深基坑支護工程設計與檢測—事故分析、相關規(guī)范與工程實例

1、深基坑支護工程設計與檢測事故分析、相關規(guī)范與工程實例第三部分 深基坑支護結構的設計計算2022/7/912022/7/91 深基坑支護結構主要指深基坑的擋土樁或擋土墻與錨桿或內支撐相結合的擋土結構,也包括土釘墻、復合土釘墻等其它形式的支護結構。 擋土樁主要指鋼筋混凝土預制樁、灌注樁、人工挖孔樁和鋼管樁、鋼板樁等；擋土墻主要是鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，型鋼水泥土連續(xù)墻等。 2022/7/922022/7/92第三部分主要內容一 深基坑擋土結構的設計內容與步驟二 荷 載 計 算（土壓力計算） 主動土壓力計算 土體水平抗力的計算 關于土壓力經(jīng)驗修正的討論 土壓力計算中水土合算與水土分算問題的討論三 支護

2、結構的設計計算（此處支護結構主要指排樁、地下連續(xù)墻） 支護結構的受力特征 支護結構的設計計算方法簡介 支護結構的設計計算： a 經(jīng)典法：（可用于） 1單層支錨淺埋結構的設計計算及例題 2懸臂結構的設計計算（略） 3單錨深埋結構的設計計算（略） 4 多層支錨結構的設計計算（略） 2022/7/93b 彈性法 1彈性法的基本撓曲方程 2彈性抗力系數(shù)的數(shù)值解法 c 彈塑性法 工程應用很少（略）四 支護結構的穩(wěn)定性驗算 1 支護結構嵌固穩(wěn)定性 2 支護結構整體滑動穩(wěn)定性 3 基坑底部抗隆起穩(wěn)定性 4 基坑底部抗管涌穩(wěn)定性 5 基坑底部抗?jié)B流穩(wěn)定性五 土釘支護的設計與應用2022/7/93主要參考資料

3、1 建筑基坑支護技術規(guī)程JGJ120-99及部分修訂內容 2 巖土錨固，程良奎 范景倫 韓軍 許建平 3 建筑地基基礎設計規(guī)范GB50007-2002 4 地基與基礎，天津大學 西安冶金建筑學院哈爾濱建筑工程學院 重慶建筑工程學院，顧曉魯總成2022/7/942022/7/95一 深基坑支護結構的設計內容與步驟 1 了解工程環(huán)境:鄰近建筑(構)物及地下管線的現(xiàn)狀及其對變位的敏感程度,測量其至基坑開挖線的距離; 2 閱讀地下室及基礎結構圖;確定基坑開挖深度及開挖范圍;確定電梯井等局部加深的情況; 3 閱讀工程地質報告,了解分析各層土的物理力學性質及地下水情況; 4 通過綜合比較選取最佳支護及地下

4、水處理方案,包括支護結構的各部分尺寸;2022/7/962022/7/96 5 確定作用于支護結構上的荷載,即計算水壓力、土壓力; 6 計算支護結構的嵌固深度、內力、錨固力、變形量; 7 整體穩(wěn)定性驗算,抗隆起、抗管涌的措施; 8 6和7須經(jīng)過試算,調整支護方案及其各部分尺寸; 9 結構設計,繪制施工圖2022/7/972022/7/97 二 荷載計算（土壓力計算） 作用在支護結構上的荷載主要就是土壓力.土壓力有主動土壓力、被動土壓力和靜止土壓力. 主動土壓力最小,被動土壓力最大,靜止土壓力在兩者之間. 如果支護結構(墻體)不產(chǎn)生任何移動和轉動,這時土體對墻體產(chǎn)生的土壓力稱為靜止土壓力. 20

5、22/7/982022/7/98 如果墻體在土壓力的作用下,發(fā)生向基坑 內繞墻底轉動或移動(圖13-2a),靜止土壓力逐漸減小,直到將墻體擠壓到即將離開土體時的極限狀態(tài),即主動極限平衡狀態(tài),此時土壓力達到最小值,稱為主動土壓力.2022/7/992022/7/99圖13-2產(chǎn)生主動或被動土壓力的情況(a) 主動土壓力；(b) 被動土壓力 如果墻體在外力的作用下,擠壓土體(圖13-2b),壓力從靜止土壓力逐漸增大,直到土體即將破壞時的極限狀態(tài),即被動極限平衡狀態(tài),此時土壓力達到最大值,稱為被動土壓力. 2022/7/9102022/7/910圖13-2產(chǎn)生主動或被動土壓力的情況(a) 主動土壓力

6、；(b) 被動土壓力 目前除了這三種特殊平衡狀態(tài)以外的土壓力還無法計算. 試驗表明,土壓力要降低到主動土壓力的數(shù)值,擋土結構頂部的水平位移需達到該結構擋土高度的15 ；而要達到被動土壓力的數(shù)值,這種位移要大得多,約為擋土高度的25 %,是達到主動土壓力的1550倍.在實際工程中主動土壓力容易達到,被動土壓力不一定能達到.表13-1列出了國外有關規(guī)范規(guī)定達到主動極限狀態(tài)和被動極限狀態(tài)所需的變形值.2022/7/9112022/7/911表13-1 發(fā)揮主動和被動土壓力所需的變位表中：H、D地面、基坑底至擋土墻底的高度； y水平位移；h0擋土高度。2022/7/9122022/7/912主動土壓力

7、計算主動土壓力計算一般采用經(jīng)典土壓力理論-厙侖理論和朗肯理論. 厙侖理論假定擋土墻是剛性的；墻后填土是無粘性砂土；當擋土墻墻身移動產(chǎn)生主動土壓力或被動土壓力時，滑動土體是沿著墻背和一個通過墻踵的平面滑動的，假定滑動土體是剛體。朗肯理論和厙侖理論最大的差別是朗肯理論不考慮摩擦力，因此求得的主動土壓力偏大，被動土壓力偏小，用于設計擋土墻是偏于安全的。而且公式比較簡單，所以被廣泛采用。2022/7/9132022/7/913 根據(jù)建筑基坑支護技術規(guī)程JGJ120-99，作用在支護結構上的主動土壓力（水平荷載標準值）eajk應按當?shù)乜煽拷?jīng)驗確定當無經(jīng)驗時可按下列規(guī)定（朗肯理論）計算（圖）這次建筑基坑支

8、護技術規(guī)程JGJ120修訂，土壓力仍然采用朗肯理論。2022/7/9142022/7/9142022/7/9152022/7/915圖主動土壓力計算簡圖對于碎石土及砂土 （1）當計算點位于地下水位以上時：eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-1) （2）當計算點位于地下水位以下時： eajk=ajkKai-2cikKai1/2 + +（zj-hwa）-(mj-hwa)waKaiw (13-2)2022/7/9162022/7/916eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-1) eajk=ajkKai-2cikKai1/2 （zj-hwa）-(mj-hwa)waKa

9、iw （13-2）式中ajk-作用于深度zj處的豎向土壓力,可按式(13-4)計算;cik -三軸試驗確定的第i層土固結不排水(快)剪黏聚力;zj-計算點深度;hwa-基坑外側水位深度; h -基坑深度;mj-計算參數(shù),當zjh 時,取zj,當 zjh時,取h;wa-計算參數(shù),當hwah 時,取1,當 hwah時,取0;w-水的重度;Kai-第i層土的主動土壓力系數(shù),可按公式(13-9)計算。2022/7/9172022/7/917 2 對于粉土及黏性土eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-3) 當按以上公式計算的土壓力小于零時,應取零。 3 豎向土應力標準值ajk可按下式計算

10、:ajk= rk +ok +lk (13-4) (1)計算點深度zj處自重豎向應力rk : 當計算點位于基坑開挖面以上時:rk=mj zj ( 13-5)式中mj -深度zj以上土的加權平均天然重度2022/7/9182022/7/918 當計算點位于基坑開挖面以下時:rk=mj zj ( 13-6)式中mj -開挖面以上土的加權平均天然重度 (2)當支護結構外側地面作用均布附加載荷q0時(圖13-4),基坑外側任意深度豎向應力標準值0k可按下式計算: 0k=q0 (13-7)2022/7/9192022/7/919 (3)當距支護結構b1外側,地面作用有寬度為b0的條形均布附加載荷q1時(圖

11、13-5),基坑外側任意深度CD范圍內的豎向應力標準值lk 可按下式計算: lk= q1 b1/(b0+2b1) (13-8)2022/7/9202022/7/920 (4)上述基坑外側附加載荷作用于地表以下一定深度時, 將計算值點深度相應下移,其豎向應力也可按上述規(guī)定確定。 4 第I 層土的主動土壓力系數(shù)Kai,應按式(13-9)計算:Kai=tg2(45- fik/2) (13-9)式中fik-三軸試驗確定的第i層土固結不排水(快)剪內磨擦角標準值。2022/7/9212022/7/921 5 地面不規(guī)則時的土壓力計算 實際工程中經(jīng)常碰到基坑頂面處地表面形狀不規(guī)則的情況,如圖13-6是三種

12、常見的情況,地表面既不是單一的水平面,也不是單一的斜坡面.此時不能直接用厙侖或朗肯的土壓力理論進行計算,但是可以經(jīng)過簡化,再進行計算。 圖13-6地面不規(guī)則時的土壓力計算(a) 情況一; (b) 情況二; (c) 情況三2022/7/9222022/7/922 情況一: 先水平后傾斜(圖13-6a)分別計算,先延長傾斜面交于墻背C點,AB墻面在水平面填土作用下,其土壓力強度分布如圖中ABe;CB墻面在傾斜面填土作用下,其土壓力強度分布如圖中CBf;兩個三角形相交于g點,則ABfgA為此情況下的土壓力分布圖。2022/7/9232022/7/9圖13-6 a 情況一2022/7/924圖13-6

13、 b 情況二24情況二: 先傾斜后水平(圖13-6b)分別計算,先延長水平面與墻背延長線交于A點,在水平面填土作用下, 在AB墻面上土壓力強度分布如圖中ABf;在傾斜面填土作用下,其土壓力強度分布如圖中ABe;兩個三角形相交于g點,則ABfgA為此情況下的土壓力分布圖。 情況三: 先水平后傾斜又水平(圖13-6c)分別計算,先畫出在水平面填土作用下的土壓力強度分布圖ABe,再畫斜面填土作用下土壓力強度分布圖CBe”; Ce” 與Ae相交于g點;再求第二個水平面的土壓力三角形ABe,Ae 與Cge”交于f點,則ABefgA為此情況下的土壓力分布圖。2022/7/925圖13-6 c 情況三25上

14、述三種情況中,擋土墻腳處的主動土壓力強度可按下列公式確定: (13-10) (13-11) (13-12)式中-地表斜坡面與水平面之間的夾角;z-地表斜坡面延長線與擋土墻交點至墻底面的距離;h-地表斜坡面延長線與擋土墻交點至地表水平面的距離;h-地表斜坡面延長線與擋土墻交點至墻頂面的距離;-計算范圍內土層天然重度的平均值;f,c-計算范圍內土層內磨擦角和黏聚力的平均值;Ka-主動土壓力系數(shù), Ka=tg2(45- f/2) 2022/7/9262022/7/926土體水平抗力的計算 計算土體水平抗力可有經(jīng)典理論計算土體的被動土壓力和豎向彈性地基梁兩種方法。 1 經(jīng)典理論計算被動土壓力(即水平抗

15、力標準值) 根據(jù)建筑基坑支護技術規(guī)程JGJ120-99，作用在支護結構上的被動土壓力（水平荷載標準值epjk應按當?shù)乜煽拷?jīng)驗確定當無經(jīng)驗時可按下列規(guī)定（朗肯理論）計算（圖37）: 2022/7/9272022/7/9272022/7/928圖13-7 被動土壓力計算圖281) 對于砂土及碎石土，基坑內側抗力標準值按下式計算： epjk=pjkKpi-2cikKpi1/2 （zj-hwp）(1-Kpi)w (13-13)式中pjk-作用于基坑底面以下深度zj處的豎向應力 標準值,可按式(13-15)計算; Kpi-第層土的被動土壓力系數(shù)； cik -三軸試驗確定的第i層土固結不排水(快)剪 黏聚

16、力。2022/7/9292022/7/9292) 對于粉土及黏性土，基坑內側水平抗力標準值宜按下式計算：epjk=pjkKpi+2cikKpi1/2 (13-14)3) 作用于基坑底面以下深度zj處的豎向應力標準 值,可按下式計算:pjk= mjzj (13-15)式中mj -深度zj 以上土的加權平均天然重度.4) 第i層土的被動土壓力系數(shù)Kpi ,應按下式計算:Kpi=tg2(45+ fik/2) (13-16)2022/7/9302022/7/930 2 豎向彈性地基梁理論計算土體彈性抗力（即水平抗力標準值） 從上面的敘述中可以看到，用經(jīng)典理論計算土體的被動土壓力（水平抗力），是無法計算

17、土體變形的，因為土壓力計算理論是假定土體處于極限平衡狀態(tài)的。但是在許多情況下土體是不可能處于極限平衡狀態(tài)的，或者是允許土體有一定變形的，如基坑支護結構。因此需要尋找一種可以計算土體變形同時以能計算土體彈性抗力的方法。2022/7/9312022/7/931 目前常用的方法是豎向彈性地基梁桿系有限元法（以下簡稱桿系有限元法）其計算簡圖如圖13-8所示。圖中支護結構外側為主動土壓力，一般可用朗肯理論計算。支護結構里側開挖面以下的土體抗力由設置彈簧來模擬。2022/7/9322022/7/9圖13-8 桿系有限元法計算圖 墻體位移引起的土抗力即由彈簧提供，位移越大，彈簧的壓縮就越大，也就是土體提供的

18、彈性抗力越大。彈性抗力與墻體位移之間的關系可用文克爾假定來表示：p=k (13-17)式中：p彈性抗力強度值，kN/m2； k彈性抗力系數(shù)，kN/m2； 計算點的位移值，m。2022/7/9332022/7/933 彈性抗力系數(shù) k 的確定 根據(jù)文克爾理論，彈性抗力系數(shù)（也即基床系數(shù)）是一個常數(shù)，它僅與土的軟硬程度有關，但支護結構作為豎向彈性地基梁時，由于梁的側向變形（側向位移）受到其埋設深度（插入基坑底面以下深度）的影響，所以彈性抗力系數(shù)也與其埋設深度有關了。土層越硬，埋設深度越深，支護結構的側向彈性抗力系數(shù)越大，反之越小。2022/7/9342022/7/934 支護結構的側向彈性抗力系數(shù)

19、最早是按水平荷載作用下樁的計算理論確定的。水平荷載作用下的樁也是按豎向彈性地基梁計算的。彈性抗力系數(shù)根據(jù)不同的計算方法，主要有以下四種分布形式（圖13-9）： 圖13-9 樁基側向彈性抗力系數(shù)分布圖 (a) 常數(shù)法；(b) m法；(c) c法；(d) k法2022/7/9352022/7/935 a) 常數(shù)法：假定k不隨深度變化，為一常數(shù)； b) m 法：假定k隨深度成正比例增加； c) c 法：假定k在某一特征深度以上按曲線規(guī)律增加，而在特征深度以下為常數(shù)； d) k 法：假定k在某一特征深度以上按與c 法不同的曲線規(guī)律增加，在特征深度以下也為常數(shù)； 2022/7/9362022/7/936

20、 在實際工程中常用的是m法。也許是m法簡單一些，經(jīng)驗也多一些。按照m 法的假定，地面（這里常常是指基坑底面）初始點的彈性抗力系數(shù)應為零，這是因為砂性土按朗肯理論計算，當?shù)孛孢@一點土的豎向應力為零時，無法提供被動土壓力（側向抗力）。但是考慮到黏性土黏聚力影響等因素，認為基坑底面處存在側向彈性抗力，彈性抗力系數(shù)也不為零。在計算上的處理方法就是引進初始計算深度Z0 。這樣一來，土的側向彈性抗力系數(shù)就帶上了經(jīng)驗色彩：kH=m (z+z0) (13-19)2022/7/9372022/7/937kH=m (z+z0) (13-19)式中：kH-側向彈性抗力系數(shù); m-側向彈性抗力系數(shù)的比例系數(shù)； Z-從

21、基坑底面算起的深度； Z0-初始計算深度，根據(jù)經(jīng)驗確定。 從理論上講，側向彈性抗力系數(shù)kH和側向彈性抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 應由現(xiàn)場試驗確定。但實際上大多數(shù)工程是不具備試驗條件的，也可以說大多數(shù)業(yè)主是不愿意做試驗的。所以常常是參照類似工程經(jīng)驗確定，或者按表13-2和表13-3的統(tǒng)計經(jīng)驗值確定。2022/7/9382022/7/938表13-2 水平向彈性抗力系數(shù)KH 2022/7/9392022/7/939表13-3 彈性抗力比例系數(shù) M 2022/7/9402022/7/940 對于側向彈性抗力系數(shù)kH，還可根據(jù)標準貫入擊數(shù) N 和無側限抗壓強度qu按經(jīng)驗公式確定： kH=2103N （13-

22、20） kH=（58）102qu (13-21) 關于側向彈性抗力系數(shù)kH和側向彈性抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 還有一些經(jīng)驗公式，行業(yè)標準建筑基坑支護技術規(guī)程JGJ120-99附錄C也有規(guī)定。 側向彈性抗力系數(shù)又被稱為水平剛度系數(shù)，側向彈性抗力系數(shù)的比例系數(shù)又被稱為土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)等等，用語不太統(tǒng)一。2022/7/9412022/7/941關于土壓力經(jīng)驗修正的討論 1 提高主動土壓力系數(shù) 因為土壓力的計算理論是建立在土體處于“極限平衡狀態(tài)”這樣一種假定上的，但在工程實際中，當不可能或不允許土體（或者說擋土墻）的位移達到主動極限平衡狀態(tài)時，土壓力就不會小到主動土壓

23、力那樣的程度，它的值可能處于主動土壓力值和靜止土壓力值之間。因此在實際工程中，可以根據(jù)經(jīng)驗，將主動土壓力系數(shù)適當提高。2022/7/9422022/7/942 例如上海地區(qū)根據(jù)工程周圍環(huán)境狀況，提出以下處理辦法：設基坑開挖深度為h0，在距基坑邊緣h0/2的范圍內(區(qū))有重要的地下管線或建筑物基礎時（圖13-10），取修正后的主動土壓力系數(shù)K a為: K a=K0 ( 13-22)式中Ka-主動土壓力系數(shù)（朗肯）； K0-靜止土壓力系數(shù)2022/7/9432022/7/9圖13-10 主動土壓力修正的工程條件在距基坑邊緣h0/2 h0的范圍內( 區(qū))有重要的地下管線或建筑物基礎時，取修正后的主動

24、土壓力系數(shù)K a為； K a=(K0 +Ka )/2 ( 13-22) 當重要的地下管線或建筑物基礎在一倍基坑深度以外（區(qū)）時，主動土壓力系數(shù)可不修正。2022/7/9442022/7/944圖13-10 主動土壓力修正的工程條件2 降低被動土壓力系數(shù) 同樣在工程實際中，當不可能或不允許土體（或者說擋土墻）的位移達到被動極限平衡狀態(tài)時，土壓力就不會大到被動土壓力那樣的程度，它的值應適當降低，使之更符合實際。實用上可按下式修正 ： KP=Cp Kp (13-24) Cp=K0+(Kp-K0)Xp/Kp (13-25) Xp=2Da/Dp-(Da/Dp)20.5 (13-26) 2022/7/94

25、52022/7/945 KP=Cp Kp (13-24) Cp=K0+(Kp-K0)Xp/Kp (13-25) Xp=2Da/Dp-(Da/Dp)20.5 (13-26)式中：KP -修正后的被動土壓力系數(shù)； Cp -被動土壓力折減系數(shù)； Kp-被動土壓力系數(shù)，可按式(13-16) 計算； K0-靜止土壓力系數(shù)；Da-被動區(qū)土體的允許位移值，根據(jù)實際工程要 求確定；Dp-被動極限狀態(tài)的位移值，可取 Dp=（）h0 ；h0-基坑開挖深度 2022/7/9462022/7/946 3 板式支護結構被動土壓力增大系數(shù)對于板樁、密排鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等板式支護結構，基坑內側被動區(qū)土體一旦進入被動土

26、抗力極限狀態(tài)，滑動土楔體與支護墻之間將發(fā)生相對位移，相對位移必然產(chǎn)生摩擦力。摩擦力客觀上提高了被動土壓力，但是朗肯理論沒有反映這一有利因素。因此可以用提高被動土壓力系數(shù)的辦法來修正朗肯理論的不足。2022/7/9472022/7/947 修正后的被動土壓力系數(shù)Kp為： Kp=CpKp (13-27) Cp-考慮支護墻與土體之間摩擦力的被動土壓力提高系數(shù)，可根據(jù)土的等效內磨擦角e按表13-4確定。 表13-4 被動土壓力提高系數(shù)Cp2022/7/9482022/7/948e1015 20 25 30 35 40 45 Cp1.061.111.181.271.391.541.772.09 土的等效

27、內摩擦角e 對砂性土即為其內摩擦角，對黏性土可按下式計算：式中：D-基坑底面以下支護墻體的插入深度， 其余符號同前。2022/7/9492022/7/949 關于土壓力計算中水土合算與水土分算問題的討論 在計算作用在支護結構上的土壓力時，在地下水位以下的部分，水壓力如何計算，始終存在爭論。建筑基坑支護技術規(guī)程的處理方法是粉土和黏性土采用水土合算法；碎石土和砂土采用水土分算法。 2022/7/9502022/7/950 水土合算法實際上是不考慮水壓力用，認為土中的水都是結合水，不形成水壓力。因此，直接用土的飽和重度計算土體的側壓力即可。顯然，這對于滲透系數(shù)為零的土層是對的。但是完全不透水的土是不

28、存在的，盡管滲透速度慢，水終究是會滲透的，終究會形成水壓力的。完全忽視水壓力的作用會降低工程的安全度。所以有些專家認為，水土合算這種方法是不合理的。2022/7/951 而贊成水土合算的專家則認為，大量的基坑工程實踐表明，黏性土中的地下水通過滲透在支護結構上形成靜水壓力的事實并沒有找到，即使地下水位很高的沿海地區(qū)也是如此。因此在這種情況下考慮水壓力的作用會增加支護結構的成本，顯然是不合理的。2022/7/952 這些專家認為，也許因為支護結構是在基坑開挖前施工，支護結構與土層之間很難生成自由水，所以不能形成靜水壓力。而地下結構的施工方法不同，地下結構是在基坑開挖后施工的，基礎底面與土接觸的界面

29、上容易產(chǎn)生自由水，一層薄薄的自由水就能產(chǎn)生靜水壓力，形成浮力。所以在驗算地下結構的抗浮穩(wěn)定性時，水壓力是不能忽視的。比如在上海、天津等地區(qū)就是這樣。2022/7/953 水土分算法其實就是分別計算水壓力和土壓力，以兩者之和作為側壓力。計算土壓力時，用土的浮重度。計算水壓力時，則采用全水頭壓力。當土的空隙中存在自由水、或者土的滲透性很好時，水土分算法應該是合理的，例如碎石土和砂土。但是也有專家認為，碎石土和砂土滲透性相差很大，水壓力通通按全水頭壓力計算似乎也不太合理。2022/7/954 粉、細砂的滲透系數(shù)可以小到左右，而碎石土的滲透系數(shù)可以大到500m/d左右，相差達幾百倍。于是有的專家就建議

30、根據(jù)土的含水量和滲透系數(shù)對水壓力進行修正，也就是乘一個修正系數(shù)。我倒覺得，雖然工程實踐表明，對大多數(shù)土層來說，水土分算法計算的水壓力偏大，但是修正似乎也不必要。因為工程還是安全一些好，況且也修不太正。2022/7/955 三 支護結構的設計計算 1 支護結構的受力特征 要進行支護結構的內力、變形、以及錨桿拉力（或支撐力）的計算，首先要根據(jù)支護結構的不同形式，分析它們的受力特征。支護結構的典型形式有三種，即淺埋結構、懸臂結構、深埋結構（圖13-11）：2022/7/956圖13-11 支護結構的三種典型形式: a 淺埋結構; b 懸臂結構; c 深埋結構2022/7/957 (a) 淺埋結構的受

31、力特征 淺埋結構是由于地層條件比較好（比如堅硬土層埋藏比較淺），或者荷載比較小，或者能夠提供的錨桿拉力（或支撐力）比較大，使得支護結構只需要比較小的嵌固深度就能夠滿足穩(wěn)定要求。 淺埋支護結構的變形主要有彎曲和繞點向基坑內側的轉動。其變形和受力狀況如圖13-12所示。2022/7/958圖13-12淺埋支護結構的變形與力學特征圖a 受力特征圖; b 支護結構彎矩圖; c 支護結構變形圖2022/7/959 （b） 懸臂結構的受力特征 懸臂結構是指上部不設錨桿或支撐，完全依靠基坑底面以下土層中的嵌固段維持自身平衡穩(wěn)定的結構形式。懸臂結構主要在基坑不深、荷載不大、地質條件較好的情況下采用。其變形 和

32、受力特征如圖13-13所示： 2022/7/960圖13-13 懸臂結構的變形和受力特征圖 受力特征如圖(A)；變形是彎曲加轉動，彎矩如圖(B) ；轉動是繞BC之間的某一點E，AE向基坑內側轉動，EC向基坑外側轉動。2022/7/961圖13-13 懸臂結構的變形和受力特征圖（a）受力特征圖；（b）支護結構彎矩圖；（c）支護結構變形圖 (c) 深埋結構的受力特征 深埋結構應是最常用的支護形式，設置錨桿或支撐，基坑底面以下土層中的嵌固段有較大深度。其變形 和受力特征如圖13-14所示：2022/7/962圖13-14 懸臂結構的變形和受力特征圖（a）受力特征圖；（b）支護結構彎矩圖；（c）支護結

33、構變形圖 受力特征如圖(a)；變形是彎曲加轉動，彎矩如圖(b) ；轉動則是繞AC之間的某一點O轉動，AO向基坑內側轉動，OC向基坑外側轉動。2022/7/963圖13-14 懸臂結構的變形和受力特征圖（a）受力特征圖；（b）支護結構彎矩圖；（c）支護結構變形圖 2 支護結構的設計計算方法 支護結構設計計算最常用的是經(jīng)典法和彈性法。這兩種方法計算基坑外側的主動土壓力（荷載標準值）都是采用朗肯理論。而基坑內側水平抗力的計算則不相同： a 經(jīng)典法：按朗肯或庫侖被動土壓力公式計算，不考慮墻體或樁體的變形，也不考慮錨桿或支撐的變形； b 彈性法:抗力等于該點的彈性抗力系數(shù)kH與該點水平位移 y 的乘積。

34、2022/7/964 3 支護結構的設計計算 a 經(jīng)典法：可用于： 1單層支錨淺埋結構的設計計算 2懸臂結構的設計計算 3單錨深埋結構的設計計算 4 多層支錨結構的設計計算 b 彈性法 1彈性法的基本撓曲方程 2彈性抗力系數(shù)的數(shù)值解法 c 彈塑性法（工程應用很少） 2022/7/9651單層支錨淺埋結構的設計計算： 這類結構的力學計算簡圖如圖13-15所示。它的未知數(shù)有兩個：錨桿水平拉力T1和支護結構的嵌固深度hd, ,可以用靜力平衡法求得，隨后即可求得支護結構的內力分布。2022/7/9662022/7/967圖13-15 淺埋結構的力學計算簡圖 從圖13-15可知，為使支護結構保持平衡，在

35、錨桿設置點A的力矩應為零，即MA=0 :EPjhPj -Eaihai= 0 (13-31)式中： Eai、hai分別第i層土的主動土壓力的 合力及合力作用點至錨桿設置 點 A 的距離； EPj、hPj分別第i層土的被動土壓力的 合力及合力作用點至錨桿設置 點 A 的距離。2022/7/968 展開式（13-31）是一個關于嵌固深度hd的一元三次方程，解析解無法求得。一般用試算法求出hd的值，再根據(jù)靜力平衡條件求出A點的錨桿水平拉力T1:T1 = Eai - EPj (13-32) 錨桿水平拉力T1也可由C的力矩平衡條件Mc=0 求得。 求得嵌固深度hd和錨桿水平拉力T1后，即可作出支護結構的彎

36、矩和剪力圖。2022/7/969 我們知道，彎矩最大點即是剪力為零點，因此彎矩最大點至錨桿設置點的距離h0可由下式求得：T1 - Ea0 = 0 (13-33) 最大彎矩計算值 Mmax可按下式計算：Mmax= T1 h0 - Ea0 (h0-ha0) (13-34)式中 Ea0 、ha0剪力為零點以上地層的主動土壓 力的合力及合力作用點至錨桿設 置點的距離； h0剪力為零點（彎矩最大點）至錨 桿設置點的距離。2022/7/970 嵌固深度hd、錨桿水平拉力T1及結構內力的設計值可按式（13-35）（13-38）計算： 嵌固深度： hdj0 hd （13-35） 錨桿水平拉力： T1j0 T1

37、 （13-36） 截面彎矩設計值: Mj =0Mmax （13-37） 截面剪力設計值: Vj = 0V （13-38）式中0基坑側壁安全等級重要性系數(shù)； V 截面剪力設計值。 當按式（13-35）計算的單錨淺埋結構嵌固深度hdjH 時，宜取hdjH 。 H 為基坑開挖深度。2022/7/971例題13-1某地下室工程基坑開挖深度H=9m,采用排樁支護；各地層土的厚度和物理力學指標如表13-6所示；地面超載q0=10kPa；基坑周圍采用井點降水。試按淺埋結構的計算方法，作樁錨支護結構設計?；觽缺诎踩燃墳槎墸匾韵禂?shù)0=。2022/7/972各地層土的厚度和物理力學指標 表13-61 按

38、公式(13-9) Kai=tg2(45- fik/2)計算各土層的主動土壓力系數(shù)Kai：Ka1= tg2(45 - Ka2= tg2(45 - Ka3= tg2(45 - Ka4= tg2(45 - 2022/7/973 按公式(13-16) Kpi=tg2(45+ fik/2)計算開挖面以下各土層的被動土壓力系數(shù)Kpi ：Kp3=tg2(45 + Kp4=tg2(45 + 2 計算各土層單位長度（1m）的主、被動土壓力強度值 因基坑周圍采用井點降水措施，可以不計算深度水壓力，各土層單位長度（1m）的主、被動土壓力強度值可用式（13-3）、（13-14）計算：eajk=ajkKai-2cikK

39、ai1/2 （13-3） epjk=pjkKpi+2cikKpi1/2 （13-14） 2022/7/974圖13-16 例題13-1的計算簡圖2022/7/975主動土壓力強度： eajk=ajkKai-2cikKai1/2 （13-3） 第1層土的上表面：ea1k上=q0Ka1-2c1kKa11/2=0.704- 215.0(0.704)1/2第1層土的下表面：ea1k 下=（1z1+q0）Ka1- 2c1kKa11/2)0.704- 215.0(0.704)1/22022/7/976第2層土的上表面：ea2k上= （1z1+q0） Ka2 - 2c2kKa21/2= ) 0.870- 2

40、10.0(0.870)1/2第2層土的下表面：ea2k 下=（1z1+ 2z2+q0）Ka2 2c2kKa21/2)0.870- 210.0(0.870)1/22022/7/977第3層土的上表面：ea2k上= （ 1z1+ 2z2+q0 ） Ka3 - 2c3kKa31/2= ) 0.568- 230.0(0.568)1/2第3層土的下表面（基坑底） ：ea2k 下（基坑底）=1z1+ 2z2+3（H-z1-z2）+q0 Ka3 - 2c3kKa31/2=(18.02.5+15.83.5+18.53+10)0.568-230.0(0.568)1/22022/7/978第4層土的上、下表面：e

41、a4k 上= ea4k 下=1z1+ 2z2+3（H-z1-z2）+q0 Ka4 - 2c4kKa41/2=(18.02.5+15.83.5+18.53+10)0.406-218.0(0.406)1/22022/7/979被動土壓力強度 epjk=pjkKpi+2cikKpi1/2 （13-14）第3層土的上表面：ep3k 上=2c3kKp31/2=230.0(1.761)1/2第3層土的下表面：ep3k 下=3(z1+ z2+ z3-H)Kp3 + 2c3kKp31/2 =18.51.51.761+230(1.761)1/22022/7/980第4層土的上表面：ep4k 上=3(z1+ z2

42、+ z3-H)Kp4 +2c4kKp41/2 =18.51.52.464+218(2.464)1/2 第4層土的下表面：ep4k 下= ep4k 上+ 4tKp4t =124.89+4.816 上式中t為第4層土的上表面至支護結構底的深度，為未知數(shù)。2022/7/9813 作力學計算簡圖 考慮到場地上部 土質較差，錨桿錨固段的覆土厚度及可能存在的地下管線等因素，將錨桿設置在地表下的A點,并與地面成30角。其力學計算簡圖如前面的圖13-16。求嵌固深度設計值hdj 對錨桿設置點A取矩，令MA=0,得： 2022/7/982整理上式得：t 2+14.580 t 2+41.278 t - =0用試算

43、法求得 t 0.423 m,根據(jù)公式hdj0 hd （13-35）求設計嵌固深度： 式中：0 重要性系數(shù)，已知0 .0 hd =+0.423)看圖13-16， hdj0(1.5+0.423)=2.31m 若hdjH，取hdjH , (H-基坑深度)2.310.39=2.7 ，故取hdj.7m2022/7/9835 求錨桿軸向受拉承載力設計值 由靜力平衡條件H=0,得：T1156.08+124.890.423+(46.8160.423/2)0.423=172.31(kN/m)錨桿軸向受拉承載力設計值:Nu=T1j/cos= 0T1/cos30=248.7(kN/m)2022/7/9846 求剪力

44、為零點的位置h0 按前述 T1 - Ea0 = 0 (13-33)式中 Ea0 、ha0剪力為零點以上地層的主動土壓力的合力及合力作用點至錨桿設 置點的距離；h0剪力為零點（彎矩最大點）至錨桿設置點的距離。 整理后： h02+4.25 h0- 24.02=0解得： h0=3.22 (另一解h0= -7.47,舍棄)2022/7/9857 求截面彎矩設計值按前述，Mmax= T1 h0 - Ea0 (h0-ha0) (13-34)截面彎矩設計值: Mj =0Mmax （13-37） Mj =0Mmax 0 T1 h0 Ea0(h0-ha0)= 22(3.22/3)= 376.3(kNm/m)20

45、22/7/9863 支護結構的設計計算 a 經(jīng)典法：可用于： 1單層支錨淺埋結構的設計計算 2懸臂結構的設計計算（略） 3單錨深埋結構的設計計算（略） 4 多層支錨結構的設計計算（略） b 彈性法 1彈性法的基本撓曲方程 2彈性抗力系數(shù)的數(shù)值解法 c 彈塑性法（工程應用很少）2022/7/987 從以上對經(jīng)典法的說明可以看出，這種方法是源于擋土墻的設計理論。但實際上基坑支護結構與擋土墻的受力機理是不同的。所以經(jīng)典法存在的問題是： 1 內力的計算結果與實測結果不盡相符。大量實測資料表明，計算結果一般偏大； 2 因為是基于擋土墻的計算方法，所以難以計算支護結構的變形； 3 同樣是因為是基于擋土墻的

46、計算方法，所以不處于極限狀態(tài)時，就不能計算土壓力。2022/7/988 相對于經(jīng)典法，彈性法在理論上顯得完善一點，工程應用多一點，經(jīng)驗的積累也多一點，也基本上得到了設計人員的認可。彈性法存在的問題是： 1 計算比較困難，僅限于平面問題； 2 作用于支護結構上的荷載，在基坑底面以上，仍然要采用按經(jīng)典理論分析的主動土壓力；在基坑底面以下的荷載也難統(tǒng)一認識。對彈性地基梁的彈性抗力比例系數(shù)一般認為m法比較接近實際。 3 不能計算出嵌固深度，嵌固深度只能憑經(jīng)驗確定，或者采用經(jīng)典法確定。2022/7/989 1彈性法的基本撓曲方程 梁的一般撓曲微分方程：式中 E梁的材料彈性模量； I梁的截面慣性矩。202

47、2/7/9902022/7/991 我們把這根梁豎起來，以深度z代替x,就可得到支護結構（排樁、地下連續(xù)墻）的撓曲微分方程：式中q(z)是荷載項，即主動土壓力，為已知項:q(z) = eajkbs p (z)是抗力項，根據(jù)文克爾假定，p=k (13-17)將式中的換成y ，則有 p（z）=k y , 式中k是彈性抗力系數(shù)，按m法， k=mz,這些變換代入上面的撓曲微分方程，即可得到建筑基坑支護技術規(guī)程JGJ120-99中的公式(B.0.2-1,2)：2022/7/992 （0 z hn） （ B.0.2-1) （ z hn） （B.0.2-2) 式中EI-支護結構計算寬度的抗彎剛度； m-地基

48、土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)； z-支護結構頂部至計算點的距離； hn第n工況時的基坑開挖深度； y-計算點的水平變形； bs-荷載計算寬度，地下連續(xù)墻和水泥土墻取單位寬度，排樁取樁的中心距； b0-抗力計算寬度，地下連續(xù)墻和水泥土墻取單位寬度，按下列規(guī)定計算： 對于樁身直徑為d 的圓形樁：b0=0.9(1.5+0.5) 對于邊長為b 的方形樁：b0b 至此，問題還沒有解決，因為上面所列的撓曲微分方程無法求得解析解。求解的方法就是采用數(shù)值解法，這在現(xiàn)在的計算機時代，就不是難題了。2022/7/993四 支護結構的穩(wěn)定性驗算 1 支護結構嵌固穩(wěn)定性 2 支護結構整體滑動穩(wěn)定性 3 基坑底部抗隆起穩(wěn)定

49、性 4 基坑底部抗管涌穩(wěn)定性 5 基坑底部抗?jié)B流穩(wěn)定性建筑基坑支護技術規(guī)程JGJ120-修訂送審稿：2022/7/994 4.3.1 懸臂式結構在確定嵌固深度ld時，其 嵌固穩(wěn)定性應符合下列規(guī)定（圖）：(是對樁底取矩) （） 式中 Kem嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；不同安全等級的嵌固穩(wěn) 定安全系 數(shù)Kem應按本規(guī)程表?。籈ak、Epk基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力 的標準值； za、zp基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土壓力 至擋土構件底端的距離；2022/7/9952022/7/996圖 懸臂式結構嵌固穩(wěn)定性驗算表3.1.7 各類穩(wěn)定性分項系數(shù)及安全系數(shù)2022/7/997 單支點錨拉式結構和

50、支撐式結構在確定嵌固深度ld時，其嵌固穩(wěn)定性應符合下列規(guī)定（圖）：【與式（）形式相同，是對支點取矩】 （） 式中 Kem嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；不同安全等級的嵌 固穩(wěn)定安全系數(shù)Kem應按本規(guī)程表3.1.7 取用； za、zp基坑外側主動土壓力、基坑內側被動土 壓力至支點的距離。 2022/7/998圖4.3.2 單支點錨拉式結構和支撐式結構嵌固穩(wěn)定性驗算 2022/7/999四 支護結構的穩(wěn)定性驗算 1 支護結構嵌固穩(wěn)定性 2 支護結構整體滑動穩(wěn)定性 3 基坑底部抗隆起穩(wěn)定性 4 基坑底部抗管涌穩(wěn)定性 5 基坑底部抗?jié)B流穩(wěn)定性2022/7/91004.3.3 錨拉式結構應進行極限平衡狀態(tài)下的整體滑動穩(wěn)定性驗算。整體滑動穩(wěn)定性可采用圓弧滑動條分法，并按下列規(guī)定進行驗算 (圖4.3.3)：2022/7/9101(圖4.3.3)4.3.3 錨拉式結構應進行極限平衡狀態(tài)下的整體滑動穩(wěn)定性驗算。整體滑動穩(wěn)定性可采用圓弧滑動條分法，并按下列規(guī)定進行驗算 (圖4.3.3)： 1 所有滑動體中，抗滑力矩與滑動力矩比值的最小值應符合下列規(guī)定： （） （）2022/7/9102式中 Ks圓弧滑動穩(wěn)定安全系數(shù)；不同安全 等級的整體滑動穩(wěn)定安全系數(shù)Ks 應 按本規(guī)程表取用； MS滑動土體