基坑支护设计说明及计算

基坑支护设计方案

工程名称： 华阳市阳光佳苑

设计单位： XXX建筑规划设计研究院有限公司 施工单位： XXX有限公司

编制日期： 二O一三年七月十五

目 录

第一章 基坑支护设计的计算方法-----------------------------------------------4

第一节 概述---------------------------------------------------------------------4 第二节 静力平衡法------------------------------------------------------------4 第三节 等值梁法---------------------------------------------------------------6 第二章 设计任务及要求-----------------------------------------------------------9

第一节 设计原始资料--------------------------------------------------------9 一、工程概况------------------------------------------------------------------9 二、设计条件------------------------------------------------------------------9 第二节 结构设计任务及要求-----------------------------------------------10 一、任务------------------------------------------------------------------------12 二、要求------------------------------------------------------------------------12

第三章 结构方案设计说明--------------------------------------------------------14

第一节 设计依据及规范-----------------------------------------------------14 一、 本项目相关资料--------------------------------------------------------14 二、 设计采用的规范--------------------------------------------------------14 三、 基坑设计环境控制标准-----------------------------------------------14 第二节 支护结构方案--------------------------------------------------------15 一、 方案设计指导思想-----------------------------------------------------15 二、 方案简介-----------------------------------------------------------------15 第四章 基坑支护结构设计计算书-----------------------------------------------17

第一节 土压力计算-----------------------------------------------------------17 一、 土压力系数计算--------------------------------------------------------17 二、 土压力计算--------------------------------------------------------------18 第二节 嵌固长度及水平锚固力计算--------------------------------------24 一、 土压力系数计算---------------------------------------------------------26

二、 锚杆长度计---------------------------------------------------------------26 三、 锚杆杆体材料计算------------------------------------------------------26 四、 桩长计算------------------------------------------------------------------26 第三节 配筋计算--------------------------------------------------------------28 一、 排桩配筋计算------------------------------------------------------------28 第四节 验算------------------------------------------------------------------- 30 一、抗倾覆稳定验算---------------------------------------------------------30 二、抗隆起验算---------------------------------------------------------------30 三、抗管涌验算---------------------------------------------------------------31

第一章 基坑支护设计的计算方法

1．1概述

计算板桩墙的常用方法，主要有自由端支撑法(静力平衡法)、弹性线法、等值梁法，后来又提出1/2分割法，矩形荷载经验法，太沙基法，均适用于基坑围护结构计算。由于本工程拟采用排桩式围护，故主要介绍下面介绍板桩墙设计方法：静力平衡法和等值梁法。

1．2静力平衡法

它假定支护结构是刚性的，随着板(桩)入土深度的不同，作用在不同深度上各点的净土压力的分布不同。当单位宽度板(桩)墙处于稳定，相应的板(桩)入土深度即为板桩保证其稳定性所需要的最小入土深度，可根据静力平衡条件即水平力平衡方程(∑H=0)和对桩底截面的力矩平衡方程(∑M=0)联解求得。图2-1为单撑(锚)支护结构的内力计算简图。整个支护结构是稳定的，故作用在挡土结构上的Ra、Ea、Ep三力必须平衡。图中Ra为支撑(锚)力；Ea为主动土压力；Ep为被动土压力；q。为地面均布荷载。

图 2-1 底部自由支承单撑(锚)支护结构计算

根据力的平衡条件可以得到:

RaEpEaEq (2-10) 根据对支撑(锚)位置的力矩平衡条件可以得到:

EpHpEaHaEqHq (2-11

)

由以上两个方程可以得到关于入土深度t的三次方程，当主、被动土压力都确定后，入土深度只随撑(锚)位置ho而改变，调整ho可

以调整入土深度，关系是：ho增大，t减小；反之增大。从而可以达到调整桩长的目的。同时桩中的最大弯矩也是ho的函数，当ho从小到大增大时，桩中的最大弯矩是先小后增大，它有一个最小值，取此值进行桩径设计可以使桩径最小。

1．3等值梁法

桩入坑底土内有弹性嵌固(铰结)与固定两种，当作一端弹性嵌固另一端简支的梁来研究。挡墙两侧作用着分布荷载，即主动土压力与被动土压力，如图2-1所示。在计算过程中所要求得出的仍是桩的入土深度、支撑反力及跨中最大弯矩。

单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩如图2-2所示，若在得出此弯矩图前己知弯矩零点位置，并于弯矩零点处将梁(即桩)断开以简支计算，则不难看出所得该段的弯矩图将同整体梁计算时一样，此段梁段即称为整梁该段的等值梁。对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净土压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。这种简化计算就称为等值梁法，其计算步骤如下：

1）根据基坑深度、勘察资料等，计算主动土压力与被动压力，求出土压力零点B的位置，按式(2-12)计算B点至坑底的距离u值；

图2-2等值梁法计算简图

2）由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力Qв

RaEa(hua)(huh0)

(2-12)

QBEa(ah0)huh0(2-13)

3)由等值梁BG求算板桩的入土深度，取艺Mc=0，则

QBx1r(KpKa)x36

(2-14)

由上式求得

x6QB (KpKa)由上式求得x后，桩的最小入土深度可由下式求得

t0ux

如土质差时，应乘系数1.1~1.2，即

t(1.1~1.2)t04)由等值梁求算最大弯矩Mmax值。

(2-15)

(2-16)

(2-17)

第二章 设计任务及要求

2．1设计原始资料

一、 工程概况 （一）一般概况

1．项目名称： 华阳市阳光佳苑 2．项目地点： 东关路农信花园东侧 3．业主： 4．主体设计： 5．岩土勘察： （二）结构概况

1．本项目位于东关路农信花园东侧，基地面积95555.24平方米，由陆家嘴环路和东园路围合而成。本项目为住宅楼，由主楼（地面28层）及二层地下室组成，总建筑面积为105152.43㎡。

2．基坑面积及开挖深度

本工程建筑±0.00相当于绝对标高+4.25，室外自然地面平均标高取+4.00；基坑开挖面积约2459m2，基坑围护周长约210m，根据结构图纸，底板面标高为-7.55，底板厚为700mm，局部厚为1100mm，垫层厚为100mm。因此基坑开挖深度为8.10米，局部电梯井、集水坑等落深尚未确定。

二、设计条件 （一）周边条件

本工程位于东关路农信花园东侧1地块，周边环境情况较为复杂：

东侧：基坑开挖面与红线间距离为5.495～5.528米，红线外为汇亚大厦。该建筑物地上33层、地下4层，采用桩基础，与基坑开挖面最小距离为19.125米。

南侧：基坑开挖面与红线间距离为10.997～16.636米，红线外为上海银行大厦。该建筑物主楼46层，裙房5层，地下3层，采用桩基础，与基坑开挖面最小距离为17.479米。

西侧：基坑开挖面与红线间距离为4.259～4.357米，红线外为东园路。

北侧：基坑开挖面与红线间距离为8.696～12.053米，红线外为陆家嘴环路。

（二）工程水文地质条件

根据《陆家嘴中心区B2-1地块项目岩土工程勘察报告》，本工程基坑开挖影响范围内岩土工程地质有以下特点：

1、 拟建场地现为停车场，场地地形基本平坦，实测各勘探点的孔口地面标高在3.84～4.36米之间，一般地面标高在4.00左右。

2、 场地内①层填土较厚，在1.80～3.10m之间，上部1.0米为碎石、砖块、建筑垃圾等，下部为灰黄～灰色粘性土、粉性土，土质不均。

3、 基坑开挖深度范围内分布有第②3层粉土，富水性好，透水性强，在水头差的作用下易产生流砂等不良地质现象。

4、 拟建场地浅部地下水属潜水类型，其水位动态变化主要受控于大气降水和地面蒸发，勘察期间实测取土孔内地下水位静止水位埋深在0.90～1.20m，设计计算时地下水位取0.5m。

5、 场区内第⑦层为承压含水层，承压水头在3～11m，其中⑦1层顶最浅埋深约为32米。经计算，按承压水头为自然地面以下3米考虑，当基坑开挖深度小于15.0米时，可不考虑承压水对基坑突涌的影响。由于本工程底板处开挖深度为8.1米，预计局部电梯井、集水坑处开挖深度不会大于15米，因此可不考虑承压水对基坑的影响。

6、 场地内土层分布情况及基坑围护设计参数如下表（一）所示。

表3-1 土层分布情况及设计参数表

土层名 层厚 (M) γ (kN/m3) ①填土 1.80～3.10 ②3粘质粉土夹粉质粘土 ④淤泥质粘土 4.20～5.10 ⑤1-1粘土 5.60～6.50 ⑤1-2粉质粘土夹粘质粉土 8.50～15.00 18.1 19 14 34.0 5.16 8.0E-06 17.5 13 16 41.1 3.40 4.0E-06 16.7 9.5 13 51.4 2.05 4.0E-06 7.70～9.50 18.3 28 7 32.0 8.29 2.0E-04 17 25 0 φ (度) C (kPa) 含水量(%) 压缩模量(MPa) 渗透系数建议值（cm/s） 注：C、φ均为勘察报告所提供的基坑支护设计参数（直剪固结峰值）；

（三） 基坑侧壁安全等级及重要性系数

根据本工程的开挖深度、地质情况及周边环境情况，基坑安全等级为二级，基坑重要性系数γ0 = 1.0。

2．2 结构设计任务及要求

一、任务

该工程是对基坑围护做排桩结合锚杆的设计。运用了所学的土力学及基坑围护设计等专业知识结合毕业实习的现场实习经验，通过对勘察资料的分析，结合场地环境及工程实际并运用计算机应用软件，设计计算。主要内容：围护结构的设计、施工方案的选择、整体稳定验算、坑底隆起验算、主被动土压力计算等。 二、要求

目的：根据勘探报告资料和相关规范结合专业知识设计合理的设计方案以达到实际工程设计要求标准。 主要指标：(1)保证开挖面积达2459m2； (2)保证基坑深度达8.1m； (3)抗倾覆稳定性验算Ks≥1.200； (4)抗隆起验算Ks≥1.1； (5)抗管涌验算K≥1.5。

第三章 结构方案设计说明

3．1设计依据及规范

一、本项目相关资料

1、华阳市阳光佳苑地块项目建筑总平面图、扩初方案资料； 2、地下综合管线图；

3、《华阳市阳光佳苑地块项目岩土工程勘察报告》； 二、设计采用的规范

1、国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)； 2、国家标准《地基基础设计规范》（GB 50007-2002）； 3、国家标准《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2001）； 4、国家标准《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB 50202-2002）

5、中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规程》（ JGJ120-99）

三、基坑设计环境控制标准

本工程基坑施工对周边环境影响的控制指标如下： 1、 邻近建筑物沉降不大于20mm，附加倾斜不大于1.0‰； 2、 管线相邻两监测点（不大于20米）沉降差10mm，水平位移差10mm，并满足相关管线单位的要求；

3．2 支护结构方案

一、方案设计指导思想

基坑围护方案的选定必须综合考虑工程本身的特点及周围环境的要求，在满足地下室结构土建施工及确保周围环境安全可靠的前提下，尽量达到既经济合理，又方便施工及提高工效的标准。

本工程基坑开挖深度较深，达8.10米，基坑开挖面积约2459平方米；项目位于陆家嘴中心区，开挖面与红线距离仅约4.26～12.05米，与相邻建筑物距离约17.48～19.13米，西、北两侧紧邻道路，环境保护要求比较高，必须采取可靠围护措施。

根据本工程的开挖深度、地质情况及周边环境情况，基坑围护可按二级基坑工程进行设计。 二、方案简介

基坑工程具有较强的环境效应，基坑工程的开挖，必将引起周围地基中地下水位变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响。影响严重的将危及相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常使用。本工程周围的环境复杂，对环境的要求比较苛刻，既要保证整个维护结构的施工过程的安全，又要控制围护结构及其周围土体的变形，以保证周围建筑和地下管线的安全。在安全前提下设计合理，节约造价，方便施工，缩短工期。故采用排桩与锚杆组合的基坑护壁体系。

利用排桩与锚杆组合的基坑护壁体系是深基坑施工支护结构的一种方法，即采用钻孔压浆桩和锚杆配合体系进行护壁。开挖基坑周围钻孔，浇筑钢筋混凝土灌注桩，每隔一定距离向桩背面斜下方用锚杆钻机打孔，在孔内放钢筋锚杆，用水泥压力灌浆，达到强

度后，拉紧固定，在桩中间进行挖土直至设计深度。该方法既防止侧壁土体产生坍塌下滑，保护相邻建筑物安全，又有施工方便，节省施工场地，施工进度快，护壁效果好，安全可靠，便于机械开挖的特点，适用于邻近有高层建筑，不允许支护有较大变形。

第四章 基坑支护结构设计计算书

4．1 土压力计算

一、土压力系数计算

土压力系数如表5-1所示。

土压力系数表 表5-1

土 层 ①填土 ②3粘质粉土夹粉质粘土 ④淤泥质粘土 ⑤1-1粘土 ⑤1-2粉质粘土夹粘质粉土 Kai 0.4059 0.3540 0.7167 0.6327 0.5088 Kai Kpi 2.8252 1.3953 1.5805 1.9655 Kpi 0.6371 0.5950 0.8466 0.7954 0.7133 1.6808 1.1812 1.2572 1.4019

二、土压力计算 （一）土层分布 土压如表5-2所示。

土层分布 表5-2

层号 ① ②3 ④ ⑤1-1

岩土名称 填土 粘质粉土夹粉质粘土 淤泥质粘土 粘土 厚度（m） 2.50 8.00 4.50 6.00 （二）土层侧向土压力计算 （1）主动土压力计算

σaA=(20+17×0)×0.4059-2×0×0.6371=8.118(kPa) σaB上=(20+17×2.5)×0.4059-2×0×0.6371=25.369(kPa) σaB下=(20+17×2.5)×0.3540-2×7×0.5950=13.795(kPa) σaC=(20+17×2.5+18.3×5.6)×0.3540-2×7×0.5950

=50.073(kPa)

ΣaD上=Ea(2 3)=50.073(kPa)

ΣaD下=(20+17×2.5+18.3×5.6)×0.717-2×13×0.847

=96.269(kPa)

ΣaE上=Ea(3 1)=96.269(kPa)

ΣaE下=(20+17×2.5+18.3×5.6)×0.6327-2×16×0.7954

=78.93(kPa)

σaF=78.93(kPa) （2）被动土压力计算

σpC=0×2.8252+2×7×1.6808=23.531(kPa)

σpD上=(0+18.3×2.4)×2.8252+2×7×1.6808=147.614(kPa) σpD下=(0+18.3×2.4)×1.3953+2×13×1.1812=91.993(kPa) σpE上=(0+18.3×2.4+16.7×4.5)×1.3953+2×13×1.1812

=196.850(kPa)

ΣpE下=(0+18.3×2.4+16.7×4.5)×1.5805+2×16×1.2572

=228.420(kPa)

σpF=(0+18.3×2.4+16.7×4.5+17.5×6)×1.5805+2×16×

1.2572=394.373(kPa)

图5-1 土压力分布图

（3）净土压力计算（坑地面以下） σpC=23.5312-50.073=-26.542(kPa)

σpD上=147.614-50.073=97.541(kPa) σpD下=91.993-96.269=-4.276(kPa) σpE上=196.850-96.269=100.581(kPa) σpE下=228.421-78.93=149.491(kPa) σpF=394.373-78.93=315.443(kPa)

得开挖面以下图土压力零点

X/2.4-X=26.542/97.541 X=0.513(m)

土压力零点在基坑底面以下0.513m处（如图5-2所示）。

图5-2 净土压力分布图

（三）土压力合力及作用点的计算： EaAB=2.5×(8.118+25.369)/2=41.858(KN/m)

HaAB=2.5/3×(8.118×2+25.369)/(8.118+25.369)=1.035(m) EaBC=(13.795+50.073)×5.6/2=178.83(KN/m)

HaBC=5.6/3×(13.795×2+50.073)/( 13.795+50.073)=2.27(m)

EaCD=50.073×2.4=120.175(KN/m) HaCD=2.4/2=1.2(m)

EaDE=96.269×4.5=433.209(KN/m) HaDE=4.5/2=2.25(m)

EpCD=(23.531+147.614)×2.4/2=205.374(KN/m)

HpCD=2.4/3×(23.531×2+147.6)/(23.531+147.6)=0.91(m) EpDE=(91.993+196.850)×4.5/2=649.895(KN/m) HpDE=4.5/3×(91.993×2+196.850)/( 91.993+196.850) =1.978(m)

4．2 嵌固长度及水平锚固力计算

一．水平锚固力的计算：（以土压力零点位置计算） 以o点取矩：

(6.6+0.513)T=41.858×(1.035+5.6+0.513)+178.83×(2.27+0.513)+0.5×26.542×0.513×2/3×0.513 T=(299.2+497.68+2.328)/7.113

T=112.36(kN/m) 二．锚杆长度计算：

qsk取60kpa s取1.3 钻孔直径取120mm 锚杆位于地下4m处

倾角取=15 HPB235钢筋抗拉强度设计值fy=0.21 kpa/mm2 1．自由段长度计算：

k=2.5×25+8×28.5+4.5×9.5+6×13=19.58

lt=0.513+4.1=4.613m

1ltsin(45k)2 lf1sin(45k)2得lf=2.834m

可取自由段长度计算：2.834+1.5=4.3m

图5-3 锚杆自由段计算简图

2．锚固段长度计算：

根据 Nu=sdqsiklid1Td22，， Nql2cddsjkjk1ucosTd1.250TC，0取1.0,有

1.251.02112.360.1260li

cos151.3li=16.7m

取锚固长度为17m, 锚杆总长为17+4.3=21.3m

三．锚杆杆体材料计算：

AsTd112.3621108.09mm2

fycos0.21cos151108.0918.8mm 取20mm

杆体钢筋半径为r

四．桩长计算：

设桩端进入⑤1-1层顶面以下x米处 ∑Ma=41.858×(1.035+12.5+x)+178.83×

(2.27+2.4+4.5+x)+120.175×(1.2+4.5+x)+433.209×(2.25+x)+78.93×x2/2 =39.465x2+774.072x+3866.132

∑Mp=205.374×(0.91+4.5+x)+649.895×(1.978+x)+228.42×

x2/2+1/2[(394.373-228.42)×x/6]×x2/3 =4.6098x3+114.210x2+855.269x+2396.496 MT=112.36×(13.5+x)=1516.86+112.36x 由∑M=0 得：∑Mp+ MT-1.2γ0∑Ma≥0 整理得：

4.61x3+66.85x2+38.74x-726≥0 解之得： x≥2.786m

嵌固长度hd=2.4+4.5+2.786=9.686m 取10m 桩长H=8.1+10=18.1m

4．3 配筋计算

一、排桩配筋计算 （一）最大弯矩计算：

（1）被动土压力弯矩分段函数：

1.5≤x≤8.1 M=112.36×(x-1.5)=112.36x-168.54 8.1﹤x≤10.5 M=112.36×(x-1.5)+23.53(x-8.1)/2+1/2×

(147.6-23.53)(x-8.1)3 /(2.4×3)

=112.36x-168.54+11.765(x-8.1)2+8.62(x-8.1)3

10.5﹤x≤15 M=112.36(x-1.5)+205.4(0.9+x-10.5)+91.99(

x-10.5)2/2+1/2×(196.9-91.99)(x-10.5)3/(4.5×3)

=317.741x-2138.087+46.0(x-10.5)2+3.884(x-10.5)3 15﹤x≤18.1 M=112.36(x-1.5)+ 205.4(0.9+x-10.5)+649.895(1.5+

x-15)+ 228.421(x-15)2/2+1/2×(394.373- 228.421)(x-15)3/(6×3) =967.64x-10911.67+114.21(x-15)+4.61(x-15)

（2）主动土压力弯矩分段函数：

0≤x≤2.5 M=8.12x2/2+1/2×(25.37-8.12)x3/9

=4.06x2+1.15x3

2.5﹤x≤8.1 M=41.86(1.04+x-2.5)+13.795(x-2.5)2/2+1/2×

(50.073-13.795)(x-2.5)3 /(5.6×3)

=41.858x-61.322+6.898(x-2.5)2+1.089(x-2.5)3 8.1﹤x≤10.5 M=41.86(1.035+5.6+x-8.1)+178.8(2.27+x-

2

3

2

8.1)+50.07(x-8.1)2/2

=220.69x-1103.9+25.037(x-8.1)2

10.5﹤x≤15 M=41.86(1.035+8+x-10.5)+178.83(2.27+2.4+

x-10.5)+120.175(1.2+x-10.5)+1/2×

96.27(x-10.5)2

=340.813x-2221.53+48.1(x-10.5)2 15﹤x≤18.1 M=41.86(1.035+12.5+x-15)+178.83(2.27+

6.9+x-15)+120.175(1.2+4.5+x-15) +433.209（2.25+x-15）+1/2×78.93(x-15)2

=774.074x-7744.946+39.465(x-15)2 （3）弯矩图：

根据主动土压力与被动土压力的分段函数画出弯矩图 如图5-4所示

图5-4 弯矩图

4．3 验算

一、 抗倾覆稳定验算： 抗倾覆安全系数:

KsMpMa Mp———被动土压力及锚杆力对桩底的弯矩, 其中锚杆力由等

值梁法求得;

Ma———主动土压力对桩底的弯矩;

Mp=112.36×15.6+280.714×（1.083+4.5+1.6）+707.202×3.6+1/2×1.62×242.812+1/2×1.6×[(408.712-242.812) ×1.6/6] ×1.6/3

=6916.275(KN•m/m)

Ma=55.419×(1.22+12.5+1.6)+173.793×（2.13+2.9+4.5+1.6）+147.677×(6.1+4.5)+1/2×1.62×78.581+431.114×(2.25+1.6) =5658.669(KN•m/m)

Ks = 1.222 〉1.200, 满足规范要求!

二、 抗隆起验算：

Prandtl(普朗德尔)公式(Ks ＞= 1.1～1.2)，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB 9258-97(冶金部):

Nqtan45o22etan [tan(45 3.264 NN1qc13tan13)]e21

tan

=（3.264-1）×1/tan13°

 =9.806

117318.3816.74.517.51.617.117.576 18.32.916.74.517.51.6917.358

2Ks2DNq+cNc1(H+D)+q

17.35893.264149.80617.576(8.19)20 =

=2.019

Ks = 2.019 ＞1.1, 满足规范要求。 三、 抗管涌验算：

抗管涌稳定安全系数(K ＞= 1.5):

738.386.74.57.5617.14.47.56 (h'2D)'0h'w(8.10.529)7.561.07.6102.547

K式中γ0 ———侧壁重要性系数; γ′———土的有效重度(kN/m3); γw ———地下水重度(kN/m3);

h′———地下水位至基坑底的距离(m); D ———桩(墙)入土深度(m); K = 2.547 ＞= 1.5, 满足规范要求。