水泥搅拌桩基坑支护工程的设计计算书secret.docx

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水泥搅拌桩基坑支护工程的设计计算书secret

第一章设计方案综合说明书

1.1设计依据

（1）本工程的岩土工程勘察报告；

（2）本工程建筑总平面图及地下层平面图；

（3）有关设计计算规范及规程：

《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）；

《混凝土结构设计规范》（GBJ50010-2002）；

《钢结构设计规范》（GBJ7-89）；

④《基坑土钉支护技术规程》（CECS96：

97）；

⑤《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）；

（4）场地的周边环境条件；

（5）业主的投标邀请书。

1.2工程概况

建设场地位于海宁路和吴淞路的交叉口，地貌类型属滨海平原。

场地地下水属潜水类型，水位动态变化受大气降水影响较大。

场地土层以淤泥质土、粘土和粉土为主，渗透系数小于10-6，在设计中取地下水埋深为1.00m。

1层地下室。

建筑物基础形式为桩基础。

1.3场地工程地质概况

根据工程勘察报告，影响基坑支护范围内的各土层自上而下为：

①∽1填土：

杂色，松散，湿，由松散粘性土夹碎砖、小石子、煤渣等建筑生活垃圾组成。

埋深0.4∽1.31m，层厚0.4∽1.31m；

①∽2滨填土：

灰黑色淤泥，饱和，夹有腐植物、有机质及细小石子。

埋深1.1~3.26m，厚约0.7∽1.95m；

②粘土：

褐黄-灰黄，很湿，软-流塑，土质尚均，夹粉性土，含氧化铁锈斑，

下部土质较软弱，该层在明滨和暗滨区缺失。

埋深1.6∽4.6m，厚约0.5∽1.34m；

③∽1砂质粉土夹淤泥质粉质粘土：

灰色，饱和，稍密，土质不均，以砂质粉土为主，局部为粘质粉土，夹淤泥质粘性土，含云母。

埋深4.0∽8.13m，厚约2.4∽3.53m；

③∽2淤泥质粉质粘土：

灰色，饱和，流塑，土质尚均，较软弱，夹薄层状或团块状粉性土，含云母。

埋深5.5∽10.94m，厚约1.5∽2.8m；

④淤泥质粘土：

灰色，饱和，流塑，土质尚均，软弱，切面光滑。

埋深13.6∽22.15m，厚约8.1∽11.21m。

建设场地位于滨海平原上，场地地下水属潜水类型，水位动态变化受大气降水影响较大。

雨季水量较丰富。

场地土层以粉土、淤泥质土和粘土为主，透水性很弱。

1.4场地周边环境

本工程位于海宁路和吴淞路的交叉口，地处闹市区。

基坑四周为道路和已有建筑，地下管线密集，场地较为平坦。

地貌类型属滨海平原。

1.5设计思路

（1）本工程的特点是基坑开挖深度大，深度7.5m，基坑紧邻十字路口，四周

有建筑物。

（2）支护形式采用：

上部3米土钉墙支护，下部4.5米SMW工法围护加一

道内撑，有效地控制基坑侧壁的位移。

（3）基坑范围土层除上部1米左右的填土层外，其下多为粘性土、淤泥质土，

土质软弱，土体的渗透性较弱，所以土钉墙部分围护无需采取止水措施。

下部SMW工法水泥墙主要起到止水挡土作用。

（4）本基坑的开挖深度和周围环境条件，考虑采用以下支护方案：

在设计深

度范围内作水泥搅拌桩，插入H型钢至设计深度。

开挖过程中，上部做两道土钉墙，下部一道内撑。

（5）由于本基坑空间尺寸大，为了有效地控制基坑变形，内支撑宜采用混凝

土支撑，以减小支护结构顶端的变形，增加整个支护系统的安全性。

1.6支护方案选择

综合考察现场的周边环境等条件，根据建设单位对基坑支护工程的具体要求，本着“安全可靠，经济合理，技术可靠，方便施工”的原则，我们设计了以下基坑支护方案：

①基坑上部3米作两道土钉。

下部采用SMW工法加一道内撑；

基坑SMW工法水泥墙采用直径700，搭接200的单排双头搅拌桩；

坑内采用轻型井点降水，若有必要坑内可设明沟排水。

基坑支护工程监测是指导正确施工，避免事故发生的必要措施。

本设计按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中的相关要求，结合本工程基坑支护结构和环境的特点，制定了详细的沉降、位移监测方案，施工过程中应严格按照设计要求，做好基坑支护工程监测、监控和信息的反馈工作，确实使监测工作来正确地指导基坑支护工程的各施工工序和基坑内土方开挖。

本工程基坑支护结构方案的设计计算，是严格按照国家的《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）、《混凝土结构设计规范》中的有关基坑支护结构设计要求和标准进行的；并利用电算进行校核。

第二章基坑支护结构设计计算书

2.1基坑支护结构设计计算参数的确定

2.1.1地质计算参数

根据本工程岩土工程勘察资料，各土层的设计计算参数如表2-1：

表2-1土层的设计计算参数

土层

r（kN/m3）

C（kPa）

（）

①∽1层填土

（18.5）

（5）

（10）

①∽2层滨填土

（17.5）

（5）

（10）

层粘土

17.5

16

15.6

③∽1层砂质粉土夹淤泥质粉质粘土

18.4

7

26.8

③∽2层淤泥质粉质粘土

17.3

14

11.7

④层淤泥质粘土

16.6

13

10.3

注：

（）括号内为经验值。

2.1.2土压力系数计算

按照朗肯土压力计算理论作为侧向土压力的计算依据，即：

主动土压力系数：

ka=tg2（45o-/2）

被动土压力系数：

kp=tg2（45o+/2）

计算时不考虑支护桩体与土体的摩擦作用，且不对被动土压力系数进行调整，仅作为安全储备处理。

2.1.3土压力计算的方法

按照《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）的要求，采用水土合算的方法。

土压力模式为：

基坑开挖面以上为三角形分布，基坑开挖面以下矩形分布模式。

2.1.4支撑位置的确定

本基坑支护结构采用一层砼支撑，支撑轴线位置位于自然地面下3.3米处。

2.2基坑支护结构设计计算

SMW工法支护挡墙设计计算（分abc、cda两段计算，见图1平面简图）

基坑开挖深度为7.5m，地面超载q=20kPa。

上部3m为土钉墙围护，所以上部土层此时可视为均布超载。

图2-1

2.2.1abc段支护墙计算

（1）土层分布及土压力系数如表2-2：

表2-2土压力系数

土层

层厚（m）

主动土压力系数

被动土压力系数

①∽1

0.5

Ka1=0.703=0.838

①∽2

1.2

Ka2=0.703=0.838

②

1.3

Ka3=0.575

=0.759

③∽1

2.9

Ka4=0.378

=0.615

③∽2

2.0

Ka5=0.662

=0.814

Kp1=1.506

=1.227

④

11.0

Ka6=0.696

=0.834

Kp2=1.433

=1.197

（2）土层侧向土压力计算

1）主动土压力计算

计算深度按7.5米计算，上部3.0米土钉墙,折算成地面超载q=18.5×0.5+17.5×1.2+17.5×1.3=53kPa，故q总=20+53=73kPa。

第一层：

=730.378270.615=19.0kPa

=（73+2.918.4）0.378270.615=39.2kPa

第二层：

=（73+2.918.4）0.6622140.814=60.9kPa

=（73+4.518.0）0.6622140.814=79.2kPa

第三层：

=

=

=79.2kPa

第四层：

=（73+4.518.0）0.6962130.834=85.5kPa

=

=85.5kPa

2）被动土压力计算

第一层：

=2141.227=34.4kPa

=（0.417.3）1.506+2141.227=44.8kPa

第二层：

=（0.417.3）1.433+2131.197=41.0kPa

=（11.416.62）1.433+2131.197=302.6kPa

3）净土压力计算

=34.479.2=-44.8kPa

=44.879.2=-34.4kPa

=41.085.5=-44.5kPa

=302.685.5=217.6kPa

土压力分布如图2：

图2-2

（3）土压力合力及作用点的计算：

Eai每层土的合力，hai合力作用点到层底的距离

主动土压力：

Ea1=1/2（39.2-19.0）2.9+19.02.9=84.4kN/m

ha1=[（29.32.9）/3+（55.12.9）/2]/84.4=1.28m

Ea2=1/2（79.2-60.9）1.6+60.91.6=112.1kN/m

ha2=[（14.641.6）/3+（97.441.6）/2]/112.1=0.77m

Ea3=1/2（44.8-34.4）0.4+34.40.4=15.8kN/m

ha3=[（2.080.4）/3+（13.760.4）/2]/15.8=0.19m

Ea4=1/244.51.87=41.6kN/m

ha4=1.87/3=0.62m

被动土压力：

Ep1=1/2217.6（8.5-1.87）=522.8kN/m

hp1=6.63/3=2.2m

（4）支撑轴力计算：

弯矩零点D位于开挖面以下2.27m。

如图2所示。

支撑轴线位于自然地面下3.3米处,对D点取矩，如图3所示，MD=0得

（7.5-3.3+2.27）T=84.45.15+112.13.04+15.82.08+41.61.25

T=133.0kN/m

D点反力为：

PD=120.9kN/m

图2-3

（5）桩长计算：

按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）,嵌固深度设计值hd可按下式确定，如图4。

设hd=0.4+t

4t3-22.25t2-225t+118=0

解得t=10.6m

hd=0.4+10.6=11.0m

L=4.5+11.0=15.5,取L=16.0m

图2-4

2.2.2cda段支护墙计算

（1）土层分布及土压力系数

表2-3土压力系数

土层

层厚（m）

主动土压力系数

被动土压力系数

①∽1

0.5

Ka1=0.703=0.838

①∽2

1.2

Ka2=0.703=0.838

②

1.3

Ka3=0.575

=0.759

③∽1

3.5

Ka4=0.378

=0.615

③∽2

2.5

Ka5=0.662

=0.814

Kp1=1.506

=1.227

④

10.5

Ka6=0.696

=0.834

Kp2=1.433

=1.197

（2）土层侧向土压力计算

1）主动土压力计算

计算深度按7.5米计算，上部3.0米土钉墙,折算成地面超载q=18.5×0.5+17.5×1.2+17.5×1.3=53kPa，故q总=20+53=73kPa。

第一层：

=730.378270.615=19.0kPa

=（73+3.518.4）0.378270.615=43.3kPa

第二层：

=（73+3.518.4）0.6622140.814=68.2kPa

=（73+4.518.2）0.6622140.814=79.8kPa

第三层：

=

=

=79.8kPa

第四层：

=（73+4.518.2）0.6962130.834=86.1kPa

=

=86.1kPa

2）被动土压力计算

第一层：

=2141.227=34.4kPa

=（1.517.3）1.506+2141.227=73.4kPa

第二层：

=（0.417.3）1.433+2131.197=68.3kPa

=（11.416.62）1.433+2131.197=318.3kPa

3）净土压力计算

=34.479.8=-45.4kPa

=73.479.8=-6.4kPa

=68.386.1=-17.8kPa

=318.386.1=232.2kPa

土压力分布如图5：

图2-5

（3）土压力合力及作用点的计算：

Eai每层土的合力，hai合力作用点到层底的距离

主动土压力：

Ea1=1/2（43.3-19.0）3.5+19.03.5=109.0kN/m

ha1=[（42.53.5）/3+（66.53.5）/2]/109.0=1.5m

Ea2=1/2（79.8-68.2）1.0+68.21.0=74.0kN/m

ha2=[（5.81.0）/3+（68.21.0）/2]/74.0=0.49m

Ea3=1/2（45.4-6.4）1.5+6.41.5=38.9kN/m

ha3=[（29.251.5）/3+（9.61.5）/2]/38.9=0.56m

Ea4=1/217.80.75=6.7kN/m

ha4=0.75/3=0.25m

被动土压力：

Ep1=1/2232.2（10.5-0.75）=1132.0kN/m

hp1=9.75/3=3.25m

（4）支撑轴力计算：

弯矩零点D位于开挖面以下2.25m，如图5所示。

支撑轴线位于自然地面下3.3米处,对D点取矩，如图6所示，MD=0得，

（7.5-3.3+2.25）T=109.04.75+74.02.74+38.91.69+6.70.5

T=122.4kN/m

图2-6

（5）桩长计算：

按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99），嵌固深度设计值hd可按下式确定，如图7。

设hd=1.5+t

4t3-22.25t2-225t+118=0

解得t=9.0m

hd=1.5+9.0=10.5m

L=4.5+10.5=15.0,取L=15.0m

图2-7

2.2.3最大弯矩计算

（1）T～PD之间最大弯矩计算

已知Tmax=133.0kN/m

设剪力Q=0点位于第③∽2层顶面下x1米处：

此处土压力：

eax=55.2＋10.56x1

133.0=84.4+60.9x1＋0.511.44x21

x1=0.75m

Mmax1=84.4（1.28+0.75）+48.90.37

-133.0（2.6+0.75）=-256.1kN.m/m

（2）PD之下最大弯矩

已知PD=310.1kN/m，设剪力Q=0点位于D下x2米处

此处土压力：

epx=23.79x2

120.9=0.523.79x

x2=3.19m

Mmax2=120.93.19-（23.79/6）3.193

=257.0kN.m/m

（3）最大剪力计算

在支撑点位置下方Q支下=133.0-0.5（19.0+21.1）0.3=127kN

2.2.4抗隆起验算

＝17.2kN/m3

＝16.63kN/m3C＝11.4kPa

＝13.9°

按普朗特尔公式求解Nq、Nc

抗隆起安全系数

满足要求！

2.2.5围护桩配筋计算

由于SMW工法尚未写入相关规范，本设计采用如下的计算方法：

通常认为：

水土侧压力全部由型钢承担，水泥土桩作用在于抗渗止水。

取H型钢的规格为450200914，牌号Q345,间距1000mm。

抗弯强度f=310Mpa,抗剪强度fv=180Mpa。

W=1.5102mm2,I=3.37108mm4。

（1）强度验算

所以每根型钢承受的弯矩值为M=1.251.01.2257（0.2+0.8）=385.5kN.m如图8。

Mpa<310MPa

满足要求！

图2-8

（2）型钢抗剪验算：

面积矩S=20014（200-7）2+9186932=1844094mm3

<180Mpa

满足要求！

水泥土局部抗剪验算：

满足要求！

2.2.6土钉墙支护结构设计计算

土钉墙高度为3.0m，坡度1：

0.5。

土钉长度L=2×3.0=6m。

设两道土钉，第一道土钉距地表1.2m，土钉水平间距和竖向间距为Sh=1.0m,Sv=1.5m。

土钉与水平面倾角α=10o。

土钉取钢管φ48×3.5。

注浆成孔直径取100mm。

如图9。

图2-9

（1）土钉侧压力计算

1）指标的加权值

γ=（18.50.5+17.51.2+17.51.3）/3=17.7kN/m3

c=（50.5+51.2+161.3）/3=9.8kPa

=（100.5+101.2+15.61.3）/3=12.4o

2）土压力系数

Ka=tg2（45o-/2）=tg2（45o-12.4o/2）=0.646

=0.804

3）土压力峰值

Pm=0.646[1-29.8/（17.73.00.804）]17.73.0=18.6kN

4）均布荷载引起的侧压力

Pq=Kaq=0.64620=12.9kN

5）土钉长度中点深度位置的侧压力

P=Pm+Pq=18.6+12.9=31.5kN

（2）土钉设计内力计算

设计内力验算

满足要求！

（3）土钉长度验算（如图9）

由图中几何关系的l1=1.29m。

=1.2,

=50kN。

<6m

满足要求！

（3）土钉墙整体稳定性验算

采用电算，过程及结果如附录。

（4）土钉墙面层设计

面层厚度取100mm,按构造要求配筋，取

8@200双向钢筋网。

2.2.7支撑结构设计计算

内支撑结构采用钢筋混凝土支撑，计算如下：

取支撑力T=133.0kN/m，支撑分为对撑和角撑，对撑间距取为10米，角撑间距取为8米，立柱桩间距取10米。

支撑梁截面为500×600，砼等级为C30

（1）支撑轴力计算

N角=133.0×8×1.3/sin45o=1956kN

N对=133.0×10×1.3=1729kN

（2）支撑弯矩计算：

1）支撑梁自重产生的弯矩：

q=1.5×0.5×0.6×25=11.3kN/m

M1=1/10×11.3×102=113kN-m

2）支撑梁上施工荷载产生的弯矩：

取q=10.0kN/m

M2=1/10×10×102=100kN-m

3）支撑安装偏心产生的弯矩：

M3=N×e=1956×10×3‰=58.7kN-m

则支撑弯矩为：

M=113+100+58.7=271.7kN-m

（3）初始偏心距ei

e0=M/N=271.7×103/1956=138.9mm

∵0.3h0=0.3×565=169.5>e0

∴ea=0.12×（0.3h0-e0）=3.7mm

则ei=e0+ea=138.9+3.7=142.6mm

（4）是否考虑偏心矩增大系数η

∵l0/0.6=10/0.6=16.7>8.0

∴要考虑

由

ηei=1.681×142.6=239.7mm

e=ηei+h/2-as=239.7+300-35=504.7mm

（5）配筋计算：

采用对称配筋

ηei=239.7mm>0.3h0=0.3×565=169.5mm

N=1956kN

则有：

=940.7mm2>0.002×400×600=480mm2

实配：

3

22，

=1140mm2

箍筋：

选用φ8@200，四肢箍。

（6）联系梁

截面尺寸400×600，砼C30，上下均配3

20。

箍筋：

选用φ8@200。

2.2.8圈梁结构设计计算

（1）砼支撑直接支撑于圈梁上，T=133.0kN/m

设计圈梁1000×600，C30砼,计算长度取10m。

Mmax=1/12133.0×1.15102=1274.6kN-m

αs=1274.6106/（14.36009652）=0.16

γs=0.912

As=1274.6106/（3000.912×965）=4825mm2

实取10

25有As=4909mm2

As=4909mm2>ρminA=0.00216001000=1260mm2

ρ=4909/（1000600）=0.016<ρb=0.5514.3/300=0.026

满足条件。

（2）斜截面强度计算：

V=1/2×（133.0×10）×1.25=831.3kN

0.25fcbh0=0.25×14.3×600×965=2069.9kN>V

截面符合要求。

0.07fcbh0=579.6kN

箍筋：

选用φ8@200，四肢箍。

0.7ftbh0+1.5fyv×nAsvh0/S

=579.6+1.25×210×4×50.3×965/200=834.4kN>V

满足条件!

2.2.9立柱结构设计计算

（1）立柱采用格构式钢柱

1）立柱上所承受的竖向压力（包括支撑自重和施工荷载q=10kN/m）

P1＝1.0×1.25×0.5×0.6×10×25+1.0×1.25×0.4×0.6×20×25+10×（10+20）

＝543.8kN

2）使支撑纵向稳定所需的水平压力产生的竖向荷载

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）的相关规定：

P2＝

＝0.1×133.0×1.25×1.0×10.0＝166.3kN

P＝P1+P2＝543.8+166.3＝710.1kN

3）特征系数及强度验算（选用4L100×10）（如图10）

图2-10

面积A=77.04cm2

惯性矩I=100×400×150×150×2-90×380×145×145×2

-200×10×195×195×2=209790000mm4

回转半径i＝（209790000/7704）1/2=16.5cm

L0＝4.5m，则

＝L0/i＝27.3查表得：

＝0.945

（MPa）

满足要求！

（2）立柱桩设计

1）采用灌注桩

桩长计算：

：

竖向荷载

：

桩周摩阻力

所以，

取L=18m。

2）配筋

桩径φ700。

按构造配筋，主筋取8φ12，箍筋采用螺旋式箍筋，

取φ8@200。

=904mm2。

>0.002

满足要求！

2.3基坑止、降水设计

（1）止水桩长确定

由于基坑开挖范围内主要为淤泥质土、粘土和粉土,不会产生管涌,所以设计深搅桩主要起到止水和防止桩间软土流动的作用,结合本基坑的开挖深度等情况，考虑目前普通深搅桩机的施工能力，确定深搅桩长为16米（从地表下-3.0m起算）。

（2）降水设计

本基坑采用全封闭的止水帷幕，由于基坑面积大，地下水较丰富，在基坑内设置轻型井点降水。

第三章基坑监测方案

3.1基坑及周围环境的监测与测试

（1）基坑周边道路沉降观测：

沿周边道路、管线每隔约15m设一沉降监测点。

（2）基坑周围建筑物变形观测：

每栋建筑物外墙特征点布置变形监测点。

（3）支护墙顶沉降监测：

支护桩顶布设约12个位移监测点。

（4）深层水平位移监测：

支护桩体附近布设约6个深层位移监测孔，深度宜为19m。

（5）支撑轴力监测：

支撑上布置