[河南]武警办公楼基坑支护及降水设计

学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 1 页 共 33 页 绪绪 论论 80 年代以来 随着我国经济建设的不断发展 高层建筑不断的增加随着建筑 高度的增加 根据构造要求与使用要求 基础的埋深也随之不断的增加 为确保基 础工程的安全施工 及其周边建筑物的安全 须对因基础施工的要求而开挖的基坑 进行有效的支护 建筑物的基坑支护设计是一门从实践中发展起来的技术 随着我国建设的发展 基坑支护技术有了较大的提高 出现了很多基坑支护型式 目前常用的基坑支护结 构型式主要有以下几种 1 放坡开挖及简易围护结构 2 悬臂式围护结构 3 重力式围护结构 4 内撑式围护结构 5 拉锚式维护结构 6 土钉墙围护结构 7 其他围护结构 同时 随着基坑支护工程的发展 基坑支护设计理论也有很大的提高 初期的 设计理论主要基于挡土墙设计理论 对于悬臂式支护结构 根据朗肯土压力计算方 法确定墙土之间的土压力 也就是支护结构上的作用荷载及反作用力按主动土压力 与被动土压力分布考虑 以此按静力方法计算出挡土结构内力 对于支点结构 则 采用等值梁法计算支点力及结构内力 由于基坑支护结构与一般的挡土墙受力机理 的不同 按经典方法 极限平衡法或等值梁 计算结果与支护结构内力实测结果相 比 在大部分情况下偏大 且难以支护结构的变形 随着电子计算机运用的普及 弹性地基梁法 c 法 k 法 m 法 及 将围护结构与土体一并离散的有限元法 在挡土结构分析中日渐受到工程界的重视 他们能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调 并可有效地计入开挖过 程中的多种因素的影响 同时从支挡结构的水平位移可以初步的估计开挖对邻近建 筑物的影响程度 但是这两种方法仍然存在一定的缺陷 1 未能考虑地下水的 存在与渗透效应 和水土合算法一样 不能反应水位高低的区别 2 采用有限 元法时 究竟选用何种本构关系或计算模型 土的参数如何确定 以及塑性区范围 和稳定性之间定量关系缺乏经验 3 采用弹性地基梁法时 计算参数难以确定 现有的文献提供的范围 大小差别很大 其准确度还缺乏实测资料验证 另外 弹 性地基梁法只能计算变形 基本上没有考虑土的强度问题 因此 无法直接确定围 护墙的必要入土深度 尽管弹性地基梁法与有限元法的理论不是很完善 但是和经典方法相比 还是 有很大的优越性 在显示的基坑支护的设计中仍然广泛的使用 工程实践表明 大大小小的基坑工程事故大多与地下水有关 在其基坑开挖期 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 2 页 共 33 页 间 一些最坏的情况都是出现在地下水以下 它不仅使工作条件变得恶劣 且易造 成管涌 基底隆起 甚至造成周边建筑物的沉降 倾斜 裂缝 倒塌等严重的工程 事故 因此 基坑工程必须对地下水进行有效控制 其目的是 获得基坑开挖的 干作业空间 保证基坑边坡和底板的稳定性 保证邻近的建筑物的正常的使用 目前 防渗隔离和降 排是地下水处理的主要方法 因此 地下水处理的好坏 是 决定基坑工程成败的重要因素 拟建武警 xx 边防总队办公楼位于郑州市金水路东部武警边防总队院内 拟建 办公楼地上 9 层 地下 1 层 裙楼地上 2 层 地下 1 层 地下车库均为停车场 该 基坑深约 5 7m 地下水位埋深 1 5m 该基坑由于其特殊的场地和周边的环境条件 基坑的南 北两侧必须竖直开挖 而东 西两侧的上部可以适当的放坡 下部须采用竖直开挖 同时结合该场地的工 程地质条件 确定该基坑的东西两侧和北侧食堂段采用土钉墙支护 在基坑的南侧 和基坑北侧办公楼段采用桩锚支护 由于该场地地下水位埋藏较浅 对基坑支护和 开挖影响较大 故须进行基坑降水 结合该场地的水文地质条件 本基坑采用喷射 井点降水的方法 同时考虑到基坑的降水会给基坑周边的建筑物和地下管线的正常 使用带来不利的影响 故在基坑的周边设置了闭合竖向止水帷幕以及采取了相应的 回灌措施 本设计主要设计依据 1 黄河勘测规划有限公司的 xx 省公安边防总队办公楼岩土工程勘察报告 2004 3 2 建筑基坑工程技术规程 JGJ120 99 3 建筑地基基础设计规范 GBJ5007 2001 4 土层锚杆设计与施工规范 CESC22 90 5 锚杆喷射混凝土技术规范 GBJ86 85 6 建筑与市政降水工程技术规范 JGJ T111 98 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 3 页 共 33 页 第一章第一章 工程概况及场地地质条件工程概况及场地地质条件 第一节第一节 工程概况工程概况 拟建武警 xx 省边防总队办公楼位于郑州市金水路东部武警边防总队院内 金 水路与 107 国道交叉口南西部 拟建办公楼地上 9 层 地下 2 层 裙楼地上 2 层 地下 1 层 地下车库均为停车场 该基坑深度为自然地坪向下 5 7m 室内外高差 为 1 60m 基坑大致呈长方形 开挖面积约为 3000m2 第二节第二节 场地工程地质条件场地工程地质条件 1 2 11 2 1 场地地形 地貌场地地形 地貌 拟建工程场地位于郑州市金水路东部武警边防总队院内金水路与 107 国道交叉 口南西部 东邻 107 国道 地貌单元属于黄河泛滥冲积平原 在构造上属华北凹陷 西南部边缘地带 场地多为混凝土地面 局部为花坛或喷水池 喷水池为平底 深 度较浅 地面标高 92 4 92 5m 地形平坦 1 2 21 2 2 土层分布土层分布 根据场地野外钻探和原位测试结果 35m 深度内所揭露土层均由第四系堆积物 组成 在垂直方向 35m 范围内分布有 2 套地层 地表 0 2 2m 为杂填土 Q4ml 2 2 35m 左右为第四系全新统冲积物 Q4al 按地层的成因类型 岩性及工程地 质特性将其划分为 12 个工程地质单元层 场区地层空间野外特征情况见表 1 1 表 1 1 场区地层空间野外特征表 地层 编号 时代 成因 岩土 名称 层厚 m 层底埋深 m 湿 度 压 缩 性 空间 分布 岩性描述 Q4ml 填土1 80 2 201 80 2 20 场区普遍 分布 地表为混凝土表面 以 下为建筑垃圾 底部为 灰褐色有机质黏土 Q4al 粉土16 0 2 203 70 4 20湿中 在场区分 布连续 暗黄 褐黄色 稍密 干强度 韧性低 质纯 含铁质氧化物 Q4al 粉土 夹粉 质粘 土 1 60 2 405 80 6 10湿高 场区普遍 分布 暗黄 褐黄色 稍密 干强度 韧性低 局部 稍具粘性并夹可塑状粉 质粘土薄层 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 4 页 共 33 页 Q4al 粉土1 50 2 207 30 8 30湿中分布连续 暗黄 灰黄色 中密 干强度 韧性低 含白 色田螺碎片 局部夹杂 灰色粉质粘土薄层 Q4al 粉土2 60 3 3010 50 10 90湿中 场区普遍 分布 场 地北部较 厚 灰色 中密 干强度 韧性低 含钙质结合及 白色蜗牛壳碎片 夹灰 色可塑状粉质粘土薄层 Q4al 粉质 粘土 1 30 1 6012 00 12 20 高 场区普遍 分布 灰色 可塑状 干强度 韧性中等 含白色田螺 碎片 含少量的有机质 植物残骸 Q4al 粉土0 80 1 8013 00 14 00湿中 场区普遍 分布 灰色 密实 干强度 韧性低 偶含小钙质结 核及白色蜗牛壳碎片 夹灰色可塑状粉质粘土 薄层 Q4al 粉质 粘土 2 10 2 7015 70 16 20湿高 场区普遍 分布 灰 深灰色 可塑状 干强度 韧性中等 含 白色田螺碎片 含少量 的有机质 植物残骸 Q4al 粉土1 20 1 6017 00 17 50湿中 场区普遍 分布 灰 深灰色 可塑状 偶含小钙质结核及白色 蜗牛壳碎片 Q4al 粉质 粘土 1 20 1 6018 60 18 80湿中 场区普遍 分布 灰色 可塑状 干强度 韧性高等 含白色田螺 碎片 含少量的有机质 植物残骸 Q4al 粉土1 60 2 3020 30 21 00湿低 场区普遍 分布 灰色 密实 干强度 韧性低 含钙质结核及 白色蜗牛壳碎片 多为 砂质粉土 局部为粉砂 Q4al 粉细 砂 饱 和 低 场区普遍 分布 浅灰色 底部为灰黄色 密实状 矿物成分为石 英 长石 云母 颗粒 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 5 页 共 33 页 较均匀 级配良好 根据黄河勘测规划有限公司所提供的 xx 省公安边防总队办公楼岩土工程勘 察报告 提供的数据 结合实际的工程实例 各土层的 基坑设计参数 力学参数 的取值如表 1 2 所示 表 1 2 各土层的基坑设计参数 层号 厚度 m 2 041 921 911 822 941 461 532 341 381 311 92 重度 kN m3 1920 120 020 120 020 120 219 520 019 220 220 6 fak kPa 11090120140100160140180150180250 C kPa 8 0101515151815151520100 151520202015201820152430 1 2 31 2 3 不良地质现象不良地质现象 根据黄河勘测规划有限公司所提供的 xx 省公安边防总队办公楼岩土工程勘 察报告 本场地无不良地质现象 第三节第三节 水文地质条件水文地质条件 1 3 1 地下水类型及特征地下水类型及特征 根据黄河勘测规划设计有限公司的 xx 省公安边防总队办公楼岩土工程勘察 报告 详勘阶段 拟建场地地下水含水层主要为粉土 粉砂 粉土为弱透水层 粉细砂为中等透水层 地下水类型上部为上层滞水 下部为孔隙潜水 其补给来源 主要为大气降水及地下径流补给 勘察期间拟建场地潜水地下水位埋深 1 20 1 30m 杂填土中的地下水主要为上层滞水 其隔水层为杂填土底部的粘性 土 鱼塘底部 层中为孔隙潜水 平均水位埋深 3 50 4 00m 历史资料表明 历史最高水位 地下水埋深约 1 50m 场地内潜水主要受季节和人为活动影响 年 变化幅度为 1 50m 左右 根据室内水质分析结果综合判定 地下水对混凝土结构 钢筋混凝土结构中的 钢筋均无腐蚀性 1 3 21 3 2 土层的渗透性土层的渗透性 由于该场地的地下水位较高 对基坑的开挖有着重要的影响 需要考虑基坑的 排 降水问题 黄河勘测规划设计有限公司室内对 层粉土作了相应 的渗透试验 实验结果见 表 1 3 表 1 3 各土层渗透试验数据统计表 层号岩土名称取样编号取样深度垂直渗透系数 K20 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 6 页 共 33 页 m cm s T02 2 3 5 3 8 2 70E 05 粉土 T08 2 3 5 3 8 7 32E 05 T02 3 5 0 5 3 4 86E 05 粉土 T08 3 4 5 4 8 2 98E 05 T02 4 6 0 6 3 6 49E 05 粉土 T03 5 6 0 6 3 4 52E 05 T02 6 9 2 9 5 3 45E 05 粉土 T03 7 8 0 8 3 8 97E 05 考虑到取样 运输以及人为试验误差等因素 粉土的综合系数取综合值 K 0 4m d 第四节第四节 场地地震效应场地地震效应 1 4 11 4 1 场地土类型和建筑场地类别场地土类型和建筑场地类别 根据勘察单位所提供的剪切波速实验结果 据剪切波速试验结果地表一下 20 米范围内等效剪切波速值为 167m s 满足 140m s Vs 250m s 且场地覆盖层厚 度大于 50m 按 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 规定 工程场地土类型为 中软场地土 建筑场地类别为 类 1 4 21 4 2 场地土的液化判别场地土的液化判别 本场地 20m 范围内为第四系全新统冲积物 根据勘察单位提供的各土层的标准 贯入试验所取得的数据 综合判定第 层液化 纵向液化指数为 1 81 2 52 液 化等级轻微 其它土层有个别液化 综合评价本场地为轻微液化场地 1 4 31 4 3 抗震设防抗震设防 据 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 及国家地震局 2001 年出版的 中国 地震动参数 GB18306 2001 郑州市设计地震分组为第一组 抗震设防烈度为 7 度 设计基本地震加速度值为 0 15g 地震动反应谱特征周期为 0 45s 根据场地具体的工程地质情况 对照 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 相应的条例 第 4 1 1 条 本场地为建设抗震不利地段 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 7 页 共 33 页 第二章第二章 基坑支护设计基坑支护设计 第一节第一节 支护方案的选择支护方案的选择 2 1 12 1 1 基坑工程周围环境分析基坑工程周围环境分析 拟建工程基坑周边环境非常复杂 北侧已建 5 层办公楼距基坑开挖线为 3 20m 食堂距基坑开挖线为 3 20m 南侧 2 层建筑物距基坑开挖线为 1 80m 其他 侧场地相对宽阔 根据基坑工程重要性分析 5 层办公楼 2 层车库 食堂地段为 一级基坑 其他均为二级基坑 2 1 22 1 2 基坑边坡稳定性分析基坑边坡稳定性分析 基础施工时 需要根据设计要求进行基坑开挖施工 为了使施工顺利的进行并 维护基坑及周边建筑物的安全 必须对将要形成的边坡的稳定性进行分析判定 以 决定采取相应的维护措施 由于场地条件的限制 没有放坡的空间条件 其基坑只能竖直开挖 对该基坑 开挖形成的边坡采用稳定系数法对其进行稳定性分析 公式如下 2 1 s c K H 其中 K 安全稳定性系数 C 土的内粘聚力 kpa H 基坑边坡竖直高度 m 土的天然重度 可以采用加权值 稳定系数 s 由上式计算得 K 0 508 所求边坡安全稳定性系数远小于 1 1 1 5 该边坡 是不稳定的 必须对该基坑的边坡进行相应的围护 3 1 3 支护方案的选择支护方案的选择 根据调查了解和收集的区域资料 目前常采用的基坑支护方式主要有 悬臂桩 支护结构 桩锚支护结构 重力式挡土墙支护结构 土钉墙支护结构等 几种支护 方法的比较如下表 2 1 表 2 1 基坑支护方案比较 支护名称适用范围工程中优缺点工程施工建议 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 8 页 共 33 页 悬臂桩支护结构 适用于土质较好 开挖深度不大的基 坑 工期较短 造价较低 但入土深度较大 且 基坑上部变形不易控 制 可以在基坑东 侧与西侧布置 桩锚支护结构 除软土地基外 在 砂土 粘性土地基 中均可以运用 对基坑壁变形的限制 严格有效 但工期较 长 造价较高 锚杆 占用坑内空间 可以在基坑的 南侧和北侧布 置 重力式挡土墙 支护结构 适用于基坑壁等级 为二 三级 开挖 深度不大的基坑 施工较为简单 但水 泥土桩抗拉强度低 受荷载后变形较大 且要单独的占用工期 建议在基坑东 侧和西侧布置 土钉墙支护结构 适用于基坑壁等级 为二 三级 开挖 较浅的基坑 不适 用于含水丰富的粉 细砂 砂砾石层 淤泥质土及其他饱 和软土层 不适合 用于对变形有严格 要求的基坑 施工速度快 用料省 工程造价低 对周边 环境影响较小 且变 形相对较小 建议在基坑的 东侧 西侧和 基坑北侧食堂 段 地下连续墙 对各种地质条件的 适应性都较强 采用逆作法可以缩减 基础施工工期 但是 其施工的工序较为复 杂 且造价很高 本工程不宜采 用 根据以上支护方案的比较 结合该场地实际的地质条件 综合分析 5 层办公 楼 2 层车库地段为一级基坑 对基坑壁变形控制要求较高 故采用桩锚支护 食 堂和其他二级基坑地段可以采用土钉墙支护方式 其基坑支护平面图见附图 2 本设计重点对基坑北侧办公楼段支护方式和基坑西侧支护方式分别进行分析 设计 计算 2 1 42 1 4 支护设计思路支护设计思路 一 基坑北侧办公楼段支护 桩锚支护 设计思路 一 基坑北侧办公楼段支护 桩锚支护 设计思路 1 由勘察报告和设计要求确定设计参数及地下水位 2 计算支护桩的最小插入深度 Dmin及各支点的反力 Ri 3 选择桩长 4 稳定性计算 单独进行验算 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 9 页 共 33 页 5 确定桩长 6 计算最大的弯矩 Mmax 7 支护桩的配筋计算 8 锚杆的相关计算 9 锚杆的布置平面图 二 基坑西侧支护 土钉墙 设计思路 二 基坑西侧支护 土钉墙 设计思路 1 根据坡体的剖面尺寸 土的物理力学性能和和坡顶的超载情况 计算潜在滑 动面的的位置和形状 2 初步确定土钉的直径 长度 倾角以及布置方式和间距 3 验算土钉支护结构的内外部稳定性 第二节第二节 基坑支护设计计算基坑支护设计计算 本节分别介绍基坑北侧办公楼段桩锚支护和基坑西侧土钉墙支护这两种支护方 案的设计 计算 基坑支护结构的稳定性分析将在第三节详细的介绍 2 2 12 2 1 桩锚支护设计计算桩锚支护设计计算 基坑的北侧办公楼段采用桩锚支护 支护桩采用桩径 500mm 的钻孔灌注桩 桩 间距为 1 5m 桩顶设置锁口梁 以加强支护结构的整体性 桩间土可以开挖掉 或者采用短土钉加喷射混凝土进行加固 设单层锚杆 离基坑顶 2 5m 处 具体的 设计过程如下 一 土压力计算一 土压力计算 1 设计参数的确定 根据勘察所提供的土层资料分析 按各土层性质的异同可以将该场区土层大致 划分为三层 杂填土层 粉土层及粉细砂层 各土层的加权参数可以由下式求得 2 2a 2 2b 2 1 1 n ii i n i i H H 1 1 n ii i n i i C H C H 1 1 n ii i n i i H H 2c 式中 第 i 层土的重度 KN m3 i 第 i 层土的粘聚力 Kpa i C 第 i 层土的内摩擦角 i 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 10 页 共 33 页 第 i 层土的厚度 m i H 土的层数 n 由上式算得各土层的参数见表 2 2 表 2 2 各土层物理力学参数 土层名称厚度 m 重度 KN m3 内粘聚力 C Kpa 内摩擦角 杂填土2 0419 08 015 粉土18 520 014 519 粉细砂未见底20 6030 2 计算模型 根据场地工程地质资料结合选定的支护方案从而确定计算模型 见图 2 1 该侧段基坑为竖直开挖 同时 取基坑顶面超载为 15 KN m2 附近建筑物荷载按 每层 15 KN m2计算 图 2 1 基坑壁土压力计算模型 3 土压力计算 本设计中采用朗肯土压力计算公式计算土压力 根据 基础工程学 第 i 层 土主动土压力计算公式为 2 3a 1 1 2 n aaiiiiaiiai i PqKHz KCK 其中 第 i 层土的重度 KN m3 i 第 i 层土的粘聚力 Kpa i C 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 11 页 共 33 页 第 i 层土的主动土压力系数 2 3b ai K 2 tan45 2 a K 第 i 层土的厚度 m i H 土的层数 n 第 i 层土中计算点距该层顶部的距离 z 外荷载 KN m2 q 被动土压力强度计算公式 2 1 1 2 n piiipiipi i PHz KCK 3c 被动土压力系数 2 3d 2 tan45 2 p K 被动土压力系数修正公式 当 19 时 K 1 56 2 tan45 2 p KK 式中各符号的意义同上 由上面的土压力系数计算公式可得 第一层土 0 589 1a K 第二层土 0 509 1 965 3 065 2a K 2p K 2p K 第三层土 0 333 3 0 4 68 3a K 3p K 3p K 根据土压力公式求得所需点土压力强度见表 2 3 表 2 3 基坑北侧主 被动土压力强度计算结果表 计算点埋深 m kN m3 C Kpa Ka q kN m2 Pa Kpa Pp Kpa 0 0 311980 589 1500 1980 589 1519 40 2 04 20 014 50 509 156 70 1528 70 4 220 014 50 509 7559 20 5 720 014 50 5093 0657574 550 77 24 220 014 50 5093 06575225 5958 7 根据上表的计算结果可以画出土压力的分布图 见图 2 2 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 12 页 共 33 页 二 桩锚内力计算二 桩锚内力计算 本设计桩锚内力计算采用等值梁法 根据等值梁法的假定 取基坑底面以下土 压力强度叠加为零 即主动土压力强度等于被动土压力强度 的点位弯矩零点 c 该弯矩零点 c 可以由下列公式求得 2 4 a P p P 2112222 3 66 2 aaa qKHyKCK 2222 2 pp yKCK 解得 y 0 5m 截取 c 点以上桩身为计算对象 由于基坑土体性质较好 且基坑开挖较浅 设 置单层锚杆 其离基坑顶 2 5m 处 则可得等值梁简图 2 3 图 2 2 基坑北侧土压力分布 图 2 3 等值梁简图 桩身弯矩采用弯矩分配法计算 固端弯矩剪力采用位移法进行计算 并采用清 华大学结构力学软件进行复算 得 NB 84 59 kN NC P0 76 57kN Mmax 72 02kN m 其计算所得内力图可见图 2 4 2 5 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 13 页 共 33 页 图 2 4 桩身弯矩图 图 2 5 桩身剪力图 三 支护桩相关计算三 支护桩相关计算 1 桩长计算 由等值梁法的假定可理解为 c 点以下的桩的两侧产生的弯矩经过 x 区段后被相 互抵消 由桩端 D 点处 可以求得 x 0 D M 2 5 3 2 2 0 3 226 pa p a KKx x K x K x P x 解得 2 998m 0 6 pa P x KK 所以 2 998 0 5 3 498m 0 txy 取 1 2 3 498 4 20m 故取桩的入土深度为 5 0m 0 1 2tt t 支护桩长为 5 7 5 0 10 7m LHt 2 桩身配筋计算 本支护桩采用钻孔灌注桩 桩径 500mm 桩间距为 1 5m 混凝土强度为 C30 fc 14 3N mm2 ft 1 43N mm2 纵向钢筋采用二级钢筋 HRB335 fy 300N mm2 桩箍筋采用 HPB235 由前面计算知 桩身最大的弯矩值为 Mmax 72 02Kk m 则弯矩设计值为 1 25 1 1 72 02 99 03 kN m 其中 0max MM 为分项系数 取 1 25 0为基坑重要系数 取 1 1 可以采用以下的方法进行桩的纵向配筋计算 方法一 等效矩形截面法 不均匀布筋 将支护桩圆形截面等效为矩形截面 使其刚度相等 即 2 34 1264 b dD A 6 令 b d 则0 876 500 438mm 取 b h 440mm 440mm 设b 0 876D 40mm 400mm s a 0 h 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 14 页 共 33 页 则 99 03 106 1 0 14 3 440 400 0 098 2 10 s c M f bh 0 10311 2 s 1120 098 0 5 1120 5 1120 0980 948 ss 99 03 106 300 0 948 400 871mm2 0 s ys M A fh 取 4 20 As 1256mm2 采取不均匀布置 所求纵向钢筋布置在桩的受拉一侧 在无配筋侧布置构造钢筋 验算箍筋 由公式 0 7ftbh0 0 7 1 43 440 400 176 2kN 1 25 1 1 76 57 所以支护桩只需按 构造要求配置箍筋 箍筋采用 6 200 加强筋采用 14 2000 方法二 可以用下列方法均匀布置钢筋 其所用公式如下 2 7a 2 c M m f Ar c s y f A A f 7b 式中 支护桩横截面积 mm2 A 计算系数 可查钢筋混凝土圆形截面受弯构件正截面积受弯承载力计 算系数表 弯矩设计值 kN m M 灌注桩半径 m r 全部纵向钢筋的截面积 m2 s A 混凝土抗压设计值 kN m2 c f 受力钢筋抗拉设计值 kN m2 y f 根据上式 将相关的数据代入求得 m 0 141 0 171 As 1600mm2 由于 rs 0 86r 所以 As 1600 0 86 r rs 1600 0 86 250 200 1720mm2 考虑钢筋分布的间距及最小配筋率 取 1020 As 3140mm2 箍筋按构造配 筋 其配筋图见附图 3 3 锁口梁 在钻孔灌注桩的顶部设置一道锁口梁 以加强排桩的整体性 设置锁口梁截面 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 15 页 共 33 页 b h 700mm 500mm 按构造配筋 4 围檩 采用 12 曹钢梁 四 锚杆的计算四 锚杆的计算 设置锚杆的水平间距为 b 1 5m 锚杆的倾斜角 150 锚固体直径 d 150mm 锚固 体砂浆取 M25 fb 2 1Mpa 锚杆钢筋采用三级钢筋 HRB400 1 锚杆受力计算 按 建筑基坑支护技术规程 单根锚杆的水平力为 1 5 84 59 126 9kN b T 锚杆的水平拉力设计值 1 25 1 1 126 9 174 5 kN bd TT 0 25 1 锚杆轴向拉力设计值 15 180 7kN cos d u T N 15cos 5 174 2 锚杆自由段长度 锚杆自由段长度计算示意图如下 图 2 6 图 2 6 锚杆自由段长度计算示意图 根据公式 2 8 21 sin 45 2 sin 45 2 f Hdd L 其中 锚杆自由段长度 m f L 基坑开挖的深度 m H 支护桩的埋深 m 2 d 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 16 页 共 33 页 锚杆设置点至基坑顶距离 m 1 d 锚杆的倾角 15 土的内摩擦角 取 19 将相关参数代入上式得 5 1m f L 3 锚固段长度计算 按 建筑基坑支护技术规程 结合场地的工程地质条件 土体与锚固体极限摩 阻力标准值取 60kpa 锚杆轴力受拉荷载分项系数 1 3 锚固段长度可由下 sk q s 式计算 2 3 3 1 3180 710 8 3m 0 156010 su e sk N L dq 9 根据 建筑基坑支护技术规程 的相关规定 结合现场实际计算所得的结果 最终取锚杆自由段 5 5m 锚固段长 9 0m 锚杆总长为 14 5m f L e LL 4 锚杆钢筋面积 由于桩锚支护要控制基坑壁的变形 最好采用受力后变形较小的钢筋 故采用 HRB400 fy 360N mm2 由公式 174 5 103 360 cos150 502mm2 2 cos d s y T A f 10 结合实际从安全角度考虑 取 128 As 615mm2 5 锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度 锚杆钢筋与锚固砂浆间有足够长的锚固长度时 锚杆才能安全正常的工作 从 而达到预期的效果 锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度可以由下式计算求得 2 11 0 3 a a b N l n df 式中 边坡工程重要性系数 1 1 0 0 锚杆轴向拉力设计值 a N 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 17 页 共 33 页 1 3 2 12 2 13 aQak NN Q cos tk ak H N 锚杆水平拉力计算值 tk H 钢筋与砂浆粘结强度工作系数 对永久性锚杆取 0 60 对临时性锚杆 取 0 72 钢筋根数 n 钢筋直径 mm d 钢筋与砂浆之间的粘结强度设计值 取砂浆 M25 fb 2 1Mpa b f 将有关的数据代入公式可得 126 9kN 131 4kN 170 82kN 1 41m tk H ak N a N a l 因为 故锚固段的长度满足要求 a l e L 2 2 22 2 2 土钉墙支护设计土钉墙支护设计 基坑的西侧基坑壁属于二级基坑 其周边的环境相对的宽阔 结合该场地的工 程地质条件和附近区域的其它支护工程的实例 可采用土钉墙支护结构 其设计过 程如下 一 基坑西侧受力分析一 基坑西侧受力分析 由于该侧基坑附近无建筑物 考虑相关的因素 从安全的角度考虑 取基坑顶 面超载 15kN m2 该侧基坑壁所受的土压力同样可以同过朗肯土压力公式求得 其 土压力的计算结果如下表 2 2 表 2 4 基坑西侧主 被动土压力计算结果表 计算点埋深 m KN m3 C Kpa Ka q KN m2 Pp Kpa Pa Kpa 0 0 311980 589 15 0 1980 589 15 19 4 2 04 20 014 50 509 15 6 7 5 720 014 50 5093 065 50 7743 9 根据计算结果可以的出该侧土压力分布见图 2 7 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 18 页 共 33 页 图 2 7 基坑西侧土压力分布 图 2 8 土层潜在滑动面示意图 二 土钉墙初步设计二 土钉墙初步设计 1 1 滑动面的确定滑动面的确定 根据经验 对于均质粘性土边坡 其最危险的滑动面通常情况下通过坡脚 根 据根据坡体的剖面尺寸 土的物理力学性能和坡顶的超载情况初步推测其潜在的滑 动面的位置及其形状如图 2 8 所示 2 2 土钉墙相关参数确定土钉墙相关参数确定 1 土钉长度确定 根据施工经验 初步确定土钉长度时可以按下式确定 2 0 LHL 14 式中 经验系数 取 0 7 1 2 土坡垂直高度 m H 止浆器长 一般 0 8 1 5 0 L 同时 顶部土钉的长度不宜小于 0 8 H 2 土钉钻孔直径及间距 王步云教授建议按 6 8dn选定 Sx Sy 且要满足 Sx Sy ki dn L 式中 ki 注浆工艺系数 对一次注浆工艺取 1 5 2 5 dn 孔径 L 土钉长 3 土钉墙分层开挖的计算高度 由于土钉墙的施工过程中要求土层具有临时的自立能力 同时基坑开挖的深度 也不宜过大 以防土层的坍塌 故需将土钉墙分层开挖的高度控制在允许的范围内 土钉墙分层开挖的计算高度可以有下式求得 Hcr 2 67C tan 450 2 1 38m 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 19 页 共 33 页 故土钉竖向间距不应大于 1 4m 4 土钉具体布置 综上根据 建筑基坑支护技术规程 的相关要求 结合场地的德实际情况以及 以往的相关经验初步确定 该土钉墙设置四层土钉 其具体内容见表 2 5 表 2 5 土钉墙设置参数 竖向间 距 Sy m 水平间 距 Sx m 锚固体直径 dn mm 土钉长度 L m 土钉倾 角 土钉 钢筋 第一层土钉 1 41 21207101 22 第二层土钉 1 41 21208101 22 第三层土钉 1 21 21207101 22 第四层土钉 1 21 21207101 22 5 网筋及喷射砼面层 网筋采用 6 5 250mm 向边坡顶部外延伸 1 0m 加强筋采用 12 沿钉头斜 拉布置与土钉可靠焊接 喷射混凝土为 C20 喷射厚度为 80 90mm 6 排水布置 如有上层滞水或污水渗入 可在支护面层背部设置水平间距2m 长为50cm的水 平塑料排水管 管壁带孔 内填滤水材料 将其插入边壁土体 基坑地表水的防渗 应在做基坑周边近边坡处地表作1 0m泛水层 与土钉面网参数相同 第三节第三节 稳定性分析稳定性分析 由于支护结构的形式不同 支护结构的稳定性破坏形式也有差异 非重力式支 护结构的稳定性破坏包括墙后土体整体滑动失稳 基坑底部隆起和管涌 重力式结 构的稳定性破坏包括倾覆 滑移 土体整体滑动失稳 基坑底部隆起和管涌等 在 进行支护结构设计的时候 对以上可能出现的情况进行相应的验算 确保支护结构 的安全稳定 本基坑支护采用了桩锚支护和土钉墙支护结构 因此对不同的支护形式进行相 应的稳定性验算 2 3 12 3 1 土钉墙稳定性分析土钉墙稳定性分析 土钉墙的稳定性分析内容包括内部稳定性分析和外部稳定性分析 以下是土钉 墙稳定性分析的具体内容 一 内部稳定性分析一 内部稳定性分析 土钉结构的内部稳定性分析方法有很多种 本设计的稳定性分析采用 建筑基坑支护技术规 程 中的方法 其计算简图见图 2 9 对于单根土钉 其抗拉承载力应符合以下要 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 20 页 共 33 页 求 2 15 0 1 25 ku TT 式中 单根土钉受拉荷载标准值 k T 2 16 cos kakxy Te SS 荷载折减系数 图 2 9 土钉墙内部稳定性验 算 2 17 2 11 tan tan45 2tan2 tan 2 土钉位置处的水平荷载标准值 ak e 土钉与水平面的夹角 2 18 1 unsiki s Tdql 土钉抗拉抗力分项系数 土钉锚固体直径 土钉穿 s n d sik q 越第 层土体与锚固体极限承载力标准值 土钉在直线破裂面外穿过第 层 i l 稳定土体内的长度 破裂面与水平面的夹角为 其验算的结果下表 2 3 所列 表 2 3 土钉内部稳定性验算结果统计表 层 号 埋 深 m dn mm qsik kpa Li m Tu kN 0 0 eak kpa Sx m Sy m 0 Tk kN 1 25 0 Tk 1 4120603 052 29015112 21 21 41020 826 0 2 8120604 2874 49019114 41 21 41024 630 8 4 0120554 2567 79019126 61 21 21038 948 6 5 2120485 7179 49019138 81 21 21056 770 9 由表格统计比较可知 所以土钉结构内部是稳定的 0 1 25 ku TT 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 21 页 共 33 页 对土钉所用钢筋进行强度验算 由于Asfy 1 25 0Tk 所以钢筋的选取符合 要求 二 外部稳定性分析二 外部稳定性分析 在原位土钉支护结构的自身稳定与粘结整体性作用的到保证的条件下 其外部 稳定性分析可以按重力式挡土墙考虑 包括土钉结构的抗倾覆稳定性 抗滑稳定性 以及地基强度验算 1 土钉抗滑稳定性分析 抗滑稳定性分析的模型如图 2 10 图 2 10 土钉墙抗滑稳定性分析的模型 抗滑动稳定性安全系数 2 19 t h ax F K E 式中 墙后主动土压力 kN 取墙背摩擦角 ax E 计算墙体重量 kN m 2 20 W b WHb 计算墙体厚度 11 土钉均长 12 2 21 bb 计算墙体重度 b 计算墙体端面上的摩阻力 kN m 2 22 t F tan t FWqb 将相关的数据代入上式可得 2 7 1 3 故土钉墙抗滑稳定 h K 土钉墙抗倾覆稳定性验算 土钉墙的抗稳定性验算可以通过下式进行验算 2 23 w q o M K M 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 22 页 共 33 页 式中 抗倾覆力矩 2 24 w M 2 w MWqbb 倾覆力矩 o M 根据该侧基坑壁的主动土压力分布 可以求得 2852 4kN m 240 6 w M o M kN m 由 2852 4 240 6 11 86 其远远的大于所需的安全系数 所以 w q o M K M 该土钉结构抗倾覆稳定 2 3 22 3 2 锚杆的稳定性分析锚杆的稳定性分析 当土层锚杆失稳时 可能是整体失稳 也可能是深部破裂面破坏而失稳 应该 分别对土层锚杆的整体稳定性和深部破裂面稳定性进行验算 一 锚杆的整体稳定性分析一 锚杆的整体稳定性分析 根据 建筑基坑支护技术规程 对于单锚支护结构 当拉锚的强度满足要求 而且锚杆的锚固段长度处于滑动面之外时 可以认为整体滑动失稳不会发生 故本 设计中可以不进行锚杆的整体稳定性分析 二 深部破裂面的稳定性分析二 深部破裂面的稳定性分析 当锚固段的长度不够时 所承受的荷载超过锚杆极限抗拔力 则会在土体深部 产生破裂滑动面 破裂面穿过锚固段的中点附近并延伸至支护结构的下端 致使破 裂面以上的土体及支护结构失稳破坏 本设计主要采用 kranz 的简易计算方法对深 部破裂面的稳定性进行验算 结合该工程的实际情况 其稳定性验算的计算简图见 图 2 11 如下 图 2 11 锚杆深部稳定性验算的计算简图 根据 kranz 法的计算理论锚杆最大拉力的水平分力为 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 23 页 共 33 页 2 25a 11 max tantantan 1tantan ahhhah h EEGEE T 稳定系数要求为 1 50 maxh b T K T 式中 锚杆最大拉力的水平分力 maxh T 作用于支护结构上的主动土压力的反作用力 其水平分力为 a E KN ah E 作用于假象墙上的主动土压力 其水平分力为 KN 1 E 1h E 深部滑动线及假想墙面范围内土体重量 KN G 支护结构与土体之间的摩擦角 土的内摩擦角 深部滑动面与水平面的夹角 锚杆实际水平分力 KN b T 取 时 则 aha EE 11h EE 2 25b 1 max tan 1tantan a h EEG T 计算数据如下表 2 4 表 2 4 稳定性验算统计表 G KN E1 KN a KN 0 0 0 Thmax KN K 163676 39130197 115398 72 16 由计算结果可知 2 161 5 故锚杆内部是稳定的 maxh b T K T 2 3 32 3 3 基坑抗隆起验算基坑抗隆起验算 由于基坑开挖于粘性土层中 对于粘性土 抗剪强度的指标包括 两项 C 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 24 页 共 33 页 指标 所以可以参照太沙基和普朗德地基承载力公式进行验算 计算的示意图如下 图 2 12 基坑抗隆起验算示意图 计算公式为 要求 1 15 1 25 2 26 qc DNcN K DHq 采用太沙基承载力系数 1 tan q c N N 3 tan 142 2 cos 45 2 q e N 代入参数 6 7 16 D 5m H 5 7m C 13 3Kpa 加权值 q N c N 20kN m3 75 kN m2 荷载取大值 偏安全 q 由上式计算得 3 051 25 故抗隆起稳定性满足要求 2 3 42 3 4 管涌及冲溃坑底验算管涌及冲溃坑底验算 一 管涌验算管涌验算 该基坑工程设有闭合竖向止水帷幕 竖向止水帷幕埋深 12 5m 按最小埋深算 本场地的地下水位按 1 5m 算 其抗隆起计算示意图如下 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 25 页 共 33 页 图 2 13 抗管涌计算示意图 图 2 14 冲溃坑底验算示意图 基坑墙后侧高水头产生的最大渗流力为 2 27 2 ww h ji ht 式中 水的重度 取 10kN m3 w 墙后水位相对于基坑底的高度 取 4 2m h h 竖向止水帷幕在基坑底的深度 取 6 8m tt 计算结果为 2 36j 安全系数为 10 2 36 4 22 0 K j 故 基坑不会发生管涌 二 冲溃坑底验算二 冲溃坑底验算 由于基坑底部处于粉土中 该层为弱透水层 相对于粉砂层为隔水层 基坑底 下 14 处的粉砂层为中透水层 其中的水可看作承压水 考虑到该承压水对基坑 底 可能产生冲溃 故对基坑底进行抗冲溃验算 其计算简图见图 2 14 由公式 2 28 w t K ht 20 14 3 1 551 1 104 214 3 由计算结果可知 坑底不会出现冲溃现象 基坑底是安全的 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 26 页 共 33 页 第三章第三章 基坑降水设计基坑降水设计 第一节第一节 概概 述述 工程实践表明 基坑的工程事故大多数与地下水有关 在基坑开挖期间 一些 最坏的情况都是出现在地下水位以下 它不仅使工作条件变得恶劣 而且易造成管 涌 基坑底的隆起 流沙和坑壁的剥落 坍塌甚至引起周边建筑物沉降 倾斜 裂 缝和倒塌等 因此 基坑工程必须对地下水进行有效的控制 地下水控制的设计和施工应满足支护结构设计要求 应根据场地周边工程地质 条件 水文地质条件和环境条件并结合基坑支护方案综合分析确定 地下水控制方法可分为集水明排 降水 截水和回灌等型式单独或组合使用 其具体的适用条件见表 3 1 表 3 1 地下水控制方法适用条件 方法名称土的类型 渗透系数 m d 降水深 度 m 水文地质特 征 集水明排7 20 5 真空井 点 0 1 20 单 6 多 20 喷射井 点 填土 粉土 粘性土 砂土 0 1 20 20 上层滞水 或水量不大 的潜水 降 水 管井 粉土 砂土 碎石土 可溶岩 破碎带 1 200 5 含水丰富的 潜水 裂隙 水 截水 粘性土 粉土 砂土 碎石土 可溶岩 不限不限 回灌 填土 粉土砂土 碎 石土 0 1 200不限 同时基坑地下水控制应满足下列基本要求 1 基坑开挖及地下结构施工期间 地下水保持在基底以下 2 深部承压水不引起坑底隆起 3 降水期间临近建筑物和地下管线正常工作 4 基坑的稳定性 第二节第二节 基坑降水方案的选择基坑降水方案的选择 学士学位论文 xx 办公楼基坑支护及降水设计 第 27 页 共 33 页 3 2 13 2 1 场地水文地质条件场地水文地质条件 该场地地下水含水层主要为粉土 粉砂 粉土属于弱透水层 粉细砂属于中透 水层 地下水类型上部为上层滞水 下部为空隙潜水 其补给来源主要为大气降水 和地下水径流补给 平均埋深 3 5 4 0m 历史最高水位地下水埋深为 1 5m 根据勘察报告本工程地下水位最浅水位埋深为 1 5m 基坑开挖深度为 5 7m 降水水位应在自然地坪下 6 7m 水位降深为 5 2m 根据现场水文地质条件分析 结合该工程降水的要求 参照当地其他降水工程 的成功经验 可以取第 层粉质粘土 Q4al 为隔水层 其层顶平均埋深为 17 4m 其上粉土层视为潜水含水层 其渗透系数综合取值 K 0 4m d 3 2 23 2 2降水方案的选择降水方案的选择 根据 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 结合现场的水文地质条件 根据 场地土体的渗透系数 初步分析可以采用轻型井点降水或喷射井点降水 综合比较 两种降水方法 这两种井点降水方法其井点间距较小 能有效地拦截地下水流入基 坑 尽可能的减少残留滞水层的厚度对保持边坡和桩间土的稳定较有利 因此降水 效果较好 但是 轻型井点降水是采用真空原理抽吸地下水 故其降水的效果取决 于抽吸系统中真空度的大小 因一般单极轻型井点的抽吸高度达 7 8m 对基坑中 央部分相当于 4 5m 的降深 而本基坑场地空间的限制 只能采用单极井点降水 同时 该基坑的跨度较大 降水的面积较大 在井点处水位要求降深 8 2m 以上 所需的井管较长 如果采用单极轻型井点降水 受抽吸高度的限制 降水很可能达 不到工程的要求 为了确保降水在预定的时间达到要求 同时减少降水所占的工期 减少工程的成本 综合考虑 选择喷射井点降水 采用 2 5 型 在必要的情况下可 以在基坑的中部设置相应的管井 用于降水 同时 基坑的降水的