基坑开挖支护设计毕业论文

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论文）

毕业设计

张鹏飞：西安地铁枣园站基坑开挖支护设计

摘 要

基坑工程是指在地表以下开挖的一个地下空间及其配套的支护体系。而基坑支护就是为保证基坑开挖，基础施工的顺利进行及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁以及周边环境采用的支挡，加固与保护措施。

基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大风险，基坑工程具有很强的区域性。不同水文，工程地质环境条件下基坑工程的差异很大。基坑工程环境效应复杂，基坑开挖不仅要保证基坑本身的安全稳定，而且要有效的控制基坑周边地层移动以及保护周围环境。

本文先介绍了枣园站的工程概况，包括水文地质和周围环境，然后通过结合对现有基坑开挖支护工法和车站实际情况的比较选择出了适合本站的开挖支护方案。下来通过土压力的计算、结构内力的计算，配筋、验算、支撑设计、变形估算等对基坑的开挖支护作了理论上的数据分析，最后通过施工组织说明了各个工序施工的工法和应注意的问题。

关键词：支护方案，地下连续墙，支撑，施工组织设计

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Abstract

Foundation Pit is the excavation of an underground space below the surface and a coordinated support system. Bracing of foundation pit is to ensure that excavation and foundation construction for the smooth and safe environment Foundation Pit and used the pit retaining wall reinforcement and protection.

Bracing of Foundation Pit structure is the structural safety of temporary reserves are smaller, more risk. Foundation pit structure has a strong regional. Excavation works under different hydrological environmental and geological conditions are vastly. Effects complex excavation, excavation pit is not only necessary to ensure their own safety，but also to effectively control the pit surrounding strata.

First，the paper introduces the general engineering situation of Zaoyuan Station，Including hydrological geology and the environment，Then，based on the existing foundation pit excavation method and station actual situation select the suitable for the station of the excavation and support scheme。And then， through the soil pressure calculation, structure calculation, reinforcement, checking, support design, deformation estimation ，then made a theoretical analysis of the data for the excavation of foundation pit supporting。Finally ， through the construction organization describes the construction process of the method and the problem which should be noted.

KEY WORDS: Supporting scheme, the Underground continuous wall, Support, Construction organization design

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目录

第一章 工程概况 ............................................... 1 1.1 工程简介 ................................................. 1 1.2 工程地质与水文地质条件 .................................. 1 1.2.1 车站工程地质层分布与特征描述 ......................... 1 1.2.2 水文地质条件 ........................................ 2 1.2.3 特殊地质条件 ......................................... 3 第二章 支护方案的选择与比较 ................................... 4 2.1 基坑支护的类型及其特点和适用范围 ......................... 4 2.1.1 深层搅拌水泥土围护墙 ................................. 4 2.1.2 土钉墙 ............................................... 4 2.1.3 排桩支护 ............................................. 5 2.1.4 槽钢钢板桩 ........................................... 5 2.1.5 钻孔灌注桩 ........................................... 5 2.1.6 钢板桩 ............................................... 6 2.1.7 SMW工法 .............................................. 6 2.1.8 地下连续墙 ........................................... 6 2.2 方案的比较及确定 ......................................... 7 2.2.1 基坑的特点 ........................................... 7 2.2.2 支护方案的选择 ....................................... 8 第三章 土压力计算 ............................................ 10 3.1 地面荷载的确定 .......................................... 10 3.2 按分层土计算土压力 ...................................... 10 3.3 土层力学参数平均值 ...................................... 13 第四章 结构内力计算 .......................................... 15 4.1 计算理论的确定 .......................................... 15

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4.2 结构内力计算及配筋 ...................................... 15 4.2.1 土压力计算 .......................................... 15 4.2.2 用等值梁法计算弯矩 .................................. 18 4.3 地下连续墙的配筋计算 .................................... 25 4.3.1 纵筋配置 ............................................ 25 4.3.2 水平筋配置 .......................................... 28 第五章 基坑稳定性分析 ........................................ 29 5.1 基坑的整体稳定性验算 .................................... 29 5.2 基坑的抗隆起稳定验算 .................................... 29 5.3 基坑的抗渗流稳定性验算 .................................. 31 第六章 支撑设计 ............................................. 32 6.1 方案比较 ................................................ 32 6.2 围檩设计 ................................................ 32 6.3 支撑设计 ................................................ 34 第七章 基坑变形估算及控制 ................................... 36 7.1 概述 .................................................... 36 7.2 基坑的变形估算 ........................................ 36 7.2.1 水平位移估算 ........................................ 36 7.2.2 基坑隆起估算 ........................................ 36 7.2.3 地表沉降估算 ........................................ 37 第八章 施工组织设计 ......................................... 38 8.1 施工场地的布置 .......................................... 38 8.2 地下连续墙的施工 ........................................ 38 8.2.1导墙施工 ............................................ 38 8.2.2 槽段开挖 ............................................ 40 8.2.3 地下墙接头形式 ...................................... 43 8.2.4 钢筋笼整幅吊装措施 .................................. 44

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8.2.5泥浆系统 ............................................. 44 8.3工程质量的保证 .......................................... 48 8.4 文明施工措施 ............................................ 48 8.5 环境保护措施 ............................................ 49 结论 ......................................................... 50 致谢 ......................................................... 51 参考文献 ..................................................... 52 附录 ......................................................... 54

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前 言

基坑工程是我国当前地基基础领域一个重要的研究方向。基坑工程在二十世纪八十年代末才开始全面、深入地研究与工程实践，但随着我国建设事业的发展，城市的高层建筑大量涌现，极大的推动了深基坑工程设计理论和施工技术的不断发展，同时也产生了大量的深基坑支护设计与施工问题。

国内外大量工程实践表明，许多工程的最危险阶段不一定是在正常使用阶段，而是在建造阶段和老化阶段。对许多工程事故常常发生在施工阶段而言，其原因除了施工质量没有保证、施工方法发生了不合理的改变、人为错误等原因以外，重要原因之一是由于对环境、地质、荷载等因素认识不足而导致设计和施工中的某种失误和疏忽所致。

深基坑工程是与众多因素相关的综合技术，是一个系统的工程问题，必须具有结构力学、土力学、地基基础、地基处理、原位测试等多种学科知识，同时具有丰富的施工经验，并结合拟建场地的土质和周围环境情况，才能制定出因地制宜的支护结构方案和实施办法。它与场地工程勘察、支护结构设计、施工开挖、基坑稳定、降水、施工管理、现场监测、相邻场地施工相互影响等密切相关。基坑设计与施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、地下水动态、施工程序和方法等许多相关的复杂问题，是理论上尚待完善、成熟和发展的综合技术学科。如何根据场地工程性质、水文地质、环境条件制定合理的设计方案；如何在保证稳定性的前提条件下，设计最经济的方案，也是基坑比较重要的问题。因此在基坑工程设计与施工中，需要严谨、周密的分析与计算。

本设计主要包括了四个大的方面：1、工程概况的论述及支护方案的比选，2、围护结构设计与计算，3、基坑的降排水4、施工组织设计。根据基坑的工程概况及其特点，在考虑基坑的安全性和经济性的前提下选择了地下地下连续墙加四道纲支撑作为支护方案，采用郎肯理论计算水土压力，通过结构荷载法计算墙体内力、弯矩和嵌固深度。5、根据深基坑施工组织规范详细的叙述了地下连续墙的施工工艺流程和施工要点。

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第一章 工程概况 1.1 工程简介

枣园站位于枣园西路与枣园北路交叉路口西侧，枣园西路北侧的规划绿化带内，与枣园西路平行布置，周边的现状与规划均以居住为主，车站西北侧为建设中的万国地产万国城，东北侧为大马路村的建设用地，规划为高层商住楼，西南侧为西安骊山汽车厂的三四零二社区，东南侧为丰盛园小区和爱菊佳园等住宅小区。枣园西路为西安市城区至咸阳的主干道，道路交通繁忙，车流量较大，规划道路宽度60米，双向八车道，道路北侧规划绿地宽度30m，道路南侧规划绿地宽度20m。

1.2 工程地质与水文地质条件

1.2.1 车站工程地质层分布与特征描述

根据本次钻探揭露，拟建场地地基土的组成自上而下为：人工填土；第四系上更新统风积新黄土、残积古土壤；上更新统及中更新统冲积粉质粘土及砂类土等。现将各层地基土按层序分述如下：

1-1杂填土Q4ml： 黄褐～深褐色，局部为杂色。土质不均，上部以建筑垃圾为主，局部含较多灰渣、灰土等。该层顶面普遍分布10～30cm厚的混凝土或沥青面层。

1-2素填土Q4ml： 黄褐～深褐色。顶部分布有15～20cm的混凝土或沥青路面，土质不均，成分以粘性土为主，局部含少量灰渣及砖瓦碎块等，局部含少量粉细砂。硬塑。局部具轻微～中等湿陷性。属中等偏高压缩性土，局部具高压缩性。

3-1新黄土Q3eol：褐黄色。土质均匀，针状孔隙发育，含微量氧化铁、钙质条纹及零星蜗牛壳碎片。可塑（液性指数平均值IL=0.30），个别土样软塑。上部土样具轻微～中等湿陷性，局部具自重湿陷性。属中等压缩性

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土，个别土样具高压缩性。

3-2古土壤Q3el：棕黄～浅棕红。土质较均匀，具块状结构，含多量钙质条纹及钙质结核，底部钙质结核较为富集，局部富积成薄层。可塑（液性指数平均值IL=0.43）。属中等压缩性土。

3-4粉质粘土Q3al： 褐黄～浅灰黄色，局部灰白色。土质不匀，可见少量氧化铁、黑色锰质斑点，底部局部含砂颗粒，该层中部局部含中砂透镜体。可塑（液性指数平均值IL=0.33-0.51）。属中等压缩性土。

3-6粉细砂Q3al：黄褐色，部分地段呈灰黄色。成份以石英、长石为主，云母片及暗色矿物次之，局部下部夹中砂透镜体或含较多中砂颗粒，含泥量少。级配较差。密实（标准贯入试验击数平均值N＝36.5-61.0）。湿度部分稍湿，部分饱和。

3-7中砂Q3al：黄褐～灰黄色。成份以石英、长石为主，云母片及暗色矿物次之，局部顶部夹粉细砂透镜体。级配差。密实（标准贯入试验击数平均值N＝33.3-49.3）。湿度稍湿或饱和。 1.2.2 水文地质条件

（1）地下水位：

枣园站浅部主要地层为第四系晚更新统风积、残积层和冲积层。本次勘察期间测得地下水水位埋深为24.70～26.80m，地下水位高程为366.91～369.00m。自西向东地下水位逐渐抬升。地下水位与季节、气候、地下水赋存、补给及排泄有密切的关系。丰水期（10月～3月）间，地下水位会有所上升；旱季期间，地下水位会有所下降，水位年变化幅度为约2.00m。

受西郊水源地抽取地下水影响，致使近年来该区域地下水位下降较多。 （2）地下水类型、赋存方式、补给及流向：

拟建场地地下水主要为第四系孔隙潜水。主要赋存于冲、洪积砂层中，预测水量较大。本段第四系孔隙水含水层主要有中砂层3-7-3等。冲积粉质粘土为相对隔水层。根据区域地质资料，本区潜水含水层底板约在70～80m。

（3）地下水水质特征及水、土腐蚀性：

场区地下水对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在干湿

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交替条件下具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。地基土对混凝土结构均无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋及钢结构具弱腐蚀性。 （4）车站抗浮、抗渗设计水位：

根据陕西省工程勘察研究院提供的地铁一号线抗浮水位（2008.7.16）结果，拟建枣园站抗浮、抗渗设计水位高程分别为391.00m和389.00m

1.2.3 特殊地质条件

（1） 拟建场地可能分布废弃枯井，枯井中可能充填有块石，施工中还可能遇到未查明的地下构造物等硬物，应及时处理。

（2）填土：该层土组成物质复杂，颗粒粒度极不均匀，土性差异大，结构松散，开挖易坍塌，引起地面变形。

（3） 湿陷性黄土：根据本次勘察探井（本次共完成7个探井）土试样室内土工试验结果，湿陷性黄土分布深度6.50～11.50m，对于车站主体、风亭、风井及通道平直段，可不考虑黄土湿陷性问题。

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第二章 支护方案的选择与比较

2.1 基坑支护的类型及其特点和适用范围

2.1.1 深层搅拌水泥土围护墙

深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。 2.1.2 土钉墙

土钉墙是一种边坡稳定式的支护，其作用与被动的具备挡土作用的围护墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区,我国华北和华东北部一带应用较多,目前我国南方地区亦有应用,有的已用于坑深10m以上的基坑,稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。采用土钉墙的一般要求，①土钉墙可适用于塑，不塑或坚硬的粘性土；②在有地下水的土层中，土钉支护应该在充分降排水的前提下采用；③土钉墙容易引起土体位移，采用土钉墙支护应慎重考虑，墙体变形对周围环境的影响。

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2.1.3 排桩支护

基坑开挖时，对不能放坡或由于场地限制不能采用搅拌桩支护，开挖深度在6~10m左右时，即可采用排桩围护。排桩可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩等。当基坑开挖深度较大时，可设置多道支撑，以减少内力,采用冲钻孔桩能够穿越条石、旧基础。在护壁桩间做旋喷帷幕达到止水的效果，但由于基坑开挖深度大护壁不可能采用锚拉或内支撑，锚杆无法施工，也无法采用锚拉，南北两侧亦无法对称采用排桩，在设立支护时没有合适的支护方式。 2.1.4 槽钢钢板桩

这是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6~10m,型号由计算确定。其特点为：槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒，在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施；抗弯能力较弱,多用于深度小于4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大。 2.1.5 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种,在我国得到广泛的应用。其多用于坑深7~10m的基坑工程,在我国北方土质较好地区已有8~9m的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有:施工时无振动、无噪音等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小;墙身强度高,刚度大,支护稳定性好,变形小;当工程桩也为灌注桩时,可以同步施工，从而施工有利于组织、方便、工期短;桩间缝隙易造成水土流失,特别时在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;适用于软粘土质和砂土地区,但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用;桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体,因而相对整体性较差,当在重要地区,特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。

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2.1.6 钢板桩

采用钢板桩支护针对本基坑为临时支护的特点，施工方便，工期短，在基坑施工完毕回填土后将槽钢拔出，重新利用，可以将支护费用降到最低。但采用钢板桩支护有一致命的弱点，即不能挡水和土中的细小颗粒，且在地下水位高时还要求降水或隔水，这与本工程地下水位高，地水丰富的地质条件极不相称。另钢板桩支护抗弯能力较弱，开挖挠曲变形较大，一般适用深度不超过4m。很显然本基坑软弱含水的地质条件10m的开挖深度，以及地处城市建筑密集区对挠曲位移的严格要求等均不适宜采用钢板桩支护，一经采用必将造成严重后果。 2.1.7 SMW工法

型钢等(多数为H 型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等) ,将承受荷载与防SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法,即在水泥土桩内插入H渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。SMW支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音,对周围环境影响小;结构强度可靠,凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;此工法在一定条件下可代替作为地下围护的地下连续墙,在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收H 型钢等受拉材料;则大大低于地下连续墙,因而具有较大发展前景。 2.1.8 地下连续墙

通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备

优点：①施工时振动小，噪音低，非常适合本基坑的开挖支护设计；②墙体刚度大，特别适合本基坑复杂的地质条件，尤其是对松散填土及软

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塑淤泥质粉质粘土的支挡效果明显，基坑安全性能够得到保证；③防渗性能好，地下连续墙现今工艺已成熟，在墙体结头和施工方法上都得到改进，墙体几乎不透水。④占地少，本工程地处城市建筑密集区，空间狭小，采用地下连续墙可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间，能够充分发挥其经济效益，在施工过程中，不会引起地面沉降，因此对周围建筑没有丝毫影响；⑤工效高，工期短，质量可靠，经济效益高。采用地下连续墙是真正的优质高效，符合现代都市的竞争理念，业主容易接受。

缺点：①对废泥浆处理，不但会增加工程费用，如泥水分离不完善或处理不当，造成新的环境污染；②槽壁坍塌问题。如地下水位急剧上升，护壁泥浆液面急剧下降，土层中有软弱的砂性砂层，泥浆的性质不当或已变质，施工管理不当等均可能引起壁槽壁坍塌，引起地面沉降，危害邻近工程结构和地下管理的安全。同时也可能使墙体混凝土体积超方，墙面粗躁结构尺寸超出允许界限；采用地下连续墙费用要相对较高，但为保证安全稳定及效率，费用仿高5-10%的预算之内，同时采用连续墙施工，工序简单，变更较少，费用易于控制。

2.2 方案的比较及确定

2.2.1 基坑的特点

综合分析本工程的地理位置、土质条件、基坑开挖深度及周围环境的影响，有以下的特点：

（1）基坑开挖面积较大，下方市政管线较多。

（2）基坑开挖深度范围内的土层的工程性较差。开挖层包含较多层不同性质土层。

（3）基坑周围存在高层建筑及待建高层，对沉降要求较高，且可能牵扯到文物的保护，环境条件复杂。

（4）开挖深度超过17.4米，属一级基坑。

（5）基坑所在地地下水在24米以下，而开挖深度在17.4米，所以无需作降水处理.

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2.2.2 支护方案的选择

根据本工程的特点，设计时此基坑有可能采用的几种支护形式从技术上和经济上进行了分析比较。

1．采用钻孔灌注桩作为挡土结构、深层水泥搅拌桩为止水帷幕及结合三道钢管内支撑的支护体式。

优点：钻孔灌注桩施工容易、造价较低，目前此种技术比较成熟。另深层水泥搅拌桩为止水帷幕时有好的效果防水。钢管内支撑具有拼装方便、施工速度快并可以多次重复使用等优点，并可施加预应力。此时支护结构有一定的安全性和经济性。

缺点：主体结构深度太大，地下水位较高，施工难度较大。 2．主体采用地下连续墙及钢支撑

优点：施工振动小，噪音低，非常适于城市施工；墙体刚度大，防渗性能好，可以贴近施工；适用于多种地基条件，可以作为刚性基础；占地少，可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间；工效高，工期短，质量可靠，经济效益高。本方案充分考虑了基坑上层土层滞水，面积大（在交通干线旁），高度大等特点。主体采用地下连续墙强度高又可以止水，并成为基础的结构部分，与后浇的内衬共同组成永久性结构的侧墙。机械化程度高，能保证工期，是比较安全可靠的施工方法。交通层高度不大，采用人工挖孔桩是安全有效的，并在一定程度上降低了工程造价。

缺点：地下连续墙作为挡土结构时造价比较高；在一些特殊地质条件下施工难度大；还须有泥浆处理条件，对废泥浆的处理会造成环境污染。施工中如出现槽壁坍塌问题会引起邻近地面沉降，墙体混凝土超方。

由于枣园站周围都是高层住宅或是规划中的高层，所以对整个车站建设过程的要求都比较高。根据西安市环境保护局的规定，邻近市民居住群的建筑施工在晚上22时30分以后必须停止施工，这样对本站的建设工期提出了严峻的考验，为了应对这一问题，地下连续墙工法是有绝对优势的，它不但在降低噪音要求可以不用考虑对周围居民的影响，而且这种工法在施工工期问题上也有一定的优势，它的整个施工过程机械化程度高，使施工效率大大推高，可以减少按预定工期完成建设的压力。其次，枣园站南

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面毗邻交通主干道，其余周围都是已建成的住宅小区，周边的现状与规划均以居住为主，车站西北侧为建设中的万国地产万国城，东北侧为大马路村的建设用地，规划为高层商住楼，西南侧为西安骊山汽车厂的三四零二社区，东南侧为丰盛园小区和爱菊佳园等住宅小区。施工场地占用空间有限，工作展开比较困难，而连续墙它可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间，能够充分发挥其经济效益，在施工过程中，不会引起地面沉降，因此对周围建筑没有丝毫影响的优点，在这一问题的解决上有绝对的优势。

再者，地下连续墙作为本基坑的开挖支护方案，它在访渗性能好反面也有相当的作用，根据地质勘查报告，3-7中砂层存在上层滞水，而连续墙作为开挖支护方案对中砂层的滞水有很好的防渗能力，也对建成后的车站有防水防渗方面的保护。地下连续墙工法在诸多方面都满足周围环境的要求，所以通过综合比较选择第二种开挖支护方案，也就是采用地下连续墙工法作为本基坑的开挖支护方案。

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第三章 土压力计算

3.1 地面荷载的确定

枣园站周边的现状与规划均以居住为主,车站西北侧为建设中的万国地产万国城,东北侧为大马路村的建设用地,规划为高层商住楼,西南侧为西安骊山汽车厂的三四零二社区,东南侧为丰盛园小区和爱菊佳园等住宅小区。枣园西路为西安市城区至咸阳的主干道,道路交通繁忙,车流量较大。因此取上部荷载为20kpa。

由于枣园站开挖深度在17.4m 以内，而地下水水位埋深为24.70～26.80m，地下水对基坑的开挖和支护影响不大，故选择水土分算的原则计算。

3.2 按分层土计算土压力

本工程场地平坦，土体上部底面超载20kPa，在影响范围内无建筑物产生的侧向荷载，且不考虑施工荷载及邻近基础工程施工的影响，假定支护墙面垂直光滑，故采用郎肯土压力理论计算。

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表3.1 土体物理学参数

（1） 计算方法：按朗肯理论计算主动与被动土压力强度，其公式如下：

Pa??q???ihi?Ka?2cKa (3.1) Pp??q???ihi?KP?2cKP式中

(3.2)

Pa、Pp—— 朗肯主动与被动土压力强度，kPa；

q—— 地面均匀荷载，kPa；

?i—— 第i 层土的重度，kN/m3；

hi—— 第i 层土的厚度，m；

Ka、Kp—— 朗肯主动与被动土压力系数；

???Ka?tan?45??? (3.3)

2?????Kp?tan?45??? (3.4)

2??2211

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式中c、?—— 计算点土的抗剪强度指标

图3.1 开挖土层图示

基坑开挖深度17.4m，

OA为杂填土层，??17.5kNm3，c?5kpa，??10?，h?1m； AB为素填土层，??17.1kNm3，c?10kpa，??12?，h?3m； BC为新黄土，??16.4kNm3，c?36kpa，??26?，h?6.5m，为不透水层；

CD为古土壤，??18.7kNm3，c?39kpa，??25.6?，h?3.3m，为不透水层；

DE为粉质粘土层，??19kNm3，c?37kpa，??26?，h?4.7m； EF粉质粘土.，??19.3kNm3，c?39kpa，??27?，h?8.1m；

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3.3 土层力学参数平均值

（1）参数加权平均数

由于各土层物理力学参数相差不大，故采用加权平均法计算土压力，各加权平均参数计算为：

平均容重：

????ihi??h

i17.5?1?17.1?3.0?16.4?6.5?18.7?3.3?19.0?4.7?19.3?8.126.6 ?18.1knm3

迎土区：

????ihi??h

i10?1?12?3.0?26?6.5?25.6?3.3?26.0?4.7?27.0?8.126.6?24.1?

c??cihi??h

i5?1?10?3.0?36?6.5?39?3.3?37?4.7?39?8.1

26.6?33.4kpa

（2）土压力计算 土压力系数： 主动土压力系数：

Ka?tg2(45??)?0.420

2?Ka?0.648

被动土压力系数：

Kp?tg2(45??)?2.380

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Kp?1.543

主动土压力：

地面均布超载： q?20kpa； 墙顶：h?0m

取 ea0?0kpa 坑底：h?17.4m

被动土压力：

ea0?(q??h)Ka?2CKa

?(20?18.1?0)?0.42?2?33.4?0.648 ??34.886kPa?0

eaj?(q??h)Ka?2CKa

?(20?18.1?17.4)?0.42?2?33.4?0.648?97.388kpa

ep0?2CKp

?2?33.4?1.543

?103.072kpa

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第四章 结构内力计算

4.1 计算理论的确定

本工程地质条件较为均匀，但开挖深度较深，为了减少支护桩的弯矩可以设置多层支撑。在进行结构内力计算时，按照分段等值梁法来计算挡土结构的弯矩和支撑力，并计算出桩墙的入土深度。

分段等值梁法即对每一段开挖，将该段桩的上部支点和插入段土压力零点之间的桩作为简支梁进行计算，上一次算出的支点假定不变，作为外力计算下一段梁中的支点反力。这种方法考虑了施工时的实际情况。

4.2 结构内力计算及配筋

4.2.1 土压力计算

（1）确定临界深度z0，由e?(q?rz0)ka?2cka?0得：

2cKa?qKarKaz0??5.89m （4.1）

（2） 各支点及坑底处的土压力：

O点： eao?(q?rh)Ka?2CKa ?20?0.42?2?33.4?0.648

6pa ??34.88k

A 点： eaA?(q?rh)Ka?2CKa

?(20?18.1?1)?0.42?2?33.4?0.648

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??27.284kpa

B点： eaB?(q?rh)Ka?2CKa

?(20?18.1?4)?0.42?2?33.4?0.648 ??3.96kpa

C 点： eaC?(q?rh)Ka?2CKa

?(20?18.1?10.5)?0.42?2?33.4?0.648

?44.935kpa

D点： eaD?(q?rh)Ka?2CKa

?(20?18.1?13.8)?0.42?2?33.4?0.648?70.021kpa

E点： eaE?(q?rh)Ka?2CKa

?(20?18.1?17.4)?0.42?2?33.4?0.648 ?97.388kpa

（3）土力零点

土压力零点距离基坑底的距离，可根据净土压力零点处墙前被动土压力强度与墙后主动土压力强度相等的关系求得。

rmuKp?eaD?rmuKa (4.2) u?eaD97.388??2.86m (4.3)

r(KP?Ka)17.4?(2.380?0.42)

（4）基坑支护简图

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基坑支护结构简图如图4-1所示，将点O近似看作为弯矩0点，看做地下支点无弯矩。

20kN/m+0T1T2O3m1mB2.86m3.6m3.3mT3T4-17.4m6.5mCDE5.89mAEaG 图4.1 基坑支护结构计算简图

先将基坑支护图画成为一连续梁，其荷载为水土压力及地面荷载，如图4.2所示：

97.38870.02144.935O-3.96-27.284-34.886 图4.2 连续梁结构计算简图

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4.2.2 用等值梁法计算弯矩

等值梁法的基本思想：找到基坑底面下连续墙弯矩为零的某一点，以该点假想为一个铰，以假想较为板桩入土面点。一旦假想较的位置确定，即可将梁划分为两段，上段相当于多跨连续梁，下段为一次超定静梁。 (1) 分段计算固端弯矩

1）连续梁AO段悬臂部分弯矩，计算简图如4.3所示：

ql2q'l2???

1230 MAO??27.284?1????34.886???27.284???1??221230

??2.0kN?m

MOAql2q'l2?? 122022??27.284?1????34.886???27.284???1 ?1220

??2.654kN?m

1mOA-27.284-34.886 图4.3 AB段计算简图

2）连续墙AB段弯矩，计算简图如4.4所示：

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MBAql2q'l2???

123022??3.96?3????27.284???3.96???3??1230?4kN?m

MABql2q'l2?? 122022??3.96?3????27.284???3.96???3 ?1220

??13.466kN?m

3mAB-3.96-27.284 图4.4 AB段计算简图

3） 连续墙BC段弯矩，计算简图如4.5所示：

11MCB?44.935?4.61???4.61?159.16kN?m

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44.935B4.16m-3.969.5mC 图4.5 BC段计算简图

4）连续墙CD段弯矩，计算简图如4.6所示：

MDCql2q'l2MCB??? 815244.935?3.32?70.021?44.935??3.32159.16?? ?

8152 ??0.2kN?m

70.02144.935C159.16D3.3m 图4.6 CD段计算简图

5）连续墙DEG段弯矩，计算简图如4.7所示，其中G点为零弯矩点：

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222q1a2?a?q2a2?a12?a??q3b?3?b?????2????8?9???????1????

8?l?24?l5l6???????5?l???MDG

70.021?3.623.6227.367?3.62??(2?)?86.4624 ?3.6123.62??8?9???()? ?6.4656.46??97.388?2.86?32.862?1??()? ?6?56.46? ??314.81?55.128?40.962 ??328.976kN?m

图4.7 DEG段计算简图

（2）弯矩分配

计算固端弯矩不平衡，需用弯矩分配法平衡支点A、B弯矩。 分配系数A点：

?AO?0 ?AB?1

B点：

6.5?0.685 3?6.53?BC??0.315

3?6.5C点：

?BA?21

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3.3?0.337

3.3?6.56.5?CD??0.663

3.3?6.5D点（远端固定时为4i，远端铰支时为3i）：

14?3.3?DC??0.592 114??3?3.33.613?3.6?DG??0.408 114??3?3.33.6通过力矩分配，得到各支点的弯矩为：

?CB?MA?4.06kN?m MB?74.38kN?m MC?50kN?m MD?207.05kN?m MG?0

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图4.8 弯矩、剪力图

（3）支座反力和轴力计算：

根据《基坑工程》（2008，4，1，哈尔滨工业大学出版社）有： OA段梁：

12?1?27.284??1?4.063??2RA?9.0kN 1BC段梁：

13.18?4.2????RB?36.4kN

4.24.24.2?(53.4?13.18)???4.06?77.43223

4.2??RB???45.4kN RB?RB13.18?4.2???RC ?103.37kN CD段梁：

4.24.22?(53.4?13.18)???4.2?4.06?77.43223

4.253.4?3.5????RC ?77.04kN

3.53.53.5?(87.69?53.4)???77.43?50223

3.5??RC???180.41kN RC?RC23

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53.4?3.5???RD ?253.6kN

3.53.52?(87.69?53.4)???3.5?77.43?50223

3.5EO段梁(O点弯矩为零）：

?3.1?1?3.1???[118.65?3.1??RE?5.17???3.1?30???5.17??

?2?2?3?12207.05?5.17?148.65??5.17]/8.27? 238.27 ?520kN

??RD???773.6kN RE?RE3.113.1?2??3.1?30??5.17? 22315.17?148.65?(3.1?)]/8.27?304.45kN 23反力核算： RO?[118.65?3.1?土压力及地面荷载总计：

ea?97.388?(17.4?2.86?5.89)? ?699.7kN 支点反力：

R?RB?RC?RD?RE?RO ?1545.91kN （4）嵌固深度计算

根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，对于均质粘性土，及地下水位以上的粉土或砂类土，嵌固深度h0可按下式来计算：

1 2h0?n0h

式中n0为嵌固深度系数，当?k取1.3时，可根据三轴试验，（当有可靠经验时，可采取直接剪切试验）确定土层固结不排水（快）剪内摩擦角?k及粘聚力系数?查表A.0.2；粘聚力系数?可按本规程A.0.3（??ck?h)确

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定。

根据枣园站个土层物力、力学建议值，取定??0.07取??0.06，?k?22.5查表A.2.0得n0?0.36 可得嵌固深度：

h0?n0h?0.36?17.4?6.264m

4.3 地下连续墙的配筋计算

4.3.1 纵筋配置

根据《简明深基坑设计施工手册》及《地下连续墙设计与施工》，用于基坑支护连续墙厚度一般为600?800mm，故初拟连续墙厚度b?800mm；以1000mm为单元长度进行配筋。同时本基坑支护墙体作为永久性支护结构，所以保护层厚度（《深基坑工程设计施工手册》表11.3-2）as?70mm，采用C35混凝土（大于C20），基坑安全等级为一级，主筋采用HRB335（II级），其安全等级系数?0?1.1。 背土侧：

M设计?1.25?0Mma x?1.25?1.1?207.05 ?284.625kN?m

查表得：

fc?16.7N/mm2，?1?1.0，l?1000mm，b?800mm

HRB335，fy?300N/mm2，?b?0.558，?min?0.24%

有效高度：

h0?b??s

?800?70 ?730mm

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???0M设计

?1fclh021.1?284.625?106 ? 21.0?16.7?100?0730 ?0.035 查表17《混凝土结构》上册P201： ??0.025??b?0.558 所以：

As? ??1fclh0?fy

1.0?16.7?100?0730?0.035

300.28mm2 ?1422 ?? ?As lh01422.28

1000?730 ?0.19%??min?0.24%

所以 As?1000?730?0.24%?259mm32 选配筋：25@150（As?3272mm2) 迎土侧：

M设计?1.25?0Mma x ?1.25?1.1?132.1 ?181.6kN?m

?0M设计 ???1fclh0226

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1.1?181.6?106 ? 21.0?16.7?100?0730 ?0.020 查表17《混凝土结构》上册P201，得

所以 选配筋：??0.023??b?0.558

A?1fclh0?s?f

y ?1.0?16.7?100?0730?0.020300

?812.73

??Aslh 0 ?812.731000?730

?0.11%??min?0.24%

As?1000?730?0.24% ?2593mm2 25@150（A2s?3272mm)

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图4.9 单元槽段配筋

4.3.2 水平筋配置

按构造配筋：

水平筋筋最小率要求：fy?0.24ftfy?0.24?1.27300?0.1%当

h?800mm时，间距s?200mm采用，则Asv?565mm2

故选择12@200的水平配筋。 拉结钢筋：

当跨度为4到6米时，拉结筋直径不小于6mm。故拉结筋选6@100 配筋图见图02.

选筋类型 基坑内侧纵筋 基坑外侧纵筋 水平筋 拉结筋 级别 HRB335 HRB335 HRB335 HPB235 钢筋 实配值 D25@150 D25@150 D12@200 d6@100 实配[计算]面积 (mm2/m) 3272[2593] 3272[2593] 565 283

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第五章 基坑稳定性分析

在基坑开挖时，由于坑内土体挖出后，使地基的应力场和形变场发生变化，可能导致基坑的失稳。例如基坑整体或局部滑坡，基坑底隆起及管涌等，从而引发工程事故。所以在进行基坑支护设计时，需要验算基坑稳定性，必要时应该采取适当的加强防范措施，使基坑的稳定性具有一定的安全度。保证基坑开挖整个过程安全。

基坑的稳定性验算主要是指对支护结构进行抗倾覆，抗滑移，及各种内力计算外，还应进行基坑底隆起，抗渗流稳定性，管涌等各种稳定性验算。基坑稳定性分析的目的在于基坑侧壁支护结构在给定条件设计出合理的嵌固深度或验算已拟定支护结构的设计是否稳定和合理。

5.1 基坑的整体稳定性验算

采用圆弧滑动法验算支护结构和地基的整体稳定抗滑动稳定性，应该注意支护结构一般有内支撑或外土锚拉结构，墙面垂直的特点。不同于边坡稳定验算的圆弧滑动，滑动面的圆心一般在挡土上方，基坑内侧附近。通过试算稳定最危险的滑动面和最小安全系数。考虑支撑作用时，通常不会发生整体稳定破坏，因此对支护结构，当设置多道支撑时可不做基坑的整体稳定性验算。

5.2 基坑的抗隆起稳定验算

采用同时考虑c,?值的抗隆起法，以求得地下墙的入土深度。（基坑工程手册P130）

基本假定：将墙底面作为求极限承载力的基准面，滑移线形状见计算简图，参照Prandtl的地基承载力公式。不考虑基坑尺寸的影响。

计算分析简图：

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qAτBDB 5.1 计算分析简图

K?式中：

?2DNq?cNc

?1(H?D)?qD——墙体入土深度（m）；

H——基坑开挖深度（m）；

?1,?2——墙体外侧及坑底土体重度（kN/m3）；

q——底面超载（kN/m3）；

Nc,Nq——地基承载力的系数。 用Prandtl公式，Nc,Nq分别为：

??tg??20N?tg(45?)eq??2 ?(N?1)?N?q?tg??c30

DH2012届城市地下空间工程专业毕业设计（论文）

用本法验算抗隆起安全系数时，要求Ks?1.10~1.20，注：安全系数取自《建筑基坑工程技术规范》YB 9258-97(冶金部)。

计算过程：

H?17.4m D?11.9m C?33.4kPa ??24.10

Nq?tg2(450? ?9.61

24.1?tg24.10)e 2 Nc?Nq?1tg24.10

?19.25

用本法验算抗隆起安全系数时，由于图5.1中AB面上的抗剪强度抵抗隆起作用，假定墙体外侧及坑底土体重?1??2?30kPa。

解得K?4.48?1.1~1.2 满足要求。

实践证明，本法基本上可适用于各类土质条件。

5.3 基坑的抗渗流稳定性验算

由于本工程勘察期间测得地下水水位埋深为24.70～26.80m，地下水位高程为366.91～369.00m。拟建车站基坑深度在18m以内，故可以不进行抗渗流验算。

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第六章 支撑设计

6.1 方案比较

在深基坑支护结构中，常用的支护系统按材料可以分为钢管支撑，型钢支撑，钢筋混凝土支撑以及钢筋混凝土钢管混合支撑等。其中，钢筋混凝土支撑，结构整体性好，刚度好，变形小，安全可靠，但施工制作时间长于钢支撑，拆除工作繁重，材料回收率低；钢支撑，便于安装和拆除，材料的消耗量小，并且可以施加预紧力，合理控制基坑变形，同时，钢支撑的架设速度快，节约时间，可以很有效的提高施工效率，另外，钢支撑的回收率高，能减少大量浪费。从长远利益及能源角度考虑，现今建筑行业积极推广钢支撑的运用。

本基坑在主干道侧，基坑工程对环境及变形沉降都有较高要求，同时考虑经济效益的要求，本工程拟采用钢管支撑（见图03)。

6.2 围檩设计

（1）计算

围檩初拟采用H型钢，由于八字撑与支撑及围檩连接的整体性不易做好，故围檩的计算跨度取相邻支撑与八字撑间距的平均值：

l?4 围檩最大弯矩：

Rl2M?

84.02?773.6 ?

8 ?1547.2kPa 围檩最大剪力：

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