建筑工程基坑工程技术.ppt

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1、基基 坑坑 工工 程程 1 1 基坑工程概述基坑工程概述基坑工程概述基坑工程概述 1.1 1.1 基坑工程概念及现状基坑工程概念及现状基坑工程概念及现状基坑工程概念及现状 1.2 1.2 支护结构的类型支护结构的类型支护结构的类型支护结构的类型 1.3 1.3 基坑工程特点基坑工程特点 1.4 1.4 基坑工程设计内容基坑工程设计内容基坑工程设计内容基坑工程设计内容 1.5 1.5 基坑工程设计依据基坑工程设计依据基坑工程设计依据基坑工程设计依据 1.6 1.6 支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述 2 2 基坑工程勘察基坑工程勘察基

2、坑工程勘察基坑工程勘察 3 3 基坑工程设计基坑工程设计基坑工程设计基坑工程设计 3.1 3.1 支护结构设计的荷载及其组合支护结构设计的荷载及其组合支护结构设计的荷载及其组合支护结构设计的荷载及其组合 3.2 3.2 桩墙式支护结构的内力、变形及配筋计算桩墙式支护结构的内力、变形及配筋计算桩墙式支护结构的内力、变形及配筋计算桩墙式支护结构的内力、变形及配筋计算 3.3 3.3 基坑的稳定性分析基坑的稳定性分析基坑的稳定性分析基坑的稳定性分析 3.4 3.4 内支撑的内力与截面计算内支撑的内力与截面计算内支撑的内力与截面计算内支撑的内力与截面计算 第第2章章 基基 坑坑 工工 程程 3.5 3

3、.5 锚杆设计锚杆设计锚杆设计锚杆设计 3.6 3.6 土钉墙设计土钉墙设计土钉墙设计土钉墙设计 3.7 3.7 重力式水泥土挡墙设计重力式水泥土挡墙设计重力式水泥土挡墙设计重力式水泥土挡墙设计 3.8 3.8 地下水控制地下水控制地下水控制地下水控制 3.9 3.9 地面变形控制地面变形控制地面变形控制地面变形控制 4 4 基坑工程施工基坑工程施工基坑工程施工基坑工程施工 4.1 4.1 桩墙式支护结构的施工桩墙式支护结构的施工桩墙式支护结构的施工桩墙式支护结构的施工 4.2 4.2 重力式水泥土挡墙的施工重力式水泥土挡墙的施工重力式水泥土挡墙的施工重力式水泥土挡墙的施工 4.3 4.3 土

4、钉墙的施工土钉墙的施工重力式水泥土挡墙设计重力式水泥土挡墙设计重力式水泥土挡墙设计重力式水泥土挡墙设计 4.4 4.4 锚杆的施工锚杆的施工锚杆的施工锚杆的施工 4.5 4.5 内支撑的施工地面变形控制内支撑的施工地面变形控制内支撑的施工地面变形控制内支撑的施工地面变形控制 5 5 基坑工程监测基坑工程监测基坑工程监测基坑工程监测第第2章章 基基 坑坑 工工 程程 5.1 5.1 概述概述概述概述 5.2 5.2 支撑轴力量测支撑轴力量测支撑轴力量测支撑轴力量测 5.3 5.3 土压力量测土压力量测土压力量测土压力量测 5.4 5.4 孔隙水压力量测孔隙水压力量测孔隙水压力量测孔隙水压力量测

5、5.5 5.5 位移量测位移量测位移量测位移量测 2.6 2.6 基坑工程试验基坑工程试验基坑工程试验基坑工程试验 2.6.1 2.6.1 锚杆试验锚杆试验锚杆试验锚杆试验 2.6.2 2.6.2 土钉试验土钉试验土钉试验土钉试验 2.7 2.7 习习 题题 2.1 2.1 基坑工程概述基坑工程概述基坑工程概述基坑工程概述 2.1.1 2.1.1 基坑工程概念及现状基坑工程概念及现状基坑工程概念及现状基坑工程概念及现状 基坑工程是为保护基坑施工、地下结构的安全和周边环基坑工程是为保护基坑施工、地下结构的安全和周边环基坑工程是为保护基坑施工、地下结构的安全和周边环基坑工程是为保护基坑施工、地下结

6、构的安全和周边环境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、开挖等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测、试验开挖等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测、试验开挖等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测、试验开挖等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测、试验等。等。等。等。导致基坑工程事故的主要原因如下:(1)设计理论不完善。许多计算方法尚处于半经验阶段，理论计算结果尚不能很好反映工程实际情况。(2)设计者概念不清、方案不当、计算漏项或错

7、误。(3)设计、施工人员经验不足。实践表明，工程经验在决定基坑支护设计方案和确保施工安全中起着举足轻重的作用。2.1.2 2.1.2 支护结构的类型支护结构的类型支护结构的类型支护结构的类型 支护结构由挡土结构、锚撑结构组成。当支护结构不能起到止水作用时，可同时设置止水帷幕或采取坑内外降水。1.基坑支护结构的分类 1)桩、墙式支护结构2)实体重力式支护结构2.常用的支护结构形式常用的支护结构形式1)挡土结构的常用形式 如图2.1和图2.2所示。图2.1 挡土结构的类型图2.2 支撑结构的常用形式 2.1.3 2.1.3 基坑工程特点基坑工程特点基坑工程特点基坑工程特点 1.综合性强 2.临时性

8、和风险性大 3.地区性 4.环境条件要求严格 2.1.42.1.4 基坑工程设计内容基坑工程设计内容基坑工程设计内容基坑工程设计内容1.基坑支护结构设计的极限状态基坑支护结构设计应满足两种极限状态的要求。1)承载能力极限状态基坑工程的承载能力极限状态要求不出现以下各种状况。(1)支护结构的结构性破坏挡土结构、锚撑结构折断、压屈失稳，锚杆的断裂、拔出，挡土结构地基基础承载力不足等使结构失去承载能力的破坏形式。(2)基坑内外土体失稳基坑内外土体整体滑动，坑底隆起，结构倾倒或踢脚等破坏形式。(3)止水帷幕失效坑内出现管涌、流土或流砂。2)正常使用极限状态基坑的正常使用极限状态，要求不出现以下各种状况

9、。(1)基坑变形影响基坑正常施工、工程桩产生破坏或变位；影响相邻地下结构、相邻建筑、管线、道路等正常使用。(2)影响正常使用的外观或变形。(3)因地下水抽降而导致过大的地面沉降。2.基坑支护结构的设计内容(1)支护结构体系的选型及地下水控制方式。(2)支护结构的强度和变形计算。(3)基坑内外土体稳定性计算。(4)基坑降水、止水帷幕设计。(5)基坑施工监测设计及应急措施的制定。(6)施工期可能出现的不利工况验算。软土地区的深基坑坑底以下土层较软，加固坑内被动区土体，可减小支护桩入土深度、基坑变形。加固范围由计算或类似工程经验确定。加固的方法常用喷射注浆、深层搅拌。深层搅拌局部加固的形式如图2.3

10、所示。图2.3 深层搅拌局部加固的形式 2.1.5 基坑工程设计依据基坑工程设计依据基坑工程设计时，首先应掌握以下设计资料(即设计依据)。(1)岩土工程勘察报告。区别基坑工程的安全等级进行专门的岩土工程勘察，或与主体建筑勘察一并进行，但应满足基坑工程勘察的深度和要求。区别基坑工程的规模和地质环境条件复杂程度进行分阶段勘察和施工勘察。具体要求详见有关章节。(2)建筑总平面图、工程用地红线图、地下工程的建筑、结构设计图。(3)邻近建筑物的平面位置，基础类型及结构图、埋深及荷载，周围道路、地下设施、市政管道及通信工程管线图、基坑周围环境对基坑支护结构系统的设计要求。在基坑工程的设计中，支护结构、降水

11、井、观测井及止水帷幕、锚拉系统等构件，均不得超越工程用地红线范围。2.1.6 2.1.6 支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述 实体重力式支护结构按重力式挡土墙的设计原则计算，主要涉及支承挡墙自重的地基承载力及稳定验算，而稳定验算以条分法为主。桩、墙式支护结构必须按土与支护结构共同作用的原则进行设计计算，即结构内力与支护结构的刚度、岩土体变形有关。按土与支护结构共同作用的原则进行分析是一个较难的课题，即使采用有限元法(考虑因素多，如模拟开挖过程；得到的结果也多，如可得到坑周土位移)，由于土性是复杂多变的，选择完全符合工程特点的土的计算

12、参数是十分困难的；另外，基坑支护结构与土共同工作的条件远较一般基础工程复杂。目前，支护结构计算的静力平衡法和等值梁法还在广泛使用于桩、墙式支护结构。这些方法都未考虑土与结构的相互作用，显然只是在特定条件下方可使用实际应仅用于地层条件及环境条件较好的小型基坑。2.2 2.2 基坑工程勘察基坑工程勘察基坑工程勘察基坑工程勘察 勘察是准确认识基坑的需要，是基坑工程设计的依据，也 是基坑工程事故的多发点。建筑边坡的勘探范围应包括不小于岩质边坡高度或不小于1.5倍土质边坡高度以及可能对建(构)筑物有潜在安全影响的区域。控制性勘探孔的深度应穿过最深潜在滑动面进入稳定层不小于5 m，并应进入坡脚地质剖面最低

13、点和支护结构基底下不小于3 m。边坡工程勘察报告应包括下列内容:(1)在查明边坡工程地质和水文地质条件的基础上，确定边坡类 别和可能的破坏形式。(2)提供验算边坡稳定性、变形和设计所需的计算参数值。(3)评价边坡的稳定性，并提出潜在的不稳定边坡的整治措施和监测方案的建议。(4)对需进行抗震设防的边坡应根据区划提供设防烈度或地震动参数。(5)提出边坡整治设计、施工注意事项的建议。(6)对所勘察的边坡工程是否存在滑坡(或潜在滑坡)等不良地质现象，以及开挖或构筑的适宜性做出结论。(7)对安全等级为一、二级的边坡工程应提出沿边坡开挖线的地质纵、横剖面图。地质环境条件复杂、稳定性较差的边坡宜在勘察期间进

14、行变形监测，并宜设置一定数量的水文长观孔。边坡工程勘察前应取得以下资料(1)附有坐标和地形的拟建建(构)筑物的总平面布置图。(2)拟建建(构)筑物的性质、结构特点及可能采取的基础形式、尺寸和埋置深度。(3)边坡高度、坡底高程和边坡平面尺寸。(4)拟建场地的整平标高和挖方、填方情况。(5)场地及其附近已有的勘察资料和边坡支护型式与参数。(6)边坡及其周边地区的场地等环境条件资料。边坡工程勘察应查明下列内容(1)地形地貌特征。(2)岩土的类型、成因、性状、覆盖层厚度、基岩面的形态和 坡度、岩石风化和完整程度。(3)岩、土体的物理力学性能。(4)主要结构面(特别是软弱结构面)的类型和等级、产状、发育

15、 程度、延伸程度、闭合程度、风化程度、充填状况、充水状 况、组合关系、力学属性和与临空面的关系。(5)气象、水文和水文地质条件。(6)不良地质现象的范围和性质。(7)坡顶邻近(含基坑周边)建(构)筑物的荷载、结构、基础形式 和埋深，地下设施的分布和埋深。建筑边坡工程的气象资料收集、水文调查和水文地质 勘察应满足下列要求:(1)收集相关气象资料、最大降雨强度和十年一遇最大降水量，研究降水对边坡稳定性的影响。(2)收集历史最高水位资料，调查可能影响边坡水文地质条件 的工业和市政管线、江河等水源因素，以及相关水库水位 调度方案资料。(3)查明对边坡工程产生重大影响的汇水面积、排水坡度、长 度和植被等

16、情况。建筑边坡工程的气象资料收集、水文调查和水文地质 勘察应满足下列要求:(4)查明地下水类型和主要含水层分布情况。(5)查明岩体和软弱结构面中地下水情况。(6)调查边坡周围山洪、冲沟和河流冲淤等情况。(7)论证孔隙水压力变化规律和对边坡应力状态的影响。2.3 2.3 基坑工程设计基坑工程设计基坑工程设计基坑工程设计 2.1.6 2.1.6 支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述支护结构设计计算方法综述支护结构的荷载应包括下列项目(1)土压力。(2)水压力(静水压力、渗流压力、承压水压力)。(3)基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力。(4)温度应力。(5)

17、临水支护结构的波浪作用力和水流退落时的渗透力。(6)作为永久结构时的相关荷载。其中，对一般支护结构，其荷载主要是土压力、水压力。1.土压力与水压力 大量工程实践结果表明，在基坑支护结构中，当结构发生一定位移时，可按古典土压理论计算主动土压力和被动土压力；当支护结构的位移有严格限制时，按静止土压力取值；当按变形控制原则设计支护结构时，土压力可按支护结构与土相互作用原理确定，也可按地区经验确定；当土层有地下水时，无黏性土一般不考虑出现孔隙水压力，土压力采用水土分算法，总应力、有效应力抗剪强度指标相同；当土层有地下水时，一般不考虑渗流作用对土压力的影响；有地区经验时，土压力的分布可按可靠的地区工程经

18、验确定。土压力的水土分算法或是水土合算法涉及的问题比较多，难以作出简单的结论，各地也有各自不同的工程经验.1)静止土压力静止土压力标准值，可按下式计算：(2-1)式中：计算点处的静止土压力标准值(kN/m2)；计算点以上第j层土的重度(kN/m3)，地下水位以上 取天然重度，地下水位以下取浮重度；hj计算点以上第j层土的厚度(m)；q地面的均布荷载(kN/m2)；K0i计算点处的静止土压力系数，宜由试验确定，当 无试验条件时，对砂土可取0.340.45，对黏性土 可取0.50.7。2)主动土压力和被动土压力 可按朗肯公式或库仑公式；坑边有超载情况下土压力的计算，以及朗肯公式、库仑公式参见土力学

19、教材(2-2)3)水土分算法按朗肯理论计算主动与被动土压力强度时，按下式计算：(2-3)式中：eaik、epik计算点处的主动、被动土压力标准值 (kN/m2)，当eaik0时eaik=0；q地面均布荷载(kN/m2)；计算点以上第j层土的重度(kN/m3)，地下水位 以上取天然重度，地下水位以下取浮重度水的重度(kN/m3)；ci、i计算点处土的有效应力抗剪强度指标(kPa、)。Kai=tan2(45 i/2)，hj第j层土的厚度(m)；zi地下水位至计算点的深度(m)；Kai、Kpi计算点处的朗肯主动、被动土压力系数，Kpi=tan2(45+i/2)；4)水土合算法按朗肯理论计算主动与被动

20、土压力强度时，按下式计算：(2-4)(2-5)式中：eaik、epik计算点处的主动、被动土压力标准值 (kN/m2)，当eaik0时eaik=0；q地面均布荷载(kN/m2)；计算点以上第j层土的重度(kN/m3)，地下水位 以上取天然重度，地下水位以下取饱和重度；水的重度(kN/m3)；Kpi=tan2(45+i/2)；i计算点处土的总应力抗剪强度指标(kPa、)。hj第j层土的厚度(m)；Kai、Kpi计算点处的朗肯主动、被动土压力系数，Kai=tan2(45i/2)，Ci,5)渗流作用对土压力的影响 从流网图可以看出，坑外高地下水位处的水流，基本上是向下竖向渗流，经桩底向上达基坑底部，

21、由渗流而产生的渗流压力，按渗流方向产生的渗流力的作用，在基坑外侧主动区的土颗粒受渗流力的作用，使有效应力增大，而水压力减小。在基坑内侧被动区则使有效应力减小而水压力增大。其综合作用为：坑外主动区总的水、土压力值减小，这对支护结构的受力来说是有利的；坑内被动区总的水、土压力值仍为减小，这对基坑的稳定性是不利的。【例2.1】基坑深8 m，坑外地下水在地面下1 m，坑内地下水在坑 底面，坑边满布地面超载q=10 kN/m2。地下水位以上=18 kN/m3=8；地下水位以下sat=18.5 kN/m3，锚杆位于地面下3 m。不固结不排水抗剪强度指标c=12 kPa、=15用等值梁法求桩的设计嵌入深度D

22、、Mmax不固结不排水抗剪强度指标 c=10kPa、解(1)采用水土合算法的荷载。坑外地下水位以上主动土压力：令得h0=1.3 m1 m；设临界深度在坑外地下水位以下x(m)，则，x=0.7 m地 面下深度z 0.7m处土所产生的主动土压力：=0.3+10.9z18.4=10.9z18.7 kPa地面超载所产生的主动土压力：坑外深度1.0m 以上，坑外深度1.0 m下，=5.9 kPa。qKai=10=7.6kPa；qKai=10坑内坑底下深度y处被动土压力：=31.4y+31.3 kPa支护结构的荷载标准值分布如图2.10所示。(2)求反弯点位置(设反弯点在坑内坑底下深度 处)31.4+31

23、.3=10.9z18.7+5.9，z=+8，所以=2.1 m。(3)由简支梁得锚杆水平力标准值Ha1k、简支梁另一支座反力标准值Pd1k如下。(2.1+83)Ha1k+1/2(31.42.1)2.11/32.1+31.32.11/22.1=1/2(10.92.1+68.5)(2.1+810.7)1/3(2.1+810.7)+7.61(80.5+2.1)+5.9(7+2.1)1/2(7+2.1)7.1Ha1k+117.5=1074.7+73.0+244.3Ha1k=179.5 kN/mPd1k=1/2(10.92.1+68.5)(2.1+810.7)+7.61+5.9(7+2.1)1/2(31.

24、42.1)2.131.32.1186.0=383.8+7.6+53.769.2179.565.7=130.7 kN/m(4)求桩的设计嵌入深度D。设反弯点距挡土桩底tn，tn=y2.1；参照“等值梁法计算简图”及“等值梁法计算单支点支护桩简图”：挡土桩前土压力合力作用点距挡土桩底b=tn/3，则(31.4y+31.3)(10.9y+68.5)tn/2tn/3=Pd1k tn20.5tn2+5.8tn942.0=0tn=6.6 mD=Dmin=1.3(2.1+6.6)=11.3 m(5)求桩的设计弯矩Mmax。反弯点位置不变，荷载采用设计值。求锚杆水平力设计值Ha1：(2.1+83)Ha1+1/

25、2(31.42.1)1.22.11/32.1+31.3 2.11/22.11.2=1/2(10.92.1+68.5)1.2(2.1+810.7)1/3 (2.1+810.7)+7.61.41(80.5+2.1)+5.91.4 (7+2.1)1/2(7+2.1)7.1 Ha1+117.51.2=1074.71.2+73.01.4+244.31.4Ha1=224.3kN/m设剪力为0的点距地面x1(m)，8x11.7：Ha1=1/2(10.9 x118.7)1.2(x110.7)+7.61.41+5.91.4(x11)6.54 x1214.08 x1210.62=0 x1=6.9 mMmax=Ha

26、1(x13)1/2(10.9 x118.7)1.2(x110.7)1/3(x110.7)7.61.41(x10.5)5.91.4(x11)1/2(x11)=874.8305.668.1143.8=357.3(kNm/m)(a)水土合算法水土合算法 (b)水土分算法水土分算法图图2.4 支护结构的土压力标准值分布支护结构的土压力标准值分布 2.支护结构设计的荷载组合 支护结构设计的荷载组合，应按照建筑结构荷载规范与建筑结构可靠度设计统一标准，并结合支护结构受力特点进行。在建筑边坡工程技术规范(GB 503302002)、建筑地基基础设计规范(GB 500072002)、建筑基坑支护技术规程(JG

27、J 1201999)中，支护结构设计的荷载组合并不统一。以下(1)(6)为建筑边坡工程技术规范(GB 503302002)对支护结构设计的规定：见本书 37 页 3.2 3.2 桩墙式支护结构的内力、变形及配筋计算桩墙式支护结构的内力、变形及配筋计算 桩墙式支护结构设计，应按基坑开挖过程的不同深度、基础底板施工完成后逐步拆除支撑的工况设计。桩墙式支护结构的设计计算包括以下内容。(1)支护桩插入深度的确定。(2)支护结构体系的内力分析和结构强度设计。(3)基坑内外土体的稳定性验算。(4)基坑降水设计和渗流稳定验算。(5)基坑周围地面变形的控制措施。(6)施工监测设计。内力与变形计算常用的方法有：

28、极限平衡法和弹性抗力法两种:1.极限平衡法 极限平衡法假设基坑外侧土体处于主动极限平衡状态，基坑内侧土体处于被动极限平衡状态，桩在水、土压力等侧向荷载作用下满足平衡条件。常用的有：静力平衡法和等值梁法。静力平衡法和等值梁法分别适用于特定条件；另外，静力平衡法和等值梁法计算支护结构内力时假设：(1)施工自上而下；(2)上部锚杆内力在开挖下部土时不变；(3)立柱在锚杆处为不动点。1)静力平衡法计算悬臂式支护结构 悬臂式支护桩主要靠插入土内深度形成嵌固端，以平衡上部土压力、水压力及地面荷载形成的侧压力。静力平衡法假设支护桩在侧向荷载作用下可以产生向坑内移动的足够的位移，使基坑内外两侧的土体达到极限平

29、衡状态。悬臂桩在主动土压力作用下，绕支护桩上某一点转动，形成在基坑开挖深度范围外侧的主动区及在插入深度区内的被动区，如图2.5所示。(a)支护桩的变位示意图支护桩的变位示意图(b)桩两侧的主动区和被动区桩两侧的主动区和被动区 (c)土压力的计算简图土压力的计算简图图图2.5 悬臂式支护桩的土压力分布图悬臂式支护桩的土压力分布图 对上述计算图形，H.Blum建议以图2.6的图形代替。在插入深度达到旋转点以下部分的作用以一个单力Rc代替，在满足绕桩脚C点0，支护桩的设计长度L按下式计算：L=h+x+Kt (2-7)式中：h基坑深度；x坑底至桩上土压力为零点的距离；K经验系数，H.Blum建议K1.

30、2。0的条件，求得悬臂桩所需的极限嵌固深度。图图2.6 悬臂支护桩在无粘性土中的土压力分布图悬臂支护桩在无粘性土中的土压力分布图 由图2.6所示的计算简图即可求得桩身各截面的内力，最大弯矩的位置在基坑底面以下，可根据剪力为零的条件确定。2)静力平衡法计算锚撑挡土结构 挡土结构入土深度较小或坡脚土体较软弱时，可视挡土结构下端为自由端，用静力平衡法计算插入深度、内力(如图2.7所示)。(a)第第j层锚杆水平分力层锚杆水平分力 (b)立柱嵌入深度立柱嵌入深度图图2.7 静力平衡法计算简图静力平衡法计算简图 锚杆水平分力可按下式计算：式中：Haj第j层锚杆水平分力设计值(kN)；Hai第i层锚杆水平分

31、力设计值(kN)；Eaj挡墙后主动土压力合力设计值(kN)；Epj坡脚地面以下挡墙前被动土压力合力 设计值(立柱在坡脚地面以下岩土层内的被动 侧向压力)(kN)；最小入土深度Dmin可按下式计算确定：式中：EaK挡墙后主动土压力合力标准值(kN)；EpK挡墙前被动土压力合力标准值(kN)；HaiK第i层锚杆水平合力标准值(kN)；anEaK作用点到HanK作用点的距离(m)；bEpK作用点到HanK作用点的距离(m)；anHaiK作用点到HanK作用点的距离(m)。立柱入土深度可按下式计算：D=Dmin 式中：D立柱入土深度(m)；增大系数，对一、二、三级边坡分别为1.5、1.4、1.3；Dm

32、in挡墙最低一排锚杆设置后，开挖高度为边坡高度 时立柱的最小入土深度(m)。立柱的内力可根据锚固力和作用于支护结构上侧压力按常规方法计算。3)等值梁法计算锚撑挡土结构 对单支点支护桩，如图2.8(d)所示，在BC段中弯矩图的反弯点D处切断，并在D处设置支点形成AD梁，则AD梁的弯矩将保持不变。因此AD梁即为AC梁上AD段的等值梁。(a)等值梁原理等值梁原理 (b)桩上土压力分布桩上土压力分布 (c)等值梁示意图等值梁示意图 (d)弯矩图示意弯矩图示意图图2.8 等值梁法计算单支点支护桩简图等值梁法计算单支点支护桩简图 反弯点的位置通常与基坑底面下土压力等于零的位置相近，因此应用等值梁法计算时常

33、以土压力为零的位置代替，如图2.8(b)图2.8(c)所示。等值梁法计算单支点支护桩的步骤如下 如图2.8(b)、图2.8(c)所示，先求得土压力为零点的D点的位置，得等值梁AD，求得简支梁AD的支座反力TA及Pd。将DC段视为一简支梁，下部嵌固作用以一个单力Rc代替，由图2.8(b)按Pd对C点的力矩等于DC段上作用的土压力对C点的力矩的条件求得x值，临界插入深度t0即可求得。对多支点支护桩的等值梁法计算(如图2.9所示)，原理同等值梁法计算单支点支护桩。(a)第第j层锚杆水平分力层锚杆水平分力 (b)立柱嵌入深度立柱嵌入深度图图2.9 等值梁法计算简图等值梁法计算简图 坡脚地面以下立柱反弯

34、点到坡脚地面的距离Yj可按下式计算：eaKepK=0 (2-11)式中：eaK挡墙后主动土压力标准值(kN/m)；epK挡墙前被动土压力标准值(kN/m)。第j层锚杆的水平分力可按下式计算：式中：ajEaj作用点到反弯点的距离(m)；aajHaj作用点到反弯点的距离(m)；aaiHai作用点到反弯点的距离(m)。以上第j层锚杆的水平分力Haj，由j=1，2，3，j1等逐步计算而得(相应求j1次Yj)；当求Haj时假设1j1层锚杆的水平分力不变。j=n时，Yj=Yn，等值梁在反弯点处的支点力为与单支点支护桩求临界插入深度t0相同的原理，可求立柱的最小入土深度Dmin：Dmin=Yn+tn(2-1

35、3)(2-14)式中：bEpK作用点到反弯点的距离(m)。立柱设计嵌入深度可按式(2-10)计算。【例2.2】基坑深8 m，坑外地下水在地面下1 m，坑内地下水在坑底面，坑边满布地面超载q=10 kN/m2。地下水位以上不固结不排水抗剪强度指标c=10 kPa，=8；地下水位以下不固结不排水抗剪强度指标c=12 kPa，锚杆位于地面下3 m。用等值梁法求桩的设计嵌入深度D、Mmax。=18 kN/m3，=18.5 kN/m3，=15。解(1)采用水土合算法的荷载。坑外地下水位以上主动土压力：令得h0=1.3 m1 m；设临界深度在坑外地下水位以下x(m)，则,x=0.7 m地面下深度z 0.7

36、m处土所产生的主动土压力：=0.3+10.9z18.4=10.9z18.7 kPa地面超载所产生的主动土压力：坑外深度1.0 m以上，qKai=7.6 kPa；坑外深度1.0 m下，=5.9 kPa。qKai=坑内坑底下深度y处被动土压力：=31.4y+31.3 kPa支护结构的荷载标准值分布如图2.10所示。(2)求反弯点位置(设反弯点在坑内坑底下深度处)。+31.3=10.9z18.7+5.9，z=+8，所以(3)由简支梁得锚杆水平力标准值Ha1k、简支梁另一支座反力标准值Pd1k：(2.1+83)Ha1k+1/2(31.42.1+31.3)2.11/32.1=1/2(10.92.1+68

37、.5)(2.1+810.7)1/3(2.1+810.7)+7.61(80.5+2.1)+5.9(7+2.1)1/2(7+2.1)7.1Ha1k+71.5=1074.7+73.0+244.3Ha1k=186.0 kN/mPd1k=1/2(10.92.1+68.5)(2.1+810.7)+7.61+5.9(7+2.1)1/2(31.42.1+31.3)2.1186.0=383.8+7.6+53.7102.1186.0=157.0 kN/m31.4=2.1 m。图图2.10 支护结构的荷载标准值分布支护结构的荷载标准值分布(4)求桩的设计嵌入深度D。设反弯点距挡土桩底tn，tn=y2.1；参照“等值

38、梁法计算简图”及“等值梁法计算单支点支护桩简图”：挡土桩前土压力合力作用点距挡土桩底b=tn/3，则(31.4y+31.3)(10.9y+68.5)tn/2tn/3=Pd1k tn20.5tn2+5.8tn942.0=0tn=6.6mD=Dmin=1.3(2.1+6.6)=11.3m(5)求桩的设计弯矩Mmax。反弯点位置不变，荷载采用设计值。求锚杆水平力设计值Ha1：(2.1+83)Ha1+1/2(31.42.1+31.3)1.22.11/32.1=1/2(10.92.1+68.5)1.2(2.1+810.7)1/3(2.1+810.7)+7.61.41(80.5+2.1)+5.91.4(7

39、+2.1)1/2(7+2.1)7.1 Ha1+71.51.2=1074.71.2+73.01.4+244.31.4Ha1=232.1 kN/m设剪力为0的点距地面x1(m)，8x11.7：Ha1=1/2(10.9 x118.7)1.2(x110.7)+7.61.41+5.91.4(x11)6.54 x1214.08 x1210.62=0 x1=6.9 mMmax=Ha1(x13)1/2(10.9x118.7)1.2(x110.7)1/3(x110.7)7.61.41(x10.5)5.91.4(x11)1/2(x11)=905.2305.668.1143.8=387.7(kNm/m)2.弹性抗力

40、法弹性抗力法也称为土抗力法或侧向弹性地基反力法，将支护桩作为竖直放置的弹性地基梁，支撑简化为与支撑刚度有关的二力杆弹簧；土对支护桩的抗力(地基反力)用弹簧来模拟(文克尔假定)，地基反力的大小与支护桩的变形成正比。其计算简图如图2.11所示。图图2.11 弹性抗力法计算简图弹性抗力法计算简图 对于如图2.11所示的支护结构的计算模式，微分方程将有下面两种具体形式(1)在基坑开挖面以上(0zH)：(2-18)(2)在基坑开挖面以下(zH)：(2-19)式中：z支护结构顶至计算点的距离(m)；bs载荷计算宽度(m)，地下连续墙和水泥土墙取单位宽度，排桩取桩中心距；y计算点水平位移(m)。弹性地基杆系

41、有限元法一般步骤如下(1)将桩、墙沿竖向划分为n个单元，则有n+1个节点个数。(2)计算桩、墙单元的刚度矩阵，并组装梁的总刚度矩阵(3)计算支撑(或拉锚)刚度矩阵(4)计算地基刚度矩阵(5)组装支护结构总刚度矩阵(6)计算总的荷载向量(7)高斯法解总平衡方程，得位移向量(8)将回代总平衡方程，求出各节点处桩、墙内力及支撑力(或拉锚力)。3.钢筋混凝土护坡桩配筋计算1)按钢筋混凝土受弯构件计算当截面内纵向钢筋数量不少于6根时，钢筋混凝土受弯构件配筋计算公式为:(2-37)(2-38)式中：A圆形截面积；As全部纵向钢筋的截面面积；r圆形截面的半径；rs纵向钢筋重心所在圆周的半径；fc轴心抗压强度

42、设计值；fy钢筋抗拉强度设计值；对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2的比值；纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，=1.25，当0.625时，取=0；混凝土构件受压区应力图的应力值取为轴心抗压强度设计 值fc乘以系数，当混凝土强度等级不超过C50时当混凝土强度等级为C80时M护坡桩弯矩设计值。=1，=0.94，其间按线性内插法确定；以上方程组可通过试算求解；另外可按以下方法计算(按经验估算As求系数K=fyAs/fcA由第二式或查表2-1求把带入第一式左边求承载力(记为Mc)，若Mc小于弯矩设计值，=1)：则重设As，重复以上步骤，直至Mc大于弯矩设计值，则得护坡桩配筋

43、As。2)钢筋混凝土护坡桩配筋计算99规程方法简介 截面受拉区内纵向钢筋不少于三根的圆形截面的情况，沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩(如图2.15所示)，其正截面受弯承载力可按99规程以下公式计算。(2-39)(2-40)图图2.15 配置局部均匀配筋和集中配筋的圆形截面配置局部均匀配筋和集中配筋的圆形截面式中：对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2的比值，应满足下列要求：；另外应满足1/3.5，否则第二式应按下式计算：(2-41)矩形截面的相对界限受压区高度，rs纵向钢筋所在圆周的半径；r圆形截面的半径；对应于周边均匀受拉钢筋的圆心角

44、(rad)与2 的比值；值宜在l/6l/3之间选取，通常可取定值0.25；对应于周边均匀受压钢筋的圆心角(rad)与2的比值，0.5A构件截面面积；Asr、Asr均匀配置在圆心角、Asc、Asc集中配置在圆心角、面积范围内的纵向受拉、受压钢筋截面面积；ysc、ysc纵向受拉、受压钢筋截面面积Asr、Asr的重心至圆心的距离；fy普通钢筋的抗拉强度设计值；fcm混凝土弯曲抗压强度设计值；宜取受拉、受压钢筋截面面积；内沿周边的纵向的混凝土弓形 3.3 3.3 基坑的稳定性分析基坑的稳定性分析基坑的稳定性分析基坑的稳定性分析 基坑工程的稳定性主要表现为以下几种形式：(1)整体稳定性；(2)倾覆及滑移

45、稳定性；(3)基坑底隆起稳定性；(4)渗流稳定性。1.整体稳定性验算大量工程实践经验表明，整体稳定破坏大体是以圆弧滑动破坏面的形式出现，条分法是整体稳定分析最常使用的方法。最危险的滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求：MR/MS1.2式中：MR抗滑力矩 MS滑动力矩。(2-42)对无支护结构的基坑，验算方法见土力学教材。对有支护结构的基坑，需计算圆弧切桩与圆弧通过桩尖时的基坑整体稳定性，圆弧切桩时需考虑切桩阻力产生的抗滑作用，即每延米中桩产生的抗滑力矩Mp(如图2.16所示)，可按下式计算。图图2.16 有支护结构的基坑整体稳定性验算有支护结构的基坑整体稳定性验算 (

46、2-43)式中：Mp每延米中的桩产生的抗滑力矩(kNm/m)；桩与滑弧切点至圆心连线与垂线的夹角；Mc每根桩身的抗弯弯矩(kNm/单桩)；hi切桩滑弧面至坡面的深度(m)；hi范围内土的重度(kN/m3)；Kp、Ka土的被动与主动土压力系数；d桩径(m)；d两桩间的净距(m)。对于地下连续墙、重力式支护结构d+d1.0m。2.倾覆及滑移稳定性验算重力式支护结构的倾覆和滑移稳定性验算的计算简图如图2.17所示:图图2.17 重力式支护结构倾覆及滑移稳定验算计算简图重力式支护结构倾覆及滑移稳定验算计算简图(2-44)式中：Ka抗倾覆安全系数，Ka1.3；ba主动土压力合力点至墙底的距离(m)；bp

47、被动土压力合力点至墙底的距离(m)；W重力式支护体的重力(kN/m)；B重力式支护体的宽度(m)；Ea主动土压力(kN/m)；Ep被动土压力(kN/m)。抗滑移稳定性按下式验算：式中：Kh抗滑移安全系数，Kh1.2；墙底与土之间的摩擦系数，当无试验资料时，可取：对淤泥质土 0.20.50，黏性土 0.250.4，砂土0.40.50。(2-45)桩墙式悬臂支护结构的水平推移和抗整体倾覆稳定验算应满足下列条件，如图2.18所示。(2-46)(2-47)式中：Ep、bp分别为被动侧土压力的合力及合力对支护结构 底端的力臂；Ea、ba分别为主动侧土压力的合力及合力对支护结构底 端的力臂。3.基坑底隆起

48、稳定性验算 对饱和软黏土，抗隆起稳定性的验算是基坑设计的一个主要内容。基坑底土隆起，将会导致支护桩后地面下沉，影响环境安全和正常使用。隆起稳定性验算的方法很多。可按地基规范推荐的以下条件进行验算(如图2.20所示)：图图2.20 基坑底隆起稳定性验算基坑底隆起稳定性验算1.6 (2-50)式中：Nc承载力系数，条形基础时Nc=5.14；0抗剪强度，由十字板试验或三轴不固结不排水 试验确定(kPa)；土的重度(kN/m3)；t支护结构入土深度(m)；h基坑开挖深度(m)；q地面荷载(kPa)。以上公式依据Terzaghi地基承载力公式而来：pu=tNq+cNc+1/2bN，=0时，Nc=5.14

49、，Nq=1，N=0。4.渗流稳定性验算1)流土(或流砂)稳定性验算渗流力(或动水压力)可由流网计算，也可按以下简化方法计算，如图2.21所示。图图2.21 流土流土(或流砂或流砂)稳定性验算稳定性验算 试验证明，流土(或流砂)首先发生在离坑壁大约为挡土结构嵌入深度一半的范围内(hd/2)，近似地按紧贴挡土结构的最短路线来计算最大渗流力，则渗流力(或动水压力)j(可另外考虑安全系数)为(2-51)式中：坑内外水头差(m)；hd挡土结构入土深(m)；w水的重度(kN/m3)。上式表明了要避免发生流土(或流砂)的挡土结构最小嵌入深度。2)突涌稳定性验算按下式验算，如图2.22所示图图2.22 突涌稳

50、定性验算突涌稳定性验算1.1(2-52)式中：m透水层以上土的饱和重度(kN/m3)；t+t透水层顶面距基坑底面的深度(m)；Pw含水层水压力(kPa)。3.4 3.4 内支撑的内力与截面计算内支撑的内力与截面计算 1.作用在支撑系统上的荷载及内力分析1)荷载2)内力分析方法(1)形状比较规则的基坑，并采用相互正交体系时，可采取以下简化计算方法：在水平荷载作用下，现浇混凝土腰梁的内力与变形可按多跨连续梁计算。计算跨度取相邻支撑之间的距离；钢结构腰梁宜按简支梁计算，计算跨度取相邻支撑中心距；当水平支撑与腰梁斜交时，应计算支撑轴力在腰梁长度方向所引起的轴向力。支撑轴向力按支护桩沿腰梁长度方向分布的