地下结构悬臂支护桩兼抗拔桩节点设计及处理措施.docx

中文题目（地下结构悬臂支护桩兼抗拔桩节点设计及处理措施）

学生： 指导教师：

摘 要

近年来，由于城市建设的飞速发展和急剧膨胀，地下空间得到进一步的开发和利用。诸如地下车库、水池、储液罐等地下建(构)筑物大多是充分挖掘一切能利用的地下空间，为使该类工程的开发不至于影响原有周边建(构)筑物的正常使用，故该类工程大多数没有上部建筑，仅在其上设绿化或娱乐等场地。本文引用的地下两层工程背景就属于这类工程，它充分利用了原小区住宅之间的空地，建成后不仅解决了小区住户停车难和缺少运动场地的问题，而且对周边已有建筑的采光和使用功能无任何影响。

本文结合昆明某地下两层车库(没有上部结构)工程设计和施工实例，在基坑支护设计采用的临时悬臂支护结构未被作为工程永久结构显得不经济的背景下，提出“能否充分利用悬臂支护桩作为抗拔桩，从而降低工程造价呢？”的问题。于是结合本工程，设计和施工技术管理人员围绕“如何实现悬臂支护桩兼作抗拔桩？”的技术问题，对工程的设计和施工展开了系统的分析、研究和叙述。
本文对悬臂支护桩和抗拔桩的计算原理和设计方法进行系统分析和阐述后,对悬臂支护桩兼抗拔桩进行了研究分析,并对悬臂支护桩兼抗拔桩与结构连接节点设计进行了叙述。
文章对悬臂支护桩兼抗拔桩的施工进行系统描述。内容包括悬臂支护桩兼抗拔桩施工工艺原理、悬臂支护桩和抗拔桩采用人工挖孔桩(试挖)的施工方法、悬臂支护桩和抗拔桩采用钻孔灌注桩的施工方法以及地下水控制的原理和设计方法进行了阐述。
针对地下车库产生不均匀上浮的现象进行认真的验算和综合分析，并针对产生不均匀上浮的原因确定了相应的处理措施。
文章对悬臂支护桩兼抗拔桩的施工效果进行阐述。包括悬臂支护结构的桩顶位移、地表沉降、地下水位监测和地下车库产生不均匀上浮的现象后对地下车库的沉降观测记录等。
本文研究结论是“悬臂支护桩兼作抗拔桩技术是可行的”和“地下结构的局部抗浮力是不容忽视的问题”，文章还对今后需继续研究的悬臂桩兼抗拔桩和对地下车库抗浮措施的问题进行了展望。
悬臂支护桩兼抗拔桩实施的首要条件是悬臂支护桩与地下建(构)筑物采用合理的节点的设计进行有效连接。本文所引用工程中采用短梁把两者连接起来，限于短梁所能提供的剪力值较小，并没有充分发挥悬臂支护桩的抗拔能力，因此采用该技术时连接节点的设计和研究还有待作进一步的研究。
关键词：地下结构，悬臂支护桩兼抗拔桩，节点设计，处理措施

英文题目（Underground Structure, Cantilever Bearing & Tension Pile, Joint design, measure）

Student:Baiyongyun supervisor:DI1052X1007

Abstracts

Underground spaces have been further developed and utilized recently due to the rapid development of city construction, such as underground garage, reservoir and liquid pot, which make great use of the underground spaces. In order not to influence the proper use of structures nearby, there are no super-structures except for some meadows and public places over this kind of underground constructions. A 2-storey-construction cited in this paper, which takes great advantage of the space between previous housings activities, without influences on the previous buildings’ sunshine-getting and utilization.
With a case study of a two-stories underground garage in Kunming, this paper focused on the question of how to act an Cantilever Bearing Pile as an Tension Pile. and the analysis and studies both on design and construction sides were given.
This paper gives systematical analysis of the design method and calculation mode for Cantilever Bearing Pile and Tension Pile, and also studied the Cantilever Bearing & Tension Piles. The depiction on design of connections between structure and the Cantilever Bearing & Tension Pile were given in the paper too.
This paper gives systematical depiction on the construction of the Cantilever Bearing & Tension Piles. Including the mechanism, technique of manual-excavate pile and machine-excavate piles, then the design method for controlling underground water and its effectiveness after use in this construction are expounded in this paper
Avoiding the asymmetric float of the underground garage, the paper gives analysis and examination computation, and also give suggestions on how to deal. The construction activities also been presented in the paper. Such as the pile-top move, the ground sedimentation, the monitoring of the groundwater, and the record of garage sedimentation with the asymmetric float.
At the end the paper gives the conclusion that the technique of Cantilever Bearing & Tension Pile is feasible, but the effect of the asymmetric float should be specially regarded. It need further study on these issues.
Reasonable connection joints between Cantilever Bearing Pile with underground structures is the main point to utilize the Cantilever Bearing & Tension Pile. The construction cited in this paper uses short beams in connection, which give relatively little shear, do not take good advantage of the anti-tension force of Cantilever Bearing Pile. So further study of the connection joints should be carried out both in design and research area when applying this technology.

Key words: Underground Structure, Cantilever Bearing & Tension Pile, Joint design, measure

目 录
前言
第一章 绪论
1.1 本文研究的工程背景和问题的提出 1
1.1.1 研究的工程背景 1
1.1.2 问题的提出 5
1.2 本文研究的意义 7
1.3 国内外研究现状 8
1.4 本文研究的主要内容 8
第二章 悬臂支护桩兼作抗拔桩的设计计算分析
2.1 悬臂支护桩的设计方法与计算原理 10
2.1.1 悬臂支护桩的计算原理 10
2.1.2 悬臂支护桩的设计方法 10
2.1.3 悬臂支护桩冠梁的作用与设计 16
2.1.4 本工程算例分析 16
2.2 抗拔桩的设计方法与计算原理 19
2.2.1 抗拔桩的计算原理 19
2.2.2 抗拔桩的抗拔承载力验算方法 19
2.2.3 本工程算例分析 21
2.3 悬臂支护桩兼作抗拔桩时与结构连接节点设计 22
2.3.1 引言 22
2.3.2 悬臂支护桩兼作抗拔桩时与结构连接节点分析 22
2.3.3 算例分析 22
2.4 悬臂支护桩兼抗拔桩的分析 23
2.4.1 引言 23
2.4.2 悬臂支护桩兼抗拔桩的分析 23
2.4.3 支护桩兼作抗拔桩时其抗拔力算例分析 24
第三章 悬臂支护桩兼抗拔桩的施工
3.1 施工工艺原理 25
3.2 施工方法 26
3.2.1 地下水的控制 26
3.2.2 人工挖孔桩施工方法 36
3.2.3 钻孔灌注桩施工方法 36
3.2.4 钢筋笼制作与吊放 37
3.2.5 水下砼的灌注 37
第四章 地下车库不均匀上浮的综合分析
4.1 原因分析 40
4.1.1 地下车库不均匀上浮外观变化 40
4.1.2 总体抗拔验算 40
4.1.3 局部抗拔验算 41
4.1.4 地下车库不均匀上浮原因 42
4.2 地下车库不均匀上浮的处理 43
4.2.1 地下车库不均匀上浮的处理措施 43
4.2.2 地下车库不均匀上浮的处理措施的验算 44
4.2.3 地下车库不均匀上浮的处理效果 45
第五章 工程监测
5.1 监测方案 46
5.1.1 观测点的布置 46
5.1.2 观测点的要求 46
5.1.3沉降观测点的埋设方法 46
5.1.4 沉降观测时间要求 47
5.1.5 沉降观测精度要求 47
5.1.6 沉降观测成果整理 48
5.2 支护结构监测 48
5.3 周围环境监测 49
5.3.1 地表沉降 49
5.3.2 地下水位监测 50
5.4 地下车库沉降观测 51
第六章 结论与展望
6.1 主要结论 54
6.1.1 悬臂支护桩兼作抗拔桩技术是可行的 54
6.1.2 地下结构的局部抗浮力是不容忽视的问题 54
6.2 后续研究工作的展望 54
参考文献 55

前言

近年来，由于城市建设的飞速发展和急剧膨胀，地下空间得到进一步的开发和利用。诸如地下车库、水池、储液罐等地下建(构)筑物大多是充分挖掘一切能利用的地下空间，为使该类工程的开发不至于影响原有周边建(构)筑物的正常使用，故该类工程大多数没有上部建筑，仅在其上设绿化或娱乐等场地。本文引用的地下两层工程背景就属于这类工程，它充分利用了原小区住宅之间的空地，建成后不仅解决了小区住户停车难和缺少运动场地的问题，而且对周边已有建筑的采光和使用功能无任何影响。
本文结合昆明某地下两层车库(没有上部结构)工程设计和施工实例，在基坑支护设计采用的临时悬臂支护结构未被作为工程永久结构显得不经济的背景下，提出“能否充分利用悬臂支护桩作为抗拔桩，从而降低工程造价”的问题。于是结合本工程，设计和施工技术管理人员围绕“如何实现悬臂支护桩兼作抗拔桩”的技术问题，对工程的设计和施工展开了系统的分析、研究和叙述。不妥之处，请给予多多指教。

白永云
2007年8月19日

第一章 绪论

1.1 本文研究的工程背景和问题的提出
1.1.1 研究的工程背景
① 工程概况
昆明某地下两层车库，工程设计属无梁式框架剪力结构，±0.000m(相当于绝对高程1895.191m)以上设计为环境绿化，没有上部结构。顶板覆土厚0.5m，之上设有篮球场、门球场、绿地，建筑面积6561.72m2，建筑平面为矩形，长×宽=67.8×47.9m, 设置纵横两条后浇带，层高均为3.45m，小汽车停车位180辆。8度二级抗震设防，Ⅲ类场地土。
工程位于原住宅小区内，其中三面距离80年代修建的原有砖混结构建筑较近，东面距第32栋——6层(基础为4.5m长预制桩)6m，南面距第30、34栋——6层(基础为4.5m长预制桩)7m，北面距第13栋——7层(基础为6m长预制桩)7m，其平面位置及原有建筑沉降观测点位如图1.1所示：

图1.1 地下车库及原有建筑沉降观测点平面图
Figer 1.1 Plan of original monitoring point for sedimentation

② 工程地质、水文条件
本工程场地地形平坦，地面高程变化在1895.26～1895.79m之间。场地位于滇池盆地中部，盘龙江Ⅰ级阶地之东缘部位，属准平原地貌。根据岩土工程报告，场地地基土的特征及物理力学性质综合取值见表1.1：

表1.1 场地地基土的特征及物理力学性质综合取值表
Table 1.1 Values of soil mechanical characters
土层编号
土层名称
土层特征
天然
重度
γ
kN/m3
内聚
力C
(kPa)
内摩
角φ
(度)
渗透
系数
K
(m/d)
极限
侧阻
力标
准值
qsk
(kPa)
极限
端阻
力标
准值
qpk
(kPa)
①
杂填土
褐、褐红色，可塑状态，湿，结构疏松，上部混较多的碎石及砖瓦屑，欠均匀。
17.8
15.0
9.6

15

①1
有机质粘土
褐黑色，软塑状态，很湿，高压缩性，呈透镜状分布。
15.3
12.0
6.6

9

②
粉质粘土
褐黄夹浅灰，夹褐红等色，可塑状态，湿，中偏高压缩性。局部结构疏松，含少量铁、锰质结核或粉状物。
18.4
16.0
14.6

40

③
混园砾粉质粘土
褐黄色，稍密为主，局部松散，饱和，d>2mm=33—45%(平均值38)，砾石成分为砂岩及玄武岩，中—强风化，粒径一般在5—20mm；充填物为可塑—软塑状态的粉质粘土或粉土，偶夹厚约3cm的铁锰质胶结层。
20.0
12.64
50

60

③1
粘土
褐黄色，稍密，湿，中压缩性。混少量砾石，呈透镜体分布于③层顶、底部位。
18.8
11.0
24.9

35

③2
粘土
浅灰色，软塑状态，湿，中偏高压缩性，呈透镜体夹于③层内。
18.0
9.6
15.0

35

④
粘土
蓝灰色，可塑状态，湿，中压缩性，含少量钙质结构，偶夹0.1m左右厚的泥炭质土。
18.6
16.0
15.7

50

2000
④1
粉土
兰灰、灰色，稍密，湿，中压缩性，呈透镜体零星分布于④层内。
19.1
9.0
23.0

45
2000
⑤
粉土
暗灰色，中密，湿，中压缩性。含少量钙质结核和少许植物残骸及有机质星点。
19.1
10.0
21.1

60
2500
⑤1
粘土
灰、蓝灰色，可塑状态，湿，中压缩性，呈薄层状或透镜体零星分布于⑤层内。
19.3
15.0
18.1

50
2000

根据岩土工程报告，场地地下水属孔隙型潜水，主要存在于③层混圆砾粉质粘土及⑤层粉土层内，微具承压性。稳定水位在地面以下1.34m，即车库顶板下0.831m处。水位变化主要受大气降水的影响，地下水对钢筋混凝土不具腐蚀性。
岩土工程报告称，根据场地地层结构、土的工程地质特性及新建地下车库的结构特点，按基坑挖深度8m考虑，估算基坑降水的水文地质参数为渗透系数K=12.64m/d，基坑影响半径R=90m，基坑涌水量Q=362.5m3/d。
③ 原设计概况
本工程原设计基础为柱下抗拔桩+筏板基础，筏板厚0.45m。抗拔桩采用静压沉管灌注桩，抗拔桩及锚桩均为单打桩，抗拔桩承载力设计值≥390kN。抗拔桩直径为φ500，长11m，桩尖进入地质报告第⑤层粉土，共计158棵抗拔桩，抗拔桩砼标号C20。抗拔桩及结构沉降观测点平面布置如图1.2所示：

图1.2 抗拔桩及结构沉降观测点平面图
Figer 1.2 Plan of monitoring point for Tension Pile sedimentation

根据工程地质、水文条件，施工方经计算编制了深基坑支护施工方案，经监理、建设等相关方批准并确定采用悬臂式排桩支护结构。由于工程抗拔桩设计为静压沉管灌注桩，悬臂支护桩也采用静压沉管灌注桩，经计算确定采用直径φ600，桩长15～16m共计197棵静压沉管灌注桩作为悬臂支护结构，悬臂支护桩设计主要内容分述如下：
北面——桩径φ600，桩长15m、16m，桩距1.8m、1.7m；
东面——桩径φ600，桩长16m，桩距1.6m；
南面——桩径φ600，桩长15m，桩距1.5m、1.7m；
西面——桩径φ600，桩长15m，桩距2m；
为了降低由于降水对周边建筑物的影响以及坑外水体对坑壁的侧向压力，基坑外围设置单排φ500＠350(桩间搭接0.15m)深搅水泥搅拌桩止水帷幕止水，桩长12m，水泥掺入量为65kg/m。并设坑内集水坑和坑外降水井降水，坑外布设8口φ800人工挖孔降水井，水位降至坑底以下约1m，井深8.0m。见图1.3原设计基坑支护及降水平面图。

图1.3 原设计基坑支护及降水平面图
Figer 1.3 Plan of original foundation shoring and drainage

1.1.2 问题的提出
① 问题提出的背景
按原设计方案，施工方在自然地面上进行静压沉管灌注桩试桩发现，沉管不能通过③层混园砾粉质粘土。经分析，③层混园砾粉质粘土除含砾石成分外，还含有充填物为可塑—软塑状态的粉质粘土或粉土，偶夹厚约3cm的铁锰质胶结层。后虽采用空管扰土等措施，仍不能通过③层混园砾粉质粘土。因此，工程抗拔桩和悬臂支护桩成桩方式采用静压沉管灌注桩不可行。
由于主体结构仅为两层地下车库，没有上部结构，基坑支护所采用的悬臂支护结构占工程造价的比例相对于有上部结构的工程较大，显得不经济，于是“能否充分利用悬臂支护桩作为抗拔桩，以减少筏板下工程抗拔桩的数量，从而降低工程造价呢？”的问题被提出来了。
笔者亲自主持了本工程的技术管理工作，这是一个大胆的设想和创新，但将悬臂支护桩兼作抗拔桩的应用却查不到相关资料可资借鉴和参考，于是结合本工程，设计和施工技术管理人员围绕“如何实现悬臂支护桩兼作抗拔桩？”的问题，对工程的设计和施工方案展开了系统的分析和研究。难得的是，这个研究课题随即应用于工程，以接受实践的检验。这样的设想经设计院结构工程师和施工技术人员进行了一定的验算和复核后，对该工程基础抗拔桩和基坑支护结构进行设计变更。
② 变更内容
工程设计变更的内容是将原设计工程抗拔桩由静压沉管灌注桩改为钻孔灌注桩，抗拔桩直径由500mm改为1200mm，桩长由11m改为5m，总桩数由158棵改为56棵。其抗拔能力由悬臂支护桩作为补充，为保证充分利用悬臂支护桩的抗拔力，在不更改地下二层车库的相对位置和几何尺寸的前提下，将四周悬臂支护桩向地下室外墙靠拢贴紧。同时，补充设计了悬臂支护桩与地下室外墙的连接接点大样。
悬臂支护桩也由静压沉管灌注桩改为钻孔灌注桩，悬臂支护桩直径由静压沉管灌注桩600mm改为钻孔灌注桩1200mm，桩长由15～16m均改为17m，总桩数由197棵改为84棵。北面桩距由1.8m、1.7m改为2.6m、2.7m和3.0m，东面桩距由1.6m改为3.0m，南面桩距由1.5m、1.7m改为2.6m、2.7m和3.0m，西面桩距由2m改为3.0m。
止水帷幕桩基本未进行更改，仍为基坑外围设置单排φ500＠350(桩间搭接0.15m)深搅水泥桩止水帷幕止水，桩长12m，水泥掺入量为65kg/m。但由于将四周悬臂支护桩向地下室外墙靠拢贴紧，止水帷幕桩也向坑内平移(平移后止水帷幕桩与悬臂支护桩的桩心距为1.55m)，同时也让开了基坑边化粪池，故止水帷幕桩的数量大大减少。
由于止水帷幕桩与悬臂支护桩的桩心距仅为1.55m，净距仅为0.65m，故已不具备坑外布设降水井的条件，仅设置坑内降水井进行降水。设计变更后的情况如图1.4所示。

图1.4 实施性基坑支护及降水平面图
Figer 1.4 Plan of implementary foundation shoring and drainage

③工程实施情况
工程施工按变更后的方案实施，施工进展一直很顺利，直到地下车库主体结构封顶、内粉刷施工完，仅剩下厚0.5m顶板覆土未填之时，经征得设计院书面同意，施工方浇灌纵横两条后浇带以后，发现地下车库砖砌体产生局部裂缝。建设方随即要求省地震局形变测量中心加大观测频率发现，地下车库由均匀沉降反弹为不均匀上浮。
不均匀上浮事故发生后，经相关方及省地基与基础结构专家组共同分析产生不均匀上浮的原因，并确定了处理措施。按照确定的处理措施组织施工，施工结束经观测沉降已稳定，并经雨季和两年多的检验证实该成果和处理措施有效。

1.2 本文研究的意义
对于没有上部结构的地下建(构)筑施工，基坑支护结构占工程造价的比例相对于有上部结构的工程较大，显得不经济，能否充分挖掘和利用临时支护结构为工程所用，对实现经济效益和社会效益具有重要意义。
本文结合工程实际，通过对悬臂支护桩兼作抗拔桩的设计和施工进行认真细致的研究分析，对悬臂支护桩、抗拔桩以及悬臂支护桩兼作抗拔桩分析的方法、施工方法和施工经验将对今后拟建的没有上部结构的地下建(构)筑和其它类似工程在设计和施工过程中有一定的借鉴作用，并对类似地下建(构)物上浮问题的分析和处理也具有一定的参考价值。同时，对悬臂支护桩兼作抗拔桩的研究和运用也具有重要意义。
对悬臂支护桩兼作抗拔桩方面的研究和应用未见相关资料，本文关于悬臂支护桩兼作抗拔桩的研究成果和应用对该领域研究若能起到抛砖引玉的作用，则这项技术将得以不断完善和得到推广应用。
本文关于悬臂支护桩兼作抗拔桩的研究符合国家节能的产业政策，有利于进一步推动关于节能产业的发展。

1.3 国内外研究现状
国内外有关学者和工程技术人员对悬臂支护结构、工程抗拔桩的研究已比较成熟,并形成了一定的理论计算依据和技术规范，国内外相关领域计算机工程师还开发了多种相应的设计计算软件供工程技术人员使用。
对于没有上部结构的地下建(构)筑由于抗拔力不足而出现的上浮和结构破坏现象，国内外众多相关资料均有显示，对地下建(构)筑上浮和结构破坏进行理论分析研究和施工注意事项的实例也不少见。
但是国内外有关学者和工程技术人员对悬臂支护桩兼抗拔桩的分析研究和应用未查见相关的研究资料和运用实例，对临时支护结构作为工程永久结构、为工程所用的研究和应用是一个较新的课题。

1.4 本文研究的主要内容
本文结合昆明某地下两层车库(没有上部结构)工程设计和施工实例，在基坑支护设计采用的临时悬臂支护结构未被作为工程永久结构显得不经济的背景下，提出“能否充分利用悬臂支护桩作为抗拔桩，从而降低工程造价呢？”的问题。于是结合本工程，设计和施工技术管理人员围绕“如何实现悬臂支护桩兼作抗拔桩？”的技术问题，对工程的设计和施工展开了系统的分析、研究和叙述。
本文首先对悬臂支护桩和抗拔桩的计算原理和设计方法进行系统分析和阐述后,对悬臂支护桩兼抗拔桩进行了研究分析,并对悬臂支护桩兼抗拔桩与结构连接节点设计进行了叙述。
其次、文章对悬臂支护桩兼抗拔桩的施工进行系统描述。内容包括悬臂支护桩兼抗拔桩施工工艺原理、悬臂支护桩和抗拔桩采用人工挖孔桩(试挖)的施工方法、悬臂支护桩和抗拔桩采用钻孔灌注桩的施工方法以及地下水控制的原理和设计方法进行了阐述。
然后，针对地下车库产生不均匀上浮的现象进行认真的验算和综合分析，并针对产生不均匀上浮的原因确定了相应的处理措施。
再后，文章对悬臂支护桩兼抗拔桩的施工效果进行阐述包括悬臂支护结构的桩顶位移、地表沉降、地下水位监测和地下车库产生不均匀上浮的现象后对地下车库的沉降观测记录等。
最后，对本文研究结论进行概括，即“悬臂支护桩兼作抗拔桩技术是可行的”和“地下结构的局部抗浮力是不容忽视的问题”，文章还对今后需继续研究的悬臂桩兼抗拔桩和对地下车库抗浮措施的问题进行了展望。

第二章 悬臂支护桩兼作抗拔桩的设计计算分析

2.1 悬臂支护桩的设计方法与计算原理
为保证基坑施工安全，建设部于2003年发布了《建筑工程预防坍塌事故若干规定》建质[2003]82号文，界定深基坑是开挖深度H＞5m或H≤5m但地质情况和周边环境较复杂的基坑。悬臂支护桩是建筑工程深基坑施工中常用的一种支护形式，自1999年9月1日起施行的《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99就已对悬臂支护桩的设计与施工作出了相应的规定,通常在悬臂支护排桩顶设置冠梁以增强其整体刚度，协同受力。对于本工程来说，保证地下室顺利施工和合理利用悬臂支护桩作为抗拔桩的基本前提是基坑支护结构安全可靠，因此有必要首先对悬臂支护桩进行分析。
2.1.1 悬臂支护桩的计算原理
悬臂支护桩主要依靠嵌入土内深度，以平衡上部地面荷载、水压力及主动土压力形成的侧压力，因此计算插入深度至关重要，其次计算悬臂支护桩所承受的最大弯矩，以便核算悬臂支护桩的截面及悬臂支护桩直径和配筋［1］。
悬臂支护桩结构计算采用弹性地基梁方法计算较符合实际，但弹性地基梁方法是建立在“弹性”基础上，当所取计算参数正确且计算限于“弹性”阶段时其结果较为合理，而土层是弹塑性材料，弹性地基梁解的正确与否取决于计算出的基坑内侧土抗力是否超过某一限值如标准值，而悬臂支护桩结构嵌固深度在一定范围内时，增加嵌固深度具有降低侧向抗力峰值及峰值作用点下移的作用。因此，以被动土压力为极限条件确定嵌固深度基本能达到按此嵌固深度计算出的弹性地基梁基坑内侧应力小于或少量超过被动土压力的要求，即按简化的塑性条件来确定弹性理论计算的基本嵌固深度［2］。
2.1.2 悬臂支护桩的设计方法
① 悬臂支护桩嵌固深度的计算［2］
悬臂支护结构嵌固深度计算简图如图2.1所示。

图2.1 悬臂支护结构嵌固深度计算简图
Figer 2.1 Computation sketch of inlaid depth for the Cantilever Bearing foundation shoring structure

悬臂支护桩嵌固深度设计值hd宜按下式确定:
(2.1)
式中 ∑Epj---桩底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值epjk的合力之和；
hp---合力∑Epj作用点至桩底的距离；
∑Eai---桩底以上基坑外侧各土层水平荷载标准值eaik的合力之和；
ha---合力∑Eai作用点至桩底的距离；
0---建筑基坑侧壁重要性系数，按表2.1选用。

表2.1 基坑侧壁安全等级及重要性系数
Table 2.1 factors of foundation safety and importance
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
若按式2.1确定的悬臂式支护结构嵌固深度设计值hd＜0.3h时，取hd=0.3h。当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压时，侧向截水的排桩除满足上述规定外，嵌固深度设计值尚应满足式2.2抗渗透稳定条件：
(2.2)
② 悬臂支护结构抗滑移、整体稳定性、抗隆起验算
根据对悬臂式支护结构当c=0，为50～450变化范围的各种极限状态计算结果，嵌固深度系数如图2.2，从图可见在极限状态下要求嵌固深度大小的顺序依次是抗倾覆、抗滑移、整体稳定性、抗隆起，而按式2.1抗倾覆要求确定的嵌固深度，基本上都保证了其它各种验算所要求的安全系数［2］。因此，除特殊情况外按式2.1确定悬臂支护桩嵌固深度后，不需要再对其进行抗滑移、整体稳定性、抗隆起的验算。
当然，对于特殊情况也可对悬臂支护桩进行抗滑移、整体稳定性、抗隆起的验算，安全系数可按表2.2确定。

图2.2 嵌固深度系数图
Figer 2.2 Figer of factors on inlaid depth
表2.2 悬臂式支护结构抗滑移、整体稳定性、抗隆起安全系数
Table 2.2 Safety factors of Cantilever Bearing foundation shoring structure
验算内容
依 据
安全系数K
抗滑移
《建筑地基基础设计规范》( GB50007-2002)中5.4关于地基稳定性采用圆弧滑动面法进行抗滑移验算公式
1.2
整体稳定性
《建筑地基基础设计规范》( GB50007-2002)附录T“桩式、墙式悬臂式支护结构计算要点”中关于悬臂支护结构抗整体倾覆稳定性验算公式
1.3
抗隆起
《建筑地基基础设计规范》( GB50007-2002)附录V，当基坑底为软土时，验算坑底土抗隆起公式
1.6

1) 悬臂支护桩抗滑移验算
悬臂支护桩抗滑移验算可采用圆弧滑动面法进行验算， 最危险的滑动面上诸
力对滑动中心所产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式的要求：
MR/MS≥1.2 (2.3)
式中 MR——抗滑力矩；
MS——滑动力矩。
2) 悬臂支护结构抗整体倾覆稳定性验算
当支护桩下端不是淤泥土的情况下，悬臂支护结构抗整体倾覆稳定性可按式(2.4)确定(图2.3)：
≥1.3 (2.4)
式中 Ep、hp——分别为被动侧土压力的合力及合力对支护结构底端D点的力臂；
Ea、ha——分别为主动侧土压力的合力及合力对支护结构底端D点的力臂。

图2.3 支护结构计算简图
Figer 2.3 Computation sketch for shoring structure

3) 基坑底抗隆起稳定性验算
当基坑底为软土时，应验算坑底土抗隆起稳定性。支护桩(墙)端以下土体向上涌起，可按式(2.5)验算(图2.4)：
  ≥1.6 (2.5)
  式中 Nc —承载力系数；
τo — 抗剪强度，由三轴不固结不排水试验确定，kPa；
γ—土的重度，kN/m3；
hd —支护结构入土深度，m；
h —基坑开挖深度，m；
q —地面荷载，kPa。

图2.4 基坑底抗隆起稳定性计算简图
Figer 2.4 Computation sketch for anti-arch of foundation pit

③ 悬臂支护桩内力与截面承载力计算
悬臂支护桩内力计算是比较复杂的的问题，较为合理的计算模型是考虑支护结构——土——支点三者共同作用的空间分析，因此采用分段平面问题计算。为便于计算，排桩计算宽度取桩中心距。
目前我国支护结构设计中常用的方法可分为弹性支点法与极限平衡法。工程实践证明，当嵌固深度合理时，且有试验数据或当地经验确定弹性支点刚度时，用弹性支点法确定支护结构内力较为合理。但由于有时不具备弹性支点法计算条件及不同分析方法对简单结构计算误差很小的事实，也可按极限平衡法进行计算。
支护结构分析应按工况计算，并考虑开挖的不同阶段及施工过程。对悬臂支护结构，通常按受弯构件进行计算。悬臂支护结构的最大弯矩位置在基坑面以下，可根据剪力为零的条件确定。
圆形截面悬臂支护桩配筋按《建筑基坑支护技术规程》( JGJ120-99)附录D时可采用沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋。通常按沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋，如图2.5所示。其圆心角(rad)与2的比值按表2.3选定。

图2.5 局部均匀配筋和集中配筋圆形截面图
Figer 2.5 Round section of steel bars

配置在圆形截面受拉区的纵向钢筋的最小配筋率(按全截面面积计算)不宜小于0.2%。在不配置纵向受拉钢筋的圆周范围内应设置周边纵向构造钢筋，纵向构造钢筋直径不应小于纵向受力钢筋直径的1/2，且不应小于10mm，纵向构造钢筋的环向间距不应大于圆截面的半径和250mm两者的较小值，且不得少于1根。

表2.3 圆心角(rad)与2的比值
Table 2.3 Ratio between RAD and 2
位置
钢筋配置方法
圆心角(rad)与2的比值
受拉区
周边配置局部均匀受拉纵向钢筋
1/6～1/3，通常可取定值为0.25
受压区
周边配置局部均匀受压纵向钢筋

2.1.3 悬臂支护桩冠梁的作用与设计
桩顶冠梁对各支护桩起边结成整体的作用，在基坑开挖时使各桩协调受力。而矩形基坑圈梁在边角处交圈，圈梁本身就起到支顶的作用。
圈梁本身是受力的，北京地区多次对桩顶冠梁纵向主筋和架立筋应力进行实测，结果表明圈梁确系受力构件［1］，圈梁应看成支护结构的重要部分，应在圈梁混凝土强度达到70%以上时方能开始挖土。
冠梁设计时应考虑其在平面上各点的不同变形与排桩的变形协调作用，采用空间作用协同分析方法进行分析。按多跨连续梁进行计算冠梁的弯曲应力。
2.1