基坑支护毕业设计论文7

'2008届岩土工程方向毕业设计说明书邯郸市康奈大厦基坑支护设计（5.75m）专业：土木工程姓名：马煜指导教师：吴雄志河北工程大学土木工程学院 摘要康奈大厦位于邯郸市陵园路北侧，西临邯山南大街，建筑面积22849m2，地上24层，地下1层，框架剪力墙结构。该工程基础埋深5m，实际基坑开挖深度为5.75m，根据场地的土层条件及邯郸市类似基坑工程的经验，为保证基坑的稳定性及尽量节省投资，经方案比选，拟采用土钉墙技术及排桩+锚杆（北侧）对该基坑进行支护。通过对拟建场地的工程地质条件分析，本工程存周围建筑物较多，北侧距离邯山区实验小学只有3.14米，工程土质不稳需采用排桩支护。南侧和其他侧面距离重要建筑物较远，均采用土钉墙支护。在本次基坑支护设计过程中，先后分析了3种方案：1.悬臂桩支护；3.土钉墙支护；3.单支点排桩支护。对于悬臂桩支护方案，通过计算，桩长需要21.5m，桩体所承受的最大弯距很大，很不合理；土钉墙支护形式适合于较浅基坑，宜采用；通过对单支点排桩和悬臂桩两种支护方案的比较，考虑到降低成本，最终决定采用单支点排桩支护，土钉墙支护，关键词：基坑支护土钉墙排桩锚杆AbstractTheKangNaibuildinglocatesinnorthsideofLingYuanroadofHanDancity,andwestsideofHanShanSouthAvenue.Itcoversanareaof22.849m2withonthegroundistwenty-fourlayerandundergroundisonelayer.theframeworkofshearwallstructure.Theworksarebasedondepthof5m,theactualexcavationdepthof5.75m.accordingtothesiteandsoilconditionssimilarexcavationworksexperienceofHandanCity,toensurethestabilityofthepitandsaveinvestmentasmuchaspossible.Tobeadoptedsoilnailingwallsandpiles+boltrow(north)tosupporttheexcavation.Throughanalyzingfortheengineeringgeologicalconditionsofthisproject,therearemanybuildingaroundthisproject.northsidedistanceHanShanexperimentprimaryschoolhaveonly3.14meters,theinstabilityofsoiltobeusedrowpilemaintenance.Thesouthsideandotherdistanceimportantbuildingsfromfurtherawaytobeusedsoilnailwallsupport.Inthepitsupportingthedesignprocess,therehasanalyzedthreetypesofschemeoneafteranother:1.Cantileverpilesupport;2.Soilnailwallsupport,3.Pile-rankedsingle-Fulcrumcare.Thecantileverpilessupportingneedthelengthof21.5m,soitisunreasonable.Soilnailwallsupporttobeusedforshallowpit.Throughthesinglefulcrumpilesandpilesofcantileversupport,takingintoaccountthelowercostsandultimatelydecidedtoadoptthesingle-rowpilessupporting,soilnailwallsupport,Keywords:PitSupport;Soilnailwall;Pileboltrow;Bolt 目录0.绪论11.设计任务书11.1工程概况11.2工程地质及水文地质概况12.设计依据22.1基坑侧壁安全等级22.2工程勘察资料32.3有关主体结构的设计资料42.4资料周围环境43.基坑设计方案的选择43.1方案比较43.2方案确定53.3地下水的处理54.基坑围护桩的设计（按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99））54.1土各项指标的简化54.2土压力的计算64.3土压力零点位置64.4支撑力和土压力零点的剪力计算74.5由等值梁求算桩的入土深度74.6弯矩的计算84.7桩的配筋84.8按工况计算：94.9腰梁设计104.10冠梁的计算114.11位移计算（m法）125.锚杆设计195.1锚杆参数的设计195.2锚杆长度的计算205.3锚杆配筋计算205.4锚杆轴向受拉承载力计算205.5基坑锚杆护壁的整体稳定性验算：206.土钉墙的设计（按照《基坑土钉技术规程》(CECS96:97)）226.1土钉墙尺寸设计参数确定如下22 6.2土钉抗力的设计236.3土钉墙支护内部稳定性分析276.4土钉墙支护外部稳定性分析307.经济预算分析327.1土方费用327.2桩锚费用327.3土钉墙费用327.4总费用汇总表338.施工监测方案339.应急预测方案33致谢34参考文献35附件一：读书报告36附件二：专题报告43 邯郸市康奈大厦基坑支护设计（5.75m）学生：马煜指导教师：吴雄志河北工程大学土木工程学院土木工程专业岩土工程方向0.绪论毕业设计是大学四年中学习的最后一个阶段，本次设计的目的是详细学习和了解与岩土工程相关的知识，巩固以前学习过的知识（深基坑支护、基础工程、地基处理、土力学、工程地质学等），并按照现行规范，通过对实际情况的分析把它运用到生产实践中去，同时也培养了调查研究、查阅文献、收集资料和整理资料的能力。通过本次设计使自己能够理论联系实际，并为以后的工作和学习打下坚实的基础。1设计任务书1.1工程概况拟建邯郸市康奈大厦位于邯郸市陵园路北侧，西临邯山南大街，建筑面积22849m2，地上24层，地下1层，框架剪力墙结构。该工程基础埋深5m，实际基坑开挖深度为5.75m，根据场地的土层条件及邯郸市类似基坑工程的经验，为保证基坑的稳定性及尽量节省投资，经方案比选，拟采用土钉墙技术及排桩+锚杆（北侧）对该基坑进行支护。1.2工程地质及水文地质概况据中冶地勘岩土工程总公司提供的岩土工程勘察报告，该场地土层由上至下分别为：第1层，杂填土：杂色，稍密，湿，主要以碎砖块等建筑垃圾组成，本层在整个场地均有分布，层厚0.60～2.80m，层底标高56.53～59.11m。第2层，素填土：深褐色，可塑～硬塑，主要回填物为粉质粘土，局部为粉土，含少量小砖块及炭屑，本层在整个场地均有分布，层厚1.20～3.60m，层底标高53.70～56.86m。第3层，粉土：黄褐色，湿，中密～密实，无光泽，摇震反映中等，韧性低，干强度低。厚度2.00～3.00m，层底标高53.33～54.46m。第4层，粉土：灰色，湿，中密～密实，无光泽，摇震反映中等，韧性低，干强度低，含较多青砖，瓦片。层厚0.80～2.50m，层底标高51.83～53.03m。第5层，粉质粘土：灰褐色，软塑～可塑，含青砖，瓦片及有机质，局部夹粉土薄层。稍有光泽，无摇震反应，韧性中等，干强度中等。层厚2.70～4.90m，层底标高48.13～49.31m。第6层，粉质粘土：褐黄色，可塑～硬塑，含砂粒及钙质结核。稍有光泽，无摇震反映，韧性中等，干强度中等。层厚0.60～1.50m，层底标高47.30～48.33m。第7层，中砂：褐红色，中密，湿，主要矿物成分为长石，石英，含少量小砾石，局部为细砂。层厚0.80～3.10m，层底标高44.96～47.53m。第7－1 层，粉质粘土：褐黄色，硬塑，含砂粒及钙质结核。稍有光泽，无摇震反映，韧性中等，干强度中等。层厚1.90～2.20m，层底标高44.84～45.63m。第8层，粉质粘土：红褐色，硬塑～坚塑，含氧化铁及钙质结核。稍有光泽，无摇震反映，韧性中等，港强度中等。层厚3.3～5.4m，层底标高40.10～42.33m。第8－1层，细砂：黄褐色，稍密，湿，主要矿物成分为长石，石英。层厚1.80m，层底标高40.53m。第9层，粉质粘土：红褐色，硬塑～坚硬，含氧化铁及砂粒。稍有光泽，无摇震反映，韧性中等，港强度中等。揭露最大厚度4.4m，层底标高36.10～39.70m。第10层，卵石：黄褐色，红褐色，稍密，湿，主要岩性为长石，石英，砂岩，约占总质量的55～60％，一般粒径20～50mm，最大粒径约150mm，局部见漂石，磨圆度较好，主要以粘性土及粗砂填充，层厚25.60～25.80m，层底标高11.53m。第10～1层，粉质粘土：红褐色，坚硬，含砂粒。稍有光泽，无摇震反映，韧性中等，干强度中等。厚度0.50～1.80m，层底标高25.03～29.34m。第11层，粘土夹粉质粘土：棕褐色，坚硬，含氧化铁，砂粒及钙质结核，上部为粉质粘土。有光泽，无摇震反映，韧性高，干强度高。本次勘查未揭穿本层，揭露最大厚度12.20m。各层土的物理力学性质指标见表1。表1：土的物理力学性质指标层号土的名称w(%)(kN/m)ew(%)W(%)a(MPa-1)f(kPa)2素填土21.3190.75028.318.20.385903粉土23.619.20.75627.117.70.3991004粉土226.119.20.81727.617.90.351905粉质粘土25.019.40.76128.718.10.3631006粉质粘土20.819.90.67828.218.00.321140该场地在勘察期间实测混合稳定水位埋深为9.70—10.70m，近3－5年地下水位埋深8.00m，为微承压水。2设计依据2.1基坑侧壁安全等级该基坑工程开挖深度5.75m，围护结构不是主体结构的一部分，基坑周围有建筑物，管线，道路，管道等建筑体需加以保护，但不需严加保护。故基坑工程等级为二级。按照《建筑基坑支护技术规程》关于基坑侧壁安全等级及重要性系数的表述，该基坑工程基坑侧壁安全等级为二级，重要性系数γ0＝1.0。（附表如下）基坑侧壁安全等级及重要性系数安全等级破坏后果重要系数γ0一级支护结构破坏，土体失稳或变形过大对基坑周围环境及地下结构施工影响严重1.10 二级支护结构破坏，土体失稳或变形过大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，土体失稳或变形过大对基坑周围环境及地下结构施工影响不严重0.902.2工程勘察资料各主要土层物理力学性质指标土层编号土层名称土层厚度（m）粘聚力c(kPa)内摩擦角j(°)重度(kN/m3)孔隙比e液性指数qs(kPa)1杂填土（杂色）1.410.010.018.0______2素填土（深褐色）2.47.9012.919.00.7528.3903粉土（黄褐色）2.515.911.719.20.75627.11004粉土（灰色）2.09.0013.419.20.81727.6905粉质黏土（灰褐色）3.521.312.219.40.76128.71006粉质黏土（褐黄色）1.022.711.619.90.67828.21407中砂2.50.0012.219.50.695____8粉质黏土（红褐色）4.061.111.620.50.63530.5__地层岩土性质特征一览表地层序号岩性颜色湿度稠度／密度压缩性(MPa-1)1杂填土杂湿稍密__2素填土深褐湿可塑～硬塑0．3853粉土黄褐湿中密～密实0.3994粉土灰色湿中密～密实0.3515粉质粘土灰褐湿软塑～可塑0.3636粉质粘土黄褐湿可塑～硬塑0.3217粉质粘土中砂褐红～褐黄湿中密～硬塑—8粉质粘土红褐湿硬塑～坚塑— 场地在勘查期间，实测混合稳定地下水位埋深为9.7－10.7m，近3－5年地下水位埋深为8.00m，为微承压水2.3有关主体结构的设计资料建筑面积2254.9m2，地上24层，地下1层，框架剪力墙结构。2.4资料周围环境该工程北侧毗邻邯山区实验小学教学楼（4层），最小净距离为3.14m。目测该教学楼窗户有竖向裂缝；东侧有邯山区政府房屋（2层）;西侧有邯山区自来水网管，预计埋深1.5m;南侧距坑边7.5m左右有光缆通过，预计埋深1.5m；平面图如下康奈大厦基坑平面图3基坑设计方案的选择3.1方案比较3.1.1悬臂桩方案在计算土时采用加权平均重度及摩擦角，内粘聚力。经布鲁姆法计算，桩的嵌固深度为15.50m,总长度为21.50m。对于基坑深度为5.75m的基坑嵌固深度太长，不经济，不宜选用。3.1.2土钉墙方案土钉墙支护方案由于其经济和施工工期短，所以，此方案是最基本方案，但其适用性有一定范围。在本工程中，北侧毗邻小学教学楼且教学楼现已有明显墙体开裂，因此必须保证基坑的绝对安全，经试算，若要保证土体的整体稳定性，土钉间距过密，且土钉过长。在北侧不宜采用。但其它三侧可用。3.1.3水泥土搅拌桩按照规范规定，水泥土墙的宽度为0.6—0.8H，宽度为3.4m。超过基础红线范围。不宜采用 3.1.4单支点桩计算结果如后设计部分，可以采用。3.2方案确定本基坑支护的特点：（1）北侧毗邻小学教学楼且教学楼现已有明显墙体开裂，因此必须保证基坑的绝对安全。（2），其它三侧均为管道，电缆等地下建筑综合该工程的特点和场地地质与水文条件，并参照各种围护墙体的类型，适用性以及优缺点和《建筑基坑工程的设计计算和施工》中各种基坑实例简况，现确定方案如下：东，南，西三侧：土钉墙支护北侧：单支撑排桩3.3地下水的处理因地下水位8.0m左右，而基坑开挖深度位5.75m，故该工程不考虑降水处理问题。4基坑围护桩的设计4.1土各项指标的简化计算土压力为了计算简化，对主动土压力和被动土压力的计算指标采用加权平均计算主动土压力计算指标：.取取γ＝19．2KN/m3=0.81被动土压力计算指标：.取取γ＝19．3kN/m3 =1.244简化后如下图示：图.1土指标简化图4.2土压力的计算采用朗肯土压力计算主动土压力Ea和被动土压力Ep土中任意一点竖向主动应力按（4-1）土中任意一点竖向被动应力按（4-2）经计算的设土压力零点距基顶面的距离为（4-3）4.3土压力零点位置 设土压力零点距基坑底的距离为u，根据土压力零点处墙前被动土压力强度和墙后主动土压力强度相等得：由σp＝σa得u＝0.67m图.2等值梁法计算简图4.4支撑力和土压力零点的剪力计算由等值梁根据平衡方程计算支撑力R和土压力零点的剪力Q（4-4）（4-5）其中Ea－主动土压力a—主动土压力距基顶的距离。—支撑力距基顶的距离。取＝2.0m计算结果如下：4.5由等值梁求算桩的入土深度由（4-6） 得桩的最小入土深度桩的入土深度桩的总长。取L＝10.5m.所以嵌固深度为4.75m4.6弯矩的计算由力学求解器得：最大正弯矩距土压力零点3.67m，M＝111.4kN/m最大负弯矩距土压力零点1.4m，M＝37.54kN/m图.3桩身弯矩图4.7桩的配筋桩体可按均匀配筋，即受压和受拉区配筋相等，桩间距1.6m，桩受弯矩为：钢筋总抗弯能力取桩径为d＝800mm,保护层厚度a取50mm，钢筋笼直径d1＝d－2a＝700mm混凝土选用C30,钢筋选，沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩,其正截面受弯承载力可按下列公式计算（4-7） （4-8）查表得：α＝0.281（4-9）＞，符合要求。4.8按工况计算：在打第一根锚杆之前，基坑开挖至-2.5m，此时为悬臂桩，计算简图如下，图.4工况计算简图由Blum法得：土压力为零点设土压力为零点距此时所开挖的基坑底面的距离为u 所以由解得u＝－0.62m。故取土压力为零点在－2.5m处土压力为：最大弯矩在剪力为零处，设从土压力为0点向下处Q=0，则有；（4-10）则所以：（4-11）按配筋满足要求4.9腰梁设计锚杆和排桩需要有腰梁来连接,从而增强了地下支护结构的整体稳定性，腰梁应具备足够的抗弯刚度.在次只验算腰梁的弯矩来保证整体结构的稳定.腰梁计算简图为:(支撑力84.7kN支座间距1.6m,计算5跨) 图.6腰梁计算简图图.7腰梁弯矩图因,即:(4-12)腰梁：选2[14a4.10冠梁的计算冠梁按构造配筋，如图示：图.8冠梁配筋图 4.11位移计算（m法）用m法计算排桩位移可分为两部分：基坑底面以下和基坑以上部分位移。4.11.1基坑底面以下部分土压力作用下，由平衡关系得：基底的水平力弯矩参数确定基床系数取值为：图.9位移计算简图由基坑底以下深度范围内的各层土的换算平均值(4-13)取,取桩的配筋率为(4-14)(4-15)排桩的计算宽度为，取(4-16)，；(4-17)桩置于非岩石地基中，查表，按得： （4-18）（4-19）（4-20）（4-21）（4-22）（4-23） 基坑以下位移点号h=azzA1B1C1D1Xz10.20.4901960781.000000.200000.020000.001330.00772288920.40.9803921570.999910.399990.080000.010670.00957611740.61.4705882350.999350.599870.179980.036000.01150425440.81.9607843140.997270.799270.319880.085320.01350548251.02.4509803920.991670.997220.499410.166570.01556666961.22.9411764710.979271.191710.717870.287580.01765722651.43.4313725490.955231.379100.973730.455880.01972143261.63.9215686270.912801.553461.264030.678420.02166936371.84.4117647060.843131.705751.583620.961090.02336692181.944.7549019610.775431.807431.875971.265810.0246116694.11.2基坑地面以上部分位移计算简图如图。在集中力R作用下H0＝84.7KN,M0＝Pb＝84.7×3.75＝317.6KN.m任意点的水平位移由三部分组成：1，挡墙作为弹性地基杆在基坑地面处o点受H和M后，o点的水平位移（4-24）2．挡墙作为弹性地基杆在基坑地面处o点受H和M后在o点产生的转角在o点引起的变位为图.10位移计算简图（4-25）3．挡土墙悬臂部分作为悬臂梁，在集中力P作用下，在任意点N产生水平位移，当N点位于a范围里，。（4-26）当N点位于b范围里，（4-27）=0时 =0.5m时=1.0m时=1.5m时=2.0m时=2.5m时=3.0m时=3.5m时=4.0m时=4.5m时 =5.0m时=5.75m时由三部分叠加得(a=2.0m,b=3.75m)点10.000.0009620.0122310.0132020.0175230.0457770.000528930.05950720.500.0009620.0122310.0132020.0175230.0437860.000470160.05745831.000.0009620.0122310.0132020.0175230.0398060.000411390.05341941.500.0009620.0122310.0132020.0175230.0358250.000352620.04937952.000.0009620.0122310.0132020.0175230.0318450.000293850.04534862.500.0009620.0122310.0132020.0175230.0278640.000235430.04130173.000.0009620.0122310.0132020.0175230.0238830.000179090.03726483.500.0009620.0122310.0132020.0175230.0199030.000126940.03323194.000.0009620.0122310.0132020.0175230.0159220.000081060.029205104.500.0009620.0122310.0132020.0175230.0119420.000043530.025187115.000.0009620.0122310.0132020.0175230.0079610.000016450.0211795.500.0009620.0122310.0132020.0175230.0039810.000019150.017201125.750.0009620.0122310.0132020.017523000.013202在三角形荷载（土压力）作用下.,，任意点的水平位移由三部分组成：1，挡墙作为弹性地基杆在基坑地面处o点受H和M后，o点的水平位移（4-28）2．挡墙作为弹性地基杆在基坑地面处o点受H和M后在o点产生的转角 在任意点N点引起的变位为（4-29）3，按照材料力学关于位移和转角计算公式，在任意点N点的水平位移（4-30）按以上公式分别计算任意点处的位移=1.5m=2.0m=2.5m=3.0m=3.5m=4.0m =4.5m=5.0m=5.5m=5.75m（4-30）点基坑上总位移10.000.0081230.0415040.0496270.0595070.00988320.500.0081230.0396990.0481810.0574580.00927731.000.0081230.036090.0443410.0534190.00907841.500.0081230.0324810.0002580.0408620.0493790.00851752.000.0081230.0288720.0004110.0374060.0453480.00794262.500.0081230.0252630.0005770.0339630.0413010.00733873.000.0081230.0216540.0007650.0305420.0372640.00672283.500.0081230.0180450.0009250.0270930.0332310.00613894.000.0081230.0144360.0011010.023660.0292050.005545104.500.0081230.0108270.0012780.0202280.0251870.004959 115.000.0081230.0072180.0014540.0167950.0211790.0043845.500.0081230.0036090.0016230.0133550.0172010.003846125.750.00812300.0017170.009840.0132020.003362图.11桩的水平位移图（单位：m）（纵坐标为桩的长度＋代表基坑以上－代表基坑以下，横坐标为基坑位移）5锚杆设计5.1锚杆参数的设计锚杆层数：一层；锚杆间距：1.6m；锚杆倾角：200；锚杆安全系数：Km＝1.5每排锚杆所需承受拉力为：(5-1)即 5.2锚杆长度的计算5.2.1锚杆的固定段长度(5-2)5.2.2锚杆的自由段长度由几何关系得，(5-3)按照规范规定锚杆自由段长度不应小于5m，所以＝。5,2.3锚杆总长度＝＋＝13.01＋5.0＝18.01m5.3锚杆配筋计算锚杆杆体的截面面积：采用HRB335级钢筋，＝300N/，则(5-4)锚杆面积选用5.4锚杆轴向受拉承载力计算锚杆轴向受拉承载力计算：(5-5)此锚杆为非扩孔锚杆故(5-6)查《建筑基坑支护技术规程》上的表4.4.3得（土层按加权平均考虑）>p＝173.0KN，故锚杆的承载力满足要求。5.5基坑锚杆护壁的整体稳定性验算：土层锚杆围护墙整体稳定性验算，通常按照墙底的圆弧滑动面计算。 深层滑移稳定性验算，按照德国学者克兰恣（E.Kranz）方法计算，对于单层锚杆围护墙的深层滑移稳定性验算如下图。如图：图.13深层滑移稳定性验算简图5.5.1解析法1)通过锚固段中点c与围护桩的假想支承点b连一直线，再过c点作竖直线交地面于d点，确定土体稳定性算的范围。2)力系验算，包括土体自重及地面超载G，围护墙主动土压力得合力Ea，cd面上得主动土压力的合力Ec,bc面上的合力Fe.3)做力多边形，求出里多变形的平衡力，即锚杆力R.计算结果。土体重力：支护结构上作用的主动土压力为：（5-7）作用在假想墙上的主动土压力为： （5-8）由公式（5-9）（其中）得：又故，可以。5.5.2作图分析法由力多边形，求出力多边形的平衡力，即锚杆拉力Rmax由图得Rmax为327.4Kn深层滑移稳定性安全系数Kms=>1.5满足6土钉墙的设计（按照《基坑土钉技术规程》CECS96:97)）6.1土钉墙尺寸设计参数确定如下①土钉长度L与基坑深度H之比宜在到0.6—1.2的范围内。按L/H=1.0.即L=5.75m。取L=6.0m②土钉的水平和竖向间距Sh和Sv宜在1.0—2.0m的范围内。因5.75m基坑范围内大部分为杂填土和素填土，故取Sh＝1.0m和Sv＝1.0m③土钉钢筋用Ⅱ级及其以上，钢筋直径宜在16—32mm的范围内,土钉孔径宜在70—— 120mm的范围内。采用Ⅱ级螺纹钢筋直径为25mm，土钉孔径为100mm，④土钉钻孔的向下倾角宜在00—200的范围内。即土钉在水平方向向下倾斜100⑤喷混凝土面层的厚度在50—150mm之间，混凝土强度等级不低于C30,3天不低于10Mpa,喷混凝土面层内应设置钢筋网,钢筋网的钢筋直径宜在6—8mm，网格尺寸150—300mm。采用混凝土强度C30,喷混凝土面层的厚度为100mm,设钢筋网为φ6@200×200mm2。两次喷成。通过以上土钉参数的初步确定，土钉墙支护的剖面图如上所示6.2土钉抗力的设计假定土钉受拉工作，不考虑抗弯强度，土钉设计按下图的侧压力分布图算出。图.15侧压力分布6.2.1土钉所受的侧压力土钉所受的侧压力（6-1）式中P——土钉长度中点所处深度位置上的侧压力Pl——土钉长度中点所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力据图求出Pq——地表均布荷载引起的侧压力(1)图中自重引起的侧压力峰压Pm(Pl)对于的砂土和粉土，Pm＝0.55γHKa对于C/γH＞0.05的一般粘性土,粘性土的取值应Pm不小于0.2γH(2)图中地表均布荷载引起的侧压力取为Pq＝qKa以上式中c,φ—土的抗剪强度指标 γ—土的重度H—基坑深度Ka—主动土压力系数，对性质不同的分层土体，采用加权平均计算。计算结果如下取0.55γHKa＝0.55×19.2×5.75×0.656＝39,8kpa0.2γH＝0.2×19.2×5.75＝22.1kpa因为Pm＞0.55γHKa所以Pm＝39,8kpaPq＝qKa＝10×0.656＝6.56kpa土钉所受的侧压力P=Pl+Pq＝39,8＋6.56＝46.36kpa6.2.2土钉抗拔力计算在土体自重和地表均布荷载作用下每一土钉中所受的最大拉力或设计内力N，可按上图图所示的侧压力分布图形用下求出。（6-2）式中Sh－水平竖向间距Sv－竖向间距φ－土钉倾角计算结果如下（1）土钉受拉强度破坏，此时土钉拉应力达到屈服强度。各层土钉在设计内力作用下应满足式（6-3）式中FS.d－土钉的局部稳定性安全系数取1.2—1.4，基坑深度较大时取高值 N—土钉设计内力，按确定d—土钉钢筋直径(m)fyk—钢筋抗拉强度标准值按混凝土结构设计规范取用(KN/m2)计算结果如下＝1.3×47.1＝61.2KN＜满足要求（2）土钉受拉拔出破坏，土钉从破坏面内侧稳定土体中拔出。各层土钉的长度尚宜满足下列式子（6-4）式中—土钉轴线与图所示倾角等于（450＋φ/2）斜线的交点至土钉外端点的距离（m）（如图示）,对于分层土体φ值根据各层土的值按其层厚加权的平均值算出—土钉孔径τ—土钉与土体之间的界面粘结强度，按下表取值界面粘结强度土层种类τ（Kpa）素填土30－60杂填土软塑15－30可塑30－50硬塑50－70坚硬70－90粉土50－100砂土松散70－90稍密90－120中密120－160密实160－200计算结果如下由于各道土钉所处土层性质不同，故土钉与土体之间的界面粘结强度τ不同，因此需要分别验算每道土钉的长度。 第一道土钉长度，采用正弦定理计算，计算简图如右所示由得＝3.07m第一道土钉处于素填土中因此τ取60Kpa＝6.0m不满足要求，调整L/H=1.2.即L=6.90m。取L=7.0m，满足要求第二道土钉长度，采用正弦定理计算，计算简图如右所示，由得＝2.35m第二道土钉也处于素填土中因此τ取60Kpa＝6.0m满足要求第三道土钉长度，采用正弦定理计算，计算简图如右所示由得＝1.63m第三道土钉处于粉土中因此τ取80Kpa ＝6.0m满足要求由于第四道，第五道土钉和第三道一样均处于粉土中，τ取80Kpa，因均相等，而Ln则是依次减少的，所以符合要求因此，土钉长度第一道取7.0m，以下四道取6.0m。6.3土钉墙支护内部稳定性分析土钉支护的内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破坏面发生在支护内部，并穿过全部或部分土钉。假定破坏面上的土钉只承受拉力且达到按下式所确定的最大抗力R,①土钉强度（与截面大小和屈服强度有关）（6-5）计算结果土钉从破坏面外侧稳定土体中拔出的能力（与深入稳定土体的长度，钻孔直径，截面粘结强度有关）（6-6）土钉在破坏面一侧深入稳定土体的长度计算结果＝3.14×3.93×0.1×60＝75.36KN③土钉从破坏面外侧失去稳定的土体中拔出的能力（与深入稳定土体的长度，钻孔直径，截面粘结强度，土钉端部与面层的连接强度有关）（6-7）其中R取以上三种中最小值，故R＝52.44KN 按圆弧破坏面采用普通条分法对支护作整体稳定性分析图（如下图）图.16内部稳定性分析计算简图1采用瑞典条分法：半径为10m，土条宽度取b＝0.5m，共分为8条。Tgφi＝0.22,CiL＝14.7×6.9＝101.4KN土条号土条高Hi土条重Wiαisinαicosαi(W+q)cosαitgφi(W+q)sinαi05．7555.2230.3905440.92058413.2048625.4634615．4652.416250.4224180.90640112.4462726.3656325．0648.576300.499770.86615811.1619429.2745334．6444.544330.5443940.8388310.0656929.6934344．1539.84370.6015540.7988328.75903829.9814353．5734.272450.7068250.7073886.88984931.2925662．8827.648520.7877270.6160245.10225629.6563672．0119.296580.8477760.5303543.41819824.8364580．837.968650.9060650.4231391.67265316.28017求和72.72075242.844βisinβicosβi(R/Sh)sinβitgφi(R/Sh)cosβi350.5733230.819339.50523261.74468430.681720.73161311.3023755.13437550.8188730.57397513.5762643.25476620.882690.46995614.6342935.41587680.9269580.37516415.3682328.27239求和64.38638223.8221计算按下式算出内部整体稳定性安全系数为 （6-8）式中W1,Q1—作用于土条i的自重和地面地下荷载α1—土条i圆弧破坏面切线与水平面的夹角△1—土条i的宽度φ1—土条i圆弧破坏面所处第层土的内摩擦角C1—土条i圆弧破坏面所处第层土的粘聚力R1—破坏面上第i排土钉的最大抗力按条确定β1—第i排土钉轴线与该处破坏面切线之间的夹通过计算内部整体稳定性安全系数为；Fs1＝1.9034另取一圆弧如下图图.16内部稳定性分析计算简图2采用瑞典条分法：半径为7.5m，土条宽度取b＝1.0m，共分为6条。Tgφi＝0.22,CiL＝14.7×7.875＝115.76KN土条号土条高Hi土条重Wiαisinαicosαi(W+q)cosαitgφi(W+q)sinαi05.75110.4230.3905437920.9205843524.3844382747.021472615.38103.296290.4845851820.8747440821.8031011154.901562824.994.08360.5875275260.8092041818.5288336561.149864934.2781.984440.6943782680.7196101914.5623771663.8716906 43.4466.048520.7877274040.6160239710.3064260659.905093752.2643.392630.8907533180.45448715.33851457547.5591012求和　　　　　94.92369082334.408786βisinβicosβi(R/Sh)sinβitgφi(R/Sh)cosβi360.5875275260.8092041819.74073635460.98971912470.7310700230.68230244212.1205561251.42513502570.8383957780.54506194113.8999312841.0813185660.9133077790.4072700615.1419123230.69594439740.9610810140.2762666915.9339543520.82222043求和　　66.83709043205.0143375对照下表：支护内部稳定性安全系数本基坑开挖深度5.75m,Fs1＝1.9034,Fs2＝1.443均＞1.2满足要求6.4土钉墙支护外部稳定性分析以土钉就地加固土体，当土钉达到一定密度时（研究表明土钉间距不大于1/3土钉长度时）。所形成的复合体类似锚定板群锚现象中破裂面后移现象。在土钉加固范围内形成一个土墙，它的作用机理类似于重力墙。因此土钉支护的外部整体稳定性分析与重力式挡土墙的稳定分析相同6.4.1土钉厚度B的确定将土钉的加固分三部分考虑土墙的厚度：第一部分加强体的均匀压缩加固带为2/3L；第二部分钢筋网喷射混凝土的支护厚度为1/6；L第三部分土钉尾部非均匀压缩带厚度为1/12L；所以土钉厚度为三部分之和B＝11/12L；土钉倾斜时B＝（11/12）Lcosα＝6.32m6.4.2土钉墙的抗滑动稳定性验算抗滑移安全系数（6-10）式中Fi——基底断面上产生的抗滑合力。 Eax——墙后主动土压力的水平分力。计算结果如下：Eax＝cosφEa＝cos100×237.4＝233.8KN安全6.4.3土钉墙的抗倾覆稳定性验算抗倾覆安全系数（6-11）式中Mw——抗倾覆力矩。Me——土压力产生的倾覆力矩。计算结果如下：安全6.4.4土钉墙基底承载力的验算基底承载力安全系数（6-12）式中—基底部分塑性承载力—基底最大压应力计算结果如下： 安全7.经济预算分析7.1土方费用(1)土方量计算土方量=面积×坑深V=S×H=3357.36×5.75=18700.5m3(2)机械费装载机(履覆式1m3)自卸汽车(3.5t)(3)装载机装自卸汽车运土人工费(4)综合:336784.4元.33.7万元7.2桩锚费用桩数:43根.桩长:10.5m.桩径:800mm.锚杆42根.锚杆长:18m.。喷混凝土面层厚30mm.(1)混凝土费用桩:混凝土体积=桩数×单桩体积=43×10.5×3.14×0.42=37×5.2752=195.18m3冠梁:混凝土体积=1.0×0.4×59.2=23.9m3锚杆:混凝土体积约取5m3混凝土面层：混凝土体积=混凝土面积×混凝土层厚度=340.4×0.03=10.21m3混凝土费用=混凝土体积×混凝土单价=234.06m3×235.2元/m3=61166.12元(2)钢筋费用桩:主钢筋数=桩数×单桩长度×单位长度重量=43×(10.5+1.0)×12m×2.98kg/m=15215.9kg箍筋数=桩数×箍筋数×单个箍筋长×单位长度重量=43×53×2×3.14×0.4m×0.395kg/m=1945.8kg冠梁:主钢筋数=钢筋数×钢筋长度×单位长度重量=10×59.2m×1.21kg/m=716.3kg箍筋数=箍筋个数×单个箍筋长度×单位长度重量=300×2.4m×0.395kg/m=331.8kg锚杆:锚杆个数×锚杆长度×单位长度重量=42×2×18m×2.98kg/m=3969.4kg钢筋费用=钢筋重量×钢筋单价=22.2t×3100元/t=68820元7.3土钉墙费用第一排7.0m,后四排6.0m.25单排土钉数208根(1)钢筋量=土钉数×土钉长度×单位长度重量=(208×7.0+208×6.0×4)m×3.85kg/m=24824.8kg(2)钢筋网面积=208×5.75=1196m2 (3)混凝土体积=混凝土面积×混凝土层厚度=1196×0.1=119.6m3土钉总费用:24.85t×3100元/t+119.6m3×235.2元/m3=77035元+31454.8元=108490元7.4总费用汇总表项目计量单位工程数量单价(元)合计（元）土方部分m318700.518.1336784.4桩锚部分混凝土m3234.06235.261166.2钢筋t22.2310068820土钉墙部分混凝土m3119.6235.277035钢筋t24.85310031454.8钢筋网m2119617.520930各种机械费－－－20000总计－－－616190.48施工监测方案：现场监测的准备工作应在基坑开挖前完成，从基坑开挖直至土方回填完毕均应作观测工作。在本工程深基坑施工过程中，为了随时监测基坑施工及相邻建筑物的安全，达到信息化施工，对以下项目进行了施工监测：（1）桩顶水平位移监测：水平位移观测点延其结构延伸方向布设，每10米布设一个观测点。测点埋设在桩顶冠梁上。当水平位移报警值为24mm。（2）临近建筑物沉降监测：沉降观测点布设在东南角市政大酒店和西侧三栋民用住宅楼上，一栋建筑物上布设一个测点。测点布设在建筑物墙外侧。报警值按规范要求设置。（3）临近管线变形监测：热力管道上布置2~3个观测点，测点布设于管道顶部。报警值按规范要求设置水平位移、沉降和变形观测点在布设初始建立读数，在基坑开挖当日起实施。两天观测一次。观测数据应及时分析整理，水平位移、沉降和变形观测项目应绘制随时间变化的关系曲线，对变形的发展趋势作出评价。监测记录和监测报告应采用监测记录表格，并应有监测、记录、校核人员签字。监测工作完成后，由监测人员提交完整的基坑工程现场检测报告。9应急预案：当观测数据达到计算变形的最大值时，必须通报有关单位和人员，采取措施。针对重点区段进行压力注浆，注浆压力一般为1～2MPa。注浆管深度试具体情况而定。浆液采用掺水玻璃的水泥浆，以加速其凝固，每孔的注浆量已注满为止 致谢光阴似箭，日月如梭，短短的13周毕业设计转眼即逝。在这13周的毕业设计里，我自认为没有虚度时光，而是身心受益。不仅对以前学过的知识进行了一次巩固，而且学到了许多以前在课本上没有学到的东西。在此：首先感谢河北工程大学的课程安排；再次感谢土木工程学院的老师给我以悉心的指导。在设计期间，得到了吴雄志，张岳文，原冬霞三位老师的指导，尤其是吴雄志老师多次指导并纠正错误，在此表示感谢。由于水平有限，错误再所难免，望老师指正。 参考文献[1]袁聚云，李镜陪等编著，土木工程专业毕业设计指南岩土分册。中国水利水电出版社，1999。[2]陈中汗等编著，深基坑工程。机械工业出版社，2003。[3]黄强、惠永宁主编，深基坑支护工程实例集。中国建筑工业出版社，1997。[4]崔江余、梁仁旺编著，建筑基坑工程设计计算与施工。中国建材工业出版社，1999。[5]宁波市城市建筑建设委员会编，深基坑支护工程实例。中国建筑工业出版社，1997。[6]东南大学、同济大学等合编，土力学。中国建筑工业出版社，2002。[7]东南大学、同济大学等合编，混凝土工程。中国建筑工业出版社，2002[8]赵志晋，赵帆编著，高层建筑施工。中国建材工业出版社2007[9]《基坑土钉技术规程》（CSCE96：97）。[10]《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）。中国建筑工业出版社，1999[11]《基坑土钉技术规程》（ESEC96：97） 附件一：边坡工程浅谈——读书报告在这毕业设计的时间里，为了与研究生课程有一个较好的挂钩，我专门阅读了《边坡工程》这本书，使我对边坡从分类，破坏形式，破坏原因，到稳定性分析，监测，防治有了一个较系统的了解。一．边坡的分类边坡按成因可以分为两类：自然边坡和人工边坡自然边坡是天然形成的山坡或谷坡。此类边坡是在地壳的隆起或下陷过程中逐渐形成的，只要边坡位于基准面以上，无论成因如何，它们就处于受侵蚀和被夷平的环境之后，之后开始了风化，解体以致滑塌的过程，较大规模的破坏就是自然边坡。人工边坡就是人工开挖形成的，挖方形成的边坡称为开挖边坡；填方形成的边坡称为构筑边坡。二．边坡岩体的破坏特征边坡的变形是以坡体未出现贯通性是破坏为特点，但在坡体的局部区域，特别在坡面附近也可能出现一定程度的破裂与错动，但从整体而言，并未出现滑动破坏。因此边坡的变形主要是松动和蠕动。（1）松动边坡的形成初始阶段，坡体表部往往出现一系列近于平行的陡倾角胀裂隙。被这种裂隙切割的岩土体便向临空方向松动。这种过程称为松动。边坡岩体的松动可以是应力重分布的过程中形成的，也可以是各种外力作用形成的。（2）蠕动边坡岩土体在自重应力为主的长期应力作用下，向临空方向缓慢而持续的变形，称为边坡蠕动。蠕动的形成机理为岩土的粒间滑动或土体的裂纹微错所致。一般分为表层蠕动和深层蠕动。三．边坡的破坏形式边坡变形发展到一定程度，将导致边坡的失稳破坏。边坡的失稳情况，按其破坏方式主要分为崩塌，滑坡，滑塌等等。（1）崩塌崩塌是指块状岩体或土体分离向前翻滚而下，在崩塌过程中，岩土无明显滑移面，同时下落土体直接坠落与坡脚或在斜坡上翻滚，滑移最后堆积于坡脚。边坡的崩塌通常发生于即高又陡的边坡前缘。崩塌产生原因，从力学机理分析，是土体在重力与其它外力共同作用下超过岩体强度而引起的破坏现象。（2）滑坡 滑坡是指岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面长生的整体滑动。与崩塌相比，滑坡通常以深层破坏形式出现。其滑动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下，其滑动速度比崩塌慢。但是不同的滑坡速度可以相差很大。主要取决于滑动面本身的物理力学性质。根据滑面形式，滑坡可以分为平面剪切滑动和旋转剪切滑动。（3）滑塌边坡松散岩土的坡脚大于它的內摩察角，因表层蠕动进一步发展，使它沿着剪变带表现为顺破滑移，滚动和坐塌，从而达到重新稳定坡脚的斜坡破坏过程称为滑塌或崩滑。滑塌是一种松散岩体。土体混合的浅层破坏形式，与风化营力，地表水，人工开挖坡角等作用密切。除以上三种以外，还有以下几种破坏形式，土体或岩体流动，岩层或土层曲折等等。四.边坡稳定性的影响因素（1）不连续面在边坡破坏中的作用（2）改变坡体的外形，引起坡体应力分布的变化（3）改变坡体的力学性质，使坡体强度发生变化（4）各种外力作用的结果五.边坡稳定性的分析边坡稳定性的分析是确定边坡是否处于稳定状态，是否需要对其进行加固和治理，防其发生破坏的重要决策依据。边坡发生破坏失稳是一种复杂的地质灾害过程，由于边坡内部结构的复杂性和组成土体和岩体的物质不同，造成边坡失稳的模式不同，对于不同失稳模式的不同就应采取不同的分析方法及计算公式来分析其稳定状态。目前的分析方法主要有定性分析法和定量分析法。定性分析法包括工程类比法和图解法；定量分析法包括极限平衡法和极限分析法，边界元，离散元和可靠度分析法。针对边坡稳定分析中常用的具有代表性的bishop法，janbu法，平面破坏计算法等加以详细论述：（1）简化bishop法bishop法是一种适合于圆弧形破坏面的边坡稳定分析方法。不—需求出严格的圆弧，只需近似圆弧即可。①假设条件滑动面为圆弧面；假设条块侧面的垂直剪力（Yi—Yi-1）tgo=0②力学分析由图可知，滑体的条块上有作用力：分块的重量W，作用在分块上的地面荷载Qi,作用在分块上的水平作用力QAi,条间的作用力水平分量X，条间的作用力竖直分量Y,条间底面的抗滑力S,条间底面的法向力N。由条间的竖直方向的平衡方程得（1） 由库仑破坏准则得（2）联立（1）（2）得（3）其中由滑体绕圆弧中心O的力矩平衡得(4)联合（1）（2）（3）（4）令，得稳定性系数（5）用简化bishop法令（6）③主要特点及应用条件bishop法主要考虑了条块间作用力，此方法适用于均指粘性及碎石堆土等斜坡形成的圆弧滑坡。（2）janbu法 对于松散的均质边坡，由于受基岩面的限制而产生两端为圆弧，中间为平面或折线的复合滑动，分析这种复合滑动面的边坡稳定性可用janbu法。janbu法的力学模型如下①假设条件垂直条件侧面上的作用力位于滑面之上1/3处；作用条形上的重力，反力通过条块底部的中点。②力学分析由图可知，条块上作用力：分块的重量W，作用在分块上的地面荷载Qi,作用在分块上的水平作用力QAi,条间的作用力水平分量X，条间的作用力竖直分量Y,条间底面的抗滑力S,条间底面的法向力N。janbu法满足的平衡条件：条间水平方向力学平衡；条块竖直方向力学平衡；条块绕分块底滑面点力矩平衡。因此由竖直方向上平衡得（7）由水平方向上平衡得(8)由库伦准则可得（9）由（7）（8）（9）得(10)其中令并引入修正系数 (11)③主要特点及应用条件janbu法计算特点是计算准确，主要适用于复合破坏面的边坡，也可用于圆弧滑动。（3）平面破坏计算法平面破坏计算法是针对边坡体沿单一结构面或软弱面产生平面滑动的分析方法。其力学模型如下①假设条件滑动面及胀裂隙的走向平衡；胀裂隙是直立的，其中有高度为Z的水柱；水沿胀裂隙的底进入滑动面并沿滑动面渗透；滑体沿滑动面做刚体下滑。②力学分析由图可知，滑体重量W，滑动面的裂隙水压的U,作用在滑体重心的水平力QAi,张裂空隙水压力V，,抗滑力S,滑动面的法向力N。由滑线法向力（N方向）平衡,得（12）由滑面切向力(S方向）平衡,得（13）由库仑准则及安全系数定义得(14)将（12）代入（14）得 (15)将（13）代入（15）得（16）其中③主要特点及适用条件平面破坏计算法的力学模型和计算公式简单，主要适用于均质砂土，顺层岩质的平面破坏稳定分析。六滑坡的监测山体平衡状态的丧失，一般的规律总是先出现裂缝，然后裂缝逐渐扩大，处于极限平衡状态，这时稍有外力或震动，就有滑坡等不良地质现象。为了发现隐患，消除危害，有效而经济的采取整治滑坡的措施，保证各种边坡工程的正常使用，就必须对山体进行布网监测。(1)监测目的研究不同地质条件下滑坡的产生过程,发育阶段和动态规律;研究影响滑坡大主要因素;研究抗滑构筑物的受力状态;在整治过程中,监测滑坡的发展情况,预测发展动向,作出危险预报,防止事故发生;整治过程后,了解滑坡发展趋势,判断是否稳定.(2)监测方法①滑坡地面位移监测建网监测.建网监测是由设置在滑坡体内及周围附近稳定区地表的各个位移观测点,以及设置在滑坡体外稳定区地面的置镜桩,照准镜等辅助设备组成的观测系统.其设置方法有:十字交叉法,方格网法,任意交叉法,横排观测网法,射线网和基线交点网法.这种方法的特点是:费时长,工作量大,但可以叫全面的了解滑坡动态.②地表裂隙简易观测法建网监测只能在大中型工程中,在一定时间内进行的一次观测,所得的位移数据只是平均值,有的局部位难以测到.由于滑坡变形过程中,在滑体的不同部位产生的裂隙随着滑坡变形的发展有着明显的规律性.我们对地表及建筑物上裂隙进行动态观测,就可以弥补这个缺点,扩大观测范围,准确了解滑动体变形的全过程.其方法有:直角观测尺观测法,滑动观测尺观测法,观测桩观测裂缝法,滑杆式简测器观测法.这种方法的特点是:方法简易,观测全面,弥补了建网监测对局部不到的缺点.③地面倾斜变化的监测滑坡在其变形过程中,地面倾斜度也将随之变化,观测地面倾斜可以达到两个目的:一是对尚未确定边界的滑坡,通过观测确定其边界;二是已经确定边界大滑坡，但对滑坡动态尚未明确时,通过观测可以判断滑坡是已经稳定还是尚在活动. ④滑动面位置的确定滑动面位置的确定是防止滑坡的关键.目前,国内外对于滑坡面的确定仍然没有很好的解决.主要测试设备有:钻孔埋入管节测试,滑面电测器测定,摇摆式滑面测试,等等除以上以外,还有滑坡深部位移位移测试,建筑物裂隙观测,滑坡滑动力观测等等.七边坡的防治(1)防治原则以预防为主,治理为辅,力求做到防患于未然,在以防为主的原则下应准循以下具体原则①在铁路,公路,方案选址时,在技术,经济合理条件下,应尽量绕避,②对于大中型复杂滑坡,采取一次根治和分期整枝结合的原则③要针对病因采取综合措施,治早治小,防患于未然④因地制宜,从实际出发,积极采用,推广和发展先进技术,施工方法⑤全面规划,选择最佳治理方案总之,以预防为主,定性要准,措施要稳,要很,养护要勤,也称”准,早,稳,很,勤”(2)防治措施滑坡成因复杂,主次有别.且常虽滑动而变化,边坡防治应才用综合措施,因地制宜,有主有辅,事先排水,事后绿化.目前,国内外在边坡实践中积累了丰富的经验.总体概括起来为”避,排,挡,减,固,植”六个字经验“避”就是避开滑坡影响,对一些大中型滑坡或滑坡群整治耗资大,稳定难以保证时,尽量避开滑坡的影响.“排”排水导流,采用多种形式的截水沟,排水沟,急流槽来拦截和排引地表水,使水不在进入或停留在滑坡范围内,以增加边坡稳定性“挡”抗滑支挡,在滑坡的舌部或中前部修建各种形式的抗滑挡墙,阻挡滑坡体的滑动,这是一种对稳定滑坡有长久作用的有效措施.“减”减重反压,把滑坡体上主滑和牵引地段的土石方挖去,填在下部抗滑地段,反压阻滑,改善边坡,增加抗滑力,提高稳定性,这是一种防治边坡的简便方法“固”就是利用物理化学加固,以土层固化改变滑动带的土石性质,提高强度,从而达到稳定边坡的目的.“植”就是植树造林,采取绿化山坡,种植植被的措施防止滑梯从而达到稳定滑坡的目的以上方法可以单独使用,也可以综合使用.实践证明,综合使用是比较经济合理,安全可靠的防治滑坡的方法.八结语由于阅读的时间有限，篇章有限，亦不能细细品味，虽然我对边坡工程只是一个宏观的了解。但。我相信，在今后的学习和实践中一定会更加微观的了解边坡工程。 附件二：岩土工程的研究方向―――专题报告摘要：本文从以下方面阐述了岩土工程的发展动向和研究内容①区域土②地下水③本构模型④岩土工程测试⑤计算机分析⑥环境岩土工程⑦地基工程⑧基坑工程⑨特殊岩土工程⑩动荷载下岩土工程。最后指出岩土工程不是一个单纯的技术问题，而是一个涉及多学科的复杂科学体系。关键字：岩土工程；地下水；测试；动荷载；Abstract:Inthispaper,followingonfromthegeotechnicalengineeringresearchcontentandthedevelopmenttrend①regionalsoil②undergroundwater③constitutivemodel④geotechnicaltesting⑤computeranalysis⑥environmentalgeotechnicalengineering⑦foundationproject⑧basehollowproject⑨specialgeotechnicalengineering⑩moveloadofgeotechnicalengineering.Finally,geotechnicalengineeringisnotapurelytechnicalproblem,butacomplexinvolvingamultidisciplinaryscientificsystem.Keyword:geotechnicalengineering;Undergroundwater;Testing;Moveload;一　引言 随着岩土工程的发展,对于岩土工程的研究内容需要综合考虑岩土工程学科的特点和工程建设对岩土工程发展的要求，以及相关学科发展对岩土工程的影响。岩土工程研究的研究对象是岩体和土体。岩体在其形成和存在的整个地质历史过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而岩体有着复杂的结构和地应力场环境。不同地区不同类型的岩体，经历的地质作用过程不同，其工程性质往往具有很大的差别。岩石出露地表后，经过风化作用而形成土，它们或留存在原地，或经过风、水及冰川的剥蚀和搬运作用在异地沉积形成土层。在各地质时期各地区的风化环境、搬运和沉积的动力学条件均存在差异性，因此土体不仅工程性质复杂而且其性质的区域性和个性很强。岩体和土体的强度特性、变形特性和渗透特性都是通过试验测定。在室内试验中，原状试样的代表性、取样过程中不可避免的扰动以及初始应力的释放，试验边界条件与地基中实际情况不同等客观原因所带来的误差，使室内试验结果与地基中岩土实际性状发生差异。在原位试验中，现场测点的代表性、埋设测试元件时对岩土体的扰动，以及测试方法的可靠性等所带来的误差也难以估计。岩土材料及其试验的上述特性决定了岩土工程学科的特殊性。岩土工程是一门应用科学，在岩土工程分析时不仅需要运用综合理论知识、室内外测成果、还需要应用工程师的经验，才能获得满意的结果。在展望岩土工程发展时不能不重视岩土工程学科的特殊性以及岩土工程问题分析方法的特点。 土木工程建设中出现的岩土工程问题促进了岩土工程学科的发展。例如在土木工程建设中最早遇到的是土体稳定问题。土力学理论上的最早贡献是1773年库伦建立了库伦定律。随后发展了Rankine(1857)理论和Fellenius(1926)圆弧滑动分析理论。为了分析软粘土地基在荷载作用下沉降随时间发展的过程，Terzaghi(1925)发展了一维固结理论。回顾我国近50年以来岩土工程的发展，它是紧紧围绕我国土木工程建设中出现的岩土工程问题而发展的。在改革开放以前，岩土工程工作者较多的注意力集中在水利、铁道和矿井工程建设中的岩土工程问题，改革开放后，随着高层建筑、城市地下空间利用和高速公路的发展，岩土工程者的注意力较多的集中在建筑工程、市政工程和交通工程建设中的岩土工程问题。土木工程功能化、城市立体化、交通高速化，以及改善综合居往环境成为现代土木工程建设的特点。人口的增长加速了城市发展，城市化的进程促进了大城市在数量和规模上的急剧发展。人们将不断拓展新的生存空间，开发地下空间，向海洋拓宽，修建跨海大桥、海底隧道和人工岛，改造沙漠，修建高速公路和高速铁路等。展望岩土工程的发展，不能离开对我国现代土木工程建设发展趋势的分析。一个学科的发展还受科技水平及相关学科发展的影响。20世纪60年代以来，世界科技发展很快。电子技术和计算机技术的发展，计算分析能力和测试能力的提高，使岩土工程计算机分析能力和室内外测试技术得到提高和进步。科学技术进步还促使岩土工程新材料和新技术的产生。如近年来土工合成材料的迅速发展被称为岩土工程的一次革命。现代科学发展的一个特点是学科间相互渗透，产生学科交叉并不断出现新的学科，这种发展态势也影响岩土工程的发展。岩土工程是20世纪60年代末至70年代初，将土力学及基础工程、工程地质学、岩体力学三者逐渐结合为一体并应用于土木工程实际而形成的新学科。岩土工程的发展将围绕现代土木工程建设中出现的岩土工程问题并将融入其他学科取得的新成果。岩土工程涉及土木工程建设中岩石与土的利用、整治或改造，其基本问题是岩体或土体的稳定、变形和渗流问题，本文将从以下12个方面讨论21世纪岩土工程的发展。二研究方向分类1　区域性土分布和特性的研究 经典土力学是建立在无结构强度理想的粘性土和无粘性土基础上的。但由于形成条件、形成年代、组成成分、应力历史不同，土的工程性质具有明显的区域性。周镜在黄文熙讲座〔1〕中详细分析了我国长江中下游两岸广泛分布的、矿物成分以云母和其它深色重矿物的风化碎片为主的片状砂的工程特性，比较了与福建石英质砂在变形特性、动静强度特性、抗液化性能方面的差异，指出片状砂有某些特殊工程性质。然而人们以往对砂的工程性质的了解，主要根据对石英质砂的大量室内外试验结果。周镜院士指出：“众所周知，目前我国评价饱和砂液化势的原位测试方法，即标准贯入法和静力触探法，主要是依据石英质砂地层中的经验，特别是唐山地震中的经验。有的规程中用饱和砂的相对密度来评价它的液化势。显然这些准则都不宜简单地用于长江中下游的片状砂地层” 。我国长江中下游两岸广泛分布的片状砂地层具有某些特殊工程性质，与标准石英砂的差异说明土具有明显的区域性，这一现象具有一定的普遍性。国内外岩土工程师们发现许多地区的饱和粘土的工程性质都有其不同的特性，如伦敦粘土、波士顿蓝粘土、曼谷粘土、Oslo粘土、Lela粘土、上海粘土、湛江粘土等。这些粘土虽有共性，但其个性对工程建设影响更为重要。我国地域辽阔、岩土类别多、分布广。以土为例，软粘土、黄土、膨胀土、盐渍土、红粘土、有机质土等都有较大范围的分布。如我国软粘土广泛分布在天津、连云港、上海、杭州、宁波、温州、福州、湛江、广州、深圳、南京、武汉、昆明等地。人们已经发现上海粘土、湛江粘土和昆明粘土的工程性质存在较大差异。以往人们对岩土材料的共性、或者对某类土的共性比较重视，而对其个性深入系统的研究较少。对各类各地区域性土的工程性质，开展深入系统研究是岩土工程发展的方向。探明各地区域性土的分布也有许多工作要做。岩土工程师们应该明确只有掌握了所在地区土的工程特性才能更好地为经济建设服务。2岩土工程地下水的研究通常，地下水与岩土体的相互作用有三种：物理作用，包括润滑作用，软化作用，结合水的强化作用等；化学作用，包括离子交换，溶解作用，水化作用，水解作用，氧化还原作用等；力学作用，包括静水压力和动水压力。地下水与岩石体的相互作用影响着岩土体的变形和强度地下水会引起以下工程地质问题，如：地面沉降问题；地面崩塌问题；渗流变形问题；基坑突涌问题等等。，因而地下水在岩土工程中有着举足轻重的作用。3　本构模型研究 在经典土力学中沉降计算将土体视为弹性体，采用布西奈斯克公式求解附加应力，而稳定分析则将土体视为刚塑性体，采用极限平衡法分析。采用比较符合实际土体的应力-应变-强度(有时还包括时间)关系的本构模型可以将变形计算和稳定分析结合起来。自Roscoe创建剑桥模型至今，各国学者已发展了数百个本构模型，但得到工程界普遍认可的极少，严格地说尚没有。岩体的应力-应变关系则更为复杂。看来，企图建立能反映各类岩土的、适用于各类岩土工程的理想本构模型是困难的，或者说是不可能的。因为实际工程土的应力-应变关系是很复杂的，具有非线性、弹性、塑性、粘性、剪胀性、各向异性等等，同时，应力路径、强度发挥度、以及岩土的状态、组成、结构、温度等均对其有影响。开展岩土的本构模型研究可以从两个方向努力：一是努力建立用于解决实际工程问题的实用模型；一是为了建立能进一步反映某些岩土体应力应变特性的理论模型。理论模型包括各类弹性模型、弹塑性模型、粘弹性模型、粘弹塑性模型、内时模型和损伤模型，以及结构性模型等。它们应能较好反映岩土的某种或几种变形特性，是建立工程实用模型的基础。工程实用模型应是为某地区岩土、某类岩土工程问题建立的本构模型，它应能反映这种情况下岩土体的主要性状。用它进行工程计算分析，可以获得工程建设所需精度的满意的分析结果。因此建立多种工程实用模型将是本构模型研究的方向。在以往本构模型研究中不少学者只重视本构方程的建立，而不重视模型参数测定和选用研究，也不重视本构模型的验证工作。在以后的研究中特别要重视模型参数测定和选用，重视本构模型验证以及推广应用研究。只有这样，才能更好为工程建设服务。4不同介质间相互作用及共同分析  土体由固、液、气三相组成。其中固相是以颗粒形式的散体状态存在。固、液、气三相间相互作用对土的工程性质有很大的影响。土体应力应变关系的复杂性从根本上讲都与土颗粒相互作用有关。从颗粒间的微观作用入手研究土的本构关系是非常有意义的。通过土中固、液、气相相互作用研究还将促进非饱和土力学理论的发展，有助于进一步了解各类非饱和土的工程性质。岩体是由不同规模、不同形态、不同成因、不同方向和不同序次的结构面围限而成的结构体共同组成的综合体，岩体在工程性质上具有不连续性。岩体工程性质还具有各向异性和非均一性。结合岩体断裂力学和其它新理论、新方法的研究进展，开展影响工程岩体稳定性的结构面几何学效应和力学效应研究也是非常有意义的。当天然地基不能满足建(构)筑物对地基要求时，需要对天然地基进行处理形成人工地基。桩基础、复合地基和均质人工地基是常遇到的三种人工地基形式。研究桩体与土体、复合地基中增强体与土体之间的相互作用，对了解桩基础和复合地基的承载力和变形特性是非常有意义的。地基与建(构)筑物相互作用与共同分析已引起人人们重视并取得一些成果，但将共同作用分析普遍应用于工程设计，其差距还很大。大部分的工程设计中，地基与建筑物还是分开设计计算的。进一步开展地基与建(构)筑物共同作用分析有助于对真实工程性状的深入认识，提高工程设计水平。现代计算技术和计算机的发展为地基与建(构)筑物共同作用分析提供了良好的条件。目前迫切需要解决各类工程材料以及相互作用界面的实用本构模型，特别是界面间相互作用的合理模拟。5　岩土工程测试技术 岩土工程测试技术不仅在岩土工程建设实践中十分重要，而且在岩土工程理论的形成和发展过程中也起着决定性的作用。理论分析、室内外测试和工程实践是岩土工程分析三个重要的方面。岩土工程中的许多理论是建立在试验基础上的，如Terzaghi的有效应力原理是建立在压缩试验中孔隙水压力的测试基础上的，Darcy定律是建立在渗透试验基础上的，剑桥模型是建立在正常固结粘土和微超固结粘土压缩试验和等向三轴压缩试验基础上的。测试技术也是保证岩土工程设计的合理性和保证施工质量的重要手段。岩土工程测试技术一般分为室内试验技术、原位试验技术和现场监测技术等几个方面。在原位测试方面，地基中的位移场、应力场测试，地下结构表面的土压力测试，地基土的强度特性及变形特性测试等方面将会成为研究的重点，随着总体测试技术的进步，这些传统的难点将会取得突破性进展。虚拟测试技术将会在岩土工程测试技术中得到较广泛的应用。及时有效地利用其他学科科学技术的成果，将对推动岩土工程领域的测试技术发展起到越来越重要的作用，如电子计算机技术、电子测量技术、光学测试技术、航测技术、电、磁场测试技术、声波测试技术、遥感测试技术等方面的新的进展都有可能在岩土工程测试方面找到应用的结合点。测试结果的可靠性、可重复性方面将会得到很大的提高。由于整体科技水平的提高，测试模式的改进及测试仪器精度的改善，最终将导致岩土工程方面测试结果在可信度方面的大大改进。6　岩土工程问题计算机分析岩土工程问题的求解：一是变量之间关系用数学关系式表达，二是变量之间不能用或很难用数学关系式表达而需要建立模型来进行推理。 岩土体介质是多相，非均质，非连续，非线性，非各项同性的裂隙体，因而影响岩土力学与工程问题的因素是复杂的，多种多样的，这些在传统数学力学模型中很难实现，因而需借助计算机方法对各种定性，定量因素加以充分表达。虽然岩土工程计算机分析在大多数情况下只能给出定性，定量的分析结果，但岩土工程计算机分析对工程师决策是非常有意义的。开展岩土工程问题计算机分析研究是一个重要的研究方向。岩土工程问题计算机分析范围和领域很广，随着计算机技术的发展，计算分析领域还在不断扩大。除前面已经谈到的本构模型和不同介质间相互作用和共同分析外，还包括各种数值计算方法，土坡稳定分析，极限数值方法和概率数值方法，专家系统、AutoCAD技术和计算机仿真技术在岩土工程中应用，以及岩土工程反分析等方面。岩土工程计算机分析还包括动力分析，特别是抗震分析。岩土工程计算机数值分析方法除常用的有限元法和有限差分法外，离散单元法(DEM)、拉格朗日元法(FLAC)，不连续变形分析方法(DDA)，流形元法(MEM)和半解析元法(SAEM)等也在岩土工程分析中得到应用。根据原位测试和现场监测得到岩土工程施工过程中的各种信息进行反分析，根据反分析结果修政设计、指导施工。这种信息化施工方法被认为是合理的施工方法，是发展方向。 7环境岩土工程研究环境岩土工程是岩土工程与环境科学密切结合的一门新学科。它主要应用岩土工程的观点、技术和方法为治理和保护环境服务。人类生产活动和工程活动造成许多环境公害，如采矿造成采空区坍塌，过量抽取地下水引起区域性地面沉降，工业垃圾、城市生活垃圾及其它废弃物，特别有毒有害废弃物污染环境，施工扰动对周围环境的影响等等。另外，地震、洪水、风沙、泥石流、滑坡、地裂缝、隐伏岩溶引起地面塌陷等灾害对环境造成破坏。上述环境问题的治理和预防给岩土工程师们提出了许多新的研究课题。随着城市化、工业化发展进程加快，环境岩土工程研究将更加重要。应从保持良好的生态环境和保持可持续发展的高度来认识和重视环境岩土工程研究。8按沉降控制设计理论 建(构)筑物地基一般要同时满足承载力的要求和小于某一变形沉降量(包括小于某一沉降差)的要求。有时承载力满足要求后，其变形和沉降是否满足要求基本上可以不验算。这里有二种情况：一种是承载力满足后，沉降肯定很小，可以不进行验算，例如端承桩桩基础；另一种是对变形没有严格要求，例如一般路堤地基和砂石料等松散原料堆场地基等。也有沉降量满足要求后，承载力肯定满足要求而可以不进行验算。在这种情况下可只按沉降量控制设计。在深厚软粘土地基上建造建筑物，沉降量和差异沉降量控制是问题的关键。软土地基地区建筑地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差过大造成的，特别是不均匀沉降对建筑物的危害最大。深厚软粘土地基建筑物的沉降量与工程投资密切相关。减小沉降量需要增加投资，因此，合理控制沉降量非常重要。按沉降控制设计既可保证建筑物安全又可节省工程投资。按沉降控制设计不是可以不管地基承载力是否满足要求，在任何情况下都要满足承载力要求。按沉降控制设计理论本身也包含对承载力是否满足要求进行验算。9　基坑工程围护体系稳定和变形 随着高层建筑的发展和城市地下空间的开发，深基坑工程日益增多。基坑工程围护体系稳定和变形是重要的研究领域。 基坑工程围护体系稳定和变形研究包括下述方面：土压力计算、围护体系的合理型式及适用范围、围护结构的设计及优化、基坑工程的“时空效应”、围护结构的变形，以及基坑开挖对周围环境的影响等等。基坑工程涉及土体稳定、变形和渗流三个基本问题，并要考虑土与结构的共同作用，是一个综合性课题，也是一个系统工程。基坑工程区域性、个性很强。有的基坑工程土压力引起围护结构的稳定性是主要矛盾，有的土中渗流引起流土破坏是主要矛盾，有的控制基坑周围地面变形量是主要矛盾。目前土压力理论还很不完善，静止土压力按经验确定或按半经验公式计算，主动土压力和被动土压力按库伦(1776)土压力理论或朗肯(1857)土压力理论计算，这些都出现在Terzaghi有效应力原理问世之前。在考虑地下水对土压力的影响时，是采用水土压力分算，还是采用水土压力合算较为符合实际情况，在学术界和工程界认识还不一致。　作用在围护结构上的土压力与挡土结构的位移有关。基坑围护结构承受的土压力一般是介于主动土压力和静止土压力之间或介于被动土压力和静止土压力之间。另外，土具有蠕变性，作用在围护结构上的土压力还与作用时间有关。10复合地基随着地基处理技术的发展，复合地基技术得到愈来愈多的应用。复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强或被置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体(天然地基土体)和增强体两部分组成的人工地基。复合地基中增强体和基体是共同直接承担荷载的。根据增强体的方向，可分为竖向增强体复合地基和水平向增强体复合地基两大类。根据荷载传递机理的不同，竖向增强体复合地基又可分为三种：散体材料桩复合地基、柔性桩复合地基和刚性桩复合地基。复合地基、浅基础和桩基础是目前常见的三种地基基础形式。浅基础、复合地基和桩基础之间没有非常严格的界限。桩土应力比接近于1.0的土桩复合地基可以认为是浅基础，考虑桩土共同作用的摩擦桩基也可认为是刚性桩复合地基。笔者认为将其视为刚性桩复合地基更利于对其荷载传递体系的认识。浅基础和桩基础的承载力和沉降计算有比较成熟的理论和工程实践的积累，而复合地基承载力和沉降计算理论有待进一步发展。目前复合地基计算理论远落后于复合地基实践。应加强复合地基理论的研究，如各类复合地基承载力和沉降计算，特别是沉降计算理论；复合地基优化设计；复合地基的抗震性状；复合地基可靠度分析等。另外各种复合土体的性状也有待进一步认识。加强复合地基理论研究的同时，还要加强复合地基新技术的开发和复合地基技术应用研究。 11　周期荷载以及动力荷载作用下地基性状 在周期荷载或动力荷载作用下，岩土材料的强度和变形特性，与在静荷载作用下的有许多特殊的性状。动荷载类型不同，土体的强度和变形性状也不相同。在不同类型动荷载作用下，它们共同的特点是都要考虑加荷速率和加荷次数等的影响。近二三十年来，土的动力荷载作用下的剪切变形特性和土的动力性质(包括变形特性和动强度)的研究已得到广泛开展。随着高速公路、高速铁路以及海洋工程的发展，需要了解周期荷载以及动力荷载作用下地基土体的性状和对周围环境的影响。与一般动力机器基础的动荷载有所不同，高速公路、高速铁路以及海洋工程中其外部动荷载是运动的，同时自身又产生振动，地基土体的受力状况将更复杂，土体的强度、变形特性以及土体的蠕变特性需要进一步深入的研究，以满足工程建设的需要。交通荷载的周期较长，交通荷载自身振动频率也低，荷载产生的振动波的波长较长，波传播较远，影响范围较大。高速公路、高速铁路以及海洋工程中的地基动力响应计算较为复杂，研究交通荷载作用下地基动力响应计算方法，从而可进一步研究交通荷载引起的荷载自身振动和周围环境的振动，对实际工程具有广泛的应用前景。12　特殊岩土工程问题研究 展望岩土工程的发展，还要重视特殊岩土工程问题的研究，如：库区水位上升引起周围山体边坡稳定问题；越江越海地下隧道中岩土工程问题；超高层建筑的超深基础工程问题；特大桥、跨海大桥超深基础工程问题；大规模地表和地下工程开挖引起岩土体卸荷变形破坏问题；等等。岩土工程是一门应用科学，是为工程建设服务的。工程建设中提出的问题就是岩土工程应该研究的课题。岩土工程学科发展方向与土木工程建设发展态势密切相关。世界土木工程建设的热点移向东亚、移向中国。中国地域辽阔，工程地质复杂。中国土木工程建设的规模、持续发展的时间、工程建设中遇到的岩土工程技术问题，都是其它国家不能相比的。这给我国岩土工程研究跻身世界一流并逐步处于领先地位创造了很好的条件。三结论岩土工程与人类工程活动的关系日益密切。从学科性质上讲，目前的认识大多停留在将岩土工程看作直接改造客观世界的工程技术。我们认为，岩土工程应具有为工程技术直接提供理论基础的技术科学，它的理论科学应是地球表层学。地球表层学是一门跨地理学，工程地质学，地质工程学，工农业生产技术和国土资源学的新学科。尽管目前对岩土工程的概念和研究内容还有待于发展，但事实上，岩土工程的理论和实践在迅速的发展。本人认为，岩土工程已不是一门学科，而是将其看作一个学科体系。展望21世纪岩土工程的发展，挑战与机遇并存，它虽然还很年轻，不够成熟，但却有蓬勃的生命力，让我们的共同努力将中国岩土工程推向一个新水平。参考文献：【1】方晓阳.21世纪岩土工程展望【2】罗国煜.论岩土工程的研究【3】陈新民.论环境岩土工程【4】张曦映.环境岩土工程的发展概况【5】周键.岩土工程的发展与展望【6】孔宪立.工程地质学【7】孙均.岩土工程学的若干科学问题【8】史三元.土动力学河北工程大学【9】土力学.东南大学，浙江大学合编 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