清華大學土木課程地下結構3

地下結構設計與施工

UndergroundStructure—DesignandConstruction主講：宋二祥

第三章基坑支護設計

本章主要參考書：

【1】劉建航、候學淵主編，基坑工程手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1997【2】中華人民共和國行業(yè)標準，建筑基坑支護技術規(guī)程（JGJ120-99）,中國建筑工業(yè)出版社，1999§3-1概述§3-2土水壓力計算§3-3傳統(tǒng)支護結構設計計算§3-4錨桿設計§3-5土釘支護設計第三章基坑支護設計

為地下工程施工提供安全的空間§3-1概述

對鄰近建筑和設施提供可靠的保護有不同程度的止水作用

討論基坑支護的必要性一、基坑支護的作用及研究的必要性：§3-1概述

0.901.001.10支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對周邊環(huán)境及地下設施影響不嚴重

支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對周邊環(huán)境及地下設施影響一般

支護結構破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對周邊環(huán)境及地下設施影響很嚴重

破壞后果

三級二級一級安全等級

基坑側壁安全等級及重要性系數：二、設計準則考慮兩種極限狀態(tài)：支護體系或周邊環(huán)境破壞及不能接受的變形。

支護體系的驗算：均需驗算強度，對一級及有變形控制要求的二級基坑還需驗算變形（需先確定變形限值）?！?-1概述

設計內容：支護設計、水的控制措施，質量檢測與施工監(jiān)測要求地下水控制驗算：抗?jié)B透驗算，抗突涌驗算三、支護類型及選用原則§3-1概述

放坡開挖：用于三級基坑，場地允許、深度較小的情況，可與其他方式聯合使用其計算屬于土坡穩(wěn)定問題?！?-1概述傳統(tǒng)支護方式：擋土構件+橫向支撐。用于一、二、三級，懸臂支護在軟土中深度小于5m擋土結構：有樁、墻等，可分為骨架式、連續(xù)式、半連續(xù)式等橫向支撐：內支撐、背拉錨桿等§3-1概述

§3-1概述土釘支護：二、三級，非軟土場地，深度不宜大于12m（18m）

20世紀90年代初開始在我國城市基坑支護中應用。其新發(fā)展為復合土釘支護—與錨桿、微樁等聯合使用。在上海，坑深〈6米左右，多用鋼板樁加一道拉錨或內支撐；>10米左右則多用連續(xù)墻加內鋼砼內支撐。北京土釘支護應用廣泛?！?-1概述其他支護形式：水泥土墻、逆作拱墻、雙排樁。各種形式的聯合支護

§3-1概述§3-2土水壓力計算§3-3傳統(tǒng)支護結構設計計算§3-4錨桿設計§3-5土釘支護設計第三章基坑支護設計

幾種情況下的土壓分布如圖?！?-2土水壓力計算與土的性質、體系變形、施工過程等有關，較復雜。一、擋土構件上的土壓力

實際土壓力值（動用土壓）一般并非主動土壓或被動土壓。特別是被動土壓，所需變形大，一般不能充分發(fā)揮?！?-2土水壓力計算設計時依據上述原理及經驗假定土壓分布如圖（國外多用）：

基坑支護規(guī)程：按經典理論計算，但墻后坑深以下主動土壓計算時取坑深處的豎向應力?！?-2土水壓力計算地面荷載引起擋土結構上的土壓力：大面積分布荷載：見圖局部荷載：僅在CD段用擴散后的豎向應力計算土壓?！?-2土水壓力計算土壓力計算寬度：連續(xù)式擋土結構按每延米計算結構剛度和土壓力；骨架式擋土結構：取一根樁計算：基底以上主動土壓計算寬度按樁基規(guī)范取0.9（D+1m）?；蛘哒f，應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。§3-2土水壓力計算但最終值要小于按樁間距計算的值。

基底以下主動土壓按D計算，被動土壓力由寬度D內值乘以M（兩體積之比）計算土壓力所用C、φ值:在與現場條件相近的試驗條件下測定，一般是固結快剪或固結不排水剪強度指標?！?-2土水壓力計算二、擋土構件上的水壓力§3-2土水壓力計算繞墻下端C有滲流：同“基礎工程”所講。繞墻下端C無滲流：如圖b所示。三、土－水壓力的分算、合算§3-2土水壓力計算土水分算：土水合算：末式嚴格說無意義，因土壓力系數與有效容重不對應。故不宜理解為水壓折減?；又ёo規(guī)程：粗粒土分算，細粒土合算§3-1概述§3-2土水壓力計算§3-3傳統(tǒng)支護結構設計計算

§3-4錨桿設計§3-5土釘支護設計第三章基坑支護設計

驗算內容與可能的破壞形式密切相關。一、懸臂樁、墻計算§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算僅用于開挖深度較小的情況相應的驗算：對1按土坡穩(wěn)定驗算，對后兩者按以下方法驗算?？赡艿钠茐男问剑?）整體滑移破壞；2）擋土構件強度不足而破壞；3）嵌深不足而傾覆§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算據實際變形情況，設墻體繞E轉動，則E以上墻后為主動土壓，墻前為被動土壓，E點以下則相反。E點以下墻段對上段的作用力記為P（圖）。可求出嵌深的上段t，再乘由以1.2作為嵌固深度§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算即樁長Mmax由Q=0的條件求出，用于驗算擋土構件的強度問：Mmax發(fā)生在坑底以上還是坑底以下?

另一計算方法：忽略P，由水平力平衡求嵌深，再乘以1.2。結果相同嗎？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)可遠小于坑深。

§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算2、單錨（撐）支護結構常見破壞形式：（a）錨桿拉斷（地面堆載）、拔出（c）擋土構件本身強度不足而破壞（b）踢腳破壞，嵌深不足（d）整體滑移破壞相應的驗算：對d按土坡穩(wěn)定驗算，對前三者按以下方法驗算?！?-3傳統(tǒng)支護體系設計計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。設合土壓=0處M=0（近似,x0/H和有關），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)支護體系設計計算Mmax此時在坑底以上水平。模型誤差修正：M折減30～40%，支撐力增大35～40%（上海地基基礎規(guī)范）。原因：假定的墻前被動土壓偏大及樁后上段主動土壓因樁變形而減小。（見3-2節(jié)圖）考慮摩擦影響對土壓的修正：墻前被動土壓增大，墻后被動土壓減小，主動土壓不折減。調整系數查表。

另一驗算方法：設樁前為被動土壓、樁后為主動土壓，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)支護體系設計計算3、多錨（撐）支護結構基坑深度大時用多撐。計算方法有多種，如二分之一分割法、等值梁法、山肩邦男法等。施工過程：先挖后撐（或先撐后挖）§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算

a）

二分之一分割法（我國鐵路部門常用，見圖）設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，其下端據土的密實情況假定為鉸接或嵌固于基底下(0.33-0.5)倍插深處，進行支撐力及內力計算（可用力矩分配法）§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算b）相當梁法關鍵是確定反彎點位置，有幾種假定：土壓為零的點；

坑底水平；

由土的性質定，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。反彎點確定后，其余計算與單撐的情況類似?！?-3傳統(tǒng)支護體系設計計算c)山肩邦男近似法基本假定：考慮粘性土層，墻前取被動土壓，墻后取三角形分布的土壓(可用主動土壓系數計算）計算過程：隨施工過程計算，每次兩個未知量—新起作用支撐的軸力、當前坑底下反彎點位置，由力、力矩平衡兩個方程可解。開挖面以下必存在彎矩為零的一點（其位置未知）,忽略該點以下樁段對上段的剪力作用下道橫撐設置后，認為上道橫撐的軸力不變；§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算開挖前，墻兩側均受靜止土壓。開挖到某一深度時，開挖側土壓釋放，釋放的壓力即為墻所受的荷載。d)模擬開挖的桿系有限元法據此可分步計算，模擬施工過程：支撐和土的約束用彈簧模擬，開挖一步計算一次。注意：每開挖一層，應將模擬其約束作用的彈簧力反向加到結構上。有模擬開挖功能的程序中則只需將其關閉。最終結果為各步結果之和。（如程序可分步計算并累加計算結果，在計算過程中又可修改荷載，則更簡便。）§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算計算圖示算例,其中γ=18kN/M3，φ=14°,C=7kPa，墻厚0.8m，C30砼。e)計算方法比較§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算桿系有限元法§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算各層支撐最大軸力計算值（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之差別可見現有計算方法不成熟,可能的原因：(1)未考慮支撐、墻、土相對剛度的影響；(2)未考慮開挖過程;等方法仍然可用的原因：(1)工程類比（經驗）；(2)保守設計；(3)結構本身有一定內力重分布能力。4、基坑穩(wěn)定驗算a）荷載引起的基坑失穩(wěn)計算模型如圖轉動力矩：穩(wěn)定力矩：要求：（和x無關）§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算其他幾種不同的模型：（1）樁剛度及嵌深大，可設滑移中心在樁下端，但X=？試算（2）樁剛度小，可設滑移中心在最下層支撐處，滑面過樁下端（3）可考慮豎直面上的抗滑力§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算b）滲透穩(wěn)定驗算：突涌驗算：滲透破壞驗算：結合滲流計算可求地下連續(xù)墻嵌固深度由覆土重>水壓有：坑底以下有承壓水時驗算§3-3傳統(tǒng)支護體系設計計算§3-1概述§3-2土水壓力計算§3-3傳統(tǒng)支護結構設計計算§3-4錨桿設計§3-5土釘支護設計第三章基坑支護設計

§3-4錨桿設計優(yōu)點：改善施工條件；解決大基坑內支撐的困難；施工設備占空間?。皇┕ぴ肼曅。荒苁┘宇A應力控制變形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：后者要在主動破壞區(qū)之外，預應力約為設計拉力的70%。上覆土4－5m，否則會拔出或地面隆起（因有豎向分力）

組成：錨頭（臺座、承壓板、緊固器）、拉桿、錨固段錨桿布置：需考慮群錨效應，樁、梁內力等因素。目前趨勢是用密而設計拉力小的錨桿，可靠性較好。§3-4錨桿設計錨桿所受拉力：用前述方法計算。

注意：極限摩阻力非均勻分布，錨固段<10m可近似按均布算,錨固段過大無用；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，例有機土，高塑性粘土，松砂。

抗力估計：決定于拉桿強度，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錨桿設計

群錨效應考慮：錨桿密時近似用下式計算其抗拔力折減系數§3-4錨桿設計錨固系統(tǒng)的整體穩(wěn)定，決定其總長度（Nt僅定Ls），用Kranz方法.由KRANZ在50年代提出，后經發(fā)展于60年代用于德國規(guī)范，日本和我國也多用該方法。

KRANZ經研究提出：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錨桿設計推廣到多層錨桿安全系數的驗算，以下為兩種典型配置型式：

a）上短下長上層錨桿：由abc1d1平衡可求其拉力A1（知Ea、E1、G1），此時下層錨桿無影響。所求拉力與其設計拉力之比為安全系數。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計拉力和之比即為安全系數。§3-4錨桿設計b）上長下短此時除按上述方法定出各錨桿相應的破裂面外，bc2c1f亦可能成為破裂面，所以要分析三個土體的平衡求安全系數。實際工程問題千變萬化，但理解了上述原理總可分析?！?-1概述§3-2土水壓力計算§3-3傳統(tǒng)支護結構設計計算§3-4錨桿設計§3-5土釘支護設計第三章基坑支護設計

§3-5土釘支護設計參考文獻：【1】陳肇元、崔京浩主編：土釘支護在基坑工程中的應用（第二版），中國建筑工業(yè)出版社，2000【2】宋二祥等：深基開挖的土釘支護—設計方法；地下空間，1996年第2期§3-5土釘支護設計一、構造與作用機理

（圖）土釘：在土體中成孔后放入鋼筋并沿全長注漿所形成的細長桿件，也可僅用鋼筋、鋼管等?！?-5土釘支護設計施工過程：隨基坑開挖的進行，在坑壁做土釘、掛鋼筋網片并噴混凝土。

§3-5土釘支護設計同錨桿的區(qū)別：土釘間距密、長度小、沿全長注漿、無預應力。與錨桿作用機理的差別見圖。

§3-5土釘支護設計作用機理：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：簡便、有效，顯著縮短工期、節(jié)省造價。缺點：需占用場外地下空間，需排除地下水，要求土體有一定自穩(wěn)能力。二、土釘設計的基本考慮設計目的：保證基坑的安全穩(wěn)定并在技術上可行、經濟上合理。設計內容：坑壁坡度，土釘傾角、土釘長度、加筋直徑、孔徑及間距，支護面層厚度及配筋，每層開挖深度等?！?-5土釘支護設計坑壁坡度：適當放坡增加穩(wěn)定性，也較經濟。土釘傾角：10～15度，以便注漿。但水平設置能更好控制變形§3-5土釘支護設計孔徑：一般由成孔機具決定，10cm左右。間距：要有一定密度，否則難以有效約束釘間土體。一