常州市某深基坑支护设计.docx
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常州市某深基坑支护设计
第1章工程概况
1.1基坑周边环境
常州市丽景大厦，由A,B两幢33层住宅二层商业和地下车库组成，高层住宅地下均1层。
根据建设单位要求需要对离已建居民楼较近的围墙段进行支护，该段基坑挖深约4.5米，支护段长约50米。
另外对地下车库基坑也需进行支护，该段地面黄海高程为3.0米，挖土底标高为-1.5米，基坑开挖深度为4.5米，整个支护段约340米。
地下水位为地面以下5.8米。
根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）相关规定及本基坑工程所处的周边环境，可以将本基坑工程的安全等级定为二级。
1.2工程地质及水文地质概况
钻孔揭示的本基坑工程场地内的地层条件自上而下依次为杂填土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉砂及风化岩。
场地内的地下水主要为第四系孔隙水，水位埋深5.8m，对基坑工程影响较小。
基坑开挖深度影响范围内，各土层的物理力学指标如表1-1所示。
表1-1场地土层主要力学参数
层序
名称
状态
层厚
（m）
重度
（kN/m3）
固结快剪
c（kPa）
（°）
1
杂填土
松散
1.68
18.9
21.0
3.5
2
淤泥质粉质黏土
硬塑
2.6
18.5
14.6
16.1
3
粉土
可塑
2.26
19.6
45
5.8
4
粉砂
中密
3.12
18.8
28
29.8
1.3基坑支护结构形式
本基坑工程开挖深度约为4.5m，基坑开挖深度影响范围内的主要土层为杂填土、淤泥质粉质黏土、粉土等，基坑周边环境较为复杂，基坑安全等级为二级。
本基坑工程可以优先考虑使用土钉支护结构，土钉支护结构具有工程造价低、施工周期短等优点，在开挖深度不大的基坑工程中得到了广泛使用。
在距离坑外建筑物既有围墙较近的部分，因对变形要求较为严格，不能采用土钉支护结构，结合当地工程经验来看，该支护段可以采用排桩+锚杆支护结构形式。
本工程所在场地地层变化较小，各土层近似呈水平状分布，钻孔揭示的各土层厚度如表1-2所示。
表2-1各支护段典型地质断面对应土层厚度
土层
厚度h（m）
1杂填土
1.68
2淤泥质粉质黏土
2.60
3粉土
2.26
4粉砂
3.12
5风化岩
/
第2章土钉支护结构设计
2.1概况
土钉支护段典型的地质及支护断面图如图2-1所示。
基坑采用放坡开挖，破率为1:
0.5，基坑外侧无临近建筑物，但是施工期间，可能有工程车辆由此通过，为此，拟定坑顶超载为20kPa。
初步拟定土钉的水平及竖直方向上的间距为1.5m，土钉的倾角为15°。
各层土钉锚端距离基坑顶面的距离分别问0.75m、2.25m、3.75m。
图2-1工况1基坑支护结构立面图
2.2土钉轴力计算
本支护段采用土钉支护结构，土钉的水平及竖直方向距离均为1.5m，各层土钉锚端距离坑顶的深度依次为0.75m、2.25m、3.75m、5.25m，土钉的倾角为15°，单根土钉的轴力标准值计算式如下：
式中：
Nk，j──第j层土钉的轴向拉力标准值（kN）；
αj──第j层土钉的倾角（°）；
ζ──墙面倾斜时的主动土压力折减系数，可按本规程第5.2.3条确定。
ηj──第j层土钉轴向拉力调整系数，可按公式（5.2.4-1）计算；
pak，j──第j层土钉处的主动土压力强度标准值（kPa），应按本规程第3.4.2条确定；
sxj──土钉的水平间距（m）；
szj──土钉的垂直间距（m）。
由上述计算原理可见，在计算各层土钉的轴向拉力标准值之前，应首先计算对应深度的主动土压力、墙面倾斜的主动土压力调整系数及各层土钉的拉力调整系数。
为此，下文将对各项系数进行计算。
1.主动土压力
在施工期间，坑顶可能有车辆、施工机械及堆载等作用，本基坑工程拟定坑顶超载为20kPa，基坑开挖深度范围内，各土层的物理力学指标如表1-1所示，按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）第3.4节的原则，计算各层土钉对应开挖深度处的主动土压力。
其中，杂填土层的主动土压力系数ka=0.88，淤泥质粉质黏土层的主动土压力系数ka=0.57，粉土层主动土压力系数ka=0.82。
由上述计算结果可见，土钉2、土钉3端部对应的基坑开挖深度范围内，主动土压力为正值，土钉1端部对应的基坑开挖深度土压力为负值，负值表示土体自身能够保持稳定，不需要采取支护措施，计算土钉的轴力标准值时，负值对应的部分取值为0。
表2-1土压力计算结果
编号
pak（kPa）
Eaj（kN）
土钉1
（-9.3）
0
土钉2
13.5
30.4
土钉3
29.3
65.9
2.坡面倾斜时的主动土压力折减系数（ζ）可按下式计算：
式中：
ζ──主动土压力折减系数；
β──土钉墙坡面与水平面的夹角（°）；
φm──基坑底面以上各土层按土层厚度加权的内摩擦角平均值（°）。
本支护段，土钉支护结构的坡面放坡比例为1:
0.5，对应的坡面倾角为63.4°。
基坑开挖底面以上的土层摩擦角加权平均值计算如下：
开挖底面以上土层摩擦角的加权平均值为11.0°，坡面的倾角为63.4°，带入数据，计算主动土压力折减系数如下：
3.土钉轴向拉力调整系数（ηj）可按下列公式计算：
式中：
ηj──土钉轴向拉力调整系数；
zj──第j层土钉至基坑顶面的垂直距离（m）；
h──基坑深度（m）；
ΔEaj──作用在以sxj、szj为边长的面积内的主动土压力标准值（kN）；
ηa──计算系数；
ηb──经验系数，可取0.6～1.0；
n──土钉层数。
本基坑工程，地层条件变化较小，经验系数ηb取值为1.0，带入数据，计算得：
土钉轴力的标准值可以不进行调整。
综合以上计算结果，将各数据带入到土钉轴向拉力标准值的计算公式中，得到计算结果如表2-2所示。
表2-2各层土钉轴力标准值
编号
pak（kPa）
轴向拉力标准值（kN）
土钉1
（-9.3）
0
土钉2
13.5
17.9
土钉3
29.3
38.9
2.3土钉长度计算
土钉支护结构中，土钉的长度由三部分组成，分别为潜在滑动面外锚固段的长度、潜在滑动面内连接段的长度及土钉锚固端部的工作长度，为便于叙述，下面将这三部分长度分别简称为长度1、长度2及长度3。
土钉支护结构的计算简图如2-2所示。
图2-2土钉支护结构计算简图
2.3.1锚固段长度计算
土钉的锚固段长度应该满足抗拔承载能力要求。
单根土钉的极限抗拔承载力标准值可按下式估算：
式中：
Rk，j──第j层土钉的极限抗拔承载力标准值（kN）；
dj——第j层土钉的锚固体直径（m）；对成孔注浆土钉，按成孔直径计算，对打入钢管土钉，按钢管直径计算；
qsik──第j层土钉在第i层土的极限粘结强度标准值（kPa）；应由土钉抗拔试验确定，无试验数据时，可根据工程经验并结合表5.2.5取值；
li──第j层土钉在滑动面外第i土层中的长度（m）；计算单根土钉极限抗拔承载力时，取图2-2所示的直线滑动面，直线滑动面与水平面的夹角取
。
本基坑工程拟定采用钻孔注浆型土钉，钻孔直径为130mm，各土层与土钉锚固体的极限粘结强度根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）建议值取值，具体取值如表2-3所示。
表2-3土钉的极限粘结强度标准值
土层
qsi,k（kPa）
1杂填土
25
2淤泥质粉质黏土
25
3粉土
50
4粉砂
65
各层土钉与土层的相对位置关系如图2-3所示。
由图可见，土钉1在潜在滑动面以外锚固段的长度中，前部分有1.28m在杂填土中，其余部分置于淤泥质粉质黏土层中，土钉2在滑动面外的锚固段长度主要在淤泥质粉质黏土层中，土钉3滑动面外的长度，前部分有1.58m在淤泥质粉质黏土层中，其余部分置于粉土层中。
图2-3土钉与土层的位置关系图
单根土钉的抗拔承载力应符合下式规定：
式中：
Kt──土钉抗拔安全系数；安全等级为二级、三级的土钉墙，Kt分别不应小于1.6、1.4；
Nk，j──第j层土钉的轴向拉力标准值（kN），应按本规程第5.2.2条的规定确定；
Rk，j──第j层土钉的极限抗拔承载力标准值（kN），应按本规程第5.2.5条的规定确定。
本基坑工程的安全等级为二级，对应的土钉抗拔安全系数为1.6，按照上式计算各层土钉的极限抗拔承载力。
计算结果如表2-4所示。
表2-4土钉极限抗拔承载力
编号
轴向拉力标准值（kN）
极限抗拔承载力（kN）
土钉1
0
0
土钉2
17.9
28.6
土钉3
38.9
62.2
1.土钉1锚固段长度计算
土钉1上的轴向拉力为0，表示该层土钉仅按照一般的构造措施即可满足要求，为此，本基坑支护段拟定土钉1的长度为6.0m。
2.土钉2锚固段长度计算
由图2-3可见，土钉2的主要置于淤泥质粉质黏土层中，土钉的极限抗拔承载能力为25kPa，带入数据，计算土钉锚固段的长度如下：
3.土钉3锚固段长度计算
土钉3的锚固段长度可以分为两部分，分别为置于淤泥质粉质黏土层及粉土层中的部分，有即可关系可见，土钉3置于淤泥质粉质黏土层中的长度为1.58m，带入数据，计算土钉3的锚固段长度如下：
2.3.2土钉总长
土钉在潜在滑动面以外的长度可以采用AutoCAD程序作图直接量取，该方法能够省去反繁琐的几何关系代换，为此，本基坑工程中，滑动面以外的土钉长度直接列于下表。
表2-5各层土钉长度
编号
锚固长度
（m）
连接长度
（m）
工作长度
（m）
总长
（m）
土钉1
/
/
/
6
土钉2
2.80
1.40
0.50
4.70
土钉3
3.84
0.50
0.50
4.84
由上表的计算结果可见，本基坑支护段内，土钉2及土钉2的理论计算长度分别为4.70m及4.84m。
考虑到施工过程中，土钉长度种类过多不便于工人操作，易造成上下各层土钉长度混淆等，本基坑工程拟定将三排土钉的长度均按6.0m长度进行设计。
2.4土钉杆体材料强度验算
由表2-4可见，土钉3的极限抗拔承载力为62.2kN，本基坑拟定采用HRB335级钢筋作为土钉的杆体材料，土钉杆体的受拉承载力应符合下列规定：
式中：
Nj──第j层土钉的轴向拉力设计值（kN），按本规程第3.1.7的规定计算；
──土钉杆体的抗拉强度设计值（kPa），HRB335级钢筋取值300MPa；
As──土钉杆体的截面面积（m2）。
带入数据，计算杆体材料的横截面积最小值如下：
参照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）附录A，本基坑工程土钉可以选择18mm的HRB335级钢筋作为杆体材料。
第3章桩锚支护结构设计
在基坑距离既有建筑物围墙较近的部分，不适合采用土钉支护结构，经过比选，确定该段支护结构形式为排桩+锚索。
结合第2章中，基坑侧壁的土压力计算结果可见，本基坑土层条件较好，对应的坑外主动土压力值不大，为此，本基坑支护段的围护桩的桩长可以按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）给定的最低标准，取一定的富裕量进行设计。
关于排桩围护结构的嵌固深度，《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）进行了适当的规定，指出桩身嵌固深度除了满足基坑支护结构的稳定性及变形要求之外，尚应满足构造要求。
对悬臂式结构，尚不宜小于0.8h；对单支点支挡式结构，尚不宜小于0.3h；对多支点支挡式结构，尚不宜小于0.2h；此处，h为基坑深度。
本支护段的开挖深度为4.5m，为减小桩身弯矩及剪力峰值，应将锚索锚固点设置在桩顶以下一定深度范围内。
结合第2章土压力计算结果，在坑顶以下2.0m范围呢，坑外主动土压力值较小，甚至部分为负值，对应的桩身剪力及弯矩值较小，为此，本支护段拟定将锚索的锚固点设置在桩顶以下2.0m深度处，对应锚头的标高为+1.0m。
锚索的竖向间距宜大于2.0m，为此，本支护段设置为单层锚索支撑。
对单支点的支挡式结构，桩身的嵌固深度宜大于基坑开挖深度的0.3倍，为此，本基坑支护段的桩身嵌固深度不宜小于1.35m，对桩身嵌固深度取整，保留一定的富余量，拟定桩身的嵌固深度为1.5m，对应桩长为6.0m。
采用“理正深基坑”初步试算，该支护段内的混凝土灌注桩的布设方式为600@1200mm。
基坑支护结构典型的立面图如图2-1所示。
图3-1基坑支护结构立面图
3.1支护结构稳定性验算
按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）相关规定，对于单支点支撑的桩锚式支撑结构，应进行整体稳定性、嵌固深度稳定性及抗隆起稳定性，本基坑工程所在长度在开挖底面以下不存在软弱土层，所以不需要验算绕支撑点的转动的圆弧滑动稳定性，地下水位位于坑顶以下5.8m，对基坑的稳定性不产生影响，为此，不进行抗突涌稳定性。
综上，本支护段应进行整体稳定性、嵌固深度稳定性及抗隆起稳定性三项。
3.3.1嵌固深度稳定性验算
单层锚杆和单层支撑的支挡式结构的嵌固深度应符合下列嵌固稳定性的要求：
式中：
Kem──嵌固稳定安全系数；安全等级为一级、二级、三级的锚拉式支挡结构和支撑式支挡结构，Kem分别不应小于1.25、1.2、1.15；
Eak、Epk──基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力合力的标准值（kN）；
za2、zp2──基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力合力作用点至支点的距离（m）。
图3-2单支点支撑结构的嵌固深度稳定性计算图示
由上述计算理论可见，在计算基坑的嵌固深度稳定性之前，需先确定支护结构两侧的主动及被动土压力值，并以此计算出主动、被动土压力的合力标准值及作用点的位置。
作用在支护结构外侧、内侧的主动土压力强度标准值、被动土压力强度标准值宜按下列公式计算：
1）对于地下水位以上或水土合算的土层
式中：
pak──支护结构外侧，第i层土中计算点的主动土压力强度标准值（kPa）；当pak<0时，应取pak＝0；
σak、σpk──分别为支护结构外侧、内侧计算点的土中竖向应力标准值（kPa），按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）第3.4.5条的规定计算；
Ka，i、Kp，i──分别为第i层土的主动土压力系数、被动土压力系数；
ci、i──第i层土的粘聚力（kPa）、内摩擦角（°）；按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）第3.1.14条的规定取值；
ppk──支护结构内侧，第i层土中计算点的被动土压力强度标准值（kPa）。
2）对于水土分算的土层
式中：
ua、up──分别为支护结构外侧、内侧计算点的水压力（kPa），按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2102）第3.4.4条的规定取值。
图3-3土压力计算图示
本基坑支护段内，开挖深度影响范围在地下水位以上，按照上述计算理论，计算主动、被动土压力如下：
1.主动土压力
杂填土层：
淤泥质粉质黏土层：
粉土：
2.被动土压力
粉土层：
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