基坑支护结构计算与设计成都理工大学.ppt

1、a,1,基坑支护结构计算与设计,Design of retaining and protection for foundation excavation,联系电话电子邮件：,主讲：张莲花 副教授 成都理工大学环境与土木工程学院 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,a,2,7.1 概述,19世纪是桥梁世纪，20世纪是高层建筑世纪，21世纪是地下空间世纪。21世纪地下空间要得到很大的发展。目前各种用途的地下空间已在世界各地大中城市得到开发利用，地下工程建设项目的数量和规模也迅速增大，如高层建筑物的基坑，大型管线的深沟槽，地铁工程的车站深基坑等。这些地下空间的建设多采

2、用价廉而方法简便的明挖法进行施工，由此产生了大量深基坑工程，其规模和深度还在不断地加大。 城市基坑工程通常处于房屋和生命线工程的密集地区。为了保护那些己建构筑物的正常使用和安全运营，常需对基坑工程引起的周围地层变形、位移限制在一定变形值之内。也就是分别要求挡土结构的水平位移和其邻近地层的垂直沉降限制在某标准值之内，甚至也限制墙体垂直沉降和地层的水平移动值满足周围环境要求,a,3,基坑工程对支护体系的要求包括： 保证基坑四周边坡的稳定性，满足地下室施工有足够空间的要求。也就是说基坑支护体系要能起到挡土的作用。这是土方开挖和地下室施工的必要条件。 保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线在基坑工程

3、施工期间不受损害。这要求在支护体系施工、土方开挖及地下室施工过程中控制土体的变形，使基坑周围地面沉降和水平位移控制在容许范围以内。 保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。支护体系通过截水、降水、排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。 本章主要介绍目前基坑工程中较常用的支护结构类型及其使用条件和相应的计算方法,a,4,2009.03.09日13时35分，青海省西宁市商业巷南市场的佳豪广场4号楼施工现场发生坍塌，造成8人死亡。这起事故是由施工单位违规操作，强行施工造成的。 佳豪广场工程由青海佳豪房地产开发有限公司开发，发生事故的4号楼由浙江中明建设有限公司总包，基坑支护则包给了青海筑祥

4、地基工程支护公司进行施工。大概10天前，工地上的负责人发现护坡墙上有裂缝,倾斜的基坑护壁桩,成都地区建筑深基坑工程安全技术规程_征求稿,a,6,7.1.1 支护结构类型及适用范围,支护结构型式多样，为适应于不同的地质及环境条件，设计者们针对不同的工程具体实际，往往会依据当地建筑材料、施工条件等设计出不同的支护型式。显然，目前工程所采用的支护结构型式多样，但其受力性能大致可划分为如下几类,重力式挡土结构,悬臂式支护结构,单(多)支点混合支护结构,土钉墙支护结构,其他形式的支护结构,基坑工程支护结构按受力性能划分,a,7,表1 支护结构选型表,a,8,一.重力式挡土结构,类似于重力式挡土墙的概念，

5、深基坑支护结构亦可采用加固基坑周边土体以形成水泥土重力式挡土结构支挡周围土体，如图41所示。这种重力式挡土结构常采用深层搅拌法形成，有时也采用高压喷射注浆法形成。其优点为：施工无环境污染(无噪声、无振动、无排污)、造价低廉及防渗性能好。但其抗拉强度低，变形也比较大。加固体按重力式挡土墙验算，当稳定性不足时，增加加固体的厚度和深度，直到满足稳定性,图7-1格构式重力式挡墙平面图,水泥土重力式挡土结构常用于软粘土地区开挖深度在6m以内的基坑工程，采用高压喷射注浆法施工也可在砂类土地基中形成水泥土挡墙,a,9,二.悬臂式支护结构,悬臂式支护结构示意图如图42所示。悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩

6、墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。钢筋混凝土桩常采用钻孔灌注桩、人工挖孔灌注桩、沉管灌注桩及预制桩。悬臂式支护结构依靠足够的人土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全。悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建(构)筑物产生不良影响,图72 悬臂式支护结构,悬臂式支护结构适用于土质较好、开挖深度较浅（一般在6m以内）的基坑工程,a,10,三.单(多)支点混合支护结构,单(多)支点混合支护结构是指在基坑开挖面以上的任何位置上提供单个或多个支点与挡土结构结合而成的混合支护结构。混合支护结构有内撑式支护结构和拉锚式支护结构,混合支护结构适用于基坑较深，悬臂式

7、支护结构无法满足强度与变形要求的工程,a,11,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和地下连续墙型式。内撑体系根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑及多层水平支撑，分别如图43、图44所示。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。有的采用空间结构体系，图45为一基坑工程空间结构支撑体系示意图,单支撑支护结构 多支撑支护结构 空间支护体系,图73 图74 图75,a,12,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

8、构。锚固体系可分为锚杆式（图46）和地面拉锚式（图47）两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、多层锚杆。地面拉描式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锚杆较大的锚固力。锚杆较适用于砂土地基，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76 双层锚杆 图77 地面拉锚,a,13,四. 土钉支护结构结构,土钉由打入基坑侧壁土体的钢筋或钢管与孔内注浆体组成的受力杆体.一般通过钻孔、插筋和注浆来设置。也有采用打入或射入方式设置土钉。边开挖基坑，边在土坡中设置土钉，在坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙支护结构。形成加筋土

9、重力式挡墙起到挡土作用,结构示意图如图78所示,图78 土钉支护结构,土钉墙支护适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理地下水位以下的土层地基中基坑支护。土钉墙支护基坑深度一般不超过18m，使用期限不超过18个月,a,14,五. 其他形式支护结构,其他形式支护结构主要有：门架式支护结构（图79）、拱式组合型支护结构（图710）、喷锚网支护结构（图711）、沉井支护结构、冻结法支护结构,图79 门架式支护结构 图711 喷锚网支护结构,图710 拱式组合型支护结构 (a)平面 (b)剖面,a,15,7.1.2 支护结构的破坏形式,

10、基坑工程事故类型很多，支护结构型式不同，破坏形式也有差异，破坏原因往往是几方面因素综合造成的。粗略地划分，基坑工程事故可分为下述几类,墙体折断破坏,整体失稳破坏,基坑隆起破坏,支护结构踢脚破坏,流土破坏,支护结构破坏形式,撑锚失稳破坏,基底突涌破坏,a,16,当支护墙不足以抵抗水土压力形成的弯矩时，墙体折断造成基坑边坡倒塌，如图712（a）所示。对撑锚支护结构，支撑或锚拉系统失稳、锚撑节点断裂，支护墙体承受弯矩变大，也要产生墙体折断破坏。悬臂式排桩墙最容易出现墙体断裂。 当支护结构插入深度不够，或撑锚系统失效造成基坑边坡整体滑动破坏，称为整体失稳破坏，如图712（b）所示,a墙体折断破坏 b整

11、体失稳破坏,a,17,在软土地基中，当基坑内土体不断挖去，坑内外土体的高差使支护结构外侧土体向坑内方向挤压，造成基坑土体隆起，导致基坑外地面沉降，坑内侧被动土压力减小，引起支护体系失稳破坏，称为基坑隆起破坏，如图712（c）所示。 对内撑式和拉锚式支护结构，插入深度不够或坑底土质差，被动土压力很小，造成支护结构踢脚失稳破坏，如图712（d）所示,基坑隆起破坏 踢脚破坏,a,18,当基坑渗流引起流土，使被动土压力减小或丧失，造成支护体系破坏，称为流土破坏，如图712（e）所示。 对支撑式支护结构，支撑体系强度或稳定性不够；对拉锚式支护结构，拉锚力不够，均将造成支护体系破坏，称为锚撑失稳破坏，支撑

12、体系失稳破坏如图712（f）所示,流土破坏 锚撑失稳破坏,a,19,地基中存在承压水，当基坑底土层不能承受承压水的顶托力，基坑底产生突涌导致破坏。 诱发支护体系破坏的主要原因可能是一种，也可能同时有几种，但破坏形式往往是综合性的。由整体失稳造成破坏也产生基坑隆起。也可能产生墙体折断和撑锚系统失稳；由撑锚系统失稳造成破坏也产生墙体断。有时也产生基坑隆起、踢脚破坏形式；踢脚破坏也产生基坑隆起、撑锚系统失稳现象。但仔细观察分析，造成破坏的主要原因不同，其破坏形式还是有差异的,a,20,7.1.3 基坑侧壁安全等级及重要性系数,在进行基坑支护结构选型和设计计算时，一定要分析支护结构破坏对周围环境和本工

13、程施工的影响后果。根据具体要求决定采用按稳定性要求控制设计还是按变形要求控制设计。按变形控制设计还要根据周边环境条件(例如周边建筑物的重要性、市政管线的重要性以及它们对变形的适应能力等因素)确定允许变形量,a,21,表1 基坑侧壁安全等级及重要性系数,注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定,a,22,表 2 基坑支护安全等级 （成都市地方标准,a,23,7.1.4 支护结构的选用原则,支护结构的选用原则是安全、经济、方便施工，要因地制宜。 安全不仅指支护体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证邻近建(构)筑物和市政设施的安全和正常使用。 经济不仅是指支护体系

14、的工程费用而且要考虑工期考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，应采用综合分析，确定该方案是否经济合理。 方便施工也应是支护体系的选用原则之一。方便施工可以降低挖土费用，而且可以节省工期、提高支护体系的可靠性,a,24,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等条件按下表选用排桩、地下连续墙、水泥土墙、逆作拱墙、土钉墙、原状土放坡或采用上述型式的组合。 考虑结构的空间效应和受力特点，采用有利支护结构材料受力性状的型式。软土场地可采用深层搅拌、注浆、间隔或全部加固等方法对局部或整个基坑底土进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力,a,25,7.1.5 基

15、坑支护结构内力计算特点及现状,深基坑支护结构内力计算是一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土难题。它既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，渗流问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。 与支护结构内力计算密切相关的是作用在结构上荷载的确定，支护结构上荷载的计算。深基坑支护结构作用荷载、内力计算实际上是一个典型的土与结构共同作用课题。作用于支护结构上的土压力应随着土与结构间的变形条件、支护结构刚度、支点力（锚杆或内支撑）大小、支护体系的空间影响变化而变化。由于土体的性质随土体的含水量等改变，因此，土压力还随环境变化而改变。诸多影响因素使得土压力计算远比上部结构静荷载的计

16、算更为复杂,a,26,从发展的角度看，应充分考虑这些特点以形成更为符合实际的计算方法。但目前的计算理论将土压力作为外荷载，确定之后就不在变化，没有考虑结构的变形、支撑轴力等因素对土压力的影响。 除基坑开挖面以上土压力计算问题之外，基坑开挖面以下的作用荷载计算也始终是一个较难确定的课题。亦即基坑支护结构嵌固部分的力学模型假定也是十分困难的，这些问题也需考虑应用结构与土共同作用原理加以解决。 从实用角度来看，库仑、朗肯土压力理论，等值梁法，弹性支点法等传统的办法还会在今后一段时期内广泛应用,a,27,7.1.6 水土分算与合算原则（支护结构上水、土产生力的计算,对地下水位以下的土体计算侧压力时有两

17、个计算原则，即：水土分算的原则和水土合算的原则。 水土分算原则，即分别计算土压力和水压力，两者之和即为土的侧压力。其中地下水位以下的土压力，采用浮容重和有效应力抗剪强度指标计算。这一原则适用于土孔隙中存在自由的重力水的情况或土的渗透性较好的情况，一般适用于砂土、粉性土和粉质粘土。这种方法建立在有效应力原理的基础上，理论上比较严格,a,28,水土合算的原则，认为土孔隙中不存在自由的重力水，而存在结合水，它不传递静水压力，以土粒与孔隙水共同组成的土体作为对象，直接用土的饱和重度和总应力抗剪强度指标计算侧压力。这一原则适用于不透水的粘性土层。这种方法基于总应力法，在应用上存在缺陷，不能反映各种固结情

18、况下的c、值，对地基实际情况的模拟是粗略的。但我国在实际工程中，利用此法计算粘性土基坑已积累了丰富的经验，且有效应力指标不易取得，因此，对粘性土常按水土合算的原则确定土压力,7.1.7 水、土压力计算,在前面课程中介绍了的库仑土压力计算方法和朗肯土压力计算方法，这两种理论也可用于支护结构上的土压力计算。建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)条文：主动土压力，被动土压力可采用库仑或朗肯土压力理论计算。当对支护结构水平位移有严格限制时，应采用静止土压力计算。同时，作用于支护结构的土压力和水压力，对砂性土宜按水土分算的原则计算；对粘性土宜按水土合算的原则计算；也可按地区经验确定。 这里要介

19、绍的是建筑基坑支护技术规程（JGJ12099）建议的土压力计算公式,a,30,水平荷载标准值 支护结构水平荷载标准值eajk应按当地可靠经验确定，当无经验时，可按下列规定计算（图413）： 1）对于碎石土和砂土： a）当计算点位于地下水位以上时,b）当计算点位于地下水位以下时,a,31,式中：Kai第i层土的主动土压力系数，按式（44）计算； ajk作用于深度为Zj的竖向应力标准值，按式（45）计算； cik三轴试验（当有经验时可采用直接剪切试验）确定的第i层土固结不排水（快）剪粘聚力标准值； zj计算点深度； mj计算参数，当zj h时，取0； w水的重度,a,32,2）对于粉土和粘性土,3

20、）当按以上规定计算的基坑开挖面以上水平荷载标准值小于零时应取零。 第i层的主动土压力系数按下式计算,其中ik为三轴试验（当有经验时可采用直接剪切试验）确定的第i层土固结不排水（快）剪内摩擦角标准值,a,33,基坑外侧竖向应力： 基坑外侧竖向应力标准值ajk按下式规定计算,基坑外侧竖向应力=自重应力+ 满布附加荷载产生竖向应力 + 坑顶局部荷载产生竖向应力 1）计算深度zj处自重竖向应力rk： a）计算点位于基坑开挖面以上时： 其中mj为深度zj以上土的加权平均天然重度。 b）计算点位于基坑开挖面以下时： 其中mh为开挖面以上土的加权平均天然重度。 注意公中土压力荷载在开挖深度以下不再考虑土压力

21、的增长,a,34,2）当支护结构外侧地面作用满布附加荷载q0时，基坑外侧任意深度附加竖向应力标准值0k可按下式计算（图414）： 3）当距支护结构b1外侧，地表作用有宽度为b0的条形附加荷载q1时，基坑外侧深度CD范围内的附加竖向应力值1k可按下式确定（图415,a,35,水平抗力标准值 基坑内侧水平抗力标准值epjk宜按下列规定计算（图416）： 1）对于砂土及碎石土，基坑内侧水平抗力标准值按下列规定计算,式中：pjk作用于基坑底面以下深度为Zj的竖向应力标 准值， ，其中mj为深度zj以上土 的加权平均天然重度； Kpi第i层土的主动土压力系数,a,36,2）对于粉土及粘性土基坑内侧水平抗

22、力标准值宜按下式计算,a,37,以上为建筑基坑支护技术规程对水平荷载及抗力计算的条文规定，计算中分为碎石土和砂土以及粉土和粘性土两种情况分别计算，即碎石土和砂土按水土分算原则计算，而粉土和粘性土按水土合算原则计算。例如：对于重度为的均匀砂土，按水土分算原则，其主动土压力应为,此结果即是公式（42）中的一种情况,a,38,7.2 悬臂桩计算与设计,排桩支护结构，主要用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、钢板桩及（预制钢筋混凝土板桩）为主要受弯构件。排桩支护结构可分为： 1柱列式排桩 当边坡土质较好，地下水位较低，可利用土拱作用，以稀疏钻孔灌注桩（或挖孔桩）支挡土体,7.2.1 概述,a,39,2连续排桩 在

23、软土中不能形成土拱，支挡桩应该连续密排。密排的钻孔桩可以相互搭接，或在桩身强度尚未形成时，在相邻桩之间做一根素混凝土树根桩把钻孔桩连接起来。钢板桩，钢筋混凝土板桩可以直接连接，也可在桩中置入挡土板。 3组合式排桩支护 在地下水位较高的软土地区，可采用钻孔灌注桩与水泥土桩防渗墙组合的形式,a,40,7.2.2 计算原理,悬臂式支护结构插入坑底的深度不同，其变形情况有所不同。第一种情况：若插入深度较深，支护结构向坑内倾斜较小时，下端B处没有位移，见图。第二种情况：若支护结构插入深度较浅，当达到最小插入深度Dmin,它的上端向坑内倾斜较大，下端B向坑外位移，若插入深度小于Dmin，支护结构丧失稳定，

24、顶部向坑内倾斜,a,41,对第一种情况，支护结构所受的土压力分布见下图。 对第二种情况，由于支护结构绕一点C转动，B点向外移动。那么，从力的平衡来看，B点必然受到向坑内的被动土压力和向坑外的主动土压力，这两个力抵消后等于 最终它所受的土压力分布见下图,a,42,4.2.3 最小嵌固深度计算,悬臂桩主要依靠嵌入土内的深度，以平衡上部地面荷载、水压力及主动土压力形成的侧压力，因此插入深度至关重要，其次计算钢板桩、灌注桩所承受的最大弯矩，以便核算钢板桩的截面及灌注桩直径和钢筋。 第一种情况 对于第一种情况，所有力对桩尖取矩，令MB0，则可求出D，求出的D增加20%作为实际入土深度，则支护结构总长为：

25、Lh1.2D。 桩身最大弯矩截面在截面剪应力等于零处。设最大弯矩截面离坑底t0，由t0可求出最大弯矩Mmax,a,43,第二种情况 由图7-5(c)可以列出两个方程：N0（静力平衡方程），MB0（力矩平衡方程）。由此可求出D，然后再求桩身内力。 布鲁姆法 布鲁姆法的基本原理如下图，用原来板桩脚出现的被动土压力以一个集中力Ep代替,a,44,如图7-7（a）所示，对桩底C点取矩，则有,式中P为主动土压力、水压力的合力；a为合力P距地面的距离；lh+u；u为土压力零点距坑底的距离,a,45,u可根据净土压力零点处板桩前被动土压力强度与墙后主动土压力强度相等的关系求得，即,上述求出x和u，则板桩的入

26、土深度为：tu+1.2x,a,46,规程方法求嵌固深度 建筑基坑支护技术规程建议悬臂式支护结构嵌固深度宜按下式计算,式中：Epj桩墙底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值的合力之和； hp合力Epj作用点至桩墙底的距离； Eaj桩墙底以上基坑外侧各土层水平荷载标准值的合力之和； ha合力Eaj作用点至桩墙底的距离； 0建筑基坑侧壁重要性系数,a,47,7.2.4 结构设计及配筋,按照前面小节方法可计算出支护结构截面弯矩计算值和截面剪力计算值Mc、Vc，结构内力的设计值应按下列规定计算： 截面弯矩设计值: 截面剪力设计值: 按照截面弯矩设计值和剪力设计值进行配筋和承载力验算。 钻孔灌注桩墙体截面承载

27、能力计算 钻孔灌注桩墙体的内力已由前面求得，截面承载力可按现行混凝土结构设计规范中的圆截面受弯构件正截面受弯承载力计算,a,48,钢板桩截面承载力计算 钢板桩截面内力应根据前面内力计算方法求得，截面承载力按现行钢结构设计规范计算。 钢筋混凝土板桩截面承载力计算 钢筋混凝土桩的内力由前面静力计算求得，同时考虑板桩在起吊和运输过程中产生的内力。截面承载力按现行混凝土结构设计规范确定。有时还应对钢筋混凝土板桩进行抗裂计算,a,49,7.2.5 支护结构的稳定性验算,整体抗滑稳定稳定性验算 整体抗滑稳定可按圆弧滑动法验算。 基底抗隆起稳定性验算 当基坑底为软土时，应验算坑底土抗隆起稳定性。支护墙墙端以

28、下土体向上涌起，可按下式计算,式中：Nc为承载力系数，条形基础时取5.14；o为抗剪强度，由十字板试验或三轴不固结不排水试验确定（kPa）；为土的重度（kN/m3）；t为支护结构入土深度（m）；h为基坑开挖深度（m）；q为地面荷载（kPa,a,50,a,51,基坑底抗渗流稳定性验算 当上部为不透水层，坑底下部某深度处有承压水层时，基坑底抗渗流稳定性验算可按下式验算： 式中：m透水层以上土的饱和重度（kN/m3）； t+t透水层顶面距基坑底面的深度（m）； Pw含水层水压力（kPa）。 当基坑内外存在水头差时粉土和砂土应进行抗渗稳定性验算，渗透的水力梯度不应超过临界水力梯度,a,52,a,53,

29、7.3 单支撑桩墙计算与设计,尽管悬臂支护结构具有施了方便、受力简单等优点，但对于土质较差、基坑开挖深度较大的工程，悬臂式支护结构断面设计往往可能无法满足强度与变形要求，即使设计中可以做到满足强度与变形要求，但在经济上可能会造成比采用支点(锚杆或支撑)更浪费的现象。因此，一般悬臂式支护结构难以满足设计要求，或造价太高时，往往采用单层支点混合支护结构,a,54,7.3.1 单支撑桩墙支护体系的构成,一支护体系各组成部分 内撑式支护体系一般包括二部分，竖向围护结构体系和内支撑体系（如图）。有时还包括止水帷幕,a,55,1围护桩墙 围护构件常见的是各种类型的桩、板桩或墙，均可视为下部插入土中、承受水

30、平荷载的坚向粱。断面可以是圆形、方形、矩形、条形等。 2冠梁 设置在支护结构顶部，一般为钢筋混凝土结构，也称锁口梁，压顶梁。 3腰梁 钢筋混凝土梁或钢梁，设置在支护结构顶部以下，也称围囹、围檩。 4对撑 系平行边间传递水平力的构件，尚应承受自重荷载以及其他各种可能出现的荷载，如施工机械的重压、碰撞，温度应力等,a,56,5角撑 转角邻边间传递水平力的构件，同时承受自重荷载，也撑斜撑 。 6水平支撑的立柱 在支撑较长时采用。主要作用是减少文撑构件作为承受竖向荷载的梁的计算跨度，也在某种程度上起着减少构件受压时的计算长度的作用 。 7止水帐幕 用于阻截或减少基坑侧壁及基坑底地下水流入基坑而采用的连

31、续止水体。在不允许降水或降水费用高昂的条件下，当坑侧存在透水土层、地下水补给较充分或坑底下不深处埋藏水头较大的承压水层时设置。止水帐幕可与围护构件合一，也可分开设置。在材料选择、工艺措施与工序安排上应充分慎重，务求止水帐幕与围护构件间密切啮合，不留明显的渗水通道,a,57,支护体系中力的传递如图4。桩墙直接承受土压力，然后传递给围囹，围檩作为梁式受力构件将力传递给其支点支撑,a,58,二支撑材料、形式的选择和布置 支撑材料和类型的选择以及布置应根据当地的地质、周围环境及施工、技术和材料设备条件，因地制置地选择安全而经济的支撑材料和支撑类型。 1支撑材料 对撑和角撑都为支撑，支撑按材料种类可分为

32、现浇钢筋混凝土支撑体系和钢支撑体系两类。现浇钢筋混凝土，可根据设计要求确定断面形状和尺寸。混凝土硬结后刚度大，变形小，施工方便。但支撑浇制和养护时间长，围护结构处于无支撑的暴露状态时间长，施工工期长，拆除困难。 钢结构支撑采用单钢管、双钢管、单工字钢、双工字钢、槽钢以及以上钢材的组合。安装、拆除施工方便，可周转适用，支撑中可加预应力，可调整轴力而有效控制围护桩墙的变形。但施工工艺的要求较高，如节点处理不当，施工支撑不及时不准确，会造成失稳,a,59,在软土地区如当地开发商、施工单位已有钢支撑材料的则首先考虑用钢支撑，而在建筑密集市区的深基坑工程中钢支撑还需配置带轴力调控装置的装配式钢支撑。当没

33、有装配式钢支撑和钢支撑施工技术条件时则采用现浇钢筋混凝土支撑。 2支撑形式 除以上对撑和角撑两种形式外，支撑还可根据实际情况采用斜撑、圆形环梁、或者采用锚杆等形式。对于地质条件较好的地区，应首先考虑打设锚杆的方案，我国东北、华北、西南等地应用较广泛,a,60,斜撑 圆形环梁 锚杆,a,61,a,62,a,63,a,64,a,65,a,66,a,67,3单层支撑的合力位置 确定支撑在立面上的合理位置，要兼顾以下几点： 1）从造价上看，适当降低支撑的位置是比较经济的。因为支撑位置降低，意味着桩作为竖向梁的计算跨度减小，桩身的计算弯矩相应地得以大幅度降低，同时可以减少围护桩的桩长。因此，这种布置是降

34、低造价的主要途径之一。在设计当中，若桩墙身的弯矩太大，即可降低支撑位置，优化设计； 2）支撑位置的设置对与基坑侧壁的沉降有影响，支撑位置太低，会造成周围土体较大的沉降。设计中要根据周围环境情况确定，不能一味的以降低桩墙身弯矩为原则； 3）从施工来看，对二层以上(含二层)地下室的情况，支撑只宜布置在二层楼板之间的空间内。因为支撑不能妨碍主体结构的施工。此外，为保持开挖施工的方便，支撑下方至基坑底面的距离，应能满足全机械开挖施工的要求,a,68,7.3.2 单支撑（锚拉）支护结构的嵌固类型,有支撑(或锚系)的桩墙支护结构与悬臂的桩墙支护结构二者在变形上存在区别。悬臂式支护结构通常是顶端的位移最大，

35、而有支撑的支护结构，由于上部有支撑，支承点形成一铰支点，限制了桩墙的位移，所以上部的位移并不是最大。 桩墙下端，随着支撑点位置及嵌入深度不同，其墙板将发生不同的变形，墙板的变形又反过来影响土压力的分布。根据不同的变形情况，将桩墙的下端视为自由支承和固定支承两种情况,a,69,1桩墙下端自由支承 当桩墙的入土深度较浅，整个桩墙发生向坑内的位移，在墙后产生主动土压力，墙前由于桩墙向前挤压产生被动土压力，如图4所示。此时，桩下端有少量位移，因此将下端看作自由支承端,a,70,2桩墙下端固定支承 当支护桩墙入土深度增加，其下端发生向坑外的位移，因此，墙前墙后都出现被动土压力，如图4所示，形成了嵌固弯矩

36、M2，支护桩墙在土中处于嵌固状态，相当于上端简支下端弹性嵌固的超静定梁。对于这样一个超静定梁，其,最大弯矩己大大减小，而且出现正负两个方向的弯矩。在桩墙的下部有一挠曲反弯点c，在c点以上，桩墙有正弯矩，在c点以下，桩墙有负弯矩,a,71,以上两种状态中，第二种是目前常采用的工作状态，一般使正弯矩为负弯矩的110一115作为设计依据，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，同时入土较深，坑底部分的位移较小，比较安全可靠；若按第一种情况设计，可得较小的入土深度和较大的弯矩，桩底可能有少许位移,a,72,7.3.3 单支撑（锚拉）支护结构的内力计算

37、,单支撑（锚拉）支护结构内力计算的计算方法主要有以下几类： 1古典钢板桩计算理论 将土压力作为已知荷载，不考虑墙体的变形，亦不考虑支撑的变形，将有支撑处视为墙体的刚性支承点。这种方法对于自由端支承有静力平衡法，对于弹性嵌固支承有等值梁法,a,73,2弹性支点法 将土压力作为已知荷载，考虑墙体的变形和支承的变形，有支承处都作为墙体的弹性支承点。如：建筑基坑支护技术规程的弹性支点法，杆系有限单元法等。 3共同变形理论 土压力随着墙体的变位而变化，考虑墙体和支承的变形。如包括土体的有限单元法，森重龙马法,a,74,一静力平衡法 静力平衡法适用于单支撑（锚拉），桩墙入土深度较浅，视为单支点梁时的计算，

38、计算简图见下图。将墙前的土压力和墙后的土压力对A点取矩，要保持墙体不发生转动，应有MA0，即,由此可求出入土深度t，然后根据水平方向力的平衡条件可求出支承（或锚杆）的轴力R,a,75,在求出入土深度和支承轴力后，即可求解桩墙的弯矩和剪力。 由于上述计算仅满足极限平衡条件，故应增大t值。目前一般有两种方法：（1）为了保证其稳定安全度，可以将墙前的被动土压力Ep除以安全系数K，通常K取2。 （2）t值乘以1.1-1.5的安全系数。建议对粘土取1.5，对无粘性土取1.3,a,76,二等值梁法 等值梁法用于计算桩墙下端为弹性嵌固时的计算，通常围护结构需要有较大的插入深度。该法不考虑土与结构的变形。 等

39、值梁法首先假定在桩墙底部墙后的被动土压力为一集中力，如图。桩墙为一超静定梁，要利用变形协调条件才能求解其内力,a,77,为了避免利用变形协调条件，等值梁法假定：净土压力零点同时也是弯矩零点，如图中B点。在确定了土压力之后，土压力零点B也就确定了，然后将桩墙从B点断开，由于B点的弯矩为近似零可视为铰支点，那么B点仅作用有剪力， B点以上成为静定梁，简支梁，即可求其内力。称B点以上的一段梁为整段梁的等值梁。下段梁BG也按简支梁计算,a,78,实际上，对于下端弹性支承的单支撑桩墙，其净土压力零点和弯矩零点很接近，这是等值梁法假定的基础。等值梁法的计算步骤如下： 1）根据净土压力零点B处墙后主动土压力

40、和墙前被动土压力相等，求出u,2）取等值梁进行计算，对B点取矩可求出Ra,对A点取矩求出QB,a,79,3）取BG段梁计算桩墙的入土深度，对G点取矩,桩墙的入土深度就为：t=u+1.2x。 4）由等值梁求算桩墙身内力。 【例2】设计一下端自由支承，上部有一锚定拉杆的板桩挡土墙，如图4所示。周围土重度=19kN/m3，内摩擦角=30，粘聚力c=0。锚定拉杆距地面1m，其水平间距a=2.5m，基坑开挖深度h=8m。 因为下端是自由支承，采用静力平衡法。土压力计算采用朗肯理论,a,80,对锚定点取矩有,将Ea和Ep代入上式，可得三次方程,得t=5.5m,a,81,由水平力平衡条件,桩身最大弯矩处即为

41、剪力为零点，设该点到地面的距离为h0，有,最大弯矩,a,82,关于三次方程的求解,方法一：公式 对于三次方程 首先进行变换，令： 三次方程就变为： 其根为,特点：公式记不住，有时候还要涉及虚数的运算,a,83,方法二：迭代法 以例题中的三次方程说明迭代过程： 1）构造迭代格式： 2）选定一初值代入迭代格式的右边。例如取t08,3）再将3.69代入迭代格式右端，又得到一t值t2,3.69和5.845这两个值都比初值8更接近解5.5，而且是越来越接近（数学上叫收敛），再继续迭代,a,84,迭代到何时结束，取决于我们的精度要求，对于此题，我们知道解在5.5089到5.584之间，取5.5已够精度要求

42、，停止迭代。迭代需要的次数，跟选取的初值有关，比如我们选取更接近解的初值7，只需迭代三次；取6两次。 当然，一直迭代下去会有更精确的解：5.52124498986020 特点：看初值的选取，选取得好，计算快；不好，计算量很大。对于单支撑结构，开挖深度为8m，最好就在6m左右取值,a,85,例3】条件同例2，但按下端为固定支承，计算桩墙入土深度及锚杆拉力。 由于下端为固定支承，因此采用等值梁法,1）求反弯点 设反弯点到基坑底的距离为y，由该点净土压力为零的条件得： 求得y1 。 2）求锚杆拉力 取上段梁ac计算，对c点取矩,8T+9.5=769.5，得：T=95kN/m，因此锚杆拉力为：T=Ta

43、=952.5=237.5kN,a,86,3）求反弯点处剪力 在ac段梁对锚拉点o点取矩,解得：Vc=133kN。或者由水平方向力的平衡也可求解Vc，即,解得：Vc=133kN,a,87,4）根据下段梁求入土深度 在bc段梁中对b点取矩有,可求出t =4.97m，桩墙实际的入土深度增大20，则t=4.971.2=6m,a,88,5）求最大正弯矩 在ac段梁中，设剪力为零的点距地面为h0,该处有最大弯矩,a,89,6）求最大负弯矩（最小弯矩） 在bc段梁中，设剪力零点到反弯点的距离为x，由水平力平衡条件,a,90,从以上两个例题可看出，同样的条件，将桩墙设计成不同的受力状态，其入土深度不同，最大弯

44、矩不同。设计称自由端状态时，入土深度较小，但弯矩大；设计成固定支承端时，入土深度较大，但最大弯矩小。若计算出的桩墙身的弯矩太大，可以降低支撑位置，减小弯矩，优化设计。 极限平衡法和等值梁法是规程所推荐的方法。 按经验确定反弯点位置的方法，请参考支挡结构设计手册205页例4,a,91,三经验反弯点位置方法 在等值梁法中，将净土压力零点视为反弯点。另外有根据经验确定反弯点位置的方法。太沙基给出了均匀砂土中，当表面无超载、墙后无较高地下水位时，反弯点c的深度y值与土的内摩擦角之间存在着近似关系，如表43,a,92,四弹性支点法 前述几种方法，仅能计算出墙身内力，而无法得到墙身的位移，亦即无法预先估计

45、开挖对周围建筑物的影响，在很多情况下，墙身位移大小对于基坑工程是至关重要的。 基坑工程弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调，分析中所需参数单一且土的水平抗力系数取值已积累了一定的经验，并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素的影响，如支撑数量随开挖深度的增加而变化，支撑预加轴力和支撑架设前的挡墙位移对挡墙内力、变形变化的影响等，同时从支挡结构的水平位移可以初步估计开挖对邻近建筑的影响程度，因而在实际工程中已经成为一种重要的设计方法和手段，展现了广阔的应用前景,a,93,1弹性支点法的基本理论 基坑工程弹性地基梁法将土压力和水压力作为已知，坑内开挖面以下的土体视为弹性地基（

46、文克尔地基），取单位宽度的墙或者单根桩作为竖直放置在弹性地基上的梁，支撑简化为与截面积和弹性模量、计算长度等有关的二力杆弹簧，如,图所示。即现行建筑地基基础设计规范推荐的“弹性地基反力法”、建筑基坑支护技术规程推荐的和工程界通用的“弹性支点法,a,94,桩墙在受到荷载后产生水平位移，必然会挤压桩墙侧的土体，桩侧土必然对桩产生一水平抗力，这种土的作用力称为土的弹性抗力。弹性支点法中用土弹簧来模拟土的水平弹性抗力。根据文克尔假定，弹性抗力的大小与桩墙的位移值成正比，可表示为： xy=Khyx （4） 式中：xy深度为x处土的水平抗力； Kh水平地基系数； yx深度x处桩墙身的位移,a,95,地基系

47、数Kh通常是随土体深度x变化的系数，有几种不同的方法，如图4所示，通式为Kh=A0+kxn， 其中x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；A0为地面或开挖面处土的地基反力系数，一般取为零,当n=0时，Kh为常数，称为K法；当n=1时，Kh= kx，通常用m表示比例系数，即Kh= mx，因此称为m法。 K法和m法是较常用的两种方法。将Kh= mx代入xy=Khyx得到土的水平抗力为：xy=mxyx,a,96,弹性地基梁的挠曲微分方程为,式中：E桩墙的弹性模量； I桩墙的截面惯性矩； x地面或开挖面以下深度； y桩墙的挠度； q(x)桩墙上荷载强度，包

48、括土压力、地基反力、支撑力和其它外荷载,4,a,97,水平地基反力系数Kh和比例系数m的取值，原则上宜由现场试验确定，也可参照考虑当地类似工程的实践经验，国内不少基坑工程手册或规范也都根据铁路、港口工程技术规范给出了相应土类Kh和m的大致范围，当无现场试验资料或当地经验时可参照表44和表45选用，或者参考建筑基坑支护技术规范的公式： 当无试验或缺少当地经验时，第i土层水平抗力系数的比例系数mi可按下列经验公式计算,式中： ik第i层土的固结不排水（快）剪内摩擦角标准值()；cik第i层土的固结不排水（快）剪粘聚力标准值(kPa)；基坑底面处位移量(mm)，按地区经验取值，无经验时可取10,a,

49、98,表44 不同土的水平地基反力系数Kh,表45 不同土的水平地基反力系数的比例系数m,a,99,应用方程（4）和相应的边界条件，可以求解梁的内力、转角及挠度。例如一作用有均布荷载q的悬臂梁，设满足公式 的挠度,任一截面的剪力、弯矩及转角可以表示为x的函数,转角： 弯矩： 剪力： 荷载,a,100,同时有边界条件：当x=0时，V=0；当x=0时，M=0；当x=l时，=0；当x=l时，y=0。将4个边界条件代入内力和位移的表达式可得4个方程，从而解得A、B、C、D 4个未知数,由边界条件，代入V表达式可得A=0；由边界条件，代入M表达式得B=0；由边界条件，代入表达式得C=0；由边界条件，代入

50、y表达式得D=0。所以梁的内力和位移表达式为,a,101,又如一均布荷载的超静定梁，由于中间支点的存在，剪力在中间支点处不连续，应用分段函数V1(x)、M1(x)、1(x)、y1(x)，V2(x)、M2(x)、2(x)、y2(x)分别表示两段梁的内力和位移，按前述方法,当0 xl时，可得到包含有A1、B1、C1、D1四个未知数的第一段梁内力、位移表达式，并且有边界条件当x=0时，V1=0；当x=0时，M1=0；当x=l时，y1=0。仅有3个边界条件，无法求解4个未知数； 当lx2l时，可得到包含有A2、B2、C2、D2四个未知数的第一段梁内力、位移表达式，并且有边界条件当x=l时，y2=0；当

51、x=2l时，2=0；当x=2l时，y2=0。也仅有3个边界条件,a,102,从以上分析可看出，要求解这样一个超静定梁，必须补充位移协调条件：当x=l时，M1= M2；当x=l时，1=2。联立各段梁，利用8个边界条件才能解此8个未知数。可以看出，每增加一个支点或者增加一个集中力，内力、位移函数就得增加一段，且要联立各个梁段的边界条件才能求解,再如两端自由的梁，梁顶作用已知荷载V0、M0，梁上作用的荷载不是定值，而是q(x)=mxy，其中m为常数。梁的挠曲微分方程 就变为,由于方程右端本身也含有y项，不能像均布荷载下悬臂梁那样直接构造y(x)，要求解此四阶微分方程的难度变大。这即为悬臂式桩墙采用弹

52、性地基梁法要解决的问题。若既有q(x)=mxy的荷载还有一个或多个铰支点，问题就为单支撑或多支撑桩墙内力计算的弹性地基梁法,a,103,目前，仅桩墙顶作用有水平力和力矩的弹性地基梁有解析解，复杂情况采用有限单元法或有限差分法求解。 下面介绍有限单元法求解的过程。 (1)单元离散 前面叙述的有支点的悬臂梁，因为支点的存在，剪力在该处不连续，整段梁的剪力无法用一个统一的函数来表示，因此，从支点处断开，采用两个分段函数来描述，这就是离散。同样，如果梁的截面在某点突变，也应采用分段函数来描述梁的刚度EI。因此，将要计算的杆件从转折点、支承点、截面突变点、集中力作用点、汇交点都断开，这些点称为节点，断开

53、后的各段梁称为单元。无论杆件有多少支点或者截面突变点或者转折点，总可以离散成为有限个单元,a,104,任意一个单元Ei内部，其内力和位移都可以用包含4个未 知数的函数yi来表示，且yi满足,首先考虑单元中间没有荷载，q=0的情况。设位移函数y(x)=Ax3+Bx2+Cx+D，满足梁的挠曲微分方程。如图4所示，单元Ei在两个节点作用有力V1、M1和V2、M2，两个节点的位移为u1、1和u2、2（竖向位移和轴力对于支护结构这种受弯为,主的构件计算影响较小，因此不予考虑）。由此有边界条件当x=0时，y= u1；当x=0时，=1；当x=L时，y= u2；当x=L时，=2。将边界条件代入位移函数，可求出

54、A、B、C、D,a,105,2) 弹性地基梁的有限元解法步骤如下： 单元离散，离散成n个单元时，就有n+1个节点； 计算每个单元的刚度矩阵，若单元长度一样、刚度一样，则单元刚度矩阵也一样； 组装整体刚度矩阵K，即把各单元刚度按顺序首尾相加； 在总体刚度矩阵的相应位置加入弹簧刚度刚度包括支撑弹簧和地基土弹簧），弹簧刚度总是加在总刚的主对角线上，如第i个节点有弹簧，就把该弹簧刚度加在总刚的(2i-1，2i-1)项上。 形成节点荷载列阵F，单元中间有荷载时应先换算成节点荷载再加入节点荷载列阵； 求解位移列阵D，D=K-1F。 根据求解出的各单元两节点的位移，求单元的内力,a,106,7.4多层支撑桩

55、墙计算与设计,当基坑比较深时，为了减少支护桩的弯矩可以设置多层支撑或者锚杆。支撑层数及位置要根据土质、开挖深度、桩墙的直径或厚度、支撑结构的材料强度，以及施工要求等因素拟定。 目前对多支撑支护结构的计算方法很多，般有等值梁法(连续梁法)、支撑荷载的1/2分担法、逐层开挖支撑力不变法、有限元法等,a,107,a,108,a,109,a,110,a,111,a,112,a,113,a,114,a,115,a,116,a,117,a,118,a,119,a,120,a,121,a,122,a,123,a,124,7.4.1支撑的布置,支撑的布置应考虑和主体结构的协调和施工方便。同时，从受力合理角度有

56、两种原则： 1等弯矩布置 这种布置方式的特点是充分利用围护构件的抗弯强度。对于钢筋混凝土桩，可减少由于采用通长配筋所造成的浪费；对于钢板桩可以使材料强度得以充分发挥。对钢筋混凝土桩，如果桩身各处弯矩不等，尚可通过调整配筋量以避免钢材浪费；但对钢板桩，只有这种布置才能达到经济目的。不论土压力图形如何，通过试算，均可确定令各跨出现相等最大弯矩的支承点位置。如果计算出的支承布置方式不令人满意，应调整后再行计算。 2等反力布置 这种布置方式的特点是各道支撑承受的荷载都相等，各层支撑可以有相同的断面,a,125,4.4.2 等值梁法,前已阐明等值梁法的计算原理，当多支撑时其计算原理相同，即把土压力零点以

57、上梁段断开，当作刚性支承的连续梁汁算(即支座无位移)，并应对每一施工阶段建立静力计算体系。 如图4，应按以下各施工阶段的情况分别进行计算,a,126,1）在设置支撑A以前的开挖阶段(图4a)，可将桩墙作为悬臂式支护结构计算； （2）在设置支撑B以前的开挖阶段(图4b)，桩墙是两个支点的静定粱，两个支点分别是A及土中净土压力零点； （3）在设置支撑C以前的开挖阶段(图4c)，桩墙是具有三个支点的连续梁，三个支点分别为A、B及土中的土压力零点； （4）在浇筑底板以前的开挖阶段(图4d)，桩墙是具有四个支点的三跨连续梁，支点为A、B、C及土压力零点,a,127,4.2.3支撑荷载的1/2分担法,由于

58、多支撑板桩墙的施工程序往往是先打好板桩，然后随挖土随支撑，因而板桩下端在土压力作用下容易向内倾斜，如图4中虚线所示。这时墙后土体达不到主动极限平衡状态，土压力不能按库仑或朗金理论计算。根据试验结果证明这时土压力呈中间大、上下小的抛物线形状分布，其变化在静止土压力与主动土压力之间，如图4所示,a,128,太沙基和泼克（Terzaghi and Peck，1948，1967，1969）根据实测及模型试验纳果，提出作用在板桩墙上的土压力分布经验图形，见图4。对于砂土，其土压力分布图形如图4b、c，最大土压力强度pa=0.8HKa cos，式中Ka为库仑主动土压力系数，为墙与土间的摩擦角。粘性土的土压力分布图形如图4d、c所示，当坑底处土的自重压力H6cu时（cu