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(完整word)深基坑围护结构课程设计指导书(DOC)

深基坑与边坡支护工程
课程设计指导书

武夷学院
土木工程教研室
2014年9月地铁深基坑围护结构设计
1 工程概况
本车站座落于奥林匹克公园内下沉广场中心，其站厅为下沉广场中心的一部分，因而形成站厅层处于下沉广场，而站台层处于地下的半地下双层岛式站台车站，站厅层宽度大于站台层。形成了上宽下窄的结构形式。车站南北两端为地下商业露天疏散广场。本地铁车站主体结构较大，车站南北总长为380.430m，车站中心里程为K2+937。000，车站中心线处轨顶绝对高程为30.646m.车站主体结构主要包括两部分：车站站台中心区及其附属设施部分和车站北端的北广场及大屯路地下公交车站部分。车站主体南半部分（即站台中心区）南北长203.200m，东西宽56.700m；车站主体北半部分(即车站北广场和大屯路地下公交车站）南北长177.230m，东西宽44.700m.除局部设置风道处为地下四层(结构基础底板埋深约为19.50m）外，其余大部分结构均为地下三层（结构基础底板埋深约为15.50m）。车站站台层标准段为单层三跨箱形框架结构,其两端为单层多跨箱形框架结构。本车站两端设敞口通道，南端设长110.50m，宽38.9m的坡道，从地面进入站厅层；北端设宽23。5m的台阶、扶梯和地下公交通道，连接地面和大屯路地下公交车站.在车站南侧站厅内东西两侧各设有一个直通地面的出入口。另外，在车站穿越大屯路的位置分别在其四周各布置一个出入口.
2 围护结构比较选型
2.1 常见的围护结构形式
（1）排桩+水平钢支撑
优点：施工过程中振动小、噪音小，刚度较大,能够就地施工，施工效率高，对周围环境影响小；而且因为钢支撑可以回收利用,它也比较经济，。
缺点：这种支护结构形式整体刚度较差，不能同时作为主体结构。
适用范围：适用于地层较差的地区，如软土地区、黄土地区。
（2）SMW工法（劲性水泥土搅拌连续墙）
优点：占用场地少；施工速度快；对环境污染小，无废弃泥浆；施工方法简单，施工过程中对周围建筑物及地下管线影响小；耗用水泥钢材少,造价低；同时兼有防渗和挡土两种功能。
缺点:结构刚度小，容易发生较大变形。
适用范围：此方法的适用与基坑深度和施工机械有关,国内一般只适用基坑开挖6~10m。
（3)钻孔咬合桩
优点：可参与永久结构受力,兼有挡土与防渗两种功能,施工时对周围环境影响很小，工期较短。
缺点：施工速度较慢，基坑开挖深度较大时造价往往很高，随着桩长而提高，
适用范围：适用范围广，基本上适用于各类土层，尤其对15m以下的基坑来说，这种方法很好.
(4）地下连续墙
优点:墙段刚度大,整体性好，因而结构和地基变形都较小即可用于超深围护结构,也可用于主体结构,可以减少支护；可进行逆筑法施工,有利于加快施工进度，缩短工期，降低造价;防渗性能能好。
缺点：施工对周边影响较大，造价随地层复杂程度的增加而提高.
适用范围：适用各类土层，尤其是对地下水丰富以及软土地区最为适用。
2。2 确定围护形式
本车站所处北京地区，基坑开挖19。5m,综合考虑4。2.1中所提到的四种围护形式的优缺点、适用范围以及本工程的施工设要求，且结合北京地区以往工程经验，选用排桩+水平钢支撑的围护形式，其中排桩为钻孔灌注桩。
3 围护结构设计
本车站基坑开挖深度19.5m，平均地下水位5.0m。支护方式采用排桩加内支撑，由于存在地裂缝,在排桩之间设置直径为800mm的旋喷桩桩形成止水帷幕，其中排桩为钻孔灌注桩，桩径1200mm,间距1500mm;
综合几个断面的土层性质分析，结果发现纵向断面1的土层比较复杂，因此，就以该断面的土层信息为计算依据，见表3—1。（注明：为安全考虑,取C,为原始参数的0.7倍。超载）

表3—1 计算断面土层的物理性质

土层名称
重度r
浮重度
层厚H（m）
c (KPa）

1
杂填土
18。0
--
2。1
7
10.5
2
饱和黄土
19。0
19。2
3.0
16.1
11.2
3
新黄土
19。7
19。8
5。9
17.5
12.3
4
古土壤
19。7
19。8
1。5
23。1
13
5
粉质粘土
20.1
20.2
9。6
33。6
15。1
6
粉土
20.6
10。6
3。6
0
17。5
7
砂土
20。8
10。8
6。5
0
21

3。1 内力计算
土压力及内力计算
（1）计算各土层侧压力系数
主动侧压力系数;
被动土压力系数；
根据以上两个公式可以得到：
=0。692 =0.832 =1.446 =1.202
=0。709 =0。842 =1。410 =1。299
=0.649 =0。805 =1。541 =1.242
=0.633 =0.795 =1.580 =1.257
=0.587 =0.766 =1。705 =1.306
=0。538 =0。733 =1.860 =1.364
=0.472 =0。687 =2.117 =1。455
（2）工况设计
①工况1:挖土5.5m,并支冠梁层内支撑（0.5m处）

减去被动土压力后

图3—1 工况1土压力零点计算图

设开挖面以下距离处，土压力为零（见图4—1）。
则有

注明：为了后面计算简化，、、为土压力计算图中各个梯形的形心纵坐标,
、、是各梯形面积，下面类似，不再说明。

求最大弯矩作用点（假设剪力为零点在第二土层中 ）
有
又水平合力为零即

由上面两个方程式解得
=1.35m 假设成立
最大弯矩

②工况2:挖土深度10.5m,并支第一道支撑（5.5m处）

减去被动土压力后

图3-2 工况2土压力零点计算图

设开挖面以下距离处，土压力为零（见图3-2）

求最大弯矩作用点(假设）

又水平合力为零即

由上式方程可得到
（假设成立）
最大弯矩为：

③工况3:挖土深度15。5m，并支第二道支撑（10.5m处)

减去被动土压力后

设基坑开挖面以下距离处，土压力为零（见图3—3）

假设成立。
图3—3 工况3土压力零点计算图
7。71
d3=2。33m
15。5m
50.32
35。27
32。75
66。78
46.98
50。09
116.02
122.80
110.52
129.32
102。51
138。08

有

求最大弯矩作用点（经判断在基坑面以上）

又水平合力为零即

由上面方程得到
则有
最大弯矩为
④工况4：挖土深度19。5m，并支第三道支撑（15。5m处）

减去被动土压力后

设开挖面以下距离处,土压力为零(见图3—4)

32.75
35.27
7。71
X4
d4
ex4
122。80
110。52
46.98
19.5m
66。78
116.02
50.09
129.32
102.51
138。08
185.51
97。75
图3-4 工况4土压力零点计算图

有

求最大弯矩作用点（经判断在基坑面以上）

又水平合力为零即

由上面两个方程得到
则
最大弯矩为

3.2 求嵌固深度

t

o
图3-5 嵌固深度计算图

有
又 即
由上式可得到

嵌固深度 取11。5m
桩长
3。3 桩的配筋
由上面计算结果可知，最大弯矩出现在支第四道支撑时即 ,其中墙的计算宽度为1.5m,弯矩放大系数为1。25，则最大设计弯矩值
查阅《基坑工程手册》（中国建筑工业出版社）附表14-4，可知配筋为：
3.4 墙体防渗
一般开挖的基坑都存在地下水问题，墙体渗漏对基坑围护结构有很大的影响,所以在基坑开挖之前就必须做好防渗工作.
常用的墙体防渗方法是采用钻孔灌注桩排桩墙体防渗法，可采取两种方式：一种是钻孔灌桩体相互搭接;另一种是另设挡水抗渗结构。第一种对施工要求很高，一般在水位为较高的软土地区采用后一种方式，此时桩体间可留100~150mm施工缝隙。
用钻孔桩维护的基坑工程，防水主要采用以下几种形式：
⑴桩间压密注浆；
⑵桩间高压旋喷；
⑶水泥搅拌桩墙;
⑷注浆帷幕。
相比较而言，第一种方式较经济，适用于小型基坑;后两种主要适应于体型大、开挖神的基坑工程.应该说明的是，如果防渗深度超过此施工限度时,需要另加止水措施，如第二种方式，其止水深度可达几十米。
本工程选用桩间高压旋喷桩进行墙体防渗,旋喷桩桩径800mm，间距1000mm,可按构造配筋。
3。5 钢支撑选型
由前面计算结果可知,最小支撑力发生在第一道（冠梁层）支撑,最大支撑力发生在第四道支撑，结合北京地铁车站结构围护设计经验，第一道支撑选用钢管，间距3m.第二、三、四道支撑选用，间距3m，第四道支撑距离基坑底面4m，其余都是间隔5m。
3.6 钢支撑稳定性验算
本文研究设计的内支撑除了第一道其他都采用钢结构，钢支撑布置为等间距，其中间距为3.0m。经过查表.
通过前面计算可知最大支撑力为，其中安全系数取1.2,基坑等级为1。1。
所以,钢支撑轴力设计值为

钢管稳定性验算：
钢管截面积
钢管截面惯性矩
钢支撑可以看成两端铰接的轴心受力杆件验算其稳定性.

钢管回转半径
钢管长细比

根据《钢结构设计原理》（高等教育出版社）附录4可以查得钢材的稳定系数.
将所有计算和查得的数据代入式中有:

则有
所以，本设计的钢支撑满足稳定性要求。
3。7 基坑稳定性验算
（1)整体稳定性验算
整体稳定性分析的安全系数：
计算方法:瑞典条分法；应力状态:总应力法；条分法中的土条宽度：1.00m。滑裂面数据:
整体稳定安全系数
（2)抗隆起稳定性验算
基坑的抗隆起稳定性分析具有保证基坑稳定和控制基坑边形的重要意义。对于不同地质条件的基坑，现有不同抗隆起稳定性计算公式,应按工程经验规定保证基坑稳定的最低安全系数，而要满足不同条件下基坑变形控制要求，应根据坑底地面沉降与一定计算公式所得的抗隆起安全系数的相关性，定出一定基坑变形控制要求下的抗隆起安全系数安全稳定的上限值，与基坑挡墙水平位移的验算共同成为基坑变形控制的充分条件。
对一般粘性土的抗隆起稳定验算采取以下公式，以求得地下的入土深度:

式中 墙体入土深度（m)；
基坑开挖深度（m）;
墙体外侧及坑底土体重度;
地面超载（kPa);
地面承载力系数.
采用PtandtI公式计算时，分别为：
；
结合工程地质条件和土层信息进行下面计算:

代入公式（公式4。5）得
﹥1.2满足规范要求。
(3）抗倾覆验算

, 满足规范要求。
(4）隆起量计算

4 支护参数最终确定
综合考虑上面的计算结果,以及经济安全因素，最终支护参数确定为：
本文支护方案采用排桩（连续墙）+内支撑，其中排桩直径d=1200mm,间距1500mm,。沿周边均匀配置纵向钢筋。桩身混凝土等级为C30,钢筋采用HRB335,，混凝土保护层厚度取50mm，螺旋筋级别为HPB235，取,加强筋取HRB335，取.
冠梁截面为1200mm×1000mm，可增加围护结构的整体稳定性，同时作为第一道支撑的腰梁.构造配筋如下：

钢筋级别
选筋
As1
HRB335
2D16
As2
HRB335
2D16
As3
HRB335
D16@2

五道钢管内支撑分别设置于-0.5m、-5。5m、—10.5m、—15.5m、—19。5m标高处,钢管直径为800mm，第一道支撑壁厚16mm，支撑水平间距3.0m；第二、三、四道支撑直径800mm,壁厚20mm,支撑水平间距3.0m。