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1、第六章 基坑工程学习重点：1.围护结构的分类和适用条件；2.悬臂板桩墙 和单支撑板桩墙的计算 学习要求：掌握围护结构的分类和适用条件和悬臂板桩 墙和单支撑板桩墙计算的基本原理。第一节 概述一、基本概念1. 基坑：在建造埋置深度较大的基础或地下工程时，往 往需要进行较深的土方开挖。这个由地面向下开挖的 地下空间称为基坑。从地表面开挖基坑，最简单的方法是放坡大开挖。 这种方法既经济又方便，在空旷地区应优先采用。如果 由于场地的局限性，在基槽平面以外没有足够的空间安 全放坡，或者为了保证基坑周围的建筑物、构筑物以及 地下管线不受损坏，又或者为了满足无水条件下施工， 需要设臵挡土和截水的结构。这种结构
2、称为围护结构。一般来说，围护结构应满足以下三个方面的要求：（1）保证基坑周围未开挖土体的稳定，满足地下结 构施工有足够空间的要求。这就要求围护结构要起挡 土的作用。（2 ）保证基坑周围相邻的建筑物、构筑物和地下管 线在地下结构施工期间不受损害。这就要求围护结构 能起控制土体变形的作用（3 ）保证施工作业面在地下水位以上。这就要求围 护结构有截水作用，结合降水、排水等措施，将地下 水位降到作业面以下。总的说来，围护结构都要满足第一和第三个要求。 第二个要求要视周围建筑物、构筑物和地下管线的位臵、 承受变形的能力、重要性和一旦损坏可能发生的后果等 方面的因素来决定。基坑工程包括了围护体系的设置和土
3、方开挖两个方 面。土方开挖的施工组织是否合理对围护体系是否成功 产生重要影响。不合理的土方开挖方式、步骤和速度有 可能导致主体结构桩基础变位，围护结构变形过大，甚 至引起围护体系失稳而导致破坏。同时，基坑开挖必然引起周围土体中的地下水位和应力场的变化，导致周围土体的变形，对相邻建筑物、构筑物和地下管线产生不离队影响。严重时有可能危及它们的安全和正常使用。总的来说，基坑的开挖深度在基坑工程中是主导因 素，基坑场地的地质条件和周围的环境决定支护方案， 而基坑的开挖方式对基坑安全直接相关。第二节 围护结构形式及适用范围一、围护结构形式围护结构最早采用木桩，现在常用钢筋混凝土桩、地 下连续墙、钢板桩等
4、。常用的基坑围护结构形式有：1. 放坡开挖及简易支护2. 悬臂式围护结构3. 重力式围护结构4. 内撑式围护结构5. 拉锚式围护结构6其他形式围护结构：主要包括门架式围护结构；沉井围护结构；加筋水泥土围护结构等。二、悬臂式围护结构1. 概念从广义的角度来讲，一切没有支撑 和锚固的围护结构均可归属悬臂式 围护结构，如图所示。但此处仅仅 指没有支撑和锚固的板桩墙、排桩 墙和地下连续墙等围护结构。悬臂 式围护结构常采用钢架混凝土排 桩、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土 板桩、地下连续墙等形式。钢筋混凝土桩常采用钻孔 灌注桩、人工挖孔桩、沉管灌注桩和预制桩等。2. 原理悬臂式围护结构 依靠足够的入土深度和结
5、构的抗弯 刚度来挡土和控制墙后土体及结构的变形。3特点悬臂式围护结构对开挖深度十分敏感，容易产生大的 变形，有可能对相邻建筑物产生不良的影响。4适用性这种结构适用于土质较好，开挖深度较小的基坑。三、重力式围护结构水泥土和它包围的天然土形成了重力挡土墙，可以维持土体的稳定。3适用性深层搅拌水泥土桩重力式围护结构常用于软黏土地 区开挖深度7.0m以内的基坑工程。水泥土重力式挡土墙 的宽度较大，适用于较浅的、基坑周边场地较宽裕的、 对变形控制要求不高的基坑工程。四、内撑式围护结构1 概念内撑式围护结构由 挡土结构 和支撑结构 两部分组 成。挡土结构常采用密排钢筋混凝土桩和地下连续墙。 支撑结构有水平
6、支撑和斜支撑两种。2 类型根据开挖深度，可采用单层或多层水平支撑。当基 坑面积大而开挖深度不大时，可采用单层斜撑。内支撑常采用钢筋混凝土梁、钢管、型钢格构等形 式。钢筋混凝土支撑的优点是刚度大，变形小，而钢支 撑的优点是材料可回收，且施加预应力较方便。3适用性内撑式围护结构可适用于各种土层和基坑深度。五、拉锚式围护结构1 概念 拉锚式围护结构由挡土结构和锚固部分组成。 挡土结构处理采用与内撑式围护结构相同的结构形 式外，还可采用钢板桩作为挡土结构。锚固结构有锚杆和地面拉锚两种。2适用性采用锚杆结构需要地基土提供较大的锚固力，因而 多用于砂土地基或粘土地基。凝土形成混凝土面板，最终形成土钉墙。2
7、适用性土钉墙围护结构适用于地下水位以上或人工降水后的粘土、粉土、杂填土、以及非松散砂土、碎石土等。在淤泥质土以及未经降水处理的地下水位以下的土层中采用土钉墙要谨慎。第三节 板桩墙围堰的计算在上节介绍的各种围护结构中，多点式内撑围护结 构和拉锚式围护结构的内力计算分析复杂，为了模拟分 步开挖、换撑和拆撑等施工步骤的影响以及土体弹性塑 性变形的影响，往往采用有限元法进行应力和变形的分 析，过程相当繁杂，超出了本课范围。本章主要着重介 绍悬臂式围护结构和单点支撑式围护结构的内力分析和 设计方法。在基坑开挖时，坑壁常用板桩予以支撑，板桩也用 做水中桥梁墩台施工时的围堰结构。1 作用板桩墙的作用是挡住基
8、坑四周的土体，防止土体下 滑和防止水从坑壁周围渗入或从坑底上涌，避免渗水过 大或形成流沙而影响基础开挖。2. 类型根据基坑深度和水深，一般可采用无支撑、单支撑和多支撑板桩墙。3. 受力特点它主要承受土压力和水压力，因此，板桩墙本身也 是挡土墙，但又非一般刚性挡墙，它在承受水平压力时 是弹性变形较大的柔性结构，它的受力条件与板桩墙的 支撑方式、支撑的构造、板桩和支撑的施工方法以及板 桩入土深度密切相关，需要进行专门的设计计算。3.设计内容板桩墙计算内容应包括：1）板桩墙侧向压力计算； 2）确定板桩插入土中深度的计算，以确保板桩墙有足够 的稳定性；3）计算板桩墙截面内力，验算板桩墙材料强 度，确定
9、板桩截面尺寸；4）板桩支撑（锚撑）的计算；5） 基坑稳定性验算；6）水下混凝土封底计算。一、侧向压力计算作用于板桩墙的 外力主要来自坑壁土压力和水压 力，或坑顶其他荷载（如挖、运土机械等）所引起的侧 向压力。板桩墙土压力计算比较复杂，因为板桩柔度大，在 土压力作用下将发生弯曲变形，此种变形又反过来影响 土压力的大小与分布，二者密切相关，相互影响，因此 板桩墙上土压力主要取决于土的性质和板桩墙在施工和 使用期间的变形情况，由于它大多是临时结构物，因此 常采用比较粗略的近似计算，即不考虑板桩墙的实际变 形，仍沿用古典土压力理论计算作用于板桩墙上的土压 力。一般用朗金理论来计算不同深度z处每延米宽度
10、内的 主、被动土压力强度p、p（kPa ）:app = yz tan 2 （45 0 -坠）=yzKa 2 a9卜p = yz tan 2 （45 0 +） = yzKp2p对于黏性土，上式中的内摩擦角9 用等代内摩擦角9 代入，其值可参照26页表 2-2取用。e如有地下水或地面水时，还应根据土的透水性质和 施工方法来考虑计算静水压力对板桩的作用。当土层为 透水性土时，则在计算土压力时，土重取浮重度，并考 虑全部静水压力；当水下土层为不透水的黏性土层，且 打板桩时不会使打桩后的土松动而使水进入土中时，计 算土压力不考虑水的浮力取饱和重度，而土面以上水深 均作为均布的超载作用考虑。二、悬臂式板桩
11、墙计算如图所示的悬臂式板桩墙，因板桩不设支撑，故墙 身位移较大，通常可用于挡土刚度不大的临时性支撑结 构。悬臂式板桩墙的破坏一般是板桩绕桩底端 b 点以上 的某点o转动。这样在转动点以上的墙身前侧以及点以 下的墙身后侧，将产生被动抵抗力，在相应的另一侧产 生主动土压力。由于精确的确定土压力的分布规律困难11 -e4 3厂一般近似地假定土压力的分布图形：墙身前侧是被动土压力，其合力为E，并考虑有一定的安全系数K（一p1般取K=2）;在墙身后方为主动土压力合力为E。另外在a桩下端还作用有被动土压力E，由于E的作用位置不p 2p 2易确定，计算时假定作用在桩端“点。考虑到E的实际p2作用位置应在桩端
12、以上一段距离，因此在最后求得板桩的入土深度（后，再适当增加10%20%。按土的压力分布图形计算板桩墙的稳定性及板桩的强度。例题 1已知桩周土为砂砾，Y = 19 kN / m 3，c = 0 ；基坑开挖深度h = .8m ；安全系数K=2计算如图所示悬臂式板桩墙需要的入土深度及桩身最大弯矩值。答案：当300时，朗金主动土压力系数申300K = tan 2 （45 0 一 ） = tan 2 （45 0 一 ） = 0.333 a 2 2郎金被动土压力系数：申300K = tan 2 (45 0 +) = tan 2 (45 0 +) = 3p 2 2若令板桩入土深度为t，取1延米长的板桩墙，计
13、算墙上作用力对桩端b点的力矩平衡条件 M = 0，得b1 1 1 1 1-1 y tK - -1 =- (t + h) y (t + h) K (t + h)2p K 32a 311 1yt3K= y (t + h)3 K6p K 6a111x 19 x t3 x 3 x = x 19 x (t + 1.8)3 x 0.333626解得 t = 2.76 m板桩的实际如图深度较计算值增加 20%，则可求得板桩的总长度 L 为：L = h + 1.21 = 1.8 + 1.2 x 2.76 = 5.12 m若板桩的最大弯矩截面在基坑底深處处，该截面的0剪应力应等于零，即1 1 1 t yt K
14、= (t + h) y (t + h)K2 0 0 p K 2 0 0 a1 11yt2K = (t + h)2 yK2 0 p K20a1 1 1x 19 x t2 x 3 x = x (t + 1.8)2 x 19 x 0.3332 0 2 2 0解得 t = 1.60 m0可求得每延米板桩墙的最大弯矩M 为:maxMmax13 x = 21 .99 (kN m)211x 19 x (1.60 + 1.8)3 x 0.333 - x 19 x 1.6066三、单支撑(锚碇式)板桩墙计算当基坑开挖深度较大时，不能采用悬臂板板桩墙，此时可在板桩顶部附近设臵支撑或锚碇拉杆，成为单支撑板桩墙，如图
15、单支撑板桩墙的计算，可以把它作为有两个支撑点 的竖直梁：一个支点是板桩上端的支撑杆或锚碇拉杆， 另一个是板桩下端埋入基坑底下的土。下端的支撑情况 又与板桩埋入土中的深度大小有关，一般分为两种支撑 情况：第一种是简支支撑，这类板桩埋入土中较浅，板 桩下端允许产生自由转动；第二种是固定端支撑，若板 桩下端埋入土中较深，可以认为板桩下端在土中嵌固。1.板桩下端简支支撑时的土压力分布板桩墙受力后挠曲变形，上下两个支撑点均允许自由转动，墙后侧产生主动土压力E。由于板桩下端允许a自由转动，故墙后下端不产生被动土压力。墙前侧由于 板桩向前挤压故产生被动土压力E。由于板桩下端入土 p 较浅，板桩墙的稳定安全度，可以用墙前被动土压力E除 p 以安全系数K保证。此种情况下的板桩墙受力图如同简 支梁，按照板桩上所受土压力计算出的每延米板桩跨
