基坑支护计算

第6章 基坑工程

§6-1 概述

一、 基坑工程的概念及特点

基坑工程：建（构）筑物基础工程或其他地下工程施工中所进行基坑开挖、降水、支护和土体加固以及监测等综合性工程。

何谓深基坑工程?苔罗阿尼先生认为:在开挖深度不到6ｍ时,单凭经验施工也不会遭到失败,即使地基土质略差,用一般方法也能安全施工。在设计中过分保守是不经济的。另外,如果深度大于6ｍ,需要涉及到土力学方面的一些问题－深基坑。

基坑工程的特点：

(1)深基坑工程具有很强的区域性

岩土工程区域性强,岩土工程中的深基坑工程,区域性更强。如黄土地基、砂土地基、软粘土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中,基坑工程差异性很大。即使是同一城市不同区域也有差异。正是由于岩土性质千变万化,地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性,往往造成勘察所得到的数据离散性很大,难以代表土层的总体情况,且精确度很低。因此,深基坑开挖要因地制宜,根据本地具体情况,具体问题具体分析,而不能简单地完全照搬外地的经验。

(2)深基坑工程具有很强的个性

深基坑工程不仅与当地的工程地质条件和水文地质条件有关,还与基坑相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的位置、抵御变形的能力、重要性以及周围场地条件有关。因此,对深基坑工程进行分类,对支护结构允许变形规定统一的标准是比较困难的,应结合地区具体情况具体运用。

(3)基坑工程具有很强的综合性

深基坑工程涉及土力学中强度(或称稳定)、变形和渗流3个基本课题,三者融溶一起需要综合处理。有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性问题是主要矛盾,有的土中渗流引起土破坏是主要矛盾,有的基坑周围地面变形是主要矛盾。深基坑工程的区域性和个性强也表现在这一方面。同时,深基坑工程是岩土工程、结构工程及施工技术相互交叉的学科,是多种复杂因素相互影响的系统工程,是理论上尚待发展的综合技术学科。

(4)深基坑工程具有较强的时空效应

深基坑的深度和平面形状,对深基坑的稳定性和变形有较大影响。在深基坑设计中,要注意深基坑工程的空间效应。土体蠕变体,特别是软粘土,具有较强的蠕变性。作用在支护结构上的土压力随时间变化,蠕变将使土体强度降低,使土坡稳定性减小,故基坑开挖时应注意其时空效应。

(5)深基坑工程具有较强的环境效应

深基坑工程的开挖,必将引起周围地基中地下水位变化和应力场的改变,导致周围地基土体的变形,对相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响。影响严重的将危及相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常使用。大量土方运输也对交通产生影响。所以应注意其环境效应。

(6)深基坑工程具有较大工程量及较紧工期

由于深基坑开挖深度一般较大,工程量比浅基坑增加很多。抓紧施工工期,不仅是施工管理上的要求,它对减小基坑变形,减小基坑周围环境的变形也具有特别的意义。

(7)深基坑工程具有很高的质量要求

由于深基坑开挖的区域也就是将来地下结构施工的区域,甚至有时深基坑的支护结构还是地下永久结构的一部分,而地下结构的好坏又将直接影响到上部结构,所以,必须保证深基坑工程的质量,才能保证地下结构和上部结构的工程质量,创造一个良好的前提条件,进而保证整幢建筑物的工程质量。另一方面,由于深基坑工程中的挖方量大,土体中原有天然应力的释放也大,这就使基坑周围环境的不均匀沉降加大,使基坑周围的建筑物出

专业整理分享

WORD完美资料编辑

现不利的拉应力,地下管线的某些部位出现应力集中等,故深基坑工程的质量要求高。

(8)深基坑工程具有较大的风险性

深基坑工程是个临时工程,安全储备相对较小,因此风险性较大。由于深基坑工程技术复杂,涉及范围广,事故频繁,因此在施工过程中应进行监测,并应具备应急措施。深基坑工程造价较高,但有时临时性工程,一般不愿投入较多资金,一旦出现事故,造成的经济损失和社会影响往往十分严重。

(9)深基坑工程具有较高的事故率

深基坑工程施工周期长,从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程,常常经历多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件,安全度的随机性较大,事故的发生往往具有突发性。

从以上各方面综合看,我国目前深基坑工程存在的主要问题有:

①深基坑技术有待尽快发展提高当前,深基坑工程以深、大、复杂为特点,特别是沿海地区,地下水位较高,深基坑工程施工工艺的改进等问题,均有待进一步的研究与发展。

②深基坑工程设计质量较低一些部门认为深基坑工程是施工部门的事,无需设计资质,设计院及岩土工程部门介入较少,设计大多由施工单位自己完成,但由于设计人员技术水平、参数取值、计算方法无章可循,使一些工程隐患较大,导致发生严重工程事故。

③深基坑工程缺乏理论研究与计算目前,深基坑工程多是边开挖边实践边摸索,往往靠经验来进行,缺乏成熟的技术规范的指导,仍然靠半经验半理论的方法解决问题。

④不必要的浪费有的深基坑工程为了避免事故发生,往往一开始就支护不考虑墙的受力和变形,全面支护,盲目增加安全系数,造成很大浪费。

⑤施工混乱管理不严少数施工单位不具备技术条件,人力、物力等基本素质较差,为了追求利润或迁就业主,降低安全度。

⑥质量检验不完善深基坑工程的质量检验、验收的方法无章可循,给深基坑工程的质量监督和质量评价带来困难,没有针对深基坑工程特点建立竣工验收的质量管理体系。

⑦不注重工程勘察深基坑工程的工程勘察工作十分重要,但许多勘察单位常常忽略对基坑环境地质的勘察,专门针对深基坑工程的地质及水文地质的勘察不够,以至给设计和施工带来隐患。

⑧施工过程中的监理不够,不能做到随时监测。

⑨目前,监理工作在人力、物力等方面还不适应深基坑工程的特殊要求。 ⑩缺乏地域性规范、规程及标准。

二、 基坑支护结构的类型及适用条件

1． 放坡开挖及简易支护 2． 悬臂式支护结构 3． 水泥土桩墙支护结构 4． 内撑式支护结构 5． 拉锚式支护结构 6． 土钉墙支护结构 7． 其他支护结构：

双排桩支护结构 连拱式支护结构

加筋水泥土拱墙支护结构 地下连续墙等

三、 基坑支护工程设计原则和设计内容

原则： 1． 安全可靠 2． 经济合理性

3． 施工便利并保证工期

设计内容

1． 基坑内建筑场地勘察和基坑周边环境勘察

专业整理分享

WORD完美资料编辑

2． 支护体系方案技术经济比较和选型

3． 支护结构的强度稳定和变形以及基坑内外土体稳定性验算 4． 基坑降水和止水帷幕设计以及支护墙的抗渗设计 5． 基坑开挖施工方案和施工检测设计 四、 作用于支护结构上的土压力等荷载计算

通常用朗肯土压力理论计算 土压力经验分布图

专业整理分享

WORD完美资料编辑

§6-2 排桩、地下连续墙支护结构

概述：

基坑开挖时，对不能放坡或由于场地限制不能采用搅拌桩支护，开挖深度在6~10m左右时，即可采用排桩支护。排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩等。

排桩支护结构可分为： 1．柱列式排桩支护结构 2．连续排桩支护结构 3．组合式排桩支护结构

按基坑开挖深度及支挡结构受力情况分： 1．无支撑（悬臂式）支护结构 2．单支撑结构

3．多支撑结构：大直径钻孔桩，采用深层搅拌桩防水，多道支撑或中心岛施工法，开挖深度可达13m。

地下连续墙 采用特制的成槽机械在泥浆护壁下，逐段开挖出沟槽并浇注钢筋混凝土板而形成。

作用：挡水、止水、可作地下结构外墙，开挖深度可大于10m。

优点：具有刚度大整体性好振动噪音小，可逆作法施工以及适用各种地质条件等 缺点：废泥浆不好处理、造价较高。

6-2-1 悬臂式排桩支护的计算

悬臂板桩的变位及土压力分布图

a) 变位示意图 b)土压力分布实际图形 c)悬臂板桩计算图式 d)Blum计算图式

板桩将绕基坑底以下某点b点旋转。

b点处墙体无变位，故受到大小相等、方向相反的二力（静止土压力）作用，其净压力为０。 b点以上墙体向左移，

左侧：被动土压力 右侧：主动土压力 b点以下墙体向右移

左侧：主动土压力 右侧：被动土压力

因此作用在墙体上各点的净土压力为各点两侧的被动土压力和主动土压力之差。

简化之后

可根据静力平衡条件计算板桩的入土深度和内力；、 H.Blum简化计算方法。

专业整理分享

WORD完美资料编辑

一、 静力平衡法 静力平衡法计算悬臂板桩 １．计算板桩墙前后的土压力分布 第n层土底面对板桩墙的主动土压力为

neanqnihitan245n2Cntan45n

22i1 第n层土底面对板桩墙的被动土压力为

neanqnihitan245n2Cntan45n

22i1２．建立并求解静力平衡方程，求得板桩入土深度

1) 计算桩墙后主动土压力ea3及墙前被动土压力ep3，然后进行迭加，求出第一个土

压力为０的点d，该点离坑底的距离为u ；

Kpu2cKpKa(uh)2cKau

2) 计算d点以上土压力合力Ea，求出Ea至d点的距离y； 3) 计算d点处墙前主动土压力ea1及墙后被动土压力ep1； 4) 计算桩底墙前主动土压力ea2及墙后被动土压力ep2；

5) 根据作用在挡墙结构上的全部水平作用力平衡条件和绕挡墙底部自由端力矩总和

为0的条件可得：

t0zEeeeeee0 ，H0ap3a3p2a2p3a322t0t0zzEtyeeeeee0 ，M0a0p3a3p2a2p3a32323整理后得t0的四次方程：

t40ep1ea126Eayep1ea14Ea6Eatt22yep1ea1t002308Ea20 专业整理分享

WORD完美资料编辑

tan245n22解得t0并求得tu1.1~1.4t0

式中ntan452n ３．计算板桩最大弯矩

板桩墙最大弯矩的作用点，即结构断面剪力为零的点。对于均质无粘性土，如上图所示，剪力为零的点在基坑下深度为b时，即有：

hbK0 b2Kpa222由上式解得b后，即可求得最大弯矩

hbhbbb2KaKphb3Kab3Kp Mmax323262

二、布鲁姆(Blum)法

布鲁姆(Blum)建议以图d代替c，即原来桩脚出现的被动土压力以一个集中力Ep代替，计算简图如下： １． 求桩插入深度

如图所示，对桩底C点取矩，则有

Mc0即

式中EpKaKpx代入(1)得

P(lxa)Epx。。。。。。。。(1) 0。

3xKaKpx2 22P(lxa)化简后得 式中

6KaKpx30

x3KaKp6Px6PlaKaKp0。。。。。。。。。。。。。(2)

P：主动土压力、水压力的合力

专业整理分享

WORD完美资料编辑

a ：P合力距地面的距离

lhu

u ：土压力零点距坑底的距离，可根据净土压力零点处墙前被动土压力强度与墙后

主动土压力强度相等的关系求得，即：KpuKahu

uKah

KaKp从式(2)的三次式试算求出x值，板桩的插入深度

tu1.2x

布鲁姆的简化计算：

6P6aPx3(1) 令，代入式(2)可得2 13llKaKplKaKp(2) 再令ml2KaKp6P，nl3KaKp6aP则上式变成m1n

3(3) m,n值易确定，与荷载及板桩的长度有关。求出m,n后在下图中连一直线并延长

即可得值，同时由于xl得出x值。

(4) 桩的插入深度tu1.2xu1.2l

２． 求最大弯矩

最大弯矩在剪力Q0处，设从O点往下xm处

Q0，则有

Pxm2Ka2Kpxm0

KaKp2P

最大弯矩：

MmaxP(lxma)3KaKpxm6

求出最大弯矩后，对钢板桩可以核算断面尺寸，对灌注桩可以核定直径及配筋计算。

三、弹性线法 四、基床系数法 “m”, “K”

专业整理分享

WORD完美资料编辑

6-2-2 单支点桩、墙计算

顶端支撑的支护结构，铰接的简支点； 桩埋入土内部分：入土浅时为简支； 入土深则为嵌固； （1） 支护桩入土深度较浅，支护桩前的被动土压力全部发挥，对支撑点的主动土压力的力

矩和被动土压力的力矩相等(如图)。此时墙体处于极限平衡状态，由此得出的跨间正弯矩Mmax其值最大，但入土深度最浅为tmin。此时其墙前的被动土压力全部被利用，墙的底端可能有少许向左位移的现象发生。 （2） 支护桩入土深度增加，大于tmin时，则桩前的被动土压力得不到充分发挥与利用，这

时桩底端仅在原位置转动一角度而不致有位移现象发生，这时桩底的土压力便等于零。未发挥的土压力可作为安全度。 （3） 支护桩入土深度继续增加时，墙前墙后都出现被动土压力，支护桩在土中处于嵌固状

态，相当于上端简支下端嵌固的超静定梁。它的弯矩已大大减小面出现正负二个方向和弯矩。其底端的嵌固弯矩M2的绝对值略小于跨间弯矩M1的数值，压力零点与弯矩零点约相吻合。 （4） 支护桩的入土深度进一步增加，这时桩的入土深度已嫌过深，墙前墙后的被动土压力

都不能充分发挥和利用，它对跨间弯矩的减小不起太大作用，因此支护桩入土深度过深是不经济的。 总结：第四种不经济； 第三种是目前常采用的工作状态，一般使用正弯矩为负弯矩的110%~115%作为设计依据。也有采用正负弯矩相等作为依据，此状态得出的桩虽较长，但弯矩小，可以选择较小的断面，同时入土较深，比较安全可靠。

第一、 二种，较小的埋深和较大的弯矩，第一种桩底可能有少许位移。 自由支撑比嵌固支撑受力明确，造价经济合理。 求解：桩的入土深度、支撑反力、跨中最大弯矩。

专业整理分享

WORD完美资料编辑

一、 入土较浅时单支点桩墙支护结构计算

原理：情况1－单支点自由端支护结构（支点铰支而下端自由），桩的右面为主动土压力，左侧为被动土压力，可采用下列方法确定桩的最小入土深度tmin和水平向每延米所需的支点力（或锚固力）R。

取支护单位长度，对A点取矩，由水平力平衡条件可得：

MA0，

MEa1MEa2MEp0 REa1Ea2Ep

最大弯矩：根据最大弯矩截面的剪力等于零条件求出最大弯矩截面的位置，然后求距。

二、 入土较深时单支点桩墙支护结构计算

原理：情况三－上端简支而下端嵌固的超静定梁。

方法：图解分析法（弹性线法，略），等值梁法（图解分析法的简化）。

图解分析法（弹性线法）略 等值梁法：

（1） 正负弯矩反弯点的确定（即右图B点的确定）。净土压力为零点的位置与弯矩零点位置很接近，假定两者重合。设其距基坑底面的距离为u，则可由下式算出：

Kpu2cKpKa(uh)2cKa

（2） 由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点的剪力QB

Ea(hua)

huh0E(ah0)QBa

huh0Ra（3） 由等值梁BG求算出板桩的入土深度，取

MG0，则

QBx6QB1KpuxKahuxx2x 6KaKptu1.1~1.4x

（4） 由等值梁AB求算出最大弯矩Mmax（对B点求矩）

专业整理分享

WORD完美资料编辑

§6-3 水泥土桩墙支护－深层搅拌桩

一、 概述

又称深层搅拌桩支护。深层搅拌桩是加固软土地基的一种新方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌机械将软土和固化剂（浆液或粉体）强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理－化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体。

适用：最适宜于各种成因的饱和软粘土，包括淤泥、淤泥质土、粘土和粉质粘土等。加固深度从数米到50~60m，因内最大深度可达15~18m。一般认为含有高岭石、多不高岭石与蒙脱石等粘土矿物的加固效果好；含伊利石、氯化物等粘性土以及有机质含量高、pH值较低的粘土加固效果差。

近年广泛被用于5~7m的深基坑围护结构。加筋可达15m以上。 二、 水泥土的加固机理与特性 水泥的水解和水化反应

粘土颗粒与水泥水化物的作用 碳酸化作用

三、 水泥土桩墙的计算

(一) 深层搅拌桩支护的设计原则与形式 (二) 水泥土桩墙的计算

1. 刚性自立式挡墙的破坏模式 2. 水泥土桩墙的计算

1) 抗滑稳定性验算 2) 抗倾覆稳定性验算 3) 整体稳定性验算 4) 墙体应力验算

5) 挡墙基底地基承载力验算 6) 抗渗计算

7) 水泥土桩墙水平位移的计算

四、 深层搅拌桩支护的施工要点

§6-4 土钉支护结构 §6-5 基坑稳定性分析

二、 概述

三、 基坑整体稳定性分析 四、 支护结构踢脚稳定性分析 五、 基坑底隆起稳定性分析 六、 基坑渗流稳定性分析

§6-6 地下水控制

一、 概述

二、 集水明排法 三、 降水法

轻型井点法 喷射井点法 管井井点法 深井泵井点法 四、 截水与回灌

专业整理分享