地下车库基坑支护工程设计方案

1 地下车库基坑支护工程设计方案 1. 工程概况 建筑工程概况 拟建国家安全部行政管理局地下车库基坑支护工程位于北京市朝阳区酒仙桥南十里居亮马河南侧 60 m 处。设计为两层地下车库，采用钢筋混凝土框架结构、基础形式为筏板基础，无上部结构。车库开挖深度 坑长约 108m、宽约 88m，建筑面积约 14551民用建筑。 拟建车库所属院内，一条宽约 5 m 的马路环形于距基坑开挖线四周 7 10m 处。开挖轴线西侧无邻近建筑物，东侧距轴线 17 m 处分布有 11 层办公楼、南侧、北侧距轴线 16 m 处分布有 3层办公楼 (详见图集 工程地质条件 根据北京城乡建设勘察院提供的国家安全部行政管理据地下车库工程地质勘察报告，拟建场地地形较平坦，地面标高为 下管线分布较多。地基土按沉积年代、成因类型分为人工堆积层和第四纪沉积层。 表层为人工堆积土层，层中分布有杂填土 1层， 2层；层以粘质粉土、砂质粉土为主，层中有粉砂 1层、重粉质粘土、粉质粘土 2层， 层厚约 层为粉质粘土，土质较软，结构较敏感，层中夹有粘质粉土、砂质粉土 1 层，细、粉砂 2层，层厚约 层为细砂，厚度约为 层为粉质粘土，层厚约 层为粉质粘土，层中分布有粘质粉土、砂质粉土 1 层、重粉质粘土 2层、砂质粉土 3层等夹层，厚度约为 (详见图集 表 岩层物理力学指标统计表 土 层代号 岩土层名称 平均厚度 内聚力 内摩擦角 重度 备注 H C m kN/1 杂填土 2 砂质粉质 3 粉质粘土 4 细砂 2 5 粉质粘土 6 粉质粘土 水文地质概况 根据工程勘察报告，本场区测得第一层地下水静止水 位 均水位埋深 水土层为粘质粉土层；第二层地下水静止水位 位埋深 水土层为细砂层和细、粉砂 2层，本层水为承压水。根据岩土工程勘察报告提供的资料表明，拟建地实测到三层地下水，其类型及埋深、标高如下表： 表 岩层 水文地质概况 统计表 地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋以及钢结构具有弱腐蚀性。 2. 方案论证 初选方案 基坑平面尺寸与深度 拟建车库基坑开挖深 约 108m、宽约 88m，面积为 9504坑面积较大、开挖较深，故初步选用抗弯性、整体性较好的钻孔排桩支护方法。 地质条件与地下水状况 根据工程地质报告，场区地下以粉质粘土为主，土质较松软；地下水状况因受场区北侧 60下水量大。潜水层位于 为粉质粘土层。 故根据地质条件及地下水状况在第一步选用的钻孔排桩支护方法上细分出两种方案：降水采用井点降水将水位降至 护采用钻孔灌注桩加锚杆支护方法；距开挖线 1 2成挡土挡水帷幕（无须降水），钻孔灌注桩加锚杆支护方法（桩及锚杆布置少于方案）。 近建筑物的限制 基坑西侧无邻近建筑物，东侧、南侧、北侧距轴线 17m 处分布有办公楼。轴线至邻建物的水平距离 H 与基坑开挖深度 L 比较为 L楼重对基坑构成的影响可不计，但这三侧基坑地下水层 地下水类型 静止水位层厚 静止水位标高 第一层 上层滞水 二层 承压水 5. 58 三 层 承压水 3 变形量不应对邻近建筑物构成影响，故布桩及锚杆须谨慎。 工程造价 与 经济效益 因基坑西侧无邻近建筑物，故方案中西侧可选用土钉墙支护方式，从而减少工程造价。方案中因深层搅拌桩的挡土效应，在后续论证中可减少桩及锚杆数量，从而减少工程造价。 综上所述，考虑到选用方案的抗弯及整体性、防渗性、工程造价等方面，初步选用为：方案东侧、南侧、北侧钻孔灌注桩加锚杆支护及西侧土钉墙支护方案；方案深层搅拌桩加桩锚支护方案。 详细论证初选方案 方案一 一 . 降水设计 根据地质勘察报告，地下 水平均静止水位为 水土层的渗透系数大于 3m d。拟开挖基坑为矩形，基坑长 108m、宽 88,基坑深 下水位埋深 水层深度为 综合各类井点降水条件，考虑到工期限制故排除电渗井点降水方法，确定预先方案为喷射井点和管井井点，由于渗透系数较大，而管井占用场地较小，故选用井点降水法降水，设计管井为完整井。取滤水管直径 D=400砾厚度取 100井径为 00400+100 2=600），井点距坑壁 水后地下水位距坑底 h=1m。 计算 S、 R、 r：水位降低值： S=8.9 m 抽水影响半径： R=10S =10 3 =154.2 m 井半径： r=21D=300 涌水量计算 大井引用半径： F = 8( =55.9 m ； 抽水计算 影响半径： +10.1 m ； 涌水量： Q=( R 5 1 0 9 )21 6 =1246.2 m3/d ； 井管埋设深度计算 取沉砂管长 m，地下水降落坡度 i=1： 10,取降深水位以下过滤管长度为 L=1.2 m， 4 45m。则 1+h+iL s+L+101 45+1+9.3 m；取 0 m。 单井抽水量 q q= D=1 3 3.1 m2/d 。 井点数量计算： n 8+ n=54 。 井点间距： b54 2) 7.4 m 降水井立面图请见附录一。 二 深埋单锚式板桩 绘土压力分布与相当梁弯矩图 根据勘察报告对 18 0=N/ 0=21，3.7 深埋单锚式板桩相当梁计算 方法对粘性土略去粘聚力而增加的内摩擦角 ,查表取 32 , 0=17 KN/ q=20 KN/据设计要求取锚头距地表 Z 计算主、被动土压力系数得： 45(2 45(2 则 求 t0 1.2 m 求 有 2 )(3Z+2b32,代入已知数据可得： N/m; 由 求 2 )(3 )2( Z2b（3t 0+=0，代入已知数据可得： N/m . 1 相 当 梁 法 板 桩 计 算 简 图 5 求 21 =8.4 m 求最大弯矩 2)(311m a x =N m/m 求受被动土压力段 x： x=)=4.7 m 则入土深度 t1=t0+x=.9 m， 实际入土深度 t=（ 7.1 m，取 t=6.6 m；需桩 全长 18 m。 对弯矩加以修正 ： M=N m/m。 对钻孔灌注桩其抗弯计算的假定条件为圆形截面，则钢筋混凝土钻孔灌注桩的弯矩设计值M 由下式表达： s 3 0)()s s t =2 （当 t=0） 为简化计算，取 1 2（ 1） 2 =（ 1 2），则得 针对本设计方案设钻孔灌注桩 600 16 20的钢筋，下面求该桩能承受的弯矩设计值。 计算配筋率： = = 故满足配筋要求 , 10 N/筋分布半径应由桩半径减去灌注桩混凝土保护层厚度（不小于 5钢筋半径，即 50 A = 3002 = 105 s = 16 102 =103 ： 6 t =2 = t= . s 3 32 3003 210 5030 250106 N N m 取安全系数为 2，则每根桩可承受 N m。故灌注桩的桩间距 S= 桩间距 S=1.0 m。 土层锚杆布置： 支锚力最大值为 N/m，应乘以安全系数 承受的水平力 = KN/m（每延米）。 土层锚杆头部距地面 孔孔径 150杆向下倾斜 15，已知护桩入土深度t=计采用两桩一锚即锚杆的水平间距为 b 每根锚杆实际承受的水平力为： Th=N/m=N u 锚杆的轴向拉力设计值为 0=N， 取锚杆抗拔安全系数 K 2， 则锚杆的极限抗拔力 N。 0 如下图所示：锚固地层 =32 , 0=17 KN/设 q=20KN/ 50= 据正弦定理有 : s= . 2 锚 杆 长 度 计 算 图0m 2 / 2/2 7 则： 01041.8 m 由此非锚固段长度 .0 m 度 选锚固段长度 =15m，则上图中 F+4.5 m h=BO =7.4 m = 1 17 =N/e=26.3 m 再对原假定锚固段 =15 h=7+ 8.7 m， =1 17 =N/ 按简支梁锚杆腰梁的最大弯矩为拉杆作用点处。其值为： M=4=4 =N m 取 36w=19 KN/则有 w=1240.5 查表，采用 2 根 36距 25中 660 2=1320 1240.5 度满足要求。 8 如图所示将 1有 o s)2157(rc G=(8) 1 14 17 2= 17 182 20 18 1 = N， 17 0 1 = N， 由式： (1 )(1 51 ) 4 5 N Ks=说明深部破裂面稳定无问题 基坑的稳定性验算 滑动力矩： =21(rH+q)1 (17 0) N m/m 对抗滑动力矩 分得： q =20m 2OM . 4 桩 体 抗 隆 起 示 意 图 . 3 锚 杆 长 度 计 算 图20m 2Q| 9 )(3443221)2( 232222 基坑地面处墙体的极限抵弯矩 ： 1 N m/m rH+q=17 0=N/a=4502） = )(3443221)2( 232222 =(21 17 0 1 2 17 +4 17 3 +N m/m 因此抗隆起的安全系数公式为： Ks=基坑底土体稳定。 三 取坡上超载 q 20地质勘查报告计算各层土的参数值如下表： 表 层土参数值 锚杆层数 岩土层名称 埋置深度 内聚力 内摩擦角 重度 主动土压力系数 m kN/ 1 杂填土 粉质粘土 粉质粘土 粉质粘土 细砂 粉质粘土 粉质粘土 土钉基本参数的选取 放坡角度为 基坑边坡放坡系数 1： D 100 角为 100， 土钉为 7层呈梅花型布置；间距为 .5 m， 则每层布置 55根土钉；土钉锚固体直径 计算每层土钉所受的土压力 ： 由公式 2)( 计算出各层锚杆所受土压力如下表： (此处详细 10 计算过程经运行计算机程序得出 ) 表 层土钉所受的土压力 锚杆层数 第层 第层 第层 第层 第层 第层 第层 i（ 土钉抗拔力试验值 由试验抗拔力公式 (式中 )计算锚体抗剪强度及试验抗拔 力如下表： 表 层锚体抗剪强度及试验抗拔力 杆层数 第层 第层 第层 第层 第层 第层 第层 KN/KN/m) 锚体稳定区长度 险滑动面内土钉长度 锚体稳定区长度公式 0（式中 锚杆总长 算锚体稳定区长度及土钉总长如下表： 图 化后的滑裂面图 表 层土钉长度统计表 锚杆层数 第层 第层 第层 第层 第层 第层 第层 m ) m ) m ) 整 3 14 7 8 10 7 7 土钉抗拔力ib 11 由土钉抗拔力公式i=(式中粘结强度粉土取 80、砂土取 100KN/ 填土取 40 KN/表 层土钉抗拔力i锚杆层数 第层 第层 第层 第层 第层 第层 第层 i（ 计算土钉钢筋直径 选取 1 20 的一级钢筋，其抗拉强度为210 N/ 则由公式210 既满足要求。 土钉外部稳定性验算 抗滑动稳定计算 土钉抗滑安全系数为式中： 墙后主动土压力和 N 12 抗滑合力 Ft )( (0 N 代入数据得： 抗倾覆稳定计算 安全系数 中： 倾覆力矩w 2)( (0 N 倾覆力矩3i 入数据得：安全系数 小结 经过参数的选取及计算得出：降水工程共 54口井点、井径为 600深 20m；桩锚支护工程中混凝土灌注桩共 392根、桩径为 600长 18m、桩间距 杆长 22m、孔径为 150距为 196根、腰梁选用 36钉支护工程共布置七层土钉、水平 及垂直间距均为 径为 100喷面厚 100喷放坡比为 1： 本方案的降水工程、桩锚支护工程及土钉墙支护工程经过反复的计算、比较后均通过相应 安全验算。故方案一在技术上是可行的。 方案二 一 . 深层搅拌支护设计 主要设计参数：选用 425号硅酸盐水泥；按要求水泥掺入比应大于 7，这里选 14；水灰比取 确定挡土墙宽度、挡土墙入土深度及桩长 假设按平面问题计算 ,则水泥土挡墙的墙宽取 :B =m 水泥土挡墙的桩入土深度为 : h =2.6 m 则初步选定深层搅拌桩桩长为 : H = h+ 14m 对设计任务书给定参数取墙底以上各层土加权平均值如下表： 表 层土加权平均值（ 、 、 c） 参数 天然重度 内摩擦角 粘聚力 c 墙底以上 0 0 底至坑底 1 1 13 计算土压力 墙后主动土压力： (21 0H2+ 55 =(21 142 +20 14) 14 N/m 墙后被动土压力为： 21 15+21)+2 5+21) = 21 =N/m 抗倾覆计算 计算桩体自重 : W= 72.4 kN/算 2 = 4.7 m 计算抗倾覆系数 :=3121213121 = = 故满足抗倾覆要求。 抗滑移计算 重力式挡墙计算墙体沿底面滑动的安全系数 ,抗滑移系数 : 0 C = 2 . 4 = 故满足抗滑移要求。 抗渗计算 当地下水从基底以下土层向基坑内渗流时，若其动水坡度大于渗流出口处土颗粒的临界动水坡度，将产生基底渗流失稳现象。则需计算看深系数： 14 K 渗 ic 2)3 故满足抗渗要求。 抗隆起计算 基坑隆起可使墙后土体及基底土体向基坑内移动，促使地面向上鼓起，出现塑性流动和涌土现象。故需计算抗隆起系数： 承载力系数 : 5+21) = (1s =)(C 1hh =20) = 故满足抗渗要求。 二 . 桩锚支护设计 由于采用深层搅拌法联合支护 ,形成一道挡土挡水帷幕，深层搅拌桩与灌注桩间距为 设计采用明沟排水降低深层搅拌桩帷幕内侧水位。因深层搅拌桩起到挡土作用，可分担 30的主动土压力，故以下计算土压力应取 70。 深埋单锚式板桩 绘土压力分布与相当梁弯矩图 根据勘察报告对 18 0=N/浮容重 )， 0=22， 3.7 深埋单锚式板桩相当梁计算方法对粘性土略去粘聚力而增加的内摩擦角，查表取 32， 0=17 KN/查表取 q=20 KN/据设计要求取锚头距地表 Z 算主、被动土压力系数得： 45(2 45(2 则 0 / h . 6 相 当 梁 法 板 桩 计 算 简 图 15 求 t0 1.2 m 取 2 )(3Z+2b32, 代入已知数据可得： N/m 由 求 2 )(3 )2( Z2b（3t 0+=0， 代入已知数据可得： N/m 求 21 =7.0 m 求最大弯矩 2)(311m a x =N m/m 求受被动土压力段 x： x=)=3.9 m 入土深度 t1=t0+x=.0 m 实际入土深度 t=（ 6.0 m，取 t=5.6 m；需桩全长 17 m。 对弯矩加以修正 ： M=N m/m。 对钻孔灌注桩其抗弯计算的假定条件为圆形截面，则钢筋混凝土钻孔灌注桩的弯矩设计值M 由下式表达： s 3 针对本设计方案设钻孔灌注桩 600 16 20的级热轧钢筋，下面求该桩能承受的弯矩设计值。 计算配筋率： = = 故满足配筋要求 , 10 N/筋分布半径应由桩半径减去灌注桩混凝土保护层厚度（不小于 5钢筋半径，即 50 A= 3002 = 105 s= 16 102 =103 16 则： t =2 = t= . s 3 2 3003 210 5030 250 =N m 取安全系数为 2，则每根桩可承受 N m。故灌注桩的桩间距 S= 桩间距 S=2.0 m。 土层锚杆布置： 支锚力最大值为 N/m，应乘以安全系数 =N/m（每延米）。 土层锚杆头部距地面 孔孔径 150杆向下倾斜 15 ,已知护桩入土深度t=计采用一桩一锚即锚杆的水平间距为 b=每根锚杆实际承受的水平力为： Th=2 m=N u 锚杆的轴向拉力设计值为 0=N 取锚杆抗拔安全系数 K 2,则锚杆的极限抗拔力 N 0 如下图所示：锚固地层 =32 , 0=17 KN/设 q=20KN/ 50= 据正弦定理有 : s=01041.8 m . 7 锚 杆 长 度 计 算 图20m 2 / 2/2 17 由此非锚固段长度 .0 m e 初选锚固段长度 =14m，则上图中 o 点为锚固段的中点有： F+4.0 m h=7.1 m = 1 17 =N/e=18.6 m 再对原假定锚固段 =16 h=7+ 7.7 m =1 17 =N/ 按简支梁锚杆腰梁的最大弯矩为拉杆作用点处其值为： M=4=4 N m 取 32w=17 KN/则有 w=查表 509 2=1018 73.5 度满足要求。 如图所示 设 =0，则 1 18 o s)2137(rc G=(7) 17 2=N 17 172 20 17 N 17 0 N 由式： (1)(1=)51 ) 2 3 3 N Ks= 说明深部破裂面稳定无问题 基坑的稳定性验算 为了保证基坑底的稳定性，本方案将以抗滑动 的力矩平衡条件保证基坑底的稳定性。 | . 8 锚 杆 长 度 计 算 图20m 220m 2OM . 9 桩 体 抗 隆 起 示 意 图9 对抗滑动力矩 分得： )(3443221)2( 232222 滑动力矩： 21(rH+q)1 (17 0) N m/m 基坑地面处墙体的极限抵弯矩 1 N m/m rH+q=17 0=N/a=4502） = )(3443221)2( 232222 =(21 17 0 1 2 17 +4 17 +N m/m 因此抗隆起的安全系数公式为： Ks= 故基坑底土体稳定 三 取坡上超载 q 20地质勘查报告计算各层土的参数值如下表： 表 层土参数值 锚杆层数 岩土层名称 埋置深度 内聚力 内摩擦角 重度 主动土压力系数 m kN/ 1 杂填土 砂质粉质 粉质粘土 粉质粘土 细砂 粉质粘土 粉质粘土 土钉基本参数的选取 放坡角度为 基坑边坡放坡系数 1： D 100 角为 100， 土钉为 7层呈 20 梅花型布置； 间距为 2.0 m、 .5 m， 则每层布置 40 根土钉；土钉锚固体直径 计算每层土钉所受的土压力 ： 由公式 2)( 计算出各层锚杆所受土压力如下表： (此处详细计算过程经运行计算机程序得出 ) 表 层土钉所受的土压力 锚杆层数 第层 第层 第层 第层 第层 第层 第层 i（ 0 i 土钉抗拔力试验值 由试验抗拔力公式 (式中 )计算锚体抗剪强度及试验抗拔 力如下表： 表 层锚体抗剪强度及试验抗拔力 杆层数 第层 第层 第层 第 层 第层 第层 第层 KN/KN/m) 锚体稳定区长度 险滑动面内土钉长度 锚体稳定区长度公式 070%（式中 锚杆总长 算 锚体稳定区长度及土钉总长如下表： 图 化后的滑裂面图 表 层土钉长度统计表 锚杆层数 第层 第层 第层 第层 第层 第层 第层 m ) b 21 m ) m ) 整 1 12 6 7 9 8 8 土钉抗拔力i由土钉抗拔力公式i=(式中粘结强度粉土取 80、砂土取 100KN/杂 填土取 40 KN/表 层土钉抗拔力i锚杆层数 第层 第层 第层 第层 第层 第层 第层 i（ 计算土钉钢筋直径 选取 1 20 的一级钢筋，其抗拉强度为210 N/ 则由公式210 既满足要求。 土钉外 部稳定性验算 22 抗滑动稳定计算 土钉抗滑安全系数为式中： 墙后主动土压力和 N 抗滑合力 Ft )( (0 2 N, 代入数据得： 抗倾覆稳定计算 安全系数 中： 抗倾覆 力矩w 2)( (0 2 N 倾覆力矩3i 入数据得：安全系数 明沟排水设计 本方案因深层搅拌桩墙形成了一道止水帷幕，深层搅拌桩墙在验算中抗渗透验算满足要求，因此在方案二种采用明沟排水的方法是坑内水位降 低。 明沟排水采用分层开挖土方，在基础轮廓线以外开挖排水沟和集水井。 计算假设大井半径0 14 88108 49 m 计算涌水量 Q Q002lg) 499110 9814.1 m 计算水泵功率 N N2175Qa 16.4 . 小结 23 经过参数的选取及计算得出：深层搅拌止水挡土工程共 1024根、桩径为 800长 14m、搭接长度为 200锚支护工程中混凝土灌注桩共 196 根、桩径为 600长 17m、杆长 20m、孔径为 150距为 196 根、腰梁选用 32b 槽钢；土钉支护工程共布置七层土钉、水平间距为 直间距为 径为 100喷面厚 100喷放坡比为 1： 本方案的深层搅拌止水挡土工程、桩锚支护工程及土钉墙支护工程经过反 复的计算、比较后均通过相应安全验算。故方案二在技术上是可行的。 工程量计算 方案一 一 钻进成孔： 54 18 274.7 成孔工程量： 392 18 1994.0 钢筋用量 主筋 20： 16 392 303.3 t 加强筋 14： 2 9 392 7.4 t 箍筋 2 90 392 15.8 t 连梁 混凝土： 304 91.2 钢 筋：主筋 20： 304 6 4955.8 5.0 t 箍筋 ( 2 1678 三 成 孔： 196 22 83.1 钢绞线： 196 22 11.3 t 腰梁（槽钢 36a）： 108 2+88 304 m 四 成 孔： (13+14+7+8+10+7+7) 55 27.5 锚喷面工作量： 88 12 1056 钢筋用量 24 主筋： 20 ： (13+14+7+8+10+7+7) 55 水平压筋 20 ： 80 7 1.5 t 钢网 88 12 2 2.2 t 方案二 一 主要设计参数：选用 425号硅酸盐水泥；按要求水泥掺入比应大于 7，这里选 14；水灰比取 水泥用： 510 24 14 14 2000 2009 t 二 成孔工程量： 196 17 941.6 钢筋用量 主筋 20： 16 196 143.2 t 加强筋 14： 2 8 196 3.3 t 箍筋 2 85 196 7.5 t 连梁 混凝土 ： 304 钢 筋： 主筋 20： 304 6 筋 ( 2 1678 三 成 孔： 196 20 69.2 钢绞