地下結構工程第三章-深基坑工程第一頁，共79頁。3．深基坑工程概述：大量的深基坑工程伴隨著城市高層建筑的發展大量出現。國外，圓形基坑的深度已達74m(日本)，直徑最大的達98m(日本)，而非圓形基坑的深度已達到地下９層（法國）。國內，上海88層的金茂大廈，基坑平面尺寸為170m×150m，基坑開挖深度達19.5m。上海的匯京廣場，圍護結構與相鄰建筑最近的距離僅40cm。而無支撐基坑的開挖深度也已達到了9m。潤揚大橋南汊橋北錨錠開挖深度達54m。第二頁，共79頁。基坑支護的兩個功能：一是擋土；二是止水。從擋土角度，基坑支護分兩類：支護型——將支護墻（排樁）作為主要受力構件；支護型基坑支護包括板樁墻、排樁、地下連續墻等。在基坑較淺時可不設支撐，成懸臂式結構；當基坑較深或對周圍地面變形嚴格限制時，應設水平或斜向支撐，或錨定系統；形成空間力系是發展方向。第三頁，共79頁。加固型——充分利用加固土體的強度。加固型包括水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、注漿和樹根樁等。止水可用止水帷幕或降低地下水位等方法。第四頁，共79頁。基坑側壁安全等級及重要性系數

安全等級破壞后果

一級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周邊環境及地下結構施工影響很嚴重1.10二級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周邊環境及地下結構施工影響一般1.00三級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周邊環境及地下結構施工影響不嚴重0.90第五頁，共79頁。3.1結構方案及選擇3.1.1結構類型支護結構類型及其適用范圍表3-1結構形式適用范圍排樁結構稀疏排樁土質較好，地下水位低或降水效果好連續排樁土質差，地下水位高或降水效果差框架式排樁單排樁剛度不能滿足變形要求組合排樁結構排樁加擋板排樁樁距較大，利用擋板傳遞土壓并有一定防滲作用排樁加水泥攪拌樁以水泥攪拌樁互搭組成平面拱代替擋板傳遞土壓力，具有較好防涌效果排樁加水泥防滲墻地下水位較高的軟土地區排樁或組合排樁加錨桿結構開挖深度較大，排樁或組合排樁結構強度無法滿足要求地下連續墻結構與地下室墻體合一，防滲性強，施工場地較小，開挖深度大沉井結構軟土地區重力式擋土墻結構具有一定施工空間，軟土地區第六頁，共79頁。圖3－1板樁

第七頁，共79頁。圖3-2組合擋土壁第八頁，共79頁。圖3-3單排與雙排樁支護結構排樁支護結構頂部應設置連續閉合圈梁，在基坑面積較大時還應在轉角處設置斜撐，以增加支護結構的整體性。第九頁，共79頁。圖3-4地下連續墻及接頭管接頭的施工程序a)開挖槽段；b)吊放接頭管和鋼筋籠；c)澆筑砼；d)拔出接頭管；e)形成接頭第十頁，共79頁。3.1.2支撐體系支撐體系是用來支擋圍護墻體，承受墻背側土層及地面超載在圍護墻上的側壓力。支撐體系是由支撐、圍檁、立柱三部分組成。圍檁和立柱是根據基坑具體規模、變形要求的不同而設置的。第十一頁，共79頁。特點平面尺寸不大，且長短邊長相差不多的基坑宜布置角撐。它的開挖土方空間較大，但變形控制要求不能很高鋼支撐和鋼筋混凝土支撐均可布置；支撐受力明確，安全穩定，有利于墻體的變形控制，但開挖土方較為困難多采用鋼筋混凝土支撐；中部形成大空間，有利于開挖土方和主體結構施工多采用鋼筋混凝土支撐；支撐體系受力條件好；開挖空間大，便于施工開挖面積大、深度小的基坑宜采用；在軟弱土層中，不易控制基坑的穩定和變形便于土方開挖和主體結構施工，但僅適用于周邊場地具有拉設錨桿的環境和地質條件支撐體系第十二頁，共79頁。第十三頁，共79頁。第十四頁，共79頁。第十五頁，共79頁。第十六頁，共79頁。3.2支護結構上的作用

3.2.1土壓力支護結構承受的土壓力與土的性質、支護結構的剛度以及施工方法等有關。主動土壓力和被動土壓力的產生，前提條件是支護結構存在位移；當支護結構沒有位移時，則土對支護結構的壓力為靜止土壓力。土壓力的分布與支點的設置及其數量都有關系；懸臂支護樁土壓力的實測值與按朗肯公式計算值的對比，非挖土側實測土壓力小于朗肯主動土壓力，即計算結果偏大。第十七頁，共79頁。圖3-5懸臂支護樁土壓力分布第十八頁，共79頁。圖3-6芝加哥深基坑土壓力實測圖圖3-7柏林地道工程土壓力實測圖實測可見，土壓力的分布已不再是三角形了。第十九頁，共79頁。土的內聚力c、內摩擦角φ值可根據下列規定適當調整：在井點降低地下水范圍內，當地面有排水和防滲措施時，φ值可提高20%；在井點降水土體固結的條件下，可考慮土與支護結構間側摩阻力影響，將土的內聚力c提高20%。支護結構承受的土側壓力根據朗肯-庫倫理論確定。經修正后，作用在支護結構上的土壓力，應分層按土的重力密度、內摩擦角、粘聚力進行計算。第二十頁，共79頁。土壓力計算公式exit第n層土底面對支護結構的主動土壓力：第n層土底面對支護結構的被動土壓力：第二十一頁，共79頁。3.2.2地面附加荷載傳至n層土底面的豎向荷載qn（1）地面滿布均布荷載q0時，任何土層底面處：（2）寬度為b的條形荷載離開擋土結構距離為a時不考慮內摩擦角的影響，按45o角擴散。第二十二頁，共79頁。(3)作用在面積為與擋土結構平行）的地面荷載，離開擋土結構距離a時。第二十三頁，共79頁。3.2.3水壓力水壓力，通常情況下主要根據土質情況確定如何考慮水壓力的問題。對于粘性土，土壤的透水性較差，因此粘性土產生的側向壓力可采用水土合算的方法，即側壓力為相應深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側壓力系數。對于砂性土，土壤的透水性良好，采用水土分算，即側壓力為相應深度處豎向土壓力乘以側壓力系數與該深度處水壓力之和。水壓力就是土顆粒之間的孔隙水壓力，它與支護結構的剛度及支撐力大小無關，但與地下水的補給量、土質類別、支護結構入土深度、排水處理方法等許多因素有關。第二十四頁，共79頁。對比為簡化計算，將水壓力與土壓力分別計算，并把水看作是：主動壓力=靜止壓力=被動壓力=h如圖地下水位以下的側向力可按照下式計算。只是加上了水第二十五頁，共79頁。3.3排樁、地下連續墻

主要內容有：計算主動土壓力和被動土壓力并確定計算簡圖，確定嵌固深度、內力計算；支護樁或墻的截面設計以及壓頂梁的設計等。第二十六頁，共79頁。3.3.1懸臂式支護結構圖根據朗肯-庫倫土壓力理論分層計算主動土壓力和被動土壓力；在此基礎上確定圖3-10所示的計算簡圖。圖據此簡圖求出嵌固深度hd;最大彎矩截面位置及最大彎矩值；進行配筋設計或承載力計算；計算支護結構頂端位移。第二十七頁，共79頁。懸臂exit第二十八頁，共79頁。計算簡圖據此求出嵌固深度hdexit在實際工程設計中，必須對抗滑移、抗傾覆、抗隆起和抗管涌同時進行驗算，故上式一般取第二十九頁，共79頁。配筋和撓度計算地質條件或其它影響因素較為復雜時，也可按最大彎矩斷面的配筋貫通全長。配筋應滿足下式條件：支護結構頂端的水平位移值y——剪力為零處即D點至基坑底的距離；——懸臂梁上段結構柔性變形值——下段結構在彎矩Mmax作用下產生的轉角——下段結構在彎矩Mmax作用下在D點產生的水平位移

第三十頁，共79頁。對下段結構在最大彎矩作用下產生的轉角θ和位移Δ，可按《建筑樁基技術規范》中推薦的m法進行計算上段結構柔性變形δ，假定以剪力等于零處為固定端并按懸臂梁進行計算第三十一頁，共79頁。3.3.2單層支撐支護結構

設計圖計算方法是“等值梁法”。等值梁法的關鍵是如何確定反彎點的位置。對單錨或單撐支護結構，地面以下土壓力為零的位置，即主動土壓力等于被動土壓力的位置，與反彎點位置較接近。第三十二頁，共79頁。圖exit第三十三頁，共79頁。用等值梁法計算

單錨、單支支護結構：

圖3-15單層支點支護結構深度計算簡圖（3）支點力TC1

可按下式計算：等值梁法，對反彎點：（1）計算土壓力（2）基坑底面以下支護結構設定彎矩零點位置至基坑底面的距離hc1可按下式確定：第三十四頁，共79頁。（4）嵌固深度hd

設計值可按下式確定:第三十五頁，共79頁。（5）計算內力和配筋單層支撐支護結構的最大彎矩:發生在剪力0處，應根據土壓力平衡，求得剪力0處的位置y，進一步可算得Mmax。彎矩圖可按靜力平衡條件求得可以分段配筋，也可以按最大彎矩斷面通長配筋.第三十六頁，共79頁。3.3.3多層錨拉式支護結構

設計1)應根據分層挖土深度與每層錨桿設置的實際施工情況分階段分層計算，這時假定下層挖土不影響上層錨桿計算的水平力；2)多層布置時，有等彎矩布置和等反力布置兩種模式；3）懸臂式及單支點支護結構嵌固深度設計不宜小于；多支點支護結構嵌固深度設計值小于0.2h時，宜取。第三十七頁，共79頁。抗滲透穩定條件:當基坑底為碎石土及砂土、基坑內排水且作用有滲透水壓力時，側向截水的排樁、地下連續墻除應滿足上述規定外，嵌固深度設計值尚應滿足式抗滲透穩定條件:γ0為基坑重要性系數第三十八頁，共79頁。注意事項：1）排樁、地下連續墻水平荷載計算單位：排樁取中心距，地下連續墻取單位長度；2）有支撐變形計算按彈性支點法計算，支點剛度系數及地基土水平抗力系數m應按地區經驗取值；3）支撐體系（含具有一定剛度的冠梁）或其與錨桿混合的支撐體系應按支撐體系與排樁、地下連續墻的空間作用協同分析方法，計算內力和變形。4）支點結構第j層支點力設計值Tdj=1.25γ0Tcj。第三十九頁，共79頁。3.4土層錨桿土層錨桿是一種埋入土層深部的受拉桿件，它一端與構筑物相連，另一端錨固在土層中。通常對其施加預應力。

第四十頁，共79頁。3.4.2錨桿設計1）錨桿承載力計算2）錨桿桿體的截面面積普通鋼筋截面面積預應力鋼筋截面面積第四十一頁，共79頁。3）錨桿軸向受拉承載力設計值（1）安全等級為一級及缺乏地區經驗的二級基坑側壁，應進行錨桿的基本試驗，受拉抗力分項系數可取1.3。（2）基坑側壁安全等級為二級且有鄰近工程經驗時：第四十二頁，共79頁。（3）對于塑性指數大于17的粘性土層中的錨桿應進行蠕變試驗。4）錨桿預加力值（鎖定值）應根據地層條件及支護結構變形要求確定，宜取為錨桿軸向受拉承載力設計值的0.50~0.65倍。5）自由段計算長度第四十三頁，共79頁。第四十四頁，共79頁。本講要點重點掌握懸臂式支護結構計算方法和計算要點；重點掌握單錨、單支支護結構計算方法和計算要點。掌握錨桿計算方法；理解多層支撐的計算原則；第四十五頁，共79頁。3.6水泥土墻設計又稱攪拌樁擋墻，利用一種特殊的攪拌頭或鉆頭，鉆進地基至一定深度后，噴出固化劑，與地基土強行拌和而形成的加固土樁體。Mixed-In-PlaceMethodMIP(美國)DeepMixingMethod(日本)固化劑采用水泥或石灰；適用于加固淤泥質土、粘土；國外最大深度60m，國內12－18m；特點：施工無震動、噪音、無廢水泥漿；坑內無需支撐拉錨，優良的抗滲特性。支擋高度，國內最深9m;第四十六頁，共79頁。水泥墻的結構形式擋墻寬度為0.6～0.8開挖深度，樁長為開挖深度的1.8-2.2倍。第四十七頁，共79頁。3.6.1土壓力計算計算主動土壓力和被動土壓力3.6.2抗傾覆計算3.6.3抗滑移計算3.6.4墻身應力驗算3.6.5整體穩定計算一般情況下，使墻體強度不成為設計的控制條件，而以結構和邊坡的整體穩定控制設計。第四十八頁，共79頁。1.土壓力計算墻后主動土壓力

墻前被動土壓力

第四十九頁，共79頁。2抗傾覆計算圖按重力式擋墻計算墻體繞前趾A的抗傾覆安全系數，不小于(1.0～1.1).第五十頁，共79頁。3抗滑移計算按重力式擋墻計算墻體沿底面滑動的安全系數：第五十一頁，共79頁。4.墻身應力驗算

墻體所驗算截面處的法向應力剪應力按下式進行：第五十二頁，共79頁。5整體穩定計算k>=1.25整體穩定計算時，將滑動土體與攪拌樁擋墻視為一個整體考慮(常選在墻底下0.5－1.0米處)，采用圓弧滑動法計算圖：第五十三頁，共79頁。構造要求格柵布置時，水泥土的置換率對于淤泥不宜小于0.8，淤泥質土不宜小于0.7，一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格柵長寬比不宜大于2；樁與樁之間的搭接寬度：考慮截水作用時，樁的有效搭接寬度不宜小于150mm；當不考慮截水作用時，搭接寬度不宜小于100mm。不能滿足要求時，宜采用基坑內側土體加固或水泥土墻插筋、加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。攪拌樁擋墻設計計算實例（詳見教材)第五十四頁，共79頁。3.7土釘墻土釘墻由被加固土體、放置在土中的土釘體和噴射砼面板組成，形成一個以土擋土的重力式擋土墻。土釘墻自上而下施工，步步為營，土釘墻是靠土釘的相互作用形成復合整體作用。當錨桿密度小時，個別土層錨桿的失效影響較大。不應用于沒有臨時自穩能力的淤泥、飽和軟弱土層。第五十五頁，共79頁。

圖3-32土釘墻應用領域a)托換基礎;b)豎井的擋墻;c)斜面的擋土墻d)斜面穩定;e)和錨桿并用的斜面防護第五十六頁，共79頁。1土釘受拉承載力計算受拉承載力受拉荷載標準值

荷載折減系數

第五十七頁，共79頁。2土釘墻承載力計算采用簡化圓弧滑動條分法按下式進行穩定性驗算第五十八頁，共79頁。3構造土釘墻墻面坡度不宜大于1：0.1；噴射混凝土面層宜配置鋼筋網，鋼筋直徑宜為6～10mm，間距宜為150～300mm；噴射混凝土強度等級不宜低于C20，面層厚度不宜小于80mm；土釘鋼筋宜采用Ⅱ、Ⅲ級鋼筋，鋼筋直徑宜為16～32mm，鉆孔直徑宜為70～120mm；注漿材料強度等級不低于M10；坡面上下段鋼筋網搭接長度應大于300mm；土釘的長度宜為開挖深度的0.5-1.2倍，間距宜為1-2m，與水平面夾角宜為5-20o。承壓板與土釘、加強鋼筋螺栓連接或焊接。第五十九頁，共79頁。本講要點重點掌握水泥土擋墻的設計要點：荷載、強度、穩定（傾覆、滑動、整穩）土釘墻的設計要點：土釘承載力和整穩第六十頁，共79頁。3.8SMWSMW擋土墻是先施工水泥土擋墻，最后按一定的形式在其中插入型鋼（如H鋼），即形成一種勁性復合圍護結構。：止水好，剛度大，構造簡單，型鋼插入深度一般小于攪拌深度，型鋼可回收重復使用，成本較低。SMW適宜的基坑深度為6～10m，國外開挖深度已達20m。要求型鋼間距不能過大，保證水泥土的強度由受剪，受壓控制。第六十一頁，共79頁。（a）全位“滿堂”；（b）全位“1隔1”（c）全位“1隔2”；（d）半位“滿堂”；（e）半位“1隔1”第六十二頁，共79頁。1.型鋼凈間距的確定保證型鋼間的水泥土在側向水土壓力作用下不產生彎曲應力第六十三頁，共79頁。2.水泥土強度校核“連續”截面剪力第六十四頁，共79頁。型鋼“間隔”布置驗算拱的軸力強度第六十五頁，共79頁。3.9逆作拱墻在基坑四周場地都允許起拱的條件下（基坑各邊長L的起拱矢高），可以采用閉合的水平拱圈來支擋土壓力以圍護基坑的穩定，采用閉合的水平拱圈來支擋土壓力以圍護基坑的穩定；拱結構是以受壓力為主，能更好地發揮混凝土抗壓強度高的材料特性，而且拱圈支擋高度只需在坑底以上第六十六頁，共79頁。這個閉合拱圈可以由幾條二次曲線圍成的組合拱圈（曲率不連續），也可以是一個完整的橢圓或蛋形拱圈（曲率連續）。安全可靠，每道拱圈分別承受該道拱圈高度內的壓力，不相互影響；節省工期，施工方便；節省擋土費用，用拱圈支護的費用僅為用擋土樁的40%~60%。而且，基坑越深，經濟效益越顯著。第六十七頁，共79頁。1.截面形狀第六十八頁，共79頁。2.拱墻計算逆作拱墻結構型式根據基坑平面形狀可采用全封閉拱墻，也可采用局部拱墻，拱墻軸線的矢跨比不宜小于1/8，基坑開挖深度h不宜大于12m。當基坑開挖深度范圍或基坑底土層為砂土時，應按抗滲透條件驗算土層穩定性；當基底土層為粘性土時，基坑開挖深度滿足下列抗隆起驗算條件：第六十九頁，共79頁。均布荷載作用下，圓形閉合拱墻結構軸向壓力設計值應按下式計算：

圓拱的外圈半徑；拱墻分道計算高度

在分道高度范圍內的基坑外側水平荷載標準值的平均值。第七十頁，共79頁。3構造混凝土強度等級不宜低于C25；拱墻截面宜為Z字型，拱壁的上、下端宜加肋梁；當基坑較深且一道Z字型拱墻的支護高度不夠時，可由數道拱墻疊合組成；肋梁，其豎向間距不宜大于2.5m。圓形拱墻壁厚不應小于400mm，其他拱墻壁厚不應小于500mm。拱墻結構水平方向應通長雙面配筋，總配筋率不應小于0.7%。第七十一頁，共79頁。3.10逆作法施工

深地下室的常規施工是通過臨時支護基坑坑壁，開挖至預定深度后，澆底板并由下而上施工各層地下室結構，待地下室完工后，再逐層進行地上結構的施工。利用地下連續墻采用逆作法施工較深的多層地下室，成為發展的方向，這已在國內外到得了顯著的效果。第七十二頁，共79頁。逆作法施工工藝是先沿建筑物外圍施工地下連續墻，作為地下室的邊墻或基坑的圍護結構。