基坑工程设计案例教案

第3章基坑工程3.1概

述随着城市建设的发展，地下空间在世界各大城市中得到开发利用。如高层建筑地下室、地下仓库、地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等。在我国，地铁及高层建筑的兴建，产生了大量的基坑（深基坑）工程。基坑工程主要包括围护体系的设置和土方开挖两个方面。围护结构通常是一种临时结构，安全储备较小，具有比较大的风险。基坑支护设计使用期限不应小于1年。围护结构应满足的基本要求：保证基坑周围未开挖土体的稳定；

保证相邻建筑物的、地下管线的安全，不受损害；保证主体地下结构的施工空间。上海浦东绿洲中环中心

钢管内支撑的优点是施工速度快，装拆方便；缺点是支撑的刚度略差，基坑支护结构易变形。多道钢内撑有助于控制支护结构变形。水平支撑导墙开挖、模板、钢筋施工导墙采用小钢模导墙导墙回填土泥浆制备工厂泥浆工厂内部泥浆池成槽机地下墙钢筋笼（带注浆管）定位器地下墙钢筋笼凹凸接头履带吊移动钢筋笼地下墙钢筋笼双机抬吊钢筋笼下放注浆管安装混凝土浇筑地下墙接头箱拔接头箱刷壁器地下连续墙外观地下室顶板预留钢筋带水平支撑体系（四道）的地下连续墙水平支撑坑内挖土坑内挖土，栈道转运横向支撑上可作为一般的人行通道拆除最下一道横向支撑3.2围护结构型式及适用范围围护结构型式及分类放坡开挖及简易支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他形式围护结构土袋短桩基坑简易支护土袋或块石支护短桩支护放坡开挖及简易支护边坡高度与坡度控制岩土类别状态及风化程度允许坡高允许坡度硬质岩石微风化中等风化强风化121081：0.10~1：0.201：0.20~1：0.351：0.35~1：0.50软质岩石微风化中等风化强风化8881：0.35~1：0.501：0.50~1：0.751：0.75~1：1.00砂土中密以上51：1.00基坑顶面无载重1：1.25基坑顶面有静载1：1.50基坑顶面有动载粉土稍湿51：0.75基坑顶面无载重1：1.00基坑顶面有静载1：1.25基坑顶面有动载边坡允许坡度值岩土类别状态及风化程度允许坡高允许坡度粉质粘土坚硬硬塑可塑5541：0.33基坑顶面无载重1：0.50基坑顶面有静载1：0.75基坑顶面有动载1：1.00~1：1.25基坑顶面无载重1：1.25~1：1.50基坑顶面无载重粘土坚硬硬塑可塑5541：0.33~1：0.751：1.00~1：1.251：1.25~1：1.50杂填土中密、密实的建筑垃圾土51：0.75~1：1.00边坡允许坡度值（续）边坡稳定性验算需要进行边坡稳定性验算的情况有以下几种：坡顶有堆载；边坡高度与坡度超出上表所列允许值；存在软弱结构面的倾斜地层；岩层和主要结构层面的倾斜方向与边坡的开挖面倾斜方向一致，且两者走向的夹角小于45°。土质边坡的稳定分析可用圆弧滑动法进行分析。岩质边坡宜按由软弱夹层或结构面控制的可能滑动面进行验算。悬臂式围护结构结构特征：无支撑的悬臂围护结构；支撑材料：钢筋混凝土排桩、钢板桩、木板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙、SMW工法桩等；

受力特征：利用支撑入土的嵌固作用及结构的自身的抗弯刚度挡土及控制变形；

适用条件：土质较好，开挖深度较小的基坑。重力式围护结构结构特征：常用水泥土桩构成重力式挡土构造；支撑材料：水泥搅拌桩、注浆；

受力特征：利用墙体或格构自身的稳定挡土与止水；

适用条件：宽度较大，开挖较浅，周围场地较宽，对变形要求不高的基坑。重力式水泥土墙断面图平面图内撑式围护结构结构特征：由挡土结构与支撑结构两部分组成；支撑材料：挡土材料有钢筋混凝土桩、地下连续墙，支撑材料有钢筋混凝土梁、钢管、型钢等；

受力特征：水平支撑、斜支撑，单层支撑、多层支撑；

适用条件：各种土层和基坑深度。内撑式围护结构拉锚式围护结构结构特征：由挡土结构与锚固系统两部分组成；支撑材料：可采用内撑式结构相同的材料外，还可以采用钢板桩等；

受力特征：由挡土结构与锚固系统共同承担土压力；

适用条件：砂土或粘性土地基。拉锚式围护结构土钉墙围护结构结构特征：由土钉与喷锚混凝土面板两部分组成；支撑材料：由土钉及钢筋混凝土面板构成支撑；

受力特征：由土钉构成支撑体系，喷锚混凝土面板构成挡土体系；

适用条件：地下水位以上或降水后的粘土、粉土、杂填土及非松散砂土、碎石土。钢筋混凝土桩水泥搅拌桩连拱式支护结构平面图高压喷射桩钻孔灌注桩灌注桩与高压喷射桩组合支护型钢深层搅拌桩SMW工法桩组合支护深基坑支护结构分类支护结构挡土部分支撑部分透水挡土结构止水挡土结构H型钢、工字钢+插板疏排灌注桩+钢丝网水泥抹面密排灌注桩、预制桩双排桩挡土连拱式灌注桩土钉墙地下连续墙深层搅拌桩、墙深层搅拌桩+灌注桩密排桩+高压喷射桩钢板桩闭合拱圈墙自立式桩、墙锚拉支护土层锚杆水平支撑、斜撑环梁支护系统3.3支护结构上的荷载水、土压力计算水、土压力分算方法对于透水性比较大的砂性土和粉土，分别计算作用在围护结构上的土压力（按朗肯土压力理论计算）和水压力（按静水压力计算），然后叠加作用在围护结构上。

水、土压力合算方法对于透水性比较差的粘性土地基，采用水、土压力合算的方法计算作用于围护结构上的侧向压力。pak──支护结构外侧，第i层土中计算点的主动土压力强度标准值

(kPa)；当pak<0时，应取pak＝0；ppk──支护结构内侧，第i层土中计算点的被动土压力强度标准值

(kPa)。挡土结构位移对土压力的影响一般的围护结构自身刚度不大，在侧向压力作用下产生较大的相对位移时，对土压力的分布与大小产生影响。一般有以下几种情况：

挡土构造不发生位移墙后主动土压力为静止土压力，土压力分布为三角形分布。H/2H

挡土构造顶部不动，底部向外位移无论位移达到多大，都不能使填土内发生主动破坏，压力为曲线分布，总压力作用点位移墙底以上越H/2处。挡土构造平行向外移动位移的大小未达到足以使填土发生主动破坏时，压力为曲线分布，当位移超过某一值后填土将发生主动破坏，应力成直线分布。

挡土构造上下两端不动，中部发生向外位移墙后主动土压力为马鞍形分布。挡土构造下端不动，上端向外位移无论位移多少，作用在墙背上的压力都按直线分布。当墙上端的移动达到一定数值后，墙后填土会发生主动破坏，此时作用在墙上的土压力称为主动土压力。3.4支护结构上的设计规定设计依据：《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）设计状态

承载能力极限状态：支护结构达到承载力破坏，锚固系统失效或坡体失稳状态；

正常使用极限状态：支护结构和边坡的变形达到结构本身或邻近建筑物的正常使用限值或影响耐久实用性能。

安全等级根据建筑基坑工程破坏可能造成的后果，基坑工程划分为三个安全等级。承载能力极限状态

1）支护结构构件或连接因超过材料强度或过度变形的承载能力极限状态设计，应符合下式要求：

式中：γ0──支护结构重要性系数；

Sd──作用基本组合的效应（轴力、弯矩等）设计值；

Rd──结构构件的抗力设计值。2）坑体滑动、坑底隆起、挡土构件嵌固段推移、锚杆与土钉拔动、支护结构倾覆与滑移、基坑土的渗透变形等稳定性计算和验算，应符合下式要求：

式中：Rk──抗滑力、抗滑力矩、抗倾覆力矩、锚杆和土钉的极限抗拔承载力等土的抗力标准值；Sk──滑动力、滑动力矩、倾覆力矩、锚杆和土钉的拉力等作用标准值的效应；

K──稳定性安全系数。正常使用极限状态

由支护结构的位移、基坑周边建筑物和地面的沉降等控制的正常使用极限状态设计，应符合下式要求：

式中：Sd──作用标准组合的效应（位移、沉降等）设计值；

C──支护结构的位移、基坑周边建筑物和地面的沉降的限值。基坑设计的主要内容

支护体系的方案比较与选型；支护结构的强度、稳定和变形计算；基坑内外土体的稳定性验算；地下水控制设计；

施工程序设计；周边环境保护措施；支护结构质量检测和开挖监控项目及报警要求。基坑设计应具备的资料

岩土工程勘察报告；建筑总平面图、地下管线图、地下结构平面和剖面图；土建设计和施工对基坑支护结构的要求；邻近建筑物和地下设施的类型、分布情况和结构质量的检测评价。3.5悬臂式围护结构内力分析（排桩、板桩）计算简图（均质土）排桩变位净土压力分布简化处理后的净土压力分布静力平衡法基本原理：随着板桩的入土深度的变化，作用在板桩两侧的净土压力分布也随之发生变化，当作用在板桩两侧的净土压力相等时，板桩处于平衡状态，此时所对应的板桩的入土深度即是保证板桩稳定的最小入土深度。根据板桩的静力平衡条件可以求出该深度。t土压力计算（朗肯土压力理论）确定板桩入土深度t

基坑底土压力thDz1z2pah地面超载thDz1z2pah确定净土压力p=0的深度DthDz1z2pah确定深度h+z1及h+t

处的净土压力确定最小入土深度t

当板桩入土深度达到最小入土深度t时，应满足作用在板桩上的水平力之和等于0，各力距任一点力矩之和等于0的静力平衡条件，建立静力平衡方程，可以求得未知量z2及板桩最小入土深度t：求解上述联立方程，可以得到未知值z2，t（也可以采用试算法计算），为安全起见，计算得到的t值还需乘以1.1的安全系数作为设计入土深度，即实际的入土深度=1.1t。板桩内力计算计算板桩最大弯矩时，根据在板桩最大弯矩作用点剪力等于0的原理，可以确定发生最大弯矩的位置及最大弯矩值。对于均质无粘性土（c=0，q0=0），根据图示关系，当剪力为0的点位于基坑底面以下深度b时，则有：解出b后，即可求得Mmax：hbz1布鲁姆法（均质土）基本原理：布鲁姆法以一个集中力Ep’代替板桩底出现的被动土压力，根据该假定建立静力平衡方程，求出入土深度及板桩内力。计算板桩入土深度t

对板桩底C点取力矩，由ΣMc=0得到：OhtluE’pEpE4E1E2E3ΣPCxxma在均质土条件下，净土压力为0的O点深度可根据墙前与墙后土压力强度相等的条件算出（不考虑地下水及顶面均布荷载的影响，c=0，q0=0）：代入前式求解方程后可求得未知量x，板桩的入土深度按下式计算：t=u+1.2x为便于计算，建立了一套图表，利用该图表，可用图解法确定未知量x值，其顺序如下：令中间变量：再令：根据求出的m、n值，查图表确定中间变量ξ，从而求得：

x=ξ·l，t=u+1.2x内力计算最大弯矩发生在剪力Q=0处，如图设O点以下xm处的剪力Q=0，则有：最大弯矩：OhtluE’pEpE4E1E2E3ΣPCxxma例题1：某悬臂板桩围护结构如图示，试用布鲁姆法计算板桩长度及板桩内力。6mluE3E1E2ΣPaq=10kN/m2c=0φ=34°γ=20kN/m3解：①板桩长度查表，ξ=0.67，x=ξl=0.67×6.57=4.4mt=1.2x+u=1.2×4.4+0.57=5.85m板桩长=6+5.85=11.85m，取12m。②计算最大弯矩8.6单支点围护结构内力分析（排桩、板桩）顶端支撑的排桩结构，有支撑的支撑点相当于不能移动的简支点，埋入地中的部分，则根据入土深度，浅时为简支，深时为嵌固。在确定板桩的入土深度时，太浅则跨中弯矩比较大，较深时则不经济。比较合理的入土深度为下图所示的第3种状态所处的入土深度。一般按该种状态确定板桩的入土深度t。EaEptminEaEpt1tmaxEaEpEp’t2EaEpEp’(a)(b)(c)(d)内力计算方法（均质土）静力平衡法（埋深较浅，下端铰支，前图a计算图式）根据图示所示静力平衡体系，根据A点的力矩平衡方程及水平方向的力平衡方程，可以得到两个方程：根据上述方程求解出板桩的入土深度t及反力R

htREpEaAd对支撑A点取力矩平衡方程：由水平方向的静力平衡方程：根据剪力为0的条件，可以求得最大弯矩的位置：板桩截面最大弯矩：等值梁法基本原理：将板桩看成是一端嵌固另一端简支的梁，单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩分布如图所示，如果在弯矩零点位置将梁断开，以简支梁计算梁的内力，则其弯矩与整梁是一致的。将此断梁称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙，弯矩零点位置与净土压力零点位置很接近，在计算时可以根据净土压力分布首先确定出弯矩零点位置，并在该点处将梁断开，计算两个相连的等值简支梁的弯矩。将这种简化方法称为等值梁法。RaABBQBQBGE’pBGhtREaE’pEa2Ah0aDBGCuxΔxt0γ(kp-ka)x计算步骤计算净土压力分布根据净土压力分布确定净土压力为0的B点位置，利用下式算出B点距基坑底面的距离u（c=0，q0=0）：计算支撑反力计算支撑反力Ra及剪力QB。以B点为力矩中心：以A点为力矩中心：计算板桩的入土深度由等值梁BG取G点的力矩平衡方程：可以求得：

板桩的最小入土深度：t0=u+x，考虑一定的富裕可以取：t=(1.1~1.2)t0求出等值梁的最大弯矩根据最大弯矩处剪力为0的原理，求出等值梁上剪力为0的位置，并求出最大弯矩Mmax。注意：以上两种情况计算出的支撑力（锚杆拉力）为单位延米板桩墙上的数值，如支撑（锚杆）间距为a，则实际支撑力（锚杆拉力）为aR。工程实践中，可按以下经验关系粗略确定正负弯矩转折点B的位置（即u的深度）。设基坑深度为h，地面均布荷载为q，基坑底面以下土体的内摩擦角为φ，等效基坑深度为：h’=h+q/γ单支撑板桩的计算，是以板桩下端为固定的假设进行的，对于埋入粘性土中的板桩，只有粘性土相当坚硬时，才可以认为底端固定，因此，其计算假定与一般实际情况仍有差异。但等值梁法计算结果偏于安全，方法简单，特别适合于非粘性土地基中的支护结构计算。例题2：某单支撑板桩围护结构如图示，试用等值梁法计算板桩长度及板桩内力。1m9.0muEaaq=28kN/m2c=6kPaφ=20°γ=18kN/m3xx0Ra解：①土压力计算②u的计算③Ra、QB的计算④入土深度t的计算取t=13.0m，板桩长=10+13=23m⑤内力计算求Q=0的位置x08.7多支点围护结构计算方法简介连续梁法基本原理：将排桩支护看成多支点支撑的连续梁计算步骤（以三道支撑为例）AABABABCDC(a)(b)(c)(d)(1)设置第一道支撑A之前的开挖阶段（图a）按下端嵌固在土中的悬臂桩墙计算。(2)设置第二道支撑B之前的开挖阶段（图b）按板桩墙为两个支点的静定梁计算，两个支点分别为A及土中净土压力为0的一点。(3)设置第三道支撑C之前的开挖阶段（图c）按板桩墙为具有三个支点的连续梁计算，三个支点分别为A、B及土中净土压力为0的一点。(4)浇筑底板以前的开挖阶段按板桩墙为具有四个支点三跨的连续梁计算。支撑荷载1/2分担法基本原理：墙后主动土压力分布采用太沙基—佩克假定，按1/2分担的概念计算支撑反力和排桩内力。l1l2l3l4l5R1R2R3R