保定世纪花园小区1#基坑支护设计

引言随着我国经济的飞速发展，我国多个地区的高层建筑日益受到重视，其楼层越多，地基越深越大，地基平面布局越复杂，与周国建筑物的联系也越紧密。因此，对该工程进行安全稳定分析是十分重要的。因此，根据不同的施工条件，选择不同的施工方法，将直接关系到整个施工项目的成败。因此，在此基础上，本文选取了一号建筑一层的基坑作为土钉支撑,并且本基坑安全等级为二级，新世纪以来，随着国内高楼大厦的不断涌现，随着地下工程的广泛应用，基坑工程的基坑深度不断增加，常规支护方式已经不能适应需要。文章对保定市世纪花园小区1#楼层的基坑支护设计和有关的计算作了详细的阐述，最后确定采用了土钉墙的方式来设计，因为土钉墙的施工时间短，成本低。并依据《建筑基坑设计规程》等规范对设计进行了验算，编制出了土钉墙支护设计方案。第1章工程概况1.1概述1.1.1工程概况保定市世纪花园小区1#楼，层数为地上12层，地下一层，由于需要进行基础的施工，施工要求基坑边缘距离基础尺寸不应数少于1.5m，由于建筑两侧为道路，地面超载按q=20kPa,基坑侧壁安全等级取二级，重要性系数取1.0。其小区基坑平面示意图如下：图1.1基坑平面示意图1.1.2工程水文地质条件在基坑支护的影响区域，自上而下的土层为：素填士：厚度3.6m，星灰黄色，部分为交色，部分为松，部分为较密实。层厚4.4m的粉状粘士，呈浅交色，部分为可塑，部分为软塑料。中等砂层：厚度5.6m，以石英和长石为主，其机械性质均匀。项目在勘探过程中，测量出该地区的地下水埋藏深度为15.7-26.3米，近年来的地下水埋藏深度为18.8米。由于该项目的实施不涉及到地下水位以上的问题，因此，该项目的实施将不涉及到地下水的治理问题。第2章基坑支护方案比选2.1常见支护方案在进行基坑支护施工时，常见的基坑支护方案有：表2.1各类支护结构的适用条件结构类型安全等级适用条件备注锚拉式结构适用于较深的基坑1、排桩适用于可采用降水或截水帷幕的基坑支挡式结构支撑式结构适用于较深的基坑2、地下连续墙宜同时用作主体地下结构外墙，可同时用于截水悬臂式结构一级、二级、三级适用于较浅的基坑3、锚杆不宜用在软土层和高水位的碎石土、砂土层中双排桩当锚拉式、支撑式和悬臂式结构不适用时，可考虑采用双排桩4、当邻近基坑有建筑物地下室、地下构筑物等，锚杆的有效锚固长度不足时，不应采用锚杆支护结构与主体结构结合的逆作法适用于基坑周边环境条件很复杂的深基坑5、当锚杆施工会造成基坑周边建（构）筑物的损害或违反城市地下空间规划等规定时，不应采用锚杆单一土钉墙适用于地下水位以上或经降水的非软土基坑，且基坑深度不宜大于12m预应力锚杆复合土钉墙适用于地下水位以上或经降水的非软土基坑，且基坑深度不宜大于15m续表2.1各类支护结构的适用条件结构类型安全等级适用条件备注土钉墙水泥土桩垂直复合土钉墙二级、三级用于非软土基坑时，基坑深度不宜大于12m；用于淤泥质土基坑时，基坑深度不宜大于6m；不宜用在高水位的碎石土、砂土、粉土层中当基坑潜在滑动面内有建筑物、重要地下管线时，不宜采用土钉墙微型桩垂直复合土钉墙适用于地下水位以上或经降水的基坑，用于非软土基坑时，基坑深度不宜大于12m；用于淤泥质土基坑时，基坑深度不宜大于6m重力式水泥土墙二级、三级适用于淤泥质土、淤泥基坑，且基坑深度不宜大于7m放坡三级1、施工场地应满足放坡条件2、可与上述支护结构形式结合2.2基坑安全等级根据《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-2012）3.1.3中的规定，支护结构的安全等级按照下表中的要求进行划分：表2.2支护结构的安全等级安全等级破坏后果一级支护结构失效、土体过大变形对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响很严重二级支护结构失效、土体过大变形对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响严重续表2.2支护结构的安全等级安全等级破坏后果三级支护结构失效、土体过大变形对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响不严重那么结合本工程的概括，基坑安全等级为二级。根据《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-2012）3.1.6中的规定，可知取：γ0γF2.3土钉墙基本参数根据《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-2012）5.3.1规范，对土钉的参数要求如下:表2.3土钉参数要求参数名称参数取值土钉间距土钉水平间距和竖向间距宜为1m～2m。当基坑较深、土的抗剪强度较低时，土钉间距应取小值土钉倾角土钉倾角宜为5°～20°，其夹角应根据土性和施工条件确定。土钉长度土钉长度应按各层土钉受力均匀、各土钉拉力与相应土钉极限承载力的比值近于相等的原则确定。成孔工艺土钉墙宜采用洛阳铲成孔的钢筋土钉。1成孔直径宜取70mm～120mm；2土钉钢筋宜采用HRB400、HRB335级钢筋，钢筋直径应根据土钉抗拔承载力设计要求确定，且宜取16mm～32mm；3应沿土钉全长设置对中定位支架，其间距宜取1.5m～2.5m，土钉钢筋保护层厚度不宜小于20mm；4土钉孔注浆材料可采用水泥浆或水泥砂浆，其强度不宜低于20MPa成孔注浆型钢筋土钉的构造本次设计分为两个支护单元，参数如下：基坑开挖深度为7m的基坑为第Ⅰ支护单元，具体数值为：土钉墙坡度设为1：0.2，则Sx=1.6,S设计4排土钉，土钉长度为：7.8m、7.8m、6.4m、6.4m基坑开挖深度为8.2m的基坑为第Ⅱ支护单元，具体数值为土钉墙坡度设为1：0.3，则Sx=1.5,S设计5排土钉，土钉长度为：9m、9m、7m、7m、7m表2.4基本参数层号土层名称内摩擦角内聚力容重计算厚度承载力1素填土14.316.418.01.42粉质黏土15.121.918.43.31203粉质黏土21.122.118.62.61154粉土19.520.519.33.01305粉土22.739.420.06.3200第3章Ⅰ段支护计算3.1土钉墙基本参数根据表1.3，土钉墙基本参数如下：表3.1土钉墙基本参数土钉土钉垂直距离（m）土钉水平距离（m）长度（m）成孔直径（mm）土钉倾角（°）第1排1.6m1.6m7.8m100mm15°第2排1.6m1.6m7.8m100mm15°第3排1.6m1.6m6.4m100mm15°第4排1.6m1.6m6.4m100mm15°3.2单根土钉轴向拉力标准值 Nkj=1cos ζ=tanβ−φm2(1tanβ+φm ηj= ηa= ΔEaj=P Pak=(γiHi+q)K Kai=tan2(45°-φi式中：Nkj─第j层土钉的轴向拉力标准值（kNαj─第j层土钉的倾角（°）ζ─墙面倾斜时的主动土压力折减系数。ηjPakj─第j层土钉处的主动土压力强度标准值（kPa）Sxj─土钉的水平间距（m）Szj─土钉的垂直间距（m）ηjzjh-基坑深度（m）ΔEaj-作用在以SxjKaiPakciq-地面超载（kPa)3.2.1土钉处主动土压力强度标准值取q0由公式(3-6)、（3-7）可得：表3.2Pak土钉深度土层名称容重内摩擦角容重粘聚力γkaikaiPak第1排1.5素填土18.014.318.016.4470.59780.77312.73第2排3.0粉质黏土18.415.118.421.975.20.58660.765810.57第3排4.5粉质黏土18.621.118.622.1103.70.47050.685918.47第4排6.0粉土19.319.519.320.5135.80.49940.706638.843.2.2土钉轴向拉力调整系数取ηb根据公式可得表3.3ηa土钉hzSxjSzjpEaj（(h-ηbz(h-zj)第1排71.51.61.62.736.9838.9238.39第2排73.01.61.610.5727.05116.31108.2第3排74.51.61.618.4747.87141.21119.67第4排76.01.61.638.8499.43159.0899.43那么：=1.454根据公式（3-3）代入数据：表3.4ηj土钉h(m)zηηj第1排71.51.4541.327第2排73.01.4541.023第3排74.51.4541.073第4排76.01.4540.9453.2.3主动土压力折减系数土钉墙坡度1：0.2，那么β=arctan（10.2φm=14.3°×1.4+15.1ζ3.2.4土钉轴向拉力标准值的计算土钉倾斜角α=15°，因此1cosαjζ=0.6533代入公式：表3.5单根土钉轴向拉力标准值土钉nsxj（szjpakspNkj第1排1.3271.61.62.736.986.26第2排1.0231.61.610.5727.0518.62第3排1.0731.61.618.4747.2834.31第4排0.9451.61.638.8499.4363.533.3单根土钉极限抗拔承载力 Rkj=πdjqRkj--dj--qsik--li--第j层土钉在滑动面外第i土层中的长度(m)；计算单根土钉极限抗拔承载力时,z直线滑动面与水平面夹角取β3.3.1破裂面以内土钉长度 lzj=ℎjsinβ式中：ℎjφm=19.65°,β=73sinβ=sin73°sinββ−φmsinαj=0.89那么代入数据：计算过程如下表3.6破裂面以内土钉长度计算土钉ℎlzj第1排3.73.032第2排4.42.160第3排4.01.250第4排0.40.3403.3.2破裂面以外长度 l=lzj+lfj （3式中:l-第j根土钉长度（m)lfj表3.7破裂面以外长度计算土钉l(m)lzjlfj第1排7.83.0324.768第2排7.82.1605.640第3排6.41.2505.150第4排6.40.3406.0603.3.3土钉极限抗拔承载力标准值在设计中，拟用洛阳铲成孔，那么可得：表3.8土钉的极限粘结强度标准值地层编号岩性名称成孔qsik1素填土182粉质黏土563粉质黏土564粉土645粉土64表3.9单根土钉抗拔承载力计算土钉lqdR第1排4.768560.1083.84第2排5.640560.1099.17第3排5.150640.1090.55第4排6.060640.10121.783.4单根抗拔承载力验算 RkjNkj≥Kt式中：Kt-土钉抗拔安全系数；安全等级为二级、三级的土钉墙，KNkjRkj基坑安全等级为二级，Kt表3.10单根土钉的抗拔承载力验算土钉RNRkj备注183.846.26≥1.6满足299.1718.62≥1.6满足390.5534.31≥1.6满足4121.7863.53≥1.6满足3.5杆体直径计算 Ni=fyAs Ni=γ0γFNk式中：NifyAs土钉拟取HRB400级钢筋，则：fy根据公式代入数据则有：表3.11杆体直径计算土钉γγNkjNNify第1排1.01.256.267.8221.71第2排1.01.2518.6223.2764.60第3排1.01.2534.3142.88119.11第4排1.01.2563.5379.41220.58那么由公式可得：d≥2Ni拟取钢筋直径为：d=18mm3.6稳定性验算（1）稳定性验算 minKS,1,K Ks,i=cj式中：ks─圆弧滑动整体稳定安全系数；安全等级为二级、三级的土钉墙，K1.3、1.25ksj--第小值宜通过搜索不同圆心及半径的所有潜在滑动圆弧确定cjφj─第j土条滑弧面处土的粘聚力(kPa)、内摩擦角(bj-第jlj-作用在第j土条的圆弧长度（m),取qjΔGJθjRkkαkθksxψv安全等级为二级，取Ks采用理正软件计算，计算结果如下：图3.1图3.2图3.3图3.4图3.5图3.6min{Ks,1,Ks,2...,满足设计要求。第4章Ⅱ段支护计算4.1设计说明采用放坡加挂网喷砼的支护方式，开挖深度8.2m，基坑重要性等级为二级。坡面及桩间喷射砼强度为C20，厚度100mm。挂网土钉采用φ18钢筋，级别取HRB400级钢筋，间距1.5×1.5m，土钉长5m，厚度100mm，梅花型布置。4.1.1土钉墙基本参数土钉墙的基本设置如表所示：表4.1土钉墙的基本设置土钉土钉垂直距离（m）土钉水平距离（m）长度（m）成孔直径（mm）土钉倾角（°）第1排1.51.59m100mm15第2排1.51.59m100mm15第3排1.51.57m100mm15第4排1.51.57m100mm15第5排1.51.57m100mm154.2单根土钉的轴向拉力标准值4.2.1土钉处主动土压力强度标准值取q0根据公式: Pak=(γiHi+q)Kai-2 Kai=tan2(45°-φi2)式中：KaiPakciq-地面超载（kPa)表4.2Pak土钉所在土层φKciγPakK容重第1排素填土14.20.778414.553.259.680.606018.9第2排粉质粘土15.00.767221.779.9413.770.588718.3第3排粉质粘土21.20.684621.1106.9021.220.468818.2第4排粉土19.40.718520.4137.8141.840.516318.8第5排粘土18.50.719849.2167.5215.980.518219.04.2.2土钉轴向拉力调整系数取ηb根据公式： ηj=ηa-(ηa-ηb)z ΔEaj=PakjS式中：ηjzjh-基坑深度(m)ΔEaj-作用在以Sxj表4.3ηa土钉h(m)zSxjSzjPΔΕaj(h-ηbZj)(h-Zj)ΔΕ第1排8.21.51.51.59.6821.78145.92145.92第2排8.23.01.51.513.7730.98161.09161.09第3排8.24.51.51.521.2247.74173.63173.63第4排8.26.01.51.541.8494.14207.10207.10第5排8.27.51.51.515.9835.9525.1625.16那么：ηa=i代入数据得：表4.4ηj土钉h(m)zηη第1排8.21.511第2排8.23.011第3排8.24.511第4排8.26.011第5排8.27.5114.2.3主动土压力折减系数土钉墙坡度为1：0.3，那么：β=arctanφm=14.2°×得ζ=tanβ−φm2(1tanβ+4.2.4土钉轴向拉力标准值的计算 Nkj=1cosαj式中：Nkjαjζ─墙面倾斜时的主动土压力折减系数。ηjPakjSxjSzj土钉倾斜角α=15°代入公式：表4.5单根土钉轴向拉力标准值土钉ηSxjSzjppN第1排11.51.59.6821.7814.15第2排11.51.513.7730.9820.12第3排11.51.521.2247.7431.01第4排11.51.541.8494.1464.16第5排11.51.515.9835.9523.354.3土钉极限抗拔承载力验算4.3.1土钉抗拔承载力标准值 Rkj=πdjqRkjdjqsikli──第j层土钉在滑动面外第i土层中的长度(m)；计算单根土钉极限抗拔承载力时，z直线滑动面与水平面夹角取β4.3.2破裂面以内土钉 lzj=ℎjsinβ式中：ℎjφm=18.21°,β=73.3sinβ=sinsinβ−φsin(αj+β表4.6破裂面以内土钉长度计算土钉ℎl第1排6.73.706第2排5.22.876第3排3.72.047第4排2.21.272第5排0.70.384.3.3破裂面以外土钉长度 l=lzj+lfj （4式中：l-第j根土钉的长度（m）lfj-第j根土钉破裂面以外长度（m表4.7破裂面以外土钉长度计算土钉lll第1排9m3.7065.294第2排9m2.8766.124第3排7m2.0474.953第4排7m1.2725.728第5排7m0.386.624.3.4土钉的极限抗拔承载力标准值本次设计中，拟采用洛阳铲成孔，那么根据试验计算可得：表4.8土钉的极限粘结强度标准值地层编号岩性名称q1素填土192粉质粘土533粉质粘土644粉土635粘土696素填土71表4.9单根土钉的极限抗拔承载力土钉lqdR第1排5.294530.1088.10第2排6.124640.10123.06第3排4.953630.1097.98第4排5.728690.10124.10第5排6.620710.10147.584.3.5单根土钉抗拔承载力验算 RkjNkj≥Kt式中：Kt-土钉抗拔安全系数；安全等级为二级、三级的土钉墙，KNkjRkj基坑安全等级为二级，Kt表4.10Kt土钉RkjNK备注第1排88.1014.15>1.6符合要求第2排123.0620.12>1.6符合要求第3排97.9831.01>1.6符合要求第4排124.1064.16>1.6符合要求第5排147.5823.35>1.6符合要求4.4杆体直径验算基坑安全等级为二级，那么取：γ0=1.0γ钢筋拟选用HPB400级，则：fy根据公式： Ni=fyAs Ni=γ0γFNk式中：NifyAs─土钉杆体的截面面积（m2表4.11杆体直径计算表土钉NkjN（KN)Asd（mm)d（mm)实际取值第1排10.5612.552.081.5118第2排21.3526.68111.165.9818第3排41.1251.4214.166.9218第4排39.9149.88207.836.9218那么由公式可得：d≥2N拟取钢筋直径为：d=18mm4.5稳定性验算4.5.1稳定性验算据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）挡土构件的嵌固深度，对多支点的支档式结构，不宜小于0.2h，考虑到土质情况较差，适当加大嵌固深度：根据规定的最小嵌入深度：0.2h=0.2×10.2=2.04m，因为二级基坑的嵌固稳定安全系数是为1.2，嵌固深度按照13m考虑。所以该支护桩桩长为10.2+13=23.2m。因为基坑为二级基坑，所以抗隆起稳定安全系数是Kb=1.6安全等级为二级，取Ks采用理正软件进行计算，计算结果如下：图4.1图4.2图4.3图4.4图4.5图4.6min{Ks,1,Ks,2...,满足设计要求。第5章面层设计根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012）》中5.3.6中有关面层设计的相关要求如下：1喷射混凝土面层厚度宜取80mm~100mm；2喷射混凝土设计强度等级不宜低于C20；3喷射混凝土面层中应配置钢筋网和通长的加强钢筋，钢筋网宜采用HPB235级钢筋，钢筋直径宜取6mm～10mm，钢筋网间距宜取150mm～250mm；钢筋网间的搭接长度应大于300mm；加强钢筋的直径宜取14mm～20mm；当充分利用土钉杆体的抗拉强度时，加强钢筋的截面面积不应小于土钉杆体截面面积的二分之一。在本次设计中，选取喷砼护面厚度为100mm，混凝土强度等级取为C20，钢筋网片规格为150×150mm(Φ6.5)；在土钉之间设置加强钢筋φ18，并与钢筋焊接牢固；面层钢筋网要求延伸至坡顶1000mm，面层砼施工采用喷射工艺，并按相关施工规范进行施工。第6章施工工艺根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012）》中关于土钉墙的施工流程，土钉墙应按每层土钉及混凝土面层分层设置、分层开挖基坑的步序施工。施工工艺流程：挖土→修坡→成孔→置入土钉→注浆→挂网→喷射砼→重复以上步骤。1.基坑开挖：严格地根据工程设计规定实施分步、分段、分层的施工,在开挖工程中要留出保护层。2.成孔：土中成孔一般采取机械成孔时间的方法,并严格地根据工程设计规定进行土中成孔,并进行标记,标记使用短钢筋直径插入混凝土体,最大孔径为110mm。3.置入土钉：在置入工作开展以前,应该及时地对钻孔材料进行系统的检测,如孔内有漏水以及松土等状况时,就必须首先处理好相应的问题,随后才能置入土钉钢筋直径,而土钉钢筋在施工前也应该进行去灰、调直等处理。4.注浆：建筑施工时,必须先对以混凝土板的最大直径进行施工的情况加以检验,看其能否完成,在检查无误后,之后才能灌注。5.挂网：挂网法在浇筑的过程中也是非常有必要的,增强了浇注砼的结构稳定性、受力均匀性,也可以防止了喷射砼中由于产生收缩,而引起的裂缝现象。6.喷射砼：在喷洒前后,必须对喷洒表面进行及时的清理,喷洒强度为C20的水泥,面层厚度为80mm,设有限制喷洒厚度的标识,确保喷洒顺利完成。结论本此设计主要依据的是《建筑基坑设计规程》对保定世纪花园小区1#住宅楼进行基坑支护设计。选用土钉墙的形式进行了支护，先选定基坑支护参数，然后进行验算。通过方案比选，最终得到了符合设计的土钉墙。本次设计分为两个支护单位，支护参数如下：1.基坑开挖深度为7m的基坑为第Ⅰ支护单元，具体数值为：土钉墙坡度设为1：0.2，则Sx=1.6,S表7.1土钉墙基本参数土钉土钉垂直距离（m）土钉水平距离（m）长度（m）成孔直径（mm）土钉倾角（°）第1排1.6m1.6m7.8m100mm15°第2排1.6m1.6m7.8m100mm15°第3排1.6m1.6m6.4m100mm15°第4排1.6m1.6m6.4m100mm15°2.基坑开挖深度为8.2m的基坑为第Ⅱ支护单元，具体数值为：表7.2土钉墙基本参数土钉土钉垂直距离（m）土钉水平距离（m）长度（m）成孔直径（mm）土钉倾角（°）第1排1.51.59m100mm15°第2排1.51.59m100mm15°第3排1.51.57m100mm15°第4排1.51.57m100mm15°第5排1.51.57m100mm15°通过验算可得，两个支护面各排土钉的抗拔承载力都符合设计的各项基本要求，同时也符合整体稳定性验算的设计要求。参考文献赵景琳,卢波,刘东旭.基于柔性复合材料面层的土钉墙支护应用研究[J].合成材料老化与应用,2022,51(03):151-154.[2]JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程[S],北京:中国建筑工业出版社.[3]GB50330-2013,建筑边坡工程技术规范[S],北京:中国建筑工业出版社.[4]李龙.基于柔性面层土钉墙的基坑绿色支护工艺[J].建筑施工,2022,44(05):878-880.[5]黄河.基于遗传算法的深基坑复合土钉墙支护优化设计[D].华北水利水电大学,2022.[6]刘家国.复合土钉墙在超深基坑支护工程中的应用[J].石油化工建设,202