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基坑工程概念设计郑州大学周同和2009-05主要内容•极限状态•设计原则与计算要点•水土压力与强度指标选用•支护结构概念设计与优化设计•地下水控制概念设计•安全监测与信息化施工•基本参数选择方法•工程设计例一、极限状态•极限状态是指结构不再满足设计功能要求的状态。•承载能力极限状态：是指有关倒塌、失稳或其他任何形式的破坏（包含处在破坏前的临界状态）。•正常使用极限状态：是指超过这一状态，规定的使用条件将不再满足。如建筑物变形过大、倾斜超标影响正常使用功能；支护结构变形过大影响基础施工等。设计状态•指各种实际条件组合时，设计的状态应完全满足在施工和使用阶段可能出现的最不利条件，不会出现极限状态。二、设计原则与计算要点•设计原则•设计内容与环境调查•计算模型与设计参数•作用效应•材料特性•变形限制设计原则•基坑工程设计应综合考虑工程地质与水文条件、开挖深度、周边环境保护要求、主体结构类型及施工条件等因素。基坑支护结构应确保岩土开挖、地下结构施工的安全，并使周围环境不受损害。所有支护结构设计均应满足结构强度和变形计算的要求，必须避免出现没有前期变形的脆性破坏。设计内容•支护体系的方案技术经济比较和选型；•支护结构的强度、稳定和变形计算；•基坑内外土体的稳定性验算；•基坑降水或止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计；•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；•结构构件构造措施与节点要求；•基坑开挖施工方法的可行性及基坑施工过程中的监测要求。设计等级安全等级变形控制等级•设计等级（决定设计内容）•结构安全等级（区别永久支护结构）•变形控制等级（正常使用极限状态设计）•根据地基复杂程度、基坑工程的规模、功能，以及由于基坑开挖可能造成对环境的影响，将基坑工程分为三个设计等级•设计等级为甲级和乙级的基坑工程，应进行因土方开挖、降水引起的四周地面变形的计算。设计等级基坑工程规模及地质条件甲级位于复杂地质条件下的基坑；软土地区开挖深度大于12m的基坑工程；开挖深度内存在地下水，且挖深大于15m的基坑；支护结构与主体结构相结合的基坑工程；开挖深度内无地下水，且挖深大于20m的基坑乙级除甲级、丙级以外的基坑工程丙级场地地质条件简单，基坑开挖深度小于5.0m的基坑工程•基坑工程设计时应根据结构破坏可能产生后果的严重性，确定其安全等级。当支护结构同时作为永久结构使用时，其安全等级、结构使用年限、结构构件的重要性系数等应按有关规范确定。临时性支护结构，其结构构件的重要性系数取1.0。•所有支护结构设计均应满足结构强度和变形计算以及土体稳定性验算的要求。因支护结构变形、岩土开挖及地下水条件变化引起的基坑内外土体变形应按以下条件控制•不得影响地下结构尺寸、形状和正常施工；•不得影响既有桩基的正常使用；•对周围已有建（构）筑物引起的沉降不得超过本规范有关章节规定的要求；•不得影响周边管线的正常使用。坑外周边环境变形控制设计要求•对基坑周边开挖深度一定范围内的建、构筑物、管线等地面及地下设施，明确其保护要求，•提出满足保护要求的设计控制指标；•当无设计控制指标时，应按表规定执行。注：1.H——基坑开挖深度；2.本表适用于深度18m以内的基坑工程保护等级墙顶位移墙体位移地面沉降环境条件一0.001H0.0015H0.001H有历史文物，近代优秀建筑，重要建、构筑物及设施，地铁，共同沟，煤气管，大型压力总水管等管线二0.002H0.003H0.002H对沉降敏感的大型建、构筑物，重要干线水管等管线三0.003H0.005H0.003H有需要保护的建、构筑物，地下设施及地下管线等保护环境安全的基坑变形控制值基坑工程环境调查•设计重要的前期工作，对基坑安全与经济性十分重要。难度较大，但一定要加以落实。•基坑周边2倍开挖深度范围内建（构）筑物及设施的状况，对于建筑物应查明其平面位置、层数、结构形式、材料强度、基础形式与埋深、历史沿革及现状、荷载与裂缝情况、沉降与倾斜情况、有关竣工资料（如平面图、立面图和剖面图等）及保护要求等；•对历史保护建筑，必要时尚需进行结构检测与鉴定，以进一步确定其抵抗变形的能力。•2~4倍开挖深度范围内有轨道交通设施、隧道、防汛墙、煤气总管、原水管、自来水总管、保护建筑等非常重要的建（构）筑物及设施；对于隧道、共同沟、防汛墙等构筑物应查明其平面位置、埋深、材料类型、断面尺寸及保护要求等；•对于管线应查明其平面位置、直径、材料类型、埋深、接头形式、压力、建造年代及保护要求等，当无相关资料时应进行必要的探测工作。设计计算模型与设计参数•计算模型应包含基于简化的解析模型的分析方法•可与相似工程经验、试验模型或可靠的计算分析进行比照•由变形控制的设计，应能计算或预估变形值•设计参数的选择应考虑：各种参数间的相关性、确定参数的试验方法和分析标准、施工控制水平与施工工艺质量。•设计模型、设计参数、安全系数相对应支护结构作用效应•土压力；•静水压力、渗流压力、承压水压力；•基坑开挖影响范围以内建、构筑物荷载、地面超载、施工荷载及邻近场地施工的影响；•温度变化对支护结构产生的影响；•临水支护结构尚应考虑波浪作用和水流退落时的渗流力；•振动和交通荷载引起的位移和加速度；•锚杆或支撑的预加力；•作为永久结构使用时尚应按有关规定考虑相关荷载作用。岩土材料特性•岩土材料室内试验与现场结果之间存在不确定性•土的流变、灵敏度变形限制•不同保护对象的沉降与沉降差，倾斜与整体倾斜，扭转与相对扭转，相对挠曲；•支护结构构件的弯曲、拉压、剪切变形，滑移变形，锚杆拔出变形；•基坑隆起变形等。三、土压力计算与土的强度指标选用土的强度指标的选用原则•对淤泥及淤泥质土，应采用三轴不固结不排水剪强度指标；•对一般粘性土应采用三轴不固结不排水剪强度指标；当施工挖土速度较慢，土层透水性强，排水条件好，土体有条件固结时，可采用三轴固结不排水剪强度指标；•灵敏度较高的淤泥及淤泥质土，基坑临近有交通频繁的主干道或其他对土的扰动源时，计算采用土的强度指标宜适当进行折减。•对砂类土，采用有效强度指标；•应考虑打桩、地基处理等施工扰动行为造成的土强度指标降低的不利影响。土压力计算•主动土压力、被动土压力可采用库仑或朗肯土压力理论计算。当对支护结构水平位移有严格限制时，应采用静止土压力计算。•土体作用在围护墙上的侧压力计算应考虑下列因素：土的物理力学性质、墙体相对土体的变位方向和大小、地面坡度、地面超载和邻近基础荷载、地下水位、孔隙水压力及其变化、支护结构体系的刚度与形状、打桩方式、钻孔、压浆等基坑工程的施工方法和施工顺序、围护墙面的粗糙程度、支护结构与土体相互作用程度等。•有限土体土压力应根据不同条件采取相应的方法计算确定。•土压力设计值的确定应考虑极限状态下支护结构发生位移和应变的形式和量值。当支护结构位移达不到极限状态时，土压力的设计值可采用某一中间值，该中间值的确定可采用经验准则或有限元方法确定。确定结构单元结构强度时，土和水压力的设计值宜取上限值。宜根据地基结构单元及土体相对位移刚度进行土压力重分布计算。•作用于支护结构的土压力和水压力，对砂性土宜按水土分算计算；对粘性土宜按水土合算计算；也可按地区经验确定。•基坑工程采用止水帷幕并插入坑底下部相对不透水层时，基坑内外的水压力，可近似按静水压力计算。•当地下水有渗流作用时，地下水的作用应通过渗流计算确定。•当基坑工程采用止水帷幕并插入坑底下部相对不透水层时，基坑内外的水压力，可近似按静水压力计算，但必须考虑降雨、上下水管道开裂、排水系统失效后作用于支护结构墙后的最不利水压力作用。•地下水位以下均为饱和粘性土时，基坑挖深范围内的水、土压力可按水土合算计算，土的强度采用不固结不排水剪值。由粘性土与无粘性土互层组成的土层，水、土压力均按水土合算计算，土的强度指标采用固结不排水剪值，也可按地区经验确定。•对嵌入式支护结构，应避免产生振动及横向冲击，并应考虑由振动、横向冲击可能带来的土体液化造成土压力的变化。对灵敏度较高的淤泥及淤泥质土、粉土、粉质粘土，临近基坑有交通频繁的主干道或其它对土的扰动源时的土压力计算宜对采用三轴不固结不排水或直剪快剪强度指标予以折减。四、支护结构概念设计与优化设计稳定验算•水泥土墙应满足抗倾覆、水平滑移、隆起及整体稳定验算；•土钉墙应满足抗倾覆、水平滑移、隆起及整体稳定验算，并应满足施工过程中各开挖阶段的内部稳定的验算；•桩、墙式支护应满足抗倾覆、侧土压力极限平衡、隆起及整体稳定验算；•竖向平衡与基底承载力验算。•嵌入式挡墙必须考虑竖向平衡引起的破坏，应进行竖向平衡验算；•基底承载力验算；•重力式挡墙、复合支护结构应进行基底承载力验算；•整体稳定验算宜采用圆弧滑动面计算，有软土夹层和倾斜岩面等情况时，尚应采用非圆弧滑动面计算。支护结构内力计算•在确定支护结构截面、内力、配筋和验算材料强度时，作用在支护结构上的荷载效应，应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，相应的分项系数应满足有关规定。•支护结构构件设计时，应根据其在施工及使用过程中的不同阶段可能出现的最不利内力，进行截面设计，构件承载力应满足下式：RS0S——承载能力极限状态的荷载效应组合设计值取1.25R——支护结构构件的承载力设计值。支护结构概念设计•放坡开挖法（可能对临近建、构筑物、地下管线、永久性道路产生危害或地下水发育、稳定性差的边坡不适用）①边坡稳定性可采用圆弧滑动法进行验算，有软弱夹层和倾斜岩面等情况时，宜采用非圆弧滑动面计算。②土质或岩质边坡的坡率允许值应根据工程经验，按工程类比的原则并结合已有稳定边坡的坡率值分析确定。•土钉支护①适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、砂类土等土层，不宜用于淤泥、淤泥质土以及未经降水处理的地下水位以下的土层。土钉支护的基坑开挖深度不宜超过15m，使用期限不宜超过18个月。②对变形限制较严格的基坑工程，宜采用复合土钉支护。③土钉支护结构设计计算应包括下列内容–确定土钉墙面倾角，土钉间距，锚固体及插筋直径、长度、倾角；–进行内部稳定，外部稳定等各项稳定性验算，满足附录A的规定；–根据现场载荷试验确定土钉抗拔承载力特征值，内部稳定验算与抗倾土压力作用验算时，单根土钉不被拔出的抗力分项系数不应小于1.5；总抗拔力验算时，土钉不被拔出的抗力分项系数不应小于2.0；–当采用打入式钢管土钉时，进行各项验算的抗力分项系数，应比上款）中的规定增大0.5；–复合土钉支护中采用的锚杆的作用，按9.6的规定设计计算。复合土钉计算中，不考虑止水帷幕及微型桩超前支护的作用；–喷射混凝土面层应满足承受侧土压力作用的要求。当有地下水及其他地面荷载作用时，尚应计入其对面层产生的侧压作用。面板的强度设计计算，应满足相应结构设计规范的要求。•水泥土墙支护①适用于淤泥、淤泥质土、粘性土、粘土、素填土等地基承载力特征值不大于140kPa的土层，开挖深度不小于6m的基坑；②当在淤泥、淤泥质土层中采用水泥土墙支护时，墙体的入土深度除满足计算要求外，尚宜插入到下部较好土层中一定深度；③水泥土墙设计计算应包括下列内容–水泥土墙体的稳定性–水泥土墙的内力分析宜按刚性墙法计算，墙身不得承受拉应力。墙体的入土深度应按极限平衡法确定，并满足墙底地基承载力验算及整体稳定等各项稳定性分析的要求；–水泥土墙支护墙体正截面强度计算时，墙身最大压应力不得超过水泥土开挖龄期时的轴心抗压强度设计值，墙身不得出现拉应力。•桩、墙式支护①结构一般用于各种设计等级的基坑。在无地下水或允许坑外降水时，宜采用排桩结构，在软弱含水地层中一般采用板桩结构；当设置止水帷幕时也可采用排桩结构。根据需要可选用钻（冲）孔灌注桩、人工挖孔桩、钢筋混凝土板桩、钢板桩或型钢桩等型式和适宜的断面形状。②墙式支护结构一般用于防渗和环境保护要求较高，设计等级为甲、乙级的基坑。墙式围护结构一般采用现浇钢筋混凝土地下连续墙，有条件也可采用预制的钢筋混凝土连续墙或加有劲性钢筋的水泥土挡墙。③桩、墙式支护结构的设计应包括以下内容–入土深度的确定：按极限平衡法由挡土结构的静力平