基坑支护结构毕业设计

本科学生毕业设计 科技大厦基坑支护结构设计 院部名称：土木与建筑工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称：讲师工程师 黑黑 龙龙 江江 工工 程程 学学 院院 二一二年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree Design of KeJi Building Foundation Ditch Supporting Structure Candidate： Specialty：Civil Engineering Class：08-2 Supervisor：Lecturer Engineer Heilongjiang Institute of Technology 2012-06Harbin 黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘要 本设计为科技大厦基坑支护结构设计。拟建科技大厦工程位于哈尔滨市香坊 区，其西临香顺街，南邻公滨路。拟建建筑物地面以上 17 层，地下 1 层，总建筑 面积 69533m 2，经地质勘查，地基土层主要由杂填土、粘土、粉质粘土、粉土、粉 质粘土构成。建筑0.00 相当于绝对标高 17.25m，整平后地面标高为 17.00m,基坑 开挖深度为 5.0m，框架结构。主体基坑采用两种不同的支护体系：一种是钢板桩锚 杆支护体系，另一种是土钉墙支护体系。基坑采用喷射井点+止水帷幕降止水。 本次设计的主要内容包括：支护方案的选择、钢板桩锚杆设计计算、土钉墙设 计计算、基坑的稳定性验算、基坑降止水等。 经验算，该基坑设计合理，方案可行，可满足基坑土方开挖，地下室结构施工 和对周围环境保护的要求。 关键词：深基坑；土钉墙；基坑稳定性；钢板桩；锚杆支撑。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 II ABSTRACT The design of KeJi building foundation ditch supporting structure. It is located in Xiang fang District of Harbin city, west neighbour Xiangshun Street and north neighbour Gongbin Road. It is 17-layer tall, including 1 basements and its general construction area is 69533 square meters. Foundation soil is mainly composed of mixed fill, clay, Silty clay, Silty soil, silty clay composition. The structure excavation depth is 5 meters, frame construction. The main building foundation uses two kinds of different supports and protections systems: One kind is the steel sheet pile adding the anchor rod supports and protections system, another kind is the earth nail wall supports and protections system. Building foundation uses spraying the well point + the closed vertical waterproof curtain precipitation. The main elements of design include: the choice of the supports and protections plan , the design calculation of steel sheet pile adding the anchor rod, the earth nail wall design calculation, and foundation Stability checking calculation, foundation precipitation and so on. After the checking calculation,the foundation design is reasonable,the plan is feasible,to meet the request of foundation excavation,construction of the basement structure and environment protection. Keywords: Deep foundation; Earth nail wall ;Foundation stability; Steel sheet pile; Anchor rod support. 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目录 摘要.I Abstract.II 第 1 章 绪论. 1 1.1 选题的背景目的及意义.1 1.1.1 选题的背景目的.1 1.1.2 选题的意义.1 1.2 国内外基坑工程研究状况.1 1.2.1 国内基坑工程研究现状. 1 1.2.2 国外基坑工程研究现状. 2 1.3 基坑工程概况.2 1.3.1 工程概况.2 1.3.2 周边环境.2 1.4 地质条件.4 1.4.1 工程地质条件. 4 1.4.2 水文地质条件. 4 1.5 拟解决的主要问题. 4 第 2 章 基坑支护方案选择及确定.5 2.1 基坑支护设计基本要求.5 2.2 基坑支护方案选择及确定.5 2.2.1 支护方案的选择.5 2.2.2 支护结构体系的比较.7 2.2.3 支护结构体系的确定.8 2.3 本章小结.8 第 3 章 基坑支护结构设计计算书.9 3.1 基坑支护结构设计参数说明.9 3.1.1 地质力学指标参数.9 3.1.2 地面附加荷载 q 取值.9 3.1.3 计算方法. 10 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3.1.4 设计水位确定.10 3.2 钢板桩锚杆支护结构设计.10 3.2.1 第一阶段开挖 3.5m 计算. 10 3.2.2 第二阶段开挖 5.0m 计算. 12 3.2.3 腰梁设计.15 3.2.4 最小嵌固深度计算.16 3.3 基坑底降水计算. 16 3.4 锚杆设计. 17 3.4.1 锚杆水平锚固力.17 3.4.2 锚杆长度计算.17 3.4.3 锚杆配筋设计.18 3.5 土钉墙支护结构设计.18 3.5.1 土钉墙概述.18 3.5.2 土钉墙设计内容.18 3.5.3 方案确定.19 3.5.4 土钉墙结构计算. 19 3.5.5 土钉长度计算.21 3.5.6 土钉配筋计算.23 3.6 本章小结.24 第 4 章 基坑稳定性验算.25 4.1 桩锚结构稳定性验算.25 4.1.1 坑底隆起验算.25 4.1.2 坑底涌水验算.25 4.1.3 桩锚结构深部破裂面稳定性验算.25 4.2 土钉墙整体稳定性验算.27 4.2.1 第一次取圆弧.29 4.2.2 第二次取圆弧.29 4.2.3 第三次取圆弧.30 4.2.4 第四次取圆弧.31 4.2.5 第五次取圆弧.32 4.3 土钉墙外部稳定性验算.33 4.3.1 抗滑动稳定验算.33 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4.3.2 抗倾覆稳定性验算.34 4.4 本章小结. 34 第 5 章 基坑降止水设计.35 5.1 概述.35 5.2 降水方法.35 5.3 降水的作用.36 5.4 降排水设计方案的选择与计算.37 5.4.1 降排水设计方案的选择. 37 5.4.2 降排水井点设计计算.37 5.4.3 基坑降水验算.40 5.4.4 止水帷幕的设置. 41 5.4.5 回灌系统的布置. 41 5.5 本章小结. 41 第 6 章 基坑施工监测方案设计.42 6.1 基坑监测方案.42 6.2 监测内容.42 6.3 监测的控制要求.42 6.4 基坑土方开挖技术要求.42 6.5 基坑开挖过程中的施工措施与应急措施.43 6.6 本章小结. 43 结论.44 参考文献.45 致谢.47 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 绪论 1.1 选题的背景目的及意义 1.1.1 选题的背景目的选题的背景目的 基坑工程是土力学基础工程中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性 的岩土工程问题。人类土木工程活动促进了基坑工程的发展，基坑工程的发展往 往是一种新的围护型式的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、认识、再 实践、再认识的规律，而走向成熟。到了本世纪，随着大量高层、超高层建筑以 及地下工程的大量涌现，对基坑工程的要求越来越高，出现的问题也越来越多， 促使工程技术人员以新的眼光去审视基坑工程这一古老课题，也使许多新的经验 和理论的研究方法得以出现和成熟。 我毕业后从事深基坑工程方面的施工，通过本次毕业设计，使自己把所学过 的专业知识综合应用于实际工程设计中，使理论与生产实践相结合，提高工程设 计能力，能独立进行基坑支护结构设计。使自己在应用现行规范、标准、技术指 标与经济指标等方面得到基本训练，达到对所学专业知识进行巩固、综合掌握和 灵活运用的目的，提高自己分析问题、解决问题的能力。 1.1.2 选题的意义选题的意义 本次毕业设计确定的选题是科技大厦基坑支护结构设计，并有针对性地在支 护方案比选、钢板桩加锚杆设计计算、土钉墙设计计算、基坑的稳定性验算、基 坑降排水设计、施工图绘制等方面进行深入研究，熟练绘制和阅读基坑施工图， 掌握基坑设计和施工的方法；通过该基坑毕业设计，能综合训练学生的应用各种 手段查询资料、获取信息的基本能力和计算机工程软件应用能力，以及提高独立 思考问题、分析问题和解决问题的能力，使学生具有独立解决一个基坑的设计和 施工的能力，提高外文翻译能力，以满足毕业就业岗位的需要。 1.2 国内外基坑工程研究状况 1.2.1 国内基坑工程研究现状国内基坑工程研究现状 在国内，我国城市地下工程建设起步较晚，上世纪 70 年代末以前，只有少数 黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 大型工程项目中有开挖深度 10m 以上的基坑工程，且处在较少或没有临近建筑物 和地下结构物的地区。到 20 世纪 80 年代，在我国改革开放和国民经济持续高速 增长的形势下，全国工程建设亦突飞猛进，高层建筑迅猛发展，建筑高度越来越 高，同时各地还兴建了许多大型地下市政设施、地下商场、地下车站等，导致多 层地下室逐渐增多，深基坑开挖深度超过 10m 的比比皆是，其埋设深度也就越来 越深，对基坑的要求越来越高，使深基坑支护工程向大规模方向发展。随着人防、 地铁、地下商场、仓库、影剧院等大量工程的建设，特别是近年来的工程实践， 城市地下空间技术得到了长足发展和提高。我国城市地下工程、隧道及井孔工程 等先后采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法、及注浆法等， 这些技术有的已达到了国际先进水平。 1.2.2 国外基坑工程研究现状国外基坑工程研究现状 国外 20 世纪 30 年代，太沙基和皮克等最先从事基坑工程的研究，20 世纪 60 年代，在奥斯陆等地的基坑开挖中开始实施施工监测，从 20 世纪 70 年代起，许 多国家陆续制定了指导基坑开挖与支护设计和施工的法规。在国外,比如日本、美 国以及欧洲一些发达国家对地下结构有比较完善的研究，地下商城、地下停车场、 地下商业街、地铁车站等随处可见。这就意味着他们具有相当的建设基坑工程的 能力与经验。除了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法 外又有了新发展。新技术有全过程机械化、微型盾构和非开挖技术、预砌块法施 工技术、预切槽法施工技术、顶管大管棚法、微气压暗挖法、数字化掘进法等。 1.3 基坑工程概况 1.3.1 工程概况工程概况 拟建科技大厦工程位于哈尔滨市香坊区，其西临香顺街，南邻公滨路，东侧 为哈国际自然医学研究所，北侧为住宅楼。拟建建筑物地面以上 17 层，地下 1 层，总建筑面积 69533m 2，占地面积 27.932.6m,基坑开挖深度为 5.0m ，框架结 构，稳定水位在地面下 1.3m。拟建项目所在场地较平整，原始地貌为冲积型堆积 土层。 1.3.2 周边环境周边环境 基坑西临香顺街，南邻公滨路，与结构最近距离为 6.7m，下设通讯电缆、煤 气管线等设施。东侧为哈国际自然医学研究所，楼高八层，其最近距离为 1.9m， 北侧为住宅楼，楼高八层，最近距离为 13.2m。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 1.4 地质条件 1.4.1 工程地质条件工程地质条件 据拟建场地岩土工程勘察报告揭示：场地地形较平坦，原始地貌为冲积 型堆积土层。根据土层的地质时代、成因类型、岩性及分布埋藏特征，从上到下 可分为 5 个层次，支护深度影响范围内土层依次分布如表格 1.1 和 1.2 所示： 表 1.1 地基土构成、特征一览表 土层 编号 土层 名称 土层厚度 （m） 平均厚 度 (m) 土层描述 杂填土 0.91.81.30 灰色， 松散， 主要由碎石、 碎砖、 建筑垃圾组成， 硬质含量 30-60%,填龄大于 5 年，全场分布。 粘土 0.62.61.70 灰黄色褐黄色，可塑，含铁锰氧化物及结核， 无摇振反应，切面光滑，干强度和韧性高，全场 地分布。 粉质 粘土 1.85.14.13 灰黄灰色，可塑软塑，稍有光泽，无摇震反 应，干强度中等，韧性中等，全场分布。 粉土 3.46.24.87 灰色，松散，饱和，含云母，摇振反应迅速，切 面粗糙，干强度低，韧性低，全场分布。 粉质 粘土 9.621.815.2 灰色，中密，饱和，含云母，摇振反应迅速，切 面粗糙，干强度低，韧性低，全场分布。 表 1.2 场地土体情况一览表 序号 类别 （名称） 厚度 )m( h 重度 ( 3 KN/m) 含水率 )%(w 塑限 L w 液限 P w 渗透系数 )m/d(k 内摩擦角 )( k 黏聚力 )KPa( k c 压缩模量 )MPa( s E 杂填土 1.30 17.513.61.787.082.316.59.514.3 粘土 1.70 17.931.53.3226.420.00421.8614.4 粉质粘土 4.13 18.236.716.9629.160.0819.2104.09 粉土 4.87 18.034.24.159.750.322.61510.5 粉质粘土 15.2 18.629.74.7522.550.0621.12811.6 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 1.4.2 水文地质条件水文地质条件 根据地下水的赋存条件，场区有一层地下水，赋存于第层杂填土中，属孔 隙潜水类型， 勘察期间测得该场地稳定水位埋深为 0.95m1.65m， 主要接受降雨、 地表水、地下径流的补给。 1.5 拟解决的主要问题 （1）基坑支护方案的比选； （2）钢板桩加锚杆设计计算； （3）土钉墙设计计算； （4）基坑的稳定性验算； （5）基坑降水； 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 基坑支护方案选择及确定 2.1 基坑支护设计基本要求 (1)基坑设计以“安全、合理、经济、便于施工”为原则，同时保证施工周期 较短，结合本工程地质、环境、挖深等诸多因素； (2)为基坑土方开挖和地下室施工创造一个安全干燥的施工条件； 支护结构稳 定、牢固、安全，确保地下室施工安全以及周边建筑物和道路的安全；有效止水， 确保周边建筑物和道路不产生沉降； 。 (3)支护结构基坑内壁与地下室基础承台边缘应留有足够的施工工作面； 基坑 周边有良好的围护，确保坑边行人安全； (4)基坑支护范围不超过建设用地红线、不影响现有临时办公用房的正常使 用；基坑周边排水畅通，地面雨水、污水不流入基坑； (5)参照哈尔滨地区以往深基坑工程成功实践经验； (6)考虑到邻近基坑边有重点保护道路及楼房，为确保安全，以“位移变形” 控制设计计算 (7)考虑到本场地地质条件，由于该场地地下水位埋深较浅，地下水较丰富， 透水性大，为杜绝“侧壁流砂，坑底管涌”等不良现象出现，关键做好基坑止水， 降水设计和施工； 2.2 基坑支护方案选择及确定 2.2.1 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：放坡 开挖、地下连续墙、水泥土墙、桩锚支护结构、土钉墙支护结构等。 （1）放坡开挖 放坡开挖适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制 无严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。 在基坑周围的环境允许放坡的情况下， 可以将基坑边壁开挖成具有一定坡度、 能够在基坑回填之前的施工阶段维持边坡稳定的斜坡。这样，既可以省去专门的 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 边坡支护结构，又可以较好地满足施工要求。虽然土方挖放量有所增加，但总的 技术、经济效果是很明显的。 拟建基坑周围有居民楼和哈国际研究所等重要建筑物，周围场地狭窄位移控 制严格要求，所以，放坡开挖这种支护结构不适用于拟建基坑。 （2）地下连续墙 通常连续墙的厚度为 600mm、800mm、1000mm，也有厚达 1200mm 的，但 较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适 用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高， 施工要求专用设备。 拟建基坑深度较小，所以，地下连续墙这种支护结构不适合于本拟建基坑。 （3）土钉墙 土钉墙是一种边坡稳定式的支护,其作用与被动的具备挡土作用的上述围护 墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。 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。稳定可靠、施 工简便且工期短、效果较好、用料省、造价低、对周边的环境影响小，且变形相 对较小，但是不适合用于对变形严格要求的基坑。 土钉墙主要用于土质较好地区,我国华北和华东北部一带应用较多,目前我国 南方地区亦有应用,有的已用于坑深 10m 以上的基坑，在土质较好地区应积极推 广。 拟建基坑的基坑壁等级为二级，开挖较浅，在靠近建筑物侧的基坑壁处使用 土钉墙支护结构既保证了基坑的稳定，又保证了施工的工期短、经济性好、效果 好。所以在本次设计中，基坑东侧基坑壁采用了土钉墙支护结构。 （4）水泥土墙 水泥土墙是由水泥土桩相互搭接形成的格网状、壁状等形式的重力式挡土结 构物。通常采用搅拌桩，亦可采用旋喷桩等。 水泥土墙适用于基坑侧壁安全等级宜为二、三级，水泥土桩施工范围内地基 土承载力不宜大于 150kPa，基坑深度不宜大于 6m 的基坑。但是水泥土桩抗拉强 度低，受荷载后变形较大，且要单独占用工期。 拟建基坑深度为 5m，考虑到水泥土墙的抗拉强度低，因此，没有采用水泥土 墙支护结构。 （5）桩锚支护结构 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 桩锚支护是将护坡桩与土层锚杆相结合的一种支护方法,桩锚支护体系是将 受拉 是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构,安全经济的 特点使它广泛应用于边坡和深基坑支护工程中。 桩锚支护结构适用性较广，对基坑壁变形的限制严格有效，但施工期较长， 造价较高。 拟建基坑中，靠近马路侧的基坑壁对变形沉降都要求很严格，因此，基坑西 侧、南侧和北侧的基坑壁采用桩锚支护结构。 2.2.2 支护结构体系的比较支护结构体系的比较 本工程地下水位较高， 基坑开挖深度为 5.0 米， 且东侧由于距离建筑物较近， 根据我国目前基坑工程中所取得的经验，其围护结构可选择以下几种方案： 方按 1：钻孔灌注桩加搅拌桩或旋喷桩止水，设 1-2 道内支撑； 方案 2：土钉墙支护； 方案 3：可应用水泥土墙支护； 方案 4：可采用钢板桩加锚杆支护，设 1-2 道支撑； 由于本工程东侧离建筑物较近， 故围护结构可考虑的方案有： 方案 2、 方案 3、 方案 4。基坑支护形式比较如表格 2.2 所示： 表 2.2 基坑支护方案比较 方案 名称 土钉墙 钢板桩加锚 杆支护 水泥土墙支护灌注桩加锚杆 整体 性能 较好好好较好 抗渗 性 较好好较好差 对环境 的影响 小小较小较大 施工 工期 一般较短一般短 造价一般一般一般一般 其他 特点 受力性能好 可以贴近施 工，工效高 地下结构 施工方便 需要架设内支 撑 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 2.2.3 支护结构体系的确定支护结构体系的确定 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：在靠近 西侧、南侧道路及北侧居民楼三段采用钢板桩锚杆支护结构；在靠近东侧建筑物 的一段采用土钉墙支护结构。经设计验算之后，能满足基坑土方开挖，地下室结 构施工和对周围环境保护的要求。 2.3 本章小结 通过本章了解基坑支护设计的基本要求，掌握了国内常用的几种基坑支护方 式的特点及适用条件。结合这次选题的工程地质条件、水文地质条件及周边环境 确立了两种支护方案，即在基坑西侧、北侧、南侧三段采用钢板桩锚杆支护结构， 在基坑东侧一段采用土钉墙支护结构。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 第 3 章 基坑支护结构设计计算书 3.1 基坑支护结构设计参数说明 3.1.1 地质力学指标参数地质力学指标参数 表 3.1 地基地质力学指标参数表 土层 r KN/m3 C/Kpa/度Ka a KKp p K sat (KN/m3) 杂填土17.59.516.50.5580.7471.7931.33919.7 粘土17.9621.80.4580.6772.1821.47718.6 粉质粘土18.21019.20.5050.7111.9801.40718.4 粉土18.01522.60.4450.6752.2481.49918.5 粉质粘土18.62821.10.4710.6862.1251.45819.1 备注：表中 C、值均取用固结快剪标准值。主（被）动土压力系数公式： 22 ; tan45tan45 22 apKK ； w s ws sat + )w+1 ( )( = ； 3.1.2 地面附加荷载地面附加荷载 q q 取值取值 根据周围环境条件：西侧、南侧、北侧根据周围环境条件：西侧、南侧、北侧三段三段：q=q=10.0kpa10.0kpa。 东侧段该楼为 8 层建筑物，上部结构高度m24=38=H 基础高度为 1 241.3m 18 h 上部荷载为12 896kPaP 取m1l，则m17 .25=lb。 居民楼荷载扩散后，荷载计算如下： 1 96 25.7 84kPa 225.72 1.9 Pbl q bb 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 3.1.3 计算方法计算方法 严格按照建筑基坑技术