《地基与基础》-项目3

任务3.1土压力计算一、土压力的类型根据挡土墙的位移情况和墙后土体所处的应力状态，可将土压力分为以下三种。1．主动土压力当挡土墙向离开土体方向偏移至墙后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为主动土压力，用Ea表示，如图3-1（a）所示。2．被动土压力当挡土墙在外力作用下向土体方向偏移至墙后土体达到极限平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为被动土压力，用Ep表示，如图3-1（b）所示。上一页下一页返回任务3.1土压力计算拱桥桥台在桥上荷载作用下挤压土体并产生一定量的位移，则作用在台背上的侧压力属于被动土压力。3．静止土压力当挡土墙静止不动，墙后土体处于弹性平衡状态时，作用在墙背上的土压力称为静止土压力，用E0表示，如图3-1（c）所示。地下室外墙、地下水池侧壁、涵洞的侧壁以及其他不产生位移的挡土构筑物均可按静止土压力计算。静止土压力犹如半空间弹性变形体在土的自重作用下无侧向变形时的水平侧压力，如图3-1（c）所示。上一页下一页返回任务3.1土压力计算故填土表面下任意深度h处的静止土压力可按下式计算：E0的作用点在距离墙底h/3处，即静止土压力强度分布图形的形心处。上述三种土压力与挡土墙位移的关系如图3-2所示。实验研究表明，产生被动土压力所需的位移量

比产生主动土压力所需的位移量

要大得多。在相同的条件下，主动土压力小于静止土压力，而静止土压力小于被动土压力，即Ea＜E0＜Ep。上一页下一页返回任务3.1土压力计算二、朗肯土压力理论1．基本假定朗肯（RanKine，1857）土压力理论是根据弹性半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法，其基本假设如下：（1）墙背竖直光滑，与填土间无摩擦力；（2）墙后填土表面水平。2．主动土压力计算如图3-3所示，主动土压力强度和主动土压力可按下式计算：黏性土上一页下一页返回任务3.1土压力计算作用方向水平，作用点距墙基

。无黏性土Ea作用方向水平，作用点距墙基h/3。3．被动土压力计算如图3-4所示，被动土压力强度和被动土压力可按下式计算：上一页下一页返回任务3.1土压力计算黏性土无黏性土被动土压力

通过三角形或梯形压力分布图的形心，形心位置可通过一次求矩得到。上一页下一页返回任务3.1土压力计算三、库仑土压力理论1．基本假定（1）墙后填土是理想的散粒体（黏聚力c=0）；（2）滑动破裂面为通过墙踵的平面。库仑土压力理论适用于砂土或碎石填料的挡土墙，可考虑墙背倾斜、填土面倾斜以及墙背与填土的摩擦等多种因素的影响。分析时按平面问题考虑，一般沿长度方向取1m考虑。2．主动土压力计算如图3-5所示，由力的平衡条件可得上一页下一页返回任务3.1土压力计算当墙背垂直(ε=0)、光滑(δ=0)、填土面水平(β=0)时，式（3-11）变为

。由此可见，在上述条件下，库仑主动土压力公式与朗肯主动土压力公式相同，说明朗肯理论是库仑理论的一个特例。3．被动土压力计算上一页下一页返回任务3.1土压力计算如图3-6所示，由平衡条件可得：当墙背垂直(ε=0)、光滑(δ=0)、填土面水平(β=0)时，式（3-13）变为由此可见，在上述条件下，库仑被动土压力公式与朗肯被动土压力公式也相同，再次说明朗肯理论是库仑理论的一个特例。上一页返回任务3.2基坑稳定分析一、基坑工程的设计原则（一）基坑支护结构的安全等级《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）根据破坏后果的严重程度，将支护结构划分为三个安全等级，见表3-1。（二）支护结构的极限状态支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。支护结构的极限状态可分为以下两类：1．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而破坏，或因过度变形而不适于继续承受荷载，或出现压屈、局部失稳；下一页返回任务3.2基坑稳定分析（2）支护结构及土体整体滑动；（3）坑底土体隆起而丧失稳定；（4）对支挡式结构，坑底土体丧失嵌固能力而使支护结构推移或倾覆；（5）对锚拉式支挡结构或土钉墙，土体丧失对锚杆或土钉的锚固能力；（6）重力式水泥土墙整体倾覆或滑移；（7）重力式水泥土墙、支挡式结构因其持力层丧失承载能力而破坏；（8）地下水渗流引起的土体渗透破坏。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析2．正常使用极限状态（1）造成基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路等损坏或影响其正常使用的支护结构位移；（2）因地下水位下降、地下水渗流或施工因素而造成基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路等损坏或影响其正常使用的土体变形；（3）影响主体地下结构正常施工的支护结构位移；（4）影响主体地下结构正常施工的地下水渗流。二、支护结构的选型（一）支护结构的选型要求支护结构选型时，应综合考虑下列因素：上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（1）基坑深度；（2）土的性状及地下水条件；（3）基坑周边环境对基坑变形的承受能力及支护结构一旦失效可能产生的后果；（4）主体地下结构及其基础形式、基坑平面尺寸及形状；（5）支护结构施工工艺的可行性；（6）施工场地条件及施工季节；（7）经济指标、环保性能和施工工期。（二）各类支护结构及其适用条件上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析基坑支护结构可根据基坑工程等级、工程地质、水文地质条件以及周围环境条件采用合理的支护结构形式。目前，常用的支护结构包括支挡式结构、土钉墙、重力式水泥土墙、放坡。1．支挡式结构以挡土构件和锚杆或支撑为主要构件，或以挡土构件为主要构件的支护结构，称为支挡式结构，有如下几种形式：（1）锚拉式支挡结构：以挡土构件和锚杆为主要构件的支挡式结构，如图3-16所示。锚杆通常有地面锚杆和土层锚杆两种，如图3-17所示。地面锚杆需要有足够的场地设置锚桩或其他锚杆装置。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析土层锚杆因需要土层提供较大的锚固力，不宜用于软黏土地层中。（2）支撑式支挡结构：以挡土构件和支撑为主要构件的支挡式结构，如图3-18所示。内支撑结构可选用钢支撑、混凝土支撑、钢与混凝土的混合支撑。内支撑体系可分为水平支撑和斜支撑。根据不同的开挖深度，又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑，分别如图3-19（a）、（b）、（c）所示。当基坑平面面积较大，而开挖深度不大时，宜采用单层斜支撑，如图3-19（d）所示。（3）悬臂式支挡结构：以顶端自由的挡土构件为主要构件的支挡式结构，如图3-20所示。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（4）双排桩：沿基坑侧壁排列设置的由前、后两排支护桩和梁连接成的刚架及冠梁所组成的支挡式结构，如图3-21所示。2．土钉墙由随基坑开挖分层设置的、纵横向密布的土钉群、喷射混凝土面层及原位土体所组成的支护结构，如图3-22所示。3．重力式水泥土墙水泥土桩相互搭接成格栅或实体的重力式支护结构，如图3-23所示，平面布置有密排式和格构式两种。4．放坡上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析放坡开挖是指选择合理的坡比进行开挖。有时为了增加边坡稳定性和减少土方量，常采用简易支护，如图3-24所示；或采用放坡和支护结构的组合形式，如图3-25所示。各类支护结构的适用条件，见表3-2。三、基坑支护结构的设计（一）支挡式结构设计1．分析方法（1）锚拉式支挡结构，可将整个结构分为挡土结构、锚拉结构分别进行分析。挡土结构宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（2）支撑式支挡结构，可将整个结构分解为挡土结构、内支撑结构分别进行分析；挡土结构宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析；内支撑结构可按平面结构进行分析。（3）悬臂式支挡结构、双排桩支挡结构，宜采用平面杆系结构弹性支点法进行结构分析。2．排桩设计（1）排桩的桩型与成桩工艺与桩所穿过的土层性质、地下水条件和基坑周边环境要求等有关，可选择混凝土灌注桩、型钢桩、钢板桩、型钢水泥土搅拌桩等。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（2）矩形截面混凝土支护桩的正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力应按现行国家标准《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010—2010）的有关规定进行计算。（3）型钢、钢管、钢板支护桩的受弯、受剪承载力应按现行国家标准《钢结构设计规范》（GB50017—2003）的有关规定进行计算。（4）采用混凝土灌注桩时，应符合下列要求：①桩身混凝土强度等级不宜低于C25；纵向受力钢筋宜选用HRB400、HRB335级钢筋，单桩的纵向受力钢筋不宜少于8根，净间距不应小于60mm。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析②箍筋可采用螺旋式箍筋，箍筋直径不应小于纵向受力钢筋最大直径的1/4，且不应小于6mm，箍筋间距宜取100～200mm，且不应大于400mm及桩的直径。③纵向受力钢筋的保护层厚度不应小于35mm；采用水下灌注混凝土工艺时，不应小于50mm。④对悬臂式排桩，锚拉式排桩或支撑式排桩，支护桩的桩径分别宜大于或等于600mm、400mm；排桩的中心距不宜大于桩直径的2倍。3．地下连续墙设计上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（1）地下连续墙的正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力应按现行国家标准《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010—2010）的有关规定进行计算。（2）地下连续墙的墙体厚度宜按成槽机的规格，选取600mm、800mm、1000mm或1200mm。（3）一字形槽段的长度宜为4～6m。（4）地下连续墙的转角处或有特殊要求时，单元槽段可采用L形或T形。（5）地下连续墙的混凝土强度等级宜取C30～C40。用于截水时，墙体混凝土的抗渗等级不宜低于P6。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（6）纵向受力钢筋宜采用HRB335级或HRB400级钢筋，直径不宜小于16mm，净间距不宜小于75mm。（7）水平钢筋及构造钢筋直径不宜小于12mm，水平钢筋间距宜取200～400mm。（8）纵向受力钢筋的保护层厚度，在基坑内侧不宜小于50mm，在基坑外侧不宜小于70mm。（9）纵向受力钢筋应沿墙身每侧均匀配置，可按内力大小沿墙体纵向分段配置，且通长配筋的纵向钢筋不应小于50%。（10）地下连续墙墙顶应设置混凝土冠梁，冠梁宽度不宜小于墙厚，高度不宜小于墙厚的0.6倍。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析钢筋应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范（2015年版）》（GB50010—2010）对梁的构造配筋要求。4．锚杆设计（1）锚杆的布置。①锚杆的水平间距不宜小于1.5m。多层锚杆，其竖向间距不宜小于2.0m。②锚杆锚固段的上覆土层厚度不宜小于4.0m。③锚杆倾角宜取15°～25°，且不应大于45°，不应小于10°。④当锚杆穿过的地层上方存在天然地基的建筑物或地下构筑物时，宜避开易塌孔、变形的地层。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（2）钢绞线锚杆、普通钢筋锚杆。钢绞线锚杆、普通钢筋锚杆的构造符合下列要求：①锚杆成孔直径宜取100～150mm。②锚杆自由段的长度不应小于5m，且穿过潜在滑动面进入稳定土层的长度不应小于1.5m。土层中锚杆锚固长度不宜小于6m。③在自由段应设置隔离套管。④锚杆杆体的外露长度应满足腰梁，台座尺寸及张拉锁定的要求。⑤普通钢筋锚杆的杆体宜选用HRB335、HRB400级螺纹钢筋。⑥注浆应采用水泥浆或水泥砂浆，注浆固结强度不宜低于20MPa。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（3）腰梁。锚杆腰梁可采用型钢组合梁或混凝土梁，应根据实际约束条件按连系梁或简支梁计算。5．支护结构与主体结构的结合（1）支护结构的地下连续墙与主体地下结构外墙相结合。①单一墙地下连续墙独立作为主体结构外墙，如图3-26（a）所示。永久使用阶段应按地下连续墙承担全部外墙荷载进行设计。②复合墙地下连续墙作为主体结构外墙的一部分，其内侧设置混凝土衬墙，如图3-26（b）所示。二者之间的结合面按不承受剪力进行构造设计，永久使用阶段水平荷载作用下的墙体内力按地下连续墙与衬墙的刚度比例进行分配。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析③叠合墙地下连续墙作为主体结构外墙的一部分，其内侧应设置混凝土衬墙，如图3-26（c）所示。二者之间的结合面应按承受剪力进行连接构造设计，永久使用阶段地下连续墙与衬墙应按整体考虑，外墙厚度取地下连续墙与衬墙厚度之和。（2）支护结构的水平支撑与主体地下结构水平构件相结合。支护阶段用作支撑的主体结构的楼盖应符合下列要求：①当主体地下楼盖兼作施工平台时，应按水平和竖向荷载同时进行计算。②同层楼板面存在高差的部位，应验算该部位的抗弯、抗剪、抗扭承载力，必要时，应设置可靠的水平向转换结构或临时支撑。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析③对结构楼板的洞口及车道开口部位，当洞口两侧的梁板不能满足传力要求时，应在缺少结构楼板处设置临时支撑。④各楼盖设结构分缝或后浇带处，应设置水平传力构件，其承载力通过计算确定。（3）支护结构的竖向支承立柱与主体地下结构竖向构件相结合。支护阶段立柱应符合下列要求：①立柱的承载力与沉降计算时，立柱的荷载包括支护阶段施工的主体结构自重及其所承受的施工荷载，按其安装的垂直允许偏差计入竖向荷载偏心的影响。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析②在主体结构底板施工前，立柱基础之间及立柱与地下连续墙之间的差异沉降不宜大于20mm，也不宜大于柱距1/400。（二）土钉墙设计1．土钉墙构造（1）土钉墙、预应力锚杆复合土钉墙的坡度不宜大于1∶0.2。（2）土钉的水平间距和竖向间距宜为1～2m；当基坑较深、土的抗剪强度较低时，土钉间距应取小值。（3）土钉的倾角宜为5°～20°。（4）成孔注浆型钢筋土钉成孔直径宜取70～120mm；钢管土钉的外径不宜小于48mm，壁厚不宜小于3mm。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析（5）土钉墙高度不大于12m时，喷射混凝土面层厚度宜取80～100mm，喷射混凝土设计强度等级不宜低于C20，面层中应配置钢筋网和通长的加强钢筋。2．土钉墙的承载力验算土钉墙的承载力验算，一般包括土钉抗拉承载力验算和土钉墙整体稳定验算两部分。四、基坑稳定性分析（一）基坑稳定性分析的目的对有支护的基坑进行土体稳定分析，是基坑工程设计的重要环节之一。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析基坑稳定分析的目的是确定基坑侧壁支护结构在给定条件下合理嵌固深度，或验算拟定支护结构设计的稳定性。（二）基坑稳定性分析的方法基坑稳定分析的方法主要有工程地质对比法和力学分析法，两种方法互相补充和相互验证，对具体问题应通过综合分析得出最后结论。1．工程地质对比法工程地质对比法是通过大量已有工程的调查研究，结合拟设计项目的地质条件来确定支护结构的嵌固深度。这种方法比较可靠，但必须在相应条件基本一致的情况下才能使用。2．力学分析法上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析力学分析法是以土力学理论为基础，解决土坡稳定性问题的有效方法。由于实际地质条件很复杂，不能简单运用力学分析来加以概括，因此，该方法具有局限性。（三）基坑稳定性分析的内容1．整体稳定性分析采用圆弧滑动法验算支护结构和地基的整体抗滑动稳定性时，应注意支护结构一般有内支撑或外锚拉结构且墙面垂直的特点，不同于边坡稳定性验算的圆弧滑动。有支护的滑动面的圆心一般靠近基坑内侧附近，应通过试算确定最危险的滑动面和最小安全系数。上一页下一页返回任务3.2基坑稳定分析2．支护结构踢脚稳定性分析验算最下道支撑以下的主、被动土压力区内的压力绕最下道支撑支点的转动力矩是否平衡。在坑内墙前极限被动土压力计算