清華大學(xué)土木課程地下結(jié)構(gòu)3

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

UndergroundStructure—DesignandConstruction主講：宋二祥

第三章基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

本章主要參考書(shū)：

【1】劉建航、候?qū)W淵主編，基坑工程手冊(cè)，中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997【2】中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ120-99）,中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999§3-1概述§3-2土水壓力計(jì)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算§3-4錨桿設(shè)計(jì)§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)第三章基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

為地下工程施工提供安全的空間§3-1概述

對(duì)鄰近建筑和設(shè)施提供可靠的保護(hù)有不同程度的止水作用

討論基坑支護(hù)的必要性一、基坑支護(hù)的作用及研究的必要性：§3-1概述

0.901.001.10支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過(guò)大變形對(duì)周邊環(huán)境及地下設(shè)施影響不嚴(yán)重

支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過(guò)大變形對(duì)周邊環(huán)境及地下設(shè)施影響一般

支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過(guò)大變形對(duì)周邊環(huán)境及地下設(shè)施影響很嚴(yán)重

破壞后果

三級(jí)二級(jí)一級(jí)安全等級(jí)

基坑側(cè)壁安全等級(jí)及重要性系數(shù)：二、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則考慮兩種極限狀態(tài)：支護(hù)體系或周邊環(huán)境破壞及不能接受的變形。

支護(hù)體系的驗(yàn)算：均需驗(yàn)算強(qiáng)度，對(duì)一級(jí)及有變形控制要求的二級(jí)基坑還需驗(yàn)算變形（需先確定變形限值）。§3-1概述

設(shè)計(jì)內(nèi)容：支護(hù)設(shè)計(jì)、水的控制措施，質(zhì)量檢測(cè)與施工監(jiān)測(cè)要求地下水控制驗(yàn)算：抗?jié)B透驗(yàn)算，抗突涌驗(yàn)算三、支護(hù)類型及選用原則§3-1概述

放坡開(kāi)挖：用于三級(jí)基坑，場(chǎng)地允許、深度較小的情況，可與其他方式聯(lián)合使用其計(jì)算屬于土坡穩(wěn)定問(wèn)題?！?-1概述傳統(tǒng)支護(hù)方式：擋土構(gòu)件+橫向支撐。用于一、二、三級(jí)，懸臂支護(hù)在軟土中深度小于5m擋土結(jié)構(gòu)：有樁、墻等，可分為骨架式、連續(xù)式、半連續(xù)式等橫向支撐：內(nèi)支撐、背拉錨桿等§3-1概述

§3-1概述土釘支護(hù)：二、三級(jí)，非軟土場(chǎng)地，深度不宜大于12m（18m）

20世紀(jì)90年代初開(kāi)始在我國(guó)城市基坑支護(hù)中應(yīng)用。其新發(fā)展為復(fù)合土釘支護(hù)—與錨桿、微樁等聯(lián)合使用。在上海，坑深〈6米左右，多用鋼板樁加一道拉錨或內(nèi)支撐；>10米左右則多用連續(xù)墻加內(nèi)鋼砼內(nèi)支撐。北京土釘支護(hù)應(yīng)用廣泛。§3-1概述其他支護(hù)形式：水泥土墻、逆作拱墻、雙排樁。各種形式的聯(lián)合支護(hù)

§3-1概述§3-2土水壓力計(jì)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算§3-4錨桿設(shè)計(jì)§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)第三章基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

幾種情況下的土壓分布如圖。§3-2土水壓力計(jì)算與土的性質(zhì)、體系變形、施工過(guò)程等有關(guān)，較復(fù)雜。一、擋土構(gòu)件上的土壓力

實(shí)際土壓力值（動(dòng)用土壓）一般并非主動(dòng)土壓或被動(dòng)土壓。特別是被動(dòng)土壓，所需變形大，一般不能充分發(fā)揮。§3-2土水壓力計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)上述原理及經(jīng)驗(yàn)假定土壓分布如圖（國(guó)外多用）：

基坑支護(hù)規(guī)程：按經(jīng)典理論計(jì)算，但墻后坑深以下主動(dòng)土壓計(jì)算時(shí)取坑深處的豎向應(yīng)力?！?-2土水壓力計(jì)算地面荷載引起擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力：大面積分布荷載：見(jiàn)圖局部荷載：僅在CD段用擴(kuò)散后的豎向應(yīng)力計(jì)算土壓。§3-2土水壓力計(jì)算土壓力計(jì)算寬度：連續(xù)式擋土結(jié)構(gòu)按每延米計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度和土壓力；骨架式擋土結(jié)構(gòu)：取一根樁計(jì)算：基底以上主動(dòng)土壓計(jì)算寬度按樁基規(guī)范取0.9（D+1m）?；蛘哒f(shuō)，應(yīng)以此確定擋土樁間距。擋土樁樁距較樁基小。否則要么發(fā)生破壞，要么全部土壓由樁承受?！?-2土水壓力計(jì)算但最終值要小于按樁間距計(jì)算的值。

基底以下主動(dòng)土壓按D計(jì)算，被動(dòng)土壓力由寬度D內(nèi)值乘以M（兩體積之比）計(jì)算土壓力所用C、φ值:在與現(xiàn)場(chǎng)條件相近的試驗(yàn)條件下測(cè)定，一般是固結(jié)快剪或固結(jié)不排水剪強(qiáng)度指標(biāo)?！?-2土水壓力計(jì)算二、擋土構(gòu)件上的水壓力§3-2土水壓力計(jì)算繞墻下端C有滲流：同“基礎(chǔ)工程”所講。繞墻下端C無(wú)滲流：如圖b所示。三、土－水壓力的分算、合算§3-2土水壓力計(jì)算土水分算：土水合算：末式嚴(yán)格說(shuō)無(wú)意義，因土壓力系數(shù)與有效容重不對(duì)應(yīng)。故不宜理解為水壓折減?；又ёo(hù)規(guī)程：粗粒土分算，細(xì)粒土合算§3-1概述§3-2土水壓力計(jì)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

§3-4錨桿設(shè)計(jì)§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)第三章基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

驗(yàn)算內(nèi)容與可能的破壞形式密切相關(guān)。一、懸臂樁、墻計(jì)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算僅用于開(kāi)挖深度較小的情況相應(yīng)的驗(yàn)算：對(duì)1按土坡穩(wěn)定驗(yàn)算，對(duì)后兩者按以下方法驗(yàn)算。可能的破壞形式：1）整體滑移破壞；2）擋土構(gòu)件強(qiáng)度不足而破壞；3）嵌深不足而傾覆§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算據(jù)實(shí)際變形情況，設(shè)墻體繞E轉(zhuǎn)動(dòng)，則E以上墻后為主動(dòng)土壓，墻前為被動(dòng)土壓，E點(diǎn)以下則相反。E點(diǎn)以下墻段對(duì)上段的作用力記為P（圖）?？汕蟪銮渡畹纳隙蝨，再乘由以1.2作為嵌固深度§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算即樁長(zhǎng)Mmax由Q=0的條件求出，用于驗(yàn)算擋土構(gòu)件的強(qiáng)度問(wèn)：Mmax發(fā)生在坑底以上還是坑底以下?

另一計(jì)算方法：忽略P，由水平力平衡求嵌深，再乘以1.2。結(jié)果相同嗎？嵌深與H之比隨H增大而增大。在上海嵌深可大于坑深，在北京地區(qū)可遠(yuǎn)小于坑深。

§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算2、單錨（撐）支護(hù)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)破壞形式：（a）錨桿拉斷（地面堆載）、拔出（c）擋土構(gòu)件本身強(qiáng)度不足而破壞（b）踢腳破壞，嵌深不足（d）整體滑移破壞相應(yīng)的驗(yàn)算：對(duì)d按土坡穩(wěn)定驗(yàn)算，對(duì)前三者按以下方法驗(yàn)算?！?-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算土壓分布與前類似，但這里多一未知量，超靜定，用等值梁法求解。設(shè)合土壓=0處M=0（近似,x0/H和有關(guān)），由CA段SMC=0，可求出拉力T、P0；由下段SMC=0求t，再乘以1.2?！?-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算Mmax此時(shí)在坑底以上水平。模型誤差修正：M折減30～40%，支撐力增大35～40%（上海地基基礎(chǔ)規(guī)范）。原因：假定的墻前被動(dòng)土壓偏大及樁后上段主動(dòng)土壓因樁變形而減小。（見(jiàn)3-2節(jié)圖）考慮摩擦影響對(duì)土壓的修正：墻前被動(dòng)土壓增大，墻后被動(dòng)土壓減小，主動(dòng)土壓不折減。調(diào)整系數(shù)查表。

另一驗(yàn)算方法：設(shè)樁前為被動(dòng)土壓、樁后為主動(dòng)土壓，由可定支撐軸力與最小入土深度。（用于嵌深小的情況）

§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算3、多錨（撐）支護(hù)結(jié)構(gòu)基坑深度大時(shí)用多撐。計(jì)算方法有多種，如二分之一分割法、等值梁法、山肩邦男法等。施工過(guò)程：先挖后撐（或先撐后挖）§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算

a）

二分之一分割法（我國(guó)鐵路部門(mén)常用，見(jiàn)圖）設(shè)各支撐承受上下各半跨的土壓和水壓；由SM＝0確定最小插入深度；再以樁為連續(xù)梁，其下端據(jù)土的密實(shí)情況假定為鉸接或嵌固于基底下(0.33-0.5)倍插深處，進(jìn)行支撐力及內(nèi)力計(jì)算（可用力矩分配法）§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算b）相當(dāng)梁法關(guān)鍵是確定反彎點(diǎn)位置，有幾種假定：土壓為零的點(diǎn)；

坑底水平；

由土的性質(zhì)定，硬土淺（0.1倍H1），軟土深（0.4H1），H1—最下層支撐與坑底的距離；

上海隧道公司統(tǒng)一假定為3米深處。反彎點(diǎn)確定后，其余計(jì)算與單撐的情況類似?！?-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算c)山肩邦男近似法基本假定：考慮粘性土層，墻前取被動(dòng)土壓，墻后取三角形分布的土壓(可用主動(dòng)土壓系數(shù)計(jì)算）計(jì)算過(guò)程：隨施工過(guò)程計(jì)算，每次兩個(gè)未知量—新起作用支撐的軸力、當(dāng)前坑底下反彎點(diǎn)位置，由力、力矩平衡兩個(gè)方程可解。開(kāi)挖面以下必存在彎矩為零的一點(diǎn)（其位置未知）,忽略該點(diǎn)以下樁段對(duì)上段的剪力作用下道橫撐設(shè)置后，認(rèn)為上道橫撐的軸力不變；§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算開(kāi)挖前，墻兩側(cè)均受靜止土壓。開(kāi)挖到某一深度時(shí)，開(kāi)挖側(cè)土壓釋放，釋放的壓力即為墻所受的荷載。d)模擬開(kāi)挖的桿系有限元法據(jù)此可分步計(jì)算，模擬施工過(guò)程：支撐和土的約束用彈簧模擬，開(kāi)挖一步計(jì)算一次。注意：每開(kāi)挖一層，應(yīng)將模擬其約束作用的彈簧力反向加到結(jié)構(gòu)上。有模擬開(kāi)挖功能的程序中則只需將其關(guān)閉。最終結(jié)果為各步結(jié)果之和。（如程序可分步計(jì)算并累加計(jì)算結(jié)果，在計(jì)算過(guò)程中又可修改荷載，則更簡(jiǎn)便。）§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算圖示算例,其中γ=18kN/M3，φ=14°,C=7kPa，墻厚0.8m，C30砼。e)計(jì)算方法比較§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算桿系有限元法§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算各層支撐最大軸力計(jì)算值（kN）方法支撐1支撐2支撐3支撐4二分法12355882彈性法19335882桿系有限元16466667地層有限元16486885由M之差別可見(jiàn)現(xiàn)有計(jì)算方法不成熟,可能的原因：(1)未考慮支撐、墻、土相對(duì)剛度的影響；(2)未考慮開(kāi)挖過(guò)程;等方法仍然可用的原因：(1)工程類比（經(jīng)驗(yàn)）；(2)保守設(shè)計(jì)；(3)結(jié)構(gòu)本身有一定內(nèi)力重分布能力。4、基坑穩(wěn)定驗(yàn)算a）荷載引起的基坑失穩(wěn)計(jì)算模型如圖轉(zhuǎn)動(dòng)力矩：穩(wěn)定力矩：要求：（和x無(wú)關(guān)）§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算其他幾種不同的模型：（1）樁剛度及嵌深大，可設(shè)滑移中心在樁下端，但X=？試算（2）樁剛度小，可設(shè)滑移中心在最下層支撐處，滑面過(guò)樁下端（3）可考慮豎直面上的抗滑力§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算b）滲透穩(wěn)定驗(yàn)算：突涌驗(yàn)算：滲透破壞驗(yàn)算：結(jié)合滲流計(jì)算可求地下連續(xù)墻嵌固深度由覆土重>水壓有：坑底以下有承壓水時(shí)驗(yàn)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)計(jì)算§3-1概述§3-2土水壓力計(jì)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算§3-4錨桿設(shè)計(jì)§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)第三章基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

§3-4錨桿設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：改善施工條件；解決大基坑內(nèi)支撐的困難；施工設(shè)備占空間??；施工噪聲?。荒苁┘宇A(yù)應(yīng)力控制變形100-200,L=10-30m,傾角15-35°,僅水平分力有效，豎向分力有害，但為注漿方便，不宜小于15°自由段、錨固段：后者要在主動(dòng)破壞區(qū)之外，預(yù)應(yīng)力約為設(shè)計(jì)拉力的70%。上覆土4－5m，否則會(huì)拔出或地面隆起（因有豎向分力）

組成：錨頭（臺(tái)座、承壓板、緊固器）、拉桿、錨固段錨桿布置：需考慮群錨效應(yīng)，樁、梁內(nèi)力等因素。目前趨勢(shì)是用密而設(shè)計(jì)拉力小的錨桿，可靠性較好。§3-4錨桿設(shè)計(jì)錨桿所受拉力：用前述方法計(jì)算。

注意：極限摩阻力非均勻分布，錨固段<10m可近似按均布算,錨固段過(guò)大無(wú)用；粘性土的Ip大，則qs小。不宜用永久錨桿的土層：蠕變大的土層，例有機(jī)土，高塑性粘土，松砂。

抗力估計(jì)：決定于拉桿強(qiáng)度，鋼筋握裹力，巖土錨固力（砂漿與巖土間摩擦力、咬合力）。在土層中由土層錨固力控制:§3-4錨桿設(shè)計(jì)

群錨效應(yīng)考慮：錨桿密時(shí)近似用下式計(jì)算其抗拔力折減系數(shù)§3-4錨桿設(shè)計(jì)錨固系統(tǒng)的整體穩(wěn)定，決定其總長(zhǎng)度（Nt僅定Ls），用Kranz方法.由KRANZ在50年代提出，后經(jīng)發(fā)展于60年代用于德國(guó)規(guī)范，日本和我國(guó)也多用該方法。

KRANZ經(jīng)研究提出：1)最可能的破裂面為BCF；2)考慮土體EBCF的平衡，可求出圖示錨桿抗拔力。圖中BE、CF均為主動(dòng)破裂面，由ABE和CDF的平衡可求Qa與Q0，則土體EBCF所受外力僅P和Qr的大小未知，由力的平衡條件（或力多邊形）可解?！?-4錨桿設(shè)計(jì)推廣到多層錨桿安全系數(shù)的驗(yàn)算，以下為兩種典型配置型式：

a）上短下長(zhǎng)上層錨桿：由abc1d1平衡可求其拉力A1（知Ea、E1、G1），此時(shí)下層錨桿無(wú)影響。所求拉力與其設(shè)計(jì)拉力之比為安全系數(shù)。下層錨桿：由abc2d2平衡可求兩錨桿拉力之和。所求錨桿合力與其設(shè)計(jì)拉力和之比即為安全系數(shù)?！?-4錨桿設(shè)計(jì)b）上長(zhǎng)下短此時(shí)除按上述方法定出各錨桿相應(yīng)的破裂面外，bc2c1f亦可能成為破裂面，所以要分析三個(gè)土體的平衡求安全系數(shù)。實(shí)際工程問(wèn)題千變?nèi)f化，但理解了上述原理總可分析?！?-1概述§3-2土水壓力計(jì)算§3-3傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算§3-4錨桿設(shè)計(jì)§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)第三章基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)：【1】陳肇元、崔京浩主編：土釘支護(hù)在基坑工程中的應(yīng)用（第二版），中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000【2】宋二祥等：深基開(kāi)挖的土釘支護(hù)—設(shè)計(jì)方法；地下空間，1996年第2期§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)一、構(gòu)造與作用機(jī)理

（圖）土釘：在土體中成孔后放入鋼筋并沿全長(zhǎng)注漿所形成的細(xì)長(zhǎng)桿件，也可僅用鋼筋、鋼管等。§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)施工過(guò)程：隨基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，在坑壁做土釘、掛鋼筋網(wǎng)片并噴混凝土。

§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)同錨桿的區(qū)別：土釘間距密、長(zhǎng)度小、沿全長(zhǎng)注漿、無(wú)預(yù)應(yīng)力。與錨桿作用機(jī)理的差別見(jiàn)圖。

§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)作用機(jī)理：1）加固作用—加固土體，使其類似于重力式擋土墻。故不要求一定穿過(guò)滑移面，也不分自由段和錨固段。2）錨固作用—將可能滑移的土體錨于穩(wěn)定區(qū)，需穿越滑移面。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)便、有效，顯著縮短工期、節(jié)省造價(jià)。缺點(diǎn)：需占用場(chǎng)外地下空間，需排除地下水，要求土體有一定自穩(wěn)能力。二、土釘設(shè)計(jì)的基本考慮設(shè)計(jì)目的：保證基坑的安全穩(wěn)定并在技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理。設(shè)計(jì)內(nèi)容：坑壁坡度，土釘傾角、土釘長(zhǎng)度、加筋直徑、孔徑及間距，支護(hù)面層厚度及配筋，每層開(kāi)挖深度等?！?-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)坑壁坡度：適當(dāng)放坡增加穩(wěn)定性，也較經(jīng)濟(jì)。土釘傾角：10～15度，以便注漿。但水平設(shè)置能更好控制變形§3-5土釘支護(hù)設(shè)計(jì)孔徑：一般由成孔機(jī)具決定，10cm左右。間距：要有一定密度，否則難以有效約束釘間土體。一