东南大学基坑支护毕业设计

第一章河西石家庄地块基坑支护设计综合说明

1.1工程概况

1.1.1结构概况

(1)本工程主体结构：建筑物下设有一层地下室，地下室垫层底标高为

-5.8m,局部机械停车车库垫层底标高为-7.2m。

(2)拟采用预应力管桩(桩)基础。

(3)基坑规模：基坑面积约8004.38m?,基坑周长约为470.71m。

(4)基坑开挖深度：本基坑工程以自然地面为假定±0.00,所注标高皆相

对于此标高，自然地面标高为+6.2m,基坑各区段开挖深度详见表1.1。

表1.1基坑开挖深度一览表

区段自然地面标高(m)坑底标高(m)挖深(m)

ABCDE、FGHIJKL.OPQRSTUVW

±0.00-5.85.8

段

其余段±0.00-7.27.2

1.1.2基坑周边环境

本基坑北靠在建的应天西路132地块住宅小区，南临天成苑住宅小区，西靠

华隆新寓和苏建豪庭住宅小区，东临黄山路和虹苑新寓住宅小区。周边环境具体

情况如下：

(1)北侧:基坑距用地红线最近约10.0m；

(2)西侧：基坑距用地红线最近约10.0m,距西侧道路中心线约18.0m,距

西侧已建建筑大于26.0m；

(3)南侧：基坑距用地红线最近约10.26m,距道路中心线约22.26m；

(4)东侧：为空地；

周边环境情况详见下图1.1：

C.场地南侧天成苑住宅小区d.场地南侧围墙、道路

(5)周边管线情况不明。

1.1.3工程地质概况

(1)地形地貌

拟建场地为菜地及少量民居，大部分民居现已被拆除，地形开阔、较平坦，

地面吴淞高程5.56〜6.86m,最大高差1.30m。拟建场地属长江现代漫滩地貌单

7Lo

(2)工程地质概况

按揭露的先后顺序将各分层•地基土岩性特征及分布规律自上而下分述如

下：

①1杂填土：杂色，结构松散。主要由粉质粘土组成，夹较多砖、石、混凝

土等碎块，夹生活垃圾，夹少量植物根茎。层厚。〜1.9m。

①2素填土：灰黄色、灰色，稍湿〜湿，主要由软塑状粉质粘土和稍密状粉

土组成，夹少量砖石等碎块，含量10%〜20队夹少量植物根茎。该层分布较普

遍，仅暗塘处缺失。层厚0〜2.2m。

①3淤泥质填土：灰黑、灰色，湿，主要由流塑状淤泥质粉质粘土和稍密状

粉土组成，有淤臭味，夹少量砖、石等碎块。该层仅分布于拟建场地南部暗塘处。

层厚0〜2.Omo

②1粉细砂：灰黄、黄灰色，湿，松散〜稍密，中压缩性。主要成分为石英、

长石及云母片，局部夹薄层软塑状粉质粘土，颗粒级配较差。该层分布较均匀，

顶板埋深0.4〜2.8m,层厚1.8—4.8m。

②2粉细砂：灰、青灰色，湿，稍密，局部中密，中压缩性。主要成分为石

英、长石及云母片，颗粒级配较差。该层分布较均匀，顶板埋深3.8〜6.0m,最

大揭露层厚11.8m。

③1粉细砂：黄灰、灰色、青灰色，饱和，中密，局部密实，中压缩性。主

要成分为石英、长石及云母片，颗粒级配较差。该层分布较均匀，顶板埋深&7〜

16.2m,层厚7.7〜15.1m。

③2粉细砂：青灰色，饱和，中密〜密实，中压缩性。主要成分为石英、长

石及云母片，颗粒级配较差。该层分布较均匀，顶板埋深18.2〜26.5m,最大揭

露层厚11.3m。

③3粉细砂：青灰色，饱和，密实，中压缩性。主要成分为石英、长石及云

母片，局部夹薄层中密状粉土，具水平层理，颗粒级配较差。该层分布较均匀，

顶板埋深25.2〜32.0m,最大揭露层厚29.6m。

③3a粉质粘土：灰色，软塑，中压缩性。局部夹薄层稍密状粉土，具水平

层理。无摇振反应，稍有光泽反应，干强度和韧性中等。该层呈透镜状分布于③

3粉细砂中，顶板埋深39.4~42.0m,层厚0.9〜2.1m。

④含卵砾石粉细砂：灰色、黄灰色，饱和，密实，中〜低压缩性。主要成

分为石英、长石及云母片，颗粒级配较差。含卵砾石，砾径0.2〜5.0cm,呈次

磨圆状，含量5〜20%,成份以石英岩和硅质灰岩为主。该层分布较均匀，顶板

埋深57.7〜58.1m,层厚1.5〜L9m。

⑤强风化泥岩：棕红、暗红色，岩芯呈土状、碎块状，岩石风化强烈，结

构基本被破坏，质地软弱，干钻困难，岩芯易碎，遇水易软化，岩体属极软岩，

基本质量等级属V类。该层分布均匀，顶板埋深59.2〜60.0m,最大揭露层厚

1.Imo

1.1.4水文地质条件

拟建场地地下水为孔隙潜水。孔隙潜水主要赋存于②2粉细砂及以下各层土

中，上下为统一含水层，富水性较好，透水性较弱，水位变化主要受大气降水及

长江、河道侧向迳流等补给影响，受临近拟建场地在建的应天西路132地块住宅

小区工程施工降水的影响，勘察期间测得的潜水初见水位埋深为5.0〜5.5m,潜

水稳定水位埋深5.5〜5.9m。根据临近拟建场地的岩土工程资料.，自然状态下潜

水的稳定水位埋深一般为0.5〜1.6m,相当于吴淞高程4.5〜5.2m。拟建场地地

下水位呈季节性变化，雨季水位抬升，旱季水位下降，年变化幅度约1.0m。近

儿年拟建场地最高地下水位相当于吴淞高程6.0m左右。

场地地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋碎结构的钢筋无腐蚀性，对钢结构具

弱腐蚀性。

1.1.5基坑支护设计土层参数

基坑支护结构设计土层参数详见下表：

表1.2基坑支护结构设计土层参数一览表（勘探报告上）

直剪固快渗透系数（310%m/s）

重度

土层C（P

y(KN/in)K、K„

(kPa)（度）

①1(19.0)(12.0)(10.0)(300.00)(200.00)

①2(18.0)(12.0)(8.0)(50.00)(50.00)

①3(17.5)(10.0)(8.0)(100.00)(80.00)

②118.2(1.5)(33.0)925.00900.00

②219.71.034.1898.00852.00

③119.81.132.9855.00791.00

注：括号内数值为经验值或平均值。

1.2基坑支护结构设计概况

1.2.1设计依据（勘探报告）

田继源.河西石家庄地块总平面图；

①继源.河西石家庄地块地下自走局部机械车库平面图；

①江苏南京地质工程勘察院提供的〃继源.河西石家庄地块岩土工程详细

勘察报告(编号2007-GK029)”。

历中国建筑科学研究院.《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)[M],北

京：中国建筑工业出版社，1999

叱中国建筑科学研究院.《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)[M].

北京：中国建筑工业出版社，2002

册中国建筑科学研究院.《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)[M].北

京：中国建筑工业出版社，2002

»刘建航等.《基坑工程手册》[M].北京：中国建筑工业出版社，1997

包中国建筑科学研究院.《混凝土结构设计规范》(GBJ50010-2002)[M].北

京：中国建筑工业出版社，2002

中上海市建设和交通委员会.《型钢水泥搅拌墙技术规程(试行)》

(DGJ08T16-2005)[M].上海,2005

曲南京地区建筑地基基础设计规范DGJ32/J12-2005

1.2.2方案选择

根据建设单位对基坑支护工程的具体要求，以及对基坑场地的周边环境、土

层条件以及基坑开挖深度的综合考虑，为尽可能避免基坑开挖对周围建(构)筑

物、道路的影响，本着〃安全可靠，经济合理，技术可行，方便施工”的原则，经

过细致分析计算和方案比较，确定本基坑支护结构采用的方案为：

①LMNO、WXYZA1A段采用SMW支护桩加•层钢筋碎支撑作为支护结构；

②其余段采用一轴深乂搅拌桩加自钻式土钉复合土钉墙作为支护结

构；

③深浅坑分界处采用自然放坡处理，坡比1:1；

④基坑外侧采用管井降低止水帷幕外侧水头，坑内采用管井降低地下

水位。

p

Q

图1.2基坑平面图

第二章设计所选支护方式简介

2.1复合土钉支护技术简介

2.1.1土钉支护不适合河西软土地层原因分析

《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99中明确土钉墙的适用条件为侧壁安全

等级宜为二、三级的非软土场地，基坑深度不宜大于12m,当地下水位高于基坑

底面时，应采用降水或截水措施。

普通上钉支护不适合河西软土地层的具体原因为以下四点：

(1)与地层粘结力r值偏低，则相应土钉抗拉拔力T=或Lr值也相应降低。

按基坑支护土压力计算，土钉长度要长，但工程现场一般由于场地局限，第一排

土钉长度受到限制，给设计带来难度。

(2)泥质粘土层中，基坑开挖后往往难以直立。土体在支护前易发生坍塌，

引起边坡沉降与位移。河西软弱土层土体强度c往往低于lOkPa,土钉支护-一般

每层开挖LOT.5m左右，这样在开挖时由于土体强度低，不能自立或由于渗水

严重，易发生坍塌。

(3)土层与喷射混凝土粘结强度低或由于渗水难以施工。软弱土层由于渗水

或其它原因，使施工较其它土层有不同特点，但喷射混凝土在软弱土层施工时，

喷射混凝土有回弹量小，与土体嵌凸作用好等优点。在有渗水情况则应用隔水帷

幕或引排水处理。

(4)土层，基坑底部存在底部隆起、管涌、渗流等问题。在基坑开挖后，由

于土体开挖后可能出现管涌等情况。根据江苏地质基桩工程公司近十年的土钉施

工经验，可采用坑底天然土固结快剪数据来判断坑底隆起稳定性。

根据上述四点分析，在河西地区软土地层中土钉支护必须采用相应的施工方

法，才能达到安全支护的目的，尤其是对支护变形有一定要求时，应采用上钉支

护结合其它支护技术来达到良好的技术经济效果。

2.1.2复合土钉支护形式

复合型土钉挡墙支护——就是以水泥土搅拌桩帷幕等超前支护措施解决土

体的自立性、隔水性以及喷射面值与土体的粘结问题，以水平向压密注浆及二次

压力灌浆解决复合土钉挡墙土体加固及土钉抗拔力问题，以相对较长的插入深度

解决坑底的抗隆起、管涌和渗流等问题，组成防渗帷幕、超前支护及上钉等组成

的复合型土钉支护。

复合型土钉挡墙支护的几种形式如图2.1：

图2.1复合土钉支护形式

2.1.3复合土钉支护适用条件

不同类型的复合土钉支护形式适用于不同的基坑深度、岩土条件和环境要

求，简要归纳如表2.1：

表2.1复合土钉支护适用条件

序号结构形式适用条件

1土钉+桩锚复合支护硬度较大、可粘性差、易坍塌的卵砂石地层，周

边不允许降水

2土钉+预应力锚杆复粘性土层、周边允许降水，基坑位移要求严格

合支护

3土钉十止水帷幕复合土质条件较差，开挖后容易塌方，周围环境要求

支护不能降水，基坑深度小于6m,变形要求低

4土钉+微型桩复合支土质条件较差、周边允许降水，施工场地狭小

护

5土钉+止水帷幕、预应土质条件较差、开挖后容易塌方，周边环境要求

力锚杆复合支护不能降水，基坑深度6〜8m,对基坑变形控制要

求严格

6土钉+止水帷幕、微型地质条件和环境条件复杂，基坑深度较大，变形

桩复合支护控制要求较高

7土钉+插筋止水帷幕、地质条件和环境条件复杂，基坑深度较大，变形

预应力锚杆复合支护控制要求较高

2.1.4水泥土桩复合土钉承载机理

通过预先施工竖向水泥土桩，而后边开挖边施工土钉方法形成水泥土桩复合

土钉支护，其承载机理主要包括：

超前加固作用提高土体自立临空高度

水泥土桩复合土钉支护中，水泥土桩止水帷幕是在开挖前施工的，如果不考

虑施工对土体的扰动，开挖前作用在水泥土桩前后的土压力就可认为是静止土压

力。对于开挖的第一个工况，土钉尚未施作，开挖引起的土压力将直接由水泥土

桩承担，此时水泥上桩起的是重力式挡墙的作用。对于以后的各开挖工况，由于

土钉对主动区土体约束加固作用的发挥，土压力将由土钉和水泥土桩共同承担。

对于水泥土桩复合土钉来说，可认为不受土层成拱极限高度的限制；另外，

每一开挖工况下参与维持基坑边坡稳定的因素除土体与土钉外还有水泥土桩的

作用。水泥土桩可通过桩一钉一土之间的结构作用调动基坑内侧被动区被动土压

力的有利作用。水泥土桩复合土钉支护中，由于水泥土桩的存在，其自立临空高

度得到显著提高,且事先设置的水泥土桩还会因自身刚度以及桩一钉一土之间的

结构作用对土体侧移变形起到有效的约束作用。大大提高了基坑开挖过程中的边

坡稳定性，有效地控制了开挖过程中的坡顶变形量。

止水抗渗作用

水泥土桩除了分担荷载作用外，还起到止水抗渗作用，其作用机理主要有两

方面：•是提高基坑边壁土体的自稳性及隔水性，当边坡土体含水量较大时，网

喷混凝土面层不易与土体粘结在一起，而直接喷在水泥上搅拌桩或旋喷桩上，则

很容易粘结在一起；二是在软弱富水地层中，由于水泥土比原状土的力学性能有

所改善，当水泥土桩向下伸入基底以下深度时，对抵抗基底隆起、管涌等起主要

作用。水泥土桩复合土钉支护技术研究及工程应用。

传递荷载作用

复合土钉支护中，水泥土桩与土体之间存在发挥较大侧摩阻力的潜能。由于

桩与桩周上之间的摩擦作用，桩周土体沉降显著减小，迫使最大沉降点后移。在

基坑开挖过程中，随着桩与桩周上之间竖向相对位移的出现，两者之间的侧摩阻

力会逐步发挥。土体的重力是诱发边坡土体不稳定的最根本、最直接的原因。对

于复合土钉来说，由于桩土之间侧摩阻力的存在，相当于抵消了部分不稳定土体

的重力作用，因而会减小最终作用在支护体系中的上压力。桩周上对桩的侧摩阻

力将通过桩的轴向压缩作用传递到深层上体之中，调动深部稳定地层潜能，土钉

支护体系、深部稳定土层紧密结合联系在一起，共同承受荷载，使边壁稳定并减

少位移，见图22。

图2.2水泥上桩靡擦传力示意图

侧移曲线的整合机制

复合土钉中具有一定强度和刚度的水泥土桩和较密间距的土钉之间存在着

较好的整体结构作用，可将水泥土桩理想化为以土钉为支点的连续梁。随着支护

的向下进行，水泥土桩与己设置的上部土钉之间形成的结构作用有效地约束了上

部土体随开挖而发生的变形，并且水泥土桩与较密土钉之间的结构作用也促使土

体的变形趋于均匀；随着开挖深度增加，下部土体的侧移变形就显得比较突出，

最终形成了鼓肚变形模式。由于复合土钉中水泥土桩对土体的超前约束以及后来

桩与土钉的结构约束作用，复合土钉支护中土体位移要小得多，设计时可有意识

地通过增加水泥土桩的刚度来控制位移，以达到保护周边环境之目的。

优势滑裂面的前移机制

理论和实践均表明，土钉支护中士钉最大拉力位置是与被支护土体优势控制

滑移面的位置相一致的。土钉支护中作用于面层上的土压力通常认为是比较小

的，那么传递给土钉的拉力就比较小，土钉通过钉土之间的摩擦作用经过一段距

离才一能达到最大拉力位置。复合土钉中，由于存在强度和刚度比原位土体大许

多的水泥土桩，水泥土桩墙后的土压力要比土钉支护中面层后的土压力大，也即

水泥土桩传递给土钉端头较大的拉力，于是复合土钉支护中士钉经过较短的摩擦

传力距离就可以达到上钉最大拉力位置，有提高基坑边坡稳定性，控制开挖工程

中的侧向位移的作用。

2.2复合土钉支护设计

结合《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99提出在河西软土土层中复合土

钉设计的方法和步骤。设计可以分为四个方面即抗渗设计、土钉设计、面层设计

和稳定性验算。

2.2.1抗渗设计

根据工程项目所处地整的地下水位及地乂的渗透性，来取舍是否设置防渗帷

幕，若需要设置防渗帷幕，将选取何种形式的防渗帷幕？

当基坑开挖深度小于3米而且处于渗透性较小的粉质粘上或淤泥质粉质粘

土地层("66cm/s),另外基坑周围管线和建筑物对地表变形不敏感，对于此类

基坑可以不设置防渗帷幕，可以直接施作土钉支护。

基坑开挖深度大于3米小于5米，基坑坑底处于粉土、粉质粘土以及粉砂地

层时，坑外地下水位的下降可能危及周边管线和建筑物，此时应采用水泥土搅拌

桩作为防渗帷幕，由于水头压力较小，可以采用单排水泥土桩形成封闭防渗帷幕。

开挖深度大于5米小于7米的基坑，防渗帷幕的宽度增加到1200m®,采用双排

水泥土深搅桩，不仅起隔水作用，更重要的是抵抗软上的流变、提高基坑支护的

整体稳定性和坑底稳定性。

水泥土桩，当水泥掺入比例超过10%时，其抗渗性能可达斤5至68cm/s,

根据使用项目的情况，渗入量在15216%之间较合适，水泥土桩的搭接长度常规

在200-250mm之间。

防渗帷幕的插入深度应满足：尽量使防渗帷幕插入渗透性较小的淤泥质土

1.0米以上，当不能进入隔水层时，应按渗流理论分析产生动水压力的大小以及

产生涌水、流砂的可能性(见图2.2抗渗流验算图)。

KfiJi(2-1)

其中：。——坑底土体的临界水力梯度，由坑底的土性确定，

7=(6s-l)/(l+e)(2-2)

Gs——坑底土颗粒的重度e—坑底土颗粒的天然孔隙比

I--坑底上的渗流水力坡度，i=^/L

曲——基坑内外土体的渗流水头，取坑内外的地下水位差

L一最短的渗流路线总长度

L=ZLh+m£L.(2-3)

——流径水平段总长度，可取防水帷幕的宽度

EL-一流径垂直段的总长度，单位可取m

nr流径垂直段换算成水平段的换算系数，可取犷1.5

Ks抗渗或抗管涌安全系数,As=l.5—2.Oo

2.2.2土钉设计

选择与地层情况相适应的土钉形式，确定土钉的长度、直径及分布形式——

水平间距和竖向间距。

土钉形式

与软土地层相应的土钉有两类——螺纹钢筋和钢管。螺纹钢筋作为土钉材料

必须先钻孔，在钻孔中通过两次注浆，将土钉与土层连接成整体。当处于粉土、

粉砂等易流动的地层时，成孔很困难，且成孔过程中易引起水土流失，导致地表

下沉，这时可将钢管直接打入(顶入)，再由管内向地层注浆构成土钉。

通过钻孔施浆法注入的土钉，由于注浆比较充分，因此抗拔拉的能力比较大。

由一些工程案例可知，只要土层性质允许，应优先选择此类土钉，《《《用锚管作

为土钉，一般用①48锚管内置注浆管二次低压注浆，要求在确保有定注浆量

的前提下方可使用。》》》

土钉长度的确定

十钉的长度应由计算确定，确保在水土压力作用下不被拔出：

L=L[+&N/加

(2-4)

——为处于滑裂面以内的土钉长度，

N-由土体自重及超载引起的侧向压力使土钉产生的抗拔力，

1

N=(cos^)psvsh

0——土钉的倾角，P——土钉位置处水土压力的分布值,

Sv——土钉的竖向距离，S——土钉的水平距离，

出——土钉注浆体直径，①48锚管的直径必须现场实测确定，

T上钉注浆体与地层之间的界面单位面积的摩阻力，此参数建议

现场抗拔试验确定,

Fsd——土钉抗拔安全系数，一般取1.5-2.0,

锚固部分长度提供足够的抗拔力，满足整体稳定性的要求，

由于河西软土地层的抗剪强度较低，土钉长度比传统长度要长一些，一般可

取基坑开挖深度的1.5—2.0倍。

土钉直径的确定

土钉要有足够的截面积，使之在整个工作时间内，不被拉断：

R=l.l(加2/孤

(2-5)

上式中：R一土钉受拉屈服条件，

D—土钉钢筋直径，

U——钢筋抗拉强度标准值，通常取用直径为20、22、25mm的螺

纹钢筋或者048X3mm的钢管。

土钉水平和垂直间距的确定

土钉在复合土钉支护体系中的作用有三个：一是承受作用在面层上水土压

力，将此压力传递到稳定的地层中；二是约束土体的变形，形成整体变形的重力

式挡土墙；三是提供注浆的注浆孔。而竖向和水平间距的乘积即是一个土钉所承

担的受力面积。由于河西地区的水位高，侧向水土压力比较大且土体的抗剪指标

低，因此设计时，土钉间距要小，土钉间距建议在1.0—1.5米之间。

土钉倾角的确定

倾角太小，钻孔太平，注浆比较困难，倾角太大，人工成孔也困难，建议

在之间，另建议最后一排土钉的倾角为20°—25°之间，加强对深层土体

的加固。

2.2.3面层设计

面层的作用有三点：一是承受水土压力，并将水土压力传递到土钉；二是限

制土体塌倒；三是将土钉联成整体，当水泥土桩防渗发生局部断裂时，面层内的

钢筋网将断裂部分兜住以防止发生涌土破坏。一般为构造设置，强度验算。在南

京河西地区，C20混凝土10cm厚，内配直径为6mm间距为200mm的双向钢筋网

的面层满足7米以内的基坑的强度要求。

2.2.4稳定性验算

内部稳定性验算

内部稳定性验算即假定滑裂面穿过部分或全部土钉而形成，在进行稳定性验

算时，须考虑部分或全部土钉对稳定性的影响，这种情况多发生在施工过程中，

当基坑开挖达到某一深度时，刚开挖的临空面还没有安设土钉和面层，滑裂面有

可能通过坡角形成。

外部稳定性验算

由面层、土钉、注浆以及土体构成的边坡类似重力式挡墙一样承担墙后水土

压力，此重力挡墙灯能发生的稳定性破坏为沿基坑底面滑移或绕挡墙趾翻转，即

为土钉外部稳定性验算。

墙体的厚度：依据支护规程JGJ120—99,为最下林上钉的水平投影长度，

本人认为不合理，因为上部土钉均比下排土钉长，况且上部土钉群在比例上基本

为80—90队建议对于无水泥围护桩的土钉挡墙，厚度B取为土钉加权平均长度

的水平投影长度的0.7倍，而对于施工了水泥围护桩的复合土钉挡墙，建议厚度

取为土钉加权平均长度的水平投影长度的0.8倍（采用同济大学李象范教授的研

究成果）。

支护整体沿底面水平滑动的安全系数可取为1.2；支护整体倾覆验算的安全

系数为1.5。整体滑移的安全度不容易满足，其原因为河西软土地层中，墙后水

土压力较大，墙底的摩擦力比较小，为此建议采取以下措施：

底部土钉长度在设计计算的基础上适当加长，工程案例中一般加长2—3米;

同时将底部土钉倾角加大，调动墙体入土深度，将水泥土桩的抗剪强度计入抗滑

因素。外部稳定性验算请参阅图2.3。

q

(b)整体倾覆

图2.3外部稳定性示意图

整体稳定性验算

指基坑开挖达到某一深度，土钉及面层施工结束，研究边坡作为一个整体产

生滑动的可能性。

验算过程为：

(1)不计入土钉等因素的影响，搜寻最危险猾裂面，按圆弧滑动面进行，计算

出相应的安全系数，通常小于1.0；

(2)计及在滑裂面以外土钉的抗拔力对抗滑力矩的有利影响；

(3)计及水泥土桩的抗剪强度对抗滑力矩的有利影响。

具体请参阅图2.4。

q

图2.4整体稳定性示意图

整体安全系数采用下式计算：

1A,

K=---；—-）cosatg^+V,cosa阳田+（C+。）——

ZK%z+2）sinaJtcosa,

+（sin/Vg@+cos/?J?]

（2-6）

式中：%、Q、——（无搅拌桩处）作用于第i土条的土条自重和地表超载；

匕——（有搅拌桩处）作用于第i土条的土条自重和地表超载的和；

«——土条圆弧破坏面切线与水平层的夹角；

ZL——第i条土条宽度；

队、C——土条i圆弧破坏面所处第j层土层的内摩擦角和内聚力；

由、〃——第i水泥土搅拌桩土条的内摩擦角和内聚力；

狐——第K排土钉的最大抗拔力；

A——第K排土钉轴线该处破坏面切线之间的夹角；

S——土钉的水平间距；

K-安全系数，取1.25—1.30。

以上计算过程也可逆向进行，实际工程一般采用软件计算。

底部稳定性验算

由于在本设计中探讨的复合土钉支护技术是应用在南京河西软上上质中，必

然存在底部稳定性问题。

1)地基承载力复核

基坑开挖后，在边坡上在坑底附近土体由三维受力变成二维受力状态，土体

强度被削弱，底部土体在复合土钉墙体的自重作用下，失去承载力的可能性很大,

因此须验算墙底土体的承载力，使之满足：

jDNq+cN

(2-7)

上式中：八——坑外地表至围护墙底各土层的加权平均值(kN/n?)

心——坑内开挖面以下至围护墙底各土层天然重度的加权平均值

瓜——基坑开挖深度(m)

D-围护结构在基坑开挖面以下的入土深度(m)

Q一坑外地面荷载(kPa)

阳、Nc——地基土的承载力系数，可依据下式计算：

Nq=e”g2(45°+0.5°)(2-8)

Nc=(Nq-1)/tg</)(2-9)

2)基坑底部抗隆起复核

验算坑底隆起稳定性的方法很多，可以方便的采用稳定系数法：

N=rH„+q/Su<6.0(2-10)

在上式中：r一坑外土体的重度加权平均值(kN/n?,)

国——基坑开挖深度(m)

q—坑边地面超载(kPa)

S,——墙体土体与水泥土桩抗剪强度的加权平均值(KPa)

3)坑底附近的水泥土桩破坏复核

水泥土桩既是防渗帷幕，又是开挖面的临时支护，当开挖至下一层而还没有

施作土钉以及喷射碎面层时，已经暴露的水泥土桩将发挥临时支护作用，防止帷

幕后的土体被挤出来，因此，需要验算水泥土桩发生冲剪和弯折破坏的可能性.

具体破坏形式见图2.5o

2BC“。

irf冲斯K=-->-2-.-0----------------(-2---11)

£2k(%+q)-2c](S,+0.58)

图2.5水泥搅拌桩破坏形式

上式中，B—防水帷幕的宽度(m)

Co——水泥土搅拌桩的抗剪强度，可取为(0.2—0.3)意

——水泥土桩无侧限抗压强度

c---土体的凝聚力(kPa)

r一土体的天然重度(kN/m3)

S——土钉的竖向间距

瓜——基坑的开挖深度

限——主动土压力系数，K“=fg(%/4-0.50)

2

抗弯折：cr„=rnh0+3/4q(Svi/B+0.5)<0.5fcu(2-12)

2

(7,=rnh.-3/4^(Sv,./B+0.5)<0.1fcu(2-13)

上式中：cr,——水泥土的拉应力

水泥土的压应力

2.3SMW工法简介

SMW是SoilMixingWall的缩写，SMW工法也叫柱列式土壤水泥墙工法，即

利用多轴型长螺旋钻孔机在土壤中钻孔，达到预定深度后，边提钻边从钻头端部

注入适合不同工程连续墙的水泥浆，将其与原土壤进行搅拌，在原位置上建成一

段土壤水泥墙。然后再进行第二段墙施工，使相邻的土壤水泥墙彼此有重合段，

连续重叠搭接施工即可做成地下连续墙。同时根据不同需要，插入工字钢，在水

泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材，至水泥结硬，便形成

一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体，作深开挖基础维

护或止水之用。

图2.6深层搅拌桩原理图及效果图2.7中空三轴钻机原理图及效果

2.4SMW工法设计

2.4.1型钢设计

1）型钢长度：视支撑设置情况选用悬臂、单层支点或多层支点计算型钢长度。

2）抗弯计算

S=L2%"啖.⑻(2-14)

W

式中Mmax—作用在型钢上的最大作用弯矩计算值（N,mm）；

W--型钢抵抗矩（mm）

2

⑻——型钢允许拉应力（N/mm）o

型钢间距除满足抗弯强度要求外，尚应满足下式：

hW丛h-2e（2-15）

式中h——型钢间净间距（mm）；

D—三轴水泥搅拌桩的直径（mm）;

h——型钢截面高度（mm）；

e一型钢形心与三轴水泥搅拌桩圆心间的距离（mm）。

3）抗剪计算

♦=L25%QS二团（2-16）

It

式中Q-作用在型钢上的最大剪力计算值（N）；

S一型钢面积矩（mm、

I--型钢惯性矩（mm」）；

t——型钢腹板厚度（mm）。

2.4.2三轴深层搅拌桩设计

1）桩长：桩长除满足抗管涌要求外，尚应比型钢插入深度深0.6—L0m；

2）抗剪强度验算

（a）当型钢满堂设置时:

1.25%〃2

2d〈匕」(2-

17)

式中q-计算截面处每米长度作用剪力计算值（N/m）；

k——型钢间净间距（m）；

——计算断面处水泥土的有效厚度（m）；

[rj——水泥土的抗剪强度设计值（kPa）o

(b)当型钢插1隔1设置时：

除应按式(2-17)验算，尚应按下式验算:

(2-18)

2.4.3基坑稳定性验算

基坑稳定性验算包括基坑底部上体的抗隆起稳定性验算、基坑整体稳定性验

算及抗渗流稳定性验算。

第三章基坑支护结构设计计算书

3.1设计计算

3.1.1地质计算参数

根据本工程岩土工程勘察资料，各土层的设计计算参数如表3.1：

表3.1土层设计计算参数

直剪固快渗透系数(310'6cm/s)

重度

土层

MKN/n?)C（p

(kPa)（度）

①1(19.0)(12.0)(10.0)(300.00)(200.00)

①2(18.0)(12.0)(8.0)(50.00)(50.00)

①3(17.5)(10.0)(8.0)(100.00)(80.00)

②118.2(1.5)(33.0)925.00900.00

②219.71.034.1898.00852.00

③119.81.132.9855.00791.00

3.L2计算区段的划分

根据具体环境条件、地下结构及上层分布厚度，将该基坑划分为三个计算

区段，其附加荷载及计算开挖深度如表3.2：

表3.2计算区段的划分

ABCDE、FGHIJKL.

段位号EFLMNO、WXYZA1A

OPQRSTUVW

地面荷载（kPa）202020

开挖深度（m）5.87.27.2

3.1.3计算方法

按照《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）土压力计算方法作为土侧向

压力设计计算依据，即：

主动土压力系数：K=4（45°-外/2）

被动土压力系数：七二绘(45°+Q/2)

计算时，不考虑支护桩体与土体的摩擦作用，且不对主、被动土压力系数

进行调整，仅作为安全储备处理。计算所得土压力系数表如表3.3所示：

表3.3土压力系数表

土层AaiApi4Kpi

①1杂填土0.7040.839

①2素填土0.7560.8691.3231.150

①3淤泥质填土0.7560.8691.3231.150

②1粉细砂0.2950.5433.3921.842

②2粉细砂0.2820.5313.5521.885

③1粉细砂0.2960.5443.3781.838

3.2ABCDE、FGHIJKL.OPQRSTUVW支护结构计算

地面标高+6.2m,假定为±0.00,地下水位于+6.0m,即相对标高-0.2m,基

坑底标高-5.8m,计算开挖深度5.8m。地表附加荷载s=20kPa,按半无限平面

计算。基坑侧壁安全等级为二级，基坑重要性系数为l.Oo采用复合土钉墙支护

结构，前排采用三轴深搅桩墙，土钉墙采用花管土钉墙结构，墙宽0.85m。选用

C10勘察孔资料进行计算。《重点、关键》

选用C10勘察孔资料进行计算。

表3.4土层厚度一览表

土层①1杂填土②1粉细砂②2粉细砂③1粉细砂

厚度(m)2.12.86.38.0

3.2.1采用参数

1)①1号土夕=10.0°片12.OkPa

②1号土限33.0°c=i.5kPa

②2号土夕=34.1°c-1.OkPa

③1号士9=32.9°c=l.IkPa

2）尸19.5kN/n?

3)地面超载^20kN/m2

3.2.2土钉所受土压力计算

由于分层土体性能相差不大，9及c值取各层土的夕，c值按其厚度加权平

均。

1）现分两层土计算①及②层土

①号土层为原①1号土厚2.1m,9=10.0°,c=12.OkPa

②号土层为原②1和②2号土厚3.7m,0=33.4°,c=l.3kPa

2）土压力计算

上层土压

工=-^=0.293>0.05应按粘性土计算《按什么土计算》

rH19.5x2.1

9=10.0°,Aa=0.704,其=0.839,z-19.5kN/m3

=8.69kN卜帝>02rH

PFk,q=0.704X20=14.08kPa

R8.69+14.08=22.77kPa

下层土压

力+<605应按砂上计算

9=33.4°,Aa=0.290,病=0.538,尸19.5kN/m：,

2

X=0.55karH=0.55X0.290X19.5X3.7=11.51kN/m

P茨k/fU.290X20=5.8kPa

RH.51+5.8=17.31kN/m2

22.77+17.31

=20.04AN/，〃2

2

NP

按公式cosj•"Sy（土钉水平竖向间距均为i.om）《？??

上20.04X1.0X1.0/cosl0°=20.35kN

梯形底部及中部沪20.35kN

上部H/4即5.8/4=1.45m的部位有一道土钉，其受力为

20.35x0.8

IV1--:1123kN

1.45

3.2.3土钉设计

该地区资料

①1杂填土=20kPa

①2素填土T2=18kPa

①3淤泥质填土r3=16kpei

②1粉细砂r4=40kpo

②2粉细砂r5=40kPa

③1粉细砂r6=50kPa

计算土钉直径

欣2

/“NW1.1丁人

rdAxki/

2

式中久d取1.5,钢筋抗拉强度设计值fy=210N/mm

土钉选用。48x3〃〃”钢管，按下部土压力为矩形分布，设计轴力.沪20.35kN,

1.1X3.14X48X3X210=104.45kN>^,dN=l.5X20.35=30.53kN

土钉长度计算

FN

各排上钉的长度宜满足下列条件

TTDT

通过计算得

1号土钉：7i=5000mni7>8m

2号土钉：/尸3300mm7>8m

3号土钉：，=2000mm7>5m

4号土钉：/尸1200mm7>5m

5号土钉：Y^eOOmm7>4m

最后一排土钉的倾角为20°,加强对深层土体的加固，其余土钉的倾角为10°。

土钉抗拉能力验算

破坏面上每一土钉的抗拉能力按下列公式计算并取其中最小值。

按土钉受拉拔条件T二21内

按土钉受拉强度条件

土钉抗拉力75=1.1X3.14X48X3X210=104.45kN

土钉抗拔力，取土钉锚固体直径仄0.08mm

T八~《极限抗拔力》

=3.14X0.08X3.0X20=20.10kN

北2=3.14X0.08X5.7X20=28.64kN

7U3=3.14X0.08X5.0X40=50.24kN

Tu,=3.14X0.08X4.8X40=48.23kN

兀=3.14X0.08X8.4X40=84.40kN

计算结果如表3.5：

表3.5土钉长度计算表

土钉号高程(m)土钉内力有效长度极限抗拔土钉全长安全系数

MkN)Zb(m)力北(kN)(m)

1.011.234.020.1091.790

Ti

2.020.355.728.6491.407

Tz

北3.020.355.050.2472.467

4.020.354.848.2362.370

北

n5.020.358.484.4094.148

XN=92.63ANZ(，=2316IkN

｛总=231.61/92.63=2.500

3.2.4复合土钉墙支护面层设计

面层承载力

面层实为支承于土钉上的无梁连续板，面层厚100mm,土钉间距即为面层跨

品目7=1.0m.

作用于上部面层上的荷载

M=M1+夕q

(v-05^(1-0c

Poi=O.7x0.5+^—^p=0.7义0.5+^—^x22.77-9.56^/m2

\5J\5)

夕q=0.704X20=14.08kN/m2

PQ上=9.56+14.08=23.64kN/m2

作用于下部面层上的荷载

Poi=0.7x（0.5+匕”]x17.31=7.27攵N/加2

\5）

Pq=O.290X20=5.8kN/m2

Po下=7.27+5.8=13.07kN/m2

取上、下两部分平均值

Po=l/2X(23.64+13.07)=18.36kN/m2

^=1/8A/=1/8X18.36X

1.0=2.3kN•m

钉上带土钉作用处弯矩版=0.5%=1.15kN•m

跨中弯矩乱=0.2妗0.46kN,m

跨中带支座处M=0.15%=0.35kN•m

跨中带跨中处以=0.15/=0.35kN,m

只仃上钉连接处的局部弯矩较大，其他截面弯矩较小。经计算选配

4>6@200X200o

连接计算

钢筋网片如图3.1,固定钢筋为由22,长为400mm,焊接在上钉上。

K=2~

其连接的安全系数为PF

*

0

pk=(a+b).F-T/cos45

式中a、b---锚固体的长宽取a=400mm,ZF400mm；

F-喷射混凝土抗剪强度足1500kPa；

T--喷射混凝土厚度7^100mm；

4——作用在锚头上的主动土压力，£=20.04kN；

(400+400)x1500x100

EpXW6=169.W

cos45°

3盥=844（满足要求！）

图3.1钢筋网片平面图

3.2.5防渗帷幕的设计验算

与传统的土钉墙相比复合土钉墙用水泥土搅拌桩等超前支护作防水帷幕解

决抗渗、隔水和土体自立性，保证开挖期间不发生弯折、剪切破坏。

抗渗设计

本工程采用直径850mm的单排搅拌桩，桩中心距为1.2m,采用套接孔法施工,

桩长12m。

Gs-11.97-1

=9.84

1+e-1+0.9

I=---

L

hw=6.8—4.0=2.8/71

L=+心4,=0.85+1.5x(12-6.8+12-4)=20.65m

1=2.8/20.65=0.136

As=ic/i=0.51/0.136=3,75>2.0(满足要求!)

3.2.6稳定性分析

外部稳定性验算

1）抗滑稳定性验算

墙宽取为4m,墙底部土夕=33.4°

抗滑力£=(5.8x4x20+4x20)xtan33.4°xl.0=358.7ZN

土压力引起的水平推力为各道土钉拉力之和工＞=92.63抗

抗滑稳定安全系数

F,358.7

KH=3.87>1.2安全!

三一92.63

2)抗倾覆稳定验算

抗倾覆稳定力矩即土的自重平衡力矩

.<=(5.8X4X20+4X20)X4/2=1088kN•m

倾覆力矩

K=11.23X(5.8-0.8)+20.35X(5.8-1.8)+20.35X(5.8-2.8)+20.35X

(5.8-3.8)+20.35X(5.8-4.8)=259.65kN•m

抗倾覆稳定安全系数

M1088

w=4.19>1.3安全!

q~Mo~259.65

3）整体稳定性验算

由电算结果可知满足要求。

底部稳定性验算

1）墙底土体的地基承载力复核

：々DNq+cN,

3

rt=(2.1X19+2.8X18.2+6.3X19.7+0.8X19.8)/12=19.23kN/m

2^=19.7kN/m:iD=6.4m

3*丽。tan2(45°+0.5^)=27.34

Nc=乜二=2734-1=3995

tan8tan33.4

19.7x6.4x27.34+1.0x39.95

=13.7>1.2（满足要求！）

19.23x(5.8+6.4)+20

2)基坑底部抗隆起复核