基坑支护结构设计原则

§4.1概述§4.2基坑支护结构设计原则§4.3排桩、地下连续墙设计计算§4.4土钉墙设计计算§4.5水泥土墙设计计算§4.6地下水控制第四章基坑支护结构计算与设计§4.2基坑支护结构设计原则4.2.1基坑工程的分级4.2.2基坑支护设计要求4.2.3基坑支护结构选型4.2.4基坑支护结构设计荷载4.2.5基坑支护设计文件内容4.2.1基坑工程的分级安全等级破坏后果一级支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.90建设部规范《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）基坑侧壁安全等级及重要性系数注：有特殊要求的基坑侧壁安全等级根据具体情况确定。《高层建筑岩土工程勘察规范》（JGJ72-2004）安全等级基坑环境、破坏后果、基坑深度、工程地质和地下水条件一级周边环境条件复杂；破坏后果严重；基坑深度h12m；工程地质条件复杂；地下水位很高、条件复杂、对施工影响严重。二级周边环境条件较复杂；破坏后果较严重；基坑深度6mh≤12m；工程地质条件较复杂；地下水位较高、条件较复杂、对施工影响较严重。三级周边环境条件简单；破坏后果不严重；基坑深度h≤6m；工程地质条件简单；地下水位低、条件简单、对施工影响轻微。注：从一级开始，有二项或二项以上，最先符合该基坑等级标准者，即可定位该等级基坑等级确定说明：1、基坑环境条件：指临近既有建（构）筑物、管线、道路的重要性、邻近程度、荷载大小、基础类型和埋深、变形控制要求等；2、破坏后果：包括对本工程或周边环境的破坏后果；3、工程地质条件复杂程度：按照侧壁软土、砂土层的性质和厚度衡量；4、地下水位低：指地下水位低于基坑深度；各地方和行业规范有各自的规定，可参照使用。例：《北京地区建筑基坑支护技术规定》（DB11-489-2007）基坑侧壁安全等级同一基坑周边条件不同可分别划分为不同的安全等级。相邻建筑基础与基坑相对关系示意图4.2.2基坑支护设计要求一、基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。二、基坑支护结构设计应满足以下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。4.2.2基坑支护设计要求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。(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。4.2.2基坑支护设计要求三、支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。四、当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下水控制方法。当场地周边有地表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。4.2.2基坑支护设计要求五、根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定进行计算和验算：1．基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容应包括：1）根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算；2）基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算；3）当有锚杆或支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。4.2.2基坑支护设计要求2．对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。3．地下水控制计算和验算：1）抗渗透稳定性验算：2）基坑底突涌稳定性验算；3）根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。4.2.2基坑支护设计要求六、基坑支护设计还应包括质量检测及施工监控的要求等内容，并制定应急预案。七、支护设计应选择符合支护结构实际条件的计算工况，特别要对施工期可能出现的不利工况进行验算，并在确认参数的合理性、计算结果的可靠性后，方可将计算结果用于设计。八、基坑支护设计、施工应取得以下基本资料：1、建筑场地及其周边，地表至基坑底面下一定深度范围内地层结构、土（岩）的物理力学性质，地下水分布、含水层性质、渗透系数和施工期地下水位可能的变化等资料；２标有建筑红线、施工红线的总平面图及基础结构设计图；３建筑场地内及周边的地下管线、地下设施的位置、深度、结构形式、埋设时间及使用现状；4.2.2基坑支护设计要求4.2.2基坑支护设计要求４邻近已有建筑的位置、层数、高度、结构类型、完好程度、已建时间、基础类型、埋置深度、主要尺寸、基础距基坑侧壁的净距等；５基坑周围的地面排水情况，地面雨水、污水、上下水管线排入或漏入基坑的可能性及其管理控制体系资料；６施工期间基坑周边的地面堆载及车辆、设备的动、静载情况等。4.2.3基坑支护结构选型基坑支护结构选型的依据：1周边环境条件；2开挖深度；3工程地质及水文地质条件；4施工作业设备；5施工季节及施工工期；6工程造价。基坑支护结构选型表：结构型式适用条件排桩或地下连续墙1）适用于1、2、3级基坑；2）悬臂式结构在软土中不宜大于5m；3级基坑为主；3）地下水位高于坑底时，应采用降水、截水、或地下连续墙；水泥土墙1）基坑等级为2、3级；2）水泥土桩施工范围内软土地基承载力不宜大于150kPa；3）基坑深度不宜大于6m。土钉墙1）基坑等级为2、3级的非软土场地（否则用复合土钉支护）；2）基坑深度不宜大于12m（实践中已突破此范围），否则应采用复合土钉支护（结合放坡、微型桩、搅拌桩、预应力锚杆等）。3）地下水位高于坑底时，应采用降水、截水措施。逆作拱墙1）基坑等级为2、3级；2）淤泥和淤泥质土场地不宜；3）拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8；4）基坑深度不宜大于12m；（实践中已突破此范围）。5）地下水位高于坑底时，应采用降水、截水措施。放坡1）基坑等级宜为3级；2）施工场地应满足放坡条件；3）可独立或与其他支护方法联合使用；4）地下水位高于坑底时，应采用降水措施。以上型式可组合使用。无支护开挖上部放坡，下部土钉支护土钉支护上部放坡，下部桩支护上部土钉，下部桩支护单、双排悬臂桩、水泥土墙锚杆加桩、墙内支撑加地下连续墙（或密排桩）逆作法施工上部放坡，下部桩锚上部土钉，下部桩锚土钉加预应力锚杆支护设计方案优选流程变形控制不严格变形控制严格4.2.4基坑支护结构设计荷载设计荷载土压力水压力一般地面超载影响区内建筑（构筑）物荷载施工荷载、邻近施工影响其他4.2.4.1支护结构的侧向土压力计算一、支护结构上的侧向土压力计算关于基坑桩墙侧向土压力计算模式很多，主要采用的有以下两大类：（1）以Rankine、Coulomb等理论公式计算的土压力；使用时应注意地基土的c、φ的取值。计算时还应考虑地面荷载、地面不规则几何形状等对桩墙侧土压力的影响。土压力与水压力可分开计算，也可合并计算；合并计算时地下水以下土的重度取饱和含水重度，降水后土层按稍湿状态考虑。对于粘性土，可忽略粘聚力，适当增加内摩擦角来计算。（2）由土压力计等测定换算的实测值为基础的土压力分布模型(图示法)或侧压系数法，图示法中采用较多的是Terzaghi-Peck所建议的土压力分布模型法。0.65akHHka(0.2~0.4)akH砂土层软-中硬土层硬黏土层土压力计算图（Terzaghi-Peck所建议的模型法）二、水土压力的分算与合算p’p’+pwMpw1、水土分算：对于透水性较强的土，如碎石土、砂土，采用水土分算。侧压力计算时，土体重度用浮重度，再加上静水压力。坑底地面地下水位面hzpsatM坑底地面地下水位面hz二、水土压力的分算与合算2、水土合算：对于透水性较弱的土，如粉土、粘性土，采用水土合算。侧压力计算时，土体重度用饱和重度，不再单独计算水压力。三、规范法（一）有关基本规定1、JGJ120-99首选各地经验土压力，没有经验时，才按照该规范计算土压力。2、水平荷载标准值相当于主动水土压力，水平抗力标准值相当于被动水土压力。3、JGJ120-99坡顶局部超载应力扩散角为45度。应力扩散角的取值不同规范或教材可能不一样，如边坡规范：取45+φ/24、超载垂直应力的简化考虑：1）坡顶均布荷载：直接按照均布荷载大小考虑。2）坡顶局部荷载：应力扩散角为45度。作用范围见图右图中，坡顶局部超载大小为q0，作用宽度为BC宽，即b按照45度扩散原则，FA=FB=aFA段和E点以下的土体不考虑坡顶局部超载的作用该荷载作用范围为AE段。计算垂直荷载时，大小因为应力扩散，其值变小：q=(q0×b)/(b+2a)ABCD450450450E坑底q0qbFa3）当基坑边壁的局部荷载有一定埋深时，如浅基础，上式中q0取基底附加压力，作用范围相应下移一个基础埋深d。q0abq450450aAF坑底d4）基坑上部放坡时，超载的考虑：（1）从上部边坡坡脚处开始，按照45度扩散至支护结构上，上部边坡视为超载，大小为q0（2）BC间不受超载影响B点标高处计算超载引起的垂直应力时取零。（3）A点以下计算超载引起的垂直应力时取q=q0（4）AB之间线性分布。AB之间标高垂直应力为：q=(x/b)×q0式中：x为计算点低于B点的长度，0≤x≤b。q0q0ABCDEF450450bxb上部放坡坑底（二）砂土和碎石土水平荷载标准值的计算(1)计算点位于地下水位以上时(2)计算点位于地下水位以下时式中：Kai——第i层土主动土压力系数；——作用于深度zj处竖向应力标准值kN；——计算点深度m；——计算参数，当，取；当，取；——基坑外侧水位深度m；——计算系数，当时，取1；当时，取0；——水的重度kN/m3。2ajkajkaiikaiecajkajkaiikaie=-2cjwajwawaaiwzhmhajkjzjmjzhjzjzhhwahwawahhwahhw（三）粉土和粘性土水平荷载标准值的计算当按以上规定计算的基坑开挖面以上水平荷载标淮值小于零时，应取零。（四）基坑外侧土体竖向应力标准值σajk计算σajk=σrk+σ0k+σ1k（1）计算点深度zj处自重应力σrk(a)计算点位于基坑开挖面以上时σrk=γmjzj式中γmj——深度zj以上土的加权平均重度；(b)位于开挖面以下σrk=γhmh式中：γhm——开挖面以上土的加权平均重度2ajkajkaiikaiec（2）当支护结构外侧地面满布附加荷载q0时(见图)，基坑外侧任意深度附加竖向应力标准值σ0k可按下式确定：σ0k=q0式中q0——地面均布荷载(kN/m2)。（3）当距支护结构b1外侧，地表作用有宽度b0的条形附加荷载q1时，见图。基坑外侧深度CD范围内的附加竖向应力标准值σ1k按下列式确定：σ1k=q1b0/b0+2b1（4）上述基坑外侧附加荷载作用于地表以下一定深度时，将计算点深度相应下移，其竖向应力也可按上述规定确定。（五）基坑内侧水平抗力标准值从坑底算起）；：基坑内侧水位深度（深度；：从坑底算起的计算点处的竖向应力标准值；度：从坑底算起的计算深系数；层土的朗肯被动土压力：坑底以下第砂土和碎石土：二粉土和粘性土：一wpjjajkpiwpiwpjpiikpipjkpjkpiikpipjkpjkhzzik)k1)(hz(k2Cke)(k2Cke)()245()245(22ikpiikaitgKtgK