深基坑支护结构工程组织设计毕业论文.doc

深基坑支护结构工程组织设计毕业论文目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1本文研究意义11.2基坑排桩支护结构的发展状况41.3排桩内支撑支护结构形式61.3.1排桩支护类型71.3.2排桩支撑类型111.4本文主要研究内容13第二章 基坑排桩支护结构设计基本理论152.1基坑支护设计基本原则152.2侧壁安全等级及重要性系数152.3土压力理论162.3.1经典土压力理论172.3.2水压力计算理论202.4单支点排桩支护设计和计算222.4.1自由端单支点支护桩的计算（平衡法）232.4.2等值梁法232.4.3 M法24第三章 工程概况263.1工程简介263.2地基土层分布与特征263.3地下水273.3.1潜水273.3.2微承压水283.3.3承压水283.3.4土层渗透性283.3.5地下水水质分析及腐蚀性评价293.4不良地质作用和对工程不利埋藏物293.5基坑设计各层土的主要力学指数293.6对地基土的评价29第四章 工程实例基坑支护设计计算314.1基坑支护结构方案设计314.2等值梁法手算324.3配筋计算364.4稳定性计算394.5启明星软件电算39第五章 结论与展望465.1结论465.2展望47致谢48参考文献49附录（英文翻译）50第一章 绪论1.1 本文研究意义基坑工程是基础和地下工程施工中的一个传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中典型的强度、稳定及变形问题，还涉及土与结构共同作用问题、基坑中的时空效应问题以及结构计算问题。对它的研究将随着土力学理论、计算水平、测试技术、数值模拟、施工机械和施工工艺等技术的发展而进步，基坑工程同时也是高难度岩土工程课题，其影响因素多，主要有：场地环境、水文地质条件、施工管理和现场检测、气候条件等，事故隐患多1。随着高层、超高层建筑项目日益增多，地下工程的大量施工，基坑开挖深度越来越深，开挖面积逐渐增大，相对的是场地越来越狭窄，使施工所遇到的难度也越来越大，因为在深基坑开挖支护过程中，不仅要保证基坑自身的稳定，还必须保证临近建筑设施的安全与稳定。迫使工程技术人员须从新的角度去审视基坑工程这一综合课题，为更加合理的设计和施工基坑工程提供指导。根据支护结构的性质和结构本身，对其进行大致分类，见表1-1所示。表1-1 深基坑支护体系分类表透水挡土结构止水挡土结构挡土部分H型钢、工字钢板加插板地下连续墙疏排灌注桩钢丝网水泥抹面深层搅拌桩水泥土桩、墙密排桩（灌注桩、预制桩）深层搅拌水泥桩、加灌注桩双排桩挡土密排桩间加高压喷射水泥桩连供式灌注桩密排桩间加化学注浆桩桩墙合一、地下室逆作法钢板桩土钉支护闭合拱圈墙插筋补强支护-支撑部分自立式（悬臂式、墙）锚拉支护（锚拉梁、桩）土层锚杆钢管、型钢支撑（水平撑）斜撑环梁支护设计逆作法施工支护结构可根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质与水文地质、施工作业设备和施工季节条件按表1-2进行选取。表1-2 深基坑支护结构的使用条件结构选型使用条件排桩或地下连续墙1、 适用于基坑侧壁安全系数1、2、3级；2、 悬臂式结构在软土场地中不大于5m；3、 当地下水位高于基坑底面时，宜采用降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙水泥土墙1、 基坑侧壁安全等级为2、3级；2、 水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于150Mpa；3、 基坑深度不宜大于6m土钉墙1、 基坑侧壁安全等级为2、3级的非软土场地；2、 基坑深度不应大于12m；3、 当地下水位高于基坑底面时，应采用降水措施或者截水措施逆作拱墙1、 基坑侧壁安全等级为2、3级；2、 淤泥河淤泥质场地不宜使用；3、 拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8；4、 基坑深度不宜大于12m；5、 当地下水位高于基坑底面时，应采用降水措施或者截水措施放坡1、 基坑侧壁安全等级为3级；2、 施工现场应满足放坡条件；3、 可独立或与上述其他结构类型结合使用；4、 当地下水位高于基坑底面时，应采用降水措施基坑支护体系由支护结构和支撑体系组成，而根据其施工、开挖方法可以分为无支护开挖与有支护开挖方法2。无支护的放坡基坑工程一般包括以下内容: 降水工程；土方开挖（工艺及设施）；地基加固及土坡护面。有支护结构的基坑工程一般包括以下内容: 支护结构；支撑体系；土方开挖(工艺及设施)；降水工程；地基加固；检测；环境保护。基坑工程在我国发展较晚，但是发展趋势迅速。70年代以前我国建筑水平比较落后，高层建筑较少且地下室多为一层，基坑深不过4m，常采用放坡开挖。80年代后，我国大力发展城市建设，新建了大量的高层（超高层）建筑，同时许多大城市进入了大规模的旧城改造阶段，各种地下市政设施、地下商场、地铁车站的兴建使基坑工程在我国有了广泛的应用，同时也促进了基坑工程理论和施工技术的迅猛发展3，基坑工程是一门综合性很强的系统工程，但总体来说，基坑工程有如下特点：（1）基坑工程呈现出深、大、多等特点随着城市建设的发展，目前国内兴建了大量高（超高）层建筑，基坑工程越来越多，开挖面积越来越大，开挖深度也越来越深。据初步统计,近20年来，我国各大中城市中10层以上的建筑物已逾1亿平方米，其中高度超过100m的建筑物已有约200座。上海金茂大厦、深圳第一信兴地王大厦、赛格广场的高度均超过320m。上海中心工程更是高达到632m,建筑高度令人瞩目。同时，已建和在建的建筑的基坑深度也越来越深，开挖面积也越来越大。如上海中心城区基坑最深的嘉里中心南塔楼开挖深度达到了31.5m。天津高银中央商务区(又称117大厦)基坑长368米、宽262米，大面积开挖深度为19米，主塔楼部位开挖深度为37米，是世界房建单体项目土方量最大、开挖深度最深的工程。润扬长江大桥北锚锚旋基坑的深度更是达到50m，目前这在国内是第一深基坑，在国际上也是罕见的。随着我国经济建设的不断发展,我国的高层建筑将会越来越多，深基坑工程应用也会越来越广泛，深基坑工程向大深度、大面积发展是必然的趋势。（2）基坑支护形式多样化早期的基坑工程由于基坑深度较浅，常采用放坡开挖的形式。但是随着基坑工程的发展,基坑开挖深度越来越深，开挖面积越来越大，施工环境也越来越复杂,放坡开挖已不能满足工程要求。经过工程实践的筛选,形成了适合于不同地质条件和基坑深度的经济合理的多样化的支护结构体系。目前深基坑工程中常用的有悬臂式围护结构、水泥土重力式挡土墙围护结构、内支撑围护结构、拉锚式围护结构、土钉墙围护结构、双排桩门架式围护结构以及复合支护型围护结构等数十种支护形式。（3）逆作法施工技术的广泛应用逆作法施工可缩短基坑开挖和支护结构暴露的时间，改善支护结构受力性能,使其刚度大为增强，减少支护结构的变形及对相邻建筑物的影响，并且降低总造价，一举多得，是一种先进的施工作业方法，因此在深基坑工程中大量被采用。目前国内大部分的高层及超高层建筑例如上海环球金融中心、北京王府井大厦、安徽国际金融贸易中心工程均采用逆作法施工技术。（4）基坑周边施工环境的复杂化深基坑施工不仅要确保本身基坑稳定，更要注意对已有建筑的保护。而目前国内的许多大型基坑工程都是在繁华的城区内进行深基坑开挖，基坑四周已建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设施,基坑周边施工环境越来越复杂。如上海中心主楼工程地处浦东陆家嘴金融开发区的核心地带，基坑四周被金茂大厦、环球金融中心、盛大金磐住宅小区和在建的太平金融大厦环绕，最近间距只45米左右，深基坑施工环境极其复杂，对施工技术要求极高。（5）设计方法的发展和专业软件的开发对支护结构采取按变形控制的设计方法正逐渐代替传统的单纯验算强度和稳定性的方法，并逐步完善。同时对传统土压力理论进行改进或发展,提出了考虑位移的土压力计算公式，并考虑土与结构的共同作用，提出了模拟施工过程的计算方法。目前国内根据现有的深基坑支护理论编制研发了大量的深基坑支护设计专业软件。如武汉地区的“天汉”软件,北京地区的“理正”软件,上海地区的“启明星”软件等。各种深基坑支护设计专业软件的开发及应用极大的方便和简化了支护结构的设计,提高了深基坑工程设计的效率。1.2 基坑排桩支护结构的发展状况基坑工程在国内进行广泛研究始于80年代初期。基坑支护体系的设计包括支护结构的计算和复核、质量检测及施工监控等几方面。对基坑支护结构进行设计时首先应对支护结构进行选择4。支护类型应因地制宜,结合场地工程地质条件和水文地质条件、基坑开挖深度及周边环境,并参照邻近基坑工程和当地的基坑工程、当地技术法规及标准来确定。为了把排桩支护结构技术更好地应用到工程中，人们对排桩的工作性能进行了深入的探讨和研究。研究手段包括理论研究、数值分析和室内外实验研究等几个方面，重点对排桩内力、排桩变形、稳定性和排桩相互作用及优化设计等方面进行了探讨和分析。排桩支护是深基坑支护的一个重要组成部分，在工程中已得到广泛使用。它随着科学技术的发展、时代的需要而产生；随着岩土工程、结构工程、环境工程的不断发展而发展；随着工程力学、计算方法、材料科学的发展，其受力特性将更加明确，形式将更加多样。随着基坑开挖深度的加大，排桩支护结构得到普遍运用。1993年开始,由于高层和超高层建筑的大量涌现，基坑的开挖深度愈来愈大，普遍挖深在67m以上，加之基坑周边可以利用的场地愈来愈狭窄，简单的放坡及排桩支护已不能满足要求。此时，悬臂式大直径钻孔灌注桩和人工挖孔桩成为主要的支护结构类型。由于大量采用悬臂式的支护结构出现变形过大、断桩事故，周边环境也受到较大影响,开始对挖深大于89m的基坑开始采用排桩加钢管内支撑或锚杆的支护技术。1994年开始，排桩加内支撑或排桩加锚杆的支护技术广泛应用于挖深在1012m的基坑工程，并以桩锚支护结构居多5。Iame5定性地分析出了若干因素对基坑周边土体变形的影响，并归纳为八个方面:（1）基坑尺寸(长度、宽度、深度)；（2）土的性质；（3）地下水状况；（4）基坑暴露时间；（5）支撑体系；（6）开挖和支撑的顺序；（7）邻近的建筑和设施；（8）活荷载。Bransby7等对砂土地层中的悬臂板桩进行了室内模型试验,通过该试验研究了板桩和土体在土方开挖过程中的受力变形特性，并研究了土与挡墙之间接触面光滑程度及砂土性质等因素对挡墙侧移大小和坑周土体沉降变形的影响。Laefer,Debra Fer8分别具体地研究了刚性与柔性悬臂支护结构对基坑周边土体沉降及近邻建筑物发生位移所产生的不同影响。吴铭炳9根据福州软土基坑应用排桩支护结构的原位测试结果，分析总结了排桩支护结构实际受力变形特征，对比了不同理论计算结果与实测结果的异同,提出了：（1）控制排桩位移措施。（2）围护桩为受弯构件，桩身钢筋应力状态主要与支护形式（悬臂或支撑）有关，围护桩采用双面不对称配筋，有利于发挥围护桩强度。（3）悬臂式排桩顶部位移最大，其大小主要受土层性质控制，支（锚）撑式支护桩位移在开挖面附近达最大值，其大小主要受支护结构本身刚度控制。（4）钢筋混凝土内支撑松弛系数：第一层支撑=0.91.0，第二层支撑=0.70.9,第三层支撑=0.50.7,应尽量减少支撑层数。（5）目前常用的计算方法对（软土地基）一层支撑的排桩支护计算较为准确，二层以上支撑的排桩支护内力应采用考虑支撑设置滞后的m法计算，但由于软土的特殊性位移计算仍不准确，在支护设计中应采取相应措施。许锡昌，陈善雄，徐海滨10以矩形基坑悬臂排桩支护结构为研究对象，通过分析现场实测数据和数值计算，归纳出了冠梁和支护桩的空间变形模式，建立了整个支护系统的能量表达式。利用最小势能原理，推导了基坑中部桩顶最大位移的解析解，分析了各主要支护参数对该位移的影响。研究结果表明，桩顶最大位移随坡顶超载和桩间距的增大基本呈线性增大趋势；当嵌固深度系数逐渐增大时，桩顶最大位移也逐渐增大，但趋势渐缓；基坑长度对其影响也较大，当基坑长度超过一定数值后，最大位移值趋于稳定。最后利用所得的研究成果对某基坑进行了验证，并与现场实测结果进行了对比，计算结果能够满足工程要求。桩顶圈梁协调了桩与桩之间的协同工作，但尽将圈梁作为一种安全储备造成一种浪费。何建明，白世伟11以圈梁两端固定为假设条件，建立了深基坑排桩一圈梁支护系统空间协同作用的计算模型与方法。计算结果表明:排桩一圈梁支护系统有明显的空间协同作用，在工程设计和施工中，可以把圈梁作为排桩支护系统的第一道支撑考虑，并根据圈梁在不同部位所起的不同作用来合理配置受力筋，充分发挥圈梁的作用。林雪梅12结合具体工程探讨软土地基排桩支护的优化设计并对监测的结果进行分析，包括：方案优选、支撑点位置的优化、支撑结构体系的确定、监测排桩钢筋应力、土压力、排桩水平位移。总结出：（1）软土地基深基坑支护设计，应根据场地情况和周边环境，进行多种方案的经济技术比较，提出优化设计方案；（2）支撑梁的刚度和强度是控制基坑变形的关键，应做到强支撑弱节点；（3）基坑支护的现场监测是基坑工程的重要环节，应做好信息反馈和分析工作。根据空间杆系有限元方法，建立了排桩支护结构的计算模型。分析了切向平面内圈梁对支护桩结构变形，内力的影响和法向平面内基坑的几何尺寸效应。本世纪以来，基坑工程的场地条件愈来愈严峻，工程地质、水文地质条件及对周边环境的保护等，都成为基坑工程中的难点。喷锚支护由于造价较低得到广泛运用，同时为满足日益艰巨的工程条件，逐渐发展了复合喷锚支护和复合土钉墙，但在基底软土层厚度较厚时，仍易发生工程事故，这些因素反而促进了双排桩支护结构和多支撑排桩支护结构的发展。1.3 排桩内支撑支护结构形式目前深基坑工程支护形式多样化，其中排桩支护体系由于可靠性高、不侵越红线、便于与逆作法相结合等优点而受到了越来越广泛的应用，排桩支护结构已逐渐成为深基坑工程中应用最为广泛的支护形式之一，因此对于排桩支护结构体系的研究具有重要的理论价值和现实意义。由于排桩支护对各种地质条件的适应性、施工简单易操作且设备投入一般不是很大，在我国排桩式支护是应用较多的一种。排桩通常多用于坑深715m的基坑工程，做成排桩挡墙，顶部浇筑混凝土圈梁，它具有刚度大、抗弯能力强、变形相对较小，施工时无振动、噪声小，无挤土现象，对周围环境影响小等特点。当工程桩也为灌注桩时，可以同步施工，从而有利于施工组织，且工期短。当开挖影响深度内地下水位高且存在高透水层时，需采取隔水措施或降水措施。当开挖深度较大或对边坡变形要求严格时，需结合拉锚系统或支撑系统使用。 图1-1 排桩内支撑结构示意图排桩内支撑支护结构是一种广泛应用的基坑支护形式，它主要由支护排桩、钢支撑或钢筋混凝土支撑和外侧各式止水（防挤土）帷幕（高压旋喷桩、水泥搅拌桩等) 等构成，如图1-1。各个结构构件之间相互联系、相互影响、构成一个有机统一整体，采用“外护内支”方式保持基坑开挖过程中土体应力场与渗流场处于静力平衡或动态平衡稳定状态。其中外护是指依靠围护墙体（排桩）挡住基坑边壁土体（防止土体颗粒的大量流失）、阻止地下水渗漏；内支是指为保证整体结构的稳定和具有一定的刚度并且受力均衡，采用内支撑为围护墙体（排桩）的稳定与平衡提供足够的支撑力。1.3.1 排桩支护类型支护结构中的排桩是主要受力结构,有多种形式，主要有：钻孔灌注桩、预制钢筋混凝土板桩或者钢板桩、人工挖孔桩等，其中钻孔灌注桩应用最广泛。钻孔灌注桩一般直径不宜小于400500mm，桩间距通常由桩间土稳定条件及排桩受力确定，一般不大于桩径的1.5倍。为防止桩间土体的塌落滑移，通常在桩间土体表面采用水泥砂浆钢筋网护面，或对桩间土体注浆加固。（1）按基坑开挖的深度及支护结构受力情况,排桩支护结构可以分为以下几种：无支撑(悬臂)围护结构当基坑开挖深度不大时,可利用悬臂作用挡住围护结构后土体。单层支点支护当基坑开挖深度较大时,不能采用无支撑围护结构,可以在围护结构顶部附近设置一单支撑。多层支点支护当基坑开挖深度较深时，仅仅设置一层支撑已经不能满足控制支护结构内力和位移的要求，可以在不同的标高处设置多道支撑，以减少围护结构的内力和位移。（2）排桩支护依其结构形式可分为悬臂式支护结构与（预应力）锚杆结合形成桩锚式和与内支撑(钢筋混泥土支撑、钢支撑)结合形成桩撑式支护结构13。悬臂式排桩支护结构悬臂式支护结构主要是根据基坑周边的土质条件和环境条件的复杂程度选用，其技术关键之一是严格控制支护深度。如图1-2所示，悬臂式支护结构适用于开挖深度不超过l0m 的粘土层，不超过5m的砂性土层，以及不超过4-5m的淤泥质土层。悬臂式排桩结构的优缺点及适用范围如下：（a）优点：结构简单，施工方便，有利于基坑采用大型机械开挖。（b）缺点：相同开挖深度的位移大，内力大，支护结构需要更大截面和插入深度。（c）适用范围：场地土质较好，有较大的c、值，开挖深度浅且周边环境对土坡位移要求不严格。内撑式排桩支护结构内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙、SMW工法、钢筋混凝土咬合桩等型式。内撑体系可采用图1-2 悬臂式支护简图水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑，分别如图1-3（a）、（b）及（d）所示。当基坑平面面积很大，而开挖深度不太大时，宜采用单层斜支撑如图1-3（c）所示。 （a） （b） （c） （d）图1-3 内撑式围护结构示意图内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管或型钢支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收，且加预压力方便。内撑式支护结构适用范围广，可适用各种土层和基坑深度。内支撑结构造价比锚杆低。但对地下室结构施工及土方开挖有一定的影响。但是在特殊情况下，内支撑式结构具有显著的优点。桩撑支护结构的优点：（a）施工质量易控制，工程质量的稳定程度高；（b）内撑在支撑过程中是受压构件，可充分发挥出混凝土受压强度高的材性特点，达到经济目的；（c）桩撑支护结构的适用土性范围广泛，尤其适合在软土地基中采用。桩撑支护结构的缺点：（a）内撑形成必要的强度以及内撑的拆除都需占据一定工期；（b）基坑内布置的内撑减小了作业空间，增加了开挖、运土及地下结构施工的难度，不利于提高劳动效率和节省工期，随着开挖深度的增加，这种不利影响更明显；（c）当基坑平面尺寸较大时，不仅要增加内撑的长度，内撑的截面尺寸也随之增加，经济性较差。桩撑支护结构的适用范围：（a）适用于侧壁安全等级为一、二、三级的各种土层和深度的基坑支护工程，特别适合在软土地基中采用；（b）适用于平面尺寸不太大的深基坑支护工程，对于平面尺寸较大的，可采用空间结构支撑改善支撑布置及受力情况；（c）适用于对周围环境保护及变形控制要求较高的深基坑支护工程。拉锚式排桩支护结构拉锚式支护结构由支护结构体系和锚固体系两部分组成。支护结构体系同于内撑式支护结构，常采用钢筋混凝土排桩墙和地下连续墙两种。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式支护结构和双层锚杆式支护结构示意图分别如图1-4所示。地面拉锚式支护结构需要有足够的场地设置锚桩，或其它锚固物。锚杆式需要地基土能提供较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。图1-4 拉锚式围护结构示意图桩锚支护结构的优缺点及适用范围：桩锚支护结构的优点：（a）桩锚支护结构的尺寸相对较小，而整体刚度大，在使用中变形小，有利于满足变形控制的要求；（b）与桩撑支护结构相比，桩锚支护结构的拉锚力与深基坑的平面尺寸无关，在平面尺寸较大的深基坑工程采用桩锚支护结构能凸显它的这个优势；（c）桩锚支护结构的施工相对较为简单，而且由于基坑内没有支挡，坑内有较大的净空空间，从而能确保土方开挖与运输、结构地下部分施工所需的作业空间，也为提高劳动效率、节省工期创造了前提性条件；（d）桩锚支护结构的造价相对较低，有利于节省工程费用。桩锚支护结构的缺点：（a）桩锚支护结构所占作业空间较大，锚杆的设立要求场地有较宽敞的周边环境和良好的地下空间；（b）需要有稳定的土层或岩层以设置锚固体；（c）地质条件太差或土压力太大时使用桩锚支护结构，容易发生支护结构的受弯破坏或倾覆破坏。桩锚支护结构的适用范围：（a）适用于周边环境比较宽敞、地下管线少且没有不明地下物的深基坑支护工程；（b）特别适用于平面尺寸较大的深基坑支护工程；（c）对于使用锚杆作为外拉系统的桩锚支护结构，宜运用在具有密实砂土、粉土、粘性土等稳定土层或稳定岩层的深基坑支护工程中。（3）排桩从布桩形式上，可分为单排布置和双排布置双排桩支护结构体系属于悬臂类空间组合支护体系。所谓空间组合，是指支护桩从平面上看可按需要采用不同的排列组合，前排桩顶用圈梁连接，前后排之间有连梁拉接，在没有锚杆或内支撑的情况下，发挥空间组合桩的整体刚度和空间效应，并与桩土协同工作，支挡因开挖引起的不平衡力，达到保持坑壁稳定、控制变形、满足施工和相邻环境安全的目的。双排桩支护结构体系的特点主要体现为：在双排桩支护结构中，前后排桩均分担主动土压力，其中前排桩主要起分担土压力的作用，后排桩兼起支挡和拉锚的双重作用双排桩支护结构形成空间格构，增强支护结构自身稳定性和整体刚度充分利用桩土共同作用的土拱效应，改变土体侧压力分布，增强支护效果。双排桩支护结构体系的缺点：双排支护桩的设计计算方法还不够成熟，实测数据还不多，受力机理不够清楚。基坑周边要有一定空间，以利于双排支护桩的布置和施工。在对深基坑挡土支护结构的位移有限制的要求下，对于一般粘性土地区来说，双排支护桩是一种很有应用价值的挡土支护结构类型。地下水位较高的软土地区采用双排支护桩时，应做好挡土、挡水，以防止桩间土流失而造成结构失效，上海、杭州、宁波、福建、广东等地区已经有很多双排桩挡土支护结构的成功实例。1.3.2 排桩支撑类型内支撑可以有效的传递和平衡作用在围护墙体上的水、土压力，协调围护墙体的受力，控制围护墙体的变形，使整体支护结构受力平衡。支撑体系按材料划分可以分为现浇钢筋混凝土支撑（如图1-5）、钢支撑（如图1-6）和混合支撑三种。 图1-5 现浇混凝土支撑支护体系钢筋混凝土支撑布置形式灵活，无论直线或曲线杆件均可支模现浇，可广泛应用于各种截面形式的深基坑工程；从而钢筋混凝土支撑整体性好、刚度大，能够大大的减少支护结构的变形，从而保护周围环境；同时承载力大，支撑间距较远，能够形成较大的空间，方便机械施工。但是钢筋混凝土支撑自重大，浇筑和养护时间较长，导致基坑工程整体施工工期长，若组织不当容易长生时间效应，对基坑不利，而且钢筋混凝土支撑不能重复使用，基坑开挖完毕后需要拆除。拆除比较麻烦，如果采用爆破方式将会对周围环境产生一定影响。但是目前大量采用的逆做法施工技术将部分内支撑体系作为主体结构的梁、板，从而大大的提高了内支撑结构的可利用性。因此目前的深基坑工程中主要采用这种支护结构。钢支撑多采用钢管、型钢或型钢与钢管组成的组合式构件。钢支撑较钢筋混凝土支撑自重轻，拆装方便，施工迅速，可减少施工工期，从而降低土体的时间效应；同时可以施加预应力并根据支护结构的变形的发展及时调整预应力值，以控制变形；而且可以多次重复使用，所以目前钢支撑在深基坑工程也被大量的使用。但是钢支撑多为直线杆件，无法适应曲线形支撑的需要，而且节点构造相对复杂，同时刚度较混凝土支撑小，支撑间距不宜过大，需要合理的设置立柱，否则可能会发生整体失稳，导致整个基坑工程垮塌。 图1-6 钢支撑支护体系混合撑则可以充分利用钢筋混凝土支撑和钢支撑的优点，避免各自不足。如在深基坑工程中，可以在基坑上部使用混凝土支撑，基坑下部使用钢支撑，这样即可以发挥混凝土支撑刚度大、承载力大的优点，又发挥了钢支撑快捷方便，施工方便的特点，扬长避短，即保证基坑工程的安全，又减少施工工期。支撑结构不仅分类众多，平面布置形式也是多种多样的14。目前支撑结构主要布置形式如图1-7所示。（a） （b）（b） （d）(e) (f)(a) 加强围檩式 （b）长边对顶加角撑 （c）琵琶撑 （d）结构式支撑 （e）环梁式 （f）加强角撑式 图1-7 常用支撑截面形式1.4 本文主要研究内容深基坑支护设计分为深基坑支护方案选择和支护结构设计两步。目前,深基坑支护方案的决策还没有一个明确的体系，大多数情况下依靠经验专家的定性分析，具有较大的主观性，由于方案选择不当导致深基坑工程事故，造成重大经济损失的案例时有发生；同时，由于方案选择过于保守，造成隐形浪费的实例也不鲜见。因此，对深基坑支护方案优化选择进行研究具有重要意义。随着城市建筑物密集区深基坑工程的增多，环境要求越来越严格。排桩内支撑支护结构利用内支撑系统为围护构件的稳定性提供足够的支撑力，对基坑土体的位移场和应力场扰动小，对周围环境影响较小，应用前景广阔。环境影响评价是方案选择的重要影响因素，因此准确预测基坑开挖对周围环境影响非常重要。本文将对深基坑支护方案优化选择与排桩内支撑结构优化设计进行研究。本文首先对深基坑支护结构的工程特点进行了论述，介绍了几种常用深基坑支护的结构类型；然后，论文介绍了排桩内支撑的概念，排桩支护类型及支撑类型，简述了其应用范围，对排桩支护结构的计算理论进行较为全面、系统的分析和研究；最后，对基坑开挖9m的实际工程采用排桩钢支撑支护结构应用等值梁法进行了设计计算,使用同济大学启明星软件进行整体计算、校核、编制计算书，计算结果可供工程设计和施工参考。第二章 基坑排桩支护结构设计基本理论2.1 基坑支护设计基本原则支护结构应当保证填土、物料、基坑侧壁及构筑物本身的稳定，构筑物应具有足够的承载力和刚度，保证结构的安全正常使用。同时，在设计中还应做到技术先进、经济合理以及方便施工。设计的基本原则为:（1）为保证支护结构安全正常使用，必须满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，对于支护结构应进行下列的计算和验算:承载能力极限状态的计算，计算内容如下所示：（a）根据支护结构的类型及受力状态来竞选土体稳定性计算。稳定性验算包括：为保证支护结构不会发生整体滑动，应对支护结构的整体稳定性进行验算；支护结构抗倾覆稳定验算；支护结构抗滑移验算；支护结构的抗隆起稳定验算；支护结构抗渗流验算。（b）支护结构的受压、受弯、受剪、受拉承载力计算。（c）若加设锚杆或内支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。正常使用极限状态计算（a）由于基坑工程施工会对周围环境产生影响，支护结构的变形必须严格要求，应对结构的变形进行计算；（b）对钢筋混凝土构件的抗裂度及裂缝宽度进行计算。支护结构的变形与裂缝应符合：，其中为变形、裂缝等荷载效应的设计值；为设计对变形、裂缝等规定的相应限值。（2）应根据工程的需求、地质及水文条件等因素，综合考虑以确定支护结构的平面布置以及其高度。（3）根据土体性质、受荷情况、地质及水文条件等，确定支护结构类型及其几何形状。（4）保证支护结构设计符合相应规范及条例。（5）支护设计必须与环境相协调，满足保护环境的要求。（6）支护设计方案必须提出施工监控、质量监测的要求。（7）确保支护结构的耐久性,根据基坑要求，给出基坑维护的细则。2.2 侧壁安全等级及重要性系数基坑侧壁安全等级划分难度较大，很难定量说明。建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）中采用了结构安全等级划分的基本方法，按支护结构的破坏后果分为很严重、严重、不严重三种情况分别对应于三种安全等级，其重要性系数的选用与建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）相一致，见表2-1。表2-1 基坑侧壁安全等级和重要性系数安全等级破坏后果一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.902.3 土压力理论 作用在支护结构上的荷载主要有土压力和水压力，而土压力是主要的荷载，它指的是支护结构后填土自重或外荷载对支护结构产生的侧向压力。土压力的计算是个比较复杂的问题，它随着支护结构可能位移的方向、大小及填土所处的状态分为主动土压力、被动土压力和静止土压力15。 静止土压力：若支护结构在土压力作用下不发生变形和任何位移，墙后填土处于弹性平衡状态，则作用在结构上的土压力为静止土压力。 主动土压力：若支护结构在土压力作用下向墙前发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐减少，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力为主动土压力。 被动土压力：若支护结构在外力作用下向墙后发生位移，则随着位移的增大，墙后土压力逐渐增大，当土体达到极限平衡状态时，作用在结构上的土压力为被动土压力。 三种土压力与支护结构的位移的关系如图2-1所示。图2-1 支护结构位移与土压力的关系上述土压力是随着位移变化的三种极限情况，在相同的墙高和填土条件下，三种极限土压力的关系。2.3.1 经典土压力理论 （1）静止土压力理论静止土压力计算依据为半空间弹性变形体在自重作用下无侧向变形时的水平侧压力计算。土体的竖向自重应力,则距填土表面深度z处的静止土压力强度可按下式计算: （2-1）：土的侧压力系数或静止土压力系数，一般砂土可取0.350.50；粘性土为0.500.70。对于正常固结土提出的经验公式（为土的有效内摩擦角）计算；：墙背填土重度， 。由式（2-1）可知，静止土压力沿墙高为三角形分布，如取单位墙长，则作用在墙上的静止土压力为： （2-2）：静止土压力，的作用点在距墙底处；H：挡土墙高度，m。（2）朗肯土压力理论朗肯土压力理论是英国科学家朗肯于1857年提出的，是通过研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法。朗肯土压力理论假定墙体是刚性的，墙后土体表面水平、处于主动或被动极限状态，墙背为竖直、光滑的平面。主动土压力朗肯主动土压力强度按下式计算：无粘性土： （2-3）粘性： （2-4）式中：主动土压力系数， ； c：填土的粘聚力； ：填土的内摩擦角； Z：计算点距填土表面的深度（m）。则单位墙长的主动土压力为：无粘性土： （2-5）粘性土： （2-6）被动土压力朗肯被动土压力强度按下式计算：无粘性土： （2-7）粘性土： （2-8）式中：被动土压力系数， ； c：填土的粘聚力（）； ：填土的内摩擦角； Z：计算点距填土表面的深度（m）。则单位墙长的被动土压力：无粘性土： （2-9）粘性土： （2-10）朗肯理论计算公式简单，使用方便。但由于其假定条件较严，使得该理论的应用范围受到限制。此外，由于朗肯理论忽略了墙背与土体之间的摩擦作用，计算所得的主动土压力值偏大。（3）库伦土压力理论库仑土压力理论是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时，根据楔体的静力平衡条件求得的土压力计算理论。其基本假设是：挡土墙为刚性，墙后填土为无粘性土；在主动和被动极限状态，墙后产生的滑动土楔沿墙背和通过墙踵的平面滑动；滑动土楔体为刚体。主动土压力库伦主动土压力计算图如图2-2所示。库伦主动土压力的一般公式如下： （2-11） （2-12）式中：库伦主动土压力系数； ：挡土墙高度，m； ：墙后填土的重度，； ：墙后填土的内摩擦角； ：墙背的倾斜角，俯斜时取正号，仰斜时取负号； ：墙后填土面的倾角； ：土对挡土墙背的外摩擦角。图2-2 库伦主动土压力计算图若墙背竖直()、光滑()及墙后填土面水平（），则库仑主动土压力系数，可见在此条件下,库仑公式与朗一式相同。因此朗肯理论是库仑理论的特殊情况。被动土压力库仑被动土压力计算图如图2-3示。图2-3 库伦被动土压力计算图 库伦被动土压力的一般表达式为： （2-13） （2-14） 式中：库伦被动土压力系数。 若墙背竖直（）、光滑（）及墙后填土面水平（），则库仑被动土压力系数，即与无粘性土的朗肯公式相同。 库仑土压力理论考虑了墙与土体间的摩擦力作用，并能考虑地面及墙面为倾斜的情况，但是对于粘性土必须采用等效摩擦角，并且随意等效，误差较大。此外，当有地下水时，特别是考虑渗流效应时，库仑理论并不适用。 朗肯土压力理论和库仑土压力理论基本假设不同，分析的计算方法也不同，只有在,的情况下,两种土压力理论的计算结果才相同，且两者均属于极限状态土压力理论。由于朗肯土压力理论计算的主动土压力值偏大，被动土压力值偏小，用朗肯土压力理论来设计深基坑工程相比于库仑土压力理论总是偏于安全的，所以目前深基坑工程设计中主要采用朗肯土压力理论。2.3.2 水压力计算理论 支护结构上作用的均布荷载主要是土压力，但是当基坑开挖范围内有地下水时，还要考虑地下水压力。水压力的计算要考虑诸多因素，例如地下水的补给情况、排水处理方式、季节变化和施工场地开挖条件等。 目前计算地下水位以下的水、土压力有两种方法，即“水土分算”（计算图示如图2-4）和“水土合算”（计算图示如图2-5）。两种计算理论均未考虑渗流的影响。（l）水土分算图2-4 水土分算示意图地下水位以上部分: （2-15）地下水位以下部位： （2-16）其中：地面距地下水位处距离； ：水的重度； ：计算点距地面距离； ：土的重度。（2）水土合算图2-5 水土合算示意图地下水位以上部分： （2-17）地下水位以下部分： （2-18）其中：地面距地下水位处距离； ：计算点距地面距离； ：土的饱和的重度； ：土的重度。目前许多学者对工程中采用哪种计算方法还没有统一的定论。工程界一般认为，对于砂性土和粉土应按水土压力分算原则进行，然后将计算结果相加。对于粘性土，可按水土压力合算原则厂但也有大认为，粘性土中，主动土压力按水土合算，被动土压力按水土分算。根据有效应力原理，水土合算是缺乏理论根据的，但是由于有效应力指标较难获得，而且一些实例资料表明，在淤泥质粘土和夹砂粘性土中，其平均水压力不到整个侧压力的20%，故目前实际工程设计中应用较多的是合算方法。2.4 单支点排桩支护设计和计算顶端支撑(或锚系)的排桩支护结构与顶端自由(悬臂)的排桩二者是有区别的。顶端支撑的支护结构，由于顶端有支撑而不致移动而形成一铰接的简支点。至于桩埋入土内部分，入土浅时为简支，深时则为嵌固。下面所介绍的就是桩因入土深度不同而产生的几种情况。（1）支护桩入土深度较浅，支护桩前的被动土压力全部发挥，对支撑点的主动土压力的力矩和被动土压力的力矩相等(图8-10a)。此时墙体处于极限平衡状态，由此得出的跨间正弯矩Mmax其值最大，但入土深度最浅为tmin。这时其墙前以被动土压力全部被利用，墙的底端可能有少许向左位移的现象发生。（2）支护桩入土深度增加，大于tmin时(图2-6b)，则桩前的被动土压力得不到充分发挥与利用，这时桩底端仅在原位置转动一角度而不致有位移现象发生，这时桩底的土压力便等于零。未发挥的被动土压力可作为安全度。（3）支护桩入土深度继续增加，墙前墙后都出现被动土压力，支护桩在土中处于嵌固状态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。它的弯矩己大大减小而出现正负二个方向的弯矩。其底端的嵌固弯矩M2的绝对值略小于跨间弯矩M1的数值，压力零点与弯矩零点约相吻合(图2-6c)。（4）支护桩的入土深度进一步增加(图2-6d)，这时桩的入土深度己嫌过深，墙前墙后的被动土压力都不能充分发挥和利用，它对跨间弯矩的减小不起太大的作用，因此支护桩入土深度过深是不经济的。图2-6 入土深度不同的板桩墙的土压力分布、弯矩及变形图以上四种状态中，第四种的支护桩入土深度已嫌过深而不经济，所以设计时都不采用。第三种是目前常采用的工作状态，一般使正弯矩为负弯矩的110115作为设计依据，但也有采用正负弯矩相等作为依据的。由该状态得出的桩虽然较长，但因弯矩较小，可以选择较小的断面，同时因入土较深，比较安全可靠：若按第一、第二种情况设计，可得较小的入土深度和较大的弯矩，对于第一种情况，桩底可能有少许位移。自由支承比嵌固支承受力情况明确，造价经济合理。单支点的排桩计算方法有很多，包括平衡法、图解法（弹性线法）、等值梁法、有限元法等，本论文主要介绍平衡法、等值梁法和M法161718。2.4.1 自由端单支点支护桩的计算（平衡法）图2-7是单支点自由端支护结构的断面，桩的右面为主动土压力，左侧为被动土压力。可采用下列方法确定桩的最小入土深度tmin和水平向每米所需支点力(或锚固力)R。如图2-7所示，取支护单位长度，对A点取矩，令MA0，则有 （2-19） （2-20）式中 、：基坑底以上及以下主动土压力合力对A点的力矩；：被动土压力合力对A点的力矩；、：基坑底以上及以下主动土压力合力；：被动土压力合力。图2-7 单质点排桩静力平衡计算简图2.4.2 等值梁法挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被功土压力，如图2-8a所示。在计算过程中所要求出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。按一端嵌固另一端简支的梁进行研究，此时单支撑挡墙的弯矩如图2-8c，若在得出此弯矩图前已知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将粱（即桩）断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整梁计算时一样，此断梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算法就称为等值梁法，其计算步骤如下(图2-8)：（1）根据基抗深度、勘察资料等，计算主动土压力与被动土压力，求出土压力零点B的位置，并计算B点至坑底的距离u值；（2） 由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力QB；图2-8 等值梁法计算简图 （2-21） （2-22）（3）由等值梁BG求算板桩的入土深度，取，则由上式求得 （2-23）由上式求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得 （2-24）如桩端为一般的土质条件，应乘系数1.11.2，即 （2-25）（4）求剪力为零的点，计算最大弯矩Mmax值。2.4.3 M法弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力(地基反力)用土弹簧来模拟，地基反力的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数同该深度挡墙变形的乘积确定。按地基反力系数沿深度的分布不同形成几种不同的方法，图2-9给出了地基反力系数的五种分布图示，用下面的通式表达: （2-26）式中z为地面或开挖面以下深度；k为比例系数；n为指数，反映地基反力系数随深度而变化的情况；凡为地面或开挖面处土的地基反力系数，一般取为零。根据n值的取值而将采用图分布模式的计算方法分别称为张氏法、C法和m法。当n=1时: （2-27）图2-9 地基反力系数分布图此式表明水平地基反力系数沿深度按线性规律增大，由于我国以往应用此种分布图示时，用m表示比例系数，即，故通称m法。本次设计使用同济大学启明星软件进行M法的计算设计。第三章 工程概况3.1 工程简介拟建场地位于苏州市区东吴北路东侧、县前街北侧