南昌某广场基坑支护工程设计计算书.doc

xx 广 场
基坑支护工程设计计算书
第1部分 方案（一）——隔水加双排桩支护
1.1 计算依据
1.1.1业主提供资料
1.《xx广场详细阶段岩土工程勘察报告》
2.《xx广场总平面图》
3．《xx广场宾馆、公寓、写字楼地下二层平面图》
4．《xx广场宾馆、公寓、写字楼地下二层人防平面图》
5．《xx广场宾馆、公寓、写字楼桩平面布置图》（A、B、C、D）
1.1.2主要规范规程
《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）
《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）
《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）
1.1.3参考学术文献
[1] 基坑支护设计手册
[2] 张弘.深基坑开挖中双排桩支护结构的应用与探讨[J].地基处理, 1993.9: 20
[3] 黄强编著.深基坑支护工程设计技术[M].北京: 中国建材工业出版社,1995.5
1.2 计算参数初选
1.根据南昌有色冶金设计研究院提交的《xx广场详细阶段岩土工程勘察报告》，选取土体的物理力学参数，具体参数如下表1所示。
表1 土体参数表
地层时代及成因
土层名称
地层厚度h
重力密度γ
粘聚力
内摩擦角
m
kN/m3
kPa
º

①冲填土
4.77
17.2
0
32

②耕植土
0.95
17.6
12
12

③细砂
5.54
17.8
0
32

④中砂
2.36
18.2
0
34

⑤粗砂
1.98
18.4
0
36

⑥砾砂
5.01
18.4
0
38

⑦泥质粉砂岩
0.33
17.8
40
18
2.相对标高±0.00m为黄海高程24.90m。基坑设计时，基坑开挖深度为13m。
3.地面超载取20kPa。
4. 根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99），基坑重要性系数=1.1。
5.由于考虑到各土层性质类同，重度以及内摩擦角相差不大，所以利用土的综合指标，重度为17.9kN/m3，内摩擦角为30º。由此，计算出土的被动土压力系数：
=3
主动土压力系数：
=0.333
1.3 计算过程
1.3.1隔水和降水设计计算
1.隔水设计计算
（1）帷幕设计参数需要现场试验确定，本设计按照工程经验，初步设计确定设计参数。在具体施工中，应参照实际实验情况，对各参数进行调整。
隔水帷幕施工地层为基坑壁四周开挖过程中暴露的土层和基坑底面以下的全部砂层，并且要求进入强风化泥质砂岩大于0.5m，使其形成四周封闭系统。
（2）帷幕深度确定
采用高压摆喷隔水，隔水帷幕深约23.0m，坑内水位降至-14.0m，坑外水位按照历史最高水位-2m计算，则最靠近隔水帷幕的流线长为：
=14-2+(23-14)×2=30m
水头差：
=14-2=12m
平均水力梯度：
=0.4
抗渗流安全系数:
=2.5 > 1.50
结果满足安全要求。
2.降水设计计算
按地下水位历史最高水位-2m为计算依据，地下水降至基坑底面以下1.0m。计算模型采用潜水完整井模型。
基坑的长和宽分别为：192ｍ×132ｍ。
基坑开挖范围内土层含水量：
基坑隔水帷幕内总体积：V=210×150×15=472500m3
孔隙度：
孔隙体积：m3
饱和度：
基坑中的水：
m3
潜水含水层厚度：H=22-2=20m
降水深度: S=13-2+1=12m；（按地下水位历史最高水位-2m计算）
帷幕的渗透系数取 =8.64×10-3m/d；
基坑等效半径：
m
单井影响半径：
m
帷幕渗透涌水量：
m3/d
假定约10天达到设计水位-14.00m，基坑每天总出水量:
=200870.2/10+91=20178.02m3/d
取地层的渗透系数为=44m3/d，则单井出水量：
m3/d
则井点数量：
=7.7≈8口
管井点间距：
81m
可选用排量为50m3/h水泵，每口深井2台，共需要16台,则每口井水泵的出水量为：
50×2×24=2400m3/d。
复核井点数量
取基坑中心点求得中心点的水头为：

取影响半径：
m
经过计算，当井点为10口，取m时，
=7.86m，
所以：=20-7.86=12.14m，达到设计水位。
本设计计算是按照历史最大水位设计，涌水量偏大，同时降水应该与开挖配合协调，设计参数按照设计报告初选。实际施工时，应该根据现场降水的进度，进行调整。
1.3.2 支护设计计算
1.3.2.1南向基坑支护设计计算
1.放坡8m，放坡系数1：1，支护示意图见图1。

图1 基坑南向支护
2.计算模型按照悬臂梁计算，受力分析如图2所示。

图2 悬臂梁受力分析图
3.按照以上的受力分析，=5m，取折合后的地面超载=90kPa。
经过多次试算，确定插入深度t0为12m。
=3866.4kN
=861.32kN
=509.49kN
抗滑动安全系数：
=2.82
满足要求。
抗倾覆安全系数:
=1.68
满足要求。
设最大弯矩零点距离基坑底面m，有方程：

求得：
=5.96m。
则最大弯矩：
求得：
=1213.73kN·m（每延米的弯矩）
按照桩心距为1.5m，则总弯矩值为：
1.5=1820.59kN·m
4.配筋计算
（1）主筋
利用上述所得的数据，进行桩配筋计算。按照《混凝土结构设计规范》（GB50021-2002），用下式计算：

式中 ——对应于受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与2比值；
——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋的比值；
——桩圆形截面面积；
——全部纵向钢筋的截面面积；
——圆形截面的半径；
——纵向受拉钢筋所在圆周的半径；
——混凝土弯曲抗压强度设计值；
——普通钢筋的抗压强度设计值；
——桩圆形截面弯矩设计值；
——桩圆形截面弯矩计算值中的最大值：
——安全系数，据《建筑基坑支护设计规程》（JGJ120-99）=1.25=1.375，其中为基坑重要性等级系数。
经过多次验算，确定选用：混凝土标号为C25，主筋28Φ25,截面配筋率为1.215%。
（2）螺旋箍筋和加强筋
一般的，剪力验算能够满足，因此按照经验，配φ8@200的螺旋箍筋，Φ20@2000的加强筋。
1.3.2.2 东向、西向和北向基坑支护设计计算
1.放坡4m，放坡系数1：1，支护示意图见图3。

图3 基坑东向、西和北向支护
2.设计计算假定
(1) 将前、后排桩与桩顶冠梁看成一个底端嵌固的刚架结构,结点可看为直角刚结点。
(2) 由于与桩长相比连接冠梁很短,而实际工程采用的冠梁截面刚度很大,所以可将冠梁看作没有变形的绝对刚体,只能平移,不产生压缩或拉伸变形。
3.前排桩的计算分析
根据刚架桩的实际变形及受力机理,前排桩桩背土压力按弹性土压力(处于静止土压力和主动土压力之间) 计算,前排桩桩前土压力按折减的被动土压力考虑,受力分析如图4所示。

图4 前排桩的受力分析图
以开挖到±0.00以下-13.00m计算,图5为计算简图。从基坑壁标高放坡4m，地面超载=20kPa，取总超载为50kPa,超载折合土体高度：
= (20+40)/17.9=2.79m

图5 前排桩计算简图
土压力强度零点：
=(2.79+9)×0.333/(3×0.7-0.333)=2.22m
式中 ——被动土压力折减系数，取0.7；
冠梁反力：

=[17.9×0.333×(2.79+9+2.22)×(2.79+9+2.22)×
(2.79+9+2.22)-17.9×2.1×2.22×2.22
×2.22]/[6×(2.22+9)]=237.37kN/m
保证抗倾覆安全系数，经过计算，取入土深度12m。
桩前土压力合力：

式中 ——被动土压力折减系数，取0.7；
求得：
=2706.48kN
桩背土压力合力：

式中——土的泊松比，取=0.333,在计算中，=。
求得：
=1686.77kN
抗倾覆安全系数：
1.2
满足要求。
抗滑动安全系数：
1.7
满足要求。
设最大弯矩零点距离基坑底面m，有方程：

求得：
=6.24m。
有：
故最大弯矩:
=0.5×17.9×(2.79+9+6.24)×0.333×(2.79+9+6.24)×0.333×(2.79+9+6.24)-0.5×17.9×6.24×0.7×3×6.24×0.333×6.24-237.37×(9+6.24)=678.79kN·m（每延米弯矩）
按照桩心距为1.5m，故总弯矩值为：
1.5=1018.18kN·m
按照《混凝土结构设计规范》（GB50021-2002）计算，并考虑安全储备，确定选用参数：桩径1200，桩距1500，主筋28Φ25，配φ8@200的螺旋箍筋，Φ20@2000的加强筋。
4.后排桩的计算分析
后排桩计算受力分析如图6，其中，冠梁反力方向发生改变。

图6 后排桩的受力分析图
取插入深度为12m，其中=9m，计算如图7所示。

图7 后排桩的计算简图
桩前土压力合力：

式中: ——被动土压力折减系数，取0.7；
求得：
=8288.60kN
桩背土压力合力：

式中：——土的泊松比，取=0.333；
求得：
=1686.77kN
冠梁轴力：
=237.37kN
抗倾覆安全系数:
1.24
满足要求。
抗滑动安全系数：
4.3
满足要求。
设最大弯矩零点距离基坑壁放坡坡底面m，有方程：

式中 =0.7。
求得：
=4.62m。
最大弯矩：

求得：
=618.76kN·m（每延米的弯矩）
按照桩心距为3m，故总弯矩值为：
故3=1856.29kN·m
按照《混凝土结构设计规范》（GB50021-2002）计算，确定选用参数：桩径1200，桩距3000，主筋28Φ25，配φ8@200的螺旋箍筋，Φ20@2000的加强筋。
1.4稳定性验算
1.抗滑动验算
满足要求。见上文计算。
2.抗倾覆验算
满足要求。见上文计算。
3.抗隆起验算
如图8所示。

图8 抗隆起验算

式中 ——基坑的开挖深度，9m；
——围护结构的插入深度，12m；
——围护结构深度范围内土体的加权重度，17.9kN/m3；
——围护结构插入深度范围内土体的加权重度，17.9kN/m3；
——地面超载，50kPa；
——滑移线范围内土体剪切强度指标的加权值，0kPa；
、——地基承载力系数，可根据经验选用普朗德尔公式或太沙基公式计算。
——安全系数,≥1.6。
代入数据，求得：
=18.38
=15.06
所以： =9.426≥1.6
满足要求。
4.整体稳定性验算
由于本支护结构插入中风化岩石中，所以，抗整体稳定性安全系数能够保证，不必要验算。
1.5计算结果选定汇总
1.5.1悬臂
表2 悬臂加放坡支护参数
桩径/m
桩长/m
桩心距/m
砼
桩配筋
螺旋筋
加强筋
1.2
17
1.5
C25
28Φ25
φ8@200
Φ20@2000
注明: 1.桩长是从桩顶冠梁算起的长度；
2.Φ——二级钢筋，φ——一级钢筋；以下类同；
3.桩入土深度约为12m，必须入中风化岩不小于0.5m,详见设计总说明和设计图纸。
1.5.2双排桩
表3 双排桩加放坡支护参数
桩名
桩径/m
桩长/m
桩心距/m
砼
桩配筋
螺旋筋
加强筋
前排桩
1.2
21
1.5
C25
28Φ25
φ8@200
Φ20@2000
后排桩
1.2
21
3.0
C25
28Φ25
φ8@200
Φ20@2000
注明：1.前后排桩排桩间距为4m；
2.桩长是从桩顶冠梁算起的长度，由于进入中风化岩石中，所以，桩长按照进入中风化岩石不小于0.5m来确定。

第2部分 方案（二）——隔水、支护桩加内支撑支护
内支撑的隔水、降水方案与方案（一）双排桩支护设计相同。
2.1内支撑支护设计
2.1.1第一道支撑的设计计算
±0.00m为黄海高程24.9m，首先开挖到±0以下6.4m。开挖深度取第二道支撑中心处。计算简图见图9。

图9 第一道支撑计算简图
放坡2m，放坡系数1：1。折合土体高度：
= (20+17.9×2)/17.9=3.12m
土压力强度零点：
=(3.52+4)×0.333/(3-0.333)=0.94m
第一道支撑力：
=
=120.26kN/m
剪力零点：
==6.35m
最大弯矩：
=120.26×2.83-0.5×17.9×6.35×0.333×6.35×6.35×0.333
=86.22kN·m(每延米弯矩)
2.1.2第二道支撑的设计计算
开挖深度取±0以下13m。计算简图见图10。

图10 第二道支撑计算简图
土压力强度零点：
= (3.52+4)×0.333/(3-0.333)=1.76m
第二道支撑力：
=292.24kN/m
剪力零点：
==11.76m
最大弯矩：
==120.26×8.24+292.24×4.24-0.5×17.9×11.76×0.333×11.76×11.76×0.333=615.93 kN·m（每延米弯矩）
2.1.3桩长计算
零点位置反力：
=0.5×17.9×(3.52+4+6.6+1.76)×0.333×(3.52+4+6.6+1.76)
-(120.26+412.5) =218.81kN
插入深度:
= =5.24m
支护桩长：
=13-2+(1.76+5.24)×1.2=19.40m，考虑到安全储备,取22m。
2.1.4拆撑计算
拆第二道支撑换撑于-12.5m处
土压力强度零点：
=(3.52+10.1)×0.333/(3-0.333)=1.70m
换撑点支撑力：
=1240.62kN/m
剪力零点：
==6.35m
最大弯矩：
=120.26×2.83-0.5×17.9×6.35×0.333×6.35×6.35×0.333
=86.22kN·m(每延米弯矩)
换撑点弯矩：
=120.26×10.1-0.5×17.9×13.62×0.333×13.62×0.333
=1030.52kN·m(每延米弯矩)
按照此弯矩进行配筋计算。
2.1.5配筋计算
1. 主筋
利用上述所得的数据，进行桩配筋计算。按照《混凝土结构设计规范》（GB50021-2002），用下式计算：

式中 ——对应于受压区混凝土截面面积的圆心角（rad）与2比值；
——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋的比值；
——护坡桩圆形截面面积；
——全部纵向钢筋的截面面积；
——圆形截面的半径；
——纵向受拉钢筋所在圆周的半径；
——混凝土弯曲抗压强度设计值；
——普通钢筋的抗压强度设计值；
——护坡桩圆形截面弯矩设计值；
——护坡桩圆形截面弯矩计算值中的最大值：
——桩中心距，取1.5m；
——安全系数，据《建筑基坑支护设计规程》（JGJ120-99）=1.25=1.375，其中为基坑重要性等级系数。
经过验算，确定选用混凝土标号为C30，钢筋用Φ25，主筋30Φ25。
2.螺旋箍筋和加强筋
一般的，剪力验算能够满足，因此按照经验，配Φ8@200的螺旋箍筋，Φ20@2000的加强筋。
2.1.6冠梁及围檩设计
1.冠梁
选择1200×800，顶标高-2.00m，C30砼。取支撑轴力=120.26kN/m
=1.25××120.26×102=1252.71kN·m
选用断面800×1200，砼C30
=0.0800
=0.958
AS==3724.43mm2
选用2×8Φ25。
2.第二层钢筋混凝土围檩设计
选择截面1000×900,中心标高-6.40m，C30砼，支撑力=292.24kN
围檩线刚度:
EI1=
支护桩的线刚度:

作用力分配值:kN
=1.25×197.46×102/12=2056.88kN·m
=1000-30=970mm
0.191
0.893

选用2×16Φ25钢筋。
2.1.7混凝土支撑的计算
1.第一层混凝土撑的计算
（1）支撑轴力，支撑选取用截面700×850，C30混凝土
=120.26×10×1.25/sin450=2125.92kN
（2）弯矩
自重产生的弯矩
=1.25×0.7×0.85×25×122/10=267.75kN·m
施工偏差产生的弯矩
=1.25×1.5×12×2125.92/1000=47.83 kN·m
施工荷载产生的弯矩
=1.25×10×122/10=180kN·m
=++=495.58kN·m
⒊配筋计算
=M/=0.233m＜0.3×0.82=0.246m
=/30=0.028m
=+=0.261m

，为大偏心受压构件：

=1347.93mm2
实取2×6Φ25钢筋。
2.第二层混凝土撑的计算
（1）支撑轴力，支撑选取用截面800×950，C30混凝土
=292.24×10×1.25/sin450=5166.12kN
（2）弯矩
自重产生的弯矩
=1.25×0.8×0.95×25×102/10=237.5kN·m
施工偏差产生的弯矩
=1.25×1.5×10×5166.12/1000=96.86kN·m
施工荷载产生的弯矩
=1.25×10×102/10=125kN·m
=++=459.3kN·m
⒊配筋计算
=M/=0.089m＜0.3×0.92=0.276m
=/30=0.032m
=+=0.121m

，为大偏心受压构件：

=1052.44mm2
实取2×8Φ25钢筋。
2.1.8支承桩的设计与计算
支承桩荷载为：梁自重、安装偏心荷载及支撑上的活荷载的不利组合：
=(10×0.7×0.85×3×25+10×1×1.2×3×25+1206.6×15%+2922.4×15%+0.62×π×23×25=2615.49kN
支承桩采用D=1000钻孔灌注桩，桩底标高：-25.00m
kN
，满足要求。
2.2稳定性验算
该支护设计方案中，支护结构的抗滑动安全系数Kt、抗倾覆按选系数和整体稳定性安全系数Kp等均符合有关规范设计要求。
2.3计算结果选定汇总
2.3.1支护桩参数
表4 支护桩参数表
桩名
桩径/m
桩长/m
桩心距/m
砼
桩配筋
螺旋筋
加强筋
支护桩
1.2
22
1.5
C30
30Φ25
φ8@200
Φ20@2000
注明：1.桩长是从桩顶冠梁算起的长度，由于进入中风化岩石中，所以，桩长按照进入中风化岩石不小于0.5m来确定。
2.3.2支承桩参数
表5 支承桩参数表
桩名
桩径/m
桩长/m
桩心距/m
砼
桩配筋
螺旋筋
加强筋
支承桩
1.0
23
10
C30
20Φ25
φ8@200
Φ20@2000
其他诸如支承桩的桩位布置、冠梁及系杆的参数见支护设计图纸。