工程力学毕业设计

本科生毕业论文（设计） 题目 ： 广场 A-IJ 段基坑支护设计 姓 名： 康 正 波 学号： 200903334 院 （系）： 土木 工程学院 专业： 工 程 力 学 指导教师： 职称： 评 阅 人： 职称： 二 0 一 三 年 六 月 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 摘 要 随着城市化过程中不断涌现的中高层和超高层建筑，以及对地 下空间的开发， 就产生了大量的深基坑。在基坑开挖过程中必然会涉及到基坑的支护，而基坑支护不仅会影响工程的进度，也会影响到工程安全，本论文主要对武汉万达广场 A-IJ 段基坑支护结构进行设计及稳定性验算。 广场 基坑分为 A、 B 基坑两块，呈“吕”字型分布 ， 总占地面积约 57000 ，基坑开挖深度都在 10m 左右 ，属于深基坑， A-IJ 段基坑处地层主要有杂填土 ,粘土 ,淤泥质粉质粘土 ,粉土夹粉砂 ,粉砂 ,粉细砂， 地下水类型主要为上层滞水和第四系空隙承压水，基坑支护主要采用钻孔灌注工艺的支护桩进行支护，同时在 基坑上部减载放坡，坑壁设置粉喷桩止水帷幕。 在进行支护桩设计计算时，土压力计算采用郎肯土压力理论，水土合算，被动土压力折减系数取 1.0，支护桩的长度和入土深度采用极限土压力平衡理论和等值梁法计算确定，支护桩桩长为 14.5m， 求取支护桩的最大弯矩后可以 按混凝土结构设计规范（ GB50010-2002） 中有关公式求支护桩的配筋，此段基坑支护桩配筋为 32 ， 在通过配筋验算后还要对此段基坑的稳定性进行验算，采用里正软件分析基坑的整体稳定性 ,基坑底的隆起和基坑的管涌及冲溃，通过验算可知 A-IJ段基坑支护设计满足基坑的稳定性要求。 关键词： 深基坑 深基坑维护 支护设计 稳定性 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 ABSTRACT With the urbanization process ,high-rise buildings and supertall buildings are continuously emerging, and underground space development project become more and more. As a result, it generated a lot of deep excavation projects. In the process of excavation ,it inevitably involves the support of excavation pit. And the excavation will not only affect the progress of the project ,it will also affect engineering safety. This paper mainly studys the design of supporting structure and stability computations of the A-IJ section in Wanda Plaza pit, Wuhan. Wanda Plaza Foundation pit is divided into A, B sections. On the plane, its distribution likes the figure of 吕 type. The total area of Wanda Plaza Foundation pit is about 57000m 2, excavation depth is about 10m, belonging to deep foundation pit. The A-IJ Section of Foundation pit is mainly fill with clay, silty clay, silty soil clip silty sand, silt and fine sand； groundwater types are mainly perched water and Quaternary confined pore water； pit support mainly take bored piles supporting technology, load shedding on the upper foundation, pit wall set DJM waterproof curtain. During the design calculations of supporting piles, earth pressure calculated using the theory of King, soil and water cost-effective and passive earth pressure reduction factor of 1.0.The length and embedded depth of pile are designed with limit equilibrium theory and the earth pressure equivalent beam method. Through calculation, pile length is 14.5m, solving the pile maximum moment can see the code design of concrete structures (GB50010-2002).In the section of pit , the pile reinforcement use 3228. Finally, the stability of pit, uplift of the pit bottom , the piping are checked by the software of LiZheng. Through the checking known, the supporting design of A-IJ Section meet the foundations stability. Key words: deep foundation maintenance of deep foundation supporting design stability 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 目录 摘要 ABSTRACT 绪 论 . 1 第一节 工程概况 . 6 第二节 工程地质与水文地质条件 . 7 第二章 基坑支护方案比选 . 11 第一节 设计依据 . 11 第二节 设计参数 . 11 第三节 基坑特点分析 . 12 第四节 深基坑围护方案的选择 . 12 第三章 A-IJ 段基坑支护结构设计 . 15 第一节 A-IJ 段基坑支护方案选择 . 15 第二节 A-IJ 段基坑减载放坡设计 . 15 第三节 坑壁粉喷桩设计 . 16 第四章 支护桩设计 . 17 第一节 土压力计算 . 17 第二节 支护桩入土深度计算 . 22 第三节 支护桩上最大弯矩计算 . 23 第四节 支护桩配筋计算 . 23 第五节 配筋验算 . 25 第六节 冠梁设计 . 25 第五章 A-IJ 段基坑支护结构稳定验算 . 25 第六章 结束语 . 30 致 谢 . 31 参考文献 . 32 附图 1 H-M 段 基坑周边 地层展开 图 附图 2 桩大样图及结构配筋图兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 1 绪 论 随着城市化过程中不断涌现的中高层和超高层建筑，以及大量地下空间的开发，这就产生了大量的深基坑工程。在深基坑工程中，基坑支护对工程的影响是巨大的，不合要求的基坑支护会严重影响施工和正常使用，甚至会造成事故，所以基坑的开挖与支护应该引起人们 足够 的重视。 一、 深基坑工程的主要内容 （ 1）岩土工程勘察与工程调查。确定岩土参数与地下水参数；测定邻近建筑物、周围地下埋设物（管道、电缆、光缆等）、城市道路等工程设施的工作现状，并对其随地层位移的限值作出分析。 （ 2）支护结构设计。包括挡土墙围护结构（如连续墙、柱列式灌注桩挡墙）、支承体系（如内支撑、锚杆）以及土体加固等。支护结构的设计必须与基坑工程的施工方案紧密结合，需要考虑的主要依据有：当地经验，土体和地下水状况，四周环境安全所允许的地层变形限值，可提供的施工设施与施工场地，工期与造价等。 （ 3）基坑开挖与支护的施工。 包括土方工程、工程降水和工程的施工组织设计与实施。 （ 4）地层位移预测与周边工程保护。地层位移既取决于土体和支护结构的性能与地下水的变化，也取决于施工工序和施工过程。如预测的变形超过允许值，应修改支护结构设计与施工方案，必要时对周边的重要工程设施采取专门的保护或加固措施。 （ 5）施工现场量测与监控。根据监测的数据和信息，必要时进行反馈设计，用信息化来指导下一步的施工。 二、深基坑支护的类型 各种建筑物与地下管线都要开挖基坑，一些基坑可直接开挖或放坡开挖，但当基坑深度较深，周围场地又不宽时，一般都采用基坑支护 ，过去支护比较简单，也就是钢板桩加兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 2 井点降水，一般能满足基坑安全施工，而对于深基坑已不能满足要求，近几年来随着基坑深度和体量的增大，支护技术也有了较大进展，按功能分常用的有以下一些 2： （ 1）挡土系统：常用的有钢板桩、钢筋混凝土板桩、深层水泥搅拌桩、钻孔灌注桩、地下连续墙。其功能是形成支护排桩或支护挡土墙阻挡坑外土压力。 （ 2）挡水系统：常用的有深层水泥搅拌桩、旋喷桩、压密注浆、地下连续墙、锁口钢板桩。其功能是阻挡抗外渗水。 （ 3）支撑系统：常用的有钢管与型钢内支撑、钢筋混凝土内支撑、钢与钢筋混凝土组合支 撑。其功能是支承围护结构侧力与限制围护结构位移。 三、存在的常见问题 深基坑工程支护技术虽已在全国不同地区、不同的地质条件下取得了不少成功的经验，甚至在一些达到国际水平，但仍存在一些问题需进一步研究或提高，以适应现代化经济建设的需要。深基坑工程支护施工过程中常常存在的问题主要有以下几种： （ 1） 土层开挖和边坡支护不配套 常见支护施工滞后于土方施工很长一段时间，而不得不采取二次回填或搭设架子来完成支护施工一般来说，土方开挖技术含量相对较低，工序简单，组织管理容易。而挡土支护的技术含量高，工序较多且复杂，施工组 织和管理都较土方开挖复杂。所以在施工过程中，大型工程均是由专业施工队来分别完成土方和挡土支付工作，而且绝大部分都是两个平行的合同。这样在施工过程中协调管理的难度大，土方施工单位抢进度，拖工期，开挖顺序较乱，特别是雨期施工，甚至不顾挡土支护施工所需工作面，留给支护施工的操作面几乎是无法操作，时间上也无法完成支护工作，以致使支护施工滞后于土方施工，因支护施工无操作平台完成钻孔、注浆、布网和喷射砼等工作，而不得不用土方回填或搭设架子来设置操作平台来完成施工。这样不但难于保证进度，也难于保证工程质量，甚至发生安全事 故，留下质量隐患。 （ 2） 边坡修理达不到设计、规范要求 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 3 常存在超挖和欠挖现象一般深基础在开挖时均使用机械开挖、人工简单修坡后即开始挡土支护的砼初喷工序。而在实际开挖时，由于施工管理人员不到位，技术交底不充分，分层分段开挖高度不一，挖机械操作手的操作水平等因素的影响，使机械开挖后的边坡表面平整度，顺直度极不规则，而人工修理时不可能深度挖掘，只能就机挖表面作平整度修整，在没有严格检查验收就开始初喷，故出现挡土支付后出现超挖和欠挖现象。 （ 3） 成孔注浆不到位、土钉或锚杆受力达不到设计要求 深基坑支护所用土钉或锚杆 钻孔直般为 100150的钻杆成孔，孔深少则五、六米，深则十几米，甚至二十多米，钻孔所穿过的土层质量也各不相同，钻孔如果不认真研究土体情况，往往造成出渣不尽，残渣沉积而影响注浆，有的甚至成孔困难、孔洞坍塌，无法插筋和注浆。再者注浆时配料随意性大、注浆管不插到位、注浆压力不够等而造成注浆长度不足、充盈度不够，而使土钉或锚杆的抗拔力达不到设计要求，影响工程质量，甚至要做再次处理。 （ 4） 喷射砼厚度不够、强度达不到设计要求 目前建筑工程基坑支护喷射砼常用的是干拌法喷射砼设备 4，其主要特点是设备简单、体积小，输 送距离长，速凝剂可在进入喷射机前加入，操作方便，可连续喷射施工。虽然干喷法设备操作简单方便，但由于操作手的水平不同，操作方法和检 查控制等手段不全，混凝土回弹严重，再加上原材料质量控制不严、配料不准、养护不到位等因素，往往造成喷后砼的厚度不够、砼强度达不到设计要求。 （ 5） 施工过程与设计的差异太大 深层搅拌桩的水泥掺量常常不足，影响水泥土的支护强度。我们发现在同样做法的支护，发生水泥土裂缝，有时不是在受力最大的地段，检查下来，往往是强度不足，地面施工堆载在局部位置往往要大大高于设计允许荷载。施工质量与偷工减 料的现象也并不少见。基坑挖土是支护受力与变形显著增加的过程，设计中常常对挖土程序有所要求来减少支护变形，并进行图纸交底，而实际施工中土方老板往往不管这些框框，抢进度，图局部效益。 （ 6） 设计与实际情况差异较大 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 4 深基坑支护由于其土压力与传统理论的挡土墙土压力有所不同，在目前没有完善的土压力理论指导下，通常仍沿用传统理论计算，因此有误差是正常的，许多学者对此进行了许多研究，在传统理论土压力计算的基础上结合必要的经验修正可以达到实用要求。问题是对这样一个极为复杂的课题，脱离实际工程情况，往往会造成过量变形的后果。 如某些设计、不考虑地质条件、地面荷载的差异，照搬照套相同坑深的支护设计。必须根据实际地面可能发生的荷载，包括建筑堆载、载重汽车、临时设施和附近住宅建筑等的影响，比较正确地估计支护结构上的侧压力。 （ 7） 工程监理不到位 按规定高层建筑、重大市政等的深基坑是必须实行工程监理的，大多数事故工程都没有按规定实施工程监理，或者虽有监理而工作不到位，只管场内工程，不管场外影响，实行包括设计在内的全过程监理的就更少。客观地说深基坑工程监理要求监理人员具有较高业务水平，在我国现阶段主要就只是监控支护结构工程质量、工期、进度 ，而对于设计监理与对住宅及周边环境的监控尚有一定差距，巫待完善与提高。 （ 8） 施工监测不重视 主要是建设单位为省钱不要求施工监测，或者虽设置一些测点，数据不足，忽视坑边住宅的检测，或者不重视监测数据，形同虚设。支护设计中没有监测方案，结果发生情况不能及时警报，事故发生后也不易分析原因，不利于事故的早期处理，省了小钱化大钱。 为了减少支护事故，有待精心设计、精心施工、强化监理，保护坑边住宅与环境，提高深基坑支护技术和管理水平。 四、深基坑技术的发展趋势 （ 1）基坑向着大深度、大面积方向发展，周边环境更加复 杂，深基坑开挖与支护的难度愈来愈大。因此，从工期和造价的角度看两墙合一的逆作法将是今后发展的主要方向。但逆作法施工受桩承载力的限制很大，采用逆作法时不能采用一柱一桩，而是一柱多桩，增加了成本和施工难度。如何提高单桩承载力，降低沉降，减少中柱桩（中间支承柱），兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 5 达到一柱一桩，使上部结构施工速度可以放开限制，从而加快进度，缩短总工期，这将成为今后的研究方向。 （ 2）土钉支护方案的大量实施，使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展。为减少喷射混凝土的回弹量以及保护环境的需要，湿式喷射混凝土将逐步取代干式喷射混凝土。 （ 3）目前，在有支护的深基坑工程中，基坑开挖大多以人工挖土为主，效率不高，今后必须大力研究开发小型、灵活、专用的地下挖土机械，以提高工效，加快施工进度，减少时间效应的影响。 （ 4）为了减少基坑变形，通过施加预应力的方法控制变形将逐步被推广，另外采用深层搅拌或注浆技术对基坑底部或被动区土体进行加固，也将成为控制变形的有效手段被推广。 （ 5）为减小基坑工程带来的环境效应（如因降水引起的地面附加沉降），或出于保护地下水资源的需要，有时基坑采用帷幕型式进行支护。除地下连续墙外，一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑成止 水帷幕。目前，有将水利工程中防渗墙的工法引入到基坑工程中的趋势。 （ 6）在软土地区，为避免基坑底部隆起，造成支护结构水平位移加大和邻近建（构）筑物下沉，可采用深层搅拌桩或注浆技术对基坑底部土体进行加固，即提高支护结构被动区土体的强度的方法。 本论文主要以武汉万达广场基坑中的 A-IJ 段支护结构设计为例，并对其进行稳定性验算。 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 6 第一章 工程概况及工程地质条件 第一节 工程概况 武汉万达广场投资有限公司拟在汉口新华西路附近兴建武汉新华西路万达广场工程。场地位于武汉市江汉区，地块范围东临新华下路，西邻新华西 路，南侧为规划道路、武汉新闻出版局，北侧为马场公寓、菱湖上品项目。 本项目的施工图设计由武汉市建筑设计院承担，场地岩土工程详细勘察工作由武汉市勘察设计院承担。受业主招标委托，我单位承担本项目深基坑支护设计工作。 根据业主提供资料，本场地基坑分为 A、 B 基坑两块，总占地面积约 57000m2。 A 基坑为大商业部分，其地下二层主楼的承台底标高 -12.6m（电梯井 -15.0m），商业 部分底标高-12.4m(电梯井 -13.5m)； B 基坑为住宅部分，其主楼承台底标高 -11.25m，分布于基坑四周。大商业部分（ A 基坑）的地下 室层高：地下一层 5.5 米，地下二层 4.8 米；住宅部分（ B 基坑）地下室层高：地下一层与地下二层均为 3.8 米。 本项目设计 0.00=22.00m，地下室分为 A 区、 B 区。 A、 B 基坑呈“吕”字型分布，在中间部分设连通地道 2 处，场地地面标高依据勘察报告中钻孔标高，坑底标高按地下室结构图纸基础承台或基础梁底标高取值，垫层厚按 100mm 考虑。各段设计开挖深度详见表1-1、表 1-2。 表 1-1 A 区基坑设计开挖深度设计参数一览表 段号 地面标高 坑底标高 开挖深度 A-AB 20.90 9.90 11.00 A-BCD 20.90 9.90 11.00 A-DEF 20.90 9.90 11.00 A-FG 20.60 9.60 11.00（坑内留土） A-GH 20.60 11.50 9.10 （本段为车道） A-HI 20.60 9.90 10.70 A-IJ 20.60 9.90 10.70 A-JK 20.60 9.10 11.50 A-KL 20.60 9.90 10.70 A-LM 20.60 9.30 11.30 A-MO 20.60 9.90 10.70 A-OPQ 20.70 9.90 10.80 A-QR 20.70 9.30 11.40 A-RSA 20.70 9.90 10.80 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 7 表 1-2 B 区基坑设计开挖深度设计参数一览表 段号 地面标高（ m） 坑底标高（ m） 开挖深度（ m） B-MNAB 21.00 10.80 10.20 B-BC 20.50 10.80 9.70 B-CD 20.80 10.80 10.00 B-DE 20.80 10.80 10.00 B-EF 20.90 10.80 10.10 B-FG 20.90 10.80 10.10 B-GHIJ 20.90 10.80 10.10 B-JKLL 20.90 10.80 10.10 B-L M 20.90 10.80 10.10 第二节 工程地质 与水文地质 条件 1.2.1 场区地层概况及工程性质 根据勘察单位提供的场地岩土工程详细勘察报告 ，场地岩土层自上而下主要由五个单元层组成，从成因上看，（ 1）单元层为新近填土和淤泥层；（ 2）单元层属第四 系全新统冲积（ Q4al）一般粘性土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土层；（ 3）单元层为第四系全新统冲积（ Q4al）粉土夹粉砂、粉质粘土层；（ 4）单元层属第四系全新统冲积（ Q4al）砂土、砂、砾胶结层；（ 5）、（ 6）单元为白垩 下第三系的强中风化泥质粉砂岩或粉砂质泥岩、砂砾岩。 根据各岩土（砂）层力学性质上的差异，可将场区地基岩土进一步细划为若干亚层。 与基坑支护工程有关的上部主要地层见表 1-3： 表 1-3 地层分布情况一览 表 地层编号及 岩土名称 年代 成因 层顶埋深 (M) 层厚 (M) 颜色 状态 湿度 压缩性 包含物及特征 (1)杂填土 QML 现地面 0.54.4 杂 松散 稍密 湿 高 分布整个场地，主要由建筑垃圾、混凝土地坪及一般粘性土组成，近期堆填，结构杂乱。 (1-2)淤泥 QL 0.82.9 0.33.3 灰黑 流塑 饱和 高 分布于少部分地段（原湖塘底），含少量螺壳、腐殖物、有机质，有臭味。 (2-1)粘土 Q4AL 0.7 4 0.52.7 褐黄 软流 塑 饱和 中偏 场地内大部分地段分布，含铁锰氧 化物、灰色粘土矿物条纹。 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 8 黄褐 高 (2-2)淤泥质粉质粘土 Q4AL 0.56.1 5.817.5 褐灰 稍密中密 饱和 高 分布于整个场地，含少量螺壳、腐殖物、有机质，局部夹粉质粘土、粉土粉砂。 (2-3)粉质粘土混粉土 Q4AL 8.719.3 0.86.6 褐灰 软可塑 饱和 中偏高 场地内部分地段分布，含铁锰氧化物、灰色粘土矿物条纹及少量有机质，夹粉土薄层。 (3)粉土夹粉砂、粉质粘土 Q4AL 1019.5 0.85.5 褐灰 中密 饱和 中 场地内部分地段分布，含铁质氧化物和云母片。 (4-1)粉砂 Q4AL 13.321 0.89.5 灰 松 散稍密 饱和 中 含云母、石英等矿物。场区内部分 地段分布，层面有一定起伏。 (4-1A)粉质粘土夹粉土 Q4AL 15.821.1 0.43.6 灰 可塑 饱和 中 以透镜体形式分布于（ 4-1）层中，细层理清晰。 (4-2)粉细砂 Q4AL 1.824.5 0.513.2 灰色 中密 （局部密实） 饱和 中偏低 含云母、石英等矿物。场区内均有分布，层面埋深较稳定。 (4-2A)粉质粘土夹粉土 Q4AL 22.525.2 23.3 灰色 可塑 饱和 中 个别孔区分布，以透镜体形式分布于（ 4-2）层中，细层理清晰。 (4-3)粉细砂 Q4AL 2832.7 0.214.4 灰色 密实 饱和 低 含云母、石英，局部夹小砾石，该层场区内均有分布，层面埋深较稳定。 (4-3A)粉质粘土夹粉土 Q4AL 31.541.9 0.45.2 灰色 可塑 饱和 中 大部分孔区分布，以透镜体形式分布于（ 4-3）层中，细层理清晰。分布无规律。 (4-4)中粗砂混砾卵石 Q4AL+PL 39 45 0.22.9 杂色 密实 饱和 低 含石英、云母，砾卵石大小 1-8CM，含量 5-20%，大部分地段分布 。 (4-5)砂、砾胶结层 Q4AL+PL 40.445.5 0.66.5 杂色 密实 干 低 场区部分地段分布，胶结程度差，为未成岩半成岩状，钻探取样大部分为碎石、块石。 由上述对场地各岩土层的岩性描述及物理力学性质指标统计结果可以看出，拟建场区填土层以下地层为武汉地区典型的长江冲积一级阶地二元结构地层，颗粒粒径从上至下由细变粗，力学性质亦随深度增加而变好。从工程性质来看，浅部的填土层及（ 2）单元层力学强度均不高，不能满足拟建高层建筑物荷载要求；下部（ 4-2）、（ 4-3）层细砂层密实度好、强度高 ，是拟建多层裙楼、商铺、地下室、售楼部较理想的桩基持力层；基岩中风化埋深稳定，宜作为 26 33层高层建筑桩基持力层使用。 1.2.2 场区区域地质构造 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 9 武汉位于扬子地台北部，秦岭地槽东端之南，属淮阳山字形构造南弧西翼。虽有多期造山运动复合影响的痕迹，但主要受控于燕山期构造运动，表现为一系列走向近东西到北西西的线性褶皱，以及北西、北西西和近东西的正逆断层及逆掩断层。在南北向的应力支配下，还发育有其它次一级的构造带，即北北东及北西西两组张扭性断裂。 根据区域地质构造资料，武汉地区的地质构造均属古老的地质构造，无 全新世活动迹象，本次勘察钻探未发现断层破碎带。因此，场区地质构造、地壳稳定性良好 。 1.2.3 场区地形地貌 拟建场地位于汉口新华西路，场地平面大致呈不规则矩形，东北侧为马场公寓，西北侧为日月华庭小区和第十九中，西南侧为新华西路，南侧为规划道路。原始地貌属长江冲积一级阶地，原为华南果品批发市场、汽车修理厂、居民居住区，现场地基本已拆迁整平，地势平缓，地面标高在 19.84 22.31m之间变化。 1.2.4 场区气象 水文及 水文地质条件 武汉市属亚热带大陆性季风气候，具有四季分明、气候温和、雨量充沛的气候特征。冬夏温差大，历年 7 月份气温最高，平均气温为 28.8 31.4，极端最高气温 41.3(1934.8.10)，历年最低气温为 1月，平均为 2.6 4.6，极端最低气温 -18.1（ 1977年 11 月 30 日）。每年 7、 8、 9 月为高温期， 12 月至翌年 2 月为低温期，并有霜冻和降雪发生。多年平均降雨量 1204.5mm，最大年降雨量 2107.1mm，最大月降雨量为 820.1mm（ 1987.6），最大日降雨量 317.4mm（ 1959.6.9），最小年降雨量 575.9mm，降雨一般集中在6 8 月，约占全年降雨量的 40%。年平均蒸发量为 1447.9mm。多年平均雾日数 32.9 天。年平均绝对湿度为 16.4毫巴，年平均相对湿度为 75.7%。 武汉地区 4 7月份以东南季风为主，其余时间以北风或西北风为主，最大风力八级，最大风速 27.9m/s（ 1956年 3月 17日）。基本风压按 30年一遇、 10秒平均最大风速（ m/s）为标准，武汉地区为 2.5MPa。 武汉地区原属云梦泽东南角沼泽地带，由于地壳沧桑变迁，水流夹带大量泥沙落淤，江湖分离，水流归槽，形成了河流的雏形。通过水流与河床的相互作用，汊道合并，洲滩与河岸反复分合，逐渐形成今日的双 汊形态。市区内河网湖泊水系发达，其中水域总面积约 191km2，约占主城区总面积的 14%。主要发育有长江、汉江两个水系且在市区内交汇。 武汉关水位：历年最高水位 29.73m（ 1954.8.18，吴淞高程），历年最低水位 8.7m（ 1965.2.4，吴淞高程），多年平均水位 18.97m（吴淞高程）。 场区内地下水类型主要为上层滞水和第四系孔隙承压水。 上层滞水主要赋存于第（ 1）层杂填土中，受地表水源、大气降水和生活用水补给，无兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 10 统一的自由水面，水位及水量受地表水源、大气降水和生活用水排放量的影响而波动。 第四系孔隙承压水主要赋存于下部砂性土层中，主要接受侧向补给，与长江存在较密切水力联系，呈互补关系。根据场地勘察报告 ，含水层综合渗透系数 K平均值 18.0m/d，影响半径 460m（设计时取 250m）。孔隙承压水位年变幅为 34米，在丰水期承压水位标高约为 20.0m。 本基坑开挖深度介于 9.013.0m之间，局部电梯井开挖深度达 15.0m，已揭露（ 3）层粉土夹粉砂、粉质粘土或（ 4-1）层粉砂含水层，因此本基坑必需进行降水设计 。 1.2.5 场区地震效应 根据湖北省建设厅关于确定我省主要城镇抗震设防烈度、设计基 本地震加速度值和设计地震分组的通知（鄂建文 2001357 号）的规定，武汉地区地震基本烈度为 6度，新建工程必须进行抗震设防。武汉市抗震分组均为第一组，拟建项目可按 6度地震烈度进行设防，地震设计加速度为 0.05g，并且可不考虑饱和粉土、砂土的液化问题。 为判定场地土类型及建筑场地类别，在 K1、 K32、 K134号 钻孔内及附近区域进行了剪切波速测试及地面脉动测试，根据剪切波 速测试结果，场区地表下 20.0m深度范围地基土的等效剪切波速 Vse=144.8 152.3m/s，按建筑抗震设计规范 GB50011-2001 第 4.1.3条判定，本场地属中软场地土。本次勘察资料显示，拟建场区基岩埋深在 41.5 51.5m左右，根据建筑抗震设计规范 GB50011-2001第 4.1.6条判定，基岩埋深在 350m之间属类建筑场地，基岩埋深 50m 属类建筑场地。本场地仅 4#楼 30#、 31#、 32#孔地段属类建筑场地，其余地段均属类建筑场地。 拟建场区设计基本地震加速度值 0.05g，设计地震分组第一组。结合场区地基土成因、岩性及分布条件等综合判定，本场区属可进行建设的一般场地。 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 11 第二 章 基坑支护方案 比选 第一节 设计依据 武汉新华西路万达广场总平面图 万达商业规划研究院 武汉新华西路万达广场地下一层、二层平面图 万达商业规划研究院 “武汉新 华西路万达广场岩土工程勘察报告” 武汉市勘察设计院 湖北省深基坑工程技术规程（ DB 42/159-2004） 建筑基坑支护技术规程（ JGJ 120-99） 混凝土结构设计规范（ GB 50010-2002） 钢结构设计规范（ GB50017-2003） 土层锚杆（索）设计与施工规范（ CECS22： 2005） 建筑桩基技术规范（ JGJ94-2008） 供水水文地质勘察规范（ GB 50027-2001） 建筑与市政降水工程技术规范（ JGJ/T11-98） 建筑地基基础设计规范（ GB50007-2002） 地基基础处理规范（ JGJ 79-2002） 建筑基坑工程监测技术规范（ GB 50497-2009） 业主提供的 周边环境、结构施工图等相关资料 设计参数 第二 节 设计参数 根据岩土工程详细勘察报告和湖北省深基坑工程技术规程（ DB42/159-2004）中的附表 2-1，结合相关工程实践经验，基坑支护设计有关参数取值 见表 2-1。根据业主提供的地质勘察资料， B区基坑周边地层概化为 8种不同情况进行计算， A区基坑周边地层概化为 14种不同情况进行计算。 表 2-1 基坑 设计 土层参数取值 层号 土层 名称 重度 （ KN/M3） 粘聚力 C（ kPa） 内摩擦角 ( ) M （ kPa/m2） 1 杂填土 18.0 8 18 5480 2-1 粘土 18.0 18 8 2280 2-2 淤泥质粉质粘土 17.0 10 5 800 2-3 粉质粘土混粉土 17.3 16 11 2920 3 粉土夹粉砂 17.5 12 20 7200 4-1 粉砂 19.2 0 27 11880 4-2 粉细砂 19.7 0 33 18480 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 12 第三节 基坑特点分析 2.3.1 开挖范围广、深度大 基坑周边拟开挖深度为 9.0m 13.0m，面积达 56900，呈不规则“吕”字形，基坑周长达 1700m，属超深、超大极不规则基坑。 2.3.2 周边环境 周边环境一般地段较为宽松，一般地段基坑距红线距离在 12m 之外，距施工围墙均在 20m以外，场地周边均具有开阔的放坡卸载空间 。 2.3.3 场地地层条件差 地表土层主要为 松散的杂填土，其下有以软塑状态为主的 -2 淤泥质粘土为主，主要存在于坑壁及坡脚，层厚介于 5.8 17.2m，该层土强度低，属高压缩性土或中等偏高压缩性土，在开挖过程中，易产生流动，对基坑坑壁稳定性非常不利，且坡脚稳定性差 。 2.3.4 场地水文地质条件 基坑开挖后揭露的地下水有浅部填土中的上层滞水和下部砂性土层中的承压水，由于开挖造成的水力坡降，上层滞水从坑壁杂填土层中排出，使部分土体固结压缩，或承压水向基坑排泄，造成坑壁下段粉土、粉砂颗粒流失。 在基坑 开挖 过程中，电梯井部位含承压水地层已揭露，如不采取一定 的防水、降水措施，会产生漏水、涌砂、坑底突涌现象 。 2.3.5 基坑工程重要性等级 根据规程（ DB421/59-2004），结合该基坑工程的实际情况，可综合判断该基坑工程重要性等级为一级 。 第四节 深基坑围护方案的选择 2.4.1 本围护设计目标 （ 1） 如上所述，本深基坑工程位于汉口闹市区，基坑开挖深度大、地层条件复杂。毫无疑问，首先必须确保支护结构万无一失，确保支护结构能够承受开挖后最大限度的主动区土体和周边一切动、静载荷所产生的土压力。 （ 2） 支护设计必须严格控制支护结构的水平变位，控制降水等地下水治 理措施对周边环境造成的固结沉降或地层损失所引起的地面变形，基坑支护必须保证周边建（构）筑物的安全。 （ 3） 满足武汉市建委对基坑设计、施工有关规定，使支护结构体系控制在红线范围之内。 （ 4） 在满足安全可靠、技术可行的前提下，充分利用一切有利条件，优化支护设计方案，努力做到施工便捷、经济合理。 2.4.2 可供选择的支护方案 近年来，武汉市房地产开发的力度不断加大，高层建筑越来越多。伴随着房地产业的飞速发展，深基坑支护技术也取得了长足进步。基坑支护方式趋向多样化，多种支护方式兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 13 并用的联合支护被采用的越来越多，基坑 支护造价也趋向于更经济合理。 根据本基坑工程的开挖深度、周边环境、地层性质，结合武汉市的地区经验，本工程可供选择的支护方式及其优劣性分析见表 2-2。 通过比较不难发现，上述支护方案各有优缺点。从技术上讲除部分方案本工程不宜采用外，可以采用的支护方案不止一种。只有同时综合考虑安全、造价、工期等多方面因素，才能使支护方案最终做到既经济又合理。 本场地大部分地段地面下 15m 范围内均为软土，最深处达 18m，而基坑开挖深度达10m-11m，坑内被动区土层强度低，不能为支护体系提供有效的被动土压力。为保证支护体系的有效 性，减少软土层对基坑支护体系的影响，对被动区土体采用搅拌桩改良加固处理是必要的。 表 2-2 支护 方式及其优劣性分析表 分项特点 支护方式 主要特点 质量可 靠性 工期 造价 在本工程中的适宜性 桩锚支护 适用于不同深度的基坑，武汉市普遍使用，地区经验丰富。在淤泥质土中锚杆锚固效果较差，邻近建筑为桩基础时不能使用。受红线限制。 好 较长 较高 受红线及地质条件影响，本场地不能使用锚杆。但可采用锚拉桩工艺。 桩撑支护 可适用于不同深度的基坑，尤其使用于平面尺寸狭长的基坑，武汉市有成功经验。但施工周期很 长，尤其对后续施工影响很大。 好 较长 较高 通过合理布置支撑构件，保证土方挖运便利，但土方开挖难度较大，可采用方案。 坡顶减载 放坡 可有效降低支护结构承受的主动土压力，目前武汉市的深基坑普遍采用。 较好 短 低 利用本场地周边较为开阔的条件，对坡顶一定范围内的土方进行有条件卸载，减少主动支护的强度，大部分地段可以采用。 双排桩支护 适用于不同深度基坑，武汉市已有多个基坑应用，尤其适用于地层差、受红线限制地段。 较好 较短 较高 本场地部分地段可采 用。 2.4.3 支护方案比选的原则 首先根据地层 、开挖深度、周边环境的不同详细对基坑支护分段，然后对每一段按 由简单到复杂、由低价到高价 的先后顺序进行试算、比较，同时兼顾工期及其它工程条件，最后选择最佳的方案。 2.4.4 支护方案选择的总体思路 本基坑开挖面积大，平面不规则，开挖深度大，周边环境条件差异大，且地层条件差，兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 14 本支护设计方案针对各部位因地制宜的采用相应支护结构。 综合考虑本基坑工程的各项条件，经过充分的比较、论证、试算后，确定本基坑工程支护方案的总体思路如下： 以排桩（ A-JK、 B-CD 地段采用双排桩）、角撑与对顶撑相结合的内支撑等多种联合支护手 段，结合坡顶大面积卸土减载、坑内被动区加固等手段，确保支护体系的完善并保证施工的顺利、方便实施。 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 15 第三 章 A-IJ段 基坑 支护结构设计 第一节 A-IJ段基坑支护方案 选 择 因 A-IJ 段基坑上部开阔，而基坑开挖深度大且由以淤泥质土为主，故通过比较主要采用坡顶减载放坡与桩撑支护相结合来进行支护，考虑到场地地下水埋深浅 ，同时在坑壁设置粉喷桩止水帷幕 。 具体支护结构剖面图见图 3-1。 图 3-1 A-IJ 段基坑支护剖面图 第二节 A-IJ段基坑减载放坡设计 利用 A-IJ段基坑周边开阔的环境条件，对其上部 3.0m 4.6m 深度、宽度 5.0m18.0m范围内 采用放坡卸载， 以减少主动区土压力， 坡中设置放坡平台（局部地段分二级放坡并设两级平台），坡面采用喷锚网保护 。 具体设计见表 3-1 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 16 表 3-1 A-IJ 段基坑上部放坡设计 段号 地面 标高 坑底 标高 开挖 深度 一级坡参数 二级坡参数 三级坡参数 坡高 坡率 平台 宽 坡高 坡率 平台宽 坡高 坡率 A-IJ 20.6 9.90 10.7 3.0 1:1 7.50 - - - 7.70 直坡 喷锚 网支护段 喷面采用喷射砼，砼设计强度为 C20，厚度 6cm-8cm，配 比为水泥：砂：石子 1： 2： 1.5，水灰比为 0.4 0.5，采用标号不低于 32.5MPa 的普通硅酸盐水泥、粒径不大于 2.5mm的中细砂和粒径小于 5mm的瓜米石。钢筋网规格为 6.5 200 200， 加强筋为 16 圆钢。将各排锚杆、加强筋焊成网络 , 以增加面层刚度。上下段钢筋网搭接长度应大于 300mm。锚杆长度为 3.0m4.5m，间距 1200mm 1200mm，角度 15 度。当土层松散、孔内塌孔严重时，用一次性锚管代替锚杆，锚管规格为： 48 2.8（锚管需采用帮焊角钢的方法加强处理）。 第三节 坑壁粉喷桩设计 A-IJ 段基坑坑壁采用搅拌桩工艺，搅拌桩采用干喷工艺，桩径为 500mm，桩间距为400mm，沿支护桩外侧设置二排。水泥采用 P.O 32.5，水泥用量不小于 50kg/m。详细参数见表 3-2 表 3-2 粉喷桩设计参数 分段号 止 水 帷幕 工艺 桩顶标高（ m） 桩径（ mm） 桩长（ m） 桩间距 （ mm） 备注 A-IJ 深 层 搅拌桩 16.90 500 9.00 400 400 双排 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 17 第四 章 支护桩设计 本段 基坑 采用大直径钻孔灌注桩作为支护主体，支护桩桩径为 1m，间距 1.4m，桩身强度为 C30。 本基坑支撑布置原则是力求支撑体系受力堆成，受力特征明确，充分发挥各杆件的作用，并能在稳定性和控制变形方面满足对周围环境控制的要求，同时最大限度地方便土体开挖和主题结构的快速施工以及材料回收利用， 本段基坑支撑主要采用对撑形式，尽量减少支撑杆件数量，方便土方的挖运。 通过勘查报告可知 A-IJ 段基坑地层 及底层厚度， 具体参数和各地层厚度见表 4-1： 表 4-1 A-IJ 段基坑地层计算参数 及厚度 层号 土层 名称 重度KN/M3 粘 聚力 C（ kPa） 内摩擦角( ) M kPa/m2 深度范围 （ m） 1 杂填土 18.0 8 18 5480 1.6 2-1 粘土 18.0 18 8 2280 1.4 2-2 淤泥质粉质粘土 17.0 10 5 800 11.5 3 粉土夹粉砂 17.5 12 20 7200 2.7 4-1 粉砂 19.2 0 27 11880 2.6 4-2 粉细砂 19.7 0 33 18480 第一节 土压力计算 4.1.1 主动土压力计算 为计算简便，此处把地面设为 0标准面，地下水水位处于 -4m深度处 ， A-IJ段基坑剖面图见图 5-2。因减载放坡第二台阶作为施工道路，可以把道路荷载简化为均部荷载，大小为 q=15KPa，此处如不实施减载放坡，则可以把上部开挖掉的两层地层转化为道路面的均部荷载，大小为 (此处取上部杂填土和粘土的重度为17 是因为表 5-2 所给重度为土的饱和重度，故此处根据经验 应 取 重度 小于18 )， 在此把 p 替代 q 作为支护桩上部的均部荷载，则支护桩上的外荷载即为。 现可以画出计算简图，见图 4-1。 图 4-1 A-IJ 段基坑计算简图 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 18 现对各层地层的 主动 土压力分别进行计算，具体计算如下： (1) 车道平面上主动土压力 (2) 地下水水位面处主动土压力 (3) 淤泥质粉质粘土与粉土夹粉砂接触面上表面主动土压力 (4) 淤泥质粉质粘土与粉土夹粉砂接触面下表面主动土压力 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 19 (5) 粉土夹粉砂与粉砂接触面上表面主动土压力 (6) 粉土夹粉砂与 粉砂接触面下表面主动土压力 (7) 粉砂与粉细沙接触面主动土压力 4.1.2 被动土压力计算 基坑开挖深度为 10.7m，被动土压力从基坑底部开始计算，具体计算如下： (1) 基坑底部被动土压力 (2) 淤泥质粉质粘土与粉土夹粉砂接触面上表面被动土压力 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 20 (3) 淤泥质粉质粘土与粉土夹粉砂接触面下表面被动土压力 (4) 粉土夹粉砂与粉砂接触面上表面被动土压力 (5) 粉土夹粉砂与粉砂接触面下表面被动土压力 (6) 粉砂与细砂接触面被动土压力 4.1.3 主动土压力和被动土压力合力计算 图 4-3 A-IJ 段基坑主动和被动土压力计算简图 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 21 如图所示，将各层土压力图形分成一个矩形和一个三角形，通过计算每个部分的合土压力和土压力作用点，可以计 算出各层对桩顶的弯矩。具体计算如下： 现设支护桩进入粉砂层的深度为 x，则各段的合土压力和作用点离支护桩顶的距离为： (1) 矩形部分 作用点距桩顶 0.5m 作用点距桩顶 作用点距桩顶 作用点距桩顶 作用点距桩顶 作用点距桩顶 作用点距桩顶 (2) 三角形部分 作用点距桩顶 作 用 点 距 桩 顶兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 22 作 用 点 距 桩 顶 作 用 点 距 桩 顶 作用点距桩顶 作 用 点 距 桩 顶 作 用 点 距 桩 顶 第二节 支护桩入土深度计算 各部分对桩顶求矩有 : 化简有 化简有 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 23 支护桩处于稳定状态则有 即 化简有 求解有 x=0.91m 在这里取 x=1m 可以知道桩的长度为 11.5+2.7+1=15.2m 第三节 支护桩上最大弯矩计算 求取 x 后可以知 道主动土压力和被动土压力合力为 桩的内聚力 弯矩最大处 为桩的 0 剪力处，显然支护桩上剪力为 0 的点有两个，分两种情况来分别计算出最大弯矩后再比较得最大弯矩，具体计算如下： 设最大弯矩处距桩顶为 y（假设最大弯矩 处 在桩伸入淤泥质粉质粘土 层内且在坑底平面上部 ）则 求得 y=5.36m 此 处 最 大 弯 矩 为 第四节 支护桩配筋计算 支护桩截面弯矩设计值 式中： 临时支护结构调整系数 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 24 实际支护桩截面弯矩设计值为 （ 1.4m为支护桩间距） 支护桩配筋计算 当桩的截面弯矩设计值确定后，就可以按混凝土结构设 计规范（ GB50010-2002）中的如下公式进行配筋计算。 （ 4-1） 式中： -对应于受压区混凝土截面面积的圆心角与 的比值； -混凝土抗压强度设计值； A-支护桩截面面积 -纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，即 =1.25-2 ,当0.625时，取 =0； 钢筋抗拉强度设计值； -全部纵向钢筋的截面面积。 设 ： =b （ 4-2） 则上式可改写成： = （ 4-3） （ 4-4） 式中： r 圆形桩截面的半径； 本段支护桩桩径 1m，桩身强度为 ， ,采用 钢筋，钢筋保护层厚度为 50mm 由 Excel求解得 设纵向钢筋根数为 n,取用直径为 32mm 钢筋， 则 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 25 故主筋采用 22 定位筋 箍筋 第五节 配筋验算 验算纵向圆形截面钢筋保护层是否满足间距要求： 设钢筋笼圆周长为 则纵向钢筋之间距为 ，根据钢筋混凝土规范纵筋之间的间距满足要求。 验算是否满足最小配筋率：根据钢筋混凝土结构设计规范规定，受弯构件、偏心受拉、轴心受拉构件，其一侧纵向受拉钢筋应不小于 0.002 和 中的较大者。 最小配筋率至少大于截面面积的千分之 二 则： ，满足要求。 箍筋应该满足构造要求 第六节 冠梁设计 支护桩顶端 应该 设置冠梁连接，设计冠梁截面尺寸为 1200 500mm，采用 C30混凝土，配主筋为 2 4 22+2 3 22，箍筋为 8200， 因整个基坑体积较大的特点，水平支撑采用框架梁的形式对顶撑于两边冠梁上，框架梁之间设置连系梁连接。因基坑宽度很大，在基坑中采用立柱对支撑进行稳固。 同时内支撑可以兼用作车行道，为施工提供方便。 第五章 A-IJ段基坑支护结构稳定验算 以下验算都是通过理正软件进行的，具体验算过程如下： 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 26 第一节 整体稳定性验算 计算方法：瑞典条分法 应力状态：总应力法 条分法中的土条宽度 : 0.40m 滑裂面数据 整体稳定安全系数 Ks = 1.400 圆弧半径 (m) R = 21.354 圆心坐标 X(m) X = -0.314 圆心坐标 Y(m) Y = 11.814 第二节 抗隆起验算 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 27 Prandtl(普朗德尔 )公式 (Ks = 1.1 1.2)，注：安全系数取自建筑基坑工程技术规范YB 9258-97(冶金部 ): K s D N q c N c H D q N q ta n 45 o 2 2 e ta n N c N q 1 1tan N q t a n 45 1 0 . 0 0 02 2 e 3 . 1 4 2 t a n 1 0 . 0 0 0 2 . 4 7 1 N c 2 . 4 7 1 1 1ta n 1 0 . 0 0 0 8 . 3 4 5 K s 1 8 . 5 1 3 7 . 5 0 0 2 . 4 7 1 1 0 . 0 0 0 8 . 3 4 51 8 . 7 5 3 7 . 5 0 0 7 . 5 0 0 4 1 . 5 5 0 Ks = 1.321 = 1.1, 满足规范要求。 Terzaghi(太沙基 )公式 (Ks = 1.15 1.25)，注：安全系数取自建筑基坑工程技术规范YB 9258-97(冶金部 ): 兰州交通大 学士学位论文 广场 A-IJ 段基坑支护设计 28 K s D N q c N c H D q N q12 e 34 2 ta nc os 45 o22 N c N q 1 1tan N q 12 e 34 3 . 1 4 2 1 0 . 0 0 02 t a n 1 0