岩土工程设计-基坑工程

第七章基坑工程

buildingfoundationpit2023/10/71岩土工程设计-基坑工程本章内容7.1概述7.2支护结构的受力与破坏形式7.3支护板桩的设计计算2023/10/72岩土工程设计-基坑工程7.1概述一、基坑工程的概念基坑工程是指为挖除主体工程地下结构所在空间的土方而需要的设施和施工作业，一般情况下包括基坑支护、降水、土方开挖和施工监测等工程内容。随着城市建设的发展，人们对三维立体化空间的需求不断增长，一方面城市高层建筑成为发展趋势，建筑基坑越挖越深；另一方面，地下空间的开发利用也已成为发展方向之一。地铁、地下商城、地下油库和地下停车场等大型建筑物不断增多。基坑工程已经成为城市岩土工程的主要内容之一。已出现了30多米埋深的地下室，各种深基坑支护的设计计算方法，施工工艺不断产生。基坑开挖与城市建设密集、地下管线众多、建设场地狭小，周围环境要求高等不利因素的矛盾突出，提出了许多新的问题。2023/10/73岩土工程设计-基坑工程7.1概述二、基坑工程研究的主要内容1.基坑支护方面①支护结构形式②支护结构设计计算③支护结构设计④支护结构的稳定性验算2.基坑降水方面①降水方法的选择②降水方法的设计计算③降水设计④降水方案验算（预测）⑤降水施工⑥降水系统的安装与运行2023/10/74岩土工程设计-基坑工程7.1概述3.土方开挖①土方开挖方案的制定②土方开挖机械的选择③土方施工4.基坑工程监测与控制①监测方法的选择②监测的内容③监测的仪器及精度要求5.基坑工程环境效应与对策①地面沉降问题②建筑物、管线变形破坏问题2023/10/75岩土工程设计-基坑工程7.1概述三、深基坑支护工程特点

1.与自然地质及环境条件密切相关

2.与主体结构地下室的施工密切相关，施工操作性和工期要求较高。

3.技术综合性强岩土工程知识和经验；建筑结构和力学知识；施工经验；工程所在地的施工条件。4.设计与施工完全依赖，密不可分。2023/10/76岩土工程设计-基坑工程7.1概述四、支护结构类型1.按结构受力特点划分类别特点常用方法及优缺点被动受力支护结构支护结构依靠自身的结构刚度和强度被动地承受土压力，限制土体变形，从而保持边坡的安全稳定。常用的方法有多种类型的桩，支撑围护结构及地下连续墙等。一般是传统的支护方法，在工程中采用率较高，但这种方法造价高、工期长、施工难度大，其局限性日渐突出。目前基坑支护主要是采用这种支护类型。主动受力支护结构是通过不同的途径和方法提高土体的强度，使支护材料与土体形成共同作用体系，从而达到支护安全稳定的目的。常用的方法有土钉支护技术，树根桩技术及黏土地区的搅拌桩技术等。该支护结构是当前国内外较为流行的方法，其最大的特点在于其安全度较高，施工简单方便，工期较短，造价低，噪声污染小，弥补了传统支护方法的许多缺点，因此深受岩土工程界青睐，特别是最近几年发展比较快，其中土钉技术是比较广泛应用的方法之一。组合结构形式据土体力学性质，将前两类支护方法同时应用于同一个基坑工程中。表现出具有两种支护方法的优点，在许多工程中得到了成功的应用，表现出很大的优势和潜力。2023/10/77岩土工程设计-基坑工程7.1概述2、按开挖方式分类2023/10/78岩土工程设计-基坑工程7.1概述3按支护结构分类2023/10/79岩土工程设计-基坑工程7.1概述五、选择支护结构的基本依据

1.基坑的形状、平面尺寸、开挖深度和基础施工要求；

2.基坑结构所承受的各种荷载及变形等参数要求。侧荷载、垂直荷载、风、地面超载、塔吊、坡道等；

3.水文地质、工程地质条件：含水层、隔水层的分布，土的建筑性能，如膨胀土、收缩土、崩解土、土的水理性质、强度。滞留水，可打完引出。现要求基坑支护中画流网图。目前的基坑出现问题不仅是设计上的。如勘察基坑应在45°+φ/2的范围内，但现在只限制在基坑内；

4.基坑一定范围内的环境问题：上、下水，煤气、预埋管道，原有地下建筑物（地道等），附近建筑物的基础类型，交通流量等；

5.工期和造价；

6.场地相同单元上基坑成功及失败教训。2023/10/710岩土工程设计-基坑工程7.1概述选择支护类型方案流程：目前国内基坑支护类型比较多，但常用的支护类型方案主要可归纳为五种，如按其造价，选择流程如左图。2023/10/711岩土工程设计-基坑工程7.1概述2023/10/712岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式

7.2.1支护结构的受力性状（1）悬臂式板桩：插入土体部分视为固定端，上部为自由端；即看作悬臂梁结构。（2）浅埋单锚式板桩：插入土体部分视为固定铰，上部锚拉作用点为活动铰；即看作简支梁结构。（3）深埋单锚式板桩：插入土体部分视为固定端，上部锚拉作用点为活动铰；即看作静不定梁结构。（4）多层锚拉式板桩：插入土体部分视为固定端，上部各个锚拉作用点为活动铰；即看作连续梁结构。2023/10/713岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式7.2.2支护结构的侧向土压力计算一、侧土压力的判定作用在坑底以下支护BC段上的土压力是否会曾至被动土压力，取决于墙后作用的主动土压力大小。如果基坑开挖较深，而支护入土深度又较小，则主动土压力较大，为了平衡，墙前土压力将得以充分发挥，以至BC整段均达到被动土压力。如基坑开挖较浅而围护墙入土深度又相对较大，则作用在BC段的墙前土压力将达不到被动土压力，或者在该段的上半部会达到而下半段则达不到。2023/10/714岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式产生主动或被动土压力所需的墙顶位移表土类应力状态位移形式所需位移砂土主动平移或绕基底转动0.001H被动平移0.05H被动绕基底转动0.1H粘土主动平移或绕基底转动0.004H被动－－墙位移与土压力的关系图刚性挡上墙上的土压力是否达到主动或被动极限平衡状态，可参考下表所示的墙顶位移来判定。2023/10/715岩土工程设计-基坑工程二、支护结构上的侧向土压力计算关于基坑桩墙侧向土压力计算模式很多，主要采用的有以下两大类：（1）以Rankine、Coulomb等理论公式计算的土压力；使用时应注意地基土的c、φ的取值。计算时还应考虑地面荷载、地面不规则几何形状等对桩墙侧土压力的影响。土压力与水压力可分开计算，也可合并计算；合并计算时地下水以下土的重度取饱和含水重度，降水后土层按稍湿状态考虑。对于粘性土，可忽略粘聚力，适当增加内摩擦角来计算。（2）由土压力计等测定换算的实测值为基础的土压力分布模型(图示法)或侧压系数法，图示法中采用较多的是Terzaghi-Peck所建议的土压力分布模型法。7.2支护结构的受力与破坏形式2023/10/716岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式三、规范方法（一）水平荷载的标准值

1.对于碎石土和砂土

砂土层软-中硬土层硬黏土层土压力计算图（Terzaghi-Peck所建议的模型法）2023/10/717岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式(1)计算点位于地下水位以上时

(2)计算点位于地下水位以下时

式中：——第i层土主动土压力系数；

——作用于深度zj处竖向应力标准值kN；

——计算点深度m；

——计算参数，当，取；当，取；

——基坑外侧水位深度m；

——计算系数，当时，取1；当时，取0；

——水的重度kN/m3。2023/10/718岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式基坑支护水平荷载计算示意图2023/10/719岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式2.对于粉土及黏性土当按以上规定计算的基坑开挖面以上水平荷载标淮值小于零时，应取零。3.基坑外侧竖向应力标准值σajk计算

σajk=σrk+σ0k+σ1k

（1）计算点深度zj处自重应力σrk(a)计算点位于基坑开挖面以上时

σrk=γmjzj式中γmj——深度zj以上土的加权平均重度；(b)位于开挖面以下

σrk=γhmh

式中：γhm——开挖面以上土的加权平均重度

2023/10/720岩土工程设计-基坑工程（2）当支护结构外侧地面满布附加荷载q0

时(见图)，基坑外侧任意深度附加竖向应力标准值σ0k可按下式确定：

σ0k=q0式中q0——地面均布荷载(kN/m2)。

（3）当距支护结构b1外侧，地表作用有宽度b0的条形附加荷载q1时，见图。基坑外侧深度CD范围内的附加竖向应力标准值σ1k按下列式确定：

σ1k=q1b0/b0+2b1

（4）上述基坑外侧附加荷载作用于地表以下一定深度时，将计算点深度相应下移，其竖向应力也可按上述规定确定。

7.2支护结构的受力与破坏形式2023/10/721岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式

2023/10/722岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式（二）水平抗力标准值计算：参照附图水平抗力标准值计算图1.对砂土及碎石土，基坑内侧抗力标准值：

epjk=σpjkKpi+2cik√Kpi+(zj-hwp)(1-Kpi)γw

式中σpjk——作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值(kPa)；

Kpi——第i层土的被动土压力系数。2.对粉土及粘性土，基坑内侧水平抗力标准值：

epjk=σpjkKpi+2cjk√Kpi3.作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值

σpjk=γmjzj式中γmj——深度zj以上土的加权平均天然重度(kN/m3)。

2023/10/723岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式7.2.3支护结构的破坏形式1.支护结构的破坏形式：

(1)支锚结构系统破坏；(2)板桩底部向基坑内侧移动；

(3)板桩弯曲破坏；(4)整体圆弧滑动；(5)隆起、管涌。2023/10/724岩土工程设计-基坑工程7.2支护结构的受力与破坏形式2.支护结构设计应考虑的问题（1）确保锚杆（支撑）的强度与稳定；（2）支护结构（墙）的入土深度应满足要求；（3）支护结构（墙）截面尺寸、间距、抗弯强度够用；（4）基坑底稳定验算满足要求。2023/10/725岩土工程设计-基坑工程支护板桩或桩排式挡墙是一种柔性结构，因而允许有限的变形。主动土压力在0.001～0.004倍坑深的微小位移时即能发生；被动土压力需很大位移量（5％）才能产生，往往是板桩不允许的，所以被动土压力不能全部采用。有的只取计算结果的30％。7.3.1悬臂式板桩设计计算无支撑或锚定，完全依靠入土深度保持稳定，适用于深度不大（＜6m）的基坑支护等临时工程。悬臂式板桩主要是求算其入土深度和最大弯矩。7.3支护板桩的设计计算2023/10/726岩土工程设计-基坑工程

1.臂式排桩、地下连续墙嵌固深度计算参照附图所示。嵌固深度设计值hd按下列规定确定：

hp∑Epj-1.2γ0ha∑Eai≥0式中∑Epj——桩、墙底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值epjk的合力之和；

hp——合力Epj作用点至桩、墙底的距离；∑Eai——桩、墙基坑底以上外侧各土层水平荷载标准值eajk的合力之和；ha——合力Eai作用点至桩、墙底距离；

γ0——建筑基坑侧壁重要性系数，按安全等级，一级γ0=1；二级γ0=1.0，三级γ0=0.9。7.3支护板桩的设计计算2023/10/727岩土工程设计-基坑工程7.3支护板桩的设计计算2.求最大弯矩Mmax作用点,该点处结构内剪力为零，列方程求解或试算。3.求最大弯矩Mmax4.求板桩截面尺寸最大弯矩/允许弯曲应力＝截面横量（钢板桩）钢筋混凝土桩(试算)2023/10/728岩土工程设计-基坑工程7.3支护板桩的设计计算(1)对于钢板桩或钢管桩截面横量(2)钢筋混凝土桩(试算)《混凝土结构设计规范》（GBJ10－89）σw-为钢材的允许弯曲应力2023/10/729岩土工程设计-基坑工程7.3支护板桩的设计计算式中：M－弯矩设计值，N·mm；A－桩截面积，mm2；As－纵向钢筋全截面积，mm2；r－桩截面圆半径，mm；rs－钢筋分布半径，mm；α－反映受压混凝土面积的角，即弓形面积对应圆心角除以2π的值；αt－受拉钢筋面积与纵钢筋全面积的比值；fcm－混凝土弯曲抗压强度设计值，查表。桩直径或边长＜300mm时，乘以0.8折减，N/mm2；fy－钢筋抗拉强度设计值，N/mm2。2023/10/730岩土工程设计-基坑工程7.3支护板桩的设计计算为简化计算，取则得计算步骤：

1.假定钻孔桩直径及其配筋情况，由（4）和（3）求出α与αt。

2.再由（1）式求出钻孔桩的弯矩设计值，与板桩计算弯矩值相比K＝1.5～2。2023/10/731岩土工程设计-基坑工程7.3支护板桩的设计计算7.3.2单锚式板桩的计算一、墙的变形与土压力分布墙顶部设有横向支撑式拉锚，受力后有两种可能变形：(a)“自由支座”情况(简支梁)(b)“固定支座”情况(等值梁)2023/10/732岩土工程设计-基坑工程7.3支护板桩的设计计算当板桩插入土中的深度t较小时，其挠曲变形如图（a）所示，板桩下不出现反弯点，可将板桩底端视作“自由支座”，，保证板桩的稳定，不产生过大位移。当t较大时，板桩挠曲变形为另一种情况（b），出现反弯点0，将其视为“固定支座”，用等值梁法计算。二、“自由支座”情况——视