深基坑支護結構設計(1)

1、 補償性基礎，即以天然地面到建筑物基礎埋置深度之間的土體重量，來補償一部分建筑物的荷重，故高層基礎埋深均較大。但基礎埋深加大給施工帶來很多困難，尤其是在城市建筑物密集地區(qū)，施工現場附近有建筑物、道路和地下管線縱橫交錯，很多情況下不允許采用較經濟的放坡開挖，而需要在人工支護條件下進行基坑開挖，本章即要研究這個問題。 采用深基坑隨著基礎埋深加大給施工帶來很多困難，尤其在城市建筑物密集地區(qū)，施工場地的狹小，鄰近建筑物、道路和管線縱橫交錯，多數情況下不能放坡開挖，需要采用支護結構，這就是本章所要研究的問題。 CBO113Ocfctg 支護結構的設計和施工，影響因素眾多，不少高層建筑的支護結構費用已超過

2、工程樁基的費用。為此，對待支護結構的設計和施工均應采取極慎重的態(tài)度，在保證施工安全的前提下，盡量做到經濟合理和便于施工。 支護結構包括擋墻和支撐（或拉錨）兩部分。 檔墻或支撐中任何一部分的選型不當或產生破壞（包括變形過大），都會導致整個支護結構的失敗。 支護結構的型式 放坡開挖 懸臂式支護結構 內撐式支護結構 拉錨式支護結構 土釘墻支護結構 環(huán)梁護壁支護結構 其它形式支護結構一. 擋墻的選型（一） 鋼板樁 1.槽鋼鋼板樁 2. 熱軋鎖口鋼板樁（二） 鋼筋混凝土板樁（三） 鉆孔灌注樁擋墻（四） H型鋼支柱（或鋼筋混凝土樁支柱）（五） 地下連續(xù)墻（六） 深層攪拌水泥土樁擋墻（七） 旋噴樁帷幕墻 1

3、.槽鋼鋼板樁 由槽鋼并排或正反扣搭接組成。 槽鋼長68m，多用于深度不超過4m的基坑。 頂部宜設一道支撐或拉錨。 （一） 鋼板樁2 熱軋鎖口鋼板樁 其形式有U型、Z型、一字型、H型和組合型。 U型 Z型 一字型 該板樁截面帶企口，有一定的擋水作用，頂部設圈梁，用后不再拔除，永留地基土中。適于36m基坑，但應用較少。 （二）鋼筋混凝土板樁 常用6001000mm，是支護結構中應用最多的一種。宜形成排樁擋墻，頂部澆筑鋼筋混凝土圈梁。但施工難以做到相切，擋水效果差。（三） 鉆孔灌注樁擋墻 該類支護結構適用于土質較好、地下水位較低的地區(qū)。型鋼或支柱按一定間距打入，支柱間設木擋板或其它擋土設施。 地下連

4、續(xù)墻已是目前深基坑的主要支護結構之一。在地下結構層數多的深基坑的施工非常有利。地下連續(xù)墻常是采用“逆筑法”的支護結構的首選。 天津市的華聯(lián)商廈、紫金花園、鴻吉大廈、津匯廣場等很多工程均采用地下連續(xù)墻方法施工。 深層攪拌水泥土樁擋墻是用特制的進入土深層的深層攪拌機將噴出的水泥漿固化劑與地基土進行原位強制攪拌制成水泥土樁，相互搭接，硬化后即形成具有一定強度的壁狀擋墻，既可擋土又可形成隔水帷幕。 （ 六） 深層攪拌水泥土樁擋墻 旋噴樁帷幕墻是鉆孔后，將鉆桿從地基土深處逐漸上提，同時利用插入鉆桿端部的旋轉噴嘴，將水泥漿固化劑噴入地基土中，形成水泥土樁，樁體相連形成帷幕墻。 旋噴樁帷幕墻可用作支護結構擋

5、墻，也可用于擋水。（ 七） 旋噴樁帷幕墻 當基坑深度較大，懸臂擋墻的強度和變形不能滿足要求時，需增設支撐系統(tǒng)。 支撐系統(tǒng)有 基坑內支撐 基坑外拉錨（頂部拉錨土層錨桿拉錨） 常用的有 鋼結構支撐 鋼筋混凝土支撐二二. 支撐（拉錨）的選型支撐（拉錨）的選型1 鋼管支撐 對撐 （一） 鋼結構支撐1 鋼管支撐 角撐（一） 鋼結構支撐鋼管支撐示意圖鋼管支撐示意圖2 型鋼支撐 型鋼支撐主要采用H型鋼，用螺栓連接，為工具式鋼支撐，現場組裝方便，可重復使用。 有角撐、對撐、桁架式支撐，還有圓形、拱形和橢圓形等形狀的支撐。圓形支撐（二） 鋼筋混凝土支撐一. 支護結構的破壞形式和計算內容 支護結構可分為兩類： 重

6、力式支護結構 非重力式支護結構 重力式包括深層攪拌水泥土樁擋墻 旋噴樁帷幕墻 非重力式包括鋼板樁、鋼筋混凝土預制樁、鉆孔灌注樁擋墻、地下連續(xù)墻等。 包括 強度破壞 穩(wěn)定性破壞。 強度破壞（非重力式）強度破壞（非重力式） 1 拉錨破壞或支撐壓曲 地面荷載增加過多、（一）非重力式支護結構擋墻的破壞（一）非重力式支護結構擋墻的破壞土壓力過大使拉桿斷裂，或錨固失敗、腰梁破壞、內支撐受壓失穩(wěn)。強度破壞（非重力式） 2 支護墻體底部走動支護墻入土深度不夠或挖土過深以及水的沖刷均可產生這種破壞。需正確的計算入土深度 （一）非重力式支護結構擋墻的破壞（一）非重力式支護結構擋墻的破壞 3支護墻的平面變形過大或彎

7、曲破壞支護墻截面過小、土壓力估不準、墻后增大量地面荷載或挖土超深，需準確計算最大彎矩值以驗算截面。（一）非重力式支護結構擋墻的破壞（一）非重力式支護結構擋墻的破壞強度破壞（非重力式）非重力式支護結構的穩(wěn)定性破壞 1 墻后土體整體滑動失穩(wěn)拉錨的長度不夠、軟粘腿發(fā)生圓弧滑動，引起支護結構整體失穩(wěn)。 （一）非重力式支護結構擋墻的破壞（一）非重力式支護結構擋墻的破壞非重力式支護結構的穩(wěn)定性破壞2 擋墻傾覆3 坑底隆起如挖土深度大，由于卸土過多，在墻后土重及地面荷載作用下引起坑底隆起。（一）非重力式支護結構擋墻的破壞（一）非重力式支護結構擋墻的破壞非重力式支護結構的穩(wěn)定性破壞 4 管涌在砂土區(qū)，當地下水

8、較高坑較深時，在動水壓力作用下，地下水繞過支護墻連砂土一同涌入基坑。 （一）非重力式支護結構擋墻的破壞（一）非重力式支護結構擋墻的破壞 重力式支護結構的破壞包括 強度破壞 穩(wěn)定性破壞 其強度破壞只是水 泥土抗剪強度不足，產生剪切破壞，為 此需驗算最大剪應力處的墻身應力。 重力式支護結構的穩(wěn)定性破壞包括： 1. 傾覆 2. 滑移 3. 土體整體滑動失穩(wěn) 4. 坑底隆起 5. 管涌（一）支護結構承受的荷載 支護結構承受的荷載一般包括 土壓力 水壓力 墻后地面荷載引起的附加荷載。 1 土壓力 主動土壓力主動土壓力：若擋墻在墻后土壓力作用下向前位移時隨位移增大，墻后土壓力漸減小。當位移達某一數值時，土

9、體內出現滑裂面，墻后土達極限平衡狀態(tài)，此時土壓力稱為主動土壓力，以Ea表示。 Ea-滑裂面靜止土壓力靜止土壓力：若擋墻在土壓力作用下墻本身不發(fā)生變形和任何位移（移動或滑動），墻后填土處于彈性平衡狀態(tài)，則此時作用在擋墻上的土壓力成為靜止土壓力。以E0表示。E0(3)被動土壓力：若擋墻在外力作用下墻向墻背向移動，隨位移增大，墻所受土的反作用力漸增大，當位移達一定數值時，土體內出現滑裂面，墻后土處被動極限平衡狀態(tài)，此時土壓力稱為被動土壓力，以Ep表示。+外力Ep滑裂面 主動土壓力強度（無粘性土） 粘性土 aaaKcHKtgcHtgP2)245(2)245(2aaaKcHKtgcHtgP2)245(2

10、)245(2 對于粘性土按計算公式計算時，主動土壓力在土層頂部（H=0處）為負值，即)245(2tgcPa表明出現拉力區(qū)，這在實際上是不可能發(fā)生的?？捎嬎闩R界高度以下的主動土壓力：ZcaKc2aCCaKZHtgZHP)()245()(2aCaKZHP)(H)245(2tgcZC可計算此種情況下的臨界高度Zc，進而計算臨界高度以下的主動土壓力。 被動土壓力強度 無粘性土 粘性土 )245()245(22tgKHKHtgPppppppKcHKctgHtgP2)245(2)245(2 懸臂式擋土結構，對于土的性質、荷載大小等非常敏感，它完全依靠足夠的入土深度來保持其穩(wěn)定性，故其高度一般不大于4。 為

11、了施工的安全，支撐和錨桿宜根據最大土壓力計算，即根據實測壓力曲線的包絡線來確定。該包絡線近似梯形或矩形，與庫倫理論計算的三角形土壓力不同。懸臂無支撐擋墻，其壓力分布為主動土壓力，是三角形分布，被動土壓力也是三角形分布。被動土壓力被動土壓力主動土壓力主動土壓力多支撐或多拉錨的擋墻背面上的土壓力分布圖形砂土為梯形，粘土土壓力分布圖是稍復雜的三角形。懸臂擋土墻所承受的主動土壓力完全由其底部的被動土壓力來平衡；而錨定板單支點的擋土結構，其主動土壓力則由錨定板拉桿和底部的被動土壓力共同承受，加以平衡。TEa1Ea2EP 不同深度處土的內聚力C不是一個常數，它與土的上覆荷重有關，一般隨深度的加大而增大，對

12、于暴露時間長的基坑，土的內聚力可由于土體含水量的變化和氧化等因素的影響而減小甚至消失。 、C 值是計算側向土壓力的主要參數，但在工程樁打設前后的、C值是不同的。在粘性土中打設工程樁時，產生擠土現象，孔隙水壓力急劇升高，對、C值產生影響。另外，降低地下水位也會使、C值產生變化。 作用于支護結構上的水壓力一般按靜 水壓力考慮。有穩(wěn)態(tài)滲流時按三角形分布計算。ABCDEFABCEHF在有殘余水壓力時，水壓力按梯形分布。 水壓力和土壓力的分算或合算問題，目前均采用。 一般情況下，由于粘性土中水主要是結晶水和結合水，宜合算; 在砂性土中土顆粒之間的空隙中充滿的是自由水，受重力作用，為靜水壓力作用，宜分算。

13、 合算時，地下水位以下土的重力密度采用飽和重力密度sat ； 分算時，地下水位以下土的重力密度采用浮重力密度 ; 另外單獨計算靜水壓力，按三角形分布考慮。sat 有三種情況： 墻后有均布荷載 距離支護結構一定距離有均布荷載 距離支護結構一定距離有集中荷載（如塔吊、混凝土泵車等）由引起的附加荷載分布在支護結構的一定范圍2上。 如墻后堆有土方、材料等地面均布荷載對支護結構引起的附加荷載，可按下式計算： 2eaqKe2qH1e2e 距離有均布荷載此時壓應力傳到支護結構上有一空白距離h1 ,在h1之下產生均布的附加應力：)245()245(211tgqetglhl11hqHe1e2245 距離支護結構

14、一定距離有集中荷載（如塔吊、混凝土泵車等）由引起的附加荷載分布在支護結構的一定范圍2上。HPl2h2245 深基坑支護結構應采用以分項系數表示的極限狀態(tài)設計表達式進行設計。 基坑支護結構極限狀態(tài)可有兩類： 承載能力極限狀態(tài) 正常使用極限狀態(tài)1.承載能力極限狀態(tài)：承載能力極限狀態(tài)： 對應于支護結構達到最大承載能力或土體失穩(wěn)、過大變形導致支護結構或基坑周邊環(huán)境破壞；2.正常使用極限狀態(tài)：正常使用極限狀態(tài)： 對應于支護結構的變形已妨礙地下結構施工或影響基坑周邊環(huán)境的正常使用功能。安全等級 破壞后果0一級支護結構破壞、土體失穩(wěn)或變形過大對基坑周邊環(huán)境及地下結構施工影響嚴重1.10二級支護結構破壞、土體

15、失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結構影響一般1.00三級支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結構施工影響不嚴重0.90 排樁、地下連續(xù)墻嵌固深度設計值宜按下列規(guī)定： 1.懸臂式支護結構嵌固深度設計值hd宜按下式確定：02 .10aiaPJPEhEhPJE樁墻底以上基坑內側各土層被動土壓力強度和aiE樁墻底以上基坑外側各土層主動土壓力強度和Ph合力PJE作用點至樁、墻底的距離ah合力aiE作用點至樁、墻底的距離h、 分別為基坑挖深和樁墻入土深度 dhhhpEa1Ea2Ea4Ea3EaEP1EP2EPahdhaPEE分別為被動土壓力合力和主動土壓力合力 支護結構計算 當確定懸臂式

16、及單支點支護結構嵌固深度設計值（構造要求）hhhhdd3.03.0時，宜取小于 當基坑底為碎石土及砂土，基坑內排水且作用有滲透壓力時，嵌固深度設計值還應滿足下式抗?jié)B穩(wěn)定條件：基坑挖深地面至地下水位的高度:)(2.10hhhhhwawad單層支點結構支點力及嵌固深度計算支點力：基坑底面以下支護結構設定彎矩零點至基坑底面距離hCl按下式確定：PlkalkPPaCPCEEkaP1kPP1hdh1Th1Ch1Ph1ah1CTPCEaCE1aE2aE3aE 單層支點結構支點力及嵌固深度計算支點力Tcl按下式計算11111CTPCPaCaChhEhEhT1Th1Ch支點至基坑底面的距離基坑底面至設定彎矩零

17、點位置的位置11 aPhh 分別為合力 作用點至設定彎矩零點的距離aCPCEE 1 等值梁法 2彈性曲線法 3 豎向彈性地基梁法（基床系數法） 4 有限元法 圖中ab梁一端固定一端簡支，彎矩圖的正負彎矩在c點轉折，若將ab梁在c點切斷，并于c點加一自由支承形成ac梁，則ac 梁上的彎矩將保持不變，即稱ac梁為ab 梁上ac段上的等值梁。 等值梁原理ababc介紹等值梁法： 如ab梁一端固定，一端簡支，彎矩圖的正負彎矩在c點轉折。若將ab梁在c點切斷，并在c點置一自由支承，形成ac梁，則ac梁上的彎矩將保持不變，則稱ac梁為ab梁上ac段的等值梁。HAPaBCDHAPaBCDPaP0等值梁板樁上

18、土壓力分布圖板樁彎矩圖 用等值梁計算板樁，先要知道正負彎矩的轉折點的位置。因板樁地面下土壓力等于0的位置，接近正負彎矩的轉折點，為簡化即用土壓力等于0的位置代替它。P0Pa （一） 原理 重力式支護結構是依靠結構自身重力來維持極限平衡狀態(tài)的。 （二） 荷載組合 1 土壓力； 2 重力式結構自重； 3 地面超載包括：永久荷載、道路荷載、可變地下水位和施工荷載（施工機械荷載、材料堆放荷載）以及偶然荷載（地震荷載、人防荷載、爆破荷載）。 1 滑動穩(wěn)定性驗算 2 傾覆穩(wěn)定性驗算 3.土體整體滑動驗算 4. 坑底隆起驗算 5. 管涌驗算重力式支護結構主要是深層攪拌水泥土樁墻和旋噴樁帷幕墻，計算簡圖如圖：

19、EaEpBbbAahphah1 滑動穩(wěn)定性驗算抗滑動穩(wěn)定安全系數:haPhKEEWKaPEEW墻體自重；基底墻體與土的摩擦系數； 被動土壓力合力；主動土壓力合力。2 傾覆穩(wěn)定性驗算aPqaappqhhbWKhEhEWbK和 墻體自重； 墻體厚度之半；分別為 對墻趾A點的力臂。aPEE 和抗傾覆穩(wěn)定安全系數；3.土體整體滑動驗算水泥土樁擋墻由于水泥摻量少，故將其看作提高了強度的部分土體，進行土體整體穩(wěn)定性驗算。R1B1O1A1B4. 坑底隆起 開挖面以下墻體能起幫助抵抗地基土隆起的作用，宜假定土體沿墻體底面滑動，認為墻體底面以下為一圓弧，如圖所示。產生滑動力的是 和q,抵抗滑動的則為土體抗剪強度

20、。Hqz ZABOCDHfqZ Z Z E對于非理想粘性土，土的抗剪強度ctgAB面上 應為水平側壓力，取)245(2ZtgctgKqZctgaZ)(ctgKDqtgDqctgaffZ cossin)sin(sin)sin(2ctgKDtgDctgaZ cossinsin23將滑動力矩與抗滑力矩分別對圓心O取矩，得2)(21DqHMS滑動力矩 抗滑動力矩hZZHZrMDdDdDdZM 40400將上式積分并整理后得hfMDHDcDDqtg)()344(23232232212DDqDqHHtgKMfar 抗隆起安全系數SrSMMK為達穩(wěn)定，避免基坑隆起，必須滿足 如要嚴格控制地面沉降，則需增加擋

21、墻入土深度，或進行坑底土體加固，提高土體抗剪強度，使該系數達到1.52.0。 3 . 12 . 1 SK 5管涌驗算管涌驗算當基坑地下水的向上滲當基坑地下水的向上滲流力流力 時土顆粒時土顆粒處于懸浮狀態(tài)，于是坑處于懸浮狀態(tài)，于是坑底產生管涌現象。底產生管涌現象。不發(fā)生管涌的條件應為：不發(fā)生管涌的條件應為：)(DGjwthhK2htj2t 擋墻入土深度如滿足以下要求，也不會產生管涌：2WhKt2hhKtW如坑底以上的土層為松散填土、多裂隙土層等透水性好的土層，則地下水可略去，此時不產生管涌的條件為：2WhKt一 鋼板樁施工 （一） 常用種類：U型、Z型、H型、直腹板式和組合式。（二） 打設前準備

22、工作 1 鋼板樁的檢驗和矯正 2 導架安裝 3 沉樁機械的選擇 打設鋼板樁可用落錘、汽錘、柴油錘和振動錘，前三種皆為沖擊打入法，此法可使樁錘的沖擊力均勻分布，保護樁頂免受損壞。（三）鋼板樁的打設和拔除1 打設方式選擇單獨打入法 即從板樁墻的一角始，逐塊打設，直至工程結束。屏風式打入法 即將1020根鋼板樁成排插入導架內，呈屏風狀，再分批施打。（按屏風排數，分為單屏風、雙屏風和全屏風）（三）鋼板樁的打設和拔除2 鋼板樁的打設 吊車對準插樁，經緯儀加以控制，分幾次打入， 注意位置和方向的精度，每打入1m應測量一次。3 鋼板樁的轉角和封閉鋼板樁的轉角和封閉 轉角和封閉合攏施工的方法： 采用異型板樁

23、連接件法 騎縫搭接法 軸線調整法4 鋼板樁的拔除鋼板樁的拔除 拔樁前要研究鋼板樁拔除順序、拔除時間和樁孔處理方法。 拔除宜用振動錘或振動錘與起重機共同拔除。 鉆孔灌注樁擋墻施工 （主要在第五章介紹） 鉆孔灌注樁施工時無振動，不會危害周圍建筑物等，造價低，有優(yōu)越性。 施工速度慢，宜注意質量。 鉆孔灌注樁的間距由計算確定。 鉆孔灌注樁用作支護樁時，按鋼筋混凝土正截面受彎構件計算配筋。（一）施工機具 1 深層攪拌機 中心管噴漿方式 葉片噴漿方式 前者的輸漿方式是水泥漿從兩根攪拌軸間的另一根管輸出；后者是使水泥漿從葉片的小孔噴出。 2 配套機械（灰漿攪拌機、集料斗、灰漿泵。） （二）施工工藝 定位預拌下沉制備水泥漿提升、噴漿、攪拌重復上、下攪拌清洗、移位（三）水泥土的配合比水泥土的抗壓強度一般為5004000 KN/,水泥的摻入量取決于水泥土擋墻設計的抗壓強度。水泥標號的提高，使水泥土強度相應提高。攪拌施