第七章基坑工程

buildingfoundationpit2025/5/251巖土工程設計-基坑工程本章內容7.1概述7.2支護結構的受力與破壞形式7.3支護板樁的設計計算2025/5/252巖土工程設計-基坑工程7.1概述一、基坑工程的概念基坑工程是指為挖除主體工程地下結構所在空間的土方而需要的設施和施工作業，一般情況下包括基坑支護、降水、土方開挖和施工監測等工程內容。隨著城市建設的發展，人們對三維立體化空間的需求不斷增長，一方面城市高層建筑成為發展趨勢，建筑基坑越挖越深；另一方面，地下空間的開發利用也已成為發展方向之一。地鐵、地下商城、地下油庫和地下停車場等大型建筑物不斷增多。基坑工程已經成為城市巖土工程的主要內容之一。已出現了30多米埋深的地下室，各種深基坑支護的設計計算方法，施工工藝不斷產生。基坑開挖與城市建設密集、地下管線眾多、建設場地狹小，周圍環境要求高等不利因素的矛盾突出，提出了許多新的問題。2025/5/253巖土工程設計-基坑工程7.1概述二、基坑工程研究的主要內容1.基坑支護方面①支護結構形式②支護結構設計計算③支護結構設計④支護結構的穩定性驗算2.基坑降水方面①降水方法的選擇②降水方法的設計計算③降水設計④降水方案驗算（預測）⑤降水施工⑥降水系統的安裝與運行2025/5/254巖土工程設計-基坑工程7.1概述3.土方開挖①土方開挖方案的制定②土方開挖機械的選擇③土方施工4.基坑工程監測與控制①監測方法的選擇②監測的內容③監測的儀器及精度要求5.基坑工程環境效應與對策①地面沉降問題②建筑物、管線變形破壞問題2025/5/255巖土工程設計-基坑工程7.1概述三、深基坑支護工程特點

1.與自然地質及環境條件密切相關

2.與主體結構地下室的施工密切相關，施工操作性和工期要求較高。

3.技術綜合性強巖土工程知識和經驗；建筑結構和力學知識；施工經驗；工程所在地的施工條件。4.設計與施工完全依賴，密不可分。2025/5/256巖土工程設計-基坑工程7.1概述四、支護結構類型1.按結構受力特點劃分類別特點常用方法及優缺點被動受力支護結構支護結構依靠自身的結構剛度和強度被動地承受土壓力，限制土體變形，從而保持邊坡的安全穩定。常用的方法有多種類型的樁，支撐圍護結構及地下連續墻等。一般是傳統的支護方法，在工程中采用率較高，但這種方法造價高、工期長、施工難度大，其局限性日漸突出。目前基坑支護主要是采用這種支護類型。主動受力支護結構是通過不同的途徑和方法提高土體的強度，使支護材料與土體形成共同作用體系，從而達到支護安全穩定的目的。常用的方法有土釘支護技術，樹根樁技術及黏土地區的攪拌樁技術等。該支護結構是當前國內外較為流行的方法，其最大的特點在于其安全度較高，施工簡單方便，工期較短，造價低，噪聲污染小，彌補了傳統支護方法的許多缺點，因此深受巖土工程界青睞，特別是最近幾年發展比較快，其中土釘技術是比較廣泛應用的方法之一。組合結構形式據土體力學性質，將前兩類支護方法同時應用于同一個基坑工程中。表現出具有兩種支護方法的優點，在許多工程中得到了成功的應用，表現出很大的優勢和潛力。2025/5/257巖土工程設計-基坑工程7.1概述2、按開挖方式分類2025/5/258巖土工程設計-基坑工程7.1概述3按支護結構分類2025/5/259巖土工程設計-基坑工程7.1概述五、選擇支護結構的基本依據

1.基坑的形狀、平面尺寸、開挖深度和基礎施工要求；

2.基坑結構所承受的各種荷載及變形等參數要求。側荷載、垂直荷載、風、地面超載、塔吊、坡道等；

3.水文地質、工程地質條件：含水層、隔水層的分布，土的建筑性能，如膨脹土、收縮土、崩解土、土的水理性質、強度。滯留水，可打完引出。現要求基坑支護中畫流網圖。目前的基坑出現問題不僅是設計上的。如勘察基坑應在45°+φ/2的范圍內，但現在只限制在基坑內；

4.基坑一定范圍內的環境問題：上、下水，煤氣、預埋管道，原有地下建筑物（地道等），附近建筑物的基礎類型，交通流量等；

5.工期和造價；

6.場地相同單元上基坑成功及失敗教訓。2025/5/2510巖土工程設計-基坑工程7.1概述選擇支護類型方案流程：目前國內基坑支護類型比較多，但常用的支護類型方案主要可歸納為五種，如按其造價，選擇流程如左圖。2025/5/2511巖土工程設計-基坑工程7.1概述2025/5/2512巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式

7.2.1支護結構的受力性狀（1）懸臂式板樁：插入土體部分視為固定端，上部為自由端；即看作懸臂梁結構。（2）淺埋單錨式板樁：插入土體部分視為固定鉸，上部錨拉作用點為活動鉸；即看作簡支梁結構。（3）深埋單錨式板樁：插入土體部分視為固定端，上部錨拉作用點為活動鉸；即看作靜不定梁結構。（4）多層錨拉式板樁：插入土體部分視為固定端，上部各個錨拉作用點為活動鉸；即看作連續梁結構。2025/5/2513巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式7.2.2支護結構的側向土壓力計算一、側土壓力的判定作用在坑底以下支護BC段上的土壓力是否會曾至被動土壓力，取決于墻后作用的主動土壓力大小。如果基坑開挖較深，而支護入土深度又較小，則主動土壓力較大，為了平衡，墻前土壓力將得以充分發揮，以至BC整段均達到被動土壓力。如基坑開挖較淺而圍護墻入土深度又相對較大，則作用在BC段的墻前土壓力將達不到被動土壓力，或者在該段的上半部會達到而下半段則達不到。2025/5/2514巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式產生主動或被動土壓力所需的墻頂位移表土類應力狀態位移形式所需位移砂土主動平移或繞基底轉動0.001H被動平移0.05H被動繞基底轉動0.1H粘土主動平移或繞基底轉動0.004H被動－－墻位移與土壓力的關系圖剛性擋上墻上的土壓力是否達到主動或被動極限平衡狀態，可參考下表所示的墻頂位移來判定。2025/5/2515巖土工程設計-基坑工程二、支護結構上的側向土壓力計算關于基坑樁墻側向土壓力計算模式很多，主要采用的有以下兩大類：（1）以Rankine、Coulomb等理論公式計算的土壓力；使用時應注意地基土的c、φ的取值。計算時還應考慮地面荷載、地面不規則幾何形狀等對樁墻側土壓力的影響。土壓力與水壓力可分開計算，也可合并計算；合并計算時地下水以下土的重度取飽和含水重度，降水后土層按稍濕狀態考慮。對于粘性土，可忽略粘聚力，適當增加內摩擦角來計算。（2）由土壓力計等測定換算的實測值為基礎的土壓力分布模型(圖示法)或側壓系數法，圖示法中采用較多的是Terzaghi-Peck所建議的土壓力分布模型法。7.2支護結構的受力與破壞形式2025/5/2516巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式三、規范方法（一）水平荷載的標準值

1.對于碎石土和砂土

砂土層軟-中硬土層硬黏土層土壓力計算圖（Terzaghi-Peck所建議的模型法）2025/5/2517巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式(1)計算點位于地下水位以上時

(2)計算點位于地下水位以下時

式中：——第i層土主動土壓力系數；

——作用于深度zj處豎向應力標準值kN；

——計算點深度m；

——計算參數，當，取；當，取；

——基坑外側水位深度m；

——計算系數，當時，取1；當時，取0；

——水的重度kN/m3。2025/5/2518巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式基坑支護水平荷載計算示意圖2025/5/2519巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式2.對于粉土及黏性土當按以上規定計算的基坑開挖面以上水平荷載標淮值小于零時，應取零。3.基坑外側豎向應力標準值σajk計算

σajk=σrk+σ0k+σ1k

（1）計算點深度zj處自重應力σrk(a)計算點位于基坑開挖面以上時

σrk=γmjzj式中γmj——深度zj以上土的加權平均重度；(b)位于開挖面以下

σrk=γhmh

式中：γhm——開挖面以上土的加權平均重度

2025/5/2520巖土工程設計-基坑工程（2）當支護結構外側地面滿布附加荷載q0

時(見圖)，基坑外側任意深度附加豎向應力標準值σ0k可按下式確定：

σ0k=q0式中q0——地面均布荷載(kN/m2)。

（3）當距支護結構b1外側，地表作用有寬度b0的條形附加荷載q1時，見圖。基坑外側深度CD范圍內的附加豎向應力標準值σ1k按下列式確定：

σ1k=q1b0/b0+2b1

（4）上述基坑外側附加荷載作用于地表以下一定深度時，將計算點深度相應下移，其豎向應力也可按上述規定確定。

7.2支護結構的受力與破壞形式2025/5/2521巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式

2025/5/2522巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式（二）水平抗力標準值計算：參照附圖水平抗力標準值計算圖1.對砂土及碎石土，基坑內側抗力標準值：

epjk=σpjkKpi+2cik√Kpi+(zj-hwp)(1-Kpi)γw

式中σpjk——作用于基坑底面以下深度zj處的豎向應力標準值(kPa)；

Kpi——第i層土的被動土壓力系數。2.對粉土及粘性土，基坑內側水平抗力標準值：

epjk=σpjkKpi+2cjk√Kpi3.作用于基坑底面以下深度zj處的豎向應力標準值

σpjk=γmjzj式中γmj——深度zj以上土的加權平均天然重度(kN/m3)。

2025/5/2523巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式7.2.3支護結構的破壞形式1.支護結構的破壞形式：

(1)支錨結構系統破壞；(2)板樁底部向基坑內側移動；

(3)板樁彎曲破壞；(4)整體圓弧滑動；(5)隆起、管涌。2025/5/2524巖土工程設計-基坑工程7.2支護結構的受力與破壞形式2.支護結構設計應考慮的問題（1）確保錨桿（支撐）的強度與穩定；（2）支護結構（墻）的入土深度應滿足要求；（3）支護結構（墻）截面尺寸、間距、抗彎強度夠用；（4）基坑底穩定驗算滿足要求。2025/5/2525巖土工程設計-基坑工程支護板樁或樁排式擋墻是一種柔性結構，因而允許有限的變形。主動土壓力在0.001～0.004倍坑深的微小位移時即能發生；被動土壓力需很大位移量（5％）才能產生，往往是板樁不允許的，所以被動土壓力不能全部采用。有的只取計算結果的30％。7.3.1懸臂式板樁設計計算無支撐或錨定，完全依靠入土深度保持穩定，適用于深度不大（＜6m）的基坑支護等臨時工程。懸臂式板樁主要是求算其入土深度和最大彎矩。7.3支護板樁的設計計算2025/5/2526巖土工程設計-基坑工程

1.臂式排樁、地下連續墻嵌固深度計算參照附圖所示。嵌固深度設計值hd按下列規定確定：

hp∑Epj-1.2γ0ha∑Eai≥0式中∑Epj——樁、墻底以上基坑內側各土層水平抗力標準值epjk的合力之和；

hp——合力Epj作用點至樁、墻底的距離；∑Eai——樁、墻基坑底以上外側各土層水平荷載標準值eajk的合力之和；ha——合力Eai作用點至樁、墻底距離；

γ0——建筑基坑側壁重要性系數，按安全等級，一級γ0=1；二級γ0=1.0，三級γ0=0.9。7.3支護板樁的設計計算2025/5/2527巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算2.求最大彎矩Mmax作用點,該點處結構內剪力為零，列方程求解或試算。3.求最大彎矩Mmax4.求板樁截面尺寸最大彎矩/允許彎曲應力＝截面橫量（鋼板樁）鋼筋混凝土樁(試算)2025/5/2528巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算(1)對于鋼板樁或鋼管樁截面橫量(2)鋼筋混凝土樁(試算)《混凝土結構設計規范》（GBJ10－89）σw-為鋼材的允許彎曲應力2025/5/2529巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算式中：M－彎矩設計值，N·mm；A－樁截面積，mm2；As－縱向鋼筋全截面積，mm2；r－樁截面圓半徑，mm；rs－鋼筋分布半徑，mm；α－反映受壓混凝土面積的角，即弓形面積對應圓心角除以2π的值；αt－受拉鋼筋面積與縱鋼筋全面積的比值；fcm－混凝土彎曲抗壓強度設計值，查表。樁直徑或邊長＜300mm時，乘以0.8折減，N/mm2；fy－鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2。2025/5/2530巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算為簡化計算，取則得計算步驟：

1.假定鉆孔樁直徑及其配筋情況，由（4）和（3）求出α與αt。

2.再由（1）式求出鉆孔樁的彎矩設計值，與板樁計算彎矩值相比K＝1.5～2。2025/5/2531巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算7.3.2單錨式板樁的計算一、墻的變形與土壓力分布墻頂部設有橫向支撐式拉錨，受力后有兩種可能變形：(a)“自由支座”情況(簡支梁)(b)“固定支座”情況(等值梁)2025/5/2532巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算當板樁插入土中的深度t較小時，其撓曲變形如圖（a）所示，板樁下不出現反彎點，可將板樁底端視作“自由支座”，，保證板樁的穩定，不產生過大位移。當t較大時，板樁撓曲變形為另一種情況（b），出現反彎點0，將其視為“固定支座”，用等值梁法計算。二、“自由支座”情況——視為簡支梁考慮求：支撐（錨拉）力RA，入土深度t，最大彎矩Mmax1.對RA作用點，并考慮被動土壓力折減2025/5/2533巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算得代入整理得可求解三次方程火試算得出t1。

2.2025/5/2534巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算3.板樁墻上剪力Q＝0處為Mmax的作用點4.求Mmax5.求板樁截面尺寸，同前。實際入土深度：t＝1.15t1實際RA：RA＝（1.35～1.4）RA計算2025/5/2535巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算（三）“固定支座”情況（靜不定問題）（a）等值梁（b）板樁上土壓力分布（c）板樁彎矩圖（d）等值梁采用等值梁法，ab為一根梁，一端簡支，另一端固定，其反彎點在c點。如在c點切斷ab梁，并于c點置一自由支承形2025/5/2536巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算成ac梁，則ac梁上的彎矩圖將保持不變，此ac梁即為ab梁上ac段的等值梁。為簡化計算，不考慮△的差別，即用土壓力強度等于零點的位置來代替反彎點的位置。設計步驟：1.計算作用于板樁上土壓力強度，并繪出土壓力分布圖，可以考慮摩擦作用對土壓力的影響，t1深度以下土壓力可暫不繪出。2.求t0，由于d點主、被動土壓力強度相等，即2025/5/2537巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算

3.按簡支梁求等值梁的支反力RA，t0處反力P0和最大彎矩Mmax（注意圖中a、0點是否重合，等或不等）：∑Md＝0，求RA∑Ma＝0，求P04.Mmax求法同前5.計算板樁最小入土深度t1x可根據P0和墻前被動土壓力對板樁底端e點力矩相等求得：設墻土間的摩擦角為δ一般墻面平滑、排水不良時，δ＝（0～1/3）φ；墻面粗糙、排水良好時，δ＝（1/3～1/2）φ。2025/5/2538巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算等值梁法計算彎矩過大，實際使用時可以取經驗折減系數（0.6～0.8）之間，一般取0.74。6.求板樁截面性狀尺寸，同前。7.Ra=(1.35～

1.4)RA計算。2025/5/2539巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算7.3.3多錨（撐）支護設計計算當多層錨(撐)的位置不同時，其土壓力分布和墻板內力各不相同。一般說來，如果附近地基不容許發生位移，則應對橫撐(或錨桿)施加相當于靜止土壓力的預應力，那么作用在地下墻板上的土壓力就接近于靜止土壓力，且防止了由墻板撓曲而產生的地基變形；如果不對撐(或錨)施加預應力，而是在開挖后墻板已產生了位移的倩況下所加設的，則該土壓力就接近主動土壓力。雖然該土壓力變小了，但附近地基的位移卻增大了。2025/5/2540巖土工程設計-基坑工程實際上，根據實測，對坑壁墻板支撐(或錨)不施加預應力，則其作用于墻板上的土壓力大體上是在靜止土壓力和主動土壓力之間，附近地基的位移，也大致如此。7.3支護板樁的設計計算多錨（撐）基坑支護結構內力計算方法二分之一分擔法逐層開挖法等值梁法山肩邦男法2025/5/2541巖土工程設計-基坑工程一、錨（撐）支護結構的層間距布置型式及特點（1）等彎矩布置：各跨度的最大彎矩相等，可充分利用板樁的抗彎強度；但是較深基坑，下部的支錨層距過小，層數多，不經濟。（2）等反力布置：各層支錨水平反力基本相等，使錨桿設計簡化；但當基坑較深時，下部的支錨層距過小，層數多，同樣不經濟。（3）等間距布置：支錨結構的上、下排間距基本相同，基坑較深時，減少了支錨層數，較經濟；但帶來了較復雜的計算量。等間距布置在工程實際中設計最為普遍。7.3支護板樁的設計計算2025/5/2542巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算等彎矩布置等反力布置等間距布置2025/5/2543巖土工程設計-基坑工程一、二分之一分擔法（一）方法簡介多支撐連續梁的一種簡化計算用二分之一分擔法，計算較為簡便。Terzaghi和Peck根據柏林和芝加哥等地鐵工程基坑擋土結構支撐受力測定，以包絡圖為基礎，以二分之一分擔法將支撐軸力轉化為土壓力，提出土壓力分布圖。反之，如土壓力分布圖已確定，則可以用二分之一分擔法來計算多支撐的受力。

1.這種方法不考慮樁、墻體支撐變形;

2.將支撐承受的壓力（土壓力、水壓力、地面超載等）w為墻后土壓力各支撐承受壓力的一半;7.3支護板樁的設計計算2025/5/2544巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算二分之一分擔法計算簡圖3.土壓力分布圖已確定。求支撐受的反力，然后求出正負彎矩、最大彎矩，以核定土樁的截面及配筋，這種計算較方便。2025/5/2545巖土工程設計-基坑工程（二）設計計算

1.計算主動土壓力系數、被動土壓力系數和式中：φ——土的內摩擦角；

Ka——主動土壓力系數；

Kp——被動土壓力系數。式中：q——地面荷載；

γ——土的重度；

H——地面到基坑底的距離（基坑開挖深度）。

7.3支護板樁的設計計算2025/5/2546巖土工程設計-基坑工程2.計算各支撐點（錨固點）的支撐力（錨固力）式中RB——B點的錨固力（支撐力）；

RC——C點的錨固力（支撐力）；

RD——D點的錨固力（支撐力）；

RE——E點的錨固力（支撐力）；

Ro——零彎點處的土壓力；

l1——B點距地面高度；

l2——B點C點間的距離；

l3——C點D點間的距離；

l4——D點到E點的高度。

l5——E點距坑底的高度。

7.3支護板樁的設計計算2025/5/2547巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算3.計算各錨固點（支撐點）的彎矩MC、MD、ME（略）二、逐層開挖支撐力不變法多層支護的施工是先施工擋土樁或擋土墻，然后開挖第一層土，挖到第一層支撐或錨桿以下若干距離，進行第2025/5/2548巖土工程設計-基坑工程一層支撐或錨桿施工。然后第二次挖第二層土，挖到第二層支撐支點以下若干距離，進行第二層錨桿施工。如此循環作業，直挖到坑底為止。其計算方法是根據實際施工，按每層支撐受力后不因下階段支撐及開挖而改變數值的原理進行的。（一）假設條件1.每層支撐受力后不因下階段開挖支撐設置而改變其數值，鋼支撐加軸力，錨桿加預應力。2.第一層支撐后，第二層開挖時其變形甚小，認為不變化。第二層開挖支撐后開挖第三層土方，認為第二層變形不變化。3.第一層支撐階段，挖土深度要滿足第二層施工的需要，第二層支撐時挖土深度要滿足第三層施工的需要。7.3支護板樁的設計計算2025/5/2549巖土工程設計-基坑工程7.3支護板樁的設計計算4.每層支撐后其支點計算時可按簡支考慮。 5.逐層開挖支撐時皆須考慮坑下零彎點距離，即近似為零點距離。（二）計算方法1.求RB支點水平力，如圖所示。基坑開挖到B點以下若干距離（滿足支撐施工