深基坑支护结构的设计计算.ppt

2024/5/27 周一1深基坑支深基坑支护工程工程设计与与检测事故分析、相关事故分析、相关规规范与工程范与工程实实例例第三部分第三部分 深基坑支深基坑支护结构的构的设计计算算中国建筑科学研究院中国建筑科学研究院钱 力 航20092009年年1 1月月 北京北京2024/5/27 周一周一1.2024/5/27 周一2 深基坑支护结构主要指深基坑的挡土桩或挡土墙与锚杆或内支撑相结合的挡土结构,也包括土钉墙、复合土钉墙等其它形式的支护结构。挡土桩主要指钢筋混凝土预制桩、灌注桩、人工挖孔桩和钢管桩、钢板桩等；挡土墙主要是钢筋混凝土地下连续墙，型钢水泥土连续墙等。2024/5/27 周一周一2.2024/5/27 周一3第三部分主要内容第三部分主要内容一一一一 深基坑深基坑深基坑深基坑挡挡土土土土结结构的构的构的构的设计设计内容与步内容与步内容与步内容与步骤骤二二二二 荷荷荷荷 载载 计计 算（土算（土算（土算（土压压力力力力计计算）算）算）算）主主动动土土压压力力计计算算 土体水平抗力的土体水平抗力的计计算算 关于土关于土压压力力经验经验修正的修正的讨论讨论 土土压压力力计计算中水土合算与水土分算算中水土合算与水土分算问题问题的的讨论讨论三三三三 支支支支护结护结构的构的构的构的设计计设计计算算算算（此（此处处支支护结护结构构主要指排主要指排桩桩、地下、地下连续墙连续墙）支支护结护结构的受力特征构的受力特征 支支护结护结构的构的设计计设计计算方法算方法简简介介 支支护结护结构的构的设计计设计计算：算：a a 经经典法：典法：（可用于）（可用于）11单层单层支支锚锚浅埋浅埋结结构的构的设计计设计计算及例算及例题题 2 2悬悬臂臂结结构的构的设计计设计计算（略）算（略）33单锚单锚深埋深埋结结构的构的设计计设计计算（略）算（略）4 4 多多层层支支锚结锚结构的构的设计计设计计算（略）算（略）b b 弹弹性法性法 1 1弹弹性法的基本性法的基本挠挠曲方程曲方程 2 2弹弹性抗力系数的数性抗力系数的数值值解法解法 c c 弹弹塑性法塑性法 工程工程应应用很少（略）用很少（略）四四四四 支支支支护结护结构的构的构的构的稳稳定性定性定性定性验验算算算算 1 1 支支护结护结构嵌固构嵌固稳稳定性定性 2 2 支支护结护结构整体滑构整体滑动稳动稳定性定性 3 3 基坑底部抗隆起基坑底部抗隆起稳稳定性定性 4 4 基坑底部抗管涌基坑底部抗管涌稳稳定性定性 5 5 基坑底部抗渗流基坑底部抗渗流稳稳定性定性五五五五 土土土土钉钉支支支支护护的的的的设计设计与与与与应应用用用用2024/5/27 周一周一3.主要参考主要参考资资料料 1 1 建筑基坑支建筑基坑支护护技技术规术规程程JGJ120-99JGJ120-99及部分修及部分修订订内容内容 2 2 岩土岩土锚锚固固，程良奎，程良奎 范景范景伦伦 韩军韩军 许许建平建平 3 3 建筑地基基建筑地基基础设计规础设计规范范GB50007-2002GB50007-2002 4 4 地基与基地基与基础础，天津大学，天津大学 西安冶金建筑学院西安冶金建筑学院哈哈尔滨尔滨建筑工程学院建筑工程学院 重重庆庆建筑工程学院，建筑工程学院，顾晓鲁总顾晓鲁总成成2024/5/27 周一周一4.2024/5/27 周一周一5.2024/5/27 周一6一一 深基坑支深基坑支护结构的构的设计内容与步内容与步骤 1 了解工程环境:邻近建筑(构)物及地下管线的现状及其对变位的敏感程度,测量其至基坑开挖线的距离;2 阅读地下室及基础结构图;确定基坑开挖深度及开挖范围;确定电梯井等局部加深的情况;3 阅读工程地质报告,了解分析各层土的物理力学性质及地下水情况;4 通过综合比较选取最佳支护及地下水处理方案,包括支护结构的各部分尺寸;2024/5/27 周一周一6.2024/5/27 周一7 5 确定作用于支护结构上的荷载,即计算水压力、土压力;6 计算支护结构的嵌固深度、内力、锚固力、变形量;7 整体稳定性验算,抗隆起、抗管涌的措施;8 6和7须经过试算,调整支护方案及其各部分尺寸;9 结构设计,绘制施工图2024/5/27 周一周一7.2024/5/27 周一8 二二 荷荷载计算（土算（土压力力计算）算）作用在支护结构上的荷荷载主要就是土土压力力.土压力有主动土压力、被动土压力和静止土压力.主动土压力最小,被动土压力最大,静止土压力在两者之间.如果支护结构(墙体)不产生任何移动和转动,这时土体对墙体产生的土压力称为静止土压力.2024/5/27 周一周一8.2024/5/27 周一9 如果墙体在土压力的作用下,发生向基坑 内绕墙底转动或移动(图13-2a),静止土压力逐渐减小,直到将墙体挤压到即将离开土体时的极限状态,即主动极限平衡状态,此时土压力达到最小值,称为主主动土土压力力.图图13-213-2产产生主生主动动或被或被动动土土压压力的情况力的情况(a a)主主主主动动土土土土压压力；力；力；力；(b b)被被动动土土压压力力2024/5/27 周一周一9.2024/5/27 周一10 如果墙体在外力的作用下,挤压土体(图13-2b),压力从静止土压力逐渐增大,直到土体即将破坏时的极限状态,即被动极限平衡状态,此时土压力达到最大值,称为被被动土土压力力.图图13-213-2产产生主生主动动或被或被动动土土压压力的情况力的情况(a a)主主动动土土压压力；力；(b b)被被被被动动土土土土压压力力力力2024/5/27 周一周一10.2024/5/27 周一11 目前除了这三种特殊平衡状态以外的土压力还无法计算.试验表明,土压力要降低到主动土压力的数值,挡土结构顶部的水平位移需达到该结构挡土高度的15；而要达到被动土压力的数值,这种位移要大得多,约为挡土高度的25%,是达到主动土压力的1550倍.在实际工程中主动土压力容易达到,被动土压力不一定能达到.表13-113-1列出了国外有关规范规定达到主动极限状态和被动极限状态所需的变形值.2024/5/27 周一周一11.2024/5/27 周一12表13-1 发挥主动和被动土压力所需的变位表中：H、D地面、基坑底至挡土墙底的高度；y水平位移；h0挡土高度。2024/5/27 周一周一12.2024/5/27 周一13主主动土土压力力计算算主主动动土土压压力力计计算一般采用算一般采用经经典土典土压压力理力理论论-厍厍仑仑理理论论和朗肯理和朗肯理论论.厍仑厍仑理理理理论论假定假定挡挡土土墙墙是是刚刚性性的；的；墙墙后填土是后填土是无粘性砂土无粘性砂土；当；当挡挡土土墙墙墙墙身移身移动产动产生主生主动动土土压压力或力或被被动动土土压压力力时时，滑滑动动土体是沿着土体是沿着墙墙背和一个通背和一个通过墙过墙踵的平面滑踵的平面滑动动的，的，假定假定滑滑动动土体是土体是刚刚体体。朗肯理朗肯理朗肯理朗肯理论论和和厍仑厍仑理理论论最大的差最大的差别别是朗肯理是朗肯理论论不考不考虑虑摩擦力，摩擦力，因此求得的因此求得的主主动动土土压压力偏大，被力偏大，被动动土土压压力偏小，力偏小，用用于于设计挡设计挡土土墙墙是是偏于安全偏于安全的。而且公式比的。而且公式比较简单较简单，所以被广泛采用。所以被广泛采用。2024/5/27 周一周一13.2024/5/27 周一14 根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，作用在支护结构上的主动土压力（水平荷载标准值）eajk应按当地可靠经验确定当无经验时可按下列规定（朗肯理论）计算（图）这次建筑基坑支护技术规程JGJ120修订，土压力仍然采用朗肯理论。2024/5/27 周一周一14.2024/5/27 周一15图图主主动动土土压压力力计计算算简图简图2024/5/27 周一周一15.2024/5/27 周一16对于碎石土及砂土于碎石土及砂土 （1）当计算点位于地下水位以上时：eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-1)（2）当计算点位于地下水位以下时：eajk=ajkKai-2cikKai1/2 +（zj-hwa）-(mj-hwa)waKaiw (13-2)2024/5/27 周一周一16.2024/5/27 周一17e eajkajk=ajkajkK Kai ai-2c-2cikikK Kai ai1/21/2 (13-1)(13-1)e eajkajk=ajkajkK Kai ai-2c-2cikikK Kai ai1/21/2 （z zj j-h hwawa）-(-(m mj j-h hwawa)wawaK Kai ai w w （13-213-2）式中式中ajk-作用于深度zj处的竖向土压力,可按式(13-4)计算;cik-三轴试验确定的第i层土固结不排水(快)剪黏聚力;zj-计算点深度;hwa-基坑外侧水位深度;h-基坑深度;mj-计算参数,当zjh 时,取zj,当 zjh时,取h;wa-计算参数,当hwah 时,取1,当 hwah时,取0;w-水的重度;Kai-第i层土的主动土压力系数,可按公式(13-9)计算。2024/5/27 周一周一17.2024/5/27 周一18 2 对于粉土及黏性土于粉土及黏性土eajk=ajkKai-2cikKai1/2 (13-3)当按以上公式计算的土压力小于零时,应取零。3 竖向土向土应力力标准准值ajk可按下式计算:ajk=rk+ok+lk (13-4)(1)计算点深度zj处自重竖向应力rk:当计算点位于基坑开挖面以上时:rk=mj zj (13-5)式中mj-深度zj以上土的加权平均天然重度2024/5/27 周一周一18.2024/5/27 周一19 当计算点位于基坑开挖面以下时:rk=mj zj (13-6)式中mj-开挖面以上土的加权平均天然重度 (2)当支护结构外侧地面作用均布附加载荷q0时(图13-4),基坑外侧任意深度竖向应力标准值0k可按下式计算:0k=q0 (13-7)2024/5/27 周一周一19.2024/5/27 周一20 (3)当距支护结构b1外侧,地面作用有宽度为b0的条形均布附加载荷q1时(图13-5),基坑外侧任意深度CD范围内的竖向应力标准值lk 可按下式计算:lk=q1 b1/(b0+2b1)(13-8)2024/5/27 周一周一20.2024/5/27 周一21 (4)上述基坑外侧附加载荷作用于地表以下一定深度时,将计算值点深度相应下移,其竖向应力也可按上述规定确定。4 第第I 层土的主土的主动土土压力系数力系数Kai,应按式(13-9)计算:Kai=tg2(45-fik/2/2)(13-9)式中fik-三轴试验确定的第i层土固结不排水(快)剪内磨擦角标准值。2024/5/27 周一周一21.2024/5/27 周一22 5 地面不地面不规则时的土的土压力力计算算 实际工程中经常碰到基坑顶面处地表面形状不规则的情况,如图13-6是三种常见的情况,地表面既不是单一的水平面,也不是单一的斜坡面.此时不能直接用厍仑或朗肯的土压力理论进行计算,但是可以经过简化,再进行计算。图图13-613-6地面不地面不规则时规则时的土的土压压力力计计算算(a)(a)情况一情况一;(b);(b)情况二情况二;(c);(c)情况三情况三2024/5/27 周一周一22.2024/5/27 周一图图13-6 a 13-6 a 情况一情况一 情况一:先水平后倾斜(图13-6a)分别计算,先延长倾斜面交于墙背C点,AB墙面在水平面填土作用下,其土压力强度分布如图中ABe;CB墙面在倾斜面填土作用下,其土压力强度分布如图中CBf;两个三角形相交于g点,则ABfgA为此情况下的土压力分布图。2024/5/27 周一周一23.图图13-6 b13-6 b 情况二情况二24情况二:先倾斜后水平(图13-6b)分别计算,先延长水平面与墙背延长线交于A点,在水平面填土作用下,在AB墙面面上上土压力强度分布如图中ABf;在倾斜面填土作用下,其土压力强度分布如图中ABe;两个三角形相交于g点,则ABfgA为此情况下的土压力分布图。2024/5/27 周一周一24.图图13-6 c 13-6 c 情况三情况三25 情况三:先水平后倾斜又水平(图13-6c)分别计算,先画出在水平面填土作用下的土压力强度分布图ABe,再画斜面填土作用下土压力强度分布图CBe”;Ce”与Ae相交于g点;再求第二个水平面的土压力三角形ABe,Ae 与Cge”交于f点,则ABefgA为此情况下的土压力分布图。2024/5/27 周一周一25.2024/5/27 周一26上述三种情况中上述三种情况中,挡挡土土墙墙脚脚处处的主的主动动土土压压力力强强度可按下列公式确度可按下列公式确定定:(13-10)(13-10)(13-11)(13-11)(13-12)(13-12)式中式中-地表斜坡面与水平面之地表斜坡面与水平面之间间的的夹夹角角;z-z-地表斜坡面延地表斜坡面延长线长线与与挡挡土土墙墙交点至交点至墙墙底面的距离底面的距离;h h-地表斜坡面延地表斜坡面延长线长线与与挡挡土土墙墙交点至地表水平面的距离交点至地表水平面的距离;h h-地表斜坡面延地表斜坡面延长线长线与与挡挡土土墙墙交点至交点至墙顶墙顶面的距离面的距离;-计计算范算范围围内土内土层层天然重度的平均天然重度的平均值值;f f,c-c-计计算范算范围围内土内土层层内磨擦角和黏聚力的平均内磨擦角和黏聚力的平均值值;K Ka a-主主动动土土压压力系数力系数,K Ka a=tg=tg2 2(45-(45-f f/2/2)2024/5/27 周一周一26.2024/5/27 周一27土体水平抗力的土体水平抗力的计算算 计算土体水平抗力可有经典理论计算土体的被动土压力和竖向弹性地基梁两种方法。1 经典理典理论计算被算被动土土压力力(即水平抗力即水平抗力标准准值)根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，作用在支护结构上的被动土压力（水平荷载标准值epjk应按当地可靠经验确定当无经验时可按下列规定（朗肯理论）计算（图37）:2024/5/27 周一周一27.图13-7 被动土压力计算图282024/5/27 周一周一28.2024/5/27 周一291)对于砂土及碎石土于砂土及碎石土，基坑内侧抗力标准值按下式计算：epjk=pjkKpi-2cikKpi1/2 （zj-hwp）(1-Kpi)w (13-13)式中式中pjk-作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力 标准值,可按式(13-15)计算;Kpi-第层土的被动土压力系数；cik-三轴试验确定的第i层土固结不排水(快)剪 黏聚力。2024/5/27 周一周一29.2024/5/27 周一302)对于粉土及黏性土于粉土及黏性土，基坑内侧水平抗力标准值宜按下式计算：epjk=pjkKpi+2cikKpi1/2 (13-14)3)作用于基坑底面以下深度作用于基坑底面以下深度zj处的的竖向向应力力标准准 值,可按下式计算:pjk=mjzj (13-15)式中mj-深度zj 以上土的加权平均天然重度.4)第第i层土的被土的被动土土压力系数力系数Kpi,应按下式计算:Kpi=tg2(45+fik/2/2)(13-16)2024/5/27 周一周一30.2024/5/27 周一31 2 竖向向弹性地基梁理性地基梁理论计算土体算土体弹性抗性抗力（即水平抗力力（即水平抗力标准准值）从上面的叙述中可以看到，用经典理论计算土体的被动土压力（水平抗力），是无法计算土体变形的，因为土压力计算理论是假定土体处于极限平衡状态的。但是在许多情况下土体是不可能处于极限平衡状态的，或者是允许土体有一定变形的，如基坑支护结构。因此需要寻找一种可以计算土体变形同时以能计算土体弹性抗力的方法。2024/5/27 周一周一31.2024/5/27 周一图图13-8 13-8 杆系有限元法杆系有限元法计计算算图图 目前常用的方法是竖向弹性地基梁杆系有限元法（以下简称杆系有限杆系有限元法元法）其计算简图如图13-8所示。图中支护结构外侧为主动土压力，一般可用朗肯理论计算。支护结构里侧开挖面以下的土体抗力由设置弹簧来模拟。2024/5/27 周一周一32.2024/5/27 周一33 墙体位移引起的土抗力即由弹簧提供，位移越大，弹簧的压缩就越大，也就是土体提供的弹性抗力越大。弹性抗力与墙体位移之间的关系可用文克尔假定来表示：p=k (13-17)式中：p弹性抗力强度值，kN/m2；k弹性抗力系数，kN/m2；计算点的位移值，m。2024/5/27 周一周一33.2024/5/27 周一34 弹性抗力系数性抗力系数 k 的确定的确定 根据文克尔理论，弹性抗力系数（也即基床系数）是一个常数，它仅与土的软硬程度有关，但支护结构作为竖向弹性地基梁时，由于梁的侧向变形（侧向位移）受到其埋设深度（插入基坑底面以下深度）的影响，所以弹性抗力系数也与其埋设深度有关了。土层越硬，埋设深度越深，支护结构的侧向弹性抗力系数越大，反之越小。2024/5/27 周一周一34.2024/5/27 周一35 支护结构的侧向弹性抗力系数最早是按水平荷载作用下桩的计算理论确定的。水平荷载作用下的桩也是按竖向弹性地基梁计算的。弹性抗力系数根据不同的计算方法，主要有以下四种分布形式（图13-9）：图图13-9 13-9 桩桩基基侧侧向向弹弹性抗力系数分布性抗力系数分布图图 (a)(a)常数法；常数法；(b)m(b)m法；法；(c)c(c)c法；法；(d)k(d)k法法2024/5/27 周一周一35.2024/5/27 周一36 a)常数法：假定k不随深度变化，为一常数；b)m 法：假定k随深度成正比例增加；c)c 法：假定k在某一特征深度以上按曲线规律增加，而在特征深度以下为常数；d)k 法：假定k在某一特征深度以上按与c 法不同的曲线规律增加，在特征深度以下也为常数；2024/5/27 周一周一36.2024/5/27 周一37 在实际工程中常用的是m法。也许是m法简单一些，经验也多一些。按照m 法的假定，地面（这里常常是指基坑底面）初始点的弹性抗力系数应为零，这是因为砂性土按朗肯理论计算，当地面这一点土的竖向应力为零时，无法提供被动土压力（侧向抗力）。但是考虑到黏性土黏聚力影响等因素，认为基坑底面处存在侧向弹性抗力，弹性抗力系数也不为零。在计算上的处理方法就是引进初始计算深度Z0。这样一来，土的侧向弹性抗力系数就带上了经验色彩：kH=m(z+z0)(13-19)2024/5/27 周一周一37.2024/5/27 周一38kH=m(z+z0)(13-19)式中：kH-侧向弹性抗力系数;m-侧向弹性抗力系数的比例系数；Z-从基坑底面算起的深度；Z0-初始计算深度，根据经验确定。从理论上讲，侧向弹性抗力系数kH和侧向弹性抗力系数的比例系数m 应由现场试验确定。但实际上大多数工程是不具备试验条件的，也可以说大多数业主是不愿意做试验的。所以常常是参照类似工程经验确定，或者按表13-2和表13-3的统计经验值确定。2024/5/27 周一周一38.2024/5/27 周一39表13-2 水平向弹性抗力系数kH 2024/5/27 周一周一39.2024/5/27 周一40表13-3 弹性抗力比例系数 m 2024/5/27 周一周一40.2024/5/27 周一41 对于侧向弹性抗力系数kH，还可根据标准贯入击数 N 和无侧限抗压强度qu按经验公式确定：kH=2103N （13-2013-20）kH=（58）102qu (13-21)关于侧向弹性抗力系数kH和侧向弹性抗力系数的比例系数m 还有一些经验公式，行业标准建筑基坑支护技术规程JGJ120-99附录C也有规定。侧向弹性抗力系数又被称为水平刚度系数，侧向弹性抗力系数的比例系数又被称为土的水平抗力系数的比例系数，地基水平抗力系数的比例系数等等，用语不太统一。2024/5/27 周一周一41.2024/5/27 周一42关于土关于土压力力经验修正的修正的讨论 1 提高主提高主动土土压力系数力系数 因为土压力的计算理论是建立在土体处于“极限平衡状态”这样一种假定上的，但在工程实际中，当不可能或不允许土体（或者说挡土墙）的位移达到主动极限平衡状态时，土压力就不会小到主动土压力那样的程度，它的值可能处于主动土压力值和静止土压力值之间。因此在实际工程中，可以根据经验，将主动土压力系数适当提高。2024/5/27 周一周一42.2024/5/27 周一图13-10 主动土压力修正的工程条件 例如上海地区根据工程周围环境状况，提出以下处理办法：设基坑开挖深度为h0，在距基坑边缘h0/2的范围内(区)有重要的地下管线或建筑物基础时（图13-10），取修正后的主动土压力系数K a为:K a=K0 (13-22)式中Ka-主动土压力系数（朗肯）；K0-静止土压力系数2024/5/27 周一周一43.2024/5/27 周一44在距基坑边缘h0/2 h0的范围内(区)有重要的地下管线或建筑物基础时，取修正后的主动土压力系数K a为；K a=(K0+Ka)/2 (13-22)当重要的地下管线或建筑物基础在一倍基坑深度以外（区区）时，主动土压力系数可不修正。图13-10 主动土压力修正的工程条件2024/5/27 周一周一44.2024/5/27 周一452 降低被降低被动土土压力系数力系数 同样在工程实际中，当不可能或不允许土体（或者说挡土墙）的位移达到被动极限平衡状态时，土压力就不会大到被动土压力那样的程度，它的值应适当降低，使之更符合实际。实用上可按下式修正：KP=Cp Kp (13-24)Cp=K0+(Kp-K0)Xp/Kp (13-25)Xp=2Da/Dp-(Da/Dp)20.5 (13-26)2024/5/27 周一周一45.2024/5/27 周一46 KP=Cp Kp (13-24)Cp=K0+(Kp-K0)Xp/Kp (13-25)Xp=2Da/Dp-(Da/Dp)20.5 (13-26)式中：KP-修正后的被动土压力系数；Cp-被动土压力折减系数；Kp-被动土压力系数，可按式(13-16)计算；K0-静止土压力系数；Da-被动区土体的允许位移值，根据实际工程要 求确定；Dp-被动极限状态的位移值，可取 Dp=（0.020.04）h0 ；h0-基坑开挖深度 2024/5/27 周一周一46.2024/5/27 周一47 3 板式支板式支护结构被构被动土土压力增大系数力增大系数对于板桩、密排钻孔灌注桩、地下连续墙等板式支护结构，基坑内侧被动区土体一旦进入被动土抗力极限状态，滑动土楔体与支护墙之间将发生相对位移，相对位移必然产生摩擦力。摩擦力客观上提高了被动土压力，但是朗肯理论没有反映这一有利因素。因此可以用提高被动土压力系数的办法来修正朗肯理论的不足。2024/5/27 周一周一47.2024/5/27 周一48 修正后的被动土压力系数Kp为：Kp=CpKp (13-27)Cp-考虑支护墙与土体之间摩擦力的被动土压力提高系数，可根据土的等效内磨擦角e按表13-4确定。表13-4 被动土压力提高系数Cpe e1015 20 25 30 35 40 45 C Cp p1.061.111.181.271.391.541.772.092024/5/27 周一周一48.2024/5/27 周一49 土的等效内摩擦角e 对砂性土即为其内摩擦角，对黏性土可按下式计算：式中：D-基坑底面以下支护墙体的插入深度，其余符号同前。2024/5/27 周一周一49.2024/5/27 周一50 关于土关于土压力力计算中水土合算与水土算中水土合算与水土分算分算问题的的讨论 在计算作用在支护结构上的土压力时，在地下水位以下的部分，水压力如何计算，始终存在争论。建筑基坑支护技术规程的处理方法是粉土和黏性土采用水土合算法；碎石土和砂土采用水土分算法。2024/5/27 周一周一50.水土合算法水土合算法实际上是不考虑水压力用，认为土中的水都是结合水，不形成水压力。因此，直接用土的饱和重度计算土体的侧压力即可。显然，这对于渗透系数为零的土层是对的。但是完全不透水的土是不存在的，尽管渗透速度慢，水终究是会渗透的，终究会形成水压力的。完全忽视水压力的作用会降低工程的安全度。所以有些专家认为，水土合算这种方法是不合理的。2024/5/27 周一周一51.而赞成水土合算的专家则认为，大量的基坑工程实践表明，黏性土中的地下水通过渗透在支护结构上形成静水压力的事实并没有找到，即使地下水位很高的沿海地区也是如此。因此在这种情况下考虑水压力的作用会增加支护结构的成本，显然是不合理的。2024/5/27 周一周一52.这些专家认为，也许因为支护结构是在基坑开挖前施工，支护结构与土层之间很难生成自由水，所以不能形成静水压力。而地下结构的施工方法不同，地下结构是在基坑开挖后施工的，基础底面与土接触的界面上容易产生自由水，一层薄薄的自由水就能产生静水压力，形成浮力。所以在验算地下结构的抗浮稳定性时，水压力是不能忽视的。比如在上海、天津等地区就是这样。2024/5/27 周一周一53.水土分算法水土分算法其实就是分别计算水压力和土压力，以两者之和作为侧压力。计算土压力时，用土的浮重度。计算水压力时，则采用全水头压力。当土的空隙中存在自由水、或者土的渗透性很好时，水土分算法应该是合理的，例如碎石土和砂土。但是也有专家认为，碎石土和砂土渗透性相差很大，水压力通通按全水头压力计算似乎也不太合理。2024/5/27 周一周一54.粉、细砂的渗透系数可以小到1.0m/d左右，而碎石土的渗透系数可以大到500m/d左右，相差达几百倍。于是有的专家就建议根据土的含水量和渗透系数对水压力进行修正，也就是乘一个修正系数。我倒觉得，虽然工程实践表明，对大多数土层来说，水土分算法计算的水压力偏大，但是修正似乎也不必要。因为工程还是安全一些好，况且也修不太正。2024/5/27 周一周一55.三三 支支护结构的构的设计计算算 1 支支护结构的受力特征构的受力特征 要进行支护结构的内力、变形、以及锚杆拉力（或支撑力）的计算，首先要根据支护结构的不同形式，分析它们的受力特征。支护结构的典型形式有三种，即浅埋结构、悬臂结构、深埋结构（图13-11）：2024/5/27 周一周一56.图13-11 支护结构的三种典型形式:a 浅埋结构;b 悬臂结构;c 深埋结构2024/5/27 周一周一57.(a a)浅埋浅埋结构的受力特征构的受力特征 浅埋结构是由于地层条件比较好（比如坚硬土层埋藏比较浅），或者荷载比较小，或者能够提供的锚杆拉力（或支撑力）比较大，使得支护结构只需要比较小的嵌固深度就能够满足稳定要求。浅埋支护结构的变形主要有弯曲和绕点向基坑内侧的转动。其变形和受力状况如图13-12所示。2024/5/27 周一周一58.图图13-1213-12浅埋支浅埋支护结护结构的构的变变形与力学特征形与力学特征图图a a 受力特征受力特征图图;b;b 支支护结护结构弯矩构弯矩图图;c;c 支支护结护结构构变变形形图图2024/5/27 周一周一59.（b）悬臂臂结构的受力特征构的受力特征 悬臂结构是指上部不设锚杆或支撑，完全依靠基坑底面以下土层中的嵌固段维持自身平衡稳定的结构形式。悬臂结构主要在基坑不深、荷载不大、地质条件较好的情况下采用。其变形 和受力特征如图13-13所示：图13-13 悬臂结构的变形和受力特征图2024/5/27 周一周一60.受力特征如图(a)；变形是弯曲加转动，弯矩如图(b)；转动是绕BC之间的某一点E，AE向基坑内侧转动，EC向基坑外侧转动。图13-13 悬臂结构的变形和受力特征图（a）受力特征图；（b）支护结构弯矩图；（c）支护结构变形图2024/5/27 周一周一61.(c)深埋深埋结构的受力特征构的受力特征 深埋结构应是最常用的支护形式，设置锚杆或支撑，基坑底面以下土层中的嵌固段有较大深度。其变形 和受力特征如图13-14所示：图13-14 悬臂结构的变形和受力特征图（a）受力特征图；（b）支护结构弯矩图；（c）支护结构变形图2024/5/27 周一周一62.受力特征如图(a)；变形是弯曲加转动，弯矩如图(b)；转动则是绕AC之间的某一点O转动，AO向基坑内侧转动，OC向基坑外侧转动。图13-14 悬臂结构的变形和受力特征图（a）受力特征图；（b）支护结构弯矩图；（c）支护结构变形图2024/5/27 周一周一63.2 支支护结构的构的设计计算方法算方法 支护结构设计计算最常用的是经典法和弹性法。这两种方法计算基坑外侧的主动土压力（荷载标准值）都是采用朗肯理论。而基坑内侧水平抗力的计算则不相同：a 经典法：按朗肯或库仑被动土压力公式计算，不考虑墙体或桩体的变形，也不考虑锚杆或支撑的变形；b 弹性法:抗力等于该点的弹性抗力系数kH与该点水平位移 y 的乘积。2024/5/27 周一周一64.3 支支护结构的构的设计计算算 a 经典法：可用于：1单层支锚浅埋结构的设计计算 2悬臂结构的设计计算 3单锚深埋结构的设计计算 4 多层支锚结构的设计计算 b 弹性法 1弹性法的基本挠曲方程 2弹性抗力系数的数值解法 c 弹塑性法（工程应用很少）2024/5/27 周一周一65.1单层支锚浅埋结构的设计计算：这类结构的力学计算简图如图13-15所示。它的未知数有两个：锚杆水平拉力T1和支护结构的嵌固深度hd,可以用静力平衡法求得，随后即可求得支护结构的内力分布。2024/5/27 周一周一66.图13-15 浅埋结构的力学计算简图2024/5/27 周一周一67.从图13-15可知，为使支护结构保持平衡，在锚杆设置点A的力矩应为零，即MA=0:EPjhPj-Eaihai=0 (13-31)式中：Eai、hai分别第i层土的主动土压力的 合力及合力作用点至锚杆设置 点 A 的距离；EPj、hPj分别第i层土的被动土压力的 合力及合力作用点至锚杆设置 点 A 的距离。2024/5/27 周一周一68.展开式（13-31）是一个关于嵌固深度hd的一元三次方程，解析解无法求得。一般用试算法求出hd的值，再根据静力平衡条件求出A点的锚杆水平拉力T1:T1=Eai-EPj (13-32)锚杆水平拉力T1也可由C的力矩平衡条件Mc=0 求得。求得嵌固深度hd和锚杆水平拉力T1后，即可作出支护结构的弯矩和剪力图。2024/5/27 周一周一69.我们知道，弯矩最大点即是剪力为零点，因此弯矩最大点至锚杆设置点的距离h0可由下式求得：T1-Ea0=0 (13-33)最大弯矩计算值 Mmax可按下式计算：Mmax=T1 h0-Ea0(h0-ha0)(13-34)式中 Ea0、ha0剪力为零点以上地层的主动土压 力的合力及合力作用点至锚杆设 置点的距离；h0剪力为零点（弯矩最大点）至锚 杆设置点的距离。2024/5/27 周一周一70.嵌固深度hd、锚杆水平拉力T1及结构内力的设计值可按式（13-35）（13-38）计算：嵌固深度：hdj=1.20 hd （13-35）锚杆水平拉力：T1j=1.250 T1 （13-36）截面弯矩设计值:Mj=1.250Mmax （13-37）截面剪力设计值:Vj=1.250V （13-38）式中0基坑侧壁安全等级重要性系数；V 截面剪力设计值。当按式（13-35）计算的单锚浅埋结构嵌固深度hdj0.3H 时，宜取hdj=0.3H。H 为基坑开挖深度。2024/5/27 周一周一71.例题13-1某地下室工程基坑开挖深度H=9m,采用排桩支护；各地层土的厚度和物理力学指标如表13-6所示；地面超载q0=10kPa；基坑周围采用井点降水。试按浅埋结构的计算方法，作桩锚支护结构设计。基坑侧壁安全等级为二级，重要性系数0=1.0。2024/5/27 周一周一72.各地各地层层土的厚度和物理力学指土的厚度和物理力学指标标 表表13-613-61 1 按公式按公式(13-9)(13-9)K Kai ai=tg=tg2 2(45-(45-f fi ik k/2/2)计计算各土算各土层层的主的主动动土土压压力系数力系数K Kai ai：K Ka a1 1=tg=tg2 2(45(45-10.0/210.0/2)=0.704)=0.704K Ka a2 2=tg=tg2 2(45(45-4.0/24.0/2)=0.870)=0.870K Ka a3 3=tg=tg2 2(45(45-16.0/216.0/2)=0.568)=0.568K Ka a4 4=tg=tg2 2(45(45-25.0/225.0/2)=0.406)=0.4062024/5/27 周一周一73.按公式(13-16)Kpi=tg2(45+fik/2)计算开挖面以下各土层的被动土压力系数Kpi：Kp3=tg2(45+16.0/2)=1.761Kp4=tg2(45+25.0/2)=2.4642 2 计计算各土算各土层单层单位位长长度（度（1m1m）的主、被）的主、被动动土土压压力力强强度度值值 因基坑周因基坑周围围采用井点降水措施，可以不采用井点降水措施，可以不计计算深算深度水度水压压力，各土力，各土层单层单位位长长度（度（1m1m）的主、被）的主、被动动土土压压力力强强度度值值可用式（可用式（13-313-3）、（）、（13-1413-14）计计算：算：eajk=ajkKai-2cikKai1/2 （13-3）epjk=pjkKpi+2cikKpi1/2（13-1413-14）2024/5/27 周一周一74.图图13-16 13-16 例例题题13-113-1的的计计算算简图简图2024/5/27 周一周一75.主动土压力强度：eajk=ajkKai-2cikKai1/2（13-313-3）第1层土的上表面：ea1k上=q0Ka1-2c1kKa11/2=10.00.704-215.0(0.704)1/2=-18.13第1层土的下表面：ea1k 下=（1z1+q0）Ka1-2c1kKa11/2 =(18.02.5+10.0)0.704-215.0(0.704)1/2=-13.552024/5/27 周一周一76.第2层土的上表面：ea2k上=（1z1+q0）Ka2-2c2kKa21/2=(18.02.5+10.0)0.870-210.0(0.870)1/2=29.20第2层土的下表面：ea2k 下=（1z1+2z2+q0）Ka2 2c2kKa21/2 =(18.02.5+15.83.5+10.0)0.870-210.0(0.870)1/2=77.312024/5/27 周一周一77.第3层土的上表面：ea2k上=（1z1+2z2+q0）Ka3-2c3kKa31/2=(18.02.5+15.83.5+10.0)0.568-230.0(0.568)1/2=17.43第3层土的下表面（基坑底）：ea2k 下（基坑底）=1z1+2z2+3（H-z1-z2）+q0 Ka3-2c3kKa31/2=(18.02.5+15.83.5+18.53+10)0.568-230.0(0.568)1/2=48.952024/5/27 周一周一78.第4层土的上、下表面：ea4k 上=ea4k 下=1z1+2z2+3（H-z1-z2）+q0 Ka4-2c4kKa41/2=(18.02.5+15.83.5+18.53+10)0.406-218.0(0.406)1/2=44.372024/5/27 周一周一79.被动土压力强度 epjk=pjkKpi+2cikKpi1/2（13-1413-14）第3层土的上表面：ep3k 上=2c3kKp31/2=230.0(1.761)1/2=79.62第3层土的下表面：ep3k 下=3(z1+z2+z3-H)Kp3+2c3kKp31/2 =18.51.51.761+230(1.761)1/2 =128.492024/5/27 周一周一80.第4层土的上表面：ep4k 上=3(z1+z2+z3-H)Kp4+2c4kKp41/2 =18.51.52.464+218(2.464)1/2