南大微结构国家实验室基坑支护设计开题报告

《南大微结构国家实验室基坑支护设计》开题报告学 生：李仁华指导教师：李仁平三峡大学土木与建筑学院1课题来源拟建南京大学微结构国家实验室，地面以上

6层，地下

2层，总建筑面积2 2 269533m，其中地上建筑面积为 54330m，地下建筑面积为 15203m，最大柱间距为8m×9m,建筑±0.00相当于绝对标高17.25m，整平后地面标高为17.00m，其它标高均以此为准，地下室负二层底板顶标高为-7.75m，基坑开挖深度为8.50m,上部为框架结构。本课题内容为上述基坑支护设计，课题来源于实际工程，相关设计资料由指导教师提供。本工程设计的目的和意义本工程设计目的：设计意义：国内外相关工程设计与研究现状3.1 基坑主要支挡方法、技术类型基坑工程中采用的围护墙、支撑（或土层锚杆）、围檩、防渗帷幕等结构体系总称为支护结构[1]。支护结构的传统方法是钢板桩加支撑系统或钢板桩锚拉系统，其优点是材料可以回收，但拔出板桩时会引起土体的变形。目前经常采用的主要基坑支挡类型有：（1）深层搅拌水泥土挡墙[2]（以下简称搅拌桩）：将土和水泥强制搅和成水泥土桩，结硬后成为具有一定强度的整体壁状挡墙，一般用于开挖深度不超过7m的基坑，适合于软土地区，环境保护要求不高，施工低噪声、低振动，结构止水性较好，造价经济，但围护较宽，一般取基坑开挖深度的 0.7～0.8倍。国内外试验研究和工程实践表明， 搅拌桩适宜于加固淤泥、淤泥质土和含水量较高而地基承载力小于 120kPa的粘土、粉质粘土、粉土等软土地基。当土中含高龄石、蒙脱石等矿物时，加固效果较好，土中含伊利石、氯化物等矿物时，加固效果较差，土的原始抗剪强度小于20～30kPa时，加固效果也较差。搅拌桩用于泥炭土或土中有机质含量较高，酸碱度较低（<7）及地下水有侵蚀性时，宜通过试验确定其适用性。当地表杂填土层为厚度大于100mm的石块时，一般不宜使用搅拌桩。搅拌桩的平面布置可视地质条件和基坑围护要求， 结合施工设备条件，分别选用桩式、块式、壁式、格栅式或拱式，它在深度方向可采取长短结合形式。（2）钢板桩[3]：用槽钢正反扣搭接而组成，或用 U型、H型和Z型截面的锁口钢板桩。用打入法打入土中，相互连接形成钢板桩墙，既用于挡土又用于挡水，用于开挖深度 3～10m的基坑。钢板桩具有较高的可靠性和耐久性，在完成支挡任务后，可以回收重复利用；于多道钢支撑结合，可适合软土地区的较深基坑，施工方便，工期短。但钢板桩刚度比排桩和地下连续墙小， 开挖后绕度变形较大，打拔桩振动噪声大，容易引起土体移动，导致周围地基较大沉陷。钢板桩支护结构，有永久性结构和临时性结构两类。 永久性结构在海港码头中应用较多，如：码头岸墙，护墙等；临时性结构多用于高层建筑的深基础。（3）钻孔灌注桩挡墙[4]：直径φ600～φ1000mm，桩长15～30m，组成排桩式挡墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈粱， 用于开挖深度为6m～13m的基坑。具有噪声和振动小，刚度大，就地浇制施工，对周围环境影响小等优点。适合软弱地层使用，接头防水性差，要根据地质条件从注浆、搅拌桩等方法中选用适当方法解决防水问题，整体刚度较差，不适合兼作主体结构。桩身质量取决于施工工艺及施工技术水平，施工时需作排污处理。（4）地下连续墙[5]：在地下成槽后，浇筑混凝土，建造具有较高强度的钢筋混凝土挡墙，用于开挖深度达 10m以上的基坑或施工条件较困难的情况。 具有施工噪声低，振动小，就地浇制、墙接头止水效果较好，整体刚度大，对周围环境影响小等优点。适合于软弱土层和建筑设施密集城市市区的深基坑， 高质量的刚性接头的地下连续墙可作永久性结构，并可采用逆作法施工。地下连续墙按成桩（成槽）形式的不同，划分为桩排式连续墙和壁式连续墙两大类，前一类主要用各种类型的桩，相互连接或搭接以及交错的单桩连锁组成的直线、圆弧、圆形等形式的排桩组合，具有一定的入土深度，墙顶用压顶粱连在一起，形成地下连续墙的墙体。壁式地下连续墙具有多种功能， 有着广泛的应用前景。最主要用于深基坑工程的围护，特别适合于软土地区深基坑的开挖。（5）SMW工法[6]（劲性水泥土搅拌桩）：劲性水泥土搅拌桩以及水泥土搅拌桩法为基础，凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可以使用劲性桩。 特别是适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层， 对于含砂卵石的地层要经过适当处理后方可采用。劲性桩适宜的基坑深度与施工机械有关， 国内目前一般以基坑开挖深度 6～10m，国外尤其是日本由于施工钻孔机械先进，基坑深度达到 20m以上时也采用SMW工法，劲性桩法可取得较好的环境和经济效果。劲性桩是在水泥土搅拌桩中插入受拉材料构成的，常插入 H型钢。（6）土锚[7]：用拉杆锚固支护基坑的开挖或用作抗拔桩抵抗浮托力等的应用已日益普遍。拉锚最大的优点是在基坑内部施工时，开挖土方与支撑互不干扰，尤其是在不规则的复杂施工场所，以锚杆代替挡土横撑，便于施工。这是人们乐于大量使用的主要原因。随着对锚固法的不断改进和使用可靠性的监测手段，使拉锚支护的范围更加广泛。拉锚是将一种新型受拉杆件的一端（锚固段）固定在开挖基坑的稳定地层中，另一端与工程构筑物相联结（钢板桩、挖孔桩、灌注桩以及地下连续墙等），用以承受由于土压力等施加于构筑物的推力，从而利用地层的锚固力以维持构筑物（或土层）的稳定。锚杆支护体系由挡土构筑物，腰粱及托架、锚杆三个部分所组成，以保证施工期间边坡的稳定与安全。（7）土钉墙：土钉墙支护是通过沿土钉通长与周围土体接触形成复合体。在土体发生变形的条件下，通过土钉与土体的接触界面上的粘结力或摩擦力，使土钉被动受拉，通过受拉工作面给土体约束加固，提高整体稳定性和承载能力，增强土体变形的延性[8]。土钉墙适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、 粉土、杂填土及非松散砂土和卵石土等。对于淤泥质土、饱和软土，应采用复合型土钉墙支护[9]。3.2 基坑主要支撑方法、技术类型深基坑的支护体系由两部分组成，一是围护壁，二是基坑内的支撑系统。为施工需要而构筑的深基坑各类支撑系统，既要轻巧又需有足够的强度、刚度和稳定性，以保证施工的安全、经济和方便，因此支撑结构的设计是目前施工方案设计的一项十分重要的内容[10]。在深基坑的支护结构中，常用的支撑系统按其材料分可以有钢管支撑、 型钢支撑，钢筋混凝土支撑，钢和钢筋混凝土组合支撑等种类；按其受力形式分可以有单跨压杆式支撑，多跨压杆式支撑，双向多跨压杆支撑，水平桁架相结合的支撑，斜撑等类型[11]。这些支撑系统在实践中有各自的特点和不足之处，以其材料种类分析，钢支撑便于安装和拆除，材料消耗量小，可以施加预紧力以合理控制基坑变形，钢支撑架设速度较快，有利于缩短工期。但是钢支撑系统的整体刚度较弱，由于要在两个方向上施加预紧力，所以纵横杆之间的联结始终处于铰接状态[11]。钢筋混凝土支撑结构的整体刚度好，变形小，安全可靠，施工制作时间长于钢支撑，但拆除工作比较繁重，材料回收利用率低，钢筋混凝土支撑因其现场浇筑的可行性和高可靠度而在目前国内被广泛的使用[12]。3.3基坑主要止（降）水方法、技术类型工程降水是基坑工程的一个难点。 由于土质和地下水位的条件不同， 基坑开挖的施工方法大不相同。在地下水位以下开挖基坑时，采用降水的作用 [13]是：（1）截住基坑边坡面及基底的渗水；（2）增加边坡的稳定性，并防止基坑从边坡或基底的土粒流失；（3）减少板桩和支撑的压力，减少隧道内的空气压力；（4）改善基坑和填土的砂土特性；（5）防止基底的隆起和破坏。一个场地的地质条件和土质条件，将决定降水或排水的形式。在选择和设计基坑降水前，必须由甲方提供工程地质勘察资料，建筑物平面图和立面图，建筑物场地附近房屋平面图等，对于重大工程，设计人员除掌握相应资料外，必须在设计前到工程现场亲自了解，最好能目测各土层的土样，对将来降水工程的布置及其与邻近建筑物的影响[14]。降低地下水位的常用方法可分为明沟降水和井点降水两类。 明沟降水由于其制约条件较多，尚不能得到广泛的应用，而井点降水的适用条件较广，并经过二十多年来的应用、发展和改进，已形成了多种井点降水的方法。目前常用的井点降水方法有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井点，辐射井点等。这些有效的降水方法现已被广泛用于各种降水工程中，但由于降低地下水位以后，可能带来一些不良影响，如地面沉降，邻近已有建筑物或构筑物的安全稳定及残留滞水的处理等[15]。明沟降水是在基坑内设置排水明沟或渗渠和集水井，使进入基坑内的地下水沿排水沟渠流入井中，然后用水泵将水抽出基坑外的降水方法。明沟降水一般适用于土层较密实，坑壁较稳定，基坑较浅，降水深度不大，坑底不会产生流砂和管涌等的降水工程[15]。在地下水位以下施工基坑工程时，通常采用井点（垂直和水平井点）降水法来降低地下水位。垂直井点常沿基坑四周外围布设，水平井点则可穿越基坑四周和底部，井点深度大于要求的降水深度，通过井点抽水或引渗来降低地下水位，实现基坑外的暗降，保证基坑工程的施工。经井点降水后，能有效地截住地下渗流，降低地下水位，克服基坑的流砂和管涌现象，防止边坡和基坑底面的破坏；减少侧土压力，增加挖掘边坡的稳定性，有利于边坡的支护和施工；防止基底隆起和破坏，加速地基土的固结作用；有利于提高工程质量，加快施工进度及保证施工安全[16]。在城市中由于深基坑降水，总会引起地面产生一定的沉降，影响邻近建筑物和管线。最好的办法是采用止水帷幕，将坑外地下水位保持原状，仅在坑内降水。目前，采用钻孔压浆成桩法、地下连续墙、板桩、深层搅拌桩墙等止水结构形式，效果均较好。其入土深度，取决于土层的透水性，要防止出现管涌、流砂等问题。参考文献[1]《高层建筑地下结构与基坑支护》，黄熙龄主编，北京：宇航出版社，2002；[2]《高层建筑基础工程施工》，赵志缙，北京：中国建筑工业出版社，1994；[3]《基坑工程手册》，侯学渊，刘建航，北京：中国建筑工业出版社，1997；《深基坑支护工程实例集》，黄强等主编，北京：中国建筑工业出版社，2001；《建筑基坑支护技术规程》（JGJ20-99），1999；[6]《深基坑工程》，陈忠汉，黄书秩，程丽萍编著，北京：机械工业出版社，2002；《深基坑支护工程设计技术》，黄强编著，北京：中国建筑工业出版社，1995；《土钉支护在深基坑工程中的应用》，陈肇元等编著，北京：中国建筑工业出版社，1997；《软土地区工程地质勘察规范》（JGJ83-91），1991；[10]《深基坑施工实例》，秦惠民，叶政青主编，北京：中国建筑工业出版社，1992；《深基坑支护设计与施工》，余志成等编著，北京：中国建筑工业出版社，1992；[12]《地下结构工程》，龚维明等编著，南京：东南大学出版社，2004；《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97），1997；[14]《基础工程的降水》，司徒广等编著，北京：中国建筑工业出版社，1993；[15]《工程水文地质学》，白玉兰主编，北京：中国水利水电出版社，2002；[16]《高层建筑深基坑围护工程实践与分析》，赵锡宏等，上海：同济大学出版社，1996设计的主要内容及成果形式4.1设计内容鉴于基坑深8.5m，由于地下连续墙价格昂贵，十分不经济，故舍弃；由于水位高，周围紧邻道路、建筑物，则不用土钉墙支护；周边环境较复杂，故不用土锚；综观本工程的工程水文地质条件、周边环境条件，采用钻孔灌注桩结合钢筋混凝土支撑，坳沟处采用双轴深搅桩止水结构的基坑支护方案。4.2成果形式设计说明书、计算书及设计图（基坑支护平面布置图，支护结构剖面图，地质剖面图，支撑结构大样图，配筋大样图，以及开挖施工图表等。）设计的方法及手段拟垂直开挖、钻孔灌注桩支护、一道钢筋混凝土支撑、局部坳沟处采用双轴深搅桩止水结构防渗。双轴深搅桩止水结构，抗渗验算计算插入深度，采用公式单支点支撑，其支撑点的具体位置，需经计算后确定；用平衡法、图解分析法（弹性线法）计算钢筋混凝土单支点支撑；在笔算后，用理正软件复核。设计进度与步骤（1）1-3周进行基坑支护体系设计计算：基坑ABCDEF,分为BCD,DEF,FAB三个区段进行计算。本基坑安全等级为二级，土压力采用矩形分布模式进行计算，所有土层水土合算。各断面计算：①土压力分布强度计算，②土压力合力及其作用点，③支撑轴力及桩长计算，④桩身最大弯距计算，⑤验算桩身强度，⑥桩身配筋计算，⑦整体稳定性验算，⑧抗隆起验算。（2）4-6周进行基坑止（降）水设计：由于基坑深 8.5m，场区内西侧坳沟处渗透性稍好，其他区域渗透性均较差。鉴于工程地质情况，本基坑可在场区内采用集水坑排