常見基坑圍護結構設計

1、 123456 概述：大量的基坑工程伴隨著城市高層建筑的發(fā)展大量出現(xiàn)。 國外，圓形基坑的深度已達74m(日本)，直徑最大的達98m(日本)，而非圓形基坑的深度已達到地下層（法國）。 國內，上海88層的金茂大廈，基坑平面尺寸為170m150m，基坑開挖深度達到19.5m。上海的匯京廣場，圍護結構與相鄰建筑最近的距離僅40cm。而無支撐基坑的開挖深度也已達到了9m。 基坑圍護結構通常分兩類：樁墻式圍護體系將支護墻（排樁）作為主要受力構件； 樁墻式圍護體系包括板樁墻、排樁、地下連續(xù)墻等。重力式圍護體系充分利用圍護結構的重力。如重力式水泥土擋墻。（1）無圍護放坡開挖；（2）樁墻支護： 它由樁墻結構及支

2、護結構兩部分組成，樁墻結構有鋼板樁、板樁墻、灌注樁排、地下連續(xù)墻； 支護結構類型有內支撐式、外拉錨桿式、地面錨定式、無錨式等。 （3）重力式支護結構： 軟土地基可用深攪樁、旋噴樁、樹根樁等形成重力式的擋土結構。 （5）開槽施工法：）開槽施工法：與中央開挖施工法施工正好相與中央開挖施工法施工正好相反，先在坑內周邊挖槽，用內支撐板樁墻法修筑周反，先在坑內周邊挖槽，用內支撐板樁墻法修筑周邊的基礎工程，形成一道重力式擋土墻，再挖除擋邊的基礎工程，形成一道重力式擋土墻，再挖除擋土墻內的全部土體，構筑中央部分的基礎工程。土墻內的全部土體，構筑中央部分的基礎工程。 （6）墻前被動區(qū)土體加固法：）墻前被動區(qū)土

3、體加固法：對于軟土地基深大對于軟土地基深大基坑，為控制擋墻側向位移，降低護樁的入土深度，基坑，為控制擋墻側向位移，降低護樁的入土深度，在基坑開挖前用深攪樁、旋噴法對墻前土體進行加在基坑開挖前用深攪樁、旋噴法對墻前土體進行加固，加固深度固，加固深度36m，寬度，寬度59m。 （4）中央開挖施工法：先施工基坑四周排樁，樁內放坡開挖后施工中央部分基礎工程，待完工后再挖除排樁內側土體，邊挖邊用支撐桿將支護排樁與中央部分基礎工程支撐起來，最后再施工周邊基礎工程。 （7）逆作法；（8）沉井法；（9）土釘墻支護； （10）組合型支護。 兩種以上的支護方法組合起來使用，既能保證支護結構的安全又降低成本。如上部

4、放坡，下部樁墻錨桿支護；錨桿與土釘組合；深攪樁與灌注樁排組合；深攪樁中打入H鋼樁組合支護等。 支護結構類型及其適用范圍 表3-1結 構 形 式適 用 范 圍排樁結構稀疏排樁土質較好，地下水位低或降水效果好連續(xù)排樁土質差，地下水位高或降水效果差框架式排樁單排樁剛度不能滿足變形要求組合排樁結構排樁加擋板排樁樁距較大，利用擋板傳遞土壓并有一定防滲作用排樁加水泥攪拌樁以水泥攪拌樁互搭組成平面拱代替擋板傳遞土壓力，具有較好防涌效果排樁加水泥防滲墻地下水位較高的軟土地區(qū)排樁或組合排樁加錨桿結構開挖深度較大，排樁或組合排樁結構強度無法滿足要求地下連續(xù)墻結構與地下室墻體合一，防滲性強，施工場地較小，開挖深度大

5、沉井結構軟土地區(qū)重力式擋土墻結構具有一定施工空間，軟土地區(qū)板樁 特 點平面尺寸不大，且長短邊長相差不多的基坑宜布置角撐。它的開挖土方空間較大，但變形控制要求不能很高鋼支撐和鋼筋混凝土支撐均可布置；支撐受力明確，安全穩(wěn)定，有利于墻體的變形控制，但開挖土方較為困難多采用鋼筋混凝土支撐；中部形成大空間，有利于開挖土方和主體結構施工多采用鋼筋混凝土支撐；支撐體系受力條件好；開挖空間大，便于施工開挖面積大、深度小的基坑宜采用；在軟弱土層中，不易控制基坑的穩(wěn)定和變形便于土方開挖和主體結構施工，但僅適用于周邊場地具有拉設錨桿的環(huán)境和地質條件 12.1.2 基坑圍護結構設計的特點 1. 外力的不確定性； 2.

6、 變形的不確定性； 3. 土性的不確定性； 4. 一些偶然變化所引起的不確定因素。 基坑工程的設計內容基坑工程的設計內容 包括包括 ：環(huán)境調查及基坑安全等級的確定，圍護結構選型，圍護結構設計計算，節(jié)點設計，井點降水、土方開挖方案以及監(jiān)測要求等。 基坑圍護結構設計所需的基本資料主要有：基坑圍護結構設計所需的基本資料主要有： 工程水文地質資料；工程水文地質資料； 場地環(huán)境資料；場地環(huán)境資料； 所建工程的地下室結構、基礎樁基圖紙等；所建工程的地下室結構、基礎樁基圖紙等； 與施工條件有關的資料。與施工條件有關的資料?；訃o結構安全等級及重要性系數(shù)基坑圍護結構安全等級及重要性系數(shù)0安全等級破壞后果一級

7、支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結構施工影響很嚴重1.10二級支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結構施工影響一般1.00三級支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結構施工影響不嚴重0.90圍護結構的選擇和布置圍護結構的選擇和布置圍護結構的選擇的原則：圍護結構的選擇的原則：基坑圍護結構的構件在一般情況下不應超出基坑圍護結構的構件在一般情況下不應超出工程用地范圍；工程用地范圍；基坑圍護結構的構件不能影響主體工程結構基坑圍護結構的構件不能影響主體工程結構構件的正常施工；構件的正常施工；盡可能采用受力性能較好的圓形、正多邊形盡可能采用受力性能較好的圓

8、形、正多邊形和矩形。和矩形。結 構 型 式適 用 條 件排樁或地下連續(xù)墻1. 適于基坑側壁安全等級一、二、三級；2. 懸臂式結構在軟土場地中不宜大于5m；3. 當?shù)叵滤桓哂诨拥酌鏁r，宜采用降水、排樁加截水帷幕或地下連續(xù)墻。水 泥 土 墻1. 基坑側壁安全等級宜為二、三級；2. 水泥土樁施工范圍內地基土承載力不宜大于150kPa；3. 基坑深度不宜大于6m。土 釘 墻1. 基坑側壁安全等級宜為二、三級的非軟土場地；2. 基坑深度不宜大于12m；3. 當?shù)叵滤桓哂诨拥酌鏁r，應采取降水或截水措施。逆 作 拱 墻1. 基坑側壁安全等級宜為二、三級；2. 淤泥和淤泥質土場地不宜采用；3. 拱墻軸

9、線的矢跨比不宜小于1/8；4. 基坑深度不宜大于12m；5. 地下水位高于基坑底面時，應采取降水或截水措施。圍護結構設計計算圍護結構設計計算 通過設計計算確定圍護結構構件的內力通過設計計算確定圍護結構構件的內力和變形，據以驗算截面承載力和基坑位和變形，據以驗算截面承載力和基坑位移。移。 設計計算必須按不同施工階段的特征分設計計算必須按不同施工階段的特征分別進行驗算，同時應考慮前一種工況對別進行驗算，同時應考慮前一種工況對后面各種工況內力和變形的影響。后面各種工況內力和變形的影響。 圍護結構穩(wěn)定性驗算圍護結構穩(wěn)定性驗算 基坑邊坡總體穩(wěn)定演算；基坑邊坡總體穩(wěn)定演算； 圍護墻體抗傾覆穩(wěn)定驗算；圍護墻

10、體抗傾覆穩(wěn)定驗算； 圍護墻底面抗滑移驗算；圍護墻底面抗滑移驗算； 基坑圍護墻前抗隆起穩(wěn)定驗算；基坑圍護墻前抗隆起穩(wěn)定驗算； 抗豎向滲流驗算；抗豎向滲流驗算； 基坑周圍地面沉降及其影響范圍的估計?；又車孛娉两导捌溆绊懛秶墓烙嫛＞c圍護墻的插入土深度有關。均與圍護墻的插入土深度有關。 節(jié)點設計節(jié)點設計合理的節(jié)點構造應符合以下條件：合理的節(jié)點構造應符合以下條件：方便施工；方便施工；節(jié)點構造與設計計算模型中的假設條件一致；節(jié)點構造與設計計算模型中的假設條件一致；節(jié)點構造應起到防止構件局部失穩(wěn)的作用；節(jié)點構造應起到防止構件局部失穩(wěn)的作用；盡可能減少節(jié)點自身的變形量；盡可能減少節(jié)點自身的變形量；與整

11、體穩(wěn)定相關的節(jié)點應設置多道防線，同與整體穩(wěn)定相關的節(jié)點應設置多道防線，同時要具有良好的節(jié)點延性。時要具有良好的節(jié)點延性。 其他土工問題其他土工問題井點降水井點降水井點降水的作用是：井點降水的作用是： 1）通過降低地下水位消除基坑坡面及坑底）通過降低地下水位消除基坑坡面及坑底的滲水，改善施工作業(yè)條件；的滲水，改善施工作業(yè)條件； 2）增加邊坡穩(wěn)定性，防止坡面和基底的土）增加邊坡穩(wěn)定性，防止坡面和基底的土粒流失，以避免流砂現(xiàn)象；粒流失，以避免流砂現(xiàn)象； 3）降低水位，防止坑底隆起與破壞；）降低水位，防止坑底隆起與破壞； 4）改善基坑的砂土特性，加速土的固結。）改善基坑的砂土特性，加速土的固結。降水的

12、方法有集水明排和井點降水兩類。降水的方法有集水明排和井點降水兩類。土方開挖土方開挖其中最重要的要求是每階段的開挖深度與相其中最重要的要求是每階段的開挖深度與相應設計工況的計算模型一致。應設計工況的計算模型一致。強調先支撐后開挖的原則。強調先支撐后開挖的原則。監(jiān)測監(jiān)測內容有以下幾個方面：內容有以下幾個方面：圍護結構主要構件的內力和變形圍護結構主要構件的內力和變形基坑周圍土體的變形，邊坡穩(wěn)定及地下水的基坑周圍土體的變形，邊坡穩(wěn)定及地下水的變化和空隙水壓力的測定等；變化和空隙水壓力的測定等；對周圍環(huán)境中需要保護的對象進行專門內容對周圍環(huán)境中需要保護的對象進行專門內容的觀察和測定。的觀察和測定。 深基

13、坑支護結構內力計算是個古老的傳深基坑支護結構內力計算是個古老的傳統(tǒng)課題，同時又是一個綜合性的。它既統(tǒng)課題，同時又是一個綜合性的。它既涉及土力學中典型的強度與穩(wěn)定問題，涉及土力學中典型的強度與穩(wěn)定問題，又包含了變形問題，同時還涉及到土與又包含了變形問題，同時還涉及到土與支護結構的支護結構的共同作用問題共同作用問題。 地基反力系數(shù)是一個必須首先確定的參地基反力系數(shù)是一個必須首先確定的參數(shù)。主要由地質條件決定，與承力面積數(shù)。主要由地質條件決定，與承力面積和深度也有關系，其值最好通過試驗求和深度也有關系，其值最好通過試驗求得。得。 計算模型見表計算模型見表12-6 計算原則：計算原則： 一般考慮樁土共

14、同作用的彈性地基梁上一般考慮樁土共同作用的彈性地基梁上的桿系或框架模型，根據施工過程中發(fā)的桿系或框架模型，根據施工過程中發(fā)生的實際工況分布進行計算，同時考慮生的實際工況分布進行計算，同時考慮施工工況引起結構的先期位移值以及支施工工況引起結構的先期位移值以及支撐變形的影響或采用荷載增量法進行計撐變形的影響或采用荷載增量法進行計算，即所謂算，即所謂“先變形，后支撐先變形，后支撐”的原則。的原則。 計算模型：計算模型： 樁土共同作用模型樁土共同作用模型 水平支點力計算水平支點力計算 支護結構的嵌固深度分析支護結構的嵌固深度分析 樁（墻）內力的計算分析方法樁（墻）內力的計算分析方法 （一）彈性地基桿系

15、有限單元法（一）彈性地基桿系有限單元法 常用方法，一般過程如下：常用方法，一般過程如下：結構理想化：根據其結構受力特性，理想化結構理想化：根據其結構受力特性，理想化為桿系單元；為桿系單元；結構離散化：按豎向劃分成有限元單元。結構離散化：按豎向劃分成有限元單元。擋土結構的節(jié)點應滿足變形協(xié)調條件；擋土結構的節(jié)點應滿足變形協(xié)調條件；單元所受荷載和單元節(jié)點位移之間的關系，單元所受荷載和單元節(jié)點位移之間的關系，以單元的勁度矩陣確定。以單元的勁度矩陣確定。根據靜力平衡條件列出平衡方程求解。根據靜力平衡條件列出平衡方程求解。 （二）擋土結構的有限元法（二）擋土結構的有限元法 廣泛應用。這里介紹廣泛應用。這里

16、介紹“彈性桿系有限元法彈性桿系有限元法” 支撐體系平面框架計算支撐體系平面框架計算 在工程中將圍護結構中的支撐體系在結構上在工程中將圍護結構中的支撐體系在結構上設計成一個水平的封閉框架。設計成一個水平的封閉框架。作用在基坑結構上的荷載作用在基坑結構上的荷載作用于支護結構上的荷載主要有：作用于支護結構上的荷載主要有：l）土壓力；）土壓力；2）水壓力；）水壓力；3）影響區(qū)范圍內建筑物、結構物荷載；）影響區(qū)范圍內建筑物、結構物荷載；4）施工荷載：汽車、吊車及場地堆載等；）施工荷載：汽車、吊車及場地堆載等；5）若支護作為主體結構的一部分時，應考慮地震力；）若支護作為主體結構的一部分時，應考慮地震力；6

17、）溫度影響和混凝土收縮引起的附加荷載）溫度影響和混凝土收縮引起的附加荷載 主動土壓力和被動土壓力的產生，前提條件是支護結構存在位移； 當支護結構沒有位移時，則土對支護結構的壓力為靜止土壓力。 土壓力的分布與支點的設置及其數(shù)量都有關系；懸臂支護樁土壓力的實測值與按朗肯公式計算值的對比，非挖土側實測土壓力小于朗肯主動土壓力，即計算結果偏大。 圖3-5 懸臂支護樁土壓力分布圖3-6 芝加哥深基坑土壓力實測圖 圖3-7 柏林地道工程土壓力實測圖 基坑底樁前土壓力計算取值 基坑底樁前土抗力常采用的是Rankine公式計算，由于計算出來的被動土壓力是以極限狀態(tài)為前提的，當被動土壓力達到理論計算值時，其圍護

18、結構的變形位移將很大，一般達到坑深或樁墻高度的5%，這么大的變形位移是基坑支護結構所不能允許的。因此，對于基坑支護被動土壓力計算中，一般取其折減系數(shù)=0.30.5。 護樁與土體間的摩擦作用 樁墻支護結構在土壓力作用下發(fā)生變形變位時，護樁和土體之間有相對位移而產生摩擦力，摩擦力將使樁墻后的主、被動土壓力減??；相反確使樁墻前面的被動土壓力增大。為此進行支護結構設計時應考慮樁墻與土體的摩擦作用，即將墻前、后的被動土壓力乘以修正系數(shù). 但為慎重起見對主動土壓力可不進行折減。一般使墻前被動土壓力增大的修正系數(shù)可取K = 1.52.8；使墻后被動土壓力減小的修正系數(shù)可取K= 1.00.35。修正系數(shù)與土的

19、內摩擦角有關，值越大，修正系數(shù)K越大,而K越小。 實際工程設計計算中，為簡化起見，既不進行被動土壓力理論計算值的折減，也不進行因摩擦作用而使墻前被動土壓力增大的修正。 土的內聚力C、內摩擦角值可根據下列規(guī)定適當調整： 在井點降低地下水范圍內，當?shù)孛嬗信潘头罎B措施時，值可提高20%； 在井點降水土體固結的條件下，可考慮土與支護結構間側摩阻力影響，將土的內聚力c提高20%。 主動土壓力： 被動土壓力：)245(2)245()(21nnnniiinantgctghqe )245(2)245()(12ninnniinpntgctghqe （1）地面滿布均布荷載q0時，任何土層底面處： （2）離開擋土

20、結構距離為a時 onqqahnii10nq1niiha1noniibqqbah (3)作用在面積為 與擋土結構平行）的地面荷載，離開擋土結構距離時。ahnii10nqahnii10112121)2)(qhbhabbbqniniiin221b(bb 水壓力，主要根據土質情況確定如何考慮水壓力的問題 。 對于粘性土，土壤的透水性較差，此粘性土產生的側向壓力可采用水土合算的方法，即側壓力為相應深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側壓力系數(shù)。 對于砂性土，采用水土分算，即側壓力為相應深度處豎向土壓力乘以側壓力系數(shù)與該深度處水壓力之和。 砂土簡化計算，將水壓力與土壓力分別計算，并把水看作是： 主動壓力=靜止

21、壓力=被動壓力= h w22110)245(2)245()(hctgtghHhqewa21102)(hKcKahHhqwa 地下水無滲流時的水壓力 地下水有穩(wěn)態(tài)滲流時的近似水壓力 在實際工程中，僅進行內力分析是不夠的，在實際工程中，僅進行內力分析是不夠的，還需要進行基坑穩(wěn)定性驗算。還需要進行基坑穩(wěn)定性驗算。 常見的基坑失穩(wěn)的表現(xiàn)形式有常見的基坑失穩(wěn)的表現(xiàn)形式有：整體失穩(wěn)破壞；整體失穩(wěn)破壞；承載力不足導致的破壞；承載力不足導致的破壞；基底滑動破壞；基底滑動破壞；基底潛蝕、管涌；基底潛蝕、管涌；滲流；滲流；支擋結構破壞；支擋結構破壞；被動土壓力喪失等。被動土壓力喪失等。錨拉系統(tǒng)破壞底部內移板樁彎曲

22、整體滑動管涌、隆起邊坡穩(wěn)定 指防止基坑邊坡上的部分土體脫離整體而沿著某一個面向下滑動所需要的安全度。 在放坡開挖的基坑中、沒有支護結構的基坑中、地基深處存在軟弱土層時都需要控制邊坡穩(wěn)定。 tantan)11(uTKtantanKsin/QibhTTTwwu20)(21DqhMSLcRRkRMaRL321tantanSLRLMMK 坑底抗?jié)B流穩(wěn)定驗算教材圖12-14是Terzaghipeck方法的計算簡圖。 （12-19） 由此推得：考慮到平均超靜水頭ha是個變化值，進行簡化處理后得到： (12-22)式中：k 應取大于1.2；h1取開挖面以上至透水性良好的土層底面之間得距離。amhDUPKaw

23、hKD21hhKDwwsatwhtwsatwhtwwKht/wsatwht（一）實用計算方法（二）同濟大學模型試驗經驗公式 （12-27）由已知基底容許隆起量時求墻體入土深度： （12-28）)(110iinieicEbs54. 004. 05 . 0)(tan637. 0)(5 .120167. 017.29cHtH 254. 004. 0)(tan051. 000134. 033. 208. 01cHHtwsatwht基坑圍護墻外土體沉降估算wsatwhtwsatwht0max2xSw3 . 06 . 10maxxSw 土層錨桿是一種埋入土層深部的受拉桿件，它一端與構筑物相連，另一端錨固在

24、土層中。 1）錨桿承載力計算 2）錨桿桿體的截面面積 cosudNT cos ydsfTA cospydfTAp （1）安全等級為一級及缺乏地區(qū)經驗的二級基坑側壁，應進行錨桿的基本試驗，受拉抗力分項系數(shù)可取1.3。 （2）基坑側壁安全等級為二級且有鄰近工程經驗時 ：)(2221kks1kssuddclqdlqdNjjii （3）. 對于塑性指數(shù)大于17的粘性土層中的錨桿應進行蠕變試驗。 （4）錨桿預加力值（鎖定值）應根據地層條件及支護結構變形要求確定，宜取為錨桿軸向受拉承載力設計值的0.500.65倍。 （5） 自由段計算長度245sin/2145sinkktfll45+k/2 土釘墻由被加固

25、土體、放置在土中的土釘體和噴射砼面板組成，形成一個以土擋土的重力式擋土墻。 土釘墻自上而下施工，步步為營，土釘墻是靠土釘?shù)南嗷プ饔眯纬蓮秃险w作用。 土層錨桿的失效影響較大，不應用于沒有臨時自穩(wěn)能力的淤泥、飽和軟弱土層。 圖 土釘墻應用領域a) 托換基礎; b) 豎井的擋墻; c) 斜面的擋土墻d) 斜面穩(wěn)定; e) 和錨桿并用的斜面防護jjTTuk025. 1 受拉承載力 受拉荷載標準值 jjjjjksseTcos/zxka 荷載折減系數(shù) )245(/ tg12tg12tg2kk tg iijjlqTksnsud1 采用簡化圓弧滑動條分法 mjjniiiiiniiiTtgbqWssLc1n1

26、k01kcos)(tg)sin(21)cos(k ijjjj 0sin)(100niiiikbqws 土釘墻墻面坡度不宜大于1：0.1； 噴射混凝土面層宜配置鋼筋網，鋼筋直徑宜為610mm，間距宜為150300mm； 噴射混凝土強度等級不宜低于C20，面層厚度不宜小于80mm； 土釘鋼筋宜采用、級鋼筋，鋼筋直徑宜為1632mm，鉆孔直徑宜為70120mm； 又稱攪拌樁擋墻 ，利用一種特殊的攪拌頭或鉆頭，鉆進地基至一定深度后，噴出固化劑，與地基土強行拌和而形成的加固土樁體。 Mixed-In-Place Method MIP(美國) Deep Mixing Method (日本) 固化劑采用水泥或石灰； 適用于加固淤泥質土、粘土； 國外最大深度60m ，國內1218m； 特點：施工無震動、噪音、無廢水泥漿； 坑內無需支撐拉錨，優(yōu)良的抗?jié)B特性。 支擋高度，國內最深9m;n擋墻寬度為0.60.8開挖深度，樁長為開挖深度的1.8-2.2倍。 3.6.1 土壓力計算計算主動土壓力和被動土壓力 3.6.2 抗傾覆計算 3.6.3 抗滑移計算 3.6.4 墻身應力驗算 3.6.5 整體穩(wěn)定計算 一般情況下，使墻體強度不成為設計