建筑物的基坑支护设计说明书-学位论文.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 89 页 共 89 页引言近年来全国各地高层建筑深基坑支护工程发展很快，可利用建筑土地越来越紧缺，特别是在繁华闹市区，土地的批租费和拆迁费很高，使得建筑业主从利润角度考虑不得不尽可能充分利用地上和地下空间，即在有限的地皮上增加建筑总高度和地下室层数，从而使基础埋深大大增加。因建设需要基础愈做愈深，其支护结构难度，尤以软土地区也愈来愈大，已经成为高层建筑工程中的难点和热点。建筑物的基坑支护设计是一门从实践中发展起来的技术。随着我国建设的发展，基坑支护技术有了较大的提高，出现了很多基坑支护型式。支护是基坑工程的重要组成部分，其功能是用来维持地基土的平衡，使基坑四周边坡保持稳定，保证基坑开挖及工程施工过程中的安全和基坑四周相邻建（构）筑物及地下管线、道路的安全，不因土体变形、沉陷、位移，坍塌而造成危害。在地下水位较高的透水土层（例如砂类土及粉土）中进行基坑开挖施工时，由于坑内外的水位差大，较易产生潜蚀、流沙、管涌、突涌等渗透破坏现象，导致边坡或基坑坑壁失稳，直接影响到建筑物的安全。基坑降水为基坑开挖及基础施工创造无水作业条件，保证基坑的开挖施工的顺利进行，同时降低在开挖过程中对环境的影响。 本次设计拟采用排桩支护的降水支护形式及高压旋喷桩做止水帷幕对淮安新天利大厦进行研究分析。第一部分：深基坑定义及其在建筑工程上的作用与地位1 深基坑的定义（一） 开挖深度超过5m（含5m）的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程。（二）开挖深度虽未超过5m，但地质条件、周围环境和地下管线复杂，或影响毗邻建筑（构筑）物安全的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程。2 深基坑的特点 基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大的风险性。基坑工程施工过程中应进行监测，并应有应急措施。在施工过程中一旦出现险情，需要及时抢救。 基坑工程具有很强的区域性。如软粘土地基、黄土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中基坑工程差异性很大。同一城市不同区域也有差异。基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖都要因地制宜，根据本地情况进行，外地的经验可以借鉴，但不能简单搬用。 基坑工程具有很强的个性。基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖不仅与工程地质水文地质条件有关，还与基坑相邻建（构）筑物和地下管线的位置、抵御变形的能力、重要性，以及周围场地条件等有关。有时保护相邻建（构）筑物和市政设施的安全是基坑工程设计与施工的关键。这就决定了基坑工程具有很强的个性。因此，对基坑工程进行分类、对支护结构允许变形规定统一标准都是比较困难的。 基坑工程综合性强。基坑工程不仅需要岩土工程知识，也需要结构工程知识，需要土力学理论、测试技术、计算技术及施工机械、施工技术的综合。 基坑工程具有较强的时空效应。基坑的深度和平面形状对基坑支护体系的稳定性和变形有较大影响。在基坑支护体系设计中要注意基坑工程的空间效应。土体，特别是软粘土，具有较强的蠕变性，作用在支护结构上的土压力随时间变化。蠕变将使土体强度降低，土坡稳定性变小。所以对基坑工程的时间效应也必须给予充分的重视。 基坑工程是系统工程。基坑工程主要包括支护体系设计和土方开挖两部分。土方开挖的施工组织是否合理将对支护体系是否成功具有重要作用。不合理的土方开挖、步骤和速度可能导致主体结构桩基变位、支护结构过大的变形，甚至引起支护体系失稳而导致破坏。同时在施工过程中，应加强监测，力求实行信息化施工。 基坑工程具有环境效应。基坑开挖势必引起周围地基地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对周围建（构）筑物和地下管线产生影响，严重的将危及其正常使用或安全。大量土方外运也将对交通和弃土点环境产生影响。3 深基坑在建筑工程上的作用与地位深基坑在高层建筑整体施工中占据了很小的地位，但它且发挥着重要作用。深基坑工程含有很高的技术含量，有的深基坑的技术难度甚至高于其上部的主要建筑物。基础工程在设计与施工中，占有极为重要的地位，它对结构物的安全使用和工程造价有很大的影响。有关资料统计表明，建筑物失事7080是由基础失败而引起。地基的岩体与土层性质的复杂多变性，其规律是难以掌握的，故从施工角度来说，基础类型与施工方法的正确选择，不仅关系到造价的高低、工期的长短，而且还关系施工的难易程度甚至结构物的成败。4 基坑工程存在的问题基坑支护工程的设计与施工,既要保证整个支护结构在施工过程中的安全,又要控制结构和周围土体的变形，以保证周围环境(相邻建筑物和地下公共设施等) 的安全。因此，如何确保基坑工程的安全可靠、经济合理、实用可行是当前现代化城市建设中一个非常重要和迫切的问题。特别是在21世纪，随着超大基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多。下面就深基坑工程存在的几个问题进行讨论。4.1 设计阶段存在的问题 基坑工程结构选型不合理 分析众多深基坑支护工程事故发生的原因，其中最主要的还是基坑工程结构选型不合理，考虑的因素不够全面。基坑支护及撑锚方法较多，为达到同一目的，可以有多种方法，而每一种方法都有其独特的优点，有的速度快,有的投资少，有的噪音小等。 基坑工程结构设计土压力的确定 基坑支护结构设计计算包括外力（土压力及地基超载）和支护结构内力（弯矩和剪力）、支撑体系的设计计算、基坑整体稳定性和局部稳定性、地基承载力、支护结构顶部位移、结构和地面的变形以及软弱土层的局部加固、对相邻建筑的影响等诸方面的计算。目前的支护结构设计中,一般都以古典的库伦公式或朗肯公式作为计算土压力的基本公式。土压力大小及分布规律的研究是一项极为复杂的课题，它与支护结构的形式、刚度、土的性状、地下水状况等因素有关，现有库仑和朗肯理论均存在一定的局限性。 4.2 施工阶段存在的问题 深基坑工程数量、规模、分布急剧增加，导致深基坑施工技术以及在施工过程中现场监测技术等还有待尽快提高，而且施工管理不力，施工资质限制不严，所以在施工中暴露出来许多问题值得注意。搞好基坑挖土还需要施工、业主、设计及监测各方面配合和协作。 基坑施工中地下水的处理不当：基坑施工中，地下水的处理是一个难点，因土质与地下水位的差异，基坑开挖施工的方法也随之不同，尤其是在沿海等高水位地区或者表层滞水很丰富的地区，深基坑工程施工中地下水的处理基本是整个工程成败的关键。所以，在很多失败的深基坑工程中，有很多是因为基坑施工中地下水的降排水没有处理好，排水主要解决上部土层的滞水和降雨积水的疏排，降水包括采用轻型井点、喷射井点和深井井点降水等。降低地下水位可能引起地面沉降，将对环境造成不良影响，尤以深井降水影响最大，会造成基坑周围地表和建筑物沉降增大。 信息化施工的程度不高：由于深基坑工程的地质条件复杂多变，加之特殊的受力特点，使其在工程设计阶段的预估值与其在施工过程中的实际值存在一定的差异.。因此，深基坑工程的安全不仅取决于合理的设计、施工，而且取决于贯穿在工程设计、施工全过程的安全监测.安全监测是深基坑工程安全的重要保证条件之一，基坑监测与工程的设计、施工也被称为深基坑工程施工的三大基本要素。基坑工程在发生事故前或多或少都有预兆，因为基坑工程支护结构的破坏要经历一个由量变到质变的过程，通过信息化施工可以不断优化设计方案，确保基坑开挖安全可靠而又经济合理.基坑信息化施工是指将所采集的信息，经过处理后与预测结果比较，通过反分析推求较符合实际的土质参数，并利用所推求的土质参数再次预测下一施工阶段围护结构及土体的性状，又采集下一施工阶段的相应信息。如此反复循环，不断采集信息，不断修改设计并指导施工，将设计置于动态过程中.通过分析预测指导施工，通过施工信息反馈设计，使设计及施工逐渐逼近实际从而排除险情，实现最佳工程。这是一项很有发展前途的新技术，具有代价小成效大的优点，目前在一些工程中已初步应用。目前仍没有进入普及阶段关键是如下两个原因：一是专家匮乏；二是反馈信息速度慢。但是随着计算机技术进步和科技的发展，这些问题一定会迎刃而解。5 基坑工程对建筑物的影响基坑开挖后，土体平衡破坏，两侧土体有向基坑垮塌的倾向。一般基坑支护措施会平衡这种倾向，但是仍会有很微小的位移。由于深基坑在开挖的时候容易使地表产生沉降问题，从而使得邻近建筑物发生沉降开裂，这种沉降位移的产生大多数与地表水的含水量有关，如果地表水的含水量降低的话，沉降范围一般而言会比较大。这种沉降位移也同护坡的变形有关，一旦护坡发生变形，在深基坑的附近就会发现沉降位移。当基坑发生位移的时候，严重的话还会产生地下的承压水受压力而向上喷涌的现象产生，由此更会使得基坑土体开裂。建筑物的变化跟基坑的距离和基坑深度、以及建筑物本身的地基是否在沉降影响线内都有关系。另外，基坑降水会导致周边地下水下降，地面也会下沉。所以说，周围建筑物是基坑开挖所需要考虑的一个重要因素。深基坑在开挖的时候，地下建筑物等会对其产生一定的影响，比如说地下管道等， 同时这些地下建筑物以及基坑邻近建筑物也会受到深基坑的影响。第一应力状态容易使土地保持稳定性，但是深基坑的挖掘加速了这种应力状态向第二应力状态的改变，从而引起了位移等现象，这样的话对地下管道等地下设施和其他建筑物等造成了一定的影响，会使相邻近的建筑物发生开裂甚至倾斜的情况，还会使地下管道发生变形等。严格控制施工现象，安全施工事关大局。6 基坑工程内容深基坑设计主要步骤：（1）对基坑周边的支护系统的设计方案的分析和对比，以及确定最佳方案；（2）测定并计算基坑周边支护体系的强度，以及变形的可能性分析；（3）反复计算并验算基坑的内部和外部土壤的稳定程度；（4）基坑的维护墙的抗渗性能检测；（5）明确深基坑降水的要求，并设计出降水方案；（6）确定深基坑动工时的挖土、运输土块的主要方法；（7）查阅资料明确当地政府规定的环境保护措施，尽量减少对周边环境的破坏；（8）做好施工时的监测工作。7 地下水对基坑稳定性的影响 地下水是一种重要的地质营力,它与岩土体的相互作用,一方面改变着岩土体的物理、化学和力学性质,另一方面也改变着地下水自身的物理、力学性质以及化学成分。一般说来地下水对岩土体有三种作用,即物理作用(润滑作用、湿化软化作用、泥化作用、结合水的强化作用) ,化学作用(离子交换、溶解作用、水解作用、溶蚀作用) ,力学作用(包括孔隙静水压力和孔隙动水压力) 。地下水与岩土体相互作用影响着岩土体的变形和强度。地下水作为地质环境内最活跃的成分,对岩土体的力学性质的影响不可忽视。主要体现在三个方面:1) 地下水通过物理、化学作用改变岩土体的结构,从而改变岩土体的c、值的大小;2) 地下水通过孔隙静水压力作用,影响岩土体中的有效应力,从而降低岩土体的强度;3) 由于地下水的流动,在岩土体中产生渗流,对岩土体中产生一个剪应力,从而降低岩土体的抗剪强度。 岩土体在水的作用下常常导致岩土体自身的工程性质的劣化,这种情况的出现又可能进一步导致岩土工程项目的失败,造成严重的后果。这种效应几乎都与地下水有关系,可以统称岩土体的水破坏效应。 润滑作用:处于岩土体中的地下水,在岩土体的不连续面边界(如未固结的沉积物及坡体的颗粒表面或坚硬岩石中的裂隙面、节理面和断层面等结构面) 上产生润滑作用,使不连续面上的剪应力效应增强,结果沿着不连续面诱发岩土体的剪切运动。这个过程在斜坡受降水入渗使得地下水位上升到滑动面以上时尤其显著。地下水对岩土体上产生的润滑作用反映在力学上,就是使岩土体的摩擦角减小。 软化和泥化作用:地下水对岩土体的软化和泥化作用主要表现在对土体和岩体结构面中充填物随含水量的变化,发生由固态直至液态的弱化效应。一般在断层带易发生泥化现象。软化和泥化作用使岩土体的力学性能降低,内聚力和摩擦角值减小。如图1-1所示,土体在浸水湿化以后应力应变曲线发生了变化,在同样压力下,变形比浸水前有了显著增加。土在浸润前是非饱和的,尽管已经经过漫长时间的沉积并在施工中不断碾压,仍然不能很密实。浸水后土颗粒间受水的润滑在自重作用下将重新调整期间的位置,改变原来结构,使土体压缩下沉,正是由于这种变化,极有可能导致基坑失稳。图1-1 土体浸水湿化前后-示意图第二部分：深基坑支护设计1 深基坑支护设计原则1.1 支护原则 基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。 基坑支护结构极限状态可分为下列两类：承载能力极限状态：对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏； 正常使用极限状态：对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。 基坑支护结构设计应根据表2-1选用相应的侧壁安全等级及重要性系数。 表2-1 基坑侧壁安全等级及重要性系数 安全等级破 坏 后 果 0 一级支护结构破坏、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很严重 1.10二级支护结构破坏、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一般1.00三级支护结构破坏、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0.90注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。 支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。 当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下水控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。 根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定进行计算和验算。 1 基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容应包括： 1) 根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算； 2) 基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算； 3) 当有锚杆或支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。 2 对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。 3 地下水控制验算： 1) 抗渗透稳定性验算； 2) 基坑底突涌稳定性验算； 3) 根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。 基坑支护设计内容应包括对支护结构质量检测及施工监控的要求。当有条件时，基坑应采用局部或全部放坡开挖，放坡坡度应满足坡稳定性要求。 1.2 勘 察 要 求 在主体建筑地基的初步勘察阶段，应根据岩土工程条件，搜集工程地质和水文地质资料，并进行工程地质调查，必要时可进行少量的补充勘察和室内试验，提出基坑支护的建议方案。 在建筑地基详细勘察阶段，对需要支护的工程宜按下列要求进行勘察工作： 勘察范围应根据开挖深度及场地的岩土工程条件确定，并宜在开挖边界外按开挖深度的12倍范围内布置勘探点，当开挖边界外无法布置勘探点时，应通过调查取得相应资料。对于软土，勘察范围尚宜扩大； 基坑周边勘探点的深度应根据基坑支护结构设计要求确定，不宜小于1倍开挖深度，软土地区应穿越软土层； 勘探点间距应视地层条件而定，可在1530m内选择，地层变化较大时，应增加勘探点，查明分布规律。 场地水文地质勘察应达到以下要求：查明开挖范围及邻近场地地下水含水层和隔水层的层位、埋深和分布情况，查明各含水层(包括上层滞水、潜水、承压水)的补给条件和水力联系；测量场地各含水层的渗透系数和渗透影响半径；分析施工过程中水位变化对支护结构和基坑周边环境的影响，提出应采取的措施。 岩土工程测试参数宜包含下列内容： 土的常规物理试验指标； 土的抗剪强度指标；室内或原位试验测试土的渗透系数；特殊条件下应根据实际情况选择其它适宜的试验方法测试的参数。 基坑周边环境勘查应包括以下内容： 1 查明影响范围内建(构)筑物的结构类型、层数、基础类型、埋深、基础荷载大小及上部结构现状； 2 查明基坑周边的各类地下设施，包括上、下水、电缆、煤气、污水、雨水、热力等管线或管道的分布和性状； 3 查明场地周围和邻近地区地表水汇流、排泻情况，地下水管渗漏情况以及对基坑开挖的影响程度； 4 查明基坑四周道路的距离及车辆载重情况。 在取得勘察资料的基础上，针对基坑特点，应提出解决下列问题的建议：分析场地的地层结构和岩土的物理力学性质；地下水的控制方法及计算参数；施工中应进行的现场监测项目；基坑开挖过程中应注意的问题及其防治措施。2 深基坑设计内容2 .1 基坑支护方案设计2.1.1 支护体系的组成 当基坑工程的土方开挖、采用有支护开挖方式时，在基坑土方开挖之前则需先施工支护体系。支护体系按其工作机理和材料特性，分为水泥土挡墙体系、排桩和板墙式支护体系和边坡稳定式三类。 水泥土挡墙体系，依靠其本身的自重和刚度保护坑壁，一般不设支撑，特殊情况下经采取措施后亦可局部加设支撑。排桩和板墙式支护体系，通常由围护堵、支撑(或土层诺杆)及防渗帷幕等组成。2.1.2 几种常见支护体系在基坑支护中，根据工程水文地质及工程安全等级、周围环境等各方面的要求，对以下几种支护方式进行具体的分析，从而选出最适合于本工程施工的一种支护方式。（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，对相邻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。（本次设计拟采取悬臂式支护）图2-1悬臂式排桩示意图（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。 图2-2土钉墙示意图（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。2-3内嵌式围护结构示意图 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。水泥土围护墙的优点：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。其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。一般情况下，当红线位置和周围环境允许，基坑深度7m，在软土地区应优先考虑采用之。 槽钢钢板桩槽钢钢板桩是一种简易的钢板校园护墙，由槽钢正反扣搭接或并排组成。槽钢长68m，型号由计算确定。打人地下后顶部近地面处设一道拉锚或支撑。由于搭接处不严密，一般不能完全止水。如地下水位高，需要时可用轻型井点降低地下水位。一般只用于一些小型工程。钢板桩的优点是材料质量可靠，在软土地区打设方便，施工速度快而且简便；有一定的挡水能力，可多次重复使用；一般费用较低。其缺点是一般的钢板桩刚度不够大，用于较深的基坑时支撑(或拉锚)工作量大，否则变形较大；在透水性较好的土层中不能完全挡水；拔除时易带土，如处理不当会引起土层移动，可能危害周围的环境。由于其截面抗弯能力弱，一般于深度不超过4m的基坑。图2-4钢板桩示意图 地下连续墙地下连续墙是于基坑开挖之前，用特殊挖槽设备、在泥浆护壁之下开挖深槽，然后下钢筋笼浇筑混凝土形成的地下土中的混凝土墙。地下连续墙用作围护墙有下述优点： 施工时振动少、噪声低，可减少对周围环境的影响，能紧邻建筑物和地下管线施； 地下连续墙刚度大、整体性好、变形相对较小，可用于深基坑； 地下连续墙为连续整体结构，施工时处理好接头部怔，能有较好的抗渗止水作用；地下连续墙有如下的缺点：如单独用作围护堵成本较高；施工时需泥浆护壁，泥浆要妥善处理，否则影响环境。当基坑深度大，周围环境复杂井要求严格时，往往首先考虑采用。图2-5地下连续墙示意图2.2 方案对比分析及选择 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。该建筑为高层建筑，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，最后拟决定采用高压旋喷桩帷幕隔水，支护结构采用单排钻孔灌注桩。3深基坑设计计算方法3.1 深基坑土压力的计算3.1.1 作用于支护结构的荷载作用于支护结构上的荷载主要有：地基土产生的土压力、地下水产生的水压力、基坑顶面建（构）筑物的超载（荷载）、施工荷载、相邻场地的沉桩挤土作用、地震产生的垂直和水平荷载以及温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载等。进行深基坑支护设计时，主要考虑作用在支护结构上的侧向荷载，土水压力是作用在支护结构上的侧向荷载，土水压力是作用在支护结构上的侧向荷载，它的计算、分析是否合理将直接影响到支护结构的安全和经济，是设计中的重要问题，也是土力学和岩土工程界深入系统研究的任务之一。 传统常规设计方法中，使用经典的土压力理论，计算土压力和水压力，然后使用理论力学、材料力学中的一些力和力矩平衡的知识，即可得到内力的解，完成深基坑支护的设计任务。这种方法不仅能解决实际工程问题，而且精度基本能满足工程需要。因而被规范所采用，成为工程界现行使用的主要方法。但是，由于作用在支护结构上的荷载受施工条件和环境的影响非常大，预估的荷载与实际产生的荷载可能相差很大，因此荷载的确定是基坑工程设计中最为困难而又十分重要的环节。3.1.2 经典土压力理论在基坑支护中的运用 经典的郎肯土压力理论和库仑土压力理论已经广泛地应用于支护结构的土压力计算中。由于作用于支护结构上的土压力，在土性的复杂性、支撑结构的各部分的刚度差异，以及施工方法、程序和支撑松紧程度不同等因素影响下，都会发生很大的变化，难以准确地算出土压力的精确值。但是，工程中常用的土压力计算方法仍以古典的郎肯土压力理论和库仑土压力理论，用这两种理论计算出的土压力都是支护结构前、后的土体处于极限平衡状态时的土压力。郎肯土压力理论是建立在土体全部处于郎肯极限平衡状态的基础上，是从土中一点的极限平衡应力状态出发，首先求出作用在土中光滑竖直面上土压力强度及其土压力分布，然后再计算作用在墙背上的总土压力。库仑土压力理论是对墙后的土楔体整体处于极限平衡状态而求出总土压力，再算出土压力分布线。根据郎肯土压力理论，作用在地面下某深度Z处的主、被动土压力计算为= = 式中 、单位面积主动土压力、被动土压力（kPa）； 、主动、被动土压力系数； 作用在离地面处的单位面积总铅垂压力：=（kPa）； 基坑顶面上的均布荷载（即超载）（kPa）; 土的重度（kN/m）; 土的内摩擦角（）； 土的粘聚力（kPa）。上层土压力计算中常会出现负值，在设计时可略去不计。然而，在基坑开挖过程中，作用在支挡结构上的土、水压力等荷载是随着开挖的进程逐步形成的，其分布形式除与土性和地下水等因素有关外，还与墙体的位移量及位移形式有关。而位移的性状随着支撑和锚杆的设置及每步开挖施工方式的不同而不同。因此，土压力并不完全处于静止和主动状态。如板桩或桩板式（工字钢和横列板）支撑基坑的开挖，是一种柔性结构，因而允许有限的变形，在开挖到一定的深度时，常在顶部进行第一道支撑，此时板的移动不大，继续开挖后，由于主动土压力逐渐增大，而上部已有支撑，所以只能在下部移动，而到基底时，其位移值为最大。有关实测资料表明：当支护墙上有支锚时，土压力分布一般呈上下小、中间大的抛物线形状或更复杂；只有当支护墙无支锚时，墙体上端绕下端外倾，才会产生一般呈直线分布的主动土压力。由于实测位移与经典的朗肯土压力理论和库仑土压力理论计算的并不一致。因此，土压力的分布同样也和理论上所估计的不同。1）经典土压力理论计算的结果是极限值，而当维护结构处于正常的工作状态时的接触压力并不是极限值。因此，在基坑工作状态正常的条件下，实际量测到的变形、土压力、孔隙水压力和支撑轴力等变量在原则上不可能与一般的计算结果完全一致，除非基坑已经达到极限状态。因此，经典土力学理论对基坑支护土体的塑性发展过程没有给出解答。目前采用有限元可以进行弹塑性计算模拟实际工作盈利状态时的各种反应，但由于计算参数、边界条件处理和接触单元的处理等尚难以完全模拟实际的工作条件，在实用化上还有许多工作要做。2）经典土压力理论只能计算刚性界面上的接触压力，而没有考虑实际支护结构本身的变形，特别是柔性支护结构。而且在支撑和锚杆的约束下，支护结构的变形非常复杂。3）经典土压力理论是平面应变条件下的解答，而没有考虑末端影响。而实际的工程条件总是有限长的，在长边方向的中部比较接近于平面条件，但在基坑的转角处则与平面问题假定相去甚远，存在末端的影响。以上对经典土压力问题的讨论可以有助于更合理的确定土压力。目前经典的土压力理论依然是实用计算公式的基本形式，许多关于土压力计算的修正都是基于经典公式展开的。因此，经典公式有其局限性和实用性。3.1.3 基坑支护的土水压力计算 土中水的存在状态有多种，有结晶水、结合水和自由水。自由水又分为毛细水和重力水，后者有静止水、渗流水等。而地下水存在的形式又有上层滞水、潜水和承压水。不同的降水排水措施又导致不同的地下水运动形式。因此，考虑土中水的问题是土压力计算的难点。对于支护结构上地下水位以下的土体，有“土水合算”和“土水分算”两种方法。这主要是针对粘土不排水情况下提出的问题，究竟哪种方法更为合理，存在不同的意见。有学者认为，从土的有效应力原理这一基本概念出发，对地下水位以下无论何种土均采用土水分算；但也有学者认为，土水分算计算结果，主动土压力偏大，被动土压力偏小，且粘聚性土的有效强度指标难以准确测定，从工程实际应用出发，对地下水位以下渗透性较小的粘聚性土可用土水合算。但是，目前在学术界仍然有不同的看法，近年来在这方面的学术讨论也非常活跃。下面仅对土水合算法和土水分算法的基本思路作一阐述，以助于大家思考，以便寻求更合理更完善的土压力计算方法。3.1.4 水土合算法 对地下水位以下土体的土水合算法，也称总应力法，即用饱和重度计算土水压力，不再另考虑水压力的作用。采取该法的主要理由有：认为在渗透性较低的粘性土中，水压力的影响不会在短时间内显示出来；对于粘性土的不排水情况，土体受剪产生超孔隙水压力，而部分水压力通常又无法正确测量或计算；有些国内勘察单位条件有限，有效应力强度指标比较难以获得。故认为采用总应力法为宜。 根据朗肯土压力理论，若作用在地下水位以上某深度Z处的主、被动土压力由下式分别计算为= = 式中 、单位面积主动土压力、被动土压力（kPa）； 、主动、被动土压力系数； 作用在离地面处的单位面积总铅垂压力：=（kPa）； q基坑顶面上的均布荷载（即超载）（kPa）; 土的重度（kN/m）; 土的内摩擦角（）； 土的粘聚力（kPa）。 对于地下水位以下某土层，根据土水合算法，主、被动土压力计算式为 式中 、分别为土的饱和重度、有效重度和水的重度；、分别为土的内摩擦角和粘聚力，通常采用固结快剪或固结不排水强度指标。 从上述计算中可以看出，土压力按饱和重度计算，其对应的强度指标按总应力法求得，对于渗透性相对较差的粘性土，一般采用固结快剪或固结不排水强度指标。而对于渗透性较好的砂土或碎石层，由于试验所得实际上是排水剪强度指标，相当于有效强度指标，因而认为在地下水以下对于粘性土可采用土水合算，但对于地下水位以下的砂土、碎石土应采用土水分算。另外，土水合算时，未考虑土颗粒质量受到的地下水浮力的影响，也就未考虑土颗粒所受浮力对水的反作用影响。3.1.5 土水分算法现行的土水分算，实际上是考虑静水压力的土水分算法，它考虑了土粒本身的重力，即（1-n）G。还考虑了孔隙水对土粒的浮力，即土粒排开同体积水的质量，其值为。此浮力是作用在土粒骨架上的，故乘以土压力系数或。该浮力的反力作用于孔隙水体上，故其侧压力系数为1。具体推导过 =同理可得 式中土粒相对密度；空隙率。从上述推导过程中可以看出，土水分算法是用有效重度计算，故其强度指标亦采用有效强度指标。第三部分：新天利深基坑设计1 工程概况及基坑规模1.1 工程概况淮安新天利工程地位于淮安市淮海东路与淮海北路交叉处东南角，南邻针织路，东邻新世纪城市花园小区，为淮安市商业中心地带。淮安市地处南暖温带和北亚热带的过渡地区，兼具有南北气候特征，光热水整体配合较好。光能资源潜力较大，年日照数在20602261小时。全市热量资源充裕，年平均气温14.1-14.9，无霜冻期为207242天，可以满足一年两熟制的需要。本市濒临黄海,季风气候典型,自然降水丰富但分布不均，年平均降水量9131030厘米，夏季降水在50%以上。旱、涝、雹、冻等气象灾害较频繁。工程周围场地较为狭窄，地势平坦，工程地址位于淮海东路和淮海南路交界处，北侧及西侧为淮海路，东侧和西侧均有较为接近的六层居民楼。地下有燃气管线、通信光缆。根据国家地震局中国地震动参数区划图GB18306-2001划分，淮安市的清河区、清浦区、淮阴区地震基本烈度为7度。因此，国家建筑抗震设计规范规定，一般情况下本市的建筑工程抗震设计按基本烈度7度进行设防。1.2水文条件该工程地段地层为杂填土、粘土、粉土、淤泥质粉质粘土（粉质粘土）、层粉土。粘土透水性、赋水性均较差，为相对隔水层；粉土的赋水性一般，透水性较好。潜水赋存于上部填土及粉土中，主要为大气降水，排泄于蒸发、分散的居民用水；勘察期间潜水初见水位埋深在自然地面下约1.7米，稳定水位埋深约1.4米。地下水位随季节不同有升降变化，常年最高水位在自然地面下约0.5米，常年最低水位约在1.5米左右，水位变化幅度约1.0米。1.3基坑挖深基坑开挖深度的确定：现场地较平坦，按承台垫层底标高进行计算。表3-1基坑开挖深度表段落地面相对标高（m）坑底相对标高（m）基坑开挖深度（m）/-2.30-15.6101.4工程地质条件1层：杂填土：杂色，稍湿，松散，以建筑垃圾为主，局表层约20为水泥砼地坪，以下为粘性土混杂碎石块，该层场区地表普遍分布，揭露厚度0.5-2.2m，平均1.02m，层顶标高13.08-14.45m，平均13.70m。2层：粘土：灰黄色，土质较均匀，含少量铁锰质斑点，切面较光滑，摇震反应无，韧性及干强度中等。该层场区普遍分布，揭露厚度1.4-4.65m，平均2.57m，层顶标高11.17-13.60m，平均12.84m，层顶埋深0.00-2.20m，平均3.37m。3层：粉土：灰黄色、灰色，很湿，中密，无光泽反应，摇震反应迅速，韧性及干强度低。该层场区普遍分布连续，厚度不均，揭露厚度1.00-6.00m，平均3.56m，层顶标高7.94-12.00m，平均10.27m，层顶埋深1.50-5.60m，平均3.37m。4层：淤泥质粉质粘土（粉质粘土）：灰色，流塑软塑，土质不均匀，夹粉土或粉砂薄层，局部近似淤泥质粉土，含腐殖质。该层场区分布较连续。仅个别孔无，揭露厚度1.10-8.00m，平均3.77m，层顶标高4.61-9.88m，平均6.71m，层顶埋深3.90-9.40m，平均6.84m。5层粉土：青灰色，湿中密，含少量云母碎屑，局部夹粉质粘土薄层，中下部混粉细砂颗粒，无光泽反应，摇震反应迅速，韧性及干强度低。该层场区普遍分布连续，厚度较大，揭露厚度4.20-13.70m，平均9.9m，层顶标高-0.526.60m，平均3.08m，层顶埋深6.90-13.89m，平均10.56m。1.5 地质计算参数 根据提供的勘察报告，选取各土层的固结快剪指标作为基坑支护设计计算参数，并按照郎肯土压力计算理论作为土侧向压力设计的计算依据。表3-2土层物理力学参数一览表 层号土的名称层厚h（m）天然重度 (kN/m)（）C(kPa)孔隙比e杂填土、素填土2.517.8黏 土3.220.315.326.40.658粉 土2.519.926.7110.693黏 土2.919.310.7330.862黏 土2020.116.728.20.7092 设计依据及规范2.1 设计依据 （1） 江苏省水文地质工程勘察院提供的淮安新天利岩土工程勘察报告（2） 该工程总平面图、地形图、地下室平面图等相关结构图纸。2