基坑设计计算说明钻孔灌注桩与钢筋混凝土支撑

1第一章 设计方案综合说明1.1 概述1.1.1 工程概况拟建南大微结构国家实验室工程位于南京市金银街以西，其南临南大生命科学院大楼，西侧为住宅楼。拟建建筑物地面以上 6 层，地下 2 层，总建筑面积 69533m2，建筑0.00 相当于绝对标高 17.25m，整平后地面标高为17.00m，其它标高均以此为准，地下室负二层底板顶标高为-7.75m，基坑开挖深度为 8.50m,框架结构。 1.1.2 基坑周边环境条件基坑北面和东面均为马路，最近距离为 15 m,下设通讯电缆、煤气管线等设施。西侧为居民住宅楼，楼高五层，其最近距离为 10.5 m，南侧为南大生命科学院大楼，最近距离为 12.5 m。1.1.3 工程水文地质条件拟建场区地貌单元为阶地，地形较平坦，场地西侧有坳沟分布，东侧有暗塘分布。在基坑支护影响范围内，自上而下有下列土层：层杂填土：灰色，稍密，主要由碎石、碎砖、建筑垃圾组成，硬质含量 30-60%,填龄大于 5 年。-2 层素填土：灰黄灰色，粉质粘土为主，可塑软塑，混少量碎砖粒，炉渣，填龄大于 10 年。-3 层淤泥质填土：灰黑色，流塑，稍具臭味，含腐植物。-1 层粉质粘土：灰黄灰色，可塑软塑，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。-2 层淤泥质粉质粘土淤泥：灰色，流塑，含腐植物，稍有光泽，无摇震反应，干强度低，韧性低。-3 层粉质粘土：灰色，软塑，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。-1 层粉质粘土：黄褐色，可塑硬塑，含少量铁锰结核，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。第一章 设计方案综合说明2-2 层粉质粘土：黄褐色，可塑，局部软塑，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等。-3 层粉质粘土：黄褐色，可塑硬塑，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，含铁锰结核及灰色高岭土团块。-1 层粉质粘土混卵砾石：黄褐色，由硬塑粉质粘土，稍密卵砾石及中粗砂组成，卵砾石为浑圆次圆状，主要成分为石英岩，粒径 450mm，含量约 30%。-2 层残积土：棕褐及紫红色，呈硬塑粘性土状。-1 层强风化泥岩泥质粉砂岩：砖红色，上部呈硬塑粘性土状，下部碎块状，节理发育。-2 层中风化泥岩泥质粉砂岩：砖红色，层状结构，块状构造，泥质胶结，属极软岩。场区有一层地下水，属孔隙潜水类型，地下水位深度在 0.70m1.65m 之间。主要接受降雨、地表水、地下径流的补给。1.1.4 基坑侧壁安全等级及重要性系数南大微结构国家实验室基坑安全等级为二级，基坑重要性系数 0 = 1.0。 1.2 设计总说明1.2.1 设计依据（1）南大微结构国家实验室场地地形图、管网图、建筑基础图、地下室平面布置图、桩位图；（2） 南大微结构国家实验室岩土工程勘察报告(K2005-59)； （3） 建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)；（4） 混凝土结构设计规范(GB50010-2002)；（5） 钢结构设计规范 （GB50017-2003） ；（6） 建筑桩基础技术规范(JGJ94-94)；（7） 岩土工程勘察规范(GB50021-2002)。1.2.2 支护结构方案3本工程基坑支护设计方案的设计计算，严格按照建筑基坑支护设计规程 （JGJ12099） 、 混凝土结构设计规范 （GBJ500102002） 、 钢结构设计规范 （GB50017-2003）中的有关要求进行。同时采用了理正软件进行了辅助计算和验算；经过详细的计算分析后，我们认为：采用本设计的基坑支护方案，能满足基坑土方开挖、地下室结构施工及周围环境保护对基坑支护结构的要求，符合“安全可靠，经济合理，技术可行，方便施工”的原则。图 1 基坑平面图 基坑分为 ABC、CDEF、FGHA 三个计算区段，如图 1 所示，均采用钻孔灌注桩与钢筋混凝土支撑，坳沟、暗塘分布区采用单排双轴深搅桩止水结构。本基坑工程的特点是基坑开挖面积大，地基土层以粉质粘土为主，基坑西侧和北侧有坳沟、暗塘。周围环境较复杂，必须确保周围建筑物、道路、管线的正常安全使用，要求围护结构的稳定性好、沉降位移小，并能有效地止水。因此，围护结构的设计应满足上述要求。综合考察现场的周边环境、道路及岩土组合等条件，为尽可能避免基坑开挖对周围建筑物、道路的影响，经过细致分析、计算和方案比较，本工程支护方案选用下列形式： 整个基坑采用钻孔灌注桩加一层钢筋混凝土支撑作为支护结构。 基坑西侧和北侧坳沟、暗塘分布区采用单排双轴深搅桩作止水结构。 基坑内采用集水坑排除地下水。1.3 基坑监测基坑监测是指导正确施工、避免事故发生的必要措施，本设计制定了详细的沉降、位移监测方案，施工过程中将严格按照设计要求做好监测、监控第一章 设计方案综合说明4工作。5第二章 基坑支护结构设计计算书2.1 设计计算2.1.1 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 1：表 1 土层设计计算参数渗透系数重度 粘聚力 C 内摩擦角 水平 Kh 垂直 Kv土 层（KN/m 3） (kPa) () （cm/s） （cm/s）杂填土 19.5 1015 1518.6 2.52E-6 2.37E-6-1 粉质粘土 19.3 23.4 16.9 1.36E-6 6.30E-7-2 淤泥质粘土淤泥 15.1 11.0 8.7 5.72E-7 3.70E-7-3 粉质粘土 19.1 13.4 18.1 3.89E-6 2.64E-6-1 粉质粘土 19.9 47.8 18.8 1.00E-7 1.00E-7-2 粉质粘土 19.6 30.6 18.5 3.85E-7 2.62E-7-3 粉质粘土 20.1 50.9 17.9 1.00E-7 1.00E-72.1.2 计算区段的划分根据具体环境条件、地下结构及土层分布厚度，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 2：表 2 计算区段的划分区 段 西、北 东、北 西、南段位号 ABC CDEF FGHA地面荷载（kPa） 20 20 20开挖深度（m） 8.5 8.5 8.52.1.3 计算方法按照建筑基坑支护技术规范（JGJ 120-99）的要求，土压力计算采用朗肯土压力理论，矩形分布模式，所有土层采用水土合算。求支撑轴力是用等值梁法，对净土压力零点求力矩平衡而得。桩长是根据桩端力矩求出，并应满足抗隆起及整体稳定性要求，各段的抗隆起、整体稳定性验算、位移计算详见点电算结果。为了对比分析，除用解析法计算外，还用理正软件电算。由于支护结构内力是随工况变化的，设计时按最不利情况考虑。2.1.4 土压力系数计算第二章 基坑支护结构设计计算书6按照朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计的计算依据，即：主动土压力系数：K ai=tg2(45- i/2)被动土压力系数：K pi=tg2(45+ i/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 所示：表 3 土压力系数表土 层 Kai KaiKpi Kpi杂填土 0.5160.589 0.7190.767-1 粉质粘土 0.550 0.741 1.820 1.349-2 淤泥质粘土淤泥 0.737 0.859 1.356 1.165-3 粉质粘土 0.526 0.725 1.901 1.379-1 粉质粘土 0.513 0.716 1.951 1.397-2 粉质粘土 0.518 0.720 1.930 1.389-3 粉质粘土 0.530 0.728 1.887 1.3742.2 ABC 段支护结构设计计算该段为基坑西北侧，建筑0.00 相当于绝对标高 17.25m，整平后地面标高为 17.00m，支撑设在-1.75m 处，桩顶标高为-1.35m。实际挖深 8.50m，结构外侧地面附加荷载 q 取 20kPa，计算时以 J1 孔为例。2.2.1 土层分布（如表 4 所示）表 4 ABC 段土层分布层号 岩土名称 厚度（m） 杂填土 3.60-1 粉质粘土 0.90-2 淤泥质粘土淤泥 5.10-3 粉质粘土 7.90-2 粉质粘土 2.202.2.2 土层侧向土压力计算2.2.2.1 主动土压力计算Ea(1 1)=(20+19.51.1)0.516-2150.719=-0.18(kPa)Ea(1 2)=(20+19.53.6)0.516-2150.719=24.97(kPa)Ea(2 1)=(20+19.53.6)0.550-223.40.741=14.93(kPa)7Ea(2 2)=(20+19.53.6+19.30.9)0.550-223.40.741=24.48(kPa)Ea(3 1)=(20+19.53.6+19.30.9)0.737-2110.859=60.37(kPa)Ea(3 2)=(20+19.53.6+19.30.9+15.14)0.737-2110.859=104.90(kPa)Ea(4 1)=Ea(3 2)=104.90(kPa)Ea(4 2)=Ea(4 1)=104.90(kPa)Ea(5 1)=(20+19.53.6+19.30.9+15.14)0.526-213.40.725=68.92(kPa)Ea(5 2)=Ea(5 1)=68.92(kPa)Ea(6 1)=(20+19.53.6+19.30.9+15.14)0.518-230.60.720=42.94(kPa)Ea(6 2)=Ea(6 1)=42.94(kPa)2.2.2.2 被动土压力计算Ep(4 1)=01.356+2111.165=25.63(kPa)Ep(4 2)=(0+15.11.1)1.356+2111.165=48.15(kPa)Ep(5 1)=(0+15.11.1)1.901+213.41.379=68.53(kPa)Ep(5 2)=(0+15.11.1+19.17.9)1.901+213.41.379=355.37(kPa)Ep(6 1)=(0+15.11.1+19.17.9)1.930+230.61.389=408.28(kPa)Ep(6 2)=(0+15.11.1+19.17.9+19.62.2)1.930+230.61.389=491.50(kPa)2.2.2.3 净土压力计算（坑地面以下）Ep(4 1)=25.63-104.90=-79.27(kPa)Ep(4 2)=48.15-104.90=-56.75(kPa)Ep(5 1)=68.53-68.92=-0.39(kPa)Ep(5 2)=355.37-68.92=286.45(kPa)Ep(6 1)=408.28-42.94=365.34(kPa)Ep(6 2)=491.50-42.94=448.56(kPa)第二章 基坑支护结构设计计算书8图 2 ABC 段土压力分布图2.2.3 土压力合力及作用点的计算：LD(1)=0.182.5/(24.97+0.18)=0.02(m)Ea(1)=24.97(2.50-0.02)/2=30.96(KN/m)Ha(1)=(2.5-0.02)/3=0.83(m)Ea(2)=(14.93+24.48)0.9/2=17.73(KN/m)Ha(2)=0.9/3(14.932+24.48)/(14.93+24.48)=0.41(m)Ea(3)=(60.37+104.90)4/2=330.54(KN/m)Ha(3)=4/3(60.372+104.90)/(60.37+104.9)=1.82(m)Ea(4)=(56.75+79.27)1.1/2=74.81(KN/m)Ha(4)=1.1-1.1/3(56.752+79.27)/(56.75+79.27)=0.58(m)LD(5)=0.397.9/(0.39+286.45)=0.01(m)Ea(5)=0.390.01/2=0.002(KN/m)Ha(5)=0.01-0.01/3=0.007(m)Ep(5)=(7.9-0.01)286.45/2=1130.05(KN/m)Hp(5)=(7.9-0.01)/3=2.63(m)Ep(6)=(365.34+448.56)2.2/2=895.29(KN/m)Hp(6)=2.2/3(365.342+448.56)/(365.34+448.56)=1.06(m)Ea=30.96+17.73+330.54+74.81=454.04(KN/m)Ma=30.966.84+17.735.52+330.542.93+74.010.59=1321.78(KNm/m)2.2.4 支撑轴力计算：9经计算：M aD=1321.78(KNm/m)E a=454.04(KN/m)由M D=0 得：R=1321.78/(9.61-1.5)=162.98(kN/m)反弯点反力 P0计算：P0=454.04-162.98=291.06(kN/m)2.2.5 桩长计算：设桩端进入-2 层顶面以下 x 米处，由M=0 得：1.21321.78+454.04(7.89+x)=162.98(17.5+x-1.5)+1130(2.63+x)+1/2365.34x2+1/2(448.56-365.34)x/2.2)x(x/3)整理得：6.30x3+182.67x2+748.18x-305.28=0解之得： x=0.374m桩长 H=17.5+0.374-1.1=16.8m，经电算验算，满足要求。2.2.6 最大弯矩计算：2.2.6.1 R-P0 间最大弯矩，Mmax1 计算：设剪力 Q=0 点位于第-2 层顶面以下 x 米处：162.98=30.96+17.73+60.37x+1/2(104.90-60.37)/4x2整理得： 5.57x2+60.37x-114.29=0解得： x=1.645mMmax1=162.98(3.6+0.9+1.645-1.5)-30.96(0.83+0.9+1.645)-17.73(0.41+1.645)-60.371.6452/2-0.5(104.90-60.37)1.645/41.6452/3=526.18(KNm/m)2.2.6.2 P0 以下最大弯矩，Mmax2 计算：设剪力 Q=0 点位于 D 点以下 x 米处：291.06=1/2(286.45x/7.89)x第二章 基坑支护结构设计计算书10整理得：18.15x2-291.06=0解得：x=4.00mMmax2=291.064-1/24286.454/7.894/3=776.98(KNm/m)2.2.7 拆撑计算本工程拟建两层地下室，混凝土垫层 200mm，地下室负 2 层底板厚800mm，负 1 层底板中心线位于地面下 3.75m 处，厚 400mm，负 1 层顶板中