基坑工程毕业设计

毕业设计某大厦基坑工程设计

摘要

本设计资料中给出地基土层主要由素填土、淤泥质杂填土、粉质粘土、圆砾构成。地形为坡地，由人工推填平整，场地较平整。原始地貌为侵蚀性堆积岗地。

由于东侧为工商局宿舍，楼高六层，其最近距离为5.6 m，西侧为马路，最近距离为 6.5m，其余两侧为空地，且出于减少施工对其东侧建筑物造成较大影响，减小施工噪声，降低造价费，尽量缩短工期等原因考虑，主体基坑支护采用分两侧（BC侧和AB、AD、DC侧）采用不同的支护体系支护：BC侧是钻孔灌注桩加锚杆的支护体系，采用钻孔灌注桩的基坑开挖深度为10m，总桩长14m；（AB、AD、DC）侧是土钉墙支护，基坑开挖深度10m。土层锚杆作为一种新兴科学，将会更广泛地运用到工程实践中，其具有较高的科学性、使用性，且施工方便，不占场地。

设计的主要内容有支护方案的选择、钻孔灌注桩的设计与计算、土钉及锚杆的计算、基坑整体稳定性验算。

关键词：深基坑支护；土钉墙；钻孔灌注桩；锚杆支撑

目录

第1章设计任务说明........................... 错误!未定义书签。

1.1基本资料................................. 错误!未定义书签。

1.1.1 基坑周边环境...................... 错误!未定义书签。

1.1.2 岩土层分布特征.................... 错误!未定义书签。

1.1.3 基坑侧壁安全等级及重要性系数 (3)

1.1.4设计依据 (3)

第2章支护体系方案的选择 (4)

2.1常见支护体系的类型及其特点和适用范围 (4)

2.2基坑支护方案的确定 (6)

第3章 BC断面的围护结构设计与计算 (7)

3.1土压力系数计算 (7)

3.2支护结构设计计算 (7)

3.2.1侧向土压力计算 (8)

3.3锚杆的设计 (13)

3.3.1锚杆承载力的计算 (13)

3.4桩的配筋 (16)

3.4.1桩体的配筋计算方法 (16)

3.4.2构造配筋 (17)

3.5冠梁设计 (17)

3.6腰梁设计 (18)

第4章 (AB.AD.DC)断面的围护结构设计与计算 (20)

4.1土钉计算 (20)

4.2配筋计算 (24)

4.3土钉稳定性验算 (25)

4.3.1土钉的抗滑稳定性分析 (25)

4.3.2土体的抗倾覆稳定性验算 (25)

第5章基坑的稳定性验算....................... 错误!未定义书签。

5.1 基坑的整体抗滑稳定性验算............... 错误!未定义书签。

5.2 基坑抗倾覆稳定性验算................... 错误!未定义书签。

5.3 基坑抗隆起稳定性验算 (29)

参考文献 (31)

结束语 (32)

第一章设计任务说明

1.1基本资料

1.1.1基坑周边环境条件

基坑西侧为马路，最近距离为6.5m 。东侧为工商局宿舍，楼高六层，其最近距离为5.6 m。

人工推填平整，场地较平整。地面标高为67.9m，基坑挖深10m。

图1基坑平面图

1.1.2岩土层分布特征

根据地质勘察资料，在A-B-C-D段主要分布的土层如下：

）：褐灰至褐红色，以粘性土为主，含大量砖块及碎石生活垃圾，（1）杂填土（Q

m1

人工填积，结构松散，不含地下水，湿。埋深1.00~1.11m，层厚1.20~4.00m，层底标高66.70~66.80m。

（2）素填土○2（Q m1）：褐红色，以粘性土为主，含少量砖块及碎石。人工新近填积，未完成自重固结，结构松散，不含地下水，湿。埋深0.00~1.10m，层厚1.20~4.00m，

层底标高63.10~66.70m。（3）淤泥质杂填土○3（Q a1）：褐灰至灰黑色，含大量碎石及生活垃圾腐烂物，具臭味，含地下水，软塑状，易变形，很湿。埋深1.80~4.00m，

层厚0.70~2.90m，层底标高63.10~64.10m。

（4）粉质粘土○4（Q a1）：褐黄至褐红色，含少量灰白色团状高岭土及铁锰氧化物，裂隙发育，摇震无反应。土状光泽，干强度一般，顶部受水浸泡严重。硬塑，中密，稍

湿。埋深0.00~4.70m，层厚2.10~6.70m，层底标高60.30~62.00m。

（5）圆砾○5（Q a1）：黄至黄褐色，以石英硅质岩碎屑为主。含少量砂粒及粘性土，胶结一般。粗颗粒呈圆状，中风化。粒径?>20mm占35%，5~20mm占25%，粘性土占5%，

富含地下水，中密饱和。埋深5.00~7.60m，层厚4.50~5.30m，层底标高55.80~56.70m。

（6）粘土○6（Q a1）：紫红色，由下伏基岩风化残积而成，含少量斑状灰白色高岭土及石英粉砂、云母碎屑，裂隙发育，土状光泽，摇震无反应。干强度一般，可塑，中密，

湿。

（7）强风化粉砂质泥岩○7（K）：紫红色，粉砂泥质结构，层状构造，以泥质成分为主，石英粉砂为次，岩石风化强烈，裂隙发育，裂面见铁锰氧化膜，浸水易软化，干

燥易散碎，顶部风化呈土状。坚硬，致密，稍湿。埋深12.50~13.20m，层厚2.00~3.70m，

层底标高51.50~53.10m。

（8）中风化粉砂质泥岩○8（K）：紫红色，粉砂泥质结构，以泥质成分为主，石英粉砂为次，见云母小片，岩芯表面见绿泥石斑块，偶见石膏细脉充填于裂隙中，岩石较

完整，裂隙较发育，局部夹泥岩透镜体，分布无规律。浸水易软化，干燥易碎裂。坚硬，

致密，稍湿。埋深14.80~16.40m，层厚2.40~9.80m，层底标高43.10~49.70m。

地下水位简况：场地主要见上层滞水及潜水。上层滞水主要赋存于素填土○2和淤泥质杂填土○3中，受大气降水及地表水的补给，季节性变化明显；潜水主要赋存于圆砾○5中，受同层地下水补给。测得初见水位0.30~7.00m，相应标高60.90~67.60m，测得静止水位0.40~2.50m，相应标高65.40~67.40m。场地地下水对混凝土结构无腐蚀性，

对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性。

图2 岩土层分布图

1.1.3基坑侧壁安全等级及重要性系数

= 1.0。丝绸大厦基坑安全等级为一级，基坑重要性系数γ

1.1.4设计依据

（1）地质勘察报告及相关资料;

（2 《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）；

（3）《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）；

（4）《岩土工程预决算指南》；

（5）《深基坑工程》；

（6）《深基坑工程设计施工手册》；

（7）《深基坑支护设计与施工》；

（8）《工程概预算》；

（9）《基坑工程手册》等。

第二章支护体系方案的选择

2.1常见支护体系的类型及其特点和适用范围

放坡开挖：适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制五严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。

深层搅拌水泥土围护墙：深层搅拌水泥土围护墙是采用深层搅拌机就地将土和输入的水泥浆强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。水泥土围护墙优点:由于一般坑内无支撑,便于机械化快速挖土;具有挡土、止水的双重功能;一般情况下较经济;施工中无振动、无噪音、污染少、挤土轻微,因此在闹市区内施工更显出优越性。水泥土围护墙的缺点:首先是位移相对较大,尤其在基坑长度大时,为此可采取中间加墩、起拱等措施以限制过大的位移;其次是厚度较大,只有在红线位置和周围环境允许时才能采用,而且在水泥土搅拌桩施工时要注意防止影响周围环境。

高压旋喷桩：高压旋喷桩所用的材料亦为水泥浆,它是利用高压经过旋转的喷嘴将水泥浆喷入土层与土体混合形成水泥土加固体,相互搭接形成排桩,用来挡土和止水。高压旋喷桩的施工费用要高于深层搅拌水泥土桩,但其施工设备结构紧凑、体积小、机动性强、占地少,并且施工机具的振动很小,噪音也较低,不会对周围建筑物带来振动的影响和产生噪音等公害,它可用于空间较小处,但施工中有大量泥浆排出,容易引起污染。对于地下水流速过大的地层,无填充物的岩溶地段永冻土和对水泥有严重腐蚀的土质,由于喷射的浆液无法在注浆管周围凝固,均不宜采用该法。

槽钢钢板桩：这是一种简易的钢板桩围护墙,由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长6～8m ,型号由计算确定。其特点为:槽钢具有良好的耐久性,基坑施工完毕回填土后可将槽钢拔出回收再次使用;施工方便,工期短;不能挡水和土中的细小颗粒,在地下水位高的地区需采取隔水或降水措施;抗弯能力较弱,多用于深度≤4m的较浅基坑或沟槽,顶部宜设置一道支撑或拉锚;支护刚度小,开挖后变形较大。

钢筋混凝土板桩：钢筋混凝土板桩具有施工简单、现场作业周期短等特点,曾在基坑中广泛应用,但由于钢筋混凝土板桩的施打一般采用锤击方法,振动与噪音大,同时沉桩过程中挤土也较为严重,在城市工程中受到一定限制。此外,其制作一般在工厂预制,

再运至工地,成本较灌注桩等略高。但由于其截面形状及配筋对板桩受力较为合理并且可根据需要设计,目前已可制作厚度较大(如厚度达500mm 以上) 的板桩,并有液压静力沉桩设备,故在基坑工程中仍是支护板墙的一种使用形式。

钻孔灌注桩：钻孔灌注桩围护墙是排桩式中应用最多的一种,在我国得到广泛的应用。其多用于坑深7～15m 的基坑工程,在我国北方土质较好地区已有8～9m 的臂桩围护墙。钻孔灌注桩支护墙体的特点有:施工时无振动、无噪音等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小;墙身强度高,刚度大,支护稳定性好,变形小;当工程桩也为灌注桩时,可以同步施工,从而施工有利于组织、方便、工期短;桩间缝隙易造成水土流失,特别时在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题;适用于软粘土质和砂土地区,但是在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用;桩与桩之间主要通过桩顶冠梁和围檩连成整体,因而相对整体性较差,当在重要地区,特殊工程及开挖深度很大的基坑中应用时需要特别慎重。

地下连续墙：通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备。

土钉墙：土钉墙是一种边坡稳定式的支护,其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。土钉墙主要用于土质较好地区,我国华北和华东北部一带应用较多,目前我国南方地区亦有

应用,有的已用于坑深10m 以上的基坑,稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、经济性好、在土质较好地区应积极推广。

SMW工法：SMW工法亦称劲性水泥土搅拌桩法,即在水泥土桩内插入H 型钢等(多数为H 型钢,亦有插入拉森式钢板桩、钢管等) ,将承受荷载与防渗挡水结合起来,使之成为同时具有受力与抗渗两种功能的支护结构的围护墙。SMW 支护结构的支护特点主要为:施工时基本无噪音,对周围环境影响小;结构强度可靠,凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层;挡水防渗性能好,不必另设挡水帷幕;可以配合多道支撑应用于较深的基坑;此工法在一定条件下可代替作为地下围

护的地下连续墙,在费用上如果能够采取一定施工措施成功回收H 型钢等受拉材料;则大大低于地下连续墙,因而具有较大发展前景。

2.2基坑支护方案的确定

本工程地下水位较高，基坑开挖深度为10米，且BC侧由于距离建筑物较近（5.6m），严格按照《建筑基坑支护设计规程》（JGJ120—99）、《建筑基坑工程技术规范》（YB9258-97）、《深基坑支护设计与施工》中的有关要求进行。经过详细的分析后认为：

本设计基坑支护方案，在满足基坑土方开挖、地下室结构施工及周围环境保护对基坑支护结构的要求，符合“安全可靠，经济合理，技术可行，方便施工”的原则。基坑分为（AB、CD、AD）和BC两个计算区段，由于BC区段距离建筑物较近，为减少施工对其东侧建筑物造成较大影响，减小施工噪声，降低造价费用则采用钻孔灌注桩与锚杆支撑，（AB、CD、AD）区段周边环境较为宽松，在考虑地质、造价、工期等方面综合原因后，可采用土钉墙支护。

第三章 BC 断面的围护结构设计与计算

3.1 土压力系数计算

按照朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计的计算依据，即：

主动土压力系数：??? ??

-=245tan 2

i i a K ?ο

被动土压力系数：??? ??

+=245tan 2

i p i K ?ο

3.2 支护结构设计计算

该段为基坑东侧B-C 段，采用钻孔灌注桩加两道锚杆进行施工，取桩径为0.8m ，两桩之间的距离取1.5m 。结构外侧地面附加荷载q 取10kPa 。

表3.1 各土层系数表

3.2.1 侧向土压力计算

1、第一阶段挖土深3.5m ，并在-3m 标高处设立锚杆 按朗肯理论计算主动与被动土压力强度，其公式如下： a a a K c qK p 2-=

()a a i i a K c K h q p 2-+=γ 其中：

a P —— 朗肯主动土压力强度 （a kP ） q —— 地面均匀荷载 （a kP ）

i γ —— 第i 层土的重度 （3/m kN ）

i h —— 第i 层土的厚度 （m ） a K —— 朗肯主动土压力系数； （1）求第一层土的主动和被动土压力

a a a kP K c qK p 5.11438.0122438.0102110-=??-?=-=

()()a

a a a a kP K c K h q p p 09.16438.0122438.05.318102=??-??+=-+==γ下

（2）求开挖面下土压力为0点2a

()()

m K K p a a p a 48.0438.0283.21809

.161=-?=-=

γ

（3）求O 点开挖面以上土压力2Ea

a a kP E 96.112

48

.009.16205.209.16246.15.111=?+?+?-=

（4）求o 以上作用在桩上土压力对o 点的力矩：

m

KN M ?-=??+??

?

??+??+??? ??++??-=1.21348.0249.1648.005.23196.1148.005.246.1325.110 （5）桩在d 下嵌故深度t

假设支座d 处的反力m KN E E a d /96.111==

()()

m K K E t a P d 47.1438.0283.21896

.1166=-??=-?=

γ

需要桩长度m L 74.547.12.148.05.3=?++=,则桩长取6m 2、第二阶段挖土深6.7m ，并在-6m 标高处设立锚杆 （1）求第一层土的主动和被动土压力

a a a kP K c qK p 5.11438.0122438.0102110-=??-?=-=

()()a a a a kP K c K h q p 32.41438.0122438.07.618102=??-??+=-+=γ ()()a a a a kP K c K h q p 34.28438.002217.07.6181022221=??-??+=-+=γ下 （2）求开挖面下土压力为0点2a ()()

m K K p a a p a 323.0217.06.42034

.282=-?=-=

γ

（3）求O 点开挖面以上土压力2Ea

a a kP E 18.902

323

.034.2827.432.41225.112=?+?+?-=

（4）求o 以上作用在桩上土压力对o 点的力矩：

m

KN M ?=??+??

?

??+??+??? ??++??-=3.983323.0258.4323.07.43118.90323.07.42325.110

图3.2 开挖第二阶段土压力分布简图

（5）计算支撑反力1R

支撑到d 点距离m a 023.43323.07.63=-+= 支撑反力m KN a M R /43.24023

.43

.98301===

假设支座d 处的反力m KN R E E a d /75.6543.2418.9012=-=-= （6）桩在d 下嵌故深度t

()()

m K K E t a P d 12.2217.06.42075.6566=-??=-?=

γ

需要桩长度m L 6.912.22.1323.07.6=?++=,则桩长取10m 3、第三阶段挖土深10m

土压力系数采用加权平均计算，开挖面范围内土体力学指标加权平均值为：

35

.0245tan 04.810

3.307.61261.2810

3

.3407.6232=??? ?

?

-==?+?==?+?=

φφοο

a a K kp c

（1）土压力计算

0m 处 ： 20/01.635.004.8235.010m KN E a -=?-?=

10m 处上：()210/87.5835.004.82-35.03.3207.61810m KN E a =???+?+=上 10m 处下：()210/66.42217.002-217.03.3207.61810m KN E a =????+?+=下 土压力为0的距开挖面的d 点深度：

()()

m K K E d a p 487.0217.06.42066

.4210a =-?=-=

γ下

d 以上对桩的土压力的合力：

a a kP E 57.2742

487.066.42207.987.58293.001.6=?+?+?-=

d 以上作用在桩上土压力对d 点的力矩：

m

KN M d ?=??+??

?

??+??+??? ??++??-=9063487.0239.10487.007.93157.274487.007.993.03201.6

图3.3 开挖第三阶段土压力分布简图

（2）计算支撑反力：

第一层支撑到d 点距离：m a 487.73487.101=-=

第二层支撑到d 点距离：m a 487.46487.102=-= 第一层支撑反力取第一层挖土时的值：m KN R /43.241= 第二层支撑反力值

m KN a M M R d /180487

.43

.98906202=-=-=

假设支座d 处的反力：

m KN R R E E a d /14.7018043.2457.27421=--=--=

（3）桩在d 下嵌故深度t

()()

m K K E t a P d 19.2217.06.42014

.7066=-??=-?=

γ

需要桩长度m L 12.1319.22.1487.010=?++=,则桩长取14m （4）桩强度验算

桩上剪力为0的位置距地面以下y 处

13

.7018043.2435.0202

1

35.0100

2

1

2212==--???+?=--+y y y R R k y y qk a a γ

()()()()[]M m KN y R y R y

k y y qk M b a a

3.3 锚杆的设计

3.3.1 锚杆承载力的计算

（1）本工程采用两层锚杆，水平间距一般取（1.5~4.5）m ，此处为1.5m ；倾角15?'=o （2）由前面的计算可以知道，锚杆的水平力是m KN R /43.241=，m KN R /1802= （3）由?cos u a N R =可得：

KN R N 19.2597

.043

.24cos '11===

? KN R N 57.18597

.0180

cos '

22===

? （4）锚杆自由段长度的计算：

图3.4 锚杆自由段长度计算简图

O 为土压力零点，OE 为假想滑裂面，锚杆AD 与水平线AC 夹角α，AB 为非锚固段，可由几何关系得：

m L L AO AB

98.396.051.0487.7245sin 245sin =?=?

?

?

??++?

?? ??

-?=αφφοο

因为小于5m ，而规范规定锚杆自由端长度不得小于5m ，为了结构的稳定，这里我们取两道锚杆的自由段都为6m （5）锚杆的锚固段长度的计算：

圆柱形水泥压浆锚杆的锚固段长度a L 按下式计算： m t

a m K N L d πτ?=??

其中 ：m d —— 锚固段直径，可取钻头直径的1.2倍；

m K —— 锚固安全系数，取m K =1.5，当使用年限超过两年或周围环境要求

较高时取m K =2.0；

t N —— 土层锚杆设计轴向拉力，即按挡墙计算得到的锚拉力； τ —— 锚固体与土层之间的剪切强度，可按各地积累的经验取用，也可以按照公式

tan C τσδ=+

其中 C —— 土体的粘聚力；

σ —— 锚固段中点的上覆压力；

δ —— 锚固段与土体之间的摩擦角，通常取δ=11~32φ??

???。当采用二

次压注浆时，取δφ=，其中φ为土体的固结块剪的内摩擦角峰值。

在本工程中，取5.1=m K ，KN N t 19.251=，KN N t 57.1852=； 由于工程中采用的是直径120mm 的钻孔机械，则mm d m 2242.1120=?=

暂设第一层锚杆锚固段长5m,第二层锚杆锚固段长10m ，则两层锚杆锚固段中点埋深各为：

m h 2.5315sin 25111=+??? ??

-=ο

m h 85.8615sin 210162=+??? ?

?

-=ο

剪切强度各为：

a kp c 12.2461.2831tan 2.51804.8tan 1=??

? ????+=+=δστ

a kp c 16.3561.283

1tan 85.81804.8tan 2=??

? ????+=+=δστ 所以得： m d N K L m t m 23.212

.24224.014.319

.255.11=???=???=

τπ

m d N K L m t m 26.1116

.35224.014.357

.1855.12=???=???=

τπ

由于锚固段长度不应小于4m ，所以L 1取5m ，L 2取12m

土层锚杆总长度各为：

m L L L AB m 1111=+= m L L L AB m 1822=+=

（7）土层锚杆截面积和配筋的计算： 土层锚杆截面积可以按照下式计算：

ptk

t mj f N K A =

其中 A —— 锚杆的截面积； t N —— 土层锚杆设计轴向拉力； mj K —— 安全系数，取1.3；

ptk f —— 锚杆材料的设计标准强度值。

则根据实际情况，KN N t 19.251=，KN N t 57.1852= ，钢筋在此用HRB335的钢筋，

则ptk f =3002/N mm

所以带入数据得：

231109300

1019.253.1mm f N K A ptk

t mj =??==

选用116φ ()2g=201.1mm A

23

2804300

1057.1853.1mm f N K A ptk

t mj =??==

选用225φ ()2

g=982mm A

3.4 桩的配筋

3.4.1 桩体的配筋计算方法

将圆形桩体化为长方形的墙体，然后采用双面对称配筋方法配筋，灌注桩直径为800mm ，混凝土为C30，受力钢筋，分布钢筋均采用Ⅱ级钢筋。综合安全系数K=1.4，将直径为800mm 的圆形桩体化为宽800mm ，墙厚h 的墙体。

4464

1

12D h π= 解得h=700.8mm,取墙厚h=710mm

C30混凝土的22/43.1,/3.14mm N f mm N f t c ==，Ⅱ级钢筋的设计强度

2/300mm N f y =。

墙最大弯矩墙厚710mm ，保护层为40mm ，混凝土为C30，受力钢筋，分布钢筋均采用Ⅱ级钢筋。

墙最大弯矩m KN M ?=55.207max ,采用双面对称配筋'

s S A A =

mm h h 67040710400=-=-=

mm b 1000=

''1,0s y c s y A f bx f A f N +==∑α得 (1)

()'0''012,0s s y c a h A f x h bx f M M -+??? ?

?

-≤=∑α得 (2)