深基坑基坑支护毕业设计

'二、基坑开挖与支护结构设计1.设计优选1.1设计依据1、毕业设计参考资料；2、中华人民共和国国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）；3、中华人民共和国国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50204）；4、中华人民共和国国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）；5、中华人民共和国行业标准《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）；6、《基坑工程手册》。1.2基坑支护方案优选基坑围护结构型式有很多种，其适用范围也各不相同，根据上述设计原则，结合本基坑工程实际情况有以下几种可以采取的支护型式：（1）悬臂式围护结构悬臂式围护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构安全。悬臂结构所受土压力分布是开挖深度的一次函数，其剪力是深度的二次函数，弯矩是深度的三次函数，水平位移是深度的五次函数。悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大变形，对相临的建筑物产生不良的影响。悬臂式围护结构适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。（2）水泥土重力式围护结构 水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定，深层搅拌水泥土桩重力式围护结构，常用于软粘土地区开挖深度约在6.0m以内的基坑工程，水泥土的抗拉强度低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程。（3）拉锚式围护结构拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成，围护结构体系常采用钢筋混凝土排桩墙和地下连续墙两种。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩，或其他锚固物；锚杆式需要地基土能提供锚杆较大的锚固力。锚杆式适用于砂土地基，或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。（4）土钉墙围护结构土钉墙围护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙，起到挡土作用。土钉墙围护适用于地下水位以上或者人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等；不适用于淤泥质及未经降水处理地下水以下的土层地基中基坑围护。土钉墙围护基坑深度一般不超过18m，使用期限不超过18月。（5）内撑式围护结构内撑式围护由围护体系和内撑体系两部分组成，围护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。当基坑开挖平面面积很大而开挖深度不太大时，宜采用单层支撑。内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管（或型钢）支撑两种。内撑式围护结构适用范围广，可适用于各种土层和基坑深度。经过多个方案的比较分析，本基坑充分考虑到周边地层条件，选择技术上可行,经济上合理,并且具有整体性好、水平位移小,同时便于基坑开挖及后续施工的可靠支护措施。该建筑12层组成，地下室与上部结构构成整体，基坑面积相对较小，但是地层相对较复杂，要求严格进行支护设计和组织施工，以保证基坑的安全。经分析采用单排钻孔灌注桩作为围护体系，关于支撑体系，如果采用内支撑的话，则工程量太大，极不经济，同时，如果支撑拆除考虑在内的话，工期过长，且拆除过程中难以保持原力系的平衡。根据场地的工程地质和水文地质条件，最后决定采用潜水完整井，支护结构采用土钉墙等。 1.3支护方案设计分析以放坡和土钉墙组成基坑的支护系统，土钉墙是支护结构的受力结构；支护桩是承担压力的主体。加设土层土钉一方面改善了桩的受力状态，降低了桩深弯矩减少了桩顶位移，保护周围建筑物与道路的安全；另一方面，减短了桩长，降低了支护体系的造价。在中软土地区支撑设置可提高支护体系的可靠性，且是降低了工程造价的有效方法。根据本场地的地层的特征，将本基坑采用放坡加土钉墙。2.支护方案的设计原则及计算参数的确定2.1设计原则1.设计方案是根据场地工程地质和水文地质条件，以及场地周边环境条件等要求确定；2.防止由于基坑开挖，四周路面、地下构筑物及管线发生大的变形；3.尽可能保证基坑开挖、施工、以及地下室防水的便利；4.保证安全，优化方案，使得工程造价经济合理。2.2参数的初选1.根据浙江省勘察设计院提交的《岩土工程勘察告》，并参考相关规范，拟取各层土体的物理力学参数，具有参数如下表3-1所示；2.相对标高±0.00m，基坑设计时，基坑开挖深度为-7.80m；3.地面超载取20KN/m2；4.根据《建筑基坑支护技术规程》（GB120-99），基坑重要性系数=1.00；（安全等级二级）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1表3-1土层设计计算参数层序土层名称层厚/m天然含水量w(％)重度γ（kN/m3）内摩擦角φ(º)内聚力C(kPa)渗透系数K(cm/s) 1杂填土层2.130.51812.645.2×1042粉土层3.831.718.924.012.15.35×1043粉土夹沙层3.230.618.728.47.24.85×1044淤泥质粘土层3.534.118.911.315.63.75×1045粘土层519.219.330.256粉质粘土层818.417.142.653.基坑支护设计的主要内容基坑支护设计的内容包括土压力计算，零弯矩点位置、嵌固深度的计算、最大弯矩的确定，桩身钢筋配置，土钉设计等等，然后根据所配置的支护参数,进行基坑整体稳定性验算、整体稳定验算、倾覆稳定性验算和基坑底承载力验算。当验算后的支护参数不符合要求时，应重新设置支护参数，直至安全、可靠为止。4.降水设计根据本地的工程地质水文条件以及周围环境，设计采用喷射井点降水系统。由于上部透水性较好，采用环圈形式布置井点，并配抽水设备。方案为潜水完整井。4.1井点系统布置井点管呈长方形布置，总管距沉井边缘1.5m。沉井平面尺寸为147×43m2，水力坡度取1/10。1)井点系统总长度[（147+1.50*2）+(43+1.50*2)]*2=392m2)喷射井点管埋深H=8+IL1=8+1/10*46/2=10.30m取喷射井点管长度为11m3)虑水管长度取L=1.5m,φ38mm4)在埋设喷射井点时冲孔直径为600mm，冲孔深度比滤水管深1米.即：11.50+1.50+1.00=14.00m井点管与滤水管和孔壁间用粗砂填实作为砂滤层，距地表1.00m处用粘土封实以防漏气。4.2基坑排水量计算 1）渗透系数的确定土的渗透系数用第二层和第三层的加权平均值=*10-4=5.12*10-4cm/s=0.44m/d2）含水层厚度HwHw=2.1+3.8+3.2+3.5+5-1.2=16.4m3）基坑要求降低水位深度S′S′=8-1.2+0.5=7.3m4）地下水位以及井管长度，即井管内水位下降深度SS=S′+iL1=7.3+1/10*46/2=9.6m5）影响半径RR=2S=2*9.6*=51.58m6）引用半径rr===46.88m7）基坑总排水量QQ===180.77m3/d4.3单根井点管的出水量q=65πdl=65*3.14*0.038*1.5*=8.85m3/d4.4单根井点管数及间距N=1.1Q/q=1.1*180.77/8.85=22.5实际用24根井点管D=(150+46)*2/24=16.3m实际间距取16米，实际布置图见图2。注意：在井点系统抽水期间应加强地面沉降的观测，防止由于地面沉降而引起的环境问题。按此喷射井点设计方案降水在沉井施工过程中降水效果好，满足设计要求。4.5土层压力计算 因墙背竖直、光滑，填土面基本水平，符合郎金条件计算时假定附加荷载q=10kp个填土层物理力学性质该书中已给，不再赘述。计算过程如下：Ka1=tan2(45。-12.6。/2)=0.64σa0=qKa1-2c1=10*0.64-2*4*=0kpσa1=(10+18.0*1.2)*0.64-2*4*=13.82kpσa2=(10+18.0*2.1)*0.64-2*4*=24.19kpKa3=tan2(45。-24。/2)=0.42σa2’=(10+18.0*2.1)*0.42-2*12.1*=4.39kpσa3=(10+18.0*2.1+18.9*3.8)*0.42-2*12.1*=34.56kpKa4=tan2(45。-28.4。/2)=0.36σa3’=(10+18.0*2.1+18.9*3.8)*0.36-2*7.2*=34.42kpσa4=(10+18.0*2.1+18.9*3.8+18.7*3.2)*0.36-2*7.2*=55.97kpKa5=tan2(45。-11.3。/2)=0.67σa4’=(10+18.0*2.1+18.9*3.8+18.7*3.2)*0.67-2*15.6* =94.7kpσa5=(10+18.0*2.1+18.9*3.8+18.7*3.2+18.9*3.5)*0.67-2*15.6*=139.02kpKa6=tan2(45。-19.3。/2)=0.50σa5’=(10+18.0*2.1+18.9*3.8+18.7*3.2+18.9*3.5)*0.50-2*30.25*=80.03kpσa6=(10+18.0*2.1+18.9*3.8+18.7*3.2+18.9*3.5+19.2*5)*0.50-2*30.25*=128.03kp被动：Kp4=tan2(45。+28.4。/2)=2.81σa3’=2*7.2*=24.14kpσp4=18.7*1.1*2.81+2*7.2*=81.94kpKp5=tan2(45。+11.3。/2)=1.49σp4’=18.7*1.1*1.49+2*15.6=68.73kpσp5=(18.7*1.1+18.9*3.5)*1.49+2*15.6 =167.30kpKp6=tan2(45。+19.3。/2)=1.99σp5’=(18.7*1.1+18.9*3.5)*1.99+2*30.25=257.92kpσp6=(18.7*1.1+18.9*3.5+19.2*5)*1.99+2*30.25=448.96kp不考虑渗流的影响土层水土压力图 5.基坑护围及支护方案设计5.1方案选定1)东侧和北侧采用放坡另加适当的土钉墙；基坑开挖深度为6.8米，采用坡角60度放坡开挖，中间设1.5米平台。2)南侧采用人工挖孔桩配合对拉锚杆支护结构。3)西侧由于对基坑侧壁变形稳定性要求较高，宜采用土钉墙支护。5.2方案设计及计算5.2.1东侧和北侧放坡段板面：C20喷射混凝土，厚度100mm钢筋网：φ6@200mm*200mm土钉：共设3排土钉，水平间距与垂直间距为2米土钉规格：φ28L8000mm@2000mm分布见图纸①内部稳定分析为方便计算土层力学性质采用加权平均值。附加荷载为10kp，临界破坏面为楔性破坏面，破坏面倾角为：45○+φ/2计算时可用下式：K=[CL+（W+Q）Sin(45。-φ/2)tanφ+Tsin(45。+φ/2+Θ)tanφ+Tcos(45。+φ/2+Θ)]/(W+Q)cos(45。-φ/2)公式说明：φ为土层平均内摩擦角取φ==20.3。c为土层平均粘聚力取c==8.95kpγ为土层平均重度取γ==18.6kN/m3w为土层自重取w=0.5γH2tan(45-φ/2)-0.5γ*H2cot60=0.5*18.6*6.82tan34.85-0.5*18.6*6.82*cot60=51.15kn/mH为井深6.8m L为楔形滑移面长度L=H/cos(45-20.3/2)=6.8/cos34.85。=8.3mQ为地面载荷Q=10*6.8tan(45-20.3/2)=47.4kn/mT为土钉的支撑力T=πDj/S*ri=3.14*0.1*20*8*3/(2*1.5)=50.24kN/mΘ为土钉与水平面的夹角10度将以上数据带入公式中K==1.7①抗滑稳定计算安全系数KH=FT/Eax公式说明：KH为抗滑安全系数;FT为墙底断面上产生的抗滑力;Eax为墙后主动土压力。Eax=（0.5γH+q）Htan2(45-φ/2)-2cHtan(45-φ/2)+2c2/γ=(0.5*18.6*6.8+10)*6.8tan234.85-2*8.95*6.8tan34.85+2*8.952/18.5=165.32kN/mFT=(W+qB)tanφB=11/12*8cos10=7.2mFT=(18.6*6.8*7.2+10*7.2)tan28.4○=531.3kN/mKH=885.4/287=3.1满足稳定要求②抗倾覆稳定计算安全系数：KQ=MW/MMW=(W+qB)*0.5B=(18.6*6.8*7.2+10*7.2)*0.5*7.2=3537.6kN/mM=Eax*1/3H=165.32*1/3*6.8=374.73kN/mKQ=3537.6/374.73=9.5满足稳定要求5.2.2西侧土钉墙支护设计板面：C20喷射混凝土，厚度100mm 钢筋网：φ6@200mm*200mm土钉：共设6排土钉，水平间距为2米,垂直间距为1米。土钉规格：前2排：φ28L4000mm@1000mm下4排：φ28L10000mm@1000mm内部稳定分析为方便计算，土层力学指标采用加权平均值，临界破坏面为楔形划移面破坏面倾角为（45+）楔形划移面长度==8.3m东侧和北侧以求得：土层自重Ww=0.5γH2tan(45-φ/2)-0.5γ*H2cot60=0.5*18.6*6.82tan34.85-0.5*18.6*6.82*cot60=51.15kn/m地面附加载荷QQ===8.1kN/m土钉与水平面的夹角=10土钉锚固力TT=πDj/S*ri=3.14*0.1*20*（2*4+4*8）/(2*1.5)=100.5kN/m土钉内部稳定系数K =3.4抗滑稳定计算KH=KH————抗滑安全系数FT————墙底断面上产生的抗滑力Eax————墙后主动土压力=(0.5*18.6*6.8+10)*6.8tan34.85-2*8.95*6.8tan34.85+2*8.952/18.6=165.33kN/mF=(W+q)BtgB=*cos10=7.2F=(18.6*6.8*7.2+10*7.2)tan20.3=363.50kN/mKH=363.5/165.33=2.2满足稳定要求抗倾覆稳定计算KQ=MW=(W+q)B*0.5B=(18.6*6.8*+10)*7.2*0.5*7.2=3537.56kN/mM==165.33*1/3*6.8=374.75kN/mKQ=3537.56/374.75=9.4满足稳定要求5.2.3南侧段²基坑下土压力零点：设土压力零点距基坑下x米:x=0.2m =196.24KN/m计算合力点：=3.6mc=由以上条件基坑底以下主动土压力，取qo’=48.56KNσa3’=48.56*0.54-2*22.27*=-6.5kpσa3=(48.56+19*9.6)*0.54-2*22.27*=91.99kp基坑底以下被动土压力：σa3’=2*22.27*=60.58kpσa3=19*9.6*1.85+2*22.27*=398.02kp土层水土压力图 -=0-=0-=0解得：t=7.9m=1.2*t=9.5m桩总长6.8+9.5=16.3m桩径取1m²求最大弯距最大弯距位置：在剪力Q=0处，设从地面往下处Q=0，则有： 最大弯距有砼及钢筋的等级查表可得:,=0.56将直径为1000mm的圆柱桩转化为宽为1100mm墙厚为：取有截面有效高度求计算系数：可以故，所以选用1625：截面抵抗矩系数：内力偶臂系数：配筋特征值²验算 ①整体稳定性验算由于围护桩插入深度比较大，且布置较密，在施工中为增强整体稳定性，在桩与桩之间设圈梁，提高边坡抗滑移能力。根据经验，可不验算整体稳定性。②桩墙底地基承载力验算满足要求③基坑底部土体抗隆起稳定性验算其中为基坑底面处墙体的极限抵抗弯距，可采用该处的墙体设计弯距抗隆起安全系数满足要求④抗管涌稳定性验算 由于进行了人工降水，桩底部两侧水位相差不大，水力坡度较小。根据经验，可以不验算。6.基坑开挖由于基坑北面和东面场地较为宽阔，故采用放坡形式。西面和东面由于距离街道、施工场地较紧，不宜采用放坡，故采用土钉墙和挖空灌注桩。开挖土方量总计60536.8m3。由于基坑较深，又不允许分块分段施工混凝土层，且地基土制较软弱，故采用分层机械开挖。此基坑深度为83.9m，即可分为三层，层厚为3.0m、3.0m、2.9m。开挖顺序视工作面与土质情况，可从基坑东边向西边开挖。最后一层土开挖后，应立即灌注混凝土垫层，避免基底土暴露时间过长。挖运土方方法采用设坡道开挖方法。土坡道的坡度视土质、开挖深度和运输设备情况而定，一般为1：8~10，破道两侧要求采取挡土或其他加固措施。由于场地东面较为宽阔，可以将坡道设在基坑外空地上，便于挖土机械正常运行。根据场地条件、挖土深度可采用反铲挖掘机，操作灵活，挖土卸土均在地面作用，不用开运输道。土方开挖是深基坑工程施工的关键工序，必须十分慎重，除应因地制宜地选择好开挖方法和安排好开挖顺序外，还应注意：1．做好施工与材料准备及技术措施准备；2．要重视打桩效应问题；3．要尽量减慢开挖过程中的土体应力释放速度；4．要做好坑内外的降水、排水；5．要注意减少基坑顶边缘地面荷载，严禁超载；6．基坑开挖必须遵守“由上而下、先撑后挖、分层开挖”的原则；7．要做好保护工作；8．要做好对深基坑工程的监测和控制；9．做好验槽工作；10．要确保施工安全。7.设备及工艺Ⅰ。设备：土钉墙施工设备：电动钻孔机（如KHYD-40A型）、液压注浆泵（如SYB50-50型）、转子式混凝土喷射机、柴油机驱动空压机挖孔灌注桩施工设备，根据谁及尺寸，选用KO系列潜水钻机或者回转钻挖土机械：液压反铲挖掘机、履带式推土机、自卸汽车（中型2t~8t）降水设备：钻孔可采用螺旋钻孔机，根据设喷射井点系统设备的技术参数如下：井点管直径（mm）38井点管总长度（m）12.5滤管长度（m）1.5喷嘴直径（mm）3.5工作压力（Mpa）0.3抽水高度（m）13每个井点出水量（L/s）0.4电动机功率（kw）40滤网采用多层滤网空隙率20%Ⅱ。施工工艺 1．降水施工工艺根据施工场地周围构筑物以及水文地质条件，采用喷射井点降水。环形井点布置，总管中间应安置一闸阀或将其断开，使集水总管内水流分在基坑开挖前降水，分层开挖，采地下水位降于本开挖层0.5m。保证水位持续下降，严格控制水位，保证地面沉降不超过允许值。（见井点布置图）在人工降水施工中，为了防止流土和管涌，应设置反滤层，喷射井点反滤层尤为重要，若质量不好会带入细砂，磨损喷嘴。具体喷射井点施工1）井点布置由于该工程基坑面积较大，井点采用环形布置，进出口（道路）出的井点间距可扩大5~7m。2）施工（1）井点埋置与使用①为保证质量应用套管法，冲孔加水及压缩空气排泥，当套管内含泥量及测定<5%时下井管及灌砂，然后再拔套管，因为喷射井点管大于10cm，采用吊车下管，下管时，水泵先运转，以便每下好一根井点管，立即与总管接通（不接回水管），及时单根试抽排泥，让开管内出来的泥浆从水沟排出，并测定真空度，待井管出水变清后地面测定真空度不宜小于93.3Kpa。②全部井点管沉没完毕后，再接通回水总管全面试抽，然后是工作水循环，进行正式工作。各套进水总管均应用阀门隔开，各套回水管应分开。③防治喷射器损坏，安装前对喷射井管逐根清理。④工作水应保持清洁，试抽2d后，更换清水，之后定期更换清水，减轻对喷射嘴及水泵叶轮的磨损。注意：①扬水装置的质量非常重要；②工作水要清洁，减轻磨损；③设逆止球阀，防止反灌；运行时注意观测地下水位变化、井点抽水量、井点真空度等。同时，施工中要对地下水位进行观测，坑外观测井的埋置，一般为5~8m，宜沿坑周边布置，间距一般大于20，坑内地下水位井与降水井点埋置相同，数量不小于3个，也可利用短期内不抽水的降水井代替。2．钻孔灌注桩施工工艺采用潜水钻机（根据土质情况）²施工机械设备⑴潜水钻机，特点是动力、减速机构与钻头紧紧相连，共同潜入水下工作，钻孔效率相对提高，噪声小，劳动条件好。⑵潜水电钻，体积小，重量轻，结构轻便简单，机动灵活，成孔速度较快，已用于地下水位高的轻便土层（如淤泥质土、粘性土及砂质土）。⑶钻头，可选用管式、简式或两翼钻头。²施工⑴将电机变速机构加以密封，并同底部钻头连接组成一个专用钻具，潜入孔内工作，钻削下来的土块被循环的水或泥浆带出孔外。⑵程序设置护筒，内径1100mm，深度>1m，在护筒顶部开1~2个溢浆口；安装潜水钻机；钻进直至要求深度； 第一次处理空地虚土（沉渣）；移水潜水钻机；测定孔壁；放钢筋笼；插入导管；第二次处理空地虚土；水下注砼，拔出导管；拔出护筒简而言之，施工准备测量放线护筒埋设钻孔定位钻进成孔清孔吊放钢筋笼二次清孔浇筑水下砼潜水成孔排渣有正、反循环两种3．土钉墙施工工艺：（1）施工工艺流程本工程施工工艺流程为：施工准备→土方开挖，休整边坡→钻孔→喷射底层混凝土→土钉制作安装→注浆→绑扎钢筋网，放排水管→喷射面层混凝土。（2）土方开挖本土钉墙支护的特点是边开挖，边支护，所以与土方开挖相互密切协调是施工成败的一个重要方面。由于地质情况的变化，有时要求紧跟开挖面，迅速做混凝土面层。本工程在施工组织设计中，计划第一层开挖深度为2m，以后每层开挖深度为1—5m，不得超挖。（3）支护施工1）按照设计图纸进行土钉加工，焊接定位架，绑扎排气管，注浆管等；2）开挖出工作面后，立即休整边坡，放线，定出土钉位置；3）钻孔全部用小型麻花钻机和洛阳铲相结合，钻孔直径为110m，钻孔深度按设计要求；4）插入土钉，同时插入注浆管至孔底约100mm距离，边压力注浆边拔注浆管，当孔口流出水泥浆后即停止，6—8天后，等水泥浆收缩终凝，孔口封堵再进行，等二次补浆，直至饱和为止，注浆水灰比为：0.4—0.45；5）绑扎Φ6@200×200钢筋网；6）喷射C20混凝土至120mm厚；7）再开挖第二层，循环以上作业至基坑完成。8.总结本工程基坑面积达m2，挖深为8.9m。基坑面积较大，跨度较宽。地下水位埋藏较浅，且透水性好。南侧离新华联现场教近，只有4m，且开挖时正在进行钻孔灌注桩。西面紧挨着长宁街，且街下面布有管道线路。而东面和北面则场地较为宽阔，达到了12-13m的宽度。针对以上特点，采取了如下措施（1）南面距离较短，且在灌注桩，所以采用了钻孔灌注桩悬臂式挡土墙。该施工方法具有震动小对环境影响小强度大等特点。在施工时不会对临近工地的灌注桩有影响。且4m距离不适合打锚杆或土钉。因此采用了悬臂自立式。但同时自立式挡土墙的桩顶位移变形较大，因此要做好桩的位移监测。 （1）西侧由于空间和管线等的影响，且长度较长，考虑到钻孔灌注桩的时间长和在如此长范围内做桩的不经济性，所以经过比较采用了土钉墙结构。考虑到空间的狭小，为减短土钉长度，所以采用了放75度坡和密排土钉的措施，基本实现了把土钉长度控制在要求范围内。（2）在北侧和东侧有较大的空间，且基坑不是很深，考虑到经济性，所以采用了放坡措施，实现了经济效益的结合，经演算，满足施工要求。（3）由于本工程采用了放坡和灌注桩不加制水帷幕的措施，所以降水在本工程至关重要，为保证降水质量采用了环形降水，并且考虑到轻井两级降水的不经济性和施工中的复杂，所以采用了喷射井方案。经演算满足降水要求，工程合格。（4）基坑面积较大，周围场地空间较大，因此在土方开挖方面采用了分层开挖的方式。为加快施工进度全部采用机械开掘的方式。通过本次设计培养了自己综合解决问题的能力，使自己有了一定的提高。在一个月的课程设计中，真正的使自己以前学过的知识得到应用。'