基坑工程設(shè)計(jì)案例教案

第3章基坑工程3.1概

述隨著城市建設(shè)的發(fā)展，地下空間在世界各大城市中得到開發(fā)利用。如高層建筑地下室、地下倉(cāng)庫(kù)、地下民防工事以及多種地下民用和工業(yè)設(shè)施等。在我國(guó)，地鐵及高層建筑的興建，產(chǎn)生了大量的基坑（深基坑）工程?；庸こ讨饕▏o(hù)體系的設(shè)置和土方開挖兩個(gè)方面。圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常是一種臨時(shí)結(jié)構(gòu)，安全儲(chǔ)備較小，具有比較大的風(fēng)險(xiǎn)?；又ёo(hù)設(shè)計(jì)使用期限不應(yīng)小于1年。圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足的基本要求：保證基坑周圍未開挖土體的穩(wěn)定；

保證相鄰建筑物的、地下管線的安全，不受損害；保證主體地下結(jié)構(gòu)的施工空間。上海浦東綠洲中環(huán)中心

鋼管內(nèi)支撐的優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，裝拆方便；缺點(diǎn)是支撐的剛度略差，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)易變形。多道鋼內(nèi)撐有助于控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。水平支撐導(dǎo)墻開挖、模板、鋼筋施工導(dǎo)墻采用小鋼模導(dǎo)墻導(dǎo)墻回填土泥漿制備工廠泥漿工廠內(nèi)部泥漿池成槽機(jī)地下墻鋼筋籠（帶注漿管）定位器地下墻鋼筋籠凹凸接頭履帶吊移動(dòng)鋼筋籠地下墻鋼筋籠雙機(jī)抬吊鋼筋籠下放注漿管安裝混凝土澆筑地下墻接頭箱拔接頭箱刷壁器地下連續(xù)墻外觀地下室頂板預(yù)留鋼筋帶水平支撐體系（四道）的地下連續(xù)墻水平支撐坑內(nèi)挖土坑內(nèi)挖土，棧道轉(zhuǎn)運(yùn)橫向支撐上可作為一般的人行通道拆除最下一道橫向支撐3.2圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式及適用范圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式及分類放坡開挖及簡(jiǎn)易支護(hù)懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)土釘墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)其他形式圍護(hù)結(jié)構(gòu)土袋短樁基坑簡(jiǎn)易支護(hù)土袋或塊石支護(hù)短樁支護(hù)放坡開挖及簡(jiǎn)易支護(hù)邊坡高度與坡度控制巖土類別狀態(tài)及風(fēng)化程度允許坡高允許坡度硬質(zhì)巖石微風(fēng)化中等風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化121081：0.10~1：0.201：0.20~1：0.351：0.35~1：0.50軟質(zhì)巖石微風(fēng)化中等風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化8881：0.35~1：0.501：0.50~1：0.751：0.75~1：1.00砂土中密以上51：1.00基坑頂面無載重1：1.25基坑頂面有靜載1：1.50基坑頂面有動(dòng)載粉土稍濕51：0.75基坑頂面無載重1：1.00基坑頂面有靜載1：1.25基坑頂面有動(dòng)載邊坡允許坡度值巖土類別狀態(tài)及風(fēng)化程度允許坡高允許坡度粉質(zhì)粘土堅(jiān)硬硬塑可塑5541：0.33基坑頂面無載重1：0.50基坑頂面有靜載1：0.75基坑頂面有動(dòng)載1：1.00~1：1.25基坑頂面無載重1：1.25~1：1.50基坑頂面無載重粘土堅(jiān)硬硬塑可塑5541：0.33~1：0.751：1.00~1：1.251：1.25~1：1.50雜填土中密、密實(shí)的建筑垃圾土51：0.75~1：1.00邊坡允許坡度值（續(xù)）邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算需要進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算的情況有以下幾種：坡頂有堆載；邊坡高度與坡度超出上表所列允許值；存在軟弱結(jié)構(gòu)面的傾斜地層；巖層和主要結(jié)構(gòu)層面的傾斜方向與邊坡的開挖面傾斜方向一致，且兩者走向的夾角小于45°。土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定分析可用圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行分析。巖質(zhì)邊坡宜按由軟弱夾層或結(jié)構(gòu)面控制的可能滑動(dòng)面進(jìn)行驗(yàn)算。懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征：無支撐的懸臂圍護(hù)結(jié)構(gòu)；支撐材料：鋼筋混凝土排樁、鋼板樁、木板樁、鋼筋混凝土板樁、地下連續(xù)墻、SMW工法樁等；

受力特征：利用支撐入土的嵌固作用及結(jié)構(gòu)的自身的抗彎剛度擋土及控制變形；

適用條件：土質(zhì)較好，開挖深度較小的基坑。重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征：常用水泥土樁構(gòu)成重力式擋土構(gòu)造；支撐材料：水泥攪拌樁、注漿；

受力特征：利用墻體或格構(gòu)自身的穩(wěn)定擋土與止水；

適用條件：寬度較大，開挖較淺，周圍場(chǎng)地較寬，對(duì)變形要求不高的基坑。重力式水泥土墻斷面圖平面圖內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征：由擋土結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)兩部分組成；支撐材料：擋土材料有鋼筋混凝土樁、地下連續(xù)墻，支撐材料有鋼筋混凝土梁、鋼管、型鋼等；

受力特征：水平支撐、斜支撐，單層支撐、多層支撐；

適用條件：各種土層和基坑深度。內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu)拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征：由擋土結(jié)構(gòu)與錨固系統(tǒng)兩部分組成；支撐材料：可采用內(nèi)撐式結(jié)構(gòu)相同的材料外，還可以采用鋼板樁等；

受力特征：由擋土結(jié)構(gòu)與錨固系統(tǒng)共同承擔(dān)土壓力；

適用條件：砂土或粘性土地基。拉錨式圍護(hù)結(jié)構(gòu)土釘墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特征：由土釘與噴錨混凝土面板兩部分組成；支撐材料：由土釘及鋼筋混凝土面板構(gòu)成支撐；

受力特征：由土釘構(gòu)成支撐體系，噴錨混凝土面板構(gòu)成擋土體系；

適用條件：地下水位以上或降水后的粘土、粉土、雜填土及非松散砂土、碎石土。鋼筋混凝土樁水泥攪拌樁連拱式支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖高壓噴射樁鉆孔灌注樁灌注樁與高壓噴射樁組合支護(hù)型鋼深層攪拌樁SMW工法樁組合支護(hù)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)分類支護(hù)結(jié)構(gòu)擋土部分支撐部分透水擋土結(jié)構(gòu)止水擋土結(jié)構(gòu)H型鋼、工字鋼+插板疏排灌注樁+鋼絲網(wǎng)水泥抹面密排灌注樁、預(yù)制樁雙排樁擋土連拱式灌注樁土釘墻地下連續(xù)墻深層攪拌樁、墻深層攪拌樁+灌注樁密排樁+高壓噴射樁鋼板樁閉合拱圈墻自立式樁、墻錨拉支護(hù)土層錨桿水平支撐、斜撐環(huán)梁支護(hù)系統(tǒng)3.3支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載水、土壓力計(jì)算水、土壓力分算方法對(duì)于透水性比較大的砂性土和粉土，分別計(jì)算作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力（按朗肯土壓力理論計(jì)算）和水壓力（按靜水壓力計(jì)算），然后疊加作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。

水、土壓力合算方法對(duì)于透水性比較差的粘性土地基，采用水、土壓力合算的方法計(jì)算作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向壓力。pak──支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，第i層土中計(jì)算點(diǎn)的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

(kPa)；當(dāng)pak<0時(shí)，應(yīng)取pak＝0；ppk──支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，第i層土中計(jì)算點(diǎn)的被動(dòng)土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

(kPa)。擋土結(jié)構(gòu)位移對(duì)土壓力的影響一般的圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身剛度不大，在側(cè)向壓力作用下產(chǎn)生較大的相對(duì)位移時(shí)，對(duì)土壓力的分布與大小產(chǎn)生影響。一般有以下幾種情況：

擋土構(gòu)造不發(fā)生位移墻后主動(dòng)土壓力為靜止土壓力，土壓力分布為三角形分布。H/2H

擋土構(gòu)造頂部不動(dòng)，底部向外位移無論位移達(dá)到多大，都不能使填土內(nèi)發(fā)生主動(dòng)破壞，壓力為曲線分布，總壓力作用點(diǎn)位移墻底以上越H/2處。擋土構(gòu)造平行向外移動(dòng)位移的大小未達(dá)到足以使填土發(fā)生主動(dòng)破壞時(shí)，壓力為曲線分布，當(dāng)位移超過某一值后填土將發(fā)生主動(dòng)破壞，應(yīng)力成直線分布。

擋土構(gòu)造上下兩端不動(dòng)，中部發(fā)生向外位移墻后主動(dòng)土壓力為馬鞍形分布。擋土構(gòu)造下端不動(dòng)，上端向外位移無論位移多少，作用在墻背上的壓力都按直線分布。當(dāng)墻上端的移動(dòng)達(dá)到一定數(shù)值后，墻后填土?xí)l(fā)生主動(dòng)破壞，此時(shí)作用在墻上的土壓力稱為主動(dòng)土壓力。3.4支護(hù)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)規(guī)定設(shè)計(jì)依據(jù)：《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）設(shè)計(jì)狀態(tài)

承載能力極限狀態(tài)：支護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力破壞，錨固系統(tǒng)失效或坡體失穩(wěn)狀態(tài)；

正常使用極限狀態(tài)：支護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡的變形達(dá)到結(jié)構(gòu)本身或鄰近建筑物的正常使用限值或影響耐久實(shí)用性能。

安全等級(jí)根據(jù)建筑基坑工程破壞可能造成的后果，基坑工程劃分為三個(gè)安全等級(jí)。承載能力極限狀態(tài)

1）支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度或過度變形的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下式要求：

式中：γ0──支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Sd──作用基本組合的效應(yīng)（軸力、彎矩等）設(shè)計(jì)值；

Rd──結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力設(shè)計(jì)值。2）坑體滑動(dòng)、坑底隆起、擋土構(gòu)件嵌固段推移、錨桿與土釘拔動(dòng)、支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆與滑移、基坑土的滲透變形等穩(wěn)定性計(jì)算和驗(yàn)算，應(yīng)符合下式要求：

式中：Rk──抗滑力、抗滑力矩、抗傾覆力矩、錨桿和土釘?shù)臉O限抗拔承載力等土的抗力標(biāo)準(zhǔn)值；Sk──滑動(dòng)力、滑動(dòng)力矩、傾覆力矩、錨桿和土釘?shù)睦Φ茸饔脴?biāo)準(zhǔn)值的效應(yīng)；

K──穩(wěn)定性安全系數(shù)。正常使用極限狀態(tài)

由支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、基坑周邊建筑物和地面的沉降等控制的正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，應(yīng)符合下式要求：

式中：Sd──作用標(biāo)準(zhǔn)組合的效應(yīng)（位移、沉降等）設(shè)計(jì)值；

C──支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、基坑周邊建筑物和地面的沉降的限值?；釉O(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

支護(hù)體系的方案比較與選型；支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形計(jì)算；基坑內(nèi)外土體的穩(wěn)定性驗(yàn)算；地下水控制設(shè)計(jì)；

施工程序設(shè)計(jì)；周邊環(huán)境保護(hù)措施；支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)和開挖監(jiān)控項(xiàng)目及報(bào)警要求?；釉O(shè)計(jì)應(yīng)具備的資料

巖土工程勘察報(bào)告；建筑總平面圖、地下管線圖、地下結(jié)構(gòu)平面和剖面圖；土建設(shè)計(jì)和施工對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的要求；鄰近建筑物和地下設(shè)施的類型、分布情況和結(jié)構(gòu)質(zhì)量的檢測(cè)評(píng)價(jià)。3.5懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析（排樁、板樁）計(jì)算簡(jiǎn)圖（均質(zhì)土）排樁變位凈土壓力分布簡(jiǎn)化處理后的凈土壓力分布靜力平衡法基本原理：隨著板樁的入土深度的變化，作用在板樁兩側(cè)的凈土壓力分布也隨之發(fā)生變化，當(dāng)作用在板樁兩側(cè)的凈土壓力相等時(shí)，板樁處于平衡狀態(tài)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的板樁的入土深度即是保證板樁穩(wěn)定的最小入土深度。根據(jù)板樁的靜力平衡條件可以求出該深度。t土壓力計(jì)算（朗肯土壓力理論）確定板樁入土深度t

基坑底土壓力thDz1z2pah地面超載thDz1z2pah確定凈土壓力p=0的深度DthDz1z2pah確定深度h+z1及h+t

處的凈土壓力確定最小入土深度t

當(dāng)板樁入土深度達(dá)到最小入土深度t時(shí)，應(yīng)滿足作用在板樁上的水平力之和等于0，各力距任一點(diǎn)力矩之和等于0的靜力平衡條件，建立靜力平衡方程，可以求得未知量z2及板樁最小入土深度t：求解上述聯(lián)立方程，可以得到未知值z(mì)2，t（也可以采用試算法計(jì)算），為安全起見，計(jì)算得到的t值還需乘以1.1的安全系數(shù)作為設(shè)計(jì)入土深度，即實(shí)際的入土深度=1.1t。板樁內(nèi)力計(jì)算計(jì)算板樁最大彎矩時(shí)，根據(jù)在板樁最大彎矩作用點(diǎn)剪力等于0的原理，可以確定發(fā)生最大彎矩的位置及最大彎矩值。對(duì)于均質(zhì)無粘性土（c=0，q0=0），根據(jù)圖示關(guān)系，當(dāng)剪力為0的點(diǎn)位于基坑底面以下深度b時(shí)，則有：解出b后，即可求得Mmax：hbz1布魯姆法（均質(zhì)土）基本原理：布魯姆法以一個(gè)集中力Ep’代替板樁底出現(xiàn)的被動(dòng)土壓力，根據(jù)該假定建立靜力平衡方程，求出入土深度及板樁內(nèi)力。計(jì)算板樁入土深度t

對(duì)板樁底C點(diǎn)取力矩，由ΣMc=0得到：OhtluE’pEpE4E1E2E3ΣPCxxma在均質(zhì)土條件下，凈土壓力為0的O點(diǎn)深度可根據(jù)墻前與墻后土壓力強(qiáng)度相等的條件算出（不考慮地下水及頂面均布荷載的影響，c=0，q0=0）：代入前式求解方程后可求得未知量x，板樁的入土深度按下式計(jì)算：t=u+1.2x為便于計(jì)算，建立了一套圖表，利用該圖表，可用圖解法確定未知量x值，其順序如下：令中間變量：再令：根據(jù)求出的m、n值，查圖表確定中間變量ξ，從而求得：

x=ξ·l，t=u+1.2x內(nèi)力計(jì)算最大彎矩發(fā)生在剪力Q=0處，如圖設(shè)O點(diǎn)以下xm處的剪力Q=0，則有：最大彎矩：OhtluE’pEpE4E1E2E3ΣPCxxma例題1：某懸臂板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)如圖示，試用布魯姆法計(jì)算板樁長(zhǎng)度及板樁內(nèi)力。6mluE3E1E2ΣPaq=10kN/m2c=0φ=34°γ=20kN/m3解：①板樁長(zhǎng)度查表，ξ=0.67，x=ξl=0.67×6.57=4.4mt=1.2x+u=1.2×4.4+0.57=5.85m板樁長(zhǎng)=6+5.85=11.85m，取12m。②計(jì)算最大彎矩8.6單支點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析（排樁、板樁）頂端支撐的排樁結(jié)構(gòu)，有支撐的支撐點(diǎn)相當(dāng)于不能移動(dòng)的簡(jiǎn)支點(diǎn)，埋入地中的部分，則根據(jù)入土深度，淺時(shí)為簡(jiǎn)支，深時(shí)為嵌固。在確定板樁的入土深度時(shí)，太淺則跨中彎矩比較大，較深時(shí)則不經(jīng)濟(jì)。比較合理的入土深度為下圖所示的第3種狀態(tài)所處的入土深度。一般按該種狀態(tài)確定板樁的入土深度t。EaEptminEaEpt1tmaxEaEpEp’t2EaEpEp’(a)(b)(c)(d)內(nèi)力計(jì)算方法（均質(zhì)土）靜力平衡法（埋深較淺，下端鉸支，前圖a計(jì)算圖式）根據(jù)圖示所示靜力平衡體系，根據(jù)A點(diǎn)的力矩平衡方程及水平方向的力平衡方程，可以得到兩個(gè)方程：根據(jù)上述方程求解出板樁的入土深度t及反力R

htREpEaAd對(duì)支撐A點(diǎn)取力矩平衡方程：由水平方向的靜力平衡方程：根據(jù)剪力為0的條件，可以求得最大彎矩的位置：板樁截面最大彎矩：等值梁法基本原理：將板樁看成是一端嵌固另一端簡(jiǎn)支的梁，單支撐擋墻下端為彈性嵌固時(shí)，其彎矩分布如圖所示，如果在彎矩零點(diǎn)位置將梁斷開，以簡(jiǎn)支梁計(jì)算梁的內(nèi)力，則其彎矩與整梁是一致的。將此斷梁稱為整梁該段的等值梁。對(duì)于下端為彈性支撐的單支撐擋墻，彎矩零點(diǎn)位置與凈土壓力零點(diǎn)位置很接近，在計(jì)算時(shí)可以根據(jù)凈土壓力分布首先確定出彎矩零點(diǎn)位置，并在該點(diǎn)處將梁斷開，計(jì)算兩個(gè)相連的等值簡(jiǎn)支梁的彎矩。將這種簡(jiǎn)化方法稱為等值梁法。RaABBQBQBGE’pBGhtREaE’pEa2Ah0aDBGCuxΔxt0γ(kp-ka)x計(jì)算步驟計(jì)算凈土壓力分布根據(jù)凈土壓力分布確定凈土壓力為0的B點(diǎn)位置，利用下式算出B點(diǎn)距基坑底面的距離u（c=0，q0=0）：計(jì)算支撐反力計(jì)算支撐反力Ra及剪力QB。以B點(diǎn)為力矩中心：以A點(diǎn)為力矩中心：計(jì)算板樁的入土深度由等值梁BG取G點(diǎn)的力矩平衡方程：可以求得：

板樁的最小入土深度：t0=u+x，考慮一定的富?？梢匀。簍=(1.1~1.2)t0求出等值梁的最大彎矩根據(jù)最大彎矩處剪力為0的原理，求出等值梁上剪力為0的位置，并求出最大彎矩Mmax。注意：以上兩種情況計(jì)算出的支撐力（錨桿拉力）為單位延米板樁墻上的數(shù)值，如支撐（錨桿）間距為a，則實(shí)際支撐力（錨桿拉力）為aR。工程實(shí)踐中，可按以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系粗略確定正負(fù)彎矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)B的位置（即u的深度）。設(shè)基坑深度為h，地面均布荷載為q，基坑底面以下土體的內(nèi)摩擦角為φ，等效基坑深度為：h’=h+q/γ單支撐板樁的計(jì)算，是以板樁下端為固定的假設(shè)進(jìn)行的，對(duì)于埋入粘性土中的板樁，只有粘性土相當(dāng)堅(jiān)硬時(shí)，才可以認(rèn)為底端固定，因此，其計(jì)算假定與一般實(shí)際情況仍有差異。但等值梁法計(jì)算結(jié)果偏于安全，方法簡(jiǎn)單，特別適合于非粘性土地基中的支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算。例題2：某單支撐板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)如圖示，試用等值梁法計(jì)算板樁長(zhǎng)度及板樁內(nèi)力。1m9.0muEaaq=28kN/m2c=6kPaφ=20°γ=18kN/m3xx0Ra解：①土壓力計(jì)算②u的計(jì)算③Ra、QB的計(jì)算④入土深度t的計(jì)算取t=13.0m，板樁長(zhǎng)=10+13=23m⑤內(nèi)力計(jì)算求Q=0的位置x08.7多支點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法簡(jiǎn)介連續(xù)梁法基本原理：將排樁支護(hù)看成多支點(diǎn)支撐的連續(xù)梁計(jì)算步驟（以三道支撐為例）AABABABCDC(a)(b)(c)(d)(1)設(shè)置第一道支撐A之前的開挖階段（圖a）按下端嵌固在土中的懸臂樁墻計(jì)算。(2)設(shè)置第二道支撐B之前的開挖階段（圖b）按板樁墻為兩個(gè)支點(diǎn)的靜定梁計(jì)算，兩個(gè)支點(diǎn)分別為A及土中凈土壓力為0的一點(diǎn)。(3)設(shè)置第三道支撐C之前的開挖階段（圖c）按板樁墻為具有三個(gè)支點(diǎn)的連續(xù)梁計(jì)算，三個(gè)支點(diǎn)分別為A、B及土中凈土壓力為0的一點(diǎn)。(4)澆筑底板以前的開挖階段按板樁墻為具有四個(gè)支點(diǎn)三跨的連續(xù)梁計(jì)算。支撐荷載1/2分擔(dān)法基本原理：墻后主動(dòng)土壓力分布采用太沙基—佩克假定，按1/2分擔(dān)的概念計(jì)算支撐反力和排樁內(nèi)力。l1l2l3l4l5R1R2R3R