单支点排桩支护结构设计示例分解.docx
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单支点排桩支护结构设计示例分解
基坑支护结构设计
一．基坑侧壁安全等级的确定
基坑支护结构设计与其它建筑结构设计一样，要求在规定的时间和规定的条件下，完成各项预定功能。
不同的基坑工程，其功能要求则不同。
为了区别对待各种不同的情况,《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）根据支护结构破坏可能产生后果的严重程度，把基坑侧壁划分为不同的安全等级。
建筑基坑支护结构设计应根据表1选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。
基坑侧壁安全等级及重要性系数表1
安全等级
破坏后果
γ0
一级
支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围环境及地下结构施工影响很严重；
1.10
二级
支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围环境及地下结构施工影响一般；
1.00
三级
支护结构破坏、土体失稳或过大变形，对基坑周围环境及地下结构施工影响不严重
0.90
建筑基坑分级的标准各种规范不尽相同，《建筑地基基础工程施工质量验收规范》对基坑分级和变形监控值的规定如表1-2。
基坑变形监控值（cm）表2
级坑类别
围护结构墙顶位移监控值
围护结构墙体最大位移监控值
地面最大沉降监控值
一级基坑
3
3
3
二级基坑
6
8
6
三级基坑
8
10
10
注：
1.符合下列情况之一，为一级基坑：
重要工程或支护结构做主体结构的一部分；
开挖深度大于10m；
与临近建筑物、重要设施的距离在开挖深度以内的基坑；
基坑范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护的基坑。
2．三级基坑为开挖深度小于7m，且周围环境无特殊要求的基坑。
3．除一级和三级外的基坑属于二级基坑。
4．当周围已有的设施有特殊要求时，尚应符合这些要求。
基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算；对于安全等级为一级的及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。
二．计算参数的确定
基坑工程支护设计的主要计算参数，包括土的重力密度γ及土的抗剪强度指标c、φ值。
对于超固结土，用常规试验方法进行剪切试验获得的粘聚力，包括真粘聚力和表观粘聚力两部分，其中表观粘聚力比真粘聚力要大的多。
而超固结土一旦遇水，表观粘聚力迅速下降至真粘聚力。
因此应对试验给出的粘聚力值进行折减后，才能用于基坑工程设计。
根据长春地区的工程经验，将c值乘以0.4～0.5的折减系数，给出设计计算参数ｃ、φ和γ值。
为了将土压力分布表为直线，,应求出基坑底面以上及基坑底面至桩端处的平均土性指标。
平均重度：
平均粘聚力：
平均内摩擦角：
根据长春地区的工程经验，鉴于本工程的实际情况，将c值乘以0.4～0.5的折减系数，给出设计计算参数ｃ、φ和γ值如表
（二）所示：
某基坑工程主要计算参数表3
层号
岩土
名称
层厚
ｍ
实验给出参数
设计计算参数
C
kPA
φ
°
γ
KN/m3
C
kPA
φ
°
γKN/m3
①+②
杂填土粉质
粘土
2.8
22.6
16.0
18.0
11.3
16.0
18.0
③
粉质
粘土
1.6
48.6
18.0
19.1
21.9
18.0
19.1
④
粉质
粘土
3.9
40.5
20.5
19.6
18.2
20.5
19.6
⑤
粘土
4.3
55.4
15.0
20.2
22.2
15.0
20.2
⑥
粘土
1.6
45.0
15.0
20.1
20.2
15.0
20.1
⑦
粘土
4.5
94.6
14.5
20.3
37.8
14.5
20.3
⑧
粉质
粘土
1.5
106.3
14.0
19.9
42.5
14.0
19.9
三．荷载计算
作用在支护结构的荷载包括：
土压力、水压力、施工荷载、地面超载等。
①土压力：
土压力是指土体作用在支护结构上的侧向压力，它是由土体的自重产生的。
②地面荷载：
地面临时荷载一般包括建筑材料、临时堆放待运弃土及施工机械等。
地面临时荷载可按20～30KN/m2计算，它基本上可以包罗现场各种各样的临时荷载。
③水压力：
在地下水位较高的地区，基坑内外存在着水位差，将对支护结构产生水压力。
《建筑基坑支护技术规程》中建议，对于粘性土可采用水压力与土压力合算的方法，即对作用在支护结构上的土压力，用土的天然重度和总应力抗剪强度指标进行计算，不另计水压力。
作用在支护结构上的荷载，可按《建筑基坑支护技术规程》给出的支护结构水平荷载标准值及水平抗力标准值计算表达式进行计算。
1．水平荷载标准值（主动土压力）
《建筑基坑支护设计规程》中规定：
对于粉土及粘性土，支护结构水平荷载标准值可按下式计算。
式中σajk——作用于深度zj处的竖向应力标准值；
式中σγk—计算点深度zj处自重竖向应力；
计算点位于基坑开挖面以上时：
式中γmj—深度zj以上土的加权平均重度；
zj—计算点深度。
计算点位于基坑开挖面以下时：
式中—开挖面以上土的加权平均重度；
σ0k—当支护结构外侧，地面作用满布附加荷载q0时，基坑外侧任意点附加竖向应力标准值，可按下式确定：
cik——第i层土粘聚力标准值；
Kai——第i层土主动土压力系数。
Kai=tan2（45°-Φik/2）
式中φik——第i层土的内摩擦角的标准值。
由于土压力呈直线变化，按上述公式计算主动土压力时，可取三个计算点，即基坑顶面处（Z=0）、基坑底面处（Z=H）、基坑底面以下（Z＞H）。
当按上述公式计算的基坑开挖面以上水平荷载标准值小于零时，则取其值为零。
按上述公式计算主动土压力：
①zj=0时（基坑顶面处）
σa0k=18.0×0+30=30KN/m2
Kao=tan2（45°-16°/2）=0.568
√Kao=tan（45°-16°/2）=0.754
cik=11.3kpa
ea0k=30×0.568-2×11.3×0.754=0
②zj=11.2m时（基坑底面处）
为了将水平荷载分布表为直线，求zj≤11.2m范围内的平均土性指标，
平均重度：
=（18×2.8+19.1×1.6+19.6×3.9+20.2×2.9）/11.2=19.3KN/m3
平均粘聚力：
cmh=（11.3×2.8+21.9×1.6+18.2×3.9+22.2×2.9）/11.2=18.0KN/m2
平均内摩擦角：
φmh=（16.0×2.8+18.0×1.6+20.5×3.9+15.0×2.9）/11.2=17.6°
平均主动土压力系数：
=tan2（45°-17.6°/2）=0.536
=19.3×11.2+30=246.2KN/㎡
eahk=246.2×0.536-2×18.0×0.732=105.6KN/㎡
③zj＞11.2时（基坑底面以下）
=19.3×11.2+30=246.2KN/m2
eajk=246.2×0.536-2×18.0×0.732=105.6KN/m2
图（3-3）水平荷载标准值计算简图
2．水平抗力标准值（被动土压力）
基坑内侧水平抗力标准值epjk，按下式计算
式中—作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值
=γmjzj
γmj——深度zj以上土的加权平均天然重度
zj—基坑底面至计算点的距离
——第i层土的被动土压力系数
①zj=0时（基坑底面处）
σpjk=γmiZj=0
cik=22.2KN/㎡
Φjk=15.0°
γjk=20.2KN/m3
√K=tan（45°+15°/2）=1.303
epjk=0+2×22.2×1.303=57.9KN/m2
②zj=9.0m时（设hd=9m桩端处）
为了将水平抗力分布表为直线,求基坑底面以下zj=9m范围内的平均土性指标
平均重度：
=（1.4×20.2+1.6×20.1+4.5×20.3+1.5×19.9）/9.0
=20.2KN/m3
平均粘聚力：
cm=（.4×22.2+1.6×20.2+4.5×37.8+1.5×42.5）/9.0
=33.0KN/m2
平均内摩擦角：
Φm=（15.0×1.4+15.0×1.6+14.5×4.5+14.0×1.5）/9.0
=14.6°
平均被动土压力系数：
Kpm=tan2（45+14.6/2）=1.674
σpjk=γmiZj=20.2×9.0=181.8KN/m2
epjk=181.8×1.674+2×33.0×1.294=389.7KN/㎡
图（3-4）水平抗力标准值计算简图
四．单支点桩锚支护结构设计计算（等值梁法）
《建筑基坑支护技术规程》规定,对单支点支护结构,可以用“等值梁”法确定其嵌固深度及结构内力。
1．“等值梁”法的基本原理
“等值梁”法基本原理如图（３）所示：
图（３）
图中ab梁一端固定,另一端简支,其弯矩图的正负弯矩在c点转折,若将ab梁在c点切断,并于c点置一自由支承,形成ac梁,则梁上的弯矩将保持不变,即称ac梁为ab梁上ac段的“等值梁”。
ac梁为静定结构,可按静力平衡条件求解ac梁段的内力。
2．单支点桩锚支护结构的计算简图
当桩的入土深度较深（hd=hmax）时，桩前、桩后均出现被动土压力，支护结构在土中处于嵌固状态，可视为上端简支，下端嵌固的超静定梁。
桩体中弯矩值大大减小，并出现正负两个方向的弯矩。
这种工作状态，所要求桩的截面模量较小，桩体入土部分的位移也较小，稳定性好，安全可靠。
固定端式锚桩，虽然比自由端式锚桩的入土深度大，但其桩体的最大弯矩值小，截面配筋量少，锚杆轴向拉力亦小，对桩与锚杆的设计均有利，而且造价相差不大。
因此，采用固定端式锚桩比自由端式锚桩更为合理。
单支点锚桩的锚点位置变化时，桩体沿深度方向的水平位移和弯矩则不同。
从理论上讲，随着锚点位置的降低，锚点处的弯矩值M1增大，桩的最大弯矩值Mmax减小，T1增大。
当锚点降至某一位置时，有M1=Mmax，若继续降低则出现M1＞Mmax。
因此，当M1=Mmax时，Mmax为最小，同时锚桩的入土深度及造价比也达到最小。
故根据M1=Mmax确定锚点的位置是最优的。
但在实际工程中，常常为了抢工期，不能等待锚杆达到一定强度后才开挖，。
因此，确定锚点设置深度应留有一定余地，不能太大，以保证安全。
综合考虑支护结构变形和受力两方面的因素，单支点锚桩的锚点设置深度应取hT0=0.4H左右为宜。
单支点桩锚支护结构的计算简图，如图（3）所示：
3．“等值梁“法计算内力
（1）确定弯矩零点的位置
用“等值梁”法计算单支点支护结构，首先要知道弯矩零点的位置。
研究表明：
单支点支护结构的弯矩零点与基坑底面以下土压力为零的点位置相近，计算时可取该点作为弯矩零点。
设：
基坑底面至弯矩零点的距离为hcl，
根据ea1k=ep1k
ea1k=1.3（γmjhc1Kpi+2cik√Kpi）
可求得hC1
hc1=（105.6/1.3-2×1.303）/（20.2×1.689）=0.7m
（2）计算支点力Tcl
计算简图如图（4），根据∑Mc=0得Tc1=（Ea1ha1+Ea2ha2-Ep1hp1-Ep2hp2）/（hT1+hc1）
（3）计算支点力Tcl（取桩间距Sa=1.2m作为计算单元）
计算简图如图（3-7），根据∑Mc=0
图（3-7）
得Tc1=（Ea1ha1+Ea2ha2-Ep1hp1-Ep2hp2）/（hT1+hc1）
Eai=1/2×105.6×11.2×1.2=709.6KN
ha
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