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基坑围护设计手册2004年5月30日目 录1 土压力 1.1 库仑土压力 1.2 朗肯土压力 1.3 特殊情况下的土压力 1.4 建筑基坑支护技术规程土压力 1.5 工程实测土压力 1.6 土压力计算模型2 基坑稳定性 2.1 土坡稳定性 2.2 围护结构整体稳定性 2.3 基坑底面抗隆起稳定性 2.4 基坑底面抗渗流稳定性3 土钉墙 3.1 概述 3.2 建筑基坑支护技术规程方法 3.3 建筑基坑工程技术规范方法 3.4 基坑土钉支护技术规程方法 3.5 王步云建议的方法 3.6 冶金部建筑研究总院建议的方法 3.7 王长科建议的方法 3.8 工程实例4 重力式围护结构5 桩墙式围护结构 5.1 桩墙式围护结构的类型 5.2 悬臂式围护结构 5.3 锚撑式围护结构6 锚杆 6.1 锚杆承载力 6.2 锚杆稳定性1 土压力1.1 库仑土压力1773年，法国科学家库仑做出两项假定，提出了土压力理论。（1） 墙后填土为砂土（黏聚力c=0）；（2） 产生主动、被动土压力时，墙后填土形成滑楔体，其滑裂面为通过墙脚的平面。1.1.1 主动土压力（图1.1-1、图1.1-2）库仑主动土压力为： （1.1-1） （1.1-2） （1.1-3）式中 -主动土压力强度； -总主动土压力； -墙背倾角； -墙背填土表面的倾角；-墙背和土体之间的摩擦角；-土的重力密度、内摩擦角；图1.1-1 主动状态下的滑动楔体 图1.1-2 库仑主动土压力-主动土压力系数。 其他符号见图1.1-1、图1.1-2。 1.1.2 被动土压力库仑被动土压力为： （1.1-4） （1.1-5） （1.1-6）式中 -被动土压力强度； -总被动土压力；-被动土压力系数。 其他符号见图1.1-3。图1.1-3 库仑被动土压力1.2 朗肯土压力1857年，朗肯假定墙背垂直光滑，根据土的极限平衡理论提出了朗肯土压力理论。1.2.1 朗肯主动土压力朗肯主动土压力强度为： （1.2-1） （1.2-2）式中 -垂直向应力；-主动土压系数；-抗剪强度指标。1.2.2 朗肯被动土压力被动土压力强度为： （1.2-3） （1.2-4）式中 -主动土压力系数。1.3 特殊情况下的土压力 1.3.1 坡顶地面非水平时的土压力 计算土压力时，先将坡顶地面分解为水平和倾斜面，分别计算，最后在进行组合。坡顶倾斜时的土压力 （1.3-1）坡顶水平时的土压力 （1.3-2） 如图1.3-1时，经分解和组合，土压力为图中的阴影部分。图1.3-1 地面非水平时支护结构上的主动土压力近似计算 1.3.2 坡顶超载作用下的土压力1. 弹性理论解 图1.3-3 线荷载 图1.3-4 条形荷载 2. 建筑边坡工程技术规范GB50330-2002的规定（图1.3-5）（a）线荷载 （b） 条形荷载图1.3-5 坡顶超载作用下的土压力注：-kN/m；-kN/m21.4 建筑基坑支护技术规程JGJ120-99土压力建筑基坑支护技术规程JGJ120-99采用了朗肯土压力理论，并规定对于碎石土及砂土，采用水土分算；对粘性土及粉土采用水土合算。当计算基坑底面以下各深度处的基坑外侧主动土压力时，规定竖向自重应力一律采用基坑底面标高处的数值。1.4.1 基坑外侧竖向应力（图1.4-1）（a）自重压力 （b）坡顶均布压力 （c）坡顶局部荷载图1.4-1 基坑外侧竖向应力1.4.2 水平荷载（主动土压力）（图1.4-2）图1.4-2 水平荷载计算简图（1）水土分算（碎石土及砂土）1） 当计算点位于地下水位以上时： （1.4-1）2） 当计算点位于地下水位以下时：总应力法： （1.4-2） （1.4-3）式中 -第层土的主动土压力系数；-深度处的总竖向应力标准值，由自重压力和附加应力组成；、-第层土的黏聚力标准值、内摩擦角标准值（采用总应力指标）；-基坑外侧计算点深度；-基坑外侧水位深度；-水的重力密度；-计算参数，当H/2时，h取0.5H。H为土坡总垂直高度。3.5.3 土钉内力单根土钉支撑范围内面层上的土压力Ei按下式计算： （3.5-2）式中 -土钉横竖间距。 3.5.4 锚固力极限状态验算在面层土压力作用下，土钉内部潜在滑裂面后的有效锚固段应具有足够的界面摩阻力而不被拔出，应满足下式： （3.5-3）其中 （3.5-4）式中 Fs-安全系数，取1.32.0。临时性工程取小值，永久性工程取大值； Fi-锚固力； -钉孔直径；-界面摩阻力；-有效锚固段长度。 3.5.5 抗拉断裂极限状态在面层土压力作用下，不使土钉端部产生过量的伸长或屈服，土钉配筋应满足下式： （3.5-5）式中 db-钢筋直径；fy-钢筋抗拉强度标准值。3.6 冶金部建筑研究总院方法3.6.1 土钉抗拉力土钉抗拉拔力标准值取下述3个计算结果的最小值。 （3.6-1） （3.6-2） （3.6-3）式中 -锚固体直径、钢筋直径； -土钉伸入破裂面以外约束区内长度；-土钉锚固圆柱体与土体之间抗剪强度、钢筋与砂浆界面的黏结强度标准值；-钢筋截面积、钢筋抗拉强度标准值。 3.6.2 整体稳定性计算假定滑裂面为圆弧面，采用条分法计算整体稳定安全系数，安全系数取1.21.5。（1）不考虑土钉作用 （3.6-4）（2） 考虑土钉作用（3.6-5）式中 -不考虑土钉作用时的安全系数；-考虑土钉作用时的安全系数；-抗剪强度指标；-滑动面弧长；-土条重量；-某位置土钉抗拉拔能力标准值；-计算单元的长度（一般与相同）；图3.6-1 内部整体稳定计算-滑动面某处切线与水平面之间的夹角；-某土钉与水平面的夹角。3.7 王长科方法 3.7.1 破裂面假定破裂面形状如图3.7-1所示。图中表示基坑深度，表示坡角。、按下列各式计算： (3.7-1) (3.7-2) (3.7-3) 图3.7-1 破裂面 图3.7-2 土压力分布式中 表示坡土粘聚力，表示坡土内摩擦角，表示坡土重力密度，表示坡顶均布荷载。 3.7.2 土压力分布土压力分布模型见图3.7-2。图中DC表示基坑底面，O点表示土压力零点，B点表示倒数第二道土钉位置。B点以上土压力分布采用朗肯土压力理论。土压力强度按下式计算：当时 （3.7-4）当时 （3.7-5）其中 （3.7-6）主动土压力系数 （3.7-7）被动土压力系数 （3.7-8）土压力折减系数 （3.7-9）临界坡角与坡高的关系 （3.7-10）式中 -水平向主动土压力强度（kPa）；-土压力零点埋深（m）；-主动土压力系数；-被动土压力系数；-计算点深度（m）；-计算点的竖向有效应力（kPa）；-时的竖向有效应力（kPa）；-主动土压力强度折减系数；-坡角；-临界坡角；-坡高；-坡顶均布荷载。 3.7.3 土钉内力土钉内力按下式计算： （3.7-11）式中R表示土钉内力（kN），SxSy表示土钉控制的坡面垂直面积（m2），表示土钉和水平面的夹角。3.7.4 土钉长度（图3.7-3）土钉长度设计值应满足下式： （3.7-12） （3.7-13）当时 （3.7-14）当时 （3.7-15）图3.7-3 土钉长度计算式中 -土钉长度设计值；-稳定区土钉长度；-滑动区土钉长度；-土钉注浆体直径；-土钉注浆体侧摩阻力标准值；-分项系数，取1.11.3。3.7.5 土钉选筋钢筋直径设计值应满足下式： （3.7-16）式中 -钢筋直径设计值；-钢筋抗拉强度标准值；-分项系数，取1.11.3。3.7.6 连接计算土钉和面层连接可采用焊接或锚定板螺栓连接，应满足下式： （3.7-17）式中表示土钉和面层之间拉力设计值；表示分项系数，取1.11.3。3.8 工程实例1岩土工程条件1.1 建筑概况石家庄市*工程位于石家庄市繁华地段，主体为三层地下建筑，混凝土框架结构，建筑平面为半圆形，地上为花园式广场。基坑深度16.2m，周长326m，围护面积约5200m2。1.2 基坑环境工程周边建筑物密集，环境条件复杂。基坑北侧近邻办公楼基水泵房一座，西侧为街道，南侧为食品城，东侧近邻二层批发商店。基坑环境见图1。图1 基坑环境1.3 水文地质与工程地质条件地下水在地表下35m以下，本次支护开挖，可不考虑地下水的影响。边坡工程地质条件见表1。1.4 开挖坡度条件限制因地处闹市，场地狭窄，西侧只能按900直立开挖，其它各侧最多可按850放坡。表1 坡土设计参数土名及编号厚度/m重度/(kN/m3)粘聚力c/kPa内摩擦角/deg极 限摩阻力/kPa杂填土0.9019.051520新近堆积土1.5019.3142030黄土状粉土0.6018.982440黄土状粉质粘土2.8019.1162050粉细砂2.8018.503240中砂1.6018.503660粗砂0.7018.503890粉土1.3018.9102550粉质粘土2.0019.7162050中砂0.8018.503665粉质粘土5.5019.7202050细砂0.8018.503250粉质粘土10.9019.42021502 设计方案设计坡角90，设10道土钉，土钉水平间距1.5m，竖向间距1.5m。梅花型布置。土钉下斜角10，土钉钻孔直径100mm，土钉采用热轧级钢筋。注浆采用水灰比为0.45的普硅425#净水泥浆。掺入外加剂三乙醇胺0.05%。面层采用挂6.5200200钢筋网喷射混凝土，钢筋网搭接长度200mm。用井子架压在钢筋网片上， 并将井子架与土钉钢筋焊接。土钉之间用16钢筋连接作为压筋。喷射混凝土面层厚度80100mm。表2 土钉设计方案土钉道号深度/m土钉（热轧级钢筋）直径/mm长度/mm11.80251200023.30251200034.80251800046.30251500057.80251200069.302212000710.802212000812.30209000913.802090001015.30207000图2 土钉设计方案3 设计分析石家庄土钉支护经验表明，采用JGJ120-99建筑基坑支护技术规程设计过于保守。为此，对本工程采用的方案用王长科建议的方法并结合JGJ120-99建筑基坑支护技术规程 进行综合分析。3.1 单钉等安全度设计分析基坑坡顶荷载统一折合成20kPa无限均布荷载。以各道单钉安全系数相等为原则，用JGJ120-99规程计算结果见表3，从结果看与石家庄经验不符。用王长科建议的方法计算，其中土压力峰值深度zn-1取7.8m，计算结果见图3、4、5和表4。表3 单钉等安全度设计分析（JGJ120-99方法）土钉道号深度/mJGJ120-99方法内力标准值/kN计算结果11.80154.70128 L1436023.30158.79132 L1288034.80233.84136 L1998046.30266.55136 L2072057.80268.35136 L1703069.30307.16140 L17170710.80280.57140 L18780812.30706.57240 L44780913.80604.15236 L378701015.30778.38240 L49920图3 滑裂面图4 土压力分布图5 土钉内力分布表4 单钉等安全度设计分析(王长科建议的方法)土钉道号深度/m王长科方法内力标准值/kN计算结果11.8015.916 L1100023.3041.416 L1150034.8073.220 L1400046.3097.922 L1450057.80117.925 L1250069.3086.020 L9600710.8066.318 L8500812.3080.820 L8500913.8062.018 L60001015.3039.216 L35003.2 群钉共同作用优化设计与安全度估计根据以上计算结果，结合石家庄土钉支护经验，对最终选用的设计方案进行分析，各道土钉安全度计算结果见表5。方案对比见图6。表5 土钉支护最终设计方案分析土钉道号深度/m最终采用的方案王长科建议的方法各道土钉安全系数分步开挖稳定安全系数11.8025 L120002.502.5023.3025 L120001.291.9034.8025 L180001.811.8746.3025 L150001.231.7157.8025 L120001.031.5769.3022 L120001.631.58710.8022 L120002.001.64812.3020 L90001.251.59913.8020 L90001.901.631015.3020 L70002.561.72 图6 土钉长度对比4 施工难点和解决方案4.1 测量控制该工程进行土钉支护时，基坑大部分都已开挖，中心挖至8m深，周边控制依据只有圆心点及建筑物平面布置图。本建筑物为半圆状，基坑开挖半径60.275m，而圆心点在开挖边坡外，且基坑内层次多，高低不平，采用钢尺量距不精确。土方每开挖一层需检测一次，经纬仪测距又复杂，如采用钓鱼法进行控制。首先利用全站仪将边坡周围各轴线定位好，面上引重球至基坑每层底部，土方开挖及人工修坡可按基坑深度及坡比来控制边坡。边坡控制至基底都达到预计目的，为此还得到业主及监理好评。4.2 穿越厚砂层该工程在-6m位置有5m厚左右砂层。由于砂层较厚而且边坡坡度陡直，本砂层大部分为中砂，特别容易坍孔及局部坍塌，这给施工带来了一定的难度。考虑到时边坡的整体稳定，砂层开挖时是北段开挖支护，留台开挖。即开挖每1015m为一段，开挖深度为1.5m，沿边坡予留0.50.8m的平台，先进行人工扩孔，设置土钉，再修坡喷护。支护1.5m分三次支护，即人工修坡50c