机械下下坑开挖及运输时时不宜小于4m，，最下一道支护的的标高在不影响底底板施工的条件下下，应尽可能降低低。对于第一道支护，，若利用支护桩顶顶圈梁，不仅节省省费用，与支护的的连接也易处理，，但由于受力较小小，不能充分发挥挥支护的作用。第第一道支护设置于于自然地面以下超超过1.5m时受受力较有利，但通通常要增设一道圈圈梁。设置的各道道支护标高，不得得妨碍主体结构的的底板、楼板及梁梁的施工。支护顶顶面与主体结构水水平构件地面之间间的净距不宜小于于300mm，支支护底面与主体结结构底板或楼板之之间的净距不宜小小于600mm。。（4）竖向斜支系系统竖向斜支系统通常常由斜支、围梁及及斜支基础等组成成。当斜支中部设设置立柱以减小受受压自由长度和承承受支护自重。斜斜支宜均匀对称布布置，水平间距不不宜大于6m。斜斜支宜采用型钢或或组合型钢截面。。如图7-21.斜支坡度不宜大大于1：2，并与与基坑内土堤的稳稳定边坡相一致。。同时斜支基础与与支护墙之间的水水平距离也不宜小小于支护墙插入深深度的1.5倍。。斜支与围梁及斜斜支与基础之间的的连接以及围梁与与支护墙之间的连连接应满足斜支水水平力和垂直力的的传递要求。2.支护系统计算算1）内力变形计算算作用于内支护上的的荷载主要由以下下几部分构成：水水平荷载有支护墙墙体将坑外水土压压力沿围梁作用于于支护系统上的分分布力，对于钢支支护还有给主支护护系统施加的预加加轴力以及温度变变化等引起的水平平荷载；垂直荷载载有支护自重以及及支护顶面的施工工活荷载，通常取取4Kpa。内支护系统的空间间计算模型通常采采用以下计算方法法：将支护结构从从整个支护结构中中截离出来，在截截离除作用着支护护结构按简化的平平面计算模型得到到的与水平反力以以及其他荷载（加加预加轴力），用用空间杆系模型程程序对支护系统进进行计算，支护结构计算的边边界条件假定为1、在支护与额围围梁、立柱的节点点处以及围梁转角角处设置竖向铰支支座和弹簧；2、、当作用于基坑四四周的围梁长度方方向的正交水平荷荷载不均匀分布或或支护刚度在平面面内分布不均匀时时，为避免支护系系统整体转动和平平移，宜在基坑转转角处设置水平约约束。内支护系统的简化化计算方法时当支支护系统平面形状状规则，支护杆件件相互正交时，可可按以下简化方法法计算：（1）水平荷载作作用下支护杆件的的轴向力。按支护护墙作用于围梁长长度方向的水平反反力乘以相邻支护护沿围梁的中心距距计算。当支护杆杆件与围梁斜交时时，按水平反力沿沿支护长度方向上上的投影来考虑。。（2）垂直荷载作作用下支护杆件的的内力变形。支护护杆件按单跨或多多跨连续梁来计计算，计算跨度取取相邻立柱的中心心距。（3）立柱的轴力力。取纵横横向支支护的支座反力之之和。（4）围梁。受水水平力作用，钢筋筋混凝土围梁按多多跨连续梁计算，，计算跨度取相邻邻支护点的中心距距；钢围梁按简支支梁计算，计算跨跨度取相邻水平支支护的中心距。当当水平支护杆件与与围梁斜交时，围围梁还受水平力在在围梁长度方向引引起的轴力作用。。2）承载力计算开挖面以下立柱的的竖向和水平承载载力按单桩承载力力验算，立柱按偏偏心受压构件计算算。截面的弯矩应应包括下例各项：：1、竖向荷载对立立柱截面型心的偏偏心弯矩；2、水平支护标高高处大小为支护轴轴向力的1/50的水平力随立柱柱产生的弯矩；3、土方开挖时，，作用于立柱的侧侧向土压力引起的的弯矩。4、立柱受压的计计算长度取竖向相相邻层的水平支护护的中心距，最下下一道支护以下的的立柱取该道支护护中心线至开挖面面以下5倍立柱直直径处的距离。通常情况下围梁卡卡可按水平向的受受弯构件来计算。。当围梁与水平支支护斜支或围梁作作为边桁架的弦杆杆时，应按偏心受受压构件计算，围围梁的受压计算长长度取相邻支护点点的中心距。对于于钢围梁，当拼接接点按铰接考虑时时，其受压计算长长度取相邻支护点点的1.5倍。现现浇钢筋混凝土围围梁的支座弯矩，，可乘以0.8~0.9的折减系系数，但跨中弯矩矩应相应增加。支护杆件应按偏心心受压构件来计算算。截面偏心弯矩矩包括由竖向荷载载产生的弯矩以及及支护轴向力对构构件初始偏心距产产生的弯矩。构件件截面的初始偏心心距可取支护计算算长度的2 /1000~3/1000，对于于混凝土支护不宜宜小于20mm；；对于钢支护则不不宜小于40mm。现浇钢筋混凝凝土支护在竖向平平面内的支座弯矩矩可乘以0.8~0.9的折减系系数，但跨中应相相应增加。当支护护的内力计算为考考虑预加压力或温温度变化的影响时时，截面验算时的的支护轴向力宜乘乘以1.1~1.2的增大系数。。3.支护系统构造造要求1）立柱基坑开挖面以上的的立柱宜采用格构构式钢柱、钢管或或H型钢。基坑开开挖面以下的立柱柱宜采用直径不小小于650mm的的钻孔灌注桩或开开挖面以上的立柱柱截面相同的钢管管及H型钢。的那那当为钻孔灌注桩桩时，其上部钢立立柱在桩内的插入入长度不小于钢立立柱长边的4倍，，并与桩内钢筋笼笼焊接。立柱桩在在基坑开挖面以下下的插入长度宜大大于基坑开挖深度度的2倍，且穿过过淤泥或淤泥质土土层。立柱的长细细比应不大于25.2）围梁1、钢围梁。钢围围梁的截面宽度应应大于300mm，可采用H型钢钢、工字钢或槽钢钢以及他们的组合合。钢围梁的现场场拼接点位置应尽尽量靠近支护点，，并不应超过围梁梁计算跨度的三分分点以外，围梁分分段的预制长度不不应小于支护间距距的2倍。钢围梁梁安装前，应在支支护墙上设置牛腿腿。安装牛腿可采采用角钢或直径不不小于25mm的的钢筋与支护墙主主筋或预埋件焊接接组成钢筋牛腿，，其间距不大于2m，牛腿焊缝由由计算确定。钢围围梁与钢筋混凝土土支护墙之间应留留设宽度不小于60mm的水平向向全长孔隙，其间间用强度等级不低低于C30的细石石混凝土填实。支支护杆件与围梁斜斜交时，在围梁与与支护墙之间应设设置由计算确定的的剪力传递构造。。此时嵌填混凝土土的宽度应满足剪剪力传递构件的锚锚固要求。2、钢筋混凝土围围梁。钢筋混凝土土围梁应与钢筋混混凝土支护杆件整整浇在同一平面内内，基坑平面转角角处的纵横向围梁梁应按刚接点处理理。围梁的宽度不不应小于其水平向向计算跨度的1/8，截面高度度不应小于支护的的截面高度。围梁梁与支护墙之间不不应留间隙，与支支护墙之间需要传传递水平剪力时，，应在墙体上沿围围梁长度方向预留留由计算确定的剪剪力钢筋和剪力槽槽。3）支护杆件支护杆件的长细比比应不大于75，，联系杆的长细比比应不大于120.钢支护杆件的的构造应符合《钢钢结构设计规范》》的有关规定，构构件长度的拼接宜宜采用高强度螺栓栓连接或焊接，拼拼接点的强度不应应低于构件的截面面强度。现浇钢筋筋混凝土支护杆件件的构造应符合《《混凝土结构设计计规范》的有关规规定，混凝土的强强度等级不应低于于C20.支护杆杆件的截面高度不不应小于其竖向平平面计算跨度的1/20.钢支护护的截面可采用H型钢、钢管、工工字钢或槽钢以及及他们的组合。4）连接节点立柱与水平支护的的连接可采用铰接接构造，但连接件件在竖向和水平向向的连接强度应大大于支护轴力的1/50.当采用用钢牛腿连接时，，钢牛腿的强度和和稳定性应由计算算确定。钢支护杆杆件与钢围梁的连连接可采用焊接或或螺栓连接，节点点处支护与围梁的的翼缘和腹板均应应加焊加劲板，加加劲板的厚度不小小于10mm，焊焊缝高度不小于6mm。5）钢筋混凝土结结构配筋支护杆件与围梁的的纵向钢筋直径不不宜小于16mm，沿截面四周纵纵向钢筋的最大间间距应小于200mm；箍筋直径径不应小于8mm，间距不应大于于250mm；支支护的纵向钢筋在在围梁内的锚固长长度不宜小于30倍钢筋直径。4.支护系统施工工要求1）支护安装及浇浇注的容许偏差应应符合有关要求2）支护施工与挖挖土的关系刚支护安装应采用用开槽架设，对于于现浇钢筋混凝土土支护，必须在混混凝土强度达到设设计强度的80%以上才能开挖支支护以下的土方。。确保先支后挖，，土方分层分区开开挖时，支护可随随开挖进度分区安安装，且一个区段段内的支护应形成成整体。当支护顶顶面需运行挖土机机械时，支护顶面面的安装标高宜低低于坑内土面20~30mm，钢钢支护与基坑土之之间的空隙应用粗粗砂回填，并在挖挖土机及土方车辆辆的通道处架设走走道板。3）换支利用主体结构换换支时，主体结结构的楼板或底底板混凝土强度度达到设计强度度的80%以上上。在主体结构构与支护墙之间间设置可靠的传传力结构。在主主体结构楼盖局局部缺少部位，，应在适当部位位设置临时支护护系统，支护截截面应按换支传传力要求，由计计算确定。当主主体结构的底板板和楼板分块施施工或设置后浇浇带时，应在分分块或后浇带的的适当部位设置置可靠的传力构构件。4）止水构造措措施立柱穿过主体结结构底板以及支支护结构穿越主主体结构地下室室外墙的部位，，必须采用可靠靠的止水构造措措施。5）预加轴力千斤顶必须由计计量装置。施加加预压力的机具具设备及仪表应应由专人使用和和管理，并定期期维护校验，正正常情况下每半半年校验一次，，使用中发现有有异常现象应重重新校验。支护护安装完毕后，，应及时检查各各节点的连接情情况，经确定符符合要求后方可可施加预压力，，预压力的施加加宜在支护的两两端同步对称进进行。预压力应应分级施加，重重复进行，一般般情况下，预压压力的控制值不不宜小于支护设设计轴力的50%，但也不宜宜过高，当预压压力控制值取用用支护设计轴力力的80%以上上时，应防止支支护结构的外倾倾、损坏及对坑坑外环境的影响响。预压力加至至设计要求的额额定值后，应再再次检查各连接接点的情况，必必要时对节点进进行加固，待额额定压力稳定后后予以锁定。支支护端部的八字字可在支护施加加压力后安装。。4.9土层锚锚杆设计土层锚杆由锚头头、自由段及锚锚固三部分组成成，见图7-9.土层锚杆的的倾角根据地层层分布、环境要要求及施工工艺艺确定，一般以以15~25度度为宜，锚固段段宜设置于黏性性土、粉性土及及砂土地层中，，对于淤泥质土土层应通过试验验确定。1.锚杆材料锚杆杆体宜选用用钢绞线、高强强钢丝或精扎螺螺纹钢筋等作为为预应力筋，当当锚杆设计轴力力较小时，可采采用HRB335或HRB400钢筋。水水泥浆会水泥砂砂浆的水泥宜使使用普通硅酸盐盐水泥，标号不不宜低于42.5Mpa，细细骨料应使用粒粒径小于2mm的中细砂。砂砂中含泥量不得得大于3%。2.锚杆截面确确定土层锚杆或锚索索的截面面积按按式（7-22）确定（7-22）3.锚杆总长度度锚杆总长度按式式（7-23））来确定（7-23）（7-24）4.土层锚杆深深层滑移稳定性性验算（1）单层锚杆杆支护墙按图7-22验算深深层滑移的稳定定性。通过锚固固段中点c与支支护墙的假象支支撑点b连一直直线，再过c点点做竖直线交地地面于d点，从从而确定土体稳稳定性验算的范范围；用图7-22（b）所所示的力多边形形对abcd土土体做静力平衡衡分析，得到锚锚杆拉力，按式式（7-25））计算深层滑移移稳定性安全系系数。（7-25）（2）两层及两两层以上的土层层锚杆支护墙深深层滑移稳定性性验算见图7-23，其分析析方法同单层锚锚杆体系。在单单元体内存在bc，be及bec三个可能能的滑动面，分分别利用力多边边形求出锚杆所所需的最大拉力力，，从而得得到相应的安全全系数，一般不不小于1.2~1.5。（3）当锚固段段的中点低于基基坑开挖面时，，可不必进行深深层滑移稳定性性验算。5.土层锚杆竖竖向稳定性验算算当土层锚杆倾角角大于30度或或者支护结构为为钢筋混凝土板板桩、地下连续续墙，且插入深深度较小，下卧卧层非常软弱时时，应按下式验验算（7-26）6.锚杆变形计计算锚杆弹性变形由由试验确定，初初步设计时可按按下式计算(7-27)（7-28）在竖向弹性地基基梁法分析支护护结构时，锚杆杆的水平刚度系系数由下式确定定（7-29）4.10土钉钉墙支护结构设设计4.10.1一一般规定土钉钢筋采用HRB335和和HRB400热轧变形钢筋筋，直径在16~32mm范范围。土钉孔劲在70~120mm之间，注浆的的强度等级一般般不低于10Mpa，3d不不低于6Mpa。土钉长度l与基基坑深度H之比比对于非饱和土土宜为0.6~1.2，密实实砂土和坚硬黏黏土取地值，软软塑黏土不应小小于1.0.土钉的水水平和竖竖直间距距额宜为为1~2m，在在饱和黏黏性土中中可小到到1m；；在干硬硬黏性土土中可超超过2m。此外外，沿面面层布置置的土钉钉密度不不应低于于每6一一根。喷射混凝凝土面层层的厚度度在50~150mm范围内内，混凝凝土强度度等级不不低于C20.3d强强度不低低于10Mpa，面层层内设置置钢筋网网，钢筋筋mm，，间距150~300mm，，当面层层厚度大大于120mm时，宜宜设置两两层钢筋筋网。土钉钻孔孔的喷射射混凝土土面层宜宜插入基基坑底部部以下，，插入深深度不少少于0.2m，，在基坑坑顶部也也宜设置置宽度为为1~2的喷射射混凝土土护顶。。4.10.2基基本计算算1、内部部整体滑滑动稳定定性验算算土钉支护护的内部部整体稳稳定性验验算是指指边坡土土体中可可能出现现的破坏坏面发生生在支护护内部并并穿过全全部或部部分土钉钉。假定定破坏面面上的土土钉只承承受拉力力且达到到极限抗抗拉能力力R,按按圆弧对对破坏面面采用简简单条分分法对土土钉支护护做内部部整体稳稳定性验验算，如如图7-24所所示，安安全系数数为当有地下下水时，，式（7-30）中尚尚应计入入地下