深基坑围护结构课程设计指导书

深基坑与边坡支护工程 课程设计指导书 武夷学院 土木工程教研室 2014 年 9 月 地铁深基坑围护结构设计 1 工程概况 本车站座落于奥林匹克公园内下沉广场中心 其站厅为下沉广场中心的一 部分 因而形成站厅层处于下沉广场 而站台层处于地下的半地下双层岛式站 台车站 站厅层宽度大于站台层 形成了上宽下窄的结构形式 车站南北两端 为地下商业露天疏散广场 本地铁车站主体结构较大 车站南北总长为 380 430m 车站中心里程为 K2 937 000 车站中心线处轨顶绝对高程为 30 646m 车站主体结构主要包括两部分 车站站台中心区及其附属设施部分和 车站北端的北广场及大屯路地下公交车站部分 车站主体南半部分 即站台中 心区 南北长 203 200m 东西宽 56 700m 车站主体北半部分 即车站北广场 和大屯路地下公交车站 南北长 177 230m 东西宽 44 700m 除局部设置风道 处为地下四层 结构基础底板埋深约为 19 50m 外 其余大部分结构均为地下 三层 结构基础底板埋深约为 15 50m 车站站台层标准段为单层三跨箱形框 架结构 其两端为单层多跨箱形框架结构 本车站两端设敞口通道 南端设长 110 50m 宽 38 9m 的坡道 从地面进入站厅层 北端设宽 23 5m 的台阶 扶梯 和地下公交通道 连接地面和大屯路地下公交车站 在车站南侧站厅内东西两 侧各设有一个直通地面的出入口 另外 在车站穿越大屯路的位置分别在其四 周各布置一个出入口 2 围护结构比较选型 2 1 常见的围护结构形式 1 排桩 水平钢支撑 优点 施工过程中振动小 噪音小 刚度较大 能够就地施工 施工效率 高 对周围环境影响小 而且因为钢支撑可以回收利用 它也比较经济 缺点 这种支护结构形式整体刚度较差 不能同时作为主体结构 适用范围 适用于地层较差的地区 如软土地区 黄土地区 2 SMW 工法 劲性水泥土搅拌连续墙 优点 占用场地少 施工速度快 对环境污染小 无废弃泥浆 施工方法 简单 施工过程中对周围建筑物及地下管线影响小 耗用水泥钢材少 造价低 同时兼有防渗和挡土两种功能 缺点 结构刚度小 容易发生较大变形 适用范围 此方法的适用与基坑深度和施工机械有关 国内一般只适用基 坑开挖 6 10m 3 钻孔咬合桩 优点 可参与永久结构受力 兼有挡土与防渗两种功能 施工时对周围环 境影响很小 工期较短 缺点 施工速度较慢 基坑开挖深度较大时造价往往很高 随着桩长而提 高 适用范围 适用范围广 基本上适用于各类土层 尤其对 15m 以下的基坑 来说 这种方法很好 4 地下连续墙 优点 墙段刚度大 整体性好 因而结构和地基变形都较小即可用于超深 围护结构 也可用于主体结构 可以减少支护 可进行逆筑法施工 有利于加 快施工进度 缩短工期 降低造价 防渗性能能好 缺点 施工对周边影响较大 造价随地层复杂程度的增加而提高 适用范围 适用各类土层 尤其是对地下水丰富以及软土地区最为适用 2 2 确定围护形式 本车站所处北京地区 基坑开挖 19 5m 综合考虑 4 2 1 中所提到的四种围 护形式的优缺点 适用范围以及本工程的施工设要求 且结合北京地区以往工 程经验 选用排桩 水平钢支撑的围护形式 其中排桩为钻孔灌注桩 3 围护结构设计 本车站基坑开挖深度 19 5m 平均地下水位 5 0m 支护方式采用排桩加内 支撑 由于存在地裂缝 在排桩之间设置直径为 800mm 的旋喷桩桩形成止水帷 幕 其中排桩为钻孔灌注桩 桩径 1200mm 间距 1500mm 综合几个断面的土层性质分析 结果发现纵向断面 1 的土层比较复杂 因 此 就以该断面的土层信息为计算依据 见表 3 1 注明 为安全考虑 取 C 为原始参数的 0 7 倍 超载 mkPaq30 表 3 1 计算断面土层的物理性质 土层名称重度 r 3 mkN 浮重度 r 3 mkN 层厚 H m c KPa 1杂填土杂填土18 0 2 1710 5 2饱和黄土饱和黄土19 019 23 016 111 2 3新黄土新黄土19 719 85 917 512 3 4古土壤古土壤19 719 81 523 113 5粉质粘土粉质粘土20 120 29 633 615 1 6粉土粉土20 610 63 6017 5 7砂土20 810 86 5021 3 1 内力计算 土压力及内力计算 1 计算各土层侧压力系数 主动侧压力系数 2 45 tan2 a K 2 45tan a K 被动土压力系数 2 45 tan2 p K 2 45tan p K 根据以上两个公式可以得到 0 692 0 832 1 446 1 202 1a K 1a K 1P K 1p K 0 709 0 842 1 410 1 299 2a K 2a K 2P K 2p K 0 649 0 805 1 541 1 242 3a K 3a K 3P K 3p K 0 633 0 795 1 580 1 257 4a K 4a K 4P K 4p K 0 587 0 766 1 705 1 306 5a K 5a K 5P K 5p K 0 538 0 733 1 860 1 364 6a K 6a K 6P K 6p K 0 472 0 687 2 117 1 455 7a K 7a K 7P K 7p K 2 工况设计 工况 1 挖土 5 5m 并支冠梁层内支撑 0 5m 处 kPaKcqKe aa 71 7 932 0 72692 0 302 1110 kPa KcKzrqe aa 27 35 832 0 72692 0 1 21830 2 111111 2 kPa KCKzrqe a a 75 32 842 01 92709 0 1 21830 2 2 22111 2 kPa KcKzrzrqe aa 78 66 842 01 92709 0 3161 21830 2 2222211 1 5 kPa KCKzrzrqe aa 98 46 805 0 5 172649 0 3161 21830 2 33322111 5 kPa KcKzrzrzrqe aa 09 50 805 0 5 172649 0 84 0 7 193161 21830 2 3333322115 5 减去被动土压力后 kPa Kcee p 62 6 242 1 5 17209 50 2 335 55 5 设开挖面以下距离处 土压力为零 见图 4 1 1 d 则有 3135 533313 2 app KdreKcKdr 图 3 1 工况 1 土压力零点计算图 m KKr Kce d ap p 38 0 649 0541 1 7 19 62 6 2 333 335 5 1 2 1 13 451 2 27 3571 7 5 0mkNE my83 0 1 2 2 3 1493 78 6675 32 5 0mkNE my33 1 2 2 3 41 194 0 09 5098 46 5 0mkNE my20 0 3 2 3211 84 213mkNEEEEa 注明 为了后面计算简化 为土压力计算图中各个梯形的形心 1 y 2 y 3 y 纵坐标 是各梯形面积 下面类似 不再说明 1a E 2a E 3a E mkN Ma 65 534 3 2 38 0 38 0 62 6 5 0 38 0 2 0 41 19 38 0 4 033 1 3 149 38 0 4 383 0 13 45 1 mkN d M T a 38 99 38 05 65 534 5 1 1 1 求最大弯矩作用点 假设剪力为零点在第二土层中 9 20 x 有 753278 663 11 x ex 11 34 11xex 又水平合力为零即 11111 5 075 32TxexE x 由上面两个方程式解得 1 35m 假设成立 1 x 31 15 1 x ekPa 最大弯矩 mkN M a 29 160 35 16 1 38 99 35 15 031 155 035 1 35 1 75 32 35 1 83 0 13 45 1max 工况 2 挖土深度 10 5m 并支第一道支撑 5 5m 处 kPa KcKzrzrzrqe aa 02 116 805 0 5 172649 0 4 5 7 193161 21830 2 333332211 5 10 减去被动土压力后 KPa KCee p 55 72 242 1 5 17202 116 2 3310510 设开挖面以下距离处 土压力为零 见图 3 2 2 d 3235 533323 2 app KdreKcKdr 图 3 2 工况 2 土压力零点计算 图 m KKr Kce d ap p 24 4 649 0541 1 2 19 55 72 2 333 3310 2 2 4 5 4075 02 11698 46 5 0mkNE my15 2 4 2 412 34 621mkNEEE aa mmkN Ma 64 5467 3 2 24 4 55 725 0 24 4 15 2 5 407 24 4 52 0 41 19 24 4 4 533 1 30 149 24 4 4 5383 0 13 45 2 2 mkN d dTM T a 58 438 24 4 5 24 4 10 38 9964 5467 5 5 0 5 10 2 212 2 求最大弯矩作用点 假设 50 x 09 5002 1165 22 x ex 22 19 13xex 又水平合力为零即 212221 5 009 50TTxexE xa 由上式方程可得到 假设成立 mx18 4 2 kPaex13 55 2 最大弯矩为 mmkN M a 51 800 18 458 43818 9 38 99 3 1 18 4 13 555 0 5 018 409 50 18 4 2 0 41 19 18 4 48 0 33 1 3 149 18 4 4 383 0 13 45 2 2 2max 工况 3 挖土深度 15 5m 并支第二道支撑 10 5m 处 kPa KcKzrzrzrqe aa 80 122 805 0 5 172649 0 9 58 19316 1 82 1 1830 2 333332211 11 kPa KcKzrzrzrqe aa 52 110 795 0 1 232633 0 9 5 8 193161 21830 2 44433221111 kPa KcKzrzrzrzrqe aa 32 129 795 0 1 232633 0 5 18 199 5 8 193161 21830 2 44444332211 5 12 kPa KcKzrzrzrzrqe aa 51 102 766 0 6 332587 0 5 1 8 199 58 193161 21830 2 555443322115 12 减去被动土压力后 kPa Kcee p 32 50 306 1 6 33208 138 2 55 5 155 15 设基坑开挖面以下距离处 土压力为零 见图 3 3 3 d 535 5 1555535 2 app KdreKcKdr m KKr Kce d ap p 23 2 587 0 705 1 2 20 32 50 2 555 55 5 15 3 假设成立 kPa KcKzrzrzrzrzrqe aa 08 138 766 06 332587 0 3 2 205 1 8 199 5 8 19316 1 82 1 1830 2 5555544332211 5 15 2 5 71 595 0 80 12202 116 5 0mkNE my25 0 5 2 6 88 1795 1 32 12952 110 5 0mkNE my73 0 6 2 7 89 3603 08 13851 102 5 0mkNE my43 1 6 2 76523 82 1221mkNEEEEE aa mmkN Ma 31 9784 3 2 23 2 32 505 023 2 43 189 360 23 5 73 0 88 179 23 55 125 0 71 59 23 5 215 2 5 407 23 5 72 0 45 19 23 5 74 033 1 3 149 23 5254 0383 0 13 45 2 3 图 3 3 工况 3 土压力零点计算图 7 71 46 98 50 09 116 02 122 80 110 52 129 32 102 51 138 08 d3 2 33m 66 78 35 27 32 75 50 32 15 5 m 有 mkN d dTdTM T a 57 374 23 2 5 23 1258 43823 2 1538 9931 9784 5 10 5 0 5 15 3 32313 3 求最大弯矩作用点 经判断在基坑面以上 51 10208 1383 33 x ex 33 86 11xex 又水平合力为零即 32133652 5 102TTTxeEEE xa 由上面方程得到 则有mx49 0 3 kPaex81 5 3 最大弯矩为 mmkN M a 62 1147 49 257 374 49 0 7 58 438 49 012 38 99 3 1 49 081 5 5 05 049 051 102 49 073 0 88 179 49 0 5 125 0 71 59 49 0215 2 5 407 49 0252 0 41 19 49 0254 033 1 5 149 49 0 254 0383 0 13 45 22 3max 工况 4 挖土深度 19 5m 并支第三道支撑 15 5m 处 kPa KcKzrzrzrzrzrqe aa 51 185 766 0 6 332 587 0 72 205 1 8 199 58 193161 21830 2 5555544332211 5 19 减去被动土压力后 kPa Kcee p 75 97 306 1 6 33251 185 2 555 195 19 设开挖面以下距离处 土压力为零 见图 3 4 4 d 5455 1955545 2 app KdreKcKdr m KKr Kce d ap p 33 4 587 0705 1 2 20 75 97 2 555 5 5 5 19 4 2 8 18 6474 51 18508 138 5 0mkNE my90 1 8 2 834 1869mkNEEE aa mmkN Ma 34 21796 3 2 33 4 75 975 0 33 4 9 1 18 647 33 4443 1 89 360 33 4773 0 88 179 33 45 82 0 71 59 33 4915 2 5 407 33 47252 0 41 19 33 4 7254 035 1 5 149 33 47254 0383 0 13 45 2 4 图 3 4 工况 4 土压力零点计算图 7 71 32 75 35 27 110 52 46 98 102 51 129 32 185 51 138 08 97 75 50 09 116 02 122 80 66 78 19 5m X4 ex4 d4 有 求最大弯矩作用点 经判断在基坑面以上 08 13851 1854 44 x ex 44 86 11xex 又水平合力为零即 43214443 5 008 138TTTTxexE xa 由上面两个方程得到 则 mx99 2 4 kPaex46 35 4 最大弯矩为 mmkN M a 37 1492 99 278 773 99 25 57 374 99 2 10 58 438 99 2 15 38 99 3 1 99 2 46 355 05 099 2 08 138 99 243 1 89 360 99 2373 0 88 179 99 2 35 125 0 71 59 99 2 3215 2 5 407 99 23252 0 41 19 99 2 3254 033 1 3 149 99 23254 0383 0 13 45 22 4max 3 2 求嵌固深度 mkN d dTdTdTM T 78 773 33 8 33 1357 37433 1858 43833 2338 9934 21796 4 9 14 5 0 5 19 4 434241 4 t t eo 图 3 5 嵌固深度计算图 mkN TTTTET ad 69 182 78 77357 37458 43838 99 1869 43215 有 75 97 4 t e d t tet58 22 又 即 0 0 M 3 2 5 0 t tetT td 由上式可得到 mt9 4 嵌固深度 取 11 5m mtdL23 11 9 42 133 4 1 1 2 1 1 1 50 桩长mL31 5 11 5 19 3 3 桩的配筋 由上面计算结果可知 最大弯矩出现在支第四道支撑时即 其中墙的计算宽度为 1 5m 弯矩放大系数为 1 25 则最大mkNM 9 907 max 设计弯矩值mkNMMd 20 279825 1 5 1 max 查阅 基坑工程手册 中国建筑工业出版社 附表 14 4 可知配筋为 2530 3 4 墙体防渗 一般开挖的基坑都存在地下水问题 墙体渗漏对基坑围护结构有很大的影 响 所以在基坑开挖之前就必须做好防渗工作 常用的墙体防渗方法是采用钻孔灌注桩排桩墙体防渗法 可采取两种方式 一种是钻孔灌桩体相互搭接 另一种是另设挡水抗渗结构 第一种对施工要求 很高 一般在水位为较高的软土地区采用后一种方式 此时桩体间可留 d T 100 150mm 施工缝隙 用钻孔桩维护的基坑工程 防水主要采用以下几种形式 桩间压密注浆 桩间高压旋喷 水泥搅拌桩墙 注浆帷幕 相比较而言 第一种方式较经济 适用于小型基坑 后两种主要适应于体 型大 开挖神的基坑工程 应该说明的是 如果防渗深度超过此施工限度时 需要另加止水措施 如第二种方式 其止水深度可达几十米 本工程选用桩间高压旋喷桩进行墙体防渗 旋喷桩桩径 800mm 间距 1000mm 可按构造配筋 3 5 钢支撑选型 由前面计算结果可知 最小支撑力发生在第一道 冠梁层 支撑 最大支撑力发生在第四道支撑 结合北京地mkNT 38 99 1 mkNT 78 773 4 铁车站结构围护设计经验 第一道支撑选用钢管 间距 3m 第二 三 16800 四道支撑选用 间距 3m 第四道支撑距离基坑底面 4m 其余都是间20800 隔 5m 3 6 钢支撑稳定性验算 本文研究设计的内支撑除了第一道其他都采用钢结构 钢345Q20800 支撑布置为等间距 其中间距为 3 0m 经过查表 2 310Nmmfc 通过前面计算可知最大支撑力为 其中安全系数取mKNT 78 773 4 1 2 基坑等级为 1 1 所以 钢支撑轴力设计值为 KNNN95 51061 12 178 7730 5 max 0 钢管稳定性验算 钢管截面积 22222 4898438040014 3 mmrRA 钢管截面惯性矩 钢支撑可以看成两端铰接的轴心受力杆件验算其稳定性 294444 m0146 7 607008 14 3 32 1 dD 32 1 mI c AfN 钢管回转半径 25 390 48984 1046 7 9 A I i 钢管长细比 3 145 25 390 56700 i l 根据 钢结构设计原理 高等教育出版社 附录 4 可以查得钢材的稳定系 数 360 0 将所有计算和查得的数据代入式中有 KNNAfN c 546710467 531048984360 0 6 则有 KNAfKNN c 546795 5106 所以 本设计的钢支撑满足稳定性要求 3 7 基坑稳定性验算 1 整体稳定性验算 整体稳定性分析的安全系数 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 1 00m 滑裂面数据 整体稳定安全系数 2 抗隆起稳定性验算 基坑的抗隆起稳定性分析具有保证基坑稳定和控制基坑边形的重要意义 对于不同地质条件的基坑 现有不同抗隆起稳定性计算公式 应按工程经验规 定保证基坑稳定的最低安全系数 而要满足不同条件下基坑变形控制要求 应 根据坑底地面沉降与一定计算公式所得的抗隆起安全系数的相关性 定出一定 基坑变形控制要求下的抗隆起安全系数安全稳定的上限值 与基坑挡墙水平位 移的验算共同成为基坑变形控制的充分条件 对一般粘性土的抗隆起稳定验算采取以下公式 以求得地下的入土深度 qdhr cNdNr K cq s 1 2 式中 墙体入土