基坑与边坡工程支护结构设计计算讲义63页

1、基坑与边坡工程基坑与边坡工程32学时学时钟剑钟剑主要内容第一章 绪论第二章 土压力与滑坡推力计算 第三章 挡土墙计算与设计第四章 基坑支护结构计算与设计第五章 抗滑桩计算与设计第六章 锚固结构设计第一章第一章 绪论绪论1.坡的定义：当岩土体外表面与水平面的夹角不为零时，所形成外表面即为坡。 50， 90(直立边坡，峭壁）有关概念有关概念2.建筑边坡：在建（构）筑物场地或其周边，由于建（构）筑物和市政工程开挖或填筑施工所形成的人工边坡人工边坡和对建（构）筑物安全或稳定有影响的自然边坡自然边坡。3.临时性边坡: （2年）5.支挡结构:使岩土边坡保持稳定，控制位移而建造的结构物。有关概念6.建筑基坑

2、：为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室施工所开挖的地面以下空间。7.基坑支护：为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。 基坑工程基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中强度与强度与稳定稳定问题，又包含了问题，又包含了变形变形问题，同时还涉及到土与支护结构的问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。共同作用。 导致基坑工程事故的主要原因如下导致基坑工程事故的主要原因如下: (1) 设计理论不完善。许多计算

3、方法尚处于半经验阶段，理设计理论不完善。许多计算方法尚处于半经验阶段，理 论计算结果尚不能很好反映工程实际情况。论计算结果尚不能很好反映工程实际情况。(2) 设计者概念不清、方案不当、计算漏项或错误。设计者概念不清、方案不当、计算漏项或错误。 (3) 设计、施工人员经验不足。实践表明，工程经验在决定基设计、施工人员经验不足。实践表明，工程经验在决定基 坑支护设计方案和确保施工安全中起着举足轻重的作用。坑支护设计方案和确保施工安全中起着举足轻重的作用。基坑开挖分类 基坑工程根据其开挖和施工方法可分为: 无支护开挖 有支护开挖有支护的基坑工程可进一步分为: 无支撑围护 有支撑围护 1.安全可靠性

4、确保基坑工程的安全以及周围环境的安全。2.经济合理性 基坑工程在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等多方面综合研究经济合理性。3.施工便利性和工期保证性 在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足便利施工和缩短工期的要求。支护体系选用原则 支护结构由挡土结构、锚撑结构组成。当支护结构不能支护结构由挡土结构、锚撑结构组成。当支护结构不能起到止水作用时，可同时设置止水帷幕或采取坑内外降水。起到止水作用时，可同时设置止水帷幕或采取坑内外降水。1.支护结构的分类放坡开挖及简易围护；悬臂式围护结构；重力式围护结构；内撑式围护结构；拉锚式围护结构；土钉墙围护结构；其它型式围护

5、结构。主要有门架式围护结构；拱式组合型围护结构；喷锚网围护结构；沉井围护结构；加筋水泥土墙围护结构；冻结法围护等。 放坡开挖 放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程中边坡的稳定性，包括坡面的自立性和边坡整体稳定性。放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖一般费用较低，能采用放坡开挖应尽量采用放坡开挖。有时虽有足够放坡的场所，但挖土及回填土方量大，考虑工期、工程费用并不合理，也不宜采用放坡开挖。 悬臂式支护结构 悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。悬臂式围护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能

6、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。悬臂式围护结构适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。水泥土重力式支护结构 目前在工程中用得较多的水泥土重力式围护结构，常采用深层搅拌法形成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定。 重力式围护结构常用于软粘土地区开挖深度约在6.0m以内的基坑工程。水泥土抗拉强度低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程，其变形也比较大。内撑式支护结构 内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体

7、系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑。 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。 拉锚式支护结构 拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩。锚杆式需要地基土能提供锚杆较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基，或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力

8、，所以很少使用。土钉墙支护结构 土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入或射人方式设置土钉。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，形成土钉墙围护结构。土钉墙围护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。土钉墙围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围护。 其它形式支护结构 门架式支护结构 拱式组合型支护结构 喷锚网支护结构 加筋水泥土挡墙支护 放坡开挖与排桩墙 放坡开挖与内撑排桩墙 被动区土

9、质改良 对基坑围护体系被动区土质改良、降低地下水位等措施可有效改善围护结构的受力性状。 被动区土质情况对围护结构的稳定影响较大，若被动区土质很软弱，可采用被动区土质改良来加固，以增大被动区土压力。被动区土质改良范围一般深度取36m，宽度取59m，可对该区域软土进行全面改良，也可部分改良。若部分改良。被动区土质改良常采用深层搅拌法、高压喷射注浆法和压力注浆法。结构方案及选择结结 构构 形形 式式适适 用用 范范 围围排排桩桩结结构构稀疏排桩稀疏排桩土质较好，地下水位低或降水效果好土质较好，地下水位低或降水效果好连续排桩连续排桩土质差，地下水位高或降水效果差土质差，地下水位高或降水效果差框架式排桩

10、框架式排桩单排桩刚度不能满足变形要求单排桩刚度不能满足变形要求组组合合排排桩桩结结构构排桩加挡板排桩加挡板排桩桩距较大，利用挡板传递土压并有一定防渗作用排桩桩距较大，利用挡板传递土压并有一定防渗作用排桩加水泥排桩加水泥搅拌桩搅拌桩以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力，以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力，具有较好防涌效果具有较好防涌效果排桩加水泥防排桩加水泥防渗墙渗墙地下水位较高的软土地区地下水位较高的软土地区排桩或组合排桩或组合排桩加锚杆结构排桩加锚杆结构开挖深度较大，排桩或组合排桩结构强度无法满足要开挖深度较大，排桩或组合排桩结构强度无法满足要求求地下连续墙结构地下连续墙结

11、构与地下室墙体合一，防渗性强，施工场地较小，开挖与地下室墙体合一，防渗性强，施工场地较小，开挖深度大深度大沉井结构沉井结构软土地区软土地区重力式挡土墙结构重力式挡土墙结构 具有一定施工空间，软土地区具有一定施工空间，软土地区1) 挡土结构的常用形式 如图所示。板桩板桩 组合挡土壁组合挡土壁单排与双排桩支护结构挡土结构的类型挡土结构的类型支撑体系支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。 支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成。 特特 点点平面尺寸不大，且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑。它的平面尺寸不大，且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑。它的开挖土方空间较大开挖

12、土方空间较大，但变形控制要求不能很高，但变形控制要求不能很高钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置；支撑受力明确，钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置；支撑受力明确，安全稳安全稳定，有利于墙体的变形控制定，有利于墙体的变形控制，但开挖土方较为困难，但开挖土方较为困难多采用钢筋混凝土支撑；中部形成大空间，多采用钢筋混凝土支撑；中部形成大空间，有利于开挖土方和有利于开挖土方和主体结构施工主体结构施工多采用钢筋混凝土支撑；多采用钢筋混凝土支撑；支撑体系受力条件好支撑体系受力条件好；开挖空间大，；开挖空间大，便于施工便于施工开挖面积大、深度小的基坑宜采用；在软弱土层中，开挖面积大、深度小的基坑宜采用；在软弱土层中，

13、不易控制不易控制基坑的稳定和变形基坑的稳定和变形便于土方开挖和主体结构施工，便于土方开挖和主体结构施工，但仅适用于周边场地具有拉设但仅适用于周边场地具有拉设锚杆的环境和地质条件锚杆的环境和地质条件支撑结构的常用形式1. 基坑围护体系是临时结构，安全储备小，风险大基坑围护体系是临时结构，安全储备小，风险大2. 基坑工程具有很强的区域性基坑工程具有很强的区域性3. 基坑工程具有很强的个性基坑工程具有很强的个性4. 基坑工程综合性强基坑工程综合性强5. 基坑工程具有较强的时空效应基坑工程具有较强的时空效应6. 基坑工程是系统工程基坑工程是系统工程7. 基坑工程的环境效应基坑工程的环境效应 1. 基坑

14、支护结构设计的极限状态基坑支护结构设计的极限状态基坑支护结构设计应满足两种极限状态的要求。1) 承载能力极限状态承载能力极限状态基坑工程的承载能力极限状态要求不出现以下各种状况。(1)支护结构的结构性破坏挡土结构、锚撑结构折断、压屈 失稳，锚杆的断裂、拔出，挡土结构地基基础承载力不足等使 结构失去承载能力的破坏形式。(2) 基坑内外土体失稳基坑内外土体整体滑动，坑底隆起， 结构倾倒或踢脚等破坏形式。 (3) 止水帷幕失效坑内出现管涌、流土或流砂。bbb2) 正常使用极限状态正常使用极限状态基坑的正常使用极限状态，要求不出现以下各种状况。 (1)基坑变形影响基坑正常施工、工程桩产生破坏或变 位；

15、影响相邻地下结构、相邻建筑、管线、道路等正常 使用。(2) 影响正常使用的外观或变形。(3) 因地下水抽降而导致过大的地面沉降。bbb2. 基坑支护结构的设计内容基坑支护结构的设计内容(1) 支护结构体系的选型及地下水控制方式。(2) 支护结构的强度和变形计算。(3) 基坑内外土体稳定性计算。(4) 基坑降水、止水帷幕设计。(5) 基坑施工监测设计及应急措施的制定。(6) 施工期可能出现的不利工况验算。 软土地区的深基坑坑底以下土层较软，加固坑内被动区土体，可减小支护桩入土深度、基坑变形。加固范围由计算或类似工程经验确定。加固的方法常用喷射注浆、深层搅拌。深层搅拌局部加固的形式如图所示。bbb

16、深层搅拌局部加固的形式 1.5 基坑工程设计依据基坑工程设计依据 基坑工程设计时，首先应掌握以下设计资料(即设计依据)。 (1)岩土工程勘察报告。区别基坑工程的安全等级进行专门的岩土 工程勘察，或与主体建筑勘察一并进行，但应满足基坑工程勘察 的深度和要求。区别基坑工程的规模和地质环境条件复杂程度进 行分阶段勘察和施工勘察。具体要求详见有关章节。 (2) 建筑总平面图、工程用地红线图、地下工程的建筑、结构设 计图。(3) 邻近建筑物的平面位置，基础类型及结构图、埋深及荷载，周围道路、地下设施、市政管道及通信工程管线图、基坑周围环境对基坑支护结构系统的设计要求。 在基坑工程的设计中，支护结构、降水

17、井、观测井及止水帷幕、锚拉系统等构件，均不得超越工程用地红线范围。 实体重力式支护结构按重力式挡土墙的设计原则计算，主要实体重力式支护结构按重力式挡土墙的设计原则计算，主要涉及支承挡墙自重的地基承载力及稳定验算，而稳定验算以条涉及支承挡墙自重的地基承载力及稳定验算，而稳定验算以条分法为主。分法为主。 桩、墙式支护结构必须按土与支护结构共同作用的原则进行桩、墙式支护结构必须按土与支护结构共同作用的原则进行设计计算，即结构内力与支护结构的刚度、岩土体变形有关。设计计算，即结构内力与支护结构的刚度、岩土体变形有关。按土与支护结构共同作用的原则进行分析是一个较难的课题，即使采用有限元法(考虑因素多，如

18、模拟开挖过程；得到的结果也多，如可得到坑周土位移)，由于土性是复杂多变的，选择完全符合工程特点的土的计算参数是十分困难的；另外，基坑支护结构与土共同工作的条件远较一般基础工程复杂。 目前，支护结构计算的静力平衡法和等值梁法静力平衡法和等值梁法还在广泛使用于桩、墙式支护结构。这些方法都未考虑土与结构的相互作用，显然只是在特定条件下方可使用实际应仅用于地层条件及环境条件较好的小型基坑。 勘察是准确认识基坑的需要，是基坑工程设计的依据，也 是基坑工程事故的多发点。 建筑边坡的勘探范围应包括不小于岩质边坡高度或不小于1.5倍土质边坡高度以及可能对建(构)筑物有潜在安全影响的区域。控制性勘探孔的深度应穿

19、过最深潜在滑动面进入稳定层不小于5 m，并应进入坡脚地质剖面最低点和支护结构基底下不小于3 m。 边坡工程勘察报告应包括下列内容边坡工程勘察报告应包括下列内容:(1)在查明边坡工程地质和水文地质条件的基础上，确定边坡类 别和可能的破坏形式。(2) 提供验算边坡稳定性、变形和设计所需的计算参数值。(3) 评价边坡的稳定性，并提出潜在的不稳定边坡的整治措施和监测方案的建议。(4) 对需进行抗震设防的边坡应根据区划提供设防烈度或地震动参数。(5) 提出边坡整治设计、施工注意事项的建议。(6) 对所勘察的边坡工程是否存在滑坡(或潜在滑坡)等不良地质现象，以及开挖或构筑的适宜性做出结论。(7) 对安全等

20、级为一、二级的边坡工程应提出沿边坡开挖线的地质纵、横剖面图。 地质环境条件复杂、稳定性较差的边坡宜在勘察期间进行变形监测，并宜设置一定数量的水文长观孔。边坡工程勘察前应取得以下资料：边坡工程勘察前应取得以下资料：(1) 附有坐标和地形的拟建建(构)筑物的总平面布置图。(2) 拟建建(构)筑物的性质、结构特点及可能采取的基础形式、 尺寸和埋置深度。(3) 边坡高度、坡底高程和边坡平面尺寸。(4) 拟建场地的整平标高和挖方、填方情况。(5) 场地及其附近已有的勘察资料和边坡支护型式与参数。(6) 边坡及其周边地区的场地等环境条件资料。边坡工程勘察应查明下列内容：边坡工程勘察应查明下列内容： (1)

21、 地形地貌特征。(2) 岩土的类型、成因、性状、覆盖层厚度、基岩面的形态和 坡度、岩石风化和完整程度。(3) 岩、土体的物理力学性能。(4) 主要结构面(特别是软弱结构面)的类型和等级、产状、发育 程度、延伸程度、闭合程度、风化程度、充填状况、充水状 况、组合关系、力学属性和与临空面的关系。(5) 气象、水文和水文地质条件。(6) 不良地质现象的范围和性质。(7) 坡顶邻近(含基坑周边)建(构)筑物的荷载、结构、基础形式 和埋深，地下设施的分布和埋深。建筑边坡工程建筑边坡工程的气象资料收集、水文调查和水文地质的气象资料收集、水文调查和水文地质 勘察应满足下列要求勘察应满足下列要求 : (1)收

22、集相关气象资料、最大降雨强度和十年一遇最大降水量， 研究降水对边坡稳定性的影响。(2) 收集历史最高水位资料，调查可能影响边坡水文地质条件 的工业和市政管线、江河等水源因素，以及相关水库水位 调度方案资料。(3) 查明对边坡工程产生重大影响的汇水面积、排水坡度、长 度和植被等情况。建筑边坡工程建筑边坡工程的气象资料收集、水文调查和水文地质的气象资料收集、水文调查和水文地质 勘察应满足下列要求勘察应满足下列要求 :(4) 查明地下水类型和主要含水层分布情况。(5) 查明岩体和软弱结构面中地下水情况。(6) 调查边坡周围山洪、冲沟和河流冲淤等情况。(7) 论证孔隙水压力变化规律和对边坡应力状态的影

23、响。1.支护结构的荷载应包括下列项目支护结构的荷载应包括下列项目: (1) 土压力。(2) 水压力(静水压力、渗流压力、承压水压力)。(3) 基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力。(4) 温度应力。(5) 临水支护结构的波浪作用力和水流退落时的渗透力。(6) 作为永久结构时的相关荷载。其中，对一般支护结构， 其荷载主要是土压力、水压力。2. 支护结构设计的荷载组合支护结构设计的荷载组合 支护结构设计的荷载组合，应按照建筑结构荷载规范与建筑结构可靠度设计统一标准，并结合支护结构受力特点进行。在建筑边坡工程技术规范(GB 503302002)、建筑地基基础设计规范(GB 500072002)、

24、建筑基坑支护技术规程(2012)中，支护结构设计的荷载组合并不统一。 基坑工程的稳定性主要表现为以下几种形式：基坑工程的稳定性主要表现为以下几种形式：(1) 整体稳定性；整体稳定性；(2) 倾覆及滑移稳定性；倾覆及滑移稳定性；(3) 基坑底隆起稳定性；基坑底隆起稳定性；(4) 渗流稳定性。渗流稳定性。3.3 地下水控制地下水控制基坑工程的地下水控制通常采用两种方法： (1)基坑降水；基坑降水；(2)基坑止水基坑止水 基坑降水基坑降水包括包括 (1)明排水法明排水法 (2)井点降水法井点降水法 基坑止水基坑止水是用地下连续墙及喷射注浆、深层搅拌或注浆形成截 水墙或底板，阻止地下水流入基坑；基坑止

25、水往往还需要在基 坑内降水。 竖向止水帷幕穿过透水层进入不透水层或弱透水层12m。当坑底土体中存在承压水时，可在坑底设置水平止水帷幕；但一般可在承压水层中设置减压井以降低承压水头(当承压水头高、水量大时可设置水平止水帷幕、设置减压井组合)。基坑土方开挖 开挖机械的选择土方开挖程序，基坑开挖必须遵循“由上而下，先撑后挖，分层开挖”的原则施工现场平面布置，减少基坑边缘地面荷载降、排水措施及冬季、雨季、汛期施工措施的拟定合理施工监测计划和信息化施工方案的拟定合理应急措施的拟定基坑工程监测 基坑工程监测是基坑工程施工中的一个重要环节，组织良好的监测能够将施工中各方面信息及时反馈给基坑开挖组织者，根据对

26、信息的分析，可对基坑工程围护体系变形及稳定状态加以评价，并预测进一步挖土施工后将导致的变形及稳定状态的发展。根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度，以制定进一步施工策略，实现所谓信息化施工。 监测目的 通过监测成果分析预估基坑工程围护体系本身的安全度，保证施工过程中围护体系的安全。 通过监测成果分析预估基坑工程开挖对相邻建(构)筑物的影响，确保相邻建(构)物和各种市政设施的安全和正常工作。 通过监测成果分析检验围护体系设计计算理论和方法的可靠性，为进一步改进设计计算方法提供依据。 监测项目监测成果基坑工程环境效应 基坑工程环境效应包括围护结构和工程桩施工、降低地下水位、基坑土方开挖各阶段对周

27、围环境的影响，主要表现在下述几方面：基坑土方开挖引起围护结构变形以及降低地下水位造成基坑四周地面产生沉降、不均匀沉降和水平位移，导致影响相邻建(构)筑物及市政管线的正常使用，甚至破坏；围护结构和工程桩若采用挤土桩或部分挤土桩，施工过程中挤土效应将对邻近建(构)筑物及市政管线产生不良影响；基坑开挖土方运输可能对周围交通运输产生不良影响；视施工机械和工艺情况可能对周围环境产生施工噪声污染和环境卫生污染(如由泥浆处理不当引起等)；因设计、施工不当或其他原因造成围护体系破坏，导致相邻建(构)筑物及市政设施破坏。变形控制标准连续墙监测标准基坑工程事故分类锚撑失稳流土破坏踢脚破坏基坑隆起整体失稳墙体折断围护体系破坏破坏事故周围建筑物及地下管线围护结构变形过大造成基坑工程事故