毕业设计（论文）-某音乐厅基坑地下连续墙设计.docx

分类号 密级中国地质大学（北京）本 科 毕 业 设 计题 目 某音乐厅基坑地下连续墙设计 英文题目a foundation wall design of concert engineering 学生姓名 院（系） 工程技术学院 专 业 土木工程 学 号 指导教师 徐能雄 职 称 教授 二一五年五月摘 要本文较为完整得设计了一个基坑工程的支护设计。包括设计方案的选择、连续墙设计、配筋设计、锚杆设计以及基坑稳定性四大方面的内容，并根据设计计算提供基坑设计相关数据表格和图纸供审阅和参考。首先介绍了某音乐厅工程概况，包括水文地质和工程地质条件，然后根据实际情况以及施工方法，选择出了适合本工程的开挖支护方案。参照土力学对场地土压力进行计算，采用等值梁法进行结构内力的计算，对基坑的开挖支护作了理论上的数据分析，然后参照相关规范对连续墙结构尺寸和配筋进行设计。锚杆支撑是本工程重要的一部分，本设计包括锚杆形式设计、杆体配筋设计、自由段长度设计、锚固段长度设计等。所有设计完成后进行基坑稳定性校核，如果不满足相关规范要求，则需要重新设计地下连续墙数据。关键词：地下连续墙；等值梁法；锚杆支撑；稳定性验算abstractthis article is designed to give a more complete supporting design of an excavation project. including four major areas, the selection of design options, continuous wall design, content reinforcement design, and foundation stability anchor design.and providing relevant data tables and pit design drawings for review and reference according to the design calculations.first introduced in a concert hall project overview, including hydrogeology and engineering geology, then according to the actual situation and the construction method for selecting a program of excavation and support for this project.refer to soil mechanics of the site earth pressure is calculated using the equivalent beam structure forces the calculation method of the excavation pit were theoretically support data analysis, and reference to the relevant specifications of the continuous wall structure size and distribution rib design.bolt support is an important part of this project, the design includes a bolt in the form of design, rod reinforcement design, free length design anchorage length design.foundation pit stability check all the design is complete, the relevant regulatory requirements. if not, we need to re-design the underground continuous wall data.key words: diaphragm wall; the equivalent beam method; bolting supporting；stability checking目 录1 工程概况21.1 工程概述21.2 工程地质条件21.3 水文地质条件22 基坑支护结构设计42.1 结构设计方法42.2 基坑支护结构内力计算42.2.1 荷载及相关参数42.2.2 结构内力计算42.2.3 嵌固深度计算132.2.4 弯矩和剪力图142.3 结构配筋计算142.3.1 结构截面设计142.3.2 结构纵筋设计142.3.3 箍筋设计162.4 导墙和接头设计172.4.1 导槽设计172.4.2 连续墙接头设计172.5 锚杆设计182.5.1 锚杆承载力计算182.5.2 锚杆拉筋设计192.5.3 锚杆自由段长度设计192.5.4 锚杆锚固段长度设计212.5.5 锚杆参数终设计243 基坑支护结构稳定性验算263.1 整体稳定性验算263.2 抗倾覆稳定性验算263.3 坑底土隆起稳定性验算303.4 抗渗流稳定性验算31结 论33致 谢34参考文献35附图：附图 平面布置图附图 连续墙支撑布置图附图 连续墙细部构造图附图 连续墙配筋图附图 锚杆安装图中国地质大学（北京）2015届本科毕业设计绪 论随着社会的不断发展，基坑工程已经成为建筑领域中不可缺少的一部分，无论是楼房，亦或是其他用途的建筑，都离不开基坑支护，而基坑支护的重要性也绝对不是空口无凭的。不管是在施工过程中，还是在使用阶段，基坑支护对于一个建筑来说都起着非常重要的作用。近年来，我国建设事业不断发展，各种奇特的建筑相继出现，对于某些建筑，基坑支护也是一项挑战。基坑工程是一项工程的起点，对一项工程是否能顺利开展以及工程施工过程中的安全性、稳定性。甚至工程交付使用之后的安全以及相关方面都有极大的影响。所以，基坑支护的重要性可想而知。基坑工程是在地表以下开挖一个地下空间并与其配套的支护体系。而基坑支护就是为保证基坑开挖，基础施工的顺利进行及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁以及周边环境采用的支挡，加固与保护措施。基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大风险，基坑工程具有很强的区域性。不同水文，工程地质环境条件下基坑工程的差异很大。基坑工程环境效应复杂，基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全稳定，而且要有效的控制基坑周边地层移动以及保护周围环境。基坑支护是一项复杂的工程，因为要考虑到很多因素，它所涉及的范围也是很广的，必须有结构力学、土力学、地基处理及原为测试等多种学科知识的结合，才能对边坡支护有一个完善的处理方案。它的前期勘察、支护结构设计、岩土性质、施工开挖、降水、监测、施工工序都对边坡支护有一定的影响。如何保证建筑在施工过程中、正常使用以及后期保养修复都处于安全状态，而且要在经济合理的前提下进行，这必然成为一个重要项目，对每一项的任务都提出了挑战。351 工程概况1.1 工程概述某音乐厅工程基坑长度约240m，宽度约76m，埋深14m，占地1.824hm2，属于超深超大，多跨大面积基坑工程。图1-1 场地总平面图1.2 工程地质条件工程地质条件根据地层沉积年代、成因类型和物理力学性质等，场地地层划分：第四系全新统人工填土层、第四系全新统上组陆相冲积层、第四系全新统中组海相沉积、第四系全新统下组沼泽相沉积、全新统下足陆相冲积层、上更新统第五组陆相冲积层、上更新统第二组海相沉积层、上更新统第一组陆相冲积层。表1-1 场地土层技术参数层数土层性质顶面标高（m）深度（m）重度（kn/m3）内摩擦角（）粘聚力（kpa）1素填土02182202粉质粘土-215192493粉砂-176202004粉土-23未穿越1924121.3 水文地质条件通过对本工程场地的水文地质勘察，地下水位埋深约-1.5m，场地埋深约33m以上可以划分3个水文地质岩组：潜水含水岩组：15m以上；相对隔水层：1516m、1823m。第一微承压含水层：2333m。静止水位埋深：1.52.4m本场地地下水位对混凝土结构无腐蚀性，对其中的钢筋亦无腐蚀性。2 基坑支护结构设计2.1 结构设计方法本基坑属于深基坑，拟采用地下连续墙支护，需要打入多道支撑。在计算内力时，可以采用多锚支护结构等值梁法，计算出支撑内力及嵌固深度。从而计算出弯矩及剪力。由于有地下水的影响，地下水位以下采用水土合算的方法计算水土压力。根据计算出的内力参照相关规范及资料进行墙体设计、配筋设计以及锚杆设计。取底面为标高零点，作为y坐标零点，y坐标延基坑开挖方向递增。本次开挖分四次开挖（图2-1）：第一次开挖至标高-2m，打入第一根锚杆支撑；第二次开挖至标高-6m，打入第二根锚杆支撑；第三次开挖至-10m，打入第三道支撑；第四次开挖至标高-14m，即坑底。图2-1 基坑开挖设计2.2 基坑支护结构内力计算2.2.1 荷载及相关参数 由于此工程场地位于交通繁忙地带，地面超载依据相关规范选取20kpa。2.2.2 结构内力计算计算结构内力时取墙体延伸方向一延米计算。1.开挖至标高-2m后，在标高-2m处打入第一道锚杆，而后开挖至标高-6m（图2-2）。（1）土压力计算取开挖面以下计算深度为6m，考虑地下水影响。在墙后主动水土压力侧，将标高0-12m土体加权平均。主动土压力系数：墙前被动土压力侧，将标高-6m-12m土体加权平均，由于只有一层粉质粘土：被动土压力系数：当主动水土压力为零时，即：故标高-0.085m为主动水土压力零点处，往下无需考虑超载与土体粘聚力。在开挖面-6m处（2）求反弯点c位置（3）第一道支撑力土压力合力到土压力零点c的静力距：根据力矩平衡条件可以得到：（4）求最大弯矩时，y=2弯矩最小时， 对y求导，得令，得，此时弯矩最小此时弯矩图如图2-3 图2-2 打入第一道支撑计算简图 图2-3 打入第一道支撑时弯矩简图2.在标高-6m处打入第二道锚杆后，开挖至标高-10m，取墙体一延米计算（图2-4）。（1）土压力计算取开挖面以下计算深度为10m，考虑地下水影响。在墙后主动水土压力侧，将标高0-20m土体加权平均。主动土压力系数：墙前被动土压力侧，将标高-10m-20m土体加权平均：被动土压力系数：当主动水土压力为零时，即：故标高-0.0035m为主动水土压力零点处，往下无需考虑超载与土体粘聚力。在开挖面即标高-10m处，（2）求反弯点c位置（3）第二道支撑力土压力合力到土压力零点c的静力距： 根据力矩平衡条件可以得到：（4）求最大弯矩时，y=2弯矩最小时， 对y求导，得令，得，此时弯矩最小时， 对y求导，得令，得，此时弯矩最小此时弯矩图如图2-5。 图2-4 打入第二道支撑计算简图 图2-5 打入第二道支撑时弯矩简图3.在标高-10m处打入第三道锚杆后，开挖至坑底，即标高-14m处，取墙体一延米计算（图2-6）。（1）土压力计算图2-6 打入第三道锚杆支撑计算简图取开挖面以下计算深度为14m，考虑地下水影响。在墙后主动水土压力侧，将标高0-28m土体加权平均。主动土压力系数：墙前被动土压力侧，将标高-14m-28m土体加权平均：被动土压力系数：当主动水土压力为零时，即：故标高-0.046m为主动水土压力零点处，往下无需考虑超载与土体粘聚力。在开挖面即标高-10m处，（2）求反弯点c位置（3）第三道支撑力土压力合力到土压力零点c的静力距：根据力矩平衡条件可以得到：（4）求最大弯矩时，y=2弯矩最小时， 对y求导，得令，得，此时弯矩最小时， 对y求导，得令，得，此时弯矩最小时， 对y求导，得令，得，此时弯矩最小此时弯矩图如图2-7。2.2.3 嵌固深度计算反弯点处剪力： 则根据潜入深度计算公式得， （2-1）安全系数取1.2，则嵌固深度为， ，取整12m。2.2.4 弯矩和剪力图 图2-7 弯矩简图 图2-8 剪力图2.3 结构配筋计算2.3.1 结构截面设计按照相关规范和工程实际情况，地下连续墙初设厚度取1000mm，混凝土采用c30级，钢筋采用级钢筋，查规范得到相关技术参数：c30级混凝土：， 级钢筋：，有效高度：2.3.2 结构纵筋设计取各段最大弯矩进行截面配筋计算：1.在02m，根据截面尺寸设计及弯矩，可知截面的弹塑性抵抗距系数为： （2-2）即配置单筋即可以满足配筋要求，则可知截面内力臂系数为： （2-3）由公式可求出受拉钢筋截面积： （2-4）根据规范要求，截面最小配筋率为： （2-5）由于，所以在迎土侧按照最小配筋率配筋，即配置一排级钢筋，直径25mm，间距200mm。2.在26m，使用公式2-12-5计算：根据截面尺寸设计及弯矩，可知截面的弹塑性抵抗距系数为：即配置单筋即可以满足配筋要求，则可知截面内力臂系数为：由公式可求出受拉钢筋截面积：根据规范要求，截面最小配筋率为：由于，所以在迎土侧按照最小配筋率配筋，即配置一排级钢筋，直径25mm，间距200mm。3.在610m，使用公式2-12-5计算：根据截面尺寸设计及弯矩，可知截面的弹塑性抵抗距系数为：即配置单筋即可以满足配筋要求，则可知截面内力臂系数为：由公式可求出受拉钢筋截面积：根据规范要求，截面最小配筋率为：由于，所以在迎土侧按照最小配筋率配筋，即配置一排级钢筋，直径25mm，间距200mm。4.在1014m，使用公式2-12-5计算：根据截面尺寸设计及弯矩，可知截面的弹塑性抵抗距系数为：即配置单筋即可以满足配筋要求，则可知截面内力臂系数为：由公式可求出受拉钢筋截面积：根据规范要求，截面最小配筋率为：由于，查相关规范，配置一排级钢筋，直径25mm，间距100mm。2.3.3 箍筋设计 截面高度影响系数： （2-6）根据最大剪应力vmax，可得： （2-7）故不需配置箍筋2.4 导墙和接头设计2.4.1 导槽设计在进行挖槽施工以前，需要沿着地下连续墙的轴线方向设置导槽，导墙为导槽的支护结构。导槽宽度一般比底线连续墙的厚度大3050mm，导槽深度应保证以导墙墙角进入原状土大于300mm，导墙的顶面应高出地面100200mm。导墙用钢筋混凝土现浇而成，一般采用c20，墙厚200300mm，单侧配置钢筋网(图2-9)。图2-9 导槽构造2.4.2 连续墙接头设计1-成槽后吊放锁口管与敞口接头箱；2-吊放带堵头钢板的钢筋笼；3-浇灌混凝土；4-相邻槽段成槽拔出接头箱和锁口管；5-吊入相邻槽段钢筋笼与原槽段钢筋笼相连接并浇灌混凝土，如此循环直至全部完成墙的施工图2-10 接头箱连接在单元槽段完成后，在一端吊放接头管与敞口接头箱，再吊放在接头箱一端带堵头板的钢筋笼，在堵头板外伸出的钢筋就进入了敞口箱的接头箱中，在浇筑槽段时，堵头板阻止混凝土进入箱内，拔出接头箱和锁口管后，形成外伸的钢筋接头和空孔，再浇筑下一槽段时，就成为连续的刚性止水接头。（图2-10）2.5 锚杆设计2.5.1 锚杆承载力计算根据地下连续墙计算内力计算，可得三道支撑力为：；初设锚杆间距1.0m，按照岩土锚杆(索)技术规程cecs22-2005要求，锚杆采用错开布置，即打入不同倾角，按照规范，可以选用和按列错开布置锚杆。按照表2-1，锚杆安全系数取1.8.表2-1 锚杆安全系数锚杆破坏后危险程度安全系数临时锚杆永久锚杆危害轻微1.41.8危害较大1.62.0危害大1.82.2（1）锚杆轴向荷载由公式，得（2）锚杆轴向荷载由公式， （2-8）得，2.5.2 锚杆拉筋设计根据工程地质条件和内力计算，初步设计采用17s11.1、fptk=1860kpa钢绞线。查钢筋混凝土资料知，单根钢绞线公称截面积as=74mm2。锚杆安全系数取1.8。由杆体截面积计算公式， （2-9）得（1）15各层锚杆截面积：(2)30各层锚杆截面积：,综上，第一排锚杆使用2根，第二排使用6根，第三排使用8根钢绞线。2.5.3 锚杆自由段长度设计根据岩土锚杆(索)技术规程cecs22-2005要求，自由段长度需超越潜在活动面1.5m,且同时大于5m。根据公式： （2-10）式中，lf：锚杆自由段长度（m）：锚杆倾角（） a1：锚杆锚头中点至基坑底面的距离（m）a2：基坑底面至挡土构件嵌固端上基坑外侧主动土压力强度与基坑内侧被动土压力强度等值点o的距离（m），对于多层土地层，当存在多个等值点时按照其中最深处的等值点计算。d：挡土构件水平尺寸（m）m：o点以上各土层按厚度加权的内摩擦角平均值（）图2-11 理论直线滑动面1-挡土构件 2-锚杆 3-理论直线滑动面； 故锚杆自由段长度取11.0m。2.5.4 锚杆锚固段长度设计 (1)按照锚固体与土层锚固长度计算15锚杆：采用端部扩大型锚杆，初设扩大孔直径1.5m，长度2m。第一层锚杆：按照相关规范假设，扩大体埋深至少为：，则此时土层抗剪强度为：查表2-2得相关计算参数：表2-2 土体与锚固体粘结强度特征值土层种类土的状态qs（kpa）粘性土软塑3040可塑4050硬塑5060坚塑60100粉土中密100150砂土松散80140稍密160200中密220250密实270400软质岩泥岩6001200风化岩6001000软质岩10001500硬制岩15002500 则： （2-11）取7.0m，则锚固段长度为9m。第二层锚杆：按照相关规范假设，扩大体埋深至少为：，则此时土层抗剪强度为：扩大孔直径1.5m，长度取2m。查表2-2： 则,根据端部扩大型锚杆极限锚固力计算公式：， （2-12）可得,取6m，则锚固段长度为8m。第三层锚杆：按照相关规范假设，扩大体埋深至少为：，则此时扩大体几乎处在沙性土中，初设扩大孔直径1.5m，长度取2m。查表2-2： 则,根据端部扩大型锚杆在沙土中锚固力计算公式： （2-13）取7m，则锚固段长度取9m。30锚杆：采用端部扩大型锚杆，初设扩大孔直径1.5m，长度2m。第一层锚杆：按照相关规范假设，扩大体埋深至少为：，则此时土层抗剪强度为：查表2-2： 则： （2-14）取6.0m，则锚固段长度取8m。第二层锚杆：按照相关规范假设，扩大体埋深至少为：，则此时土层处于沙性土，扩大孔直径1.5m，长度取2m。查表2-2： 根据端部扩大型锚杆在沙土中锚固力计算公式： （2-15），取5m，则锚固段长度7m。第三层锚杆：按照相关规范假设，扩大体埋深至少为：，则此时土层处于沙性土，扩大孔直径1.5m，长度取2m。查表2-2： 则根据端部扩大型锚杆在沙土中锚固力计算公式：取7m，则锚固段长度9m。（2）按照钢绞线与混凝土粘接强度设计由计算公式： （2-16）式中，k锚杆安全系数，按表2-1选取。 nt锚杆设计锚固力（kn） la锚固段长度 d拉杆直径（m） s钢筋与锚固体砂浆的粘结强度（kpa），一般由实验确定，当无试验时取砂浆标准抗压强度的10%。锚孔注浆采用c30级混凝土，轴心抗压强度为14.3mpa，则s=1.43mpa。根据计算，第一排锚杆使用2根，第二排使用6根，第三排使用8根钢绞线。将各数据代入公式可得：第一排锚杆锚固段长度：15倾角锚杆：30倾角锚杆：第二排锚杆锚固段长度：15倾角锚杆：30倾角锚杆：第三排锚杆锚固段长度：15倾角锚杆：30倾角锚杆：2.5.5 锚杆参数终设计综合锚杆各设计计算，最终结合制作和施工确定锚杆参数设计为：锚杆横向间距1.0m，纵向间距4.0m，采用倾角相错的方法降低群锚效应，倾角分别为15和30。采用端部扩大型锚杆，锚固体直径0.15m，扩大段长度为2m，直径1.5m。自由段长度11.0m，锁固段长度1.0m，第一层锚杆锚固段长度采用9m，第二层锚杆锚固段长度采用8m，第三层锚杆锚固段长度采用9m。配筋采用17s11.1、fptk=1860kpa的钢绞线。具体数据参见表2-3。表2-3 锚杆参数表类别横向间距纵向间距锚固体直径扩大段长度扩大体直径参数（m）1.04.00.1521.5类别自由段长度锚固段长度锁固段长度锚杆长度第一排第二排第三排参数（m）11.09.08.09.01.020/213 基坑支护结构稳定性验算3.1 整体稳定性验算板式支护结构和地基的整体滑动稳定性验算，通长采用通过墙底土层的圆弧滑动面计算。当墙底以下地基土有软弱层时，尚应考虑可能发生的非圆弧滑动面情况。有渗流时应计及渗流力的作用。采用圆弧滑动面验算板式支护结构和地基的整体抗滑稳定性时，应注意板式支护结构一般有内力支撑或外拉锚结构及墙面垂直的特点，不同于边坡稳定性验算的圆弧滑动，滑动面的圆心一般在坑壁墙面上方，靠坑内侧附近。宜通过试验确定最危险的滑动面和最小安全系数，当不计支撑或锚拉力作用，且考虑渗流力的作用时，整体抗滑稳定性安全系数不应小于1.25；考虑支撑或锚拉作用时，整体稳定性可不验算，除非支撑或锚碇失效或锚杆长度在土体滑动面以内。3.2 抗倾覆稳定性验算抗倾覆验算是验算最下道支撑以下为主动和被动土压力绕最下道支撑点转动力矩是否平衡如图3-1。按照规范提供公式： （3-1）式中，kq抗倾覆稳定性系数，一级基坑取1.2，二级基坑取1.1，三级基坑取1.05。mrc抗倾覆力矩moc倾覆力矩图3-1 抗倾覆验算图 坑内极限主动土压力按照土力学相关要求进行计算，具体采用库伦土压力计算方法。坑内极限被动土压力强度： （3-2）式中，s计算点以上各土层天然重度，地下水一下取水下重度。kp，kph计算点处的被动土压力c，计算点处的粘聚力（kpa）地基土与墙面摩擦角，取（2/33/4）。地基土较差取大值，无基坑内降水措施=0。（1）主动土压力在-10m标高处土压力： 在-17m标高处土压力：上表面： 下表面： 在-23m标高处土压力：上表面： 下表面： 在-26m处土压力为： 根据计算绘制土压力示意图3-2则对第三道锚杆支撑点力矩为：（2）坑内被动土压力将标高-14-26m的土层参数按厚度加权平均：；代入kp和kph计算公式：由此， 根据计算绘制土压力示意图3-2代入公式3-1,，满足设计要求。 （a）主动土压力 （b）被动土压力图3-3 土压力图3.3 坑底土隆起稳定性验算锚拉式支挡结构，其嵌固深度应该满足基坑底隆起稳定性要求（图3-4），抗隆起稳定性按普朗特尔公式（3-3）计算图3-4 坑底稳定性验算计算简图 （3-3） （3-4） （3-5）式中，抗隆起稳定安全系数，安全等级为一级、二级、三级的支护结构，分别不应小于1.8、1.6、1.4。 坑外地表至支护墙底，各土层天然重度的加权平均值，； 坑内开挖面至支护墙底，各土层天然重度的加权平均值，； 基坑开挖深度，（m）；墙外地面超载，； 支护墙在基坑开挖面以下的插入深度，（m）； ，地基土的承载力系数； -墙体底端的土体参数值。计算相关参数值：d=12m；h=14m；q=20kn/m；代入得，；满足设计要求。3.4 抗渗流稳定性验算验算公式： (3-6)式中，坑底土体临界水力坡度，； 坑底土体相对密度； 坑底土体天然空袭比； 坑底土体渗流水力坡度； 渗流水头； 最短渗流总长度，； 渗流水平段总长度； 渗流垂直段总长度； 换算系数，单排挡小帷幕墙时取1.5，多排帷幕取2.0。 安全系数，取值1.52.0。查天津市地基土层序划分技术规程得e=0.9，代入公式，得：，基坑符合渗流或管涌稳定性要求。图3-5 基坑土体渗透计算简图结 论本次毕业设计主体内容是一个大型基坑的地下连续墙设计，经过反复试算、校核，直到最终确定连续墙设计方案以及锚杆设计方案，期间对过去四年大学所学的专业知识回顾了一遍，对基坑设计过程有了更为清晰的认识和感悟。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。在这个过程中，由最初的茫然无措，到后来经过指导老师徐能雄老师详细解剖指导，有了比较清晰的认识和规划，到最终定稿，完全围绕毕设的要求和期望进行。本次设计围绕深基坑