深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用

深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用1深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用2第1章绪论第2章桩锚支护设计计算理论与分析第3章桩锚支护工程的降水设计与监测技术第4章深基坑支护工程实例第5章总结与展望深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用3第1章绪论1.1深基坑支护方法的分类及特点（1）基坑围护体系是临时结构，具有较大的风险性（2）基坑工程具有很强的区域性（3）基坑工程具有很强的特性（4）基坑工程具有很强的综合性（5）基坑工程和土压力具有很强的相关性（6）基坑工程具有较强的时空效应（7）基坑工程是系统工程（8）基坑工程的周边环境较复杂（9）基坑围护方法多深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用41.2深基坑支护的发展概况深基坑的支护技术及其理论研究在国外发展较早，但在我国起步较晚，仅是近二十多年才逐渐涉及。上世纪70年代以前我国所涉及的基坑都较浅，一般意义上都称不上是深基坑。上世纪70年代初北京建成了深20.0m的地铁区间站和东站深基坑。上世纪80年代中期广东、上海、北京及其它城市修建的深基坑陆续增加，设施和施工都不断积累了经验，为了总结各地经验和理论，由中国土木学会和中国建筑学会土力学和基础工程学会组织，上世纪80年代以来相继在北京、上海、天津等地召开过全国和地方性深基坑会议，并出版相关论文集；进入上世纪90年代为了总结我国深基坑支护设计技术与施工经验，上海市、深圳市、武汉市、广东省等地区陆续颁布了关于深基坑设计的地方规程，北京国家行业标准亦颁布使用；同时上海、武汉、杭州等地已出版了多册关于深基坑设计与施工方面的实录集。2003年武汉市开始统一使用“天汉软件”为深基坑设计服务；2004年8月12日湖北省建设厅发布了地方标准基坑工程技术规程。深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用5近几年来，高层建筑与市政建设处于大发展时期，由于设计与施工队伍对当地的基坑施工特点不够熟悉，因而发生了一些事故。为避免这些事故的发生，应从如下几方面进行总结，并改进这些方面的工作。（1）设计方面（2）施工方面（3）监测方面基坑支护设计中的主要问题是稳定性和变形问题，现在对支护结构的稳定性计算的常规方法一般是按弹性地基梁理论，采用等值梁法或连续梁法。其缺陷和不足是：①土体是各向异性、非均质、非连续的介质，不完全是弹性体。②深基坑开挖是一个卸荷过程，基坑开挖后边界条件改变，亦即稳定性分析未考虑应力路径变化对土体强度及变形性质的影响。③特别是对于软土，基坑开挖后支护结构的稳定性应考虑软土长期流变的影响。④对于不同的土类别，采用同一种稳定分析计算方法，不尽合理。⑤仅考虑了支护结构本身的稳定性，而往往忽略了支护结构与边坡上体作为一个整体的整体边坡稳定性。⑥深基坑变形破坏类型的划分一般是按倾覆、整体滑移，强度破坏、踢脚底鼓、管涌、变形过大、地面开裂沉陷等来划分，这是否缺乏科学性和系统性。深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用6第2章桩锚支护设计计算理论与分析2.1深基坑边坡的变形破坏模式当基坑坑壁采用桩（墙）锚、桩（墙）撑式支护结构时，深基坑可能发生三种形式的变形破坏：⑴支护桩（墙）入土深度不足，支护桩（墙）下部出现“踢脚”⑵锚杆的锚固力或支撑力不足，使锚杆拉出或使支撑“压屈”；⑶支护桩（墙）强度不足出现剪断破坏。当基坑坑壁采用喷锚（土钉墙）支护时，基坑可能发生以下三种形式的变形破坏：⑴锚杆或土钉长度不足，基坑边坡土体沿朗肯主动破裂面发生变形破坏；⑵个别锚杆或土钉的抗拔力不足，被从土体内拉出；⑶锚杆（土钉）与面层钢筋联接不牢固，与面层钢筋拉脱。深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用72.2支护结构选型武汉地区深基坑支护结构的主要型式如下：1)放坡开挖2)悬臂桩3)水泥土重力式挡土墙4)桩锚式支护结构5)内支撑式支护结构6)喷锚支护（土钉墙）7)综合措施2.3土层锚杆的内力计算锚杆的承载力式中：Qu__锚杆极限承载力；rb__锚杆锚固体半径；La—锚杆锚固段长度；τu锚杆周围土体的抗剪强度2ubauQrL深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用8土层锚杆基于局部变形的内力计算理论的假定如下：(1)假定锚固体周围土体上某一点的剪力集度（单位长度锚固体的剪力）与这点的位移成正比关系，即：q=-Ksw，式中q—剪力集度（N/m），q=2πrbτ，其中rb为锚固体半径（m），τ为剪应力（Pa），Ks—综合切向刚度系数（N/m/m）w为锚固体上某点位移（m）上述假定，实际上是用一系列独立作用的“切向弹簧”来描述锚固体与周围土体之间的相互关系。(2)忽略土体对锚杆的压缩变形。(3)不考虑土体对锚杆顶端和底端作用。深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用92.4支护结构水平荷载与抗力计算2.4.1超载作用下支护结构水平荷载与抗力计算模式epjkqhwpZjhhdhwaZi(a)eajk(b)epjkqhwaZjhdhwphZieajk图2-1水平荷载与抗力计算模式深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用102.4.2支护结构水平荷载标准值ajkeZoeajkhhdhwpZjhwa图2-2水平荷载标准值计算简图深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用112.4.3支护结构水平抗力标准值计算hwpZjozepjk图2－5水平抗力标准值计算简图深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用122.5桩锚支护结构设计计算2.5.1悬臂式支护结构计算ΣEpjEp1Ep2Ea4Ea3Ea2Ea1hdhphΣEaihaΣEazΣEmzhazhmzhchn图2-6悬臂式支护结构嵌入深度计算简图图2-7内力计算简图深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用132.5.2多支点支护结构计算ha1ep1kea1kTc1ΣEachT1hc1hp1Ea3Ea2Ea1hhdΣEpchac1ThT1hphdEp2Ep1Ea4Ea3ΣEaiEa2Ea1hΣEpj1cT1cT计算简图图2-8支点力图2-9嵌固深度hd计算简图深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用14h2hmzhazTh1hnhcT2T1ΣEmzΣEazhjj(a)h2B1B24.9q0T1h1AZa1Ea1(b)h2CB2Bh3T2EakZa2AT1h1y2图2-11多支点支护结构内力计算简图图2-12逐层开挖支撑（拉锚）力不变等值梁法计算简图深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用152.5.3结构内力及截面承载力计算5)排桩及支撑体系混凝土结构的承载力应按下列规定计算：(1)正截面受弯及斜截面受剪承载力计算以及纵向钢筋、箍筋的构造要求，应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GBJ10的有关规定；(2)圆形截面正截面受弯承载力应按下列规定计算：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（图2-14），其正截面受弯承载力可按下列公式计算：''sin2(1)()02cmysrscsrscfAfAAAA'3''''sinsin2sin3sscmysrsyscscysrsyscscssMfArfArfAyfArfAy深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用162.5.4锚杆计算1)锚杆承载力计算应符合下式：锚杆自由段长度按下式计算：（图2-15）锚杆长度设计应符合下列规定：(1)锚杆自由段长度不宜小于5m并应超过潜在滑裂面1.5m；(2)土层锚杆锚固段长度不宜小于4m;(3)锚杆杆体下料长度应为锚杆自由段、锚固段及外露长度之和，外露长度须满足台座、腰梁尺寸及张拉作业要求。6)锚杆上下排垂直间距不宜小于2.0m，水平间距不宜小于1.5m；锚杆锚固体上覆土层厚度不宜小于4.0m；锚杆倾角宜为15°～25°，且不应大于45°。锚杆锚固体宜采用水泥浆或水泥砂浆，其强度等级不宜低于M10。cosduTN001sin(45)2sin(45)2tkfkll深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用17总结基坑支护结构设计计算思路如下：(1)若设计某一段，则应己知该段各土层的厚度、γ、c、φ、K、及q0、q1、b0、b1，选取该段重要性系数γ0，设定该段桩长初值为h+hd，若桩长不满足下列要求，则应加大桩长，直至满足为止；(2)由式(2-4)～(2-7)计算基坑外侧竖向应力标准值；(3)由2.4.2节的公式计算支护结构水平荷载标准值；(4)由式(2-11)计算作用于基坑底面以下深度处的竖向应力标准值；(5)由2.4.3节的公式计算基坑内侧水平抗力标准值；(6)对悬臂式支挡结构，按式(2-14)确定悬臂式支护结构嵌入深度设计值hd，若满足，则可确定桩长；若不满足要求，则应加大桩长，直至满足为止；(7)由式(2-15)验算抗渗透稳定条件；(8)由式(2-16、17)计算支挡结构弯矩计算值及剪力计算值；(9)由式(2-34、35)计算支挡结构截面弯矩设计值及截面剪力设计值；(10)由式(2-37～43)进行支挡结构截面尺寸(如直径)及配筋等设计；深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用18(11)对单层支点支护结构，先按式(2-18)确定基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置至基坑底面的距离；(12)由式(2-19)计算支点力；(13)由式(2-20)确定嵌固深度设计值；(14)由式(2-25)计算支点支护结构弯矩计算值及剪力计算值；(15)按上面第(9)、(10)步进行单层支点支护结构截面尺寸及配筋等设计；(16)对多层支点支护结构，先按式(2-21)、(2-22)确定嵌固深度计算值；(17)由式(2-24)计算嵌固深度设计值；(18)按弹性支点法计算多支点支护结构支点力计算值；或按逐层开挖支撑力不变等值梁法由式(2-27、29、31)计算支点力计算值；(19)由式(2-25)计算多层支点支护结构弯矩计算值及剪力计算值；(20)由式(2-25)计算支点结构第层支点力设计值；(21)按上面第(9)、(10)步进行多层支点支护结构截面尺寸及配筋等设计；(22)由2.5.4节的公式和规定进行锚杆承载力计算，确定锚杆杆体的截面面积，确定锚杆轴向受拉承载力设计值，计算锚杆自由段长度，进行锚杆长度、间距、倾角等设计；对于内支撑结构，应进行强度验算、稳定性及细长比验算等。深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用19第三章桩锚支护工程的降水设计与监测技术3.1深基坑工程降水设计降水基本理论设计基坑降水系统需要选用渗流公式确定井的数目、间距、深度、直径以及井的出水量等。选用渗流公式时，要根据基坑的深度，考虑场地的水文地质条件，即地下水的类型、补给源及井的结构等。根据地下水有无压力，水井分为无压井和承压井。当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时，称为无压井；当水井布置在承压含水层中时,称为承压井。当水井底部达到不透水层时称为完整井，否则称为非完整井。各类井的涌水量计算方法都不同。1857年，法国水力学家Dupuit首先研究出地下水涌水的理论。这些理论虽与实际情况有出入，但直到现在还广泛地被应用着。他研究了完整承压井和完整潜水井的涌水情况，并作了如下假定：①含水层为均质和各向同性；②水流为层流；③流动条件为稳定流或非稳定流；④水井出水量不随时间变化；深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用20基坑涌水量的计算基坑井点系统是由许多井点同时抽水，各个单井水位降落漏斗彼此发生干扰，因而使各个单井的涌水量比计算的要小，但总的水位降低值确是大于单个井点抽水时的水位降低值，这种情况对于以疏干为主要目的的基坑施工是有利的。潜水完整井环行井点系统可按下式计算涌水量：式中，R’—群井的影响半径（R’=R+r0）；S—水位降低值（m）；r0—环状井点系统的假想半径，可按下式计算：式中，F—井点系统包围的基坑面积（m2）'0(2)1.366lglgHSSQKRr0Fr深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用213.2桩锚支护工程的监测技术工程监测的目的及重要性主要表现在：(1)将监测获取的数据与理论计算值比较以判断原施工参数取值是否合理，以便调整下一步施工参数，做好信息化施工。(2)将监测结果信息反馈优化设计，使