基础工程

1. 基础工程 三峡大学土木与建筑学院

2. 第五章 基坑工程 §5.1 概述 §5.2 支护结构的设计荷载 §5.3 水泥土桩墙支护结构设计计算 §5.4 土钉墙支护结构设计计算 §5.5 桩墙式支护结构的设计计算 §5.6 地下水控制

3. 5.1 概述 • 5.1.1 基坑工程概念及现状 • 5.1.2 基坑工程的特点 • 5.1.3 基坑工程的设计原则 • 5.1.4 基坑工程设计内容 • 5.1.5 支护结构的类型

4. 5.1.1 基坑工程概念及现状 基坑是为进行建（构）筑物地下部分的施工由地面向下开挖出的空间。 基坑工程是为保护基坑施工、地下结构的安全和周边环境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、开挖等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测、试验等。

5. 5.1.2 基坑工程的特点 1. 综合性很强的系统工程 2. 临时性、风险性大及灵活性高 3. 很强的区域性和个案性 4. 对周边环境会产生较大影响 5. 较强的时空效应

6. 5.1.3 基坑工程的设计原则 • 1.基坑支护应满足的功能要求 • 2.支护结构的安全等级 • 3.支护结构设计时应采用的状态 • 承载能力极限状态 • 正常使用极限状态

7. 5.1.4 基坑工程的设计内容 • 1.基坑工程设计依据 • 岩土工程勘察报告 • 建筑总平面图、工程用地红线图、地下工程的建筑、结构设计图 • 邻近建筑物的平面位置，基础类型及结构图、埋深及荷载，周围道路、地下设施、市政管道及通信工程管线图、基坑周围环境对基坑支护结构系统的设计要求 • 2.基坑支护结构的设计内容 • 支护结构体系的选型及地下水控制方式； • 支护结构的承载力、稳定和变形计算； • 基坑内外土体稳定性计算； • 基坑降水、止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计； • 基坑开挖与地下水位变化引起的基坑内外土体的变形及其对基础桩、临近建筑物和周边环境的影响； • 基坑施工监测设计及应急措施的制定； • 施工期可能出现的不利工况验算。

8. 5.1.5 支护结构的类型 • 1.放坡开挖及简易支护 • 2.土钉墙支护结构 • 3.喷（拉）锚式支护结构 • 4.水泥土桩墙支护结构 • 5.桩墙式支护结构

9. 1、放坡开挖及简易支护 （a）土袋或块石堆砌支护；（b）短桩支护

10. 2、土钉墙支护结构 3、喷（拉）锚式支护结构 地面拉锚式 土层拉锚式

11. 4、水泥土桩墙支护结构 搅拌桩

12. 5、桩墙式支护结构

14. 土钉 6、其他支护结构 土层锚杆 钻孔灌注桩 防渗帷幕 组合型支护 双排桩 逆作拱墙

15. 支护结构选型

16. 5.2 支护结构的设计荷载 • 1 土压力 • 2 水压力（静水压力、渗流压力、承压水压力） • 3 基坑周围的建筑物荷载、施工荷载、地震荷载以及其它附加荷载引起的侧向压力； • 4 温度应力； • 5 临水支护结构的波浪作用力和水流退落时的渗透力； • 6 作为永久结构时的相关荷载。 • 对一般支护结构而言，其荷载主要是土压力和水压力。

17. 5.2.1 土、水压力的分、合算方法及土的抗剪强度指标类别选择规定 • 1. 对地下水位以上的各类土，土压力计算、土的滑动稳定性验算时： • 对粘性土、粘质粉土，应采用ccu、φcu或ccq、φcq • 对砂质粉土、砂土、碎石土，应采用c´、φ´。 • 2. 对地下水位以下的粘性土、粘质粉土，可采用土压力、水压力合算方法，土压力计算、土的滑动稳定性验算可采用总应力法； • 对正常固结和超固结土，应采用ccu、φcu或ccq、φcq • 对欠固结土，宜采用cuu、φuu。 • 3. 对地下水位以下的砂质粉土、砂土和碎石土，应采用土压力、水压力分算方法，土压力计算、土的滑动稳定性验算应采用有效应力法，应采用c´、φ´， • 对砂质粉土，缺少有效应力强度指标时，也可采用ccu、φcu或ccq、φcq对砂土和碎石土，有效应力强度指标φ´可根据标准贯入试验实测击数和水下休止角等物理力学指标取值； • 土压力、水压力采用分算方法时，水压力可按静水压力计算；当地下水渗流时，宜按渗流理论计算水压力和土的竖向有效应力；当存在多个含水层时，应分别计算各含水层的水压力。 • 4.有可靠的地方经验时，土的抗剪强度指标尚可根据室内、原位试验得到的其他物理力学指标，按经验方法确定。

18. 5.2.2 土压力、水压力的计算原理 图 5.6 土压力模型图（Terzaghi-Peck） （a））砂土层；（b）软—中硬粘土层；（c）硬粘土层 当墙体位移比较大时，一般采用三角形土压力模式；否则采用矩形土压力模式。 在用“m”法进行设计计算时，一般应采用矩形土压力模式。

19. 在基坑支护结构中，当结构发生一定位移时，可按朗肯或库伦土压力理论计算主动土压力和被动土压力；在基坑支护结构中，当结构发生一定位移时，可按朗肯或库伦土压力理论计算主动土压力和被动土压力； 水土分算水土合算 • 当支护结构的位移有严格限制时，按静止土压力取值； • 当按变形控制原则设计支护结构时，土压力可按支护结构与土相互作用原理确定，也可按地区经验确定。

20. 5.3 水泥土桩墙支护结构设计计算 水泥土桩是通过深层搅拌机将水泥固化剂和原状土就地强制搅拌而成。 水泥土桩墙是由水泥土桩相互搭接形成的壁状、格栅状、拱状等形式的重力式结构，它利用墙体自重和嵌入基坑底面以下的嵌固深度对基坑进行支护。 设计时一般按重力式挡土墙考虑 • 5.3.1 设计内容 • 5.3.2 构造要求 • 5.3.3 稳定性和强度验算

21. 5.3.1 设计内容 • 1.根据适用条件选择水泥土桩的类型 • 水泥土桩的类型有搅拌桩和旋喷桩两类 • 2.初步选择水泥土桩的长度和墙体的厚度 • 一般墙厚可取开挖深度的0.6~0.8倍，水泥土桩在坑底以下的插入深度可取开挖深度的0.8~1.2倍 • 3.根据基坑形状、场地尺寸及地质条件布置水泥土桩墙 • 宜采用水泥土搅拌桩相互搭接形成的格栅状结构形式，也可采用水泥土搅拌桩相互搭接成实体的结构形式。搅拌桩的施工工艺宜采用喷浆搅拌法

22. 5.3.2 水泥土桩墙构造要求 • 1.重力式水泥土墙的嵌固深度 • 2.水泥土格栅的面积置换率 • 3.当需要增强墙身的抗拉性能时,可在水泥土桩内插入杆筋。 • 4.水泥土墙顶面宜设置混凝土连接面板 • 5.水泥土搅拌桩的搭接宽度

23. 5.3.3 稳定性和强度验算 • 1.抗倾覆稳定性验算 • 2.抗滑移稳定性验算 • 3.整体滑动稳定性验算 • 4.抗隆起稳定性验算 • 5.基坑渗流稳定性验算 • 6. 墙体强度验算

24. 1.抗倾覆稳定性验算 ≥1.3 2.抗滑移稳定性验算 ≥1.2

25. 3.整体滑动稳定性验算 ≥1.3

26. 4.抗隆起稳定性验算

27. 5.基坑渗流稳定性验算 1）抗流土（流砂）稳定性验算 2）抗突涌稳定性验算 ≥1.1

28. 6. 墙体强度验算 • 1.墙体正应力验算 • 计算截面应包括以下部位：①基坑面以下主动、被动土压力强度相等处；②基坑底面处；③水泥土墙的截面突变处。 • （1）当边缘应力为拉应力时： • （2）当边缘应力为压应力时： • 2.墙体剪应力验算

29. 5.4 土钉墙支护结构设计计算 土钉是在土中钻孔、置入变形钢筋并沿孔全长注浆的方法形成的细长杆件。 土钉墙是用于土体开挖和边坡稳定的一种挡土结构，它以土钉作为主要受力构件，由被加固的原位土体、放置于原位土体中密集的土钉群、附着于坡面上的混凝土面层和必要的防排水系统组成，形成一个类似于重力式挡土墙的支护结构。 • 5.4.1 土钉墙的组成及设计内容 • 5.4.2 土钉支护结构参数的确定 • 5.4.3 土钉的设计计算 • 5.4.4 土钉墙整体稳定性验算

30. 5.4.1 土钉墙的组成及设计内容 土钉墙一般由土钉、面层、防排水系统等三部分组成。

31. 土钉墙支护设计内容 • （1）确定基坑侧壁的平面和剖面尺寸以及分段施工高度； • （2）设计土钉的布置方式和间距以及直径、长度、倾角及在空间的方向； • （3）设计土钉内钢筋的类型、直径及构造； • （4）注浆配方设计、注浆方式、浆体强度指标； • （5）喷射混凝土面层设计； • （6）坡顶防护措施； • （7）土钉抗拔力验算及整体稳定性验算； • （8）现场监测与反馈设计。

32. 5.4.2土钉支护结构参数的确定 • 1.土钉长度 • 2.土钉间距 • 3.土钉筋材尺寸 • 4.土钉倾角 • 5.注浆材料 • 6.支护面层

33. 5.4.3 土钉的设计计算 • 1.土钉所受的侧压力 假定土钉受拉，不考虑其抗弯刚度 ； （a）土钉所受荷载；（b）土体自重引起的土压力；（c）地面均布荷载引起的土压力 对砂土和粉土： 对一般粘性土：

34. 2.土钉拉力计算 θ──土钉倾角，°； ──土钉长度中点所处深度位置上的侧压力，kPa； Sv──土钉垂直间距，m； Sh──土钉水平间距，m。 3.土钉筋材抗拉强度验算 ≤ Fs,d ──土钉的局部稳定性安全系数，取1.2～1.4，基坑深度较大时取较大值； N──土钉设计拉力，kN，由式（5-24）确定； d──土钉钢筋直径，m； fyk──钢筋抗拉强度标准值，kN/m2。

35. 4.土钉抗拔出验算 界面粘结强度标准值

36. 5.土钉的极限抗拉承载力标准值Rk 最小值

37. 5.4.4土钉墙整体稳定性验算 1.抗滑移稳定性验算 2.按倾覆稳定性验算

38. 3.整体滑动稳定性验算 H≤6m时，Fs≥1.2；H＝6m～12m，Fs≥1.3；H≥12m，Fs≥1.4

39. 4.抗隆起稳定性验算 安全等级为二级、三级的土钉墙，Khe分别不应小于1.6、1.4

40. 5.喷射混凝土面板验算 • 以连续板按混凝土结构设计规范的要求进行 • 板的跨中和支座截面的受弯 • 支座截面的受冲切验算。 • 支座分为两种情况： • 其一是沿土钉的布置设置梁（明或暗），此时连续板以梁为支座； • 其二未设置梁，此时连续板以土钉为点支座。无论以梁为支座还是以土钉为点支座，其支座力均为土钉的抗拉力。

41. 5.5 桩墙式支护结构的设计计算 • 5.5.1 概述 • 5.5.2 桩墙式支护结构的构造要求 • 5.5.3 嵌固深度和桩（墙）内力计算 • 5.5.4 内支撑系统设计计算 • 5.5.5 锚杆设计 • 5.5.6 稳定性验算

42. 5.5.1 概述 地下连续墙 排桩 悬臂式支护 内支撑 锚杆 支点 单层支点支护 支护方式 两者的组合 多层支点支护

43. 钢筋混凝土内支撑

44. 钢管内支撑

45. 支撑结构的常用形式

46. 桩、墙式支护结构的设计计算内容 • （1）支护桩（墙）嵌固深度的计算； • （2）桩（墙）内力与截面承载力计算； • （3）内支撑体系设计计算； • （4）锚杆设计计算； • （5）基坑内外土体的稳定性验算； • （6）基坑降水设计和渗流稳定验算； • （7）基坑周围地面变形的控制措施； • （8）施工监测设计。

47. 5.5.2 桩墙式支护结构的构造要求 • 1.支护桩 • 桩径 • 桩身混凝土强度等级 • 钢筋配置 • 混凝土保护层厚度 • 混凝土冠梁 • 桩间土防护措施 • 2.地下连续墙 • 墙体厚度 • 槽段长度 、槽段接头 • 混凝土设计强度等级 • 钢筋配置 • 混凝土保护层厚度 • 混凝土冠梁

48. 5.5.3 嵌固深度和桩（墙）内力计算 • 主要包括结构内力（弯矩和剪力）和支点力 • 只有当支护结构周边条件完全相同，支撑体系才可简化为平面问题计算。 • 根据受力条件分段按平面问题计算时，分段长度可根据具体结构及土质条件确定， • 一般情况下的水平荷载，对于排桩计算宽度取桩的中心距，地下连续墙由于其连续性可取单位宽度。地下连续墙按照竖向弹性地基梁法计算。 极限平衡法 较为常用 计算常用的方法 弹性抗力法

49. 1.悬臂式支护结构

50. 2.单层支点桩、墙计算 • 入土较浅时