深基坑计算

第2章设计资料2.1工程概况哈尔滨南站站位于学府路上，车站平行于学府路呈南北向布置，预留继续向南延伸的条件。车站周边以外来人口集中地为主，车站西侧是规划人口导入区，西北侧是国铁哈尔滨南站，东侧是新中新电子集团公司和哈尔滨绿色实业有限公司。车站为地下二层岛式车站。学府路为哈尔滨市“省门第一路”，道路交通繁忙，现状道路主干道幅宽23.6m，双向6车道，两侧辅道各2车道，辅道及隔离带宽14.5m，具有较好的交通疏解条件。学府路沿街地下管线较多，但大部分都分布于隔离带及辅道两侧，对车站施工影响的管线是φ1000的给水管和φ800、φ600的排水管。总平面布置图如下图所示。图2-12.2地质参数根据地质勘察报告，本工点地层自上而下依次为：杂填土（①）黄褐色粉质粘土（②）黄褐色粉质粘土（②-1）黄～黄褐色粉质粘土（③）黄~黄褐色粉质粘土（③-1）黄~黄褐色粉质粘土（③-2）黄～黄褐色粉质粘土（④）黄褐、灰褐色粉质粘土（④-1）黄~黄褐色粉质粘土（④-4）黄色粉砂（⑤）中砂黄色（⑥）局部为粗砂。表2-1给出了主要土层分布及参数。表2-1哈南站土层分布与地质参数统计表地层名称参数②粉质粘土②-1粉质粘土③粉质粘土③-1粉质粘土③-2粉质粘土④粉质粘土④-1粉质粘土④-4粉质粘土⑤黄色粉砂⑥中砂层厚(m)0.6-5.93.37.8-17.91.3-4.00.8-10.728.12.91.7-7.40.9-5.70.8-8.3含水量(%)25.233.719.328.223.924.227.720.921.216.3重度(kN/m3)18.817.219.018.418.919.319.319.618.818.9孔隙比e0.7900.8490.7160.8480.7840.7350.7590.6740.7200.638塑限p17.217.917.517.117.117.416.918.9液性指数IL0.561.110.150.850.470.480.800.17粘聚力c(kPa)23.574.025.748.038.838.049.7内摩擦角(度)17.223.718.218.818.417.722.7压缩模量Es1-2(MPa)4.745.623.554.345.795.017.049.87.63回弹模量Ee(MPa)53.1363.9756.3858.26压缩指数Cc0.2860.2200.2490.2450.197回弹指数Cs0.00500.00900.00830.00500.0086前期固结压力pc(kPa)182232.2303.3130.2327.6静探锥头1.33.21.62.1阻力qc(MPa)标贯击数N7.07.012.19.89.214.08.517.656.9水平基床系数kH(MPa/m)35.010.057.115.040.040.015.065.030.030.0静止侧压力系数K00.430.530.370.530.480.470.680.440.410.38泊松比0.300.350.270.350.320.320.400.310.290.28水平渗透系数(10-6cm/s)6.04.53.34.5130524.54423006000垂直渗透系数(10-6cm/s)5.04.0194.045154.05.5230060002.3围护结构设计要求哈尔滨南站站站为哈尔滨市轨道交通一号线一期工程的起始站，结构设计为双柱三跨双层矩形结构和单柱双跨双层结构。SK0+41.400～SK0+193.250采用明挖法施工，SK0+193.250～SK0+294.400采用盖挖法施工。车站基坑开挖深度为18.1m～14.2m，标准段宽19.4m，周边建筑物多，因此，本站主体基坑围护结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1，基坑环境保护等级为一级，地面最大沉降量≤0.1％H，围护结构最大水平位移≤0.14％H（H为基坑开挖深度）；即地面最大沉降量14.2mm；围护结构最大水平位移20mm。第3章支护方案设计3.1常见的支护结构形式工程中常见的支护结构形式包括土钉墙，地下连续墙，型钢水泥土搅拌墙，水泥土重力式围护墙，灌注桩排桩围护墙，钢板桩围护墙，钢筋混凝土板桩围护墙等。下面对这几种常见的支护结构的特点作简要介绍。⑴土钉墙土钉墙是用于土体开挖时保持基坑侧壁或边坡稳定的一种挡土结构，主要由密布于原位土体中的细长杆件－土钉、粘附于土体表面的钢筋混凝土面层及土钉之间的被加固土体组成，是具有自稳能力的原位挡土墙。⑵地下连续墙地下连续墙可分为现浇地下连续墙和预制地下连续墙两大类。目前在工程中应用的现浇地下连续墙的槽段形式主要有壁板式，T型和П型等，并通过将多种槽段形式组合，形成格形，圆筒形等结构形式。⑶型钢水泥土搅拌墙型钢水泥土搅拌墙是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构。⑷水泥土重力式围护墙水泥土重力式围护墙是以水泥系材料为固化剂，通过搅拌机械采用喷浆施工将固化剂和地基土强行搅拌，形成具有一定厚度的连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。⑸灌注桩排桩围护墙灌注桩排桩围护墙是采用连续的柱列式排列的灌注桩形成的围护结构。工程中常用的灌注桩排桩形式有分离式，双排式和咬合式。⑹钢板桩围护墙钢板桩是一种带锁口或钳口的热轧或冷弯型钢，钢板桩打入后靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的钢板桩围护墙，用来挡土和挡水。⑺钢筋混凝土板桩围护墙钢筋混凝土板桩围护墙是用钢筋混凝土板桩构件连续沉桩后形成的基坑围护结构。3.2常见的内支撑系统形式工程中常见的支撑系统形式包括内支撑系统和锚杆系统。下面对两种不同的系统作简要介绍。⑴内支撑系统内支撑结构选型包括支撑材料选择、支撑体系选择以及支撑结构布置等内容。内支撑结构选型从结构体系上可分为平面支撑体系和竖向斜撑体系；从材料上可分为钢支撑、钢筋混凝土支撑、钢和混凝土组合支撑的形式。由于基坑规模、环境条件、主体结构以及施工方法等的不同，难以对支撑结构选型确定出一套标准的方法，设计时应在确保基坑安全可靠的前提下，以做到经济合理、施工方便为原则，根据实际工程的具体情况综合考虑确定。⑵锚杆系统锚杆作为一种支护形式用作基坑围护工程已近五十年，它一端与围护墙连接，另一端锚固在稳定地层中，使作用在围护结构上的水土压力，通过自由段传递到锚固段，再由锚固段将锚杆拉力传递到稳定土层中去。锚杆结构一般由锚头、自由段以及锚固段三部分组成，其中锚固段用水泥浆或水泥砂浆将杆体（普通钢筋或者预应力筋）与土体粘结在一起形成锚杆的锚固体。锚杆的具体选型需要根据工程水文土层地质条件、周边环境情况以及基坑工程的面积及开挖深度等特点确定。3.3总体方案设计结合本工程实例，从上一章的工程资料中可以看出，该地层为稳定性良好的黏性土和砂土地层，因此可采用放坡开挖的开挖方式，但基坑开挖深度较大，面积较大，故最终采用先放坡开挖再支护开挖的开挖方式。哈尔滨南站周边建筑物多，主体基坑维护结构和基坑环境保护等级均要求为一级，此外，本站要求地面最大沉降量为14.2mm，围护结构最大水平位移为20mm，说明对环境保护的要求以及支护结构的强度和刚度要求都很高。考虑到该地地层较硬且无地下水，因此选用钻孔灌注桩作为本站支护结构。钻孔灌注桩具有刚度大，强度高，变形小；施工时无震动，无噪声，无挤土等环境公害，对周围环境影响小；当工程桩为灌注桩时可以同步施工，缩短工期等特点，非常适用于本站对支护结构的要求。由于本站基坑标准段宽度不大且形状规则，故采用钢支撑体系作为内支撑系统。钢支撑具有自重轻，安装和拆卸方便以及能重复使用的特点，除此之外，钢支撑在安装后能立即发挥其作用，对减小基坑位移十分有效，但钢支撑仅适用于宽度不大的基坑中。该基坑为狭长型，施工空间小，难度大，钢支撑能充分发挥其特点，满足本站要求。3.4相关计算理论3.4.1内力计算理论多支点排桩采用等值梁法的计算理论计算钢支撑水平力和桩身弯矩。等值梁法的基本原理为：假设桩插入坚硬土层且嵌固深度较大，可将桩端视为固定端，而将钢支撑支点视为铰支点。如图所示，错误!未找到引用源。梁的错误!未找到引用源。点为固端，正负弯矩的转折点为错误!未找到引用源。，若将梁错误!未找到引用源。在错误!未找到引用源。点切开，并在错误!未找到引用源。点设置铰支座，形成错误!未找到引用源。梁，则错误!未找到引用源。梁的弯矩将保持不变。因此，错误!未找到引用源。梁即为错误!未找到引用源。梁上错误!未找到引用源。段的等值梁。图3-1（a）图3-1（b）用等值梁法计算时，首先应求出桩在坑下的矩弯点位置，分析表明，坑下的土压力零点位置和桩的零弯矩点位置极为相似，因此，计算中常用土压力零点代替桩的零弯矩点。即由下式确定错误!未找到引用源。点位置错误!未找到引用源。(3-1)水平荷载计算简图如图所示图3-2主动土压力错误!未找到引用源。按朗肯土压力理论计算错误!未找到引用源。(3-2)式中：错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。层土的主动土压力系数，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。作用在深度错误!未找到引用源。处的竖向力标准值。被动土压力错误!未找到引用源。按朗肯土压力理论计算错误!未找到引用源。(3-3)式中：错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。层土的主动土压力系数，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。作用在深度错误!未找到引用源。处的竖向力标准值。计算第一层支撑时，直接取开挖深度为第二层支撑设置时的开挖深度，据此计算第一层支撑水平力错误!未找到引用源。及相应的弯矩图。以此类推，计算第错误!未找到引用源。道支撑时，假定第一层至第错误!未找到引用源。层支撑水平力错误!未找到引用源。为已知力，如图所示，第错误!未找到引用源。层支撑力可按第错误!未找到引用源。层设置后开挖深度下的反弯点以上各力对该点力矩之和为零确定，在此仍然以土压力零点为零矩弯点，则第错误!未找到引用源。层支撑力错误!未找到引用源。为错误!未找到引用源。(3-4)式中：错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。层钢支撑水平力，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。层土主动土压力合力，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。层土主动土压力合力形心至桩端的距离，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。层土被动土压力合力，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。层土被动土压力合力形心至桩端的距离，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。道钢支撑至开碗面的距离，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。第错误!未找到引用源。道钢支撑设置后土压力零点至开碗面的距离，错误!未找到引用源。。计算桩身最大弯矩时，按照等值梁法的计算理论，将桩视为梁，各支撑点视为铰支点，画出计算简图，则该连续梁上各支点力为已知。然后按照结构力学的方法分别求出剪力为零点的极值弯矩以及各边界截面的弯矩，选其最大者作为桩身的最大弯矩。根据《建筑基坑支护技术规程》，桩身所受的最大弯矩设计值错误!未找到引用源。为错误!未找到引用源。(3-5)式中：错误!未找到引用源。桩的水平间距，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。最大弯矩设计值，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。最大计算弯矩，错误!未找到引用源。。3.4.2桩身截面配筋验算排桩支护中的桩身截面多采用圆形和矩形。矩形截面和沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面桩可根据《混凝土规范》的相关规定检算其受弯承载力，同时应满足规范的相关构造要求。根据支护桩的受力特点，对沿截面受拉区或受压区配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面桩，其截面受弯承载力错误!未找到引用源。可按下式计算错误!未找到引用源。(3-6)错误!未找到引用源。(3-7)当错误!未找到引用源。时，取错误!未找到引用源。，否则令错误!未找到引用源。(3-8)式中：错误!未找到引用源。桩身截面面积，错误!未找到引用源。；错误!未找到引用源。全部纵向受拉钢筋的截面