(整理)基坑支护设计手册

1、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

2、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) cos2;?) 2 cos ，cos(，)1 2 ；sin( +6)sin梓一 P) I 彳 cos(P + 6)cos(P - 卩) (1.1-2) (1.1-3) 库仑主动土压力为: =

3、Ka Z (1.1-1) 式中 ea-主动土压力强度; Ea -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; Ka-主动土压力系数。 其他符号见图1.1-1、图1.1-2。 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 1.1.2 被动土压力 库仑被动土压力为： ep 二 Kp z (1.1-4 ) kp 二 1 2 Ep =2 h2Kp cos2 仲 + P) COS2COS(T 一 ) 1 . 2 sin()sin(5 ) (1.1-5 ) (1.1-6 ) + , COS(i；!)COS(_ :) 式中

4、ep-被动土压力强度; Ep -总被动土压力； K p -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pa为： ea CzKa -2c. Ka（ 1.2-1） 2 * Ka 二 tan （45-？）（ 1.2-2） 式中 二z - 垂直向应力； Ka-主动土压系数； c、 -抗剪强度指标。 1.2.2 朗肯被动土压力 被动土压力强度ep为: (1.2-3) (1.2-4 ) ep - ；jKp 2c Kp Kp 二 tan2

5、(45 ) 式中 Kp-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e厂zcos 一： Cs C0C0：（ 1.3-1） cos P + J cos P - cos 坡顶水平时的土压力ea二Ka （z h） -2c Ka（ 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。 n ac 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 加 1.3-2坑恰作用集中荷载严生的侧向压力 5）垃

6、:后弟中荷趣产生的侧向压力id）廉中商戦柞用点两博沿墻各点的髓阿压力 当 WC04 c=o in u ti S m 0.4 25影而呵5 z*i%a-rAa,x- 图1.3-4条形荷载 图1.3-3 线荷载 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：QlkN/m ； ql kN/m 1.4 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

7、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） I 朝 I rm NiS （c）坡顶局部荷载 （a）自重压力（b）坡顶均布压力 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: ajk K ai 2GkK ai (1.4-1) 2）当计算点位于地下水位以下时: 总应力法： Qjk = ；：ajk Kai - 2GkKai * (Zj - hwa) - (mj - hwa) waKai w ( 1

8、.4-2 ) Kai =ta n2(45-丄) 2 (1.4-3 ) 式中K ai -第i层土的主动土压力系数； 二ajk深度Zj处的总竖向应力标准值，由自重压力和附加应 力组成； cik、 ik -第i层土的黏聚力标准值、内摩擦角标准值（采用总应 力指标）； Zj -基坑外侧计算点深度； hwa -基坑外侧水位深度； w-水的重力密度； mj -计算参数，当zj h时，取mj = h ； wa 计算参数，当hwa三h时，取wa =1 ；当hwa h时，取wa =。 有效应力法： eajk 二；” ajk K a 2cik. K aiUj (1.4-4 ) 2叫 Kai =tan (45巴)

9、2 (1.4-5 ) 式中 K ai - -第i层土的主动土压力系数； -ajk - -深度Zj处的有效竖向应力标准值； cik、I -第i层土的有效黏聚力标准值、有效内摩擦角标准值（有 效应力指标）； u j -基坑外侧计算点深度处的水压力； （2）水土合算（黏性土及粉土） ejk =二 ajk K ai 一 2cik 1 Kai（匸4-6 ） 1.4.3 水平抗力（被动土压力）（图1.4-3 ） 式中 图1.4-3水平抗力计算图 (1)水土分算(碎石土及砂土) epjk 丙耶心 +2Ck 尺 +(召hwp)(1Kjw 总应力法: 有效应力法: epjk = pjk K pi 2cjk .

10、K pi uw Kp 二 tan2(45 -) (2)水土合算(黏性土及粉土) pjk K pi 2cikK pi （1.4-7） （1.4-8） （1.4-9） （1.4-10） 1.5工程实测土压力 CilQO 骷如-304050曲70SO 北卓医院工程槿臂支护桩实鬧土压力分布图 北京邮菽通信枢纽王程土压力分布图 LU）丄匕“门 地叢加罷产生土压力 r 德国Karlsruhe大学的大型試验 第3步开挖后 第4步开挖府 第5歩开挖后 第 c、Q)土的固结快剪峰值抗剪强度指标。kPa、() L每一土条弧面的长度； q地面超载，kPa; b土条宽度，m。 Mp每延米中的桩产生的抗滑力矩； 对于支

11、护桩边坡，需计算圆弧切桩与圆弧通过桩尖时的基坑整体稳定 性。圆弧切桩时需考虑切桩阻力产生的抗滑作用，即每延米中桩产生的抗 滑力矩Mp。 桩抗力力矩Mp由图5.4-1(b)及下式计算确定 二 Rcos i 2Mc h(Kp d d Ka) (2.2-2) 式中Mp每延米中的桩产生的抗滑力矩，kN ?m/m; :i 桩与滑弧切点至圆心连线与垂线的夹角; Me每根桩身的抗弯弯矩，kN ? m/单桩； hi 切桩滑弧面至坡面的深度，m; hi范围内土的重度，kN/m3 ； Kp、Ka 被动土压力系数与主动土压力系数； d桩径，m; d 两桩间的净距， m。 对于地下连续墙支护 d + d = 1.0m

12、。 2.3基坑底面抗隆起稳定分析 当基坑底为软土时，应按以下两种条件验算坑底土涌起稳定性。 1) 因基坑外的荷载及由于土方开挖造成的基坑内外的压差，使支护 桩端以下土体向上涌土，可按下式和图2.3-1 (a)进行验算。 (2.3-1 ) Ne 0 t h t q 式中 N e承载力系数，Nc=5.14 ; 由十字板试验确定的总强度, kPa; 土的重度，kN/m 3； d 入土深度部土隆起抗力分项系数，1.4; t支护结构入土深度，m; h 基坑开挖深度， m; q 地面荷载，kPa。 甲 (b) 图2.3-1基坑底抗隆起 2) 考虑支护墙弯曲抗力作用的基坑底土体向上涌起，可按下式和图 2.3

13、- 1(b)验算。 (2.3-2) kN - m Mp otd- y = h (q+Yhf/2 式中 Mp基坑底部处支护桩、横墙截面抗弯弯矩标准值， h基坑底部处土隆起抗力分项系数，h 1.3。 2.4 基坑底面抗渗流稳定分析 (1) 当上部为不透水层， 坑底下某深度处有承压水层时，按下式和图 2.4- 1验算渗流稳定。 T * f I I 11 11 H ITP- 图2.4-1 基坑底抗渗流稳定性验算 RW 二一(2.4-1 ) Pw 式中 m 透水层以上土的饱和重度，kN/m当由上式验算不满足要求时，应采取降水等措施。 坑底下某深度范围内，无承压水层时，可按下式和图2.4-2验算 渗流稳定

14、。 ; t ： 透水层顶面距基坑底面的深度，m; Pw含水层压力，kPa; Rw 基坑底土层渗流稳定抗力分顶系数，Rw 1.2。 Rw mt w 0.5 ：h t (2.4-2) 式中 mt深度范围内土底饱和重度； h基坑内外地下水位的水头差，m; Rw 基坑底土层渗流稳定抗力分项系数，Rw 1-1； w 水的重度。 图2.4-2基坑底抗渗流稳定性验算 3 土钉墙 3.1概述 3.1.1 基本概念 1. 原理 土钉支护是以较密排列的插筋作为土体主要补强手段，通过插筋锚体 与土体和喷射混凝土面层共同工作，形成补强复合土体，达到稳定边坡的 目的。 2. 土钉墙的适用条件 1) 土钉墙适用于地下水位

15、以上或经人工降水后的人工填土、粘性土和 弱胶结砂土的基坑支护和边坡加固。 2) 土钉墙宜用于深度不大于12m的基坑支护和边坡支护，当土钉墙 与有限放坡、预应力锚杆联合使用时，深度可增加。 3) 土钉墙不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层和淤泥质土； 不 得用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。 4) 现场需有允许设置土钉的地下空间。如为永久性土钉，更需长期占 用这些地下空间。当基坑附近有地下管线或建筑物基础时，则在施工时有 相互干扰的问题。 5) 土钉支护如果作为永久性结构，需要专门考虑锈蚀等耐久性问题。 3. 土钉分类 钻孔注浆土钉：先在土中钻孔，置入钢筋，然后沿全长注浆，为使土 钉钢筋处

16、于孔的中心位置，有足够的浆体保护层， 需沿钉长每隔23m设 对中支架。土钉外露端宜做成螺纹并通过螺母、钢垫板与配筋喷射混凝土 面层相连，在注浆体硬结后用扳手拧紧螺母使土钉中产生约为设计拉力 10%左右的预应力。 打入土钉：在土体中直接打入角钢、圆钢或钢筋等，不再注浆。由于 打入式土钉与土体间的粘结摩阻强度低，钉长又受限制，所以布置较密， 可用人力或振动冲击钻、液压锤等机具打入。打入钉的优点是不需要预先 钻孔，施工速度快但不适用与砾石土和密实胶结土，也不适用于服务年限 大于2年的永久支护工程。 打入注浆土钉：是直接将带孔的钢管打入土中，然后高压注浆形成土 钉，这种土钉特别适合于成孔困难的砂层和软

17、弱土层。 4. 支护面层 (1)临时性土钉支护的面层 通常用50150mm厚的网喷混凝土组成，混凝土等级不宜低于C20, 一般用一层钢筋网，钢筋直径为血6血8，必要时在土钉头之间设2Q 16 加强钢筋。网格为正方形，边长200300mm。土钉端部与面层的连接宜 采用螺母、垫板法。 (2) 永久性土钉支护的面层 喷射混凝土的厚度至少取150250mm,设两层钢筋网，分二次喷成。 为了改善建筑外观，也可在第一次网喷射混凝土的基础上，现浇一层钢筋 混凝土面层或贴上一层预制钢筋混凝土板。 (3) 土工织物作为土钉支护面层 土工织物覆盖在土坡上，用土钉锚在土坡内，拧紧土钉时将织物曳向 土体并使面层形成拉

18、膜，同时使受约束的表层土受压。 5. 排水系统 为了防止地表水渗透对喷射混凝土面层产生压力，并降低土体强度和 土体与钉之间的界面粘结力，土钉支护必须有良好的排水系统。 施工开挖要先做好地面排水，设置地面排水沟引走地表水，和设置不透水 的混凝土地面防止近处的地表水向下渗透。沿基坑边缘地面要垫高防止地 表水注入基坑内。随着向下开挖和支护，可从上到下设置浅表排水管，即 用直径60100mm、长300400mm的短塑料管插入坡面以便将喷射混凝 土面层背后的水排走，其间距和数量随水量而定。在基坑底部应设排水沟 和集水井，排水沟需防渗漏，并宜离开面层一定距离。 3.1.1 施工工艺 3.1.2 土钉墙和其

19、他类似技术的比较 土灯 图2-1-6上钉墙与Ml-的形成过程 備杆 喷探凝土 ljm m钢击 人fT 3.1.3土钉墙和其他技术的联合应用 天捕气隹逋一O 含拈土帥砾冲积土E呼耳二 /28m 4 圏1-G 土钉与锚杆的联合应用:旳 3 Montpellier Opera工开挖的临时性七暫支护匸 皑速JfSCociere隧道北口的土钉塔 54、榕、 冋填土 * * 80 ss IE Jrs-禺宮畀 层-言比 ggjtgd stilgrivstsiSr供gr斗stlJ 傅筒网： I5DX J SO tiw.t： a ii JT.-/ III制1,4 ?5 k 土的内摩擦角标准值。 Z荷载折减系数；

20、 eajk 第j根土钉位置处的基抗水平荷载 (土压力)标准值; Sxj- Szj 第j根土钉与相邻土钉平均水平、垂直间距； a j第j根土钉与水平面的夹角。 (2) 对于基坑侧壁安全等级为二级的土钉抗拉承载力设计值应按试 验确定，基坑侧壁安全等级为三级时可按下式计算： 1 Tujd nj 二 qsikl i (3.2-3 ) 式中s土钉抗拉抗力分项系数，取1.3; dnj 第j根土钉锚固体直径； qsik 土钉穿越第i层土土体与锚固体极限摩阻力标准值。 li 第j根土钉在直线破裂面外穿越第i稳定土体内的长度，破 裂面与水平面的夹角为 _k。 2 （3）单根土钉抗拉承载力计算应符合下列要求： 1

21、.25 oTjk 1.3 ； q 地面均布荷截； B 土墙厚度； W 土钉支护沿基坑单位长度自重； f土钉墙与基坑底的摩擦系数，可取基底土体抗剪强度 S 土钉墙与墙后土的摩擦角，无试验资料时取S = o /30 /2。 图3.3-3滑移计算 图3.3-4倾覆计算 如图3.3-3所示，抗滑移验算可按下式进行: 3. 抗倾覆验算 如图3.3-4 所示,抗倾覆验算可按下式进行: (3.3-8) =3B(qB W 2EaSin、) t2HEa cos - 式中 丫 t抗倾覆抗力系数，取 丫 t 1.3 ； H开挖深度； 3.3.4构造要求 （1 ）初步选定土钉支护各组成部分尺寸及参数: a. 锚固体孔

22、径：D=815cm b. 土钉长度：一般对非饱和土，土钉长度 L与开挖深度 H之比为 0.61.0范围内，密实及干硬性粘土取小值； c. 土钉直径：一般为 2035mm不少于16mm II级以上螺纹钢筋； d. 注浆材料：水泥砂浆或水泥素浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，标号 不小于425，水灰比1:0.400.50 ； e. 墙面倾角：垂直方向倾角 00250，土钉水平方向倾角一般为 50200，利用重力向孔中注浆时倾角不宜小于150； f. 间距：水平间距为(1015)D，般为0.81.20m，垂直间距依土层 及计算确定，一般 0.81.20m。上下插筋交错排列。遇局部软弱土层间距 可低于0.8

23、m； g. 钢丝网或钢筋网片： 无地下水、土质好时可用一般钢丝网， 土体稳 定性差时可用钢筋网片，一般采用 $ 6的I级钢筋焊成1520cm方格形网 片。面层砂浆或喷射混凝土厚度为 50150mm h. 锚板：直径 3035cm六边形或方形混凝土预制板，内配构造筋， 厚度大于7cm。也可采用长度不小于 400的井字钢筋($ 16)代替锚板。 (2) 钢筋网喷射混凝土面层设计可按下列构造要求： a. 钢筋网可用$ 6 $ 8钢筋，网眼宜为 150300mm ,必要时可在土 钉头之间设2 $ 16加强钢筋； b. 喷射面层的混凝土等级不宜低于C20 ,喷射面层厚度宜取 80150mm( 土质差时取

24、大值，反之取小值 )。 (3) 如遇有软弱土层，可增设加强锚杆，土钉与锚杆合用。 (4) 土钉头与钢筋网连接。当土钉头之间有加强钢筋通过时，宜与 土钉头焊接；当土钉头之间无加强钢筋通过时，可用不小于4$ 16、长度 为200300mm的钢筋在土钉头处呈井字架与土钉头焊接，井字架钢筋应 位于钢筋网之外，以代替混凝土锚板。 3.4基坑土钉支护技术规程CECS96 : 97方法 3.4.1 土钉抗拉计算 1. 土钉拉力 土钉拉力可按图3.4-1所示土压力分布计算： p NSvSi(3.4-1 ) cos- 其中p =山 Pq(3.4-2 ) 式中 N- 土钉设计内力； p- 土钉长度中点所处深度处的

25、侧压力; Pl-自重引起的土压力； Pq -地表均布荷载引起的土压力； ，-土钉的倾角； Sv、Sh- 土钉竖向间距、水平间距。 卅 側压山MS P, 3（e） 图3.4-1 土压力分布 （a） 土钉墙；（b）自重引起的土压力；（c）地表均布荷载引起的土压力 说明：1.自重引起的土压力峰值 卩皿按下式计算： Pm = 0.55 HK a :0.05 的砂土、粉土 Hk a _2c JK7 0.55 Hk a 且不得小于 0 .2 :H c H 0.05 的一般黏性土 2.地表均布荷载引起的土压力按下式计算：pq =Kaq 3.主动土压力系数Ka按下式计算：K nan =li（ 3.4-3） 珥

26、dot 式中l- 土钉长度； l1 - 土钉在滑动区的长度，见图3.4-2 ； （45 -） 2. 土钉长度 各层土钉的长度宜满足下式要求： d。- 土钉孔径； .-土钉锚固体和土之间的 黏结强度； Fs,d - 土钉局部稳定性安全系 数，取1.21.4。 3. 土钉配筋 各层土钉在内力作用下应满足下式； (3.4-4 ) Fs,dN 叮.lAsfyk 式中As - 土钉钢筋截面积； fyk -钢筋抗拉强度标准值。 343喷射混凝土面层计算 喷射混凝土面层所受的侧向土压力p 0按下式估算： Po =PoiPq( 345 ) S0.5 Poi = 0.7(0.5) Pi - 0.7 Pi(3.4

27、-6 ) 5 式中 s- 土钉水平间距和垂直间距的大值，以m为计量单位。 3.4.2 内部稳定性计算 (图3.4-3 ) 取单位长度(1列土钉控制的边坡长度)支护进行计算， G(ZUcos：i)(WQ)cos： itan 订 (Rk/Shk)sin“ta匸(Rk/Shk)sin ；-E(W+Qi)s in a, (3.4-7 ) 式中 w Q-作用于土条i的自重和附加荷载； a i-圆弧破坏面切线与水平面的夹角； i- 土条i的宽度； cp $ j-土条i破坏面处第j层土的黏聚力、内摩擦角； Rk-破坏面上第k排土钉的最大抗力； 3 k-第k排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹角； Shk-第k

28、排土钉的水平间距。 图343内部稳定 3.4.4 外部稳定性计算 （图3.4-4 ） 土钉支护的外部整体稳定性分析与重力式挡土墙的稳定分析相同（图 3.4- 4），可将由土钉加固的整个土体视作重力式挡土墙，分别验算： 图3.4-4外部稳定验算 1） 整个支护沿底面水平滑动（图3.4-4a）; 2） 整个支护绕基坑底角倾复，并验算此时支护底面的地基承载力（图 3.4- 4b）； 以上验算可参照建筑地基基础设计规范（GBJ7-89）中的计算公式， 计算时可近似取墙体背面的土压力为水平作用的朗金主动土压力，取墙体 的宽度等于底部土钉的水平投影长度。抗水平滑动的安全系数应不小于 1.2 ；抗整体倾复的

29、安全系数应不小于1.3，且此时的墙体底面最大竖向压 应力不应大于墙底土体作为地基持力层的地基承载力设计值土的1.2倍。 3） 整个支护连同外部土体沿深部的圆弧破坏面失稳（图3.4-4c），可参 照前述内部稳定性进行验算，但此时的可能破坏面在土钉的设置范围以外， 计算时公式中的土钉抗力为零，相应的安全系数要求不变。 3.4.5 构造要求 （1）土钉钢筋用III级或II级热轧变形钢筋，直径在1832mr范围内； （2） 土钉孔径在75150m之间，注浆强度等级不低于 l2MPa, 3天不 低于6 MPa； （3） 土钉长度I与基坑深度H之比对非饱和土宜在0.6到1.2的范围 内，密实砂土和坚硬粘土

30、中可取低值；对软塑粘性土， I/H比值不应小千 1.0。为了减少支护变形，控制地面开裂，顶部土钉的长度宜适当增加。非 饱和土中的底部土钉长度可适当成少，但不宜小于0.5 H ;含水量高的黏 性土中的底部土钉长度则不应缩减； （4） 土钉的水平和竖向间距 Sh和Sv,宜在1.22.0m的范围内，在饱 和粘性土中可小到I.0m，在干硬粘性土中可超过 2.0m; 土钉的竖向间距应 与每步开挖深度相对应。沿面层布置的土钉密度不应低于每6甫一根； （5）喷混凝土面层的厚度在 5015Om之间，混凝土强度等级不低于 C20, 3天不低于lOMPa。喷混凝土面层内应设置钢筋网，钢筋网的钢筋直径 68mm网格

31、尺寸15030Omm当面层厚度大于120m时，宜设置二层钢筋网。 （6）土钉钻孔的向下倾角宜在 020的范围内，当利用重力向孔中注 浆时，倾角不宜小于150,当用压力注浆且有可靠排气措施时倾角宜接近水 平。当上层土软弱时，可适当加大下倾角，使土钉插入强度较高的下层土 中。当遇有局部障碍物时，允许调整钻孔位置和方向。 （7）土钉钢筋与喷混凝土面层的连接采用图3.4-5所示的方法。可在土 钉端部两侧沿土钉长度方向焊上短段钢筋，并与面层内连接相邻土钉端部 的通长加强筋互相焊接。对于重要的工程或支护面层受有较大侧压时，宜 将土钉做成螺纹端，通过螺母、楔形垫田及方形钢垫板与面层连接。 （8）土钉支护的喷

32、混凝土面层宜插入基坑底部以下，插入深度不少 千0.2m ;在基坑顶部也宜设置宽度为12时勺喷混凝土护顶。 （9）当土质较差，且基坑边坡靠近重要建筑设施需严格控制支护变 形时，宜在开挖前先沿基坑边缘设置密排的竖向微型桩（图3.4-6），其间距 不宜小于Im,深入基坑底部 13叶 微型桩可用无缝钢管或焊管，直径 4815Omm管壁上应设置出浆孔。小直径的钢管可分段在不同挖深处用击 打方法置入并注浆；较大直径（大于1OOmm的钢臂宜采用钻孔置人并注浆， 在距孔底1/3孔深范围内的管壁上设置注浆孔，注浆孔直径10l5mm,间距 4005OOmH/2 时，h取0.5H。H为土坡总垂直高度。 3.5.3

33、土钉内力 单根土钉支撑范围内面层上的土压力E按下式计算： Ei 二 qjSxSy(3.5-2 ) 式中S Sy- 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: 其中 F Ei -Fs (3.5-3 ) Fi DhLe (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； Dh-钉孔直径; -界面摩阻力; LeL- 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： J

34、i d 4 式中db-钢筋直径; Ei -1.5 (3.5-5) 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Tx取下述3个计算结果的最小值。 Tx1 = ：DL b f（ 3.6-1） Tx2 二 fy As（ 3.6-2 ） Tx3 : dL b g（ 3.6-3 ） 式中 D、d-锚固体直径、钢筋直径; Lb - 土钉伸入破裂面以外约束区内长度; f、- g - 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; As、f y -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

35、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 送 G L + 迟 W co或i tan$ Ksi一-（ 3.6-4） 、W sin 巧 （2）考虑土钉作用 Kpi clS 亠二 W cosk tan ；S 亠二 Txj cosQ 3j)亠-Txj sin UJtan 、Wsin 哥 S (3.6-5) 式中 Ksi -不考虑土钉作用时的安全系数; Kpi-考虑土钉作用时的安全系数； c、 i -抗剪强度指标； Li-滑动面弧长； Wi - 土条重量； Txj-某位置土钉抗拉拔能力标准值； S-计算单元的长度（一般与 Sx相同）； 可-滑动面某处切线与水平面之间的

36、夹角； j -某土钉与水平面的夹角。 图3.6-1内部整体稳定计算 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H表示基坑深度, 二表示坡角。 Zo、 B。、B按下列各式计算: 式中C表示坡土粘聚力， B = (H -z0)tan(45) 2 B。= B ta na 表示坡土内摩擦角, (3.7-1) (3.7-2) (3.7-3) 表示坡土重力密度，q 表示坡顶均布荷载。 图3.7-1 破裂面 图3.7-2 土压力分布 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

37、分布采用朗肯土 压力理论。 土压力强度p按下式计算： 当 z- Zn4 时P = （Ka；z -2c., Ka）（ 3.7-4） H -z y0 当 z - zn4 时P = （Ka丄26. Ka 厂-（3.7-5） H Zn+y q2c 式中 p-水平向主动土压力强度（ (H)Ka C. Kp .Ka) 其中y - 0 Kp - Ka (3.7-6 主动土压力系数 Ka =tan2 (45 - ) 2 (3.7-7 被动土压力系数 24 K p 二 tan (45 ) (3.7-8 土压力折减系数 - -cr (3.7-9 90 a cr 临界坡角与坡高的关系 +4/兀 c - cr 二2

38、tan ( q + (3.7-10 ) ) ) ) ) kPa); y0- 土压力零点埋深（m; Ka 主动土压力系数； Kp-被动土压力系数; kPa); z-计算点深度（m； 匚Z -计算点的竖向有效应力（ 匚zn丄一 z=Zn时的竖向有效应力（kPa）； -主动土压力强度折减系数； 坡角； ：cr -临界坡角； H 坡高； q坡顶均布荷载。 3.7.3 土钉内力 土钉内力按下式计算： SxSy p R（ 3.7-11 ） cos - 式中R表示土钉内力（kN）, SxSy表示土钉控制的坡面垂直面积（ m）, B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

39、设计值应满足下式： Lf L -Lf Le (3.7-12 ) Le Kl R 二 D (3.7-13 ) z 二(Bo tana (3.7-14 ) 肪” KbR ji (3.7-16 ) 、，H -zz01 当 z - z0 时Lf(B)(3.7-15 ) H -z0tan。 cosP 式中 L- 土钉长度设计值； Le-稳定区土钉长度； L f -滑动区土钉长度； D- 土钉注浆体直径； -土钉注浆体侧摩阻力标准值； Ki -分项系数，取1.11.3。 3.7.5土钉选筋图3.7-3 土钉长度计算 钢筋直径设计值应满足下式： yk 式中 d -钢筋直径设计值; f yk -钢筋抗拉强度标

40、准值; Kb-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: Ntb Kt(R-二DLf )(3.7-17 ) 式中N；表示土钉和面层之间拉力设计值；Kt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, 2 周长326m围护面积约5200m。 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

41、。基坑环境见 图1。 大 径 北 街 、口 -16.2m 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。 土名及编号 厚度 /m 重度 y /(kN/m 3 粘聚力c /kPa 内摩擦角$ /deg 极限摩阻力 t /kPa 杂填土 0.90 19.0 5 15 20 新近堆积土 1.50 19.3 14 20 30 黄土状粉土 0.60 18.9 8 24 40 黄土状粉质粘 2.80 19.1 16

42、 20 50 土 粉细砂 2.80 18.5 0 32 40 中砂 1.60 18.5 0 36 60 粗砂 0.70 18.5 0 38 90 粉土 1.30 18.9 10 25 50 粉质粘土 2.00 19.7 16 20 50 中砂 0.80 18.5 0 36 65 粉质粘土(11) 5.50 19.7 20 20 50 细砂(12) 0.80 18.5 0 32 50 粉质粘土们) 10.90 19.4 20 21 50 2设计方案 设计坡角 90 o,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100, 土钉钻孔直径100mm 土钉采用

43、热轧n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$ 6.5200X 200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n级钢筋)直径/mm 长度/mm 1 1.80 25 12000 2 3.30 25 12000 3 4.80 25 18000 4 6.30 25 15000 5 7.80 25 12000 6 9.30 22 12000 7 10.80 22 12

44、000 8 12.30 20 9000 9 13.80 20 9000 10 15.30 20 7000 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-i取7.8m，计算结 果见图3、4、5和表4。 0 土钉道号 深度

45、/m JGJ120-99 方法 内力标准值/kN 计算结果 1 1.80 154.70 1 28 L14360 2 3.30 158.79 1 32 L 12880 3 4.80 233.84 1 36 L19980 4 6.30 266.55 1 36 L 20720 5 7.80 268.35 1 36 L 17030 6 9.30 307.16 1 40 L17170 7 10.80 280.57 1 40 L18780 8 12.30 706.57 2 40 L44780 9 13.80 604.15 2 36 L 37870 10 15.30 778.38 2 40 L49920 9

46、730 图3滑裂面 -2 -4 -6 m -8 度 深-io -12 -14 -16 -18 主动土压力/kPa 图4 土压力分布 0 -2 -4 -6 m -8 度 深-10 -12 -14 -16 -18 0 4 1 20406080100120140 土钉内力标准值/kN 图5 土钉内力分布 913.80 20 L90001.901.63 土钉道号 深度/m 王长科方法 内力标准值/kN 计算结果 1 1.80 15.9 16 L11000 2 3.30 41.4 16 L11500 3 4.80 73.2 20 L14000 4 6.30 97.9 22 L14500 5 7.80 1

47、17.9 25 L12500 6 9.30 86.0 20 L 9600 7 10.80 66.3 18 L 8500 8 12.30 80.8 20 L 8500 9 13.80 62.0 18 L 6000 10 15.30 39.2 16 L 3500 3.2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 王长科建议的方法 土钉道号 深度/m 最终采用的方案 各道土钉安全系数 分步开挖 稳定安全系数 1 1.80 25 L12000 2.50 2.5

48、0 2 3.30 25 L12000 1.29 1.90 3 4.80 25 L18000 1.81 1.87 4 6.30 25 L15000 1.23 1.71 5 7.80 25 L12000 1.03 1.57 6 9.30 22 L12000 1.63 1.58 7 10.80 22 L12000 2.00 1.64 8 12.30 20 L9000 1.25 1.59 10 15.30 20 L7000 2.56 1.72 土钉长度/m m/离距直垂顶坡距 18.00 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

49、，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

50、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50cm挂网立即喷射砼，以保证边坡的稳定。 对确定的孔位按照设计采用洛阳铲人工造孔，孔径10cm,孔深718m 不等。由于人工成孔是一道重要工序,需严格控制成孔的质量,孔内碎、 杂质及泥浆都需清理干净。 在洛阳铲人工成孔过程中,在突破砂层时遇到了一定的困难,砂层在 -6-11m，按照设计，锚杆布置为12m洛阳铲在砂层中成孔困难，由于 孔壁自稳时间短，仅为十几分钟，在孔深79m时就开始塌孔，而且孔深达 不到设计要求。

51、每孔完成至10m左右，孔底部就塌成扩孔式，成孔时间约 1 小时。针对此种情况,第一砂层比较松散,易于进展,第二为减少对砂 层的振动,避免塌孔造成不成孔,施工人员在洛阳铲的基础上进行改进加 工。用3mm厚钢板卷成 10cm圆筒，长45cm,两端与洛阳铲相同，在中间 位置将圆筒割成槽形，宽约7cm,长20cm,用于出砂。用这种铲在砂层中 成孔，增大了每次铲出土的份量，减少了对砂层的频繁振动，大大提高了 砂层成孔的效率。实践证明，每孔成孔时间2025 min ，而且塌孔较少， 能达到设计深度。唯一缺点是3mm厚钢板强度低，成孔数量少，拆装比较 频繁。 4.3 南侧污水管加固 南侧防水管道铺设完毕,回

52、填土设有夯实,而且距基坑边只有30cm 部分管道接头漏水。在开挖后不到 1 小时,砼注水管脱落,后采用钢管代 替砼管。为防止钢管及原有砼管影响边坡,特对其进行了加固。 a. 钢管的上下均打入 9m长锚杆，上下锚杆用钢筋连接，下托上拉， 并用风钻在坡顶水泥地坪打孔,设置地锚,间隔与锚杆相同,用拉筋与锚 杆及钢管连接,确保钢管安全。 b. 砼管部分,措施同上,将地上围墙拆除卸载。 c. 将管道漏水处挖开,采取堵漏措施后暴露,以随时检查。 d. 在污水管部位和观查基底 50cm 范围内采用压力注浆托换饱合土 体,使下部软弱土体变为复合地基,防止渗漏影响,压力注浆时另行打入 4m深注浆孔，与锚杆孔区别

53、。 4.4 冬季施工 计划工期不过冬季,由于甲方资金不到位以及土方开挖进度缓慢,土 钉支护施工需进行冬季施工,为确保工程质量达到要求,采取以下冬季施 工措施。 a. 在喷射砼量料中加入石家庄市清华新型建材厂生产的FSS-川型 砼防冻剂,掺量 4%。 b. 在锚杆注浆中加入 FSS-n型砼泵送防冻剂， 掺量3%保证锚杆的 早期强度。 c. 在喷射砼后表面先覆盖一层塑料布， 上覆盖草帘子， 保证不出现冻 害。 d. 在天气特别寒冷时（白天-5 0C以下）开挖边坡后及时覆盖草帘子。 5 基坑变形观测结果 该支护工程自 2000年 8月 24日开始， 至 2001年5月 7日完工， 共完成支 护面积5

54、435.16m2。至基坑回填前，运营良好。位移观测表明，坡顶水平位 移平均为18.4mm,最大为33.5mm,水平位移控制在坡高的 2.1 %。以内，小 于规范规定的容许值 3%。5%。 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 5.1.1 钢板桩 图 5.1-1 槽刚钢板桩 (b)并排布置 (a)正反扣结; 2形钢板 合塞 图5.1-2热轧锁口钢板桩 5.1.2 钢筋混凝土板桩 5.1.3 H型钢木板桩 3 图5.1-4 H 型钢木板桩 （a） 立面； （b）平面 （1主桩；2挡板；3楔子） 5.1.4 钻孔灌注桩 图5.1-5灌注桩挡图 图5.1-6锚杆式灌注桩挡

55、墙 5.1.5 地下连续墙 5.1.6 SMW支护结构 (a) 图5.1-6 SMW 支护结构（） 5.2悬臂式围护结构 目前，悬臂式围护结构的计算理论有4种： （1） 静力平衡法：土压力已知不考虑培体变形； （2）弹性地基粱法（m法）：土压力已知 考虑墙体变形； （3） 弹性有限元法：土体为弹性介质土压力随墙体变位而变化考 虑墙体变形； （4） 非线性有限元法：考虑土体为非线性介质考虑增体变形。 下面介绍静力平衡法。 5.2.1 入土深度计算 1. 计算原理 根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，悬臂式围护结构的嵌固 深度宜按下式计算： （对桩端 B 点取矩） hpV Ep -1.2

56、0h Ea -0（ 5.2-1） 式中0-基坑重要性系数。 Ea、ha -基坑外侧总主动土压力、作用点到B点的力臂； Ep、hp-基坑内侧总被动土压力、作用点到B点的力臂； 图5.2-1悬臂式围护结构嵌固深度 2. 工程经验 堆臂世度一定时的小坦龍2班最大曹距 内據角 V 下述議扌辰度(m)时 的号小埋深血m) 下迷堆IT任度(mJ时 的量光弩矩Mi (kN - m) L 5 2.0 z. 5 3-5 4.0 L5 2,0 2.5 3-0 3-5 20* 49 2.2 17 44 25* 0, 1h4 2, 13 26 52 旳 0-5 0.9 LT 3.0 7 16 34 58 35 0.6

57、 1-1 2- 1 3-4 4. 0 5 10 23 42 66 84 $ a-8 2-3 3.0 4 g 15 2 45 甜 +5* Q.5 0.7 1,1 he 签斗 6 11 20 30 46 5 as 0. Vc、V -弯矩计算值、设计值; 0-基坑重要性系数。 523圆截面混凝土桩的配筋计算 1. 沿周边均匀配筋（图 5.2-2 ） （1）计算公式 根据混凝土结构设计规范GB50010-2002，沿周边均匀配置不少于 6根纵向钢筋的圆截面钢筋混凝土桩，其正截面受弯承载力计算公式有两 种形式： 形式一： 2 sin nasin 兀a+sin 皿 t M1 fcArfyA；rs(5.2-

58、4 ) 3 二二 2 3 二 M1 fc Ar sin 二: 形式一： As3(5.2-5 ) fyrs(sin 曲 +sin 兀a t) 其中 =1.252(当:0.625时，取:t = 0)(5.2-6 ) sin 2net -1fcAtfyAs 2(5.2-7 ) %fcA+ fyAs 图5.2-2 沿周边均匀配筋的圆截面 式中 M -弯矩； A、r-圆截面面积、半径； As、rs -钢筋截面积、所在圆周半径； fc -混凝土轴心抗压强度设计值； fy - 钢筋抗拉强度设计值； ：1 - 受压区混凝土矩形应力图的应力 值与混凝土轴心抗压强度设计值 的比值。当混凝土强度等级不超 过C50时

59、，取1.0 ;当混凝土强度等级为C80时，取0.94 ;其间 内差； :-对应于受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与2n的比值; t -纵向受拉钢筋截面积与全部纵向钢筋截面积的比值； （2）计算步骤 1）根据经验选取配面积 As ； 2）计算K值，K = i fcA 3）根据K值查表5.2-2，查得：值； 4）将：值代入式（5.2-4 ）计算M值； 5） 将计算出来 M值的和弯矩设计值比较，若不满足要求，修改As后 重新计算比较。 值计算表表5.2-2 K cr K a K K 0,01 Ml 3 h仙 026 心272 f). w :-S-对应于周边均匀受拉钢筋的圆心角( rad )与2

60、 n的比值; :s宜在1/6到1/3之间选取，通常可取定值； :-s -对应于周边均匀受压钢筋的圆心角(rad )与2 n的比值; 宜取乞0.5： A圆截面面积； Asr、Asr-均匀配置在圆心角 2幕s、2二s内沿周边的纵向受拉、 受压钢筋截面积； Asc、Asc-集中配置在圆心角2幕s、2二s的混凝土弓形面积范围 内的纵向受拉、受压钢筋截面积； r -圆截面半径； rs-纵向钢筋所在圆周的半径； ysc、ysc-纵向受拉、受压钢筋截面积Asc、Asc重心至圆心的距离； fc -混凝土轴心抗压强度设计值； :1 -受压区混凝土矩形应力图的应力值与混凝土轴心抗压强度 设计值的比值。当混凝土强度