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1、第2章 深基坑支护结构体系,2.1 深基坑支护工程概述 2.2 支护结构设计荷载 2.3 悬臂式桩排支护结构 2.4 单层桩锚式支护结构 2.5 多层锚杆支护结构 2.6 内撑式支护结构体系 2.7 土层锚杆支护体系 2.8 土钉支护设计,2.1 深基坑支护工程概述,基坑开挖是基础和高层地下室施工中的一个老的问题，同时又是一个综合性的工程难题，涉及到土力学中许多问题，涉及到土与支护结构的共同作用，涉及到周边环境的问题，还涉及到施工方法、施工技术、施工作业的程序、安排等。随着高层基础埋置深度加大，支护结构设计问题越来越显得重要。,2.1.1 基坑含义,深基坑的“深”本难以明确的界定，是一个“模糊
2、”的概念，相对于一定的地质，水文条件，一定的施工技术水平，形成一定的施工难度，大家对于达到一定施工难度的，地面以下一定尺寸的基坑谓之“深”，反之为“浅”。在目前的水平上，较为工程界大多数人所接受深基坑概念是指深度57m以上的基坑。,如武汉市出于武汉特有的地质情况和管理操作方便，在武汉地区深基坑工程技术指南WBJ 1-7-95中规定：“当基坑开挖深度6m，或有地下室时，应视为深基坑”。 有地下室没有达到6m也视为深基坑，正是从施工难度增加考虑的。,2.1.2 基坑支护结构设计内容,基坑支护结构极限状态可分为下列两类：1.承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或基坑底失稳、管涌导致土体或
3、支护结构破坏，内支撑压屈失稳，支护桩墙锚杆抗拔失效等； 2.正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已破坏基坑周边环境的平衡状态并产生了不良影响，如引起周边相邻的建筑物倾斜、开裂；道路沉降、开裂；周边的地下管线沉降变形开裂等。,根据承载能力极限限状态和正常使用极限状态的要求，基坑支护设计应包括下列内容： （1）支护体系的方案技术经济比较和选型；（2）支护结构的强度，稳定和变形计算；（3）基坑内外土体的稳定性验算；（4）基坑降水或止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计； （5）基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形及其对基础桩、邻近建筑物和周边环境的影响； （6）基坑开挖施工方法的可行性及基坑施工
4、过程中的监测要求。,2.1.3 支护结构安全等级,建设部建筑基坑支护技术规程中对基坑侧壁安全等级规定见表2-1。,表2-1 建筑基坑侧壁安全等级及重要性系数,注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。,武汉地区深基坑工程技术指南WBJ 1-7-95对基坑安全等级规定更为 详尽一些，见表2-2。,表2-2 深基坑工程的安全等级,注：H坑深 a主干道、生命线工程及邻近重要建(构)筑物基础边缘离坑壁 的距离，符合上表右项条件之一即可判定。,对于安全等级为一级、二级的建筑基坑侧壁，尚应进行基坑支护结构水平位移计算。 如武汉地区深基坑技术指南中，对支护结构的最大水平位移要求如下：对于安
5、全等级一级的支护，应满足40mm，对于安全等级二级的支护，应满足100mm，对于安全等级三级的支护，应满足200mm。,2.1.4 支护结构设计对勘察工作的要求,应根据基坑的开挖深度及场地岩土工程条件合理地确定勘察范围、勘探点的位置及数量，地层变化较大时，应增加勘探点，查明分布规律，为支护结构设计提供可靠的资料。主要要求如下：,1. 场地水文地质条件，水文地质勘察应达到以下要求：,（1）查明开挖范围及邻近场地地下水特征，各含水层(包括上层滞水、潜水、承压水)及隔水层的层位、埋深和分布条件； （2）测量各含水层的水位及其变幅； （3）查明各地层的渗透系数及水压、流速、流向、补给来源和排泄方向；（
6、4）查明施工过程中水位变化及支护结构和基坑周边环境的影响，提出应采取的措施。,2.基坑周边环境勘察应包括以下内容：,（1）查明基坑周围影响范围内的建(构)筑物的结构类型、层数、基础类型与埋深及结构现状；,（2）查明基坑周边的各类地下设施(包括上、下水管线、电缆、煤气、管道、热力管道、地下箱分布和性状； （3）查明场地周围和邻近地区地表和地下水体的分布，水位标高，距基坑距离及补给、排泄关系，对基坑开挖的影响程度； （4）查明基坑四周道路、车流量及载重情况。,3.在取得勘察资料的基础上，根据设计要求，针对基坑特点，应提出解决下列问题的建议：,（1）分析场地的地层结构和岩土的物理力学性质，提出对计算
7、参数取值及支护方式的建议； （2）提出地下水的控制方法及计算参数的建议； （3）提出施工中应进行的具体现场监测项目建议； （4）提出基坑开挖过程中应注意的问题及其防治措施的建议。,4.提出支护结构设计所需的基坑工程岩土工程测试参数。宜包含下列内容：,（1）含水量及密度试验，测试含水量w及重力密度； （2）直接剪切试验，测试固结快剪强度峰值指标c,； （3）三轴固结不排水试验，测试三轴不排水强度峰值指标Ccu、cu； （4）室内或原位试验，测试渗透系数k； （5）测试水平与垂直 变位计算所需的参数。,2.1.5 深基坑支护分类与选型,深基坑边坡支护结构可根据周边环境条件，基坑开挖深度、工程地质、
8、水文地质条件、施工季节、施工设备等条件，按表2-3选用。,表2-3 深基坑边坡支护分类及适用条件,2.2 支护结构设计荷载,作用在支护结构上的荷载主要有：土压力、地下水水压力，坑口地面堆载，相邻房屋浅基基底传来的压力等。,2.2.1 土压力的极限状态,土压力的大小是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有着密切的关系。根据挡土结构变位方向与大小将存在有三种不同极限状态的土压力，如图2-1所示。,图2-1 三种不同极限状态的土压力,1. 静止土压力E0,当挡土结构在土压力作用下，不可能产生侧向位移时，则作用于结构上的土压力称为静止土压力。如建筑物地下室的外墙，由于横墙与楼板的支撑作用，墙
9、体变形很小，可以认为是静止土压力。对于有内支撑的支护结构的角撑附近，地下连续墙围护结构的四角的土压力也是大于主动土压力而接近静止土压力的。,从理论上讲，土的静止侧压力系数 ，为土的泊松比。土的静止侧压力系数宜通过原位试验测定，无条件实测时，可按下式估算：,正常固结土：超固结土： 土的有效内摩擦角。,土的静止侧压力系数取植还可参考表2-4取值。,表2-4 静止土压力系数Ko参考值,2. 主动土压力Ea,挡土结构在土压力的作用下，将向基坑内移动或绕前趾向基坑内转动。随着位移的增加，土体中的应力差将随之加大，则作用于挡土结构的土压力就逐渐减小。当位移达到一定量值时，则其后土体开始形成滑裂面，应力到达
10、极限平衡状态，这时土压力处于最小值，称为主动土压力，,通常用Ea表示。进入主动土压力状态的位移量一般是比较小的，表2-5列出了位移的参考值。,3. 被动土压力Ep,挡土结构在外荷作用下(如支承于其上的拱结构的推力等)，将向填土方向移动或转动。随着位移的增加，土体阻止其变位的抗力将增加，应力水平随之提高，使作用于结构上的土压力逐渐增加，当位移达到一定量值时，则土体中亦将形成一个滑裂面，应力到达极限平衡，这时土压力处于最大值，称为被动土压力，通常用Ep表示。进入被动土压力状态的位移量比主动状态要大得多。表2-5给出了砂土进入被动状态时位移的参考值。,表2-5 产生主动和被动土压力所需的位移量,注：
11、表中h为墙高。,上述三种土压力是随位移变化的三种极限情况。由图3-1可见，其间有如下关系：,EPE0Ea,对于基坑支护上的土压力，根据结构与土体情况、变位的状态一般是处于其间的某一状态。当结构允许产生较大的位移时，可按主动土压力来考虑。,2.2.2 土压力计算,基坑支护结构承受的侧向压力包括土压力、水压力、基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力。土压力应根据土体经受的侧向变形条件来确定。包括静止土压力、主动土压力、被动土压力。作用于支护结构的土压力可采用朗肯理论公式分层计算。,1. 静止土压力强度，可接下式计算：,(2-1),式中，p0静止土压力强度，kPari第i层土的重度，KN/m3;h
12、i第i层土的厚度,m；K0静止土压力系数。,2. 主动与被动土压力,按朗肯理论计算主动与被动土压力强度时，按下式计算：,(2-2),(2-3),式中 pa，pp朗肯主动与被动土压力强度，kPa；,q地面均布荷载，一般取1020kPa； ri第i层土的重度，KN/m3； hi第i层土的厚度，m；ka、kp朗肯主动与被动土压力系数；,C、 计算点土的抗剪强度指标，kPa（）。,3. 土压力系数的调整,当支护结构经受的侧向变形条件不符合主动，被动极限平衡状态条件时，ka、kp可调整为Kma、Kmp,按下式确定：,(2-4),对于一、二、三级安全等级的基坑m值分别取1.5、 1.3、 1.1。,(2-
13、5),4地下水对土压力的影响,（1）对于碎石土及砂土：当存在地下水时，宜按水压力与土压力分算的原则计算，作用于支护结构上的侧压力为有效土压力与水压力之和。有效土压力按土的浮重度（ ）及有效抗剪强度指标（C， ）计算。,（2）对于粉土及粘性土：当存在地下水时，可采用水压力与土压力合并计算的原则计算，水土合并的土压力按土的饱和重度（m）及总应力固结不排水抗剪强度指标（Ccu、 ）计算。,2.3 悬臂式桩排支护结构,悬臂式桩排支护结构可由多种桩型组成，本节只涉及相间或密排插入基坑底面以下一定深度的钢筋混凝土桩，桩顶设置钢筋混凝土锁口梁，桩体承受水平推力，锁口梁调节各桩受力和水平位移的支护结构体系。挡
14、土深度视地质条件和桩径而异，一般不宜超过6m。 悬臂桩支护结构静力计算主要目的有二个： (1) 悬臂桩桩身插入基底面以下的最小入土深度Dmin；(2) 桩身最大弯矩及所在位置，以计算桩身的截面和配筋。,2.3.1 结构静力计算模型,钢筋混凝土桩插入基底面以下的深度可以根据静力平衡条件确定：如图2-2所示，通过主被动两侧土压力对C点的力矩平衡，解式(2-6)，即可得最小入土深度Dmin。,图2-2 悬臂式桩排计算图,(2-6),式中 MEa1,MEa2分别为基底以上及以下主动土压力 之合力对C点的力矩(kN.m)；EEP被动土压力对C点的力矩(kN.m) 。桩的设计长度应按下式确定：,D=H+
15、Dmin,(2-7),式中 H基坑开挖深度(m)； 增大系数，基坑底以下土质较好时取1.2； 反之取1.4。,2.3.2 计算步骤,土压力计算包括主动和被动压力和超载影响的计算。桩的入土深度为未知，可设为Dmin，这部分的土压力暂以包含Dmin的式子表示。 力矩平衡计算 分别计算主、被动土压力对C点的力矩，再按照力矩平衡条件，列出平衡方程，一般为Dmin的三次方程。 解方程，得出Dmin。 求剪力为零点深度，对该深度截面计算弯矩，即为最大弯矩Mmax。 根据Dmin确定桩的设计入土深度，根据Mmax确定适当的桩径、桩距和桩的配筋。,2.3.3 算例,某工程基坑支护拟采用悬臂桩结构，主要参数如图
16、2-3(a)所示。试计算桩的设计长度，桩身最大弯矩及所在位置。,图2-3 悬臂式桩排支护算例图,1. 土压力计算,表2-6 主动土压力计算表,注：A点负值不计，B点的深度Z0根据 (2C )=(Z0+q)Ka求得。,表2-7 被动土压力计算表,2.力矩平衡计算 计算各力对0点的力矩,表2-8,主动区力矩合计：1.55Dmin3+25.83Dmin2+143.35Dmin+265.2 被动区力矩合计： 6.46Dmin3+14.28Dmin2,根据平衡条件可得：4.91Dmin3-11.55Dmin2-143.35Dmin-265.2=0 解之，得: Dmin=7.33m 桩的设计嵌入深度取: 1.2Dmin=8.8m9m 桩的总长为: 6+9=15m,
