第十章_基坑围护结构
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二、基坑围护结构的选型 围护墙体和支撑结构体系的材料型式和布置方式选择 依据： 规范规程 岩土工程勘察资料 工程环境条件：临近建筑、道路、地下管线、障碍物 主体工程设计资料：规模、特点、设计图纸 场地施工条件 地区工程经验 经综合比较，确保安全可靠前提下，选择切实可行、 经济合理的方案。
第四节 基坑围护结构内力计算
弹性地基梁法
围护结构简化为一单位宽度的竖放的弹性地基梁，梁 受墙后土压力的作用，土的作用则用一系列的土弹簧来 代替，计算土弹簧刚度方法则可有e法、m法、c法等， 支撑或锚杆也可用一系列的弹簧来代替。山肩帮男法、 弹性法和弹塑性法，该方法考虑了土、结构和支撑或锚 杆的共同作用，结合增量法可以考虑复杂的施工过程， 方法简便，关键是土体弹簧刚度的确定，该方法是目前 工程应用的主流方法，已足可以满足工程设计的需要。
第四节 基坑围护结构内力计算
二、水平支撑体系计算：
①
分析方法：利用结构有限元计算软件 输入支撑体系结构几何参数，计算支撑水平变形刚度。
Kc
②
③
1
④
输入地层参数，计算挡土墙水土压力； 输入挡土墙结构几何参数，计算挡土墙内力，最大水平位 移。 判断最大水平位移是否小于允许值，如满足要求，计算出支 撑的内力，进行配筋计算或钢支撑强度和稳定性验算。如不 满足要求，重新调整支撑的几何参数，以提高其水平刚度， 重新计算。 调整支撑体系高程； 增大支撑杆件截面尺寸； 加大挡墙厚度或嵌固深度。
第一节 基坑围护结构的类型
二、基坑围护结构的选型 遵循原则： 基坑围护结构构件不应超出用地范围； 基坑围护结构的构件不能影响主体工程结构构件的正常 施工； 基坑平面形状尽可能采用受力性能好的圆形、正多边形 和矩形。
具体选型方案见P308 表12-5 参考规范： 《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)； 《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）
安全 等级 一级 破坏后果 支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑周边 环境及地下结构施工影响严重 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边 环境及地下结构影响一般 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边 环境及地下结构施工影响不严重 γ0 1.10
二级
1.00
三级
0.90
第二节 基坑工程的设计内容
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：矩阵位移法与弹性地基梁法的组合
：取纵向单位宽度，将其视为竖放的弹性地基梁，将结构剖 分为梁单元，支撑为二杆桁架单元。开挖面下墙前地层对结 构约束作用视为一系列弹簧单元。
第四节 基坑围护结构内力计算
计算原理：
结构剖分 ：挡土结构 沿竖向每隔1~2m划分 一个单元，单元节点 尽可能设置在结构的 截面、荷载突变处、 地基基床系数变化段 、支撑或锚杆的作用 点处。 外荷载：墙背侧土压 力为主动土压力，郎 肯理论计算。被动侧 由墙体位移产生的抗 力，由弹簧地基提供 。
F e — 单元节点力；
K e — 单元劲度矩阵；
e — 单元节点位移。
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：
静力平衡条件：结构节点的外荷载与单元内荷载相平衡。位 移为基本变量，单元与相连接的节点位移相协调。 变形协调条件：单元节点位移为基本变量，单元与相连接的 节点位移相协调。 e e e 物理方程：
开挖侧
开挖侧
H型钢水泥土搅拌墙
适用于土质较好 、地下水位较低 的地区。型钢或 支柱按一定间距 打入，支柱间设 木挡板或其它挡 土设施。
支撑（拉锚）的选型
当基坑深度较大，悬臂挡墙的强度和变形不能满足要 求时，需增设支撑系统。 支撑系统：内支撑，外拉锚（顶部拉锚土层锚杆拉锚 ）
第一节 基坑围护结构的类型
（2）地基承载力假定法验算
N c c b DN d 1.15 ~ 1.25 ( H D) q
式中 Nc－承载力系数，条基取5.14； c－土的不排水抗剪强度， kPa ； γb－土的容重，kPa； D－支护结构入土深度,m;
H-基坑开挖深度，m；
q－地面荷载， kPa ；
第五节 基坑稳定性验算
将滑动力矩与抗滑力矩分别对圆心O取矩，得 1 滑动力矩M S (H q ) D 2 2
抗滑动力矩
H 4
4
M r Z dZ D Z d D Zd D M h
0 0 0
将上式积分并整理后得
H 2 1 2 3 2 M r K a tg 2 qH D 2 q f D 3 D
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：
静力平衡条件：结构节点的外荷载与单元内荷载相平衡。位 移为基本变量，单元与相连接的节点位移相协调。 变形协调条件：单元节点位移为基本变量，单元与相连接的 节点位移相协调。 e e e 物理方程：
F
K
第三节 支护结构的受力及破坏形式
二、 支护结构的破坏：强度破坏 稳定性破坏
锚拉系统破坏
底部内移
板桩弯曲
整体滑动
管涌、隆起
第三节 支护结构的受力及破坏形式
三、支护结构应满足的要求
（1）确保锚杆（支撑）的强度与稳定； （2）板桩截面尺寸、间距、抗弯强度够用； （3）板桩的入土深度应满足要求； （4）基坑底稳定验算满足要求。
《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）规定： 1、一级基坑工程： （1）支护结构作为主体结构的一部分； （2）基坑开挖深度大于、等于10m； （3）距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近 代 优秀建筑、重要管线需严加保护时。 2、 除一级和三级以外的均属二级基坑工程； 3、开挖深度小于7m，且周围环境无特别要求时，属三级基 坑工程。
第四节 基坑围护结构内力计算
有限元法
弹性杆系有限元法：围护结构作为一空间 二维结构体来计算，土的作用则像弹簧地 基梁法一样，用土压力和土弹簧来代替． 支撑或钳杆也用弹簧来代替，特点是可以 考虑空间结构的作用； 连续介质有限元法：把土休和围护结构一 起划分单元来计算，其可以考虑土体的复 杂的本构关系、时空效应等，但较复杂。
二 整体稳定性验算:瑞典圆弧滑动面条分法验算
K SF
c b (q b W ) cos tan (q b W ) sin
i i 0 i i i 0 i i i
B1
i
O ·
1
B1
min( K1SF , K 2 SF ,.....)
第一节 基坑围护结构的类型
一、基坑围护结构的分类 2 重力式围护体系 不设置支撑或锚杆的自立式墙体结构，墙体 厚度较大 ，通过墙体自重、墙体与地基的摩擦力、墙体在开挖 面以下受到土体的被动抗力平衡水土压力，维持边坡 稳定。
工业及民用：深搅桩、旋喷桩、树根桩 水工：钢架重力式挡土墙、沉井式重力挡土墙、混 合式重力挡土墙
第三节 支护结构的受力及破坏形式
一 支护结构上的荷载
自重 施工阶段水土压力
墙后地面荷载及临近建筑基底引起的附加荷载
计算方法参见“第二章 地下结构的荷载 3节 岩土 体压力的计算”和“第七章 地下连续墙结构 2节 结构 设计”支护结构上的荷载计算要点
第三节 支护结构的受力及破坏形式
二、 支护板桩的受力性状 （1）悬臂式板桩： 插入土体部分视为固定端，上部为自由端；即看作悬 臂梁结构。 （2）浅埋单锚式板桩： 插入土体部分视为固定铰，上部锚拉作用点为活动铰； 即看作简支梁结构。 （3）深埋单锚式板桩： 插入土体部分视为固定端，上部锚拉作用点为活动铰 ；即看作静不定梁结构。 （4）多层锚拉式板桩： 插入土体部分视为固定端，上部各个锚拉作用点为活 动铰；即看作连续梁结构。
挡土墙： 钢筋混凝土地下连续墙 柱列式钻孔灌注桩 钢板桩 钢筋混凝土板桩 支撑： 内支撑、土层锚杆
钢ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ桩
槽钢钢板桩 由槽钢并排或正反扣搭接组成。槽钢长6～8m，多用于 深度不超过4m的基坑。顶部宜设一道支撑或拉锚。
钢板桩
钻孔灌注桩挡墙
常用Φ600—1000mm，是支护结构中应用最多的一种。宜 形成排桩挡墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁。但施工难以做 到相切，挡水效果差。
深层水泥土搅拌桩
适用条件：
2、3级基坑;
施工范围内地基承载力
不宜大于150kPa;
基坑深度不大于6m.
第一节 基坑围护结构的类型
一、基坑围护结构的分类 桩（墙）式围护体系 围护墙、支撑、防水帷幕组成，墙体 厚度较小，通过 墙体插入地下一定深度和在开挖面上设置支撑或锚杆 系统平衡墙后的水土压力和维持边坡稳定。
第二节 基坑工程的设计内容
一、主要设计内容 1. 环境调查和基坑安全等级确定 2. 围护结构选型 3. 围护结构设计计算 4. 围护结构稳定性验算 5. 节点设计 6. 降水设计 7. 土方开挖方案 8. 基坑监测要求及方案
第二节 基坑工程的设计内容
1、基坑安全等级 《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)规定：
第十章
基坑围护结构
第十章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
基坑围护结构
基坑围护结构类型 基坑工程设计内容 支护结构的受力及破坏形式 基坑围护结构内力计算 基坑稳定性计算 常见围护结构构造设计
第一节 基坑围护结构的类型
一、基坑围护结构的分类 1 边坡支护结构：土钉墙支护
变形较大，适用于2、3级非软土地 基，深度不大于12米，软土浅基坑 （深度不超过5米）；地下水高于基 坑底，需降水或截水
BC面上
Z tg c
( q f D sin ) sin tg
2
( q f D sin ) sin cos K a tg c
CE面上
Z tg c D sin 3 tg D sin 2 cos K a tg c
第五节 基坑稳定性计算
一．基坑抗隆起验算 二．基坑整体稳定性验算 三．坑底抗渗流稳定验算
四．承压水稳定验算
第五节 基坑稳定性验算
一 基坑抗隆起验算 （1）圆弧滑动抗隆起验算
对于悬壁支护结构，假定 土体沿墙体底面滑动，认 为墙体底面以下为一圆弧， H 如图所示。产生滑动力的 H 是 和q,抵抗滑动的则 为土体抗剪强度。滑动力 与抗滑力对O点力矩平衡； 对于多道支撑结构，取最 下道支撑与围护墙的交点 D 为O点。 q A
F
K
F e — 单元节点力；
K e — 单元劲度矩阵；
e — 单元节点位移。
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：
计算方法：全量法 增量法
第四节 基坑围护结构内力计算
二、水平支撑体系计算：
支撑体系的水平位移 （1）支撑体系位移 （2） 框架刚体的平移和转动。 计算模型：简化为平面框架
tg (
4
q f D2
4 D 3 ) c( HD D 2 ) M h 3
抗隆起安全系数
KS Mr MS
为达稳定，避免基坑隆起，必须满足 K S 1.2 1.3 如要严格控制地面沉降，则需增加挡墙入土深 度，或进行坑底土体加固，提高土体抗剪强度， 使该系数达到1.5～2.0。
第四节 基坑围护结构内力计算
一、计算方法：经典方法、弹性地基梁法、有限元法
经典法： 围护结构看作为一竖放的粱，支点为支撑点或反 弯点，支撑点为不动点，成为一个多支点的梁受墙后 土压力的作用。这种方法可近似计算围护结构的内力 和支撑力，但误差大，且不能计算出围护结构的位移 ，如二分之—分割法、等值粱法等。
z
Z
qf
O
Z
E
Z
B
C
Z
对于非理想粘性土，土的抗剪强度
Z c tg
计算
2 AB面上 应为水平侧压力，取
Ztg 2 ( 45
)
Z c (Z q) K a tg c tg
第四节 基坑围护结构内力计算
弹性地基梁法
围护结构简化为一单位宽度的竖放的弹性地基梁，梁 受墙后土压力的作用，土的作用则用一系列的土弹簧来 代替，计算土弹簧刚度方法则可有e法、m法、c法等， 支撑或锚杆也可用一系列的弹簧来代替。山肩帮男法、 弹性法和弹塑性法，该方法考虑了土、结构和支撑或锚 杆的共同作用，结合增量法可以考虑复杂的施工过程， 方法简便，关键是土体弹簧刚度的确定，该方法是目前 工程应用的主流方法，已足可以满足工程设计的需要。
第四节 基坑围护结构内力计算
二、水平支撑体系计算：
①
分析方法：利用结构有限元计算软件 输入支撑体系结构几何参数，计算支撑水平变形刚度。
Kc
②
③
1
④
输入地层参数，计算挡土墙水土压力； 输入挡土墙结构几何参数，计算挡土墙内力，最大水平位 移。 判断最大水平位移是否小于允许值，如满足要求，计算出支 撑的内力，进行配筋计算或钢支撑强度和稳定性验算。如不 满足要求，重新调整支撑的几何参数，以提高其水平刚度， 重新计算。 调整支撑体系高程； 增大支撑杆件截面尺寸； 加大挡墙厚度或嵌固深度。
第一节 基坑围护结构的类型
二、基坑围护结构的选型 遵循原则： 基坑围护结构构件不应超出用地范围； 基坑围护结构的构件不能影响主体工程结构构件的正常 施工； 基坑平面形状尽可能采用受力性能好的圆形、正多边形 和矩形。
具体选型方案见P308 表12-5 参考规范： 《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)； 《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）
安全 等级 一级 破坏后果 支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑周边 环境及地下结构施工影响严重 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边 环境及地下结构影响一般 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边 环境及地下结构施工影响不严重 γ0 1.10
二级
1.00
三级
0.90
第二节 基坑工程的设计内容
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：矩阵位移法与弹性地基梁法的组合
：取纵向单位宽度，将其视为竖放的弹性地基梁，将结构剖 分为梁单元，支撑为二杆桁架单元。开挖面下墙前地层对结 构约束作用视为一系列弹簧单元。
第四节 基坑围护结构内力计算
计算原理：
结构剖分 ：挡土结构 沿竖向每隔1~2m划分 一个单元，单元节点 尽可能设置在结构的 截面、荷载突变处、 地基基床系数变化段 、支撑或锚杆的作用 点处。 外荷载：墙背侧土压 力为主动土压力，郎 肯理论计算。被动侧 由墙体位移产生的抗 力，由弹簧地基提供 。
F e — 单元节点力；
K e — 单元劲度矩阵；
e — 单元节点位移。
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：
静力平衡条件：结构节点的外荷载与单元内荷载相平衡。位 移为基本变量，单元与相连接的节点位移相协调。 变形协调条件：单元节点位移为基本变量，单元与相连接的 节点位移相协调。 e e e 物理方程：
开挖侧
开挖侧
H型钢水泥土搅拌墙
适用于土质较好 、地下水位较低 的地区。型钢或 支柱按一定间距 打入，支柱间设 木挡板或其它挡 土设施。
支撑（拉锚）的选型
当基坑深度较大，悬臂挡墙的强度和变形不能满足要 求时，需增设支撑系统。 支撑系统：内支撑，外拉锚（顶部拉锚土层锚杆拉锚 ）
第一节 基坑围护结构的类型
（2）地基承载力假定法验算
N c c b DN d 1.15 ~ 1.25 ( H D) q
式中 Nc－承载力系数，条基取5.14； c－土的不排水抗剪强度， kPa ； γb－土的容重，kPa； D－支护结构入土深度,m;
H-基坑开挖深度，m；
q－地面荷载， kPa ；
第五节 基坑稳定性验算
将滑动力矩与抗滑力矩分别对圆心O取矩，得 1 滑动力矩M S (H q ) D 2 2
抗滑动力矩
H 4
4
M r Z dZ D Z d D Zd D M h
0 0 0
将上式积分并整理后得
H 2 1 2 3 2 M r K a tg 2 qH D 2 q f D 3 D
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：
静力平衡条件：结构节点的外荷载与单元内荷载相平衡。位 移为基本变量，单元与相连接的节点位移相协调。 变形协调条件：单元节点位移为基本变量，单元与相连接的 节点位移相协调。 e e e 物理方程：
F
K
第三节 支护结构的受力及破坏形式
二、 支护结构的破坏：强度破坏 稳定性破坏
锚拉系统破坏
底部内移
板桩弯曲
整体滑动
管涌、隆起
第三节 支护结构的受力及破坏形式
三、支护结构应满足的要求
（1）确保锚杆（支撑）的强度与稳定； （2）板桩截面尺寸、间距、抗弯强度够用； （3）板桩的入土深度应满足要求； （4）基坑底稳定验算满足要求。
《上海市基坑工程设计规程》（DBJ08-61-97）规定： 1、一级基坑工程： （1）支护结构作为主体结构的一部分； （2）基坑开挖深度大于、等于10m； （3）距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近 代 优秀建筑、重要管线需严加保护时。 2、 除一级和三级以外的均属二级基坑工程； 3、开挖深度小于7m，且周围环境无特别要求时，属三级基 坑工程。
第四节 基坑围护结构内力计算
有限元法
弹性杆系有限元法：围护结构作为一空间 二维结构体来计算，土的作用则像弹簧地 基梁法一样，用土压力和土弹簧来代替． 支撑或钳杆也用弹簧来代替，特点是可以 考虑空间结构的作用； 连续介质有限元法：把土休和围护结构一 起划分单元来计算，其可以考虑土体的复 杂的本构关系、时空效应等，但较复杂。
二 整体稳定性验算:瑞典圆弧滑动面条分法验算
K SF
c b (q b W ) cos tan (q b W ) sin
i i 0 i i i 0 i i i
B1
i
O ·
1
B1
min( K1SF , K 2 SF ,.....)
第一节 基坑围护结构的类型
一、基坑围护结构的分类 2 重力式围护体系 不设置支撑或锚杆的自立式墙体结构，墙体 厚度较大 ，通过墙体自重、墙体与地基的摩擦力、墙体在开挖 面以下受到土体的被动抗力平衡水土压力，维持边坡 稳定。
工业及民用：深搅桩、旋喷桩、树根桩 水工：钢架重力式挡土墙、沉井式重力挡土墙、混 合式重力挡土墙
第三节 支护结构的受力及破坏形式
一 支护结构上的荷载
自重 施工阶段水土压力
墙后地面荷载及临近建筑基底引起的附加荷载
计算方法参见“第二章 地下结构的荷载 3节 岩土 体压力的计算”和“第七章 地下连续墙结构 2节 结构 设计”支护结构上的荷载计算要点
第三节 支护结构的受力及破坏形式
二、 支护板桩的受力性状 （1）悬臂式板桩： 插入土体部分视为固定端，上部为自由端；即看作悬 臂梁结构。 （2）浅埋单锚式板桩： 插入土体部分视为固定铰，上部锚拉作用点为活动铰； 即看作简支梁结构。 （3）深埋单锚式板桩： 插入土体部分视为固定端，上部锚拉作用点为活动铰 ；即看作静不定梁结构。 （4）多层锚拉式板桩： 插入土体部分视为固定端，上部各个锚拉作用点为活 动铰；即看作连续梁结构。
挡土墙： 钢筋混凝土地下连续墙 柱列式钻孔灌注桩 钢板桩 钢筋混凝土板桩 支撑： 内支撑、土层锚杆
钢ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ桩
槽钢钢板桩 由槽钢并排或正反扣搭接组成。槽钢长6～8m，多用于 深度不超过4m的基坑。顶部宜设一道支撑或拉锚。
钢板桩
钻孔灌注桩挡墙
常用Φ600—1000mm，是支护结构中应用最多的一种。宜 形成排桩挡墙，顶部浇筑钢筋混凝土圈梁。但施工难以做 到相切，挡水效果差。
深层水泥土搅拌桩
适用条件：
2、3级基坑;
施工范围内地基承载力
不宜大于150kPa;
基坑深度不大于6m.
第一节 基坑围护结构的类型
一、基坑围护结构的分类 桩（墙）式围护体系 围护墙、支撑、防水帷幕组成，墙体 厚度较小，通过 墙体插入地下一定深度和在开挖面上设置支撑或锚杆 系统平衡墙后的水土压力和维持边坡稳定。
第二节 基坑工程的设计内容
一、主要设计内容 1. 环境调查和基坑安全等级确定 2. 围护结构选型 3. 围护结构设计计算 4. 围护结构稳定性验算 5. 节点设计 6. 降水设计 7. 土方开挖方案 8. 基坑监测要求及方案
第二节 基坑工程的设计内容
1、基坑安全等级 《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)规定：
第十章
基坑围护结构
第十章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
基坑围护结构
基坑围护结构类型 基坑工程设计内容 支护结构的受力及破坏形式 基坑围护结构内力计算 基坑稳定性计算 常见围护结构构造设计
第一节 基坑围护结构的类型
一、基坑围护结构的分类 1 边坡支护结构：土钉墙支护
变形较大，适用于2、3级非软土地 基，深度不大于12米，软土浅基坑 （深度不超过5米）；地下水高于基 坑底，需降水或截水
BC面上
Z tg c
( q f D sin ) sin tg
2
( q f D sin ) sin cos K a tg c
CE面上
Z tg c D sin 3 tg D sin 2 cos K a tg c
第五节 基坑稳定性计算
一．基坑抗隆起验算 二．基坑整体稳定性验算 三．坑底抗渗流稳定验算
四．承压水稳定验算
第五节 基坑稳定性验算
一 基坑抗隆起验算 （1）圆弧滑动抗隆起验算
对于悬壁支护结构，假定 土体沿墙体底面滑动，认 为墙体底面以下为一圆弧， H 如图所示。产生滑动力的 H 是 和q,抵抗滑动的则 为土体抗剪强度。滑动力 与抗滑力对O点力矩平衡； 对于多道支撑结构，取最 下道支撑与围护墙的交点 D 为O点。 q A
F
K
F e — 单元节点力；
K e — 单元劲度矩阵；
e — 单元节点位移。
第四节 基坑围护结构内力计算
二、竖向剖面分析的弹性杆系有限单元法
计算原理：
计算方法：全量法 增量法
第四节 基坑围护结构内力计算
二、水平支撑体系计算：
支撑体系的水平位移 （1）支撑体系位移 （2） 框架刚体的平移和转动。 计算模型：简化为平面框架
tg (
4
q f D2
4 D 3 ) c( HD D 2 ) M h 3
抗隆起安全系数
KS Mr MS
为达稳定，避免基坑隆起，必须满足 K S 1.2 1.3 如要严格控制地面沉降，则需增加挡墙入土深 度，或进行坑底土体加固，提高土体抗剪强度， 使该系数达到1.5～2.0。
第四节 基坑围护结构内力计算
一、计算方法：经典方法、弹性地基梁法、有限元法
经典法： 围护结构看作为一竖放的粱，支点为支撑点或反 弯点，支撑点为不动点，成为一个多支点的梁受墙后 土压力的作用。这种方法可近似计算围护结构的内力 和支撑力，但误差大，且不能计算出围护结构的位移 ，如二分之—分割法、等值粱法等。
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Z
qf
O
Z
E
Z
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C
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对于非理想粘性土，土的抗剪强度
Z c tg
计算
2 AB面上 应为水平侧压力，取
Ztg 2 ( 45
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