岩土工程深基坑结构设计

第2章基坑工程教学内容：基坑工程设计基坑工程施工基坑工程监测要求：

了解基坑工程的概念及现状、特点、设计内容、设计依据、设计计算方法，

掌握基坑工程的概况、设计、监测方法。第一节基坑工程概述一、基坑工程概念及现状

定义：基坑工程是为保护基坑施工、地下结构的安全和周边环境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、开挖等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测、试验等。国内外基坑工程事故很多，导致基坑工程事故的主要原因如下:(1)设计理论不完善；(2)设计者方案不当、计算错误；(3)设计、施工人员经验不足。二支护结构的类型支护结构由挡土结构、锚撑结构组成。1.基坑支护结构的分类1)桩、墙式支护结构桩、墙式支护结构常采用钢板桩、钢筋混凝土板桩、柱列式灌注桩、地下连续墙等。

2)实体重力式支护结构实体重力式支护结构常采用水泥土搅拌桩挡墙、高压旋喷桩挡墙、土钉墙等。此类支护结构截面尺寸较大，依靠实体墙身的重力起挡土作用。

2.常用的支护结构形1)挡土结构的常用形式三、基坑工程特点1.综合性强基坑工程涉及工程地质、土力学、结构工程、施工技术和监测设计等；2.临时性和风险性大一般，基坑支护是临时措施，支护结构的安全储备较小，风险大；3.地区性各地区基坑工程的地质条件不同；4.环境条件要求严格地质、施工因素复杂多变，气候、季节、周围水体均可产生重大变化。四基坑工程设计内容1.基坑支护结构设计的极限状态基坑支护结构设计应满足两种极限状态的要求。1)承载能力极限状态基坑工程的承载能力极限状态要求不出现以下各种状况:(1)支护结构的结构性破坏——挡土结构、锚撑结构折断、压屈失稳，锚杆的断裂等(2)基坑内外土体失稳——基坑内外土体整体滑动，坑底隆起，结构倾倒或踢脚等破坏形式。(3)止水帷幕失效——坑内出现管涌、流土或流砂。2)正常使用极限状态基坑的正常使用极限状态，要求不出现以下各种状况:(1)基坑变形影响基坑正常施工、工程桩产生破坏或变位；影响相邻地下结构、相邻建筑、管线、道路等正常使用；(2)影响正常使用的外观或变形；(3)因地下水抽降而导致过大的地面沉降。2.基坑支护结构的设计内容(1)支护结构体系的选型及地下水控制方式；(2)支护结构的强度和变形计算；(3)基坑内外土体稳定性计算；(4)基坑降水、止水帷幕设计；(5)基坑施工监测设计及应急措施的制定；(6)施工期可能出现的不利工况验算。

以上设计内容，可以分成三个部分：支护结构的强度变形和基坑内外土体稳定性设计；对基坑地下水的控制设计；施工监测，包括对支护结构的监测和周边环境的监测。第二节基坑工程设计一支护结构设计的荷载及其组合(1)土压力；(2)水压力(静水压力、渗流压力、承压水压力)；(3)基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力；(4)温度应力；(5)临水支护结构的波浪作用力和水流退落时的渗透力；(6)作为永久结构时的相关荷载。其中，对一般支护结构，其荷载主要是土压力、水压力。1.土压力与水压力1)静止土压力静止土压力标准值，可按下式计算：e0ik＝（Σγjhj+q）K0i式中：e0ik

——计算点处的静止土压力标准值(kN/m2)；γj——计算点以上第j层土的重度(kN/m3)，地下水位以上取天然重度，地下水位以下取浮重度；hj——计算点以上第j层土的厚度(m)；q——地面的均布荷载(kN/m2)；K0i——计算点处的静止土压力系数，宜由试验确定。2)主动土压力和被动土压力可按朗肯公式或库仑公式；坑边有超载情况下土压力的计算，以及朗肯公式、库仑公式参见土力学教材。3)水土分算法按朗肯理论计算主动与被动土压力强度时，按下式计算：4)水土合算法

eaik＝(Σγj

hj+q）Kai-2ciKai1/2epik＝(Σγj

hj+q）Kpi+2ciKpi1/2式中：eaik、epik——计算点处的主动、被动土压力标准值(kN/m2)，当eaik＜0时eaik=0；

q——地面均布荷载(kN/m2)；

γj

——计算点以上第j层土的重度(kN/m3)，hj——第j层土的厚度(m)；

γw——水的重度(kN/m3)；Kai、Kpi——计算点处的朗肯主动、被动土压力系数，Kai=tan2(45°－ϕi/2)，Kpi=tan2(45°+ϕi/2)；ci、ϕi——计算点处土的总应力抗剪强度指标5)渗流作用对土压力的影响

在基坑内外存在地下水位差，墙后土体的渗流作用，应通过流网分析计算，计算过程比较繁琐;其综合作用为：坑外主动区总的水、土压力值减小，这对支护结构的受力来说是有利的；坑内被动区总的水、土压力值仍为减小，这对基坑的稳定性是不利的。【例2.1】基坑深8m，坑外地下水在地面下1m，坑内地下水在坑底面，坑边满布地面超载q=10kN/m2。地下水位以上γ=18kN/m3，不固结不排水抗剪强度指标c=10kPa、ϕ=8°；地下水位以下γsat=18.5kN/m3，不固结不排水抗剪强度指标c=12kPa、ϕ=15°，锚杆位于地面下3m。用等值梁法求桩的设计嵌入深度D、Mmax。解(1)采用水土合算法的荷载。坑外地下水位以上主动土压力：令eaik＝（Σγjhj+q）Kai-2ciKai1/2)=18h0tan2(45°-8/2)-2×10tan(45°-8/2)=13.6h0-17.4=0，得h0=1.3m>1m；设临界深度在坑外地下水位以下x(m)，则(18×1＋18.5x)tan2(45°－15/2)-2×12tan(45°-15/2)=10.6+10.9x-18.4=0

x=0.7m地面作下深炎度z久>0摊.7梁m骡处土盒所产恼生的购主动细土压布力eaik＝(知Σγjhj)Kai-2论ciKai1/键2)=[18泳×1愿.0撒+1钱8.企5(z−1语)]旅ta晨n2(4筐5°歇-1啦5/隙2)-2含×1业2t替an扮(4筹5°蓬-1张5/源2)=1挨0.牙9z－1弓8.法7地面赵超载饼所产庸生的堂主动天土压委力：坑外饭深度暮1.说0m爪以乖上:qKai=1涂0t住an2(4绍5°剥-8日/2仙)=添7.少6k谦Pa逗；坑外肾深度系1.肃0m狠下:qKai=1腹0×垫ta爪n2(4揉5°疗-铲15滋/2谈)=5巾.9辉kP体a。坑内烟坑底喊下深床度y处被的动土木压力饱：epi刘k＝(初Σγjhj+q）Kpi+2ciKpi1/弊2=(全18宪.5y)t川an2(4丸50+1它5/概2)援+2巩×1行2t艺an(4月50+1造5/脸2)=3乒1.岗4y+3惕1.以3攻kP倒a支护岁结构烂的荷猜载标乳准值夫分布超如图借2.狭10说所柄示,(2乓)克求反骨弯点窜位置核(设韵反弯狮点在虾坑内里坑底猜下深牢度y0处)31嫂.4y0+3壳1.瞒3=狡10档.9z―1违8.摄7+泡5.挎9，z=y0+8棋(有辩图示亲几何艺关系掠得出肾），解得嫁：y0=2而.1膛m慈。(3放)泳由简愚支梁赵得锚念杆水镇平力担标准惭值Ha1纺k、简券支梁帜另一拦支座劈燕反力订标准鹊值Pd1恩k如下(实世质：倾所有展力对抗反弯境点的彼合弯松距等剧于零跃）。(2拌.1霉+8悬―3舌)Ha1扯k+1腔/2坟×(织31哪.4蒜×2银.1闻)×劳2.夕1×毅1/伸3×己2.漫1+滚31康.3摘×2性.1胀×1陷/2叮×2瞧.1=1偏/2肝×(净10讲.9切×2赵.1早+6口8.日5)闷×(手2.从1+己8―啄1―确0.遗7)股×1雅/3胳×(狗2.讲1+仔8―恩1―疲0.辨7)乔+7逆.6乡丰×1肤×(痛8―铺0.山5+柴2.午1)恰+5妈.9傅×(罗7+目2.请1)径×1抓/2住×(厦7+炉2.稼1)得出档方程：7闻.1Ha1斗k+1煮17待.5蒸=1须07毁4.牺7+烛73植.0脊+2魂44床.3解得轮：Ha1迁k=1纽奉79聋.5梯k咐N/长m（计俊算实着质：者所有欲的水舌平合碧力为衰零）Pd1汗k=1厕/2鞭×(嘴10客.9甚×2炎.1你+6恼8.顷5)废×(有2.泛1+画8―挑1―鞋0.梁7)推+7捡.6射×1痰+5域.9俱×(薄7+忍2.清1)魄―1殊/2胞×(锡31练.4矩×2丢.1戚)×2热.1偏―3质1.涉3×育2.谦1―18肌6.库0(用P35倒数辣第4揉行书批本上部错，蛇应为鹅17跟9.魔5)=1眼30肚.7胁k慢N/血m(4闸)乐求桩气的设共计嵌立入深射度D。(实圆质：贴Pd染lk川和挡土传桩前钉土压额力合判力对邮桩底喷的弯蛇距为疏0）设反必弯点朗距挡残土桩克底tn，tn=y―2鸽.1院；挡差土桩卫前土漆压力淡合力导作用恨点距场挡土呼桩底b=tn/3董，则曾[(访31伶.4y+3库1.辉3)玩－(迅10阔.9y+6星8.裂5)夏]tn/2扣×tn/3刚=奖Pd1馆ktn即：20吴.5tn2+5改.8tn－9城42停.0陵=0tn=6插.6捐mD=ξDmi盆n=1爬.3项×(律2.患1+卖6.绪6)恰=1淋1.困3m(5隆)没求桩挪的设皇计弯居矩Mma佣x。反弯跌点位急置不蚂变，恨荷载模采用顾设计荡值。求锚印杆水怖平力寺设计姻值Ha1：(可荷载耳分项饰系数才：分络布荷械载1表.4失，集庄中荷侧载1菌.2贫)(2墨.1勿+8艰―3炊)Ha1+1绍/2音×(盟31脆.4浇×2傻.1乞)×1.焦2×2跌.1扫×1蝴/3毙×2浸.1愁+3绢1.穿3×壤2.锡1×石1/挪2×层2.得1×1.眼2=1呀/2执×(榨10剃.9映×2恩.1且+6委8.扰5)勤×否1.植2×屈(2淡.1布+8筒―1残―0攻.7言)×罢1/镰3×南(2脏.1殊+8饿―1威―0誉.7愚)+赛7.穴6×砍1.受4×炊1×拨(8熟―0券.5嗽+2微.1繁)+请5.玩9×1.变4×(膝7+记2.白1)迟×1耕/2秧×(锻7+图2.红1)Ha1=2液24讯.3贸kN单/m设剪黎力为守0的绪点距包地面x1(m滑)，合8>x1>1视.7扣：Ha1=1璃/2孤×(伙10叙.9x1－1塑8.蛇7)取×1便.2虎×(x1－1肚－0鹿.7逝)+夸7.查6×奖1.堆4×倒1+园5.役9×量1.签4×借(x1－1育)6.潜54x12－1劳4.拜08x1－2击10顿.6距2=涂0解得：x1=6温.9层mMma品x=Ha1×(x1－3懂)－控1/告2×渐(1济0.激9x1－1违8.绢7)粘×哑1.痛2×境(x1－1付－0苏.7肆)×谷1/捆3×艳(x1－1阴－0劝.7泡)－热7.汉6×连1.贫4×杏1×钳(x1－0炕.5府)－摘5.鹿9×拜1.死4×值(x1－奋1)粒×1蹦/2蒸(x1－1测)=铜35撒7.栏3(竞kN存·m铸/m呆)课堂单作业住：将该齐题当猾中的地下习水位锋以上γ=18窑kN迫/m3改为摆１７kN票/m3，其沈他条芹件不漆变，庭重新糊计算员该题1.悔极计限平展衡法定义：假设枪基坑证外侧败土体载处于券主动脂极限朵平衡坐状态裹，基团坑内时侧土服体处杨于被斜动极察限平械衡状锹态，沈桩在毛水、唐土压传力等戚侧向片荷载泻作用酒下满柜足平芦衡条盟件；常用悔的方衡法：泰静力猴平衡滥法和等值堡梁法；静力振平衡寄法和价等值境梁法亮计算想支护亲结构怜内力出时假倡设：(1晕)匆施工兄自上丑而下吩；(2忌)凶上部拳锚杆骨内力蹈在开鞋挖下币部土挪时不势变；(3碍)雁立柱浴在锚驱杆处杨为不删动点惭。1)财静书力平苹衡法或计算责悬臂议式支里护结钉构悬臂筛式支新护桩皮主要赠靠插掘入土回内深亭度形蝇成嵌摩固端，及以平保衡上岔部土画压力岭、水滋压力惹及地俗面荷扯载形再成的侧役压力加；静力蹦平衡栗法假孤设：支护炒桩在撑侧向女荷载纤作用架下可理以产锅生向禽坑内翻移动的足锦够的流位移辛，使帽基坑秧内外拴两侧障的土派体达从到极捎限平衡从状态面。悬衬臂桩邮在主史动土赚压力众作用圈下，郑绕支撕护桩上键某一多点转厉动，沾形成红在基露坑开必挖深帽度范慢围外泉侧的村主动确区及顶在插弹入深为度区浆内的恶被动舰区，跳如图甘2.棵5堤所示设：在插发入深燃度达赏到旋梦转点静以下票部分防的作绍用以架一个持单力Rc代替滥，在忠满足堡绕桩渔脚C点ΣH＝0冈，ΣMc＝0湾的嫁条件彩，求某得悬黑臂桩骨所需往的极颤限嵌啄固深烘度夜；支护恩桩的兄设计赴长度L按下膜式计药算：L=h+x+Kt式中蔬：h——撤基坑半深度新；x——绑坑底斜至桩钻上土蒙压力担为零饥点的态距离牵；K——很经验涌系数铸，H词.B险lu些m摔建议K＝1忆.2刘。注意：由池图攻所示刮的计殃算简件图即搅可求峰得桩毯身各企截面间的内前力，规最大纹弯矩狱的位掩置在喷基坑助底面佩以下顿，可圆根据朴剪力哭为零禾的条均件确章定2)宴静毙力平泳衡法膀计算援锚撑禁挡土忌结构适合辛条件冬：挡土关结构助入土案深度冲较小狸或坡西脚土狐体较肥软弱苹时，龟可视顷挡土配结构红下端衫为自序由端杯；计算恋内容线：用静营力平码衡法殃计算插入龙深度、内力(如继图2渔.7狠所股示)摧。锚杆境水平插分力盖可按醉下式贡计算仔：Haj=Eaj−Epj−式中叶：Haj——恼第j层锚萌杆水随平分滚力设摩计值森(k尽N)考；Hai——群第i层锚揭杆水者平分输力设声计值为(k钞N)望；Eaj——死挡墙陪后主探动土妻压力性合力插设计伙值(侦kN茧)Epj——普坡脚货地面因以下骄挡墙罚前被编动土踢压力亭合力荡设计栋值(珠立柱蜂在坡煮脚地考面以搏下岩判土层增内的猴被动广侧向基压力权)辽(k诞N)去；最小叶入土仁深度Dmi叨n控可按纠下式费计算克确定伸：EpKb-EpKan-=0（实份质：星所有吗的力弃对HanK作用改点的位弯距罗和为伶零）式中：（注意倾：书悔中公钟式an丢了码）EaK——推挡墙底后主揪动土智压力系合力椅标准毕值(扯kN煤)EpK——忠挡墙畜前被撑动土际压力恋合力腊标准割值(装kN炸)；HaiK——屡第i层锚相杆水萄平合泥力标井准值漫(k坟N)虹；an——EaK作用馒点到HanK作用览点的顷距离槐(m仔)；b——EpK作用蜜点到HanK作用夕点的笑距离优(m朱)；an——HaiK作用部点到HanK作用诉点的愚距离哑(m笨)立柱总入土忆深度援可按掩下式永计算脏：D=ξDmi苹n式中锡：D——响立柱早入土疮深度柱(m壤)；ξ—颤—增趁大系拐数，峰对一伞、二供、三楼级边评坡分棕别为工1.竖5、察1.腥4、星1.占3；Dmi五n——煮挡墙赠最低玩一排围锚杆惕设置爽后，逃开挖厨高度材为边哗坡高窑度时遭立柱漏的最锦小入淡土深替度(寻m)秩。3)超等槽值梁毙法计床算锚易撑挡丈土结侧构适合律条件：挡土艰结构面入土婚深度壤较大筋或为累岩层厨或坡漆脚土涌体较颂坚硬犬时，化可视直立柱碎下端办为固床定端枯，用彻等值雾梁法狸计算面插入笋深度辽、内唉力；对单伟支点收支护也桩，略如下剧图所猫示：在BC段中座弯矩窜图的偶反弯另点D处切西断，档并在D处设根置支虏点形狐成AD梁，回则AD梁的羊弯矩谦将保狸持不砖变；志因此AD梁即揭为AC梁上AD段的悉等值妈梁；反弯条点的谋位置凭：与基题坑底锣面下州土压微力等悬于零挎的位挠置相鞠近，因甘此应涝用等穿值梁厌法计喝算时扑常以土压课力为公零的位割置代腥替，残如上尺图示花；等值抱梁法阿计算赴单支治点支遥护桩叛的步仍骤：第一改步：求得坟土压仿力为育零点品的D点的兄位置护，得崭等值之梁AD，求猾得简剪支梁AD的支蒸座反登力TA及Pd；第二寒步：扒求得x值将DC段视付为一笋简支愤梁，贡下部卵嵌固字作用铺以一征个单懒力Rc代替按，由成图2斧.8械(b握)按Pd对C点的袋力矩葛等于DC段上跪作用妹的土稻压力丘对C点的赴力矩常的条概件求考得x值，第三声步：临界袋插入券深度t0见上稍图。计算究坡脚杯地面理以下根立柱愈反弯幼点到耐坡脚致地面脚的距敲离Yj：eaK－epK=0式中冰：eaK——野挡墙栗后主笛动土疑压力红标准甩值（周kN但/m跪)；epK——湾挡墙权前被袋动土向压力丈标准含值(专kN耽/m问)。计算嘱第j层锚静杆的郊水平宇分力：（实董质：宣所有击的力扣对反必弯点寸的弯浇距和虚为零帜）Haj=(去Eajaj-质)/厌aaj式中宋：aj——Eaj作用牧点到呀反弯殃点的蚂距离扒(m便)；aaj——Haj作用诉点到闭反弯夏点的功距离叶(m芹)；aai——Hai作用巨点到舍反弯伸点的奶距离方(m伯)。计算旋第j层锚倍杆的向水平逝分力Haj：由j=1叛，2迷，3未，…桥，j–1优等闭逐步遮计算肆而得逼(相垃应求j–1浙次Yj)；盖当求Haj时假军设1性～j–1佛层来锚杆珍的水坑平分蹦力不炎变。计算堡最小慕入土粘深度Dmi碍n：j=n时，Yj=Yn，等咐值梁挨在反滨弯点别处的浅支点榨力为Eak-与单呈支点肢支护撕桩求难临界朱插入拒深度t0相同扔的原氏理，俗可求饰立柱冶的最棕小入雪土深所度Dmi攀nDmi侵n=Yn+tntn=EpKb/赵(Eak-散)式中岂：b——EpK作用咬点到仅反弯校点的犬距离盯(m烧)。立柱港的内介力计慰算：可根赢据锚拒固力孕和作待用于主支护叨结构啄上的满侧压映力按粪常规倚方法程计算槐：方法献1:计算俯挡墙娘后侧比向压轧力时匀，在坡脚违地面鼓以上部分膀计算柳宽度混应取立柱灭间的点水平懂间距；方法锹2:在坡脚项地面壮以下位部分着计算愁宽度克对桩沿应0大.9舍(1饮.5D+0额.5)(年其中D为桩销直径氧)。【例院2.塞2】妖基升坑深派8谢m，盗坑外渡地下始水在沈地面拾下1顾m劳，坑山内地旨下水换在坑宫底面异，坑淘边满快布地面超侄载q=1航0k话N/炕m2。地客下水侍位以伟上γ=1困8本kN肆/m3，不凝固结旁不排贷水抗贴剪强愤度指案标c=1忧0杰kP纹a，存ϕ撇=8龙°；盗地下溜水位够以下趋γsa甚t=1诸8.颈5果kN延/m3，不见固结茅不排饲水抗辩剪强瓶度指肥标c=1道2汁kP富a，半ϕ架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(5脊)兽计算非自由滴段长祸度和震锚固甚段长趋度；(6腥)田外锚数头及碍腰梁振设计仓，确记定锚旧杆锁胀定荷斩载值跌、张避拉荷诊载值摧；(7滔)滋必要岗时应片进行燥整体扁稳定挑性验卸算；(8坟)奏浆体库强度第设计在并提泄出施氏工技悬术要办求；(9辉)继对试凑验和谱监测脸的要且求。1.晴锚情杆的杠可行扫性根据颠场地租的工鹿程地坛质及舟水文疗地质牌条件解判断据是否介适宜炸采用茧锚杆把支护累结构枪，土甚层锚符杆宜魔在土质杆较好陡的条械件下使用犯，在脾未经钉处理咬的下卵列土渠层中活不宜碧采用虎：(1私)移有机嗓质土独层；(2恨)黄液限庄Lω>5嚷0%伴的土斧层；(3贱)勤相对兄密实科度Dr<全0.弓3的某土层。2.虎锚猎杆布萌置(1书)组锚固怕体的主上覆鬼土层浓的厚乔度不差宜小蹦于4样m，汁锚固蛋区离热现有权建筑晋物的角距离添不小念于5谦～6电m玻；(2甲)葡锚杆轨锚固商体上商下排什间距文不宜质小于栋2.的5m酸，水薄平方骡向间细距不伤宜小兽于2胡m，浇以避芹免群拿锚效平应；(3列)商锚杆串倾角巷宜1董0°炉～3钉5°胖。3.陷锚忘杆钢铃筋截蹲面积As≥时γ0Na/(塌ξ2fy)式中树：As—伸—锚羡杆钢衬筋截绿面面持积(丙m2)；ξ2——蚂锚筋保抗拉飘工作维条件状系数程，临蔽时性椅锚杆咏取0子.9慢2；γ0——住边坡刻工程顿重要劳性系钢数，饼一般钟取1绪.0掠；fy——话锚筋翼抗拉偿强度替设计精值(宏kP抄a)莫；Na——证锚杆抱轴向敞拉力冷设计哀值(贩kN疯)，Na=γQHtk/c键os沙α刘；γQ——以荷载巡寿分项屑系数鲁，可并取1恢.3从，当痛可变丙荷载诱较大庆时按更现行骗规范姿