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1、深基坑支护工程设计与检测 事故分析、相关规范与工程实例 第三部分 深基坑支护结构的设计计算 *1 *1 深基坑支护结构主要指深基坑的挡土 桩或挡土墙与锚杆或内支撑相结合的挡土 结构,也包括土钉墙、复合土钉墙等其它形 式的支护结构。 挡土桩主要指钢筋混凝土预制桩、灌 注桩、人工挖孔桩和钢管桩、钢板桩等； 挡土墙主要是钢筋混凝土地下连续墙，型 钢水泥土连续墙等。 *2 *2 第三部分主要内容 一 深基坑挡土结构的设计内容与步骤 二 荷 载 计 算（土压力计算） 主动土压力计算 土体水平抗力的计算 关于土压力经验修正的讨论 土压力计算中水土合算与水土分算 问题的讨论 三 支护结构的设计计算（此处支护
2、结构主要指 排桩、地下连续墙） 支护结构的受力特征 支护结构的设计计算方法简介 支护结构的设计计算： a 经典法：（可用于） 1单层支锚浅埋结构的设计计算及例题 2悬臂结构的设计计算（略） 3单锚深埋结构的设计计算（略） 4 多层支锚结构的设计计算（略） *3 b 弹性法 1弹性法的基本挠曲方程 2弹性抗力系数的数值解法 c 弹塑性法 工程应用很少（略） 四 支护结构的稳定性验算 1 支护结构嵌固稳定性 2 支护结构整体滑动稳定性 3 基坑底部抗隆起稳定性 4 基坑底部抗管涌稳定性 5 基坑底部抗渗流稳定性 五 土钉支护的设计与应用 * 3 主要参考资料 1 建筑基坑支护技术规程JGJ120-
3、99及部分修订 内容 2 岩土锚固，程良奎 范景伦 韩军 许建平 3 建筑地基基础设计规范GB50007-2002 4 地基与基础，天津大学 西安冶金建筑学院 哈尔滨建筑工程学院 重庆建筑工程学院，顾晓鲁总成 *4 *5 一 深基坑支护结构的设计内容与步骤 1 了解工程环境:邻近建筑(构)物及地下管线的 现状及其对变位的敏感程度,测量其至基坑开挖线 的距离; 2 阅读地下室及基础结构图;确定基坑开挖深 度及开挖范围;确定电梯井等局部加深的情况; 3 阅读工程地质报告,了解分析各层土的物理 力学性质及地下水情况; 4 通过综合比较选取最佳支护及地下水处理 方案,包括支护结构的各部分尺寸; *6
4、*6 5 确定作用于支护结构上的荷载,即计算水 压力、土压力; 6 计算支护结构的嵌固深度、内力、锚固 力、变形量; 7 整体稳定性验算,抗隆起、抗管涌的措施; 8 6和7须经过试算,调整支护方案及其各部分 尺寸; 9 结构设计,绘制施工图 *7 *7 二 荷载计算（土压力计算） 作用在支护结构上的荷载主要 就是土压力.土压力有主动土压力、 被动土压力和静止土压力. 主动土压 力最小,被动土压力最大,静止土压力 在两者之间. 如果支护结构(墙体)不产生任 何移动和转动,这时土体对墙体产生 的土压力称为静止土压力. *8 *8 如果墙体在土压力的作用下,发生向基坑 内绕墙底转动或移动(图13-2
5、a),静止土压力逐 渐减小,直到将墙体挤压到即将离开土体时的 极限状态,即主动极限平衡状态,此时土压力达 到最小值,称为主动土压力. *9 *9 图图13-213-2产生主动或被动土压力的情况产生主动或被动土压力的情况 ( (a a) ) 主动土压力；主动土压力；( (b b) ) 被动土压力被动土压力 如果墙体在外力的作用下,挤压土体(图 13-2b),压力从静止土压力逐渐增大,直到土体 即将破坏时的极限状态,即被动极限平衡状态, 此时土压力达到最大值,称为被动土压力. *10 *10 图图13-213-2产生主动或被动土压力的情况产生主动或被动土压力的情况 ( (a a) ) 主动土压力；
6、主动土压力；( (b b) ) 被动土压力被动土压力 目前除了这三种特殊平衡状态以外的土压力还无法计算. 试验表明,土压力要降低到主动土压力的数值,挡土结构顶部 的水平位移需达到该结构挡土高度的15 ；而要达到被动土压 力的数值,这种位移要大得多,约为挡土高度的25 %,是达到主动土 压力的1550倍.在实际工程中主动土压力容易达到,被动土压力不 一定能达到.表13-1列出了国外有关规范规定达到主动极限状态 和被动极限状态所需的变形值. *11 *11 表13-1 发挥主动和被动土压力所需的变位 表中：H、D地面、基坑底至挡土墙底的高度； y水平位移；h0挡土高度。 *12 *12 主动土压力
7、计算 主动土压力计算一般采用经典土压力理论-厍 仑理论和朗肯理论. 厍仑理论假定挡土墙是刚性的；墙后填土是 无粘性砂土；当挡土墙墙身移动产生主动土压力或 被动土压力时，滑动土体是沿着墙背和一个通过墙 踵的平面滑动的，假定滑动土体是刚体。朗肯理论 和厍仑理论最大的差别是朗肯理论不考虑摩擦力， 因此求得的主动土压力偏大，被动土压力偏小，用 于设计挡土墙是偏于安全的。而且公式比较简单， 所以被广泛采用。 *13 *13 根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，作用 在支护结构上的主动土压力（水平荷载标准值） eajk应按当地可靠经验确定当无经验时可按下列 规定（朗肯理论）计算（图）这次 建筑基坑
8、支护技术规程JGJ120修订，土压力仍然 采用朗肯理论。 *14 *14 *15 *15 图主动土压力计算简图图主动土压力计算简图 对于碎石土及砂土 （1）当计算点位于地下水位以上时： eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-1) （2）当计算点位于地下水位以下时： eajk=ajkKai-2cikKai1/2 + +（zj-hwa）-(mj-hwa)waKaiw (13-2) *16 *16 eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-1) eajk=ajkKai-2cikKai1/2 （zj-hwa）-(mj-hwa)waKaiw （ 13-2） 式中 ajk-作用
9、于深度zj处的竖向土压力,可按式(13-4)计算; cik -三轴试验确定的第i层土固结不排水(快)剪黏聚力; zj-计算点深度; hwa-基坑外侧水位深度; h -基坑深度; mj-计算参数,当zjh 时,取zj,当 zjh时,取h; wa-计算参数,当hwah 时,取1,当 hwah时,取0; w-水的重度; Kai-第i层土的主动土压力系数,可按公式(13-9)计算。 *17 *17 2 对于粉土及黏性土 eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-3) 当按以上公式计算的土压力小于零时,应取零。 3 竖向土应力标准值ajk可按下式计算: ajk= rk +ok +lk (13
10、-4) (1)计算点深度zj处自重竖向应力rk : 当计算点位于基坑开挖面以上时: rk=mj zj ( 13-5) 式中mj -深度zj以上土的加权平均天然重度 *18 *18 当计算点位于基坑开挖面以下时: rk=mj zj ( 13-6) 式中mj -开挖面以上土的加权平均天然重度 (2)当支护结构外侧地面作用均布附加载 荷q0时(图13-4),基坑外侧任 意深度竖向应力标准值0k 可按下式计算: 0k=q0 (13-7) *19 *19 (3)当距支护结构b1外侧,地面作用有宽度为b0的条形均布附 加载荷q1时(图13-5),基坑外侧任意深度CD范围内的竖向应力 标准值lk 可按下式计
11、算: lk= q1 b1/(b0+2b1) (13-8) *20 *20 (4)上述基坑外侧附加载荷作用于地表以下一定深度时, 将计算值点深度相应下移,其竖向应力也可按上述规定确定 。 4 第I 层土的主动土压力系数Kai,应按 式(13-9)计算: Kai=tg2(45- fik/2) (13-9) 式中fik-三轴试验 确定的第i层土固结不排水(快)剪内磨擦角标 准值。 *21 *21 5 地面不规则时的土压力计算 实际工程中经常碰到基坑顶面处地表面形状不规则的情况,如 图13-6是三种常见的情况,地表面既不是单一的水平面,也不是单一 的斜坡面.此时不能直接用厍仑或朗肯的土压力理论进行计算
12、,但是 可以经过简化,再进行计算。 图13-6地面不规则时的土压力计算 (a) 情况一; (b) 情况二; (c) 情况三 *22 *22 情况一: 先水平后倾斜(图13-6a) 分别计算,先延长倾斜面交于墙背C点,AB墙面 在水平面填土作用下,其土压 力强度分布如图中ABe; CB墙面在倾斜面填土作 用下,其土压力强度分布 如图中CBf;两个三角形 相交于g点,则ABfgA为此 情况下的土压力分布图。 *23 * 图图13-6 a 13-6 a 情况一情况一 *24 图图13-6 b13-6 b 情况二情况二 24 情况二情况二: : 先倾斜后水平先倾斜后水平( (图图13-6b)13-6b
13、) 分别计算分别计算, ,先延长水平面与墙背延长线交于先延长水平面与墙背延长线交于A A 点点, ,在在水平面填土水平面填土作用下作用下, , 在在A A B B墙面上土压土压 力强度分布如图中力强度分布如图中A A BfBf; ; 在在倾斜面填土倾斜面填土作用下作用下, ,其其 土压力强度分布如图中土压力强度分布如图中 ABeABe; ;两个三角形相交于两个三角形相交于g g 点点, ,则则ABfgAABfgA为此情况下为此情况下 的土压力分布图。的土压力分布图。 情况三: 先水平后倾斜又水平(图13-6c) 分别计算,先画出在水平 面填土作用下的土压 力强度分布图ABe,再 画斜面填土作用下土 压力强度分布图 CBe”; Ce” 与Ae相交于g 点;再求第二个水平面 的土压力三角形ABe, Ae 与Cge”交于f点,则 ABefgA为此情况下 的土压力分布图。 *25 图图13-6 c 13-6 c 情况三情况三 25 上述三种情况中,挡土墙脚处的主动土压力强度可按下列公式确 定: (13-10) (13-11) (13-12) 式中-地表斜坡面与水平面之间的夹角; z-地表斜坡面延长线与挡土墙交点至墙底面的距离; h-地表斜坡面延长线与挡土墙交点至地表水平面的距离; h
