基础工程(同济大学第二版)6

第六章 支挡结构
第一节 概 述
第二节 挡土墙
第三节 基坑支护的型式及特点
第四节 基坑支护的设计与施工
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第六章 支挡结构
第一节、概 述
一、支挡结构的用途 支挡结构——能保持结构两侧的土体有一定高差的结 构物称为支挡结构。 支挡结构主要有两个方面的用途： 一类是用作公路和铁路的挡土墙、桥台，水利、港湾工 程的河岸及水闸的岸墙，这类支挡结构一般是先筑墙后 填土，是永久性构筑物，常被称为挡土墙；
(a)水平撑 (b)斜撑 图6-2 常见内支撑型式
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外支撑方式中常见的有锚杆式（图6-3a）、锚定板式 （图6-3b）和土钉式（图6-3c）。
(a)锚杆式 （b）锚定板式 (c)土钉式 图6-3常见外支撑型式
本章将按支挡结构的两大类用途——挡土墙和基坑支 护，分别介绍其结构型式及设计计算的基本原理。
支挡结构类型的划分方法： 可按挡土结构的刚度、平衡方式分类 也可按支锚结构形式分类 还可按组成支挡结构的建筑材料以及施工方法和所处环 境条件等进行分类。
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（一）按挡土结构的刚度分类 支挡结构按挡土结构的刚度可分为刚性支挡结构和柔 性支挡结构。
所谓刚性支挡结构是指挡土结构的刚度很大，在外荷作 用下主要产生刚体位移的支挡结构，如重力式挡土墙、基 坑工程中使用的水泥土桩墙等，刚性支挡结构一般以重力 作为其主要的平衡力。 所谓柔性支挡结构是指具有一定抗弯能力，在外荷作用 下的变形以弹性变形为主的支挡结构，常见的柔性支挡结 构有板桩墙、钻孔灌注桩柱列式挡土墙和地下连续墙等。
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重力式挡土墙的五种基本破坏模式决定了在重力式挡土 墙的设计计算中必须包括下列内容： 整体稳定性验算 抗倾覆稳定性验算 抗滑移稳定性验算 地基承载力验算 墙身强度验算
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在上述的计算内容中，有关墙身强度的验算应根据墙身 材料分别按砌体结构、素混凝土结构或钢筋混凝土结构的 有关计算方法进行；整体滑动验算可根据土坡稳定验算方 法中的圆弧滑动面法进行。以下将介绍： 抗倾覆稳定性验算 抗滑移稳定性验算 地基承载力验算
pmax 1.2 f 1.2 180 216 kPa
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取若干截面对墙身强度进行验算（如墙前地面处、墙身 变截面处），并计算所取验算截面上的压应力和剪应力， 按相关规范即可判定墙身强度是否满足要求。 作业 习题6-1
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例题6-1 某挡土墙高H=6m，墙背直立，墙背光滑，填 土面水平，用毛石和M2.5水泥砂浆砌筑；砌体重度 =22kN/m3，填土内摩擦角=40o，粘聚力c=0, 重度 =19kN/m3；基底摩擦系数=0.5，地基设计承载力 f=180kPa。试设计此挡土墙。 [解]：（1）挡土墙断面尺 寸的选择 重力式挡土墙顶宽约为 H/12，底宽可取(1/2~1/3)H。 因此初步选择顶宽为0.7m， 底宽b为2.5m，如图6-9所示。
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(2)墙身自重W: 作用在挡墙的重心上，方向向下。
(3)墙底反力：包括水平反力ΣH和竖向反力ΣV 。 以上是作用在挡土墙上的正常荷载，此外，在地震区还 要考虑地震作用的影响。
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（一）抗倾覆稳定性验算
因为挡土墙在主动土 压力作用下可能绕墙趾O 点转动倾覆（图6-8a）， 所以定义对O点的抗倾覆 力矩与倾覆力矩之比为抗 倾覆稳定安全系数Kq，其 计算公式为：
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图6-5 挡土墙的其他一些结构型式
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二、重力式挡土墙的设计 挡土墙的设计主要包括以下工作： 1、认真分析地形、地质、填土的性质及荷载条件等资料。 2、根据地形和平面布臵，结合当地经验和现场地质条件， 并参考同类或已建成的经验，初步选定挡土墙的体型和尺 寸。 3、进行挡土墙的验算，如不满足要求，则应改变截面尺 寸、结构类型或采取其他措施。
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2004年10月25日晚8点40分左右，正在开挖作业的中环线 3.5 标北虹路地道工地发生基坑坍塌事故，坍塌范围长 近40米，深约10米，由于发现及时，未造成人员伤亡。
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二、支挡结构的类型 支挡结构一般由挡土（挡水）和支撑拉锚两部分组成。 挡土（挡水）部分称为挡土结构（或围护结构） 支撑拉锚部分称为支锚结构
土对挡墙基底的摩擦系数
表6-1
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（三）地基土承载力验算 地基的承载力验算方法，一般与偏心荷载作用下基础的 计算方法相同，即：
p f
pmax 1.2 f
(6-3a) (6-3b)
式中
p —基底平均压力(kPa)； pmax—基底最大压力(kPa)； f — 持力层地基承载力(kPa)。
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（2）土压力计算
1 2 2 o Ea H tg (45 ) 2 2 1 40o 2 2 o 19 6 tg (45 ) 2 2 74.4 kN / m
（3）挡土墙自重及重心 将挡土墙断面分成一个三角形和一个矩形，如图6-9所 示，分别计算它们的自重。
在抗滑移稳定性验算中， 将W和E都分解为垂直和 平行于墙底的分力，然后 计算平行于墙底的抗滑力 和滑动力（图6-8b)，定义 抗滑力和滑动力之比为抗 滑移稳定安全系数Kh，可 按下式计算：
(b)抗滑移稳定性验算 图6－8重力式挡土墙稳定性验算
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抗滑移稳定安全915 0.335 2 2 6
N 211 .4 p 84.6 kPa f 180 kpa b 2.5
pmax
min
N 6e 211.4 6 0.335 152.8 (1 ) (1 ) kPa 16.6 b b 2.5 2.5
（4）抗倾覆稳定性验算
W1b1 W2 b2 119 1.2 92.4 2.15 Kq 2.29 1.5 Ea h 74.4 2
（5）抗滑移稳定性验算
(W1 W2 ) (119 92.4) 0.5 Kh 1.42 1.3 Ea 74.4
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（二）按挡土结构的力平衡方式分类 在支挡结构中常见的力平衡方式有重力式、悬臂式 （图6-1a）及支锚式（图6-lb）。
（a）悬臂式 （b）支锚式 图6-1 支挡结构的力平衡方式分类
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（三）按支锚结构的形式分类 支挡结构的支锚形式有外支撑和内支撑之分。 内支撑方式又可分为水平撑（图6-2a）、斜撑（图6-2b） 及其组合形式
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图6-7重力式挡土墙上的作用力
图6-7表示作用在重力式挡土墙上的各作用力，它们是： (1)土压力：是作用在重力式挡土墙上的主要荷载。当墙 体向前位移（转动或平移）时，在墙后作用有主动土压力 Ea，静水压力Ew，在墙前作用有被动土压力Ep 。土压力的 计算可采用朗肯土压力理论，水压力的计算既可与土压力 合算，也可分开计算，视具体情况选用。
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三、重力式挡土墙的验算 重力式挡土墙的破坏模式通常有下列五种基本形式： 整体滑动破坏（图6-6a） 墙体倾覆破坏（图6-6b） 墙体水平滑移破坏（图6-6c） 地基承载力不足导致变形过大，墙体丧失作用 挡土墙强度不够导致墙体断裂破坏（图6-6d）
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(a)整体滑动破坏，(b)墙体倾覆破坏， (c)墙体水平滑移破坏；(d)挡土墙强度不够导致墙体断裂破坏 图6-6重力式挡土墙的破坏模式
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（6）地基承载力验算 作用在基底的总垂直力
N W1 W2 119 92.4 211.4 kN / m
合力作用点离O点距离
W1b1 W2 b2 E a h 119 1.2 92.4 2.15 74.4 2 c 0.915 m N 211.4
偏心距 基底压力
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另一类是用作工业与民用建筑的地下室外墙、基坑工程 中的开挖围护结构等，这类支挡结构一般是先在地层中 形成支挡结构后再开挖土体，它既可作为临时支挡结构， 也可作为永久性地下结构的一部分，如用作地下室外墙 的地下连续墙。 支挡结构的用途还有边坡的加固支护等。 随着大量土建工程在地形、地质条件复杂地区兴建， 特别是大、中城市高层建筑施工中深、大基坑工程的大 量出现，支挡结构显得越来越重要，支挡结构的设计计 算也将直接影响到工程的安全稳定和经济效益。
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一般情况下抗倾覆稳定安全系数必须满足：
Kq≥l. 50 同时也应注意，当墙底土较软弱时，挡土墙在倾覆的同 时，墙址可能会陷人土中，因而力矩中心O点将向内移动， 导致抗倾覆稳定安全系数的降低，所以在应用式（6-1） 时应注意地基土的压缩性。
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（二）抗滑移稳定性验算
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4、做好排水设施。若所设计的挡土墙无挡水要求时，必 须做好排水设施。挡土墙所在地段往往由于排水不良，大 量雨水经墙后填土下渗，结果将使墙后侧压力增大，土的 抗剪强度降低，造成挡土墙的破坏。 5、控制填土质量。挡土墙的回填土料应尽量选择透水性 较大的土，例如砂土、砾石、碎石等，这类土的抗剪强度 较稳定，易于排水。不应采用淤泥、耕植土、膨胀性粘土 等作为填料。填土压实质量也是挡土墙施工中的一个关键， 填土时应分层夯实。
(a)抗倾覆稳定验算 图6－8重力式挡土墙稳定性验算
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抗倾覆稳定安全系数Kq：
(6-1)