基坑围护设计手册

基坑围护设计手册基坑围护设计手册目录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1 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：z K e a a γ= （1.1-1）a 2a 21K h E γ= （1.1-2）222a )cos()cos()sin()sin(1)cos(cos )(cos ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+++-=βρδρβφδφδρρρφK （1.1-3）式中 a e ----主动土压力强度；a E ----总主动土压力； ρ----墙背倾角；β----墙背填土表面的倾角；δ----墙背和土体之间的摩擦角；φγ、----土的重力密度、内摩擦角；a K ----主动土压力系数。

其他符号见图1.1-1、图1.1-2。

1.1.2 被动土压力库仑被动土压力为：z K e p p γ= （1.1-4）p 2p 21K h E γ= （1.1-5）222p )cos()cos()sin()sin(1)cos(cos )(cos ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+++-+=βρδρβφδφδρρρφK （1.1-6）式中 p e ----被动土压力强度；p E ----总被动土压力；p K ----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a p 为：a a a 2K c K e z -=σ （1.2-1）)245(tan 2a φ-=K （1.2-2）式中 z σ----垂直向应力；a K ----主动土压系数；φ、c ----抗剪强度指标。

1.2.2 朗肯被动土压力 被动土压力强度p e 为：p p p 2K c K e z +=σ （1.2-3）)245(tan 2p φ+=K （1.2-4）式中 p K ----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 φββφβββγ2222a cos cos cos cos cos cos cos -+--=z e （1.3-1）坡顶水平时的土压力 a a K c h z K e 2)('a -+=γ （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。

1.3.2 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）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1.4 《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）（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/m2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：ai ik ai ajk ajk K c K e 2-=σ （1.4-1）2） 当计算点位于地下水位以下时：总应力法：w ai wa wa j wa j ai ik ai ajk ajk K h m h z K c K e γησ])()[(2---+-= （1.4-2）)245(tan 2ikai K φ-= （1.4-3）式中 ai K ----第i 层土的主动土压力系数；ajk σ----深度j z 处的总竖向应力标准值，由自重压力和附加应力组成；ik c 、ik φ----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）；j z ----基坑外侧计算点深度；wa h ----基坑外侧水位深度；w γ----水的重力密度；j m ----计算参数，当j z <h 时，取j m =j z ；当j z ≥h 时，取j m =h ； wa η----计算参数，当wa h ≤h 时，取wa η=1；当wa h ＞h 时，取wa η=0。

有效应力法：j ai ik ai ajk ajk u K c K e +-='2'σ （1.4-4）)2'45(tan 2ikai K φ-= （1.4-5）式中 ai K ----第i 层土的主动土压力系数；ajk 'σ----深度j z 处的有效竖向应力标准值； ik c '、ik 'φ----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）；j u ----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）ai ik ai ajk ajk K c K e 2-=σ （1.4-6）1.4.3 水平抗力（被动土压力）（图1.4-3）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：w pi wp j pi ik pi pjk pjk K h z K c K e γσ)1)((2--++= （1.4-7） 有效应力法：w pi ik pi pjk pjk u K c K e ++='2'σ （1.4-8）式中 )245(tan 2φ+=p K （1.4-9）（2）水土合算（黏性土及粉土）pi ik pi pjk pjk K c K e 2+=σ （1.4-10）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：WdlRM M F f s R s τ==（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（Fellenius W）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2.1.2 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（Terzaghi K ）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：∑∑+==iii i i ii sRs W W lc M M F αφαsin )tan cos ( （2.1-2）2. 毕肖甫公式1955年，毕肖甫（Bishop A W ）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T i 相等，即：图2.2-2 毕肖甫计算简图sii i i i F N l c T φtan +=（2.1-3）将所有的力都投影到弧面的法线方向，得：i i i i i i i i P P H H W N ααsin )(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：∑∑=-0R T x W iii （2.1-5）将式（2.1-4）、（2.1-5）代入式（2.1-3）得稳定安全系数：{}∑∑---++=++ii i i i i i i i i ii sW P P H H W l c F αφααsin tan ]sin )(cos )[(11（2.1-6）毕肖甫建议不计土条间的摩擦力之差，即令H i +1-H i =0，代入上式，得：{}∑∑--+=+iii i i i i i ii s W P P W lc F αφααsin tan ]sin )(cos [1 （2.1-7）利用经理平衡条件，F x =0，F y =0,并结合式（2.1-3）和H i +1-H i =0，得：ii sii i si i i i i s i i F W F l c W F P P ααφαφαcos sin tan sin tan cos 11+-+=-+ （2.1-8）将式（2.1-8）代入式（2.1-7），得：∑∑++=ii isii i i i i i s W F W l c F ααφαsin cos sin tan 1)tan cos ( （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：Hq ccr γπφα++=-1tan 2 （2.1-10）式中 cr α、H ----临界坡角、坡高；γ、c、φ----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。