單支點(diǎn)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計示例

1、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計一基坑側(cè)壁安全等級的確定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與其它建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計一樣，要求在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下，完成各項預(yù)定功能。不同的基坑工程，其功能要求則不同。為了區(qū)別對待各種不同的情況,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ120-99）根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度，把基坑側(cè)壁劃分為不同的安全等級。建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)表1選用相應(yīng)的側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù)。 基坑側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù) 表1安全等級破 壞 后 果0一級支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周圍環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響很嚴(yán)重；1.10二級支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周圍環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響一般；1.00三

2、級支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過大變形，對基坑周圍環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響不嚴(yán)重0.90建筑基坑分級的標(biāo)準(zhǔn)各種規(guī)范不盡相同，建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范對基坑分級和變形監(jiān)控值的規(guī)定如表1-2。 基坑變形監(jiān)控值（cm） 表2級坑類別圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂位移監(jiān)控值圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體最大位移監(jiān)控值地面最大沉降監(jiān)控值一級基坑333二級基坑686三級基坑81010注：1.符合下列情況之一，為一級基坑：重要工程或支護(hù)結(jié)構(gòu)做主體結(jié)構(gòu)的一部分；開挖深度大于10m；與臨近建筑物、重要設(shè)施的距離在開挖深度以內(nèi)的基坑；基坑范圍內(nèi)有歷史文物、近代優(yōu)秀建筑、重要管線等需嚴(yán)加保護(hù)的基坑。2三級基坑為開挖深度小于7m，且周圍環(huán)境無特殊要求

3、的基坑。3除一級和三級外的基坑屬于二級基坑。4當(dāng)周圍已有的設(shè)施有特殊要求時，尚應(yīng)符合這些要求?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)的計算；對于安全等級為一級的及對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形有限定的二級建筑基坑側(cè)壁，尚應(yīng)對基坑周邊環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行驗(yàn)算。二計算參數(shù)的確定基坑工程支護(hù)設(shè)計的主要計算參數(shù)，包括土的重力密度及土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、值。對于超固結(jié)土，用常規(guī)試驗(yàn)方法進(jìn)行剪切試驗(yàn)獲得的粘聚力，包括真粘聚力和表觀粘聚力兩部分，其中表觀粘聚力比真粘聚力要大的多。而超固結(jié)土一旦遇水，表觀粘聚力迅速下降至真粘聚力。因此應(yīng)對試驗(yàn)給出的粘聚力值進(jìn)行折減后，才能用于基坑工程設(shè)計。根據(jù)長春地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，將c值乘以0.

4、40.5的折減系數(shù)，給出設(shè)計計算參數(shù)、和值。為了將土壓力分布表為直線，,應(yīng)求出基坑底面以上及基坑底面至樁端處的平均土性指標(biāo)。平均重度：平均粘聚力：平均內(nèi)摩擦角：根據(jù)長春地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)，鑒于本工程的實(shí)際情況，將c值乘以0.40.5的折減系數(shù)，給出設(shè)計計算參數(shù)、和值如表（二）所示：某基坑工程主要計算參數(shù) 表3層號巖 土名 稱層厚實(shí)驗(yàn)給出參數(shù)設(shè)計計算參數(shù)CkPA°KN/m3CkPA°KN/m3+雜填土 粉 質(zhì)粘 土2.822.616.018.011.316.018.0粉 質(zhì)粘 土1.648.618.019.121.918.019.1粉 質(zhì)粘 土3.940.520.519.618.

5、220.519.6粘 土4.355.415.020.222.215.020.2粘 土1.645.015.020.120.215.020.1粘 土4.594.614.520.337.814.520.3粉 質(zhì)粘 土1.5106.314.019.942.514.019.9三荷載計算作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載包括：土壓力、水壓力、施工荷載、地面超載等。土壓力：土壓力是指土體作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向壓力，它是由土體的自重產(chǎn)生的。地面荷載：地面臨時荷載一般包括建筑材料、臨時堆放待運(yùn)棄土及施工機(jī)械等。地面臨時荷載可按2030KN/m2計算，它基本上可以包羅現(xiàn)場各種各樣的臨時荷載。水壓力：在地下水位較高的地區(qū)，基坑內(nèi)

6、外存在著水位差，將對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水壓力。建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程中建議，對于粘性土可采用水壓力與土壓力合算的方法，即對作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力，用土的天然重度和總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計算，不另計水壓力。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載，可按建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程給出的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值及水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值計算表達(dá)式進(jìn)行計算。1水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值（主動土壓力）建筑基坑支護(hù)設(shè)計規(guī)程中規(guī)定：對于粉土及粘性土，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計算。式中 ajk作用于深度zj處的豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值；式中 k計算點(diǎn)深度zj處自重豎向應(yīng)力；計算點(diǎn)位于基坑開挖面以上時：式中 mj深度zj以上土的加權(quán)平均重度；zj計算點(diǎn)深度。計算點(diǎn)位于

7、基坑開挖面以下時：式中 開挖面以上土的加權(quán)平均重度；0k當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，地面作用滿布附加荷載q0時，基坑外側(cè)任意點(diǎn)附加豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，可按下式確定：cik第i層土粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值； Kai第i層土主動土壓力系數(shù)。式中 ik第i層土的內(nèi)摩擦角的標(biāo)準(zhǔn)值。由于土壓力呈直線變化，按上述公式計算主動土壓力時，可取三個計算點(diǎn)，即基坑頂面處（Z=0）、基坑底面處（Z=H）、基坑底面以下（ZH）。當(dāng)按上述公式計算的基坑開挖面以上水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于零時，則取其值為零。按上述公式計算主動土壓力：zj=0時（基坑頂面處）a0k=18.0×0+30=30KN/m2Kao=tan2(45°-16

8、6;/2)=0.568cik=11.3kpaea0k=30×0.568-2×11.3×0.754=0zj=11.2m時（基坑底面處）為了將水平荷載分布表為直線，求zj11.2m范圍內(nèi)的平均土性指標(biāo)，平均重度：=(18×2.8+19.1×1.6+19.6×3.9+20.2×2.9)/11.2=19.3KN/m3平均粘聚力：cmh=(11.3×2.8+21.9×1.6+18.2×3.9+22.2×2.9)/11.2=18.0KN/m2平均內(nèi)摩擦角：mh=(16.0×2.8+18.

9、0×1.6+20.5×3.9+15.0×2.9)/11.2=17.6°平均主動土壓力系數(shù)：=tan2(45°-17.6°/2)=0.536=19.3×11.2+30=246.2 KN/eahk=246.2×0.536-2×18.0×0.732=105.6KN/zj11.2時（基坑底面以下）=19.3×11.2+30=246.2eajk=246.2×0.536-2×18.0×0.732=105.6KN/m2圖（3-3）水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值計算簡圖2水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值（

10、被動土壓力）基坑內(nèi)側(cè)水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值epjk，按下式計算式中作用于基坑底面以下深度zj處的豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值=mjzjmj深度zj以上土的加權(quán)平均天然重度zj基坑底面至計算點(diǎn)的距離第i層土的被動土壓力系數(shù)zj=0時 (基坑底面處)=zj=0cik=22.2KN/ jk=15.0° jk=20.2KN/m3=tan(45°+15°/2)=1.303 epjk=0+2×22.2×1.303=57.9KN/m2zj=9.0m時(設(shè)hd=9m 樁端處)為了將水平抗力分布表為直線,求基坑底面以下zj=9m范圍內(nèi)的平均土性指標(biāo)平均重度：=(1.4×20

11、.2+1.6×20.1+4.5×20.3+1.5×19.9)/9.0=20.2KN/m3平均粘聚力： cm=(.4×22.2+1.6×20.2+4.5×37.8+1.5×42.5)/9.0=33.0KN/m2平均內(nèi)摩擦角： m=(15.0×1.4+15.0×1.6+14.5×4.5+14.0×1.5)/9.0=14.6°平均被動土壓力系數(shù)： Kpm=tan2(45+14.6/2)=1.674=20.2×9.0=181.8KN/m2epjk=181.8×1.

12、674+2×33.0×1.294=389.7KN/圖（3-4）水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值計算簡圖四單支點(diǎn)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算（等值梁法）建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程規(guī)定,對單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu),可以用“等值梁”法確定其嵌固深度及結(jié)構(gòu)內(nèi)力。1“等值梁”法的基本原理“等值梁”法基本原理如圖()所示： 圖（）圖中ab梁一端固定,另一端簡支,其彎矩圖的正負(fù)彎矩在c點(diǎn)轉(zhuǎn)折,若將ab梁在c點(diǎn)切斷,并于c點(diǎn)置一自由支承,形成ac梁 ,則梁上的彎矩將保持不變,即稱ac梁為ab梁上ac段的“等值梁”。ac梁為靜定結(jié)構(gòu),可按靜力平衡條件求解ac梁段的內(nèi)力。2單支點(diǎn)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算簡圖當(dāng)樁的入土深度較深（hd=hmax

13、）時，樁前、樁后均出現(xiàn)被動土壓力，支護(hù)結(jié)構(gòu)在土中處于嵌固狀態(tài)，可視為上端簡支，下端嵌固的超靜定梁。樁體中彎矩值大大減小，并出現(xiàn)正負(fù)兩個方向的彎矩。這種工作狀態(tài)，所要求樁的截面模量較小，樁體入土部分的位移也較小，穩(wěn)定性好，安全可靠。固定端式錨樁，雖然比自由端式錨樁的入土深度大，但其樁體的最大彎矩值小，截面配筋量少，錨桿軸向拉力亦小，對樁與錨桿的設(shè)計均有利，而且造價相差不大。因此，采用固定端式錨樁比自由端式錨樁更為合理。圖（3）單支點(diǎn)錨樁的錨點(diǎn)位置變化時，樁體沿深度方向的水平位移和彎矩則不同。從理論上講，隨著錨點(diǎn)位置的降低，錨點(diǎn)處的彎矩值M1增大，樁的最大彎矩值Mmax減小，T1增大。當(dāng)錨點(diǎn)降至某

14、一位置時，有M1=Mmax，若繼續(xù)降低則出現(xiàn)M1Mmax。因此，當(dāng)M1=Mmax 時，Mmax為最小，同時錨樁的入土深度及造價比也達(dá)到最小。故根據(jù)M1=Mmax確定錨點(diǎn)的位置是最優(yōu)的。但在實(shí)際工程中，常常為了搶工期，不能等待錨桿達(dá)到一定強(qiáng)度后才開挖，。因此，確定錨點(diǎn)設(shè)置深度應(yīng)留有一定余地，不能太大，以保證安全。綜合考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和受力兩方面的因素，單支點(diǎn)錨樁的錨點(diǎn)設(shè)置深度應(yīng)取hT0=0.4H左右為宜。單支點(diǎn)樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的計算簡圖，如圖（3）所示：3“等值梁“法計算內(nèi)力（1）確定彎矩零點(diǎn)的位置用“等值梁”法計算單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)，首先要知道彎矩零點(diǎn)的位置。研究表明：單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩零點(diǎn)與基坑底

15、面以下土壓力為零的點(diǎn)位置相近，計算時可取該點(diǎn)作為彎矩零點(diǎn)。圖（4）設(shè)：基坑底面至彎矩零點(diǎn)的距離為hcl，根據(jù) 可求得hC1（2）計算支點(diǎn)力Tcl計算簡圖如圖（4），根據(jù)得 (3)計算支點(diǎn)力Tcl （取樁間距Sa=1.2m作為計算單元）計算簡圖如圖（3-7），根據(jù)圖（3-7）得 Eai=1/2×105.6×11.2×1.2=709.6KN ha1=11.2/3+0.7=4.4mEa2=105.6×0.7×1.2=88.7KN ha2=0.7/2=0.35mEp1=75.3×0.7×1.2=63.3KN hp1=0.7/2=0.

16、35mEp2=1/2(105.6-75.3)×0.7×1.2=12.7KN hp2=0.7/3=0.2m (4)確定嵌固深度設(shè)計值確定單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度，其計算簡圖如圖（4），根據(jù)極限平衡條件，并考慮一定的安全儲備,按下式確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度設(shè)計值。先假設(shè)hd，代入上式進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算。 取hd=9.0m hTl+hd=16.2mEa1=1/2×105.6×1.2×11.2=709.6KN ha1=11.2/3+9.0=12.7m圖（3-8）Ea2=105.6×1.2×9.0=1140.5KNha2=9.0/2=4

17、.5mEp1=75.3×1.2×9.0=677.7KNhp1=9.0/2=4.5mEp2=1/2(506.6-75.3)×1.2×9.0=2329.0KNHp2=9.0/3=3.0m1.2當(dāng)hd=9.0m時,滿足抗傾覆穩(wěn)定要求。 (5)計算最大彎矩值計算最大正彎矩(+Mmax)在彎矩零點(diǎn)以上，剪力為零的點(diǎn)，即為最大正彎矩的點(diǎn)。設(shè)：剪力零點(diǎn)D距地面的距離為x，該點(diǎn)主動土壓力強(qiáng)度為eaD則有 根據(jù)三角形的相似比 解方程組得eaD=79.2KN/m2 x=8.4m計算最大負(fù)彎矩值(-Mmax)最大負(fù)彎矩發(fā)生在支點(diǎn)1設(shè)：支點(diǎn)的土壓力為ea1（6）計算最大剪力值土

18、壓力強(qiáng)度為零點(diǎn)即為最大剪力的位置，其最大剪力為：4鋼筋混凝土灌注樁設(shè)計（1）樁體布置由于在基坑開挖前已采取人工降水措施，基坑支護(hù)不考慮防水,灌注樁可按一字型間隔排列，樁間距一般取1.52.0倍樁徑。考慮長春地區(qū)樁間土塌落拱的間距在400500，且本工程場地土土質(zhì)較好，可利用“土拱”作用，取樁間距Sa=1.2m。具體布置如（3-16）所示：圖（3-16）（2）結(jié)構(gòu)內(nèi)力及支點(diǎn)力設(shè)計值截面彎矩設(shè)計值 截面剪力設(shè)計值 支點(diǎn)力設(shè)計值 截面彎矩設(shè)計值支點(diǎn)力設(shè)計值（3）截面承載力計算本設(shè)計采用沿排樁截面周邊均勻配置縱向鋼筋。其正截面承載力按混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB 5020492）的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計算，并符合

19、其有關(guān)構(gòu)造要求。計算公式為： （3-19） （3-20） （3-21）式中M彎矩設(shè)計值；A構(gòu)件截面面積 A=r2；As全部縱向鋼筋的截面面積；r圓形截面半徑；rs縱向鋼筋所在圓周半徑；1對應(yīng)于受壓區(qū)混凝土截面面積的圓心角與2的比值；t縱向受拉鋼筋的截面面積與全部縱向鋼筋截面面積的比值，當(dāng)0.65時,取t=0。由(3-19)(3-20)可推出： (3-22) (3-23)將r=400mm rs=350mm fc=14.3N/mm2 fy=310N/mm2 代入(3-22)(3-23)式,用迭代法可求得取樁截面配筋為1625（），其配筋圖如圖（3-17）：圖（3-17）支護(hù)樁配筋圖（4）冠梁與腰梁

20、設(shè)計1）冠梁設(shè)計為了使各自獨(dú)立的支護(hù)樁形成一個閉合的、連續(xù)的抵抗水平力的整體，在支護(hù)樁頂部需設(shè)置鋼筋混凝土冠梁。冠梁的剛度對支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體剛度影響很大。其剛度愈大，愈相當(dāng)于支點(diǎn)的作用，對樁的受力和變形將起著顯著的改善作用。因此，設(shè)計時可將其截面尺寸加大，并配以適量的鋼筋，以增強(qiáng)其剛度。取冠梁尺寸為600×1000，其配筋計算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：Aq=(0.50.8)As=39986396mm2取冠梁截面配筋為1025(Aq=4909mm2)其構(gòu)造如圖（3-18）所示：圖（3-18）2）腰梁設(shè)計為了使基坑外側(cè)土壓力及地面荷載對支護(hù)樁所產(chǎn)生的水平作用力傳遞給土層錨桿，再通過土層錨桿傳遞到周圍土層。在支護(hù)樁的錨點(diǎn)處要設(shè)置一道