基坑工程计算课件

1.4基坑支护计算规范1、行业规范《建筑基坑工程规范》（JGJ120-2012）规定：建筑基坑是指为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。冶金部行业标准《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）上规定：建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降水和基坑周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下管线进行监测及维护，确保正常、安全施工。这项综合性工程称为基坑工程。2023/7/2512、地方规程上海市标准《基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）规定，基坑是指房屋建筑和市政工程结构的基础或地下建筑物施工时开挖的地坑。湖北省地方标准《基坑工程技术规程》（DB/42-159-2004）规定，基坑工程是指为保证基坑正常施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的各工程措施的总称，主要有岩土工程勘察、支护设计与施工、地下水及地表水的治理、周围环境监测与保护、土方开挖与回填等内容。广东省地方标准《建筑基坑支护工程技术规程》（DBJ/T15-20-97）规定，建筑基坑是指建筑基础或地下室（统称地下工程）的施工而开挖的地面以下空间。2023/7/252济南大学土建学院1.4基坑支护计算计算项目重力式支护结构强度破坏：稳定性破坏：倾覆滑移土体整体滑动失稳坑底隆起管涌非重力式支护结构强度破坏：拉锚破坏或支撑压曲支护墙底部走动支护墙的平面变形过大或弯曲破坏稳定性破坏：墙后土体整体滑动失稳挡墙倾覆坑底隆起管涌2023/7/253济南大学土建学院基坑工程的失效模式1.整体失稳

2.坑底隆起

3.围护结构倾覆失稳

4.围护结构滑移失稳

5.围护结构底部地基承载力失稳

6.“踢脚”失稳

7.止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏8.围护结构的结构性破坏9.支、锚体系失稳破坏1.4.1基坑支护失效模式2023/7/254济南大学土建学院整体失稳整体失稳是指在土体中形成了滑动面，围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一起丧失稳定性，一般的失稳形态是围护结构的上部向坑外倾倒，围护结构的底部向坑内移动，坑底土体隆起，坑外地面下陷。

2023/7/255济南大学土建学院整体失稳杭州2023/7/256济南大学土建学院整体失稳龙潭空中花园基坑事故。2005年8月3日，凌晨约30m宽位置坡顶出现开裂并出现沉降，坡脚水泥土搅拌桩出现断裂。早晨7时，下起大雨，半小时后该段出现塌滑。原因主要是基坑北侧东端滑塌地段出现超挖，开挖后放置了较长时间；坑内大量积水未及时抽排；坡脚土层受水浸泡，降低了土层强度，势必导致边坡蠕动变形；紧邻坑边下水管长期漏水，边坡蠕动变形积累到一定程度后，坡顶道路下的下水道出现开裂，大量水浸入边坡土体内，导致边坡失稳。2023/7/257济南大学土建学院2023/7/258济南大学土建学院坑底隆起

坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形。基坑开挖以后，坑底向上位移的原因有两种，一是卸载引起的回弹，其数值较小；另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性变形，这种变形如果数量较大，表示土体中的塑流已经比较严重，如果围护结构和内支撑能形成整体性好的体系，则塑流仅引起坑外地面下沉，影响环境安全；如果是自立式结构或节点强度差的支撑体系，隆起可能是整体失稳的前兆；如果稳定性不能得到有效的控制，就会发生整体性失稳。2023/7/259济南大学土建学院坑底隆起三金.鑫城国际C地块事故2023/7/2510济南大学土建学院围护结构倾覆失稳围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构，重力式结构在坑外主动土压力的作用下，围护结构绕其下部的某点转动，围护结构的顶部向坑内倾倒。抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力形成，坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素。关于转动中心的位置有不同的看法，传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾，但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理，特别的软土地区由于基底土比较软弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。

2023/7/2511济南大学土建学院围护结构滑移失稳围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中，在坑外主动土压力的作用下，围护结构向坑内平移。抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被动土压力构成。当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时，墙体发生滑移失稳。

2023/7/2512济南大学土建学院围护结构滑移失稳华瑞大厦位于卓刀泉南路与雄楚大街交汇处，一幢26层高层建筑，基础埋深约-10.8m。基坑支护地面以下约6m，坡率1：03喷锚支护，6m以下为人工挖孔桩锚杆支护。2005年6月26日，基坑西侧产生滑坍，支护桩严重内倾，部分护坡桩断裂；西侧坡顶地面沉降，坡面外鼓；南侧、东侧坡顶地面(含人行道产生裂缝)，险情严重。事故的原因主要是红粘土层遇水后强度迅速降低，导致浅层滑坡。2023/7/2513济南大学土建学院围护结构底部地基承载力失稳重力式围护结构的底面压力过大，地基承载力不足引起的失稳。由于在围护结构的外侧还作用着土压力，因此其合力是倾斜的。在倾斜荷载作用下，地基土发生向坑内的挤出，围护结构产生不均匀的沉降，可能导致部分围护结构的开裂损坏。2023/7/2514济南大学土建学院2023/7/2515济南大学土建学院“踢脚”失稳

在单支撑的基坑中，可能发生挠支撑点转动，围护结构上部向坑外倾倒，围护结构的下部向上翻的失稳模式，故形象地称为“踢脚”失稳。在多支撑的围护结构中一般不会产生踢脚失稳，除非其它支撑都已失效，只有一道支撑起作用的情况。

2023/7/2516济南大学土建学院“踢脚”失稳2005年7月21日中午12点左右，广州市海珠区江南大道中——海珠城广场B区施工工地发生基坑坍塌，基坑南边支护结构坍塌，东南角斜撑脱落。基坑支护坍塌范围约104．55延米，面积约2007平方米，南侧海员宾馆的基础桩折断滑落，结构部分倒塌。同时造成3人死亡、8人受伤。产生由于：1.施工与设计不符，基坑施工时间过长，基坑支护受损失效，构成重大事故隐患。2.南侧岩层向基坑内倾斜，软弱强风化夹层中有渗水流泥现象，施工时未及时调整设计和施工方案，错过排除险情时机。3.基坑坡顶严重超载，致使基坑南边支护平衡打破，坡顶出现开裂。4.基坑变形量明显增大及裂缝增长时未能及时作加固处理。2023/7/2517济南大学土建学院止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏

止水帷幕丧失挡水功能，产生渗漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，导致邻近建筑物的开裂和损坏。引起围护结构止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是设计因素和材料的因素。由于施工质量低劣，止水帷幕有空洞或裂缝，成为漏水的通道是最普遍的现象；止水帷幕设计过短，没有全部切断透水层也是漏水的可能原因。

2023/7/2518济南大学土建学院由于止水帷幕失效产生过大的水力坡降引起坑底渗透变形破坏。坑内采用排水或降水措施后，造成了坑内外的水头差，地下水在水头差的作用下向坑内渗流，在渗流出口处土的细颗粒被带出，或土颗粒处于悬浮状态涌出。这种由渗透引起的破坏因破坏机理不同而有不同的名称，如管涌、流砂或流土。如不及时制止，由渗透变形引起的坑外土体的位移和陷落是严重的。

2023/7/2519济南大学土建学院2023/7/2520济南大学土建学院围护结构的结构性破坏围护结构的结构性破坏是指围护体本身发生开裂、折断、剪断或压屈，致使结构失去了承载能力的破坏模式。

结构性损坏的原因可能是方案性的错误，如支撑体系不当或围护结构不闭合；也可能是设计计算时荷载估计不足或结构材料强度估计过高，支撑或围檩截面不足导致破坏；此外，结构节点处理不当，也会因局部失稳而引起整体破坏，特别在钢支撑体系中，节点多，加工与安装质量不易控制。节点处理包括支撑和墙体的连接处，如不设置围檩或连接强度不够。

2023/7/2521济南大学土建学院杭州萧山湘湖段地铁施工事故

2008年11月15日15时20分，杭州萧山湘湖段地铁施工现场发生塌陷事故。风情大道坍塌形成了一个长75米、宽21米、深15.5米的深坑，附近的河流决堤，河水倒灌，一度水深达6米多。正在路面行驶的11辆车陷入深坑，数十名地铁施工人员被埋，遇难工人数达到21名，同时造成了风情大道中断，距事故现场仅一墙之隔的萧山区城西小学，校园东边的围墙已全部垮塌。附近民房倾斜破坏，地面下管线破坏等一系列连锁破坏效应。2023/7/2522济南大学土建学院围护结构的结构性破坏初步判定基坑破坏形式，基坑产生整体失稳，坑底隆起，从而使得围护墙倾斜，而钢支撑与围护墙连接刚度很弱，基本可以看作铰接，当对撑的两侧轴力不在一条线上时，钢支撑非常容易产生失稳破坏，从而产生类似多米诺骨牌效应，导致最后基坑失稳破坏，坑边土体塌陷，支撑破坏。2023/7/2523济南大学土建学院支、锚体系失稳破坏支锚体系的失稳破坏包括两种不同的破坏模式。锚杆的破坏主要表现为锚杆的拔出、断裂或预应力松弛，土锚的破坏大多是局部的，群锚的破坏实际上是土体的失稳而并非是锚杆的结构性破坏；支撑的失稳很可能是整体性的，其形态因体系不同而不同，支撑体系大多是超静定的，局部的破坏会造成整体的失稳，尤其是钢支撑体系，局部节点的失效概率比较大。

2023/7/2524济南大学土建学院2023/7/2525济南大学土建学院2023/7/2526济南大学土建学院2023/7/2527济南大学土建学院2023/7/2528济南大学土建学院止水帷幕功能失效2023/7/2529济南大学土建学院坑底渗透变形破坏2023/7/2530济南大学土建学院2023/7/2531济南大学土建学院1.1基坑工程概述基坑工程设计的基本规定GJ120-2012：基坑侧壁安全等级及重要性数安全等级破坏后果Υ0一级支护结构破坏、土体失稳或对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.901.5.2基坑支护计算2023/7/2532济南大学土建学院极限状态分类

2023/7/2533济南大学土建学院2023/7/2534济南大学土建学院支护结构均应进行承载能力极限状态的设计计算，一级基坑和对变形有限定的二级基坑，还要进行支护结构和周边环境的变形计算。2023/7/2535济南大学土建学院1.5.2基坑支护计算土压力朗金主动土压力朗金被动土压力静止土压力。

朗金土压力计算见《土力学地基基础》

朗金主动土压力大小一般稍偏大，偏于安全；朗金被动土压力结果偏小。注意各地规范关于水土分算或者水土合算的规定。C、φ标准值的取值等效内摩擦角即将粘聚力C的贡献叠加在内摩擦角上，将内摩擦角增大，计算土压力时不再考虑粘聚力，C=0

2023/7/2536济南大学土建学院主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是支护结构存在位移；当支护结构没有位移时，则土对支护结构的压力为静止土压力。土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力，即计算结果偏大。土的内聚力C、内摩擦角φ值可根据下列规定适当调整：在井点降低地下水范围内，当地面有排水和防渗措施时，φ值可提高20%；在井点降水土体固结的条件下，可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响，将土的内聚力c提高20%。2023/7/2537济南大学土建学院悬臂支护桩土压力分布2023/7/2538济南大学土建学院芝加哥深基坑土压力实测图柏林地道工程土压力实测图2023/7/2539济南大学土建学院水平荷载标准值主动土压力强度标准值被动土压力强度标准值2023/7/2540济南大学土建学院2023/7/2541济南大学土建学院2023/7/2542济南大学土建学院地面附加荷载传至n层土底面的竖向荷载2023/7/2543济南大学土建学院2023/7/2544济南大学土建学院2023/7/2545济南大学土建学院2023/7/2546济南大学土建学院hi(1/3)hihia

bhzihi(1/2)hi三角形分布梯形分布矩形分布土压力的计算2023/7/2547济南大学土建学院常用地表荷载的处理方法一、地表集中荷载折算成均布超载：高大钊：《深基坑工程》第二版，机械工业出版社，20021繁重的起重机械：距离支护结构1.5m内，按照60KPa取值；距离支护结构1.5m~3m内，按照40KPa取值；2轻型公路：按照5KPa取值；3重型公路：按照10KPa取值；4铁道：按照20KPa取值；2023/7/2548济南大学土建学院二、高层建筑均布荷载取值机械工业部设计研究院：多层与高层建筑结构设计技术规定，1993.9结构类型墙体材料自重/KPa框架轻质墙8~12砖墙10~14框-剪轻质墙10~14砖墙12~16剪力墙混凝土14~182023/7/2549济南大学土建学院水平荷载标准值计算实例h=8m，hwa=2m，hwp=1m，L=16m。坡顶局部超载qo=20kPa，宽度3m，距离基坑边壁1m。①粘性土，厚度3m，γ=18kN/m3；C=12kPa；φ=120②砂土，厚度8m，γ=20kN/m3；C=0；φ=320③粘性土γ=19kN/m3；C=15kPa；φ=180局部超载作用范围为地表以下AB范围即地表下1m至6m范围q=20×3/(3+2×1)=12kPaKa1=0.66，（Ka1）1/2=0.81，Ka2=0.31Ka3=0.53，（Ka3）1/2=0.73，Kp1=3.25Kp2=1.89，（Kp2）1/2=1.38，qo=20kPa2m3m11m①粘性土②砂土③粘性土坑底1m3m1mAB①砂土②粘性土8m16m3m8m2023/7/2550济南大学土建学院1.5.2基坑支护计算水压力水压力，主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题。对于粘性土，土壤的透水性较差，此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法，即采用土的饱和重度计算总的水土压力。对于砂性土，采用水土分算，即采用浮重度计算土压力，按静水压力计算水压力，然后两者相加即为总的侧压力。2023/7/2551济南大学土建学院建筑边坡工程技术规范GB50330-20022023/7/2552济南大学土建学院桩墙式支护结构计算计算假定：悬臂式板桩：插入土体部分视为固定端，上部为自由端；即看作悬臂梁结构。浅埋单锚式板桩：插入土体部分视为固定铰，上部锚拉作用点为活动铰；即看作简支梁结构。深埋单锚式板桩：插入土体部分视为固定端，上部锚拉作用点为活动铰；即看作静不定梁结构。多层锚拉式板桩：插入土体部分视为固定端，上部各个锚拉作用点为活动铰；即看作连续梁结构。

2023/7/2553济南大学土建学院桩墙式支护结构计算内容根据朗肯-库伦土压力理论分层计算主动土压力和被动土压力；出嵌固深度hd;最大弯矩截面位置及最大弯矩值；进行配筋设计或承载力计算；计算支护结构顶端位移。2023/7/2554济南大学土建学院悬臂式支护结构的计算1确定计算简图各层土压力合力用Eai、Epi表示，P为桩墙底部阻力，C点为土压力为零点。2求嵌固深度h0

先求土压力为零点C的位置即x，以C点以下嵌固长度t为未知变量，对E点的力矩平衡∑ME=0，试算求出t：∑Eaibai=∑Epjbpj

桩墙计算嵌固深度h0=x+t3支护桩墙设计长度：

L=支护桩墙悬臂长度h+桩墙设计嵌固深度hd2023/7/2555济南大学土建学院2023/7/2556济南大学土建学院建筑地基基础设计规范GB50007-20022023/7/2557济南大学土建学院嵌入深度计算基坑支护技术规程计算2023/7/2558济南大学土建学院单支点支护结构的计算1、浅埋式单支点支护结构的计算（简支梁法求解）2、深埋式单支点支护结构的计算（等值梁法求t1）2023/7/2559济南大学土建学院深埋式单支点支护结构的计算1相当梁法（或等梁法）的原理图（a)中的ab为一荷载梁，一端固定，一端简支，弯距图的正负转折点在C点处。将梁在C点截断，设自由支点在C处，ac一端上的力矩将保持不变，ac即为ab的相当梁2023/7/2560济南大学土建学院单锚(支撑）深板桩的计算2用相当梁计算深板桩用土压力为零点位置代替正负力矩转折点c点。先算出y的长度→决定c点→求得顶撑的反力Ra及c点的反力P0→求出板桩的入土深度t02023/7/2561济南大学土建学院3相当梁计算单支点支护结构（1）计算土压力，画出计算简图（2）计算土压力为零点c的位置，求出x(3)由∑Mc=0求支点水平反力T（kN/m)T=∑Eai×bai/bT(4)求桩墙嵌固深度h0

由AC段静力平衡求得C点的支承反力为∑Eai-T，对CE段，由∑ME=0，求出t：

t=∑Epjbpj/(∑Eai-T)

单锚(支撑）深板桩的计算2023/7/2562济南大学土建学院规程单层支点支护结构嵌固深度及支点力计算2023/7/2563济南大学土建学院单层支点支护结构嵌固深度及支点力弯矩设计值剪力设计值嵌固深度设计值2023/7/2564济南大学土建学院支护结构内力计算锚杆计算2023/7/2565济南大学土建学院建筑边坡工程技术规范GB50330-20022023/7/2566济南大学土建学院2023/7/2567济南大学土建学院2023/7/2568济南大学土建学院锚杆的自由段长度2023/7/2569济南大学土建学院2023/7/2570济南大学土建学院锚杆弹性支点刚度系数基坑规程2023/7/2571济南大学土建学院建筑边坡工程技术规范GB50330-20022023/7/2572济南大学土建学院支护结构内力计算支撑体系的计算2023/7/2573济南大学土建学院支护结构内力计算支撑体系的计值2023/7/2574济南大学土建学院多层锚拉板桩的计算支锚结构的层间距布置型式及特点等弯矩布置：各跨度的最大弯矩相等，可充分利用板桩的抗弯强度；但是较深基坑，下部的支锚层距过小，层数多，不经济。等反力布置：各层支锚水平反力基本相等，使锚杆设计简化；但当基坑较深时，下部的支锚层距过小，层数多，同样不经济。等间距布置：

支锚结构的上、下排间距基本相同，基坑较深时，减少了支锚层数，较经济；但带来了较复杂的计算量。等间距布置在工程实际中设计最为普遍。

2023/7/2575济南大学土建学院工况1工况2工况3工况4工况5工况62023/7/2576济南大学土建学院

1、等弯矩布置

h=[6wfy/Yka]1/3h1=1.11hh2=0.88hh3=0.77hh4=0.70hh5=0.65hh6=0.61hh7=0.58hh8=0.55h2023/7/2577济南大学土建学院2、等反力布置h1=0.60hh2=0.45hh3=0.36hh4=0.32h2023/7/2578济南大学土建学院3、等间距布置2023/7/2579济南大学土建学院多层锚拉板桩的计算盾恩法求板桩的入土深度：按着1/2分担法可求出各层支锚结构的水平反力，再乘以1.35不均匀系数就是水平力的设计值；通过续梁可求出Mmax及作用点h；

2023/7/2580济南大学土建学院桩墙式支护结构稳定性计算一、支护结构整体稳定性2023/7/2581济南大学土建学院2023/7/2582济南大学土建学院2023/7/2583济南大学土建学院2023/7/2584济南大学土建学院2023/7/2585济南大学土建学院2023/7/2586济南大学土建学院二、抗隆起验算2023/7/2587济南大学土建学院2023/7/2588济南大学土建学院2023/7/2589济南大学土建学院2023/7/2590济南大学土建学院三、基坑管涌验算和基坑突涌验算：或者写成基坑管涌2023/7/2591济南大学土建学院如果坑底以上土层为松散填土、多裂隙土等透水性好的土层，则水头损失可以忽略不计，此时不发生管涌条件为：2023/7/2592济南大学土建学院基坑突涌处理：1隔断承压水；2坑底土层加固。3排水降压2023/7/2593济南大学土建学院建筑地基基础设计规范GB50007-20022023/7/2594济南大学土建学院水泥土重力式支护结构设计计算挡墙宽度为0.6～0.8开挖深度，桩长为开挖深度的1.8-2.2倍。水泥墙的结构形式2023/7/2595济南大学土建学院水泥土重力式支护结构设计计算1基本要求（1）无侧限抗压强度不底于0.8MPa（2）挡墙宽度为开挖深度的0.6~0.8倍（3）嵌固深度为开挖深度的0.8~1.0倍（4）为简化，可将墙底以上的各层土的物理力学性质指标加权平均计算2023/7/2596济南大学土建学院水泥土重力式支护结构设计计算2抗倾覆稳定性验算w—挡墙自重(KN/m)

Ep—被动侧压力的合力

Ea—主动侧压力的合力

b、hp、ha—W、Ep、Ea对墙趾A的力臂2023/7/2597济南大学土建学院水泥土重力式支护结构设计计算3抗水平滑移稳定性验算Ks—水泥土挡墙抗水平滑动稳定安全系数

—挡墙底面与地基土之间的摩擦系数，可由试验确定，如缺少试验数据，可按表1选取。2023/7/2598济南大学土建学院

滑动稳定性验算Kh-抗.滑动稳定安全系数,Kh≥1.2;基坑边长<20m时,Kh≥1.0。W-墙体自重（kn/m）μ-基底墙体与土的摩擦系数

倾覆稳定性验算Kq-抗.滑动稳定安全系数,Kq≥1.2;基坑边长<20m时,Kq≥1.0。b、hp、hA-分别为W、Ep、EA对墙趾A点的力臂。EphpAbbEAhAW2023/7/2599济南大学土建学院水泥土重力式支护结构设计计算4墙身应力验算K—水泥土强度的安全系数

、—所验算截面处的正应力和剪应力（kPa)w1—所验算截面上部的挡墙重量（KN/m）

Eal—所验算截面上部的主动土压力合力（KN/m）qu、、c—水泥土的抗压强度、内摩擦角、内聚力2023/7/25100济南大学土建学院水泥土重力式支护结构设计计算抗圆弧滑动稳定性验算

抗圆弧滑动稳定验算即整体稳定验算，由于水泥土挡墙具有一定的宽度，因此需将其看作是提高了强度的一部分土体，进行土体整体稳定验算，可按悬臂式挡墙支护结构整体稳定验算方法（条分法）进行。2023/7/25101济南大学土建学院整体稳定计算k>=1.25整体稳定计算时，将滑动土体与搅拌桩挡墙视为一个整体考虑(常选在墙底下0.5－1.0米处)，采用圆弧滑动法计算图

：2023/7/25102济南大学土建学院土体整