基坑支护设计手册

基坑围护设计手册2004年5月30日1目录1土压力1.1库仑土压力1.2朗肯土压力1.3特殊情况下的土压力1.4《建筑基坑支护技术规程》土压力1.5工程实测土压力1.6土压力计算模型2基坑稳定性2.1土坡稳定性2.2围护结构整体稳定性2.3基坑底面抗隆起稳定性2.4基坑底面抗渗流稳定性3土钉墙3.1概述3.2《建筑基坑支护技术规程》方法3.3《建筑基坑工程技术规范》方法3.4《基坑土钉支护技术规程》方法3.5王步云建议的方法3.6冶金部建筑研究总院建议的方法3.7王长科建议的方法3.8工程实例4重力式围护结构5桩墙式围护结构5.1桩墙式围护结构的类型5.2悬臂式围护结构5.3锚撑式围护结构6锚杆6.1锚杆承载力6.2锚杆稳定性21土压力1.1库仑土压力1773年，法国科学家库仑做出两项假定，提出了土压力理论。（1）墙后填土为砂土（黏聚力c=0）；（2）产生主动、被动土压力时，墙后填土形成滑楔体，其滑裂面为通过墙脚的平面。1.1.1主动土压力（图1.1-1、图1.1-2）库仑主动土压力为：zKeaa（1.1-1）a2a21KhE（1.1-2）222a)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosK（1.1-3）式中ae----主动土压力强度；aE----总主动土压力；----墙背倾角；----墙背填土表面的倾角；----墙背和土体之间的摩擦角；、----土的重力密度、内摩擦角；aK----主动土压力系数。其他符号见图1.1-1、图1.1-2。图1.1-1主动状态下的滑动楔体图1.1-2库仑主动土压力31.1.2被动土压力库仑被动土压力为：zKepp（1.1-4）p2p21KhE（1.1-5）222p)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosK（1.1-6）式中pe----被动土压力强度；pE----总被动土压力；pK----被动土压力系数。其他符号见图1.1-3。图1.1-3库仑被动土压力1.2朗肯土压力1857年，朗肯假定墙背垂直光滑，根据土的极限平衡理论提出了朗肯土压力理论。1.2.1朗肯主动土压力朗肯主动土压力强度ap为：aaa2KcKez（1.2-1）)245(tan2aK（1.2-2）式中z----垂直向应力；aK----主动土压系数；4、c----抗剪强度指标。1.2.2朗肯被动土压力被动土压力强度pe为：ppp2KcKez（1.2-3）)245(tan2pK（1.2-4）式中pK----主动土压力系数。1.3特殊情况下的土压力1.3.1坡顶地面非水平时的土压力计算土压力时，先将坡顶地面分解为水平和倾斜面，分别计算，最后在进行组合。坡顶倾斜时的土压力2222acoscoscoscoscoscoscosze（1.3-1）坡顶水平时的土压力aaKchzKe2)('a（1.3-2）如图1.3-1时，经分解和组合，土压力为图中的阴影部分。图1.3-1地面非水平时支护结构上的主动土压力近似计算51.3.2坡顶超载作用下的土压力1.弹性理论解图1.3-3线荷载图1.3-4条形荷载2.《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002的规定（图1.3-5）（a）线荷载（b）条形荷载图1.3-5坡顶超载作用下的土压力注：LQ---kN/m；Lq---kN/m261.4《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99土压力《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99采用了朗肯土压力理论，并规定对于碎石土及砂土，采用水土分算；对粘性土及粉土采用水土合算。当计算基坑底面以下各深度处的基坑外侧主动土压力时，规定竖向自重应力一律采用基坑底面标高处的数值。1.4.1基坑外侧竖向应力（图1.4-1）（a）自重压力（b）坡顶均布压力（c）坡顶局部荷载图1.4-1基坑外侧竖向应力1.4.2水平荷载（主动土压力）（图1.4-2）图1.4-2水平荷载计算简图（1）水土分算（碎石土及砂土）1）当计算点位于地下水位以上时：aiikaiajkajkKcKe2（1.4-1）2）当计算点位于地下水位以下时：7总应力法：waiwawajwajaiikaiajkajkKhmhzKcKe])()[(2（1.4-2）)245(tan2ikaiK（1.4-3）式中aiK----第i层土的主动土压力系数；ajk----深度jz处的总竖向应力标准值，由自重压力和附加应力组成；ikc、ik----第i层土的黏聚力标准值、内摩擦角标准值（采用总应力指标）；jz----基坑外侧计算点深度；wah----基坑外侧水位深度；w----水的重力密度；jm----计算参数，当jzh时，取jm=jz；当jz≥h时，取jm=h；wa----计算参数，当wah≤h时，取wa=1；当wah＞h时，取wa=0。有效应力法：jaiikaiajkajkuKcKe'2'（1.4-4）)2'45(tan2ikaiK（1.4-5）式中aiK----第i层土的主动土压力系数；ajk'----深度jz处的有效竖向应力标准值；ikc'、ik'----第i层土的有效黏聚力标准值、有效内摩擦角标准值（有效应力指标）；ju----基坑外侧计算点深度处的水压力；（2）水土合算（黏性土及粉土）aiikaiajkajkKcKe2（1.4-6）1.4.3水平抗力（被动土压力）（图1.4-3）8图1.4-3水平抗力计算图（1）水土分算（碎石土及砂土）总应力法：wpiwpjpiikpipjkpjkKhzKcKe)1)((2（1.4-7）有效应力法：wpiikpipjkpjkuKcKe'2'（1.4-8）式中)245(tan2pK（1.4-9）（2）水土合算（黏性土及粉土）piikpipjkpjkKcKe2（1.4-10）1.5工程实测土压力9101.6土压力计算模型112基坑稳定性2.1土坡稳定分析2.1.1瑞典圆弧法1915年，瑞典人彼得森（Petterson）提出，边坡稳定安全系数可按下式计算：WdlRMMFfsRs（2.1-1）式中符号见图2.1-1。图2.1-1瑞典圆弧法1927年，费伦纽斯（FelleniusW）通过大量计算，指出φ=0的简单土坡的最危险滑动面通过坡脚。当φ≠0时，费伦纽斯认为最危险的滑动面的圆心位于图2.1-2中的MO线上。图2.1-2费伦纽斯法122.1.2条分法对多层土以及边坡外形比较复杂的情况，要确定边坡的形心和重量是比较困难的。这是采用条分法就比较容易。条分法的原理是：将边坡垂直分条，计算各条对滑弧中心的抗滑力矩和滑动力矩，然后分别求其和，再按式（2.1-1）计算边坡稳定安全系数。见图2.2-1。对条件力假定的不同，就构成了不同的计算方法。图2.2-1条分法计算原理1.太沙基公式1936年，太沙基（TerzaghiK）基假定，土条两侧的外作用力大小相等方向相反，并且作用在通一条直线上。边坡稳定安全系数为：iiiiiiisRsWWlcMMFsin)tancos(（2.1-2）2.毕肖甫公式1955年，毕肖甫（BishopAW）认为，不考虑条件作用力是不妥当的。如图2.2-2示，当边坡处于稳定状态时，土条内滑弧面上的抗剪强度之发挥了一部分，并与切向力Ti相等，即：图2.2-2毕肖甫计算简图13siiiiiFNlcTtan（2.1-3）将所有的力都投影到弧面的法线方向，得：iiiiiiiiPPHHWNsin)(cos)]([11（2.1-4）当土坡处于极限平衡时，各土条的力对滑弧中心的力矩之和为零（注意这时条间内力互相抵消），得：0RTxWiii（2.1-5）将式（2.1-4）、（2.1-5）代入式（2.1-3）得稳定安全系数：iiiiiiiiiiiisWPPHHWlcFsintan]sin)(cos)[(11（2.1-6）毕肖甫建议不计土条间的摩擦力之差，即令Hi+1-Hi=0，代入上式，得：iiiiiiiiiisWPPWlcFsintan]sin)(cos[1（2.1-7）利用经理平衡条件，Fx=0，Fy=0,并结合式（2.1-3）和Hi+1-Hi=0，得：iisiiisiiiiisiiFWFlcWFPPcossintansintancos11（2.1-8）将式（2.1-8）代入式（2.1-7），得：iiisiiiiiiisWFWlcFsincossintan1)tancos(（2.1-9）式（2.1-9）这就是著名的简化毕肖甫公式。3.坡高和临界坡角的关系2002年，王长科参考朗肯、库尔曼理论和李妥德公式，建立了基坑边坡的坡高和临界坡角的关系：14Hqccr1tan2（2.1-10）式中cr、H----临界坡角、坡高；、c、----坡土的重力密度、黏聚力、内摩擦角；q----坡顶均布超载。[例1]石家庄某工程位于市中心，基坑开挖深度12.0m，坡土物理力学指标见表2.1-1。现场条件允许南侧放坡开挖，请确定边坡稳定安全系数为2.3时的坡角。坡土物理力学性质指标表2.1-1土层厚度/kN/m3c/kPa/deg11.519.4302723.819.5202434.719.1222640.719.103651.319.82325平均值19.321.226.0[解]、c、采用厚度加权平均值，将数值代入式（2.1-10），得稳定安全系数为1.0时的临界坡角cr：0.123.19202.2114.3tan226tan211Hqccr=55.60稳定安全系数为1.3时的坡角为：12.13.16.55tantantanscrF014812.1tan152.2围护结构整体稳定分析（1）基坑围护结构稳定性验算采用条分法，按下式验算。当无地下水时：ipiabhqRMclabhqsin)(/tancos)(RS（2.2-1）当坑内外有地下水位差时：式中——土的天然重度，kN/m3;h——土条高度，m；ai——土条底面中心至圆心连线与垂线的夹角，（°）；c、φ——土的固结快剪峰值抗剪强度指标。kPa、（°）L——每一土条弧面的长度；q——地面超载，kPa；b——土条宽度，m。Mp——每延米中的桩产生的抗滑力矩；对于支护桩边坡，需计算圆弧切桩与圆弧通过桩尖时的基坑整体稳定性。圆弧切桩时需考虑切桩阻力产生的抗滑作用，即每延米中桩产生的抗滑力矩Mp。桩抗力力矩Mp由图5.4-1(b)及下式计算确定ddKKhMRMapici)(2cosp（2.2-2）式中Mp——每延米中的桩产生的抗滑力矩，kN•m/m；（a）（b）图2.2-1整体稳定性验算16i——桩与滑弧切点至圆心连线与垂线的夹角；Mc——每根桩身的抗弯弯矩，kN•m/单桩；hi——切桩滑弧面至坡面的深度，m；——hi范围内土的重度，kN/m3；Kp、Ka——被动土压力系数与主动土压力系数；d——桩径，m；Δd——两桩间的净距，m。对于地下连续墙支护d+Δd=1.0m。2.3基坑底面抗隆起稳定分析当基坑底为软土时，应按以下两种条件验算坑底土涌起稳定性。1）因基坑外的荷载及由于土方开挖造成的基坑内外的压差，使支护桩端以下土体向上涌土，可按下式和图2.3-1（a）进行验算。qthtNcD0（2.3-1）式中Nc——承载力系数，Nc=5.14；τ0——由十字板试验确定的总强度，kPa；——土的重度，kN/m3；D——入土深度部土隆起抗力分项系数，≥1.4；t——支护结构入土深度，m；h——基坑开挖深度，m；q——地面荷载，kPa。（a