第４１卷第３期 ２０１５年６月 Ｉ・』之材 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｅ Ｍａｔｅｒｉ Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１５ 几种基坑支护方法及其设计计算 刘 飞 ，刘建满 （１．驻马店市科源建设工程质量检测有限公司，河南驻马店４６３０００； ２．驻马店市建设职工培训中心，河南驻马店４６３０００） 摘要：常见的基坑支护方法有水泥土挡墙支护，悬 ｏ 臂桩支护，桩锚支护，土钉墙支护。本文对以上方法的设 计过程进行了分析与总结，并以实际工程为例进行设计计 算，为今后的支护设计计算提供依据。 关键词：基坑支护；悬臂桩；桩锚支护；土钉墙 中图分类号：ＴＵ７５３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（２０１５）０３—００８７—０３ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４０１１．２０１５．０３．０４４ ０前言 随着中国高层和超高层建筑的发展，基坑工程不仅在 数量增多，而且深度也向着更深的方向发展。基坑工程不 仅保证围护结构的安全，而且要满足邻近建筑物的安全， 因此，基坑支护在建筑工程中作用越来越重要。本文对基 坑工程常用支护方法的设计计算进行了分析与总结。 １水泥土挡墙 １．１水泥土搅拌桩 水泥土搅拌桩以水泥、石灰为固化剂，利用搅拌机械 对软土和固化剂进行强制搅拌，使之产生的一系列物理、 化学反应，从而使软土硬结成具有一定强度、整体性和水 稳性的桩体，它是加固软土地基的一种方法。软土与水泥 搅拌发生的主要化学反应有：①水泥的水解和水化反应； ②黏土颗粒与水泥水化物的作用；③碳酸化作用。 １．２计算步骤 １）计算土压力：土压力采用朗肯土压力理论。 被动土压力的计算： 。＝ｔａｎ （４５＋ ／２） （１） 主动土压力的计算： ｋ。＝ｔａｎ （４５一 ／２） （２） ２）计算挡墙宽度：根据经验 ，已知基坑埋深，嵌固 深度取基坑深度进行计算，假设水泥土墙底部位于碎石土 或砂土，按《建筑基坑支护技术规程》 挡墙宽度计算公 式： ｍ ・２ 笼 “ （３） 由此计算出挡墙的宽度。 ３）验算整体稳定性：根据ＪＧＪ １２０—９９（建筑基坑支护 技术规程》中条分法的计算方法，进行水泥土挡墙的整体稳 定验算： 作者简介：刘飞（１９８５一），男，河南泌阳人，本科，助理工程师，主要从 事建筑工程材料检测工作。 图１水泥土一挡墙整体稳定验算 ２悬臂桩设计 ２．１计算方法一静力平衡法 计算土压力随深度变化的主被动土压力，画出桩在不 同深度的净土压力曲线，当桩两侧净土压力为零时，悬臂 桩处于稳定状态，桩此时的入土深度即为桩的嵌固深度。 根据静力平衡：水平方向的力：∑Ｈ＝０，桩底截面的力矩： ∑Ｍ＝０，联立求解嵌固深度。 ２．２计算步骤 １）土压力计算：采用朗肯土压力理论。 ２）列方程求解嵌固深度： 由∑Ｈ＝０，∑Ｍ＝０可得式（５）和式（６）： Ｅ。＋［（ｅＰ３一ｅ ）＋（ｅ 一ｅ以）］÷一（ｅＰ３一ｅ ） ＝０ （５） Ｅ （ｔｏ＋ｙ）＋［（ 一ｅ ）＋（ｅＰ２一ｅⅡ２）］寺手一（ 一 ｅ ）ｅ口３ Ｊ ｔｏｔ ｏ 了 ＝０ （６） 由上两式求解ｔ。，ｔ。＋ｕ即为嵌固深度。 图２ 静力平衡法计算悬臂板桩 ３）配筋：主要是纵筋和箍筋的配置，计算出桩截面的最 ・８７・ Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１５ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｅ Ｍａｔｅｒｉ以 ＪｌＪ迂材 第４ｌ卷第３期 ２０１５年６月 大弯矩、最大剪力，根据规范即可配筋。计算出最大弯矩和 剪力后，由ＪＧＪ一２００２｛混凝土结构设计规范》 ３ 规定的公式 Ａ ≥ ／ｆ，ｃｏｓ０ （１８） （３）锚杆长度计算，一般选用扩端直径的锚杆，包括自 由段和锚固段，见图３。 计算配筋： 纵筋计算公式： Ｍ＝２／３ ｘＬ ｒｊ ｓｉｎ （＂／ＴＯ／）＋ｆｙＡ ｒ （ｓｉｎ（７ｒ ）＋ｓｉｎ（７７＂／Ｏ ））／７ｒ （７） 自由段计算： ｆ，＝ｚ ｓｉｎ（４５。一０．５ ）／ｓｉｎ（４５。＋０．５４， ＋０） 锚固段长度计算： （１９） 配箍计算公式： Ｖ＝０．７Ｌｂｈ０＋１．２５ｆｙｖ ｌｈｏ／ｓ 移公式 Ｊ： （８） ＝７ｒ［ｄ∑ｑ＊ｉｋｚ ＋ｄ ∑ｑ，ｊｋ ＋２ｃ （ｄ。 一ｄ ）］（２０） ６）锚杆稳定验算： ４）位移计算：基坑底部以下位移及内力按ｍ法计算，位 ＝ｘｏＡ１＋ ０Ｂ１／ａ＋ＭｏＣ１／ａ Ｅ１＋ＱｏＤ１／Ｏ／ Ｅ１ （９） （１）验算范围：连接锚杆锚固段中点ｃ与桩的净土压 力为零的点，过ｃ点作竖直线交地面于ｄ，如图３中直角梯 基坑上部位移由下式 计算： △ ＝∞ ＋［Ｑ６＋Ｑ（ｆ—Ｙ ）］６Ｍ＋Ｑ６（ｚ—Ｙ ）６ ＋ １４／１２０ＥＩ｛５ｑ１［３—４（ｙ ／１）＋（ ／ｆ） ］＋ｑ０［４—５（ｙ＇／１）＋ （ｙ ／ｆ） ］｝ （１０） ３桩锚支护设计 桩锚支护支反力计算有两种方法：①单支撑悬臂桩： 等值梁法或规范法，原理是令桩截面处土压力为零点的弯 矩为零，由弯矩为零可求得单支撑的轴向力；②多道支撑 悬臂桩：ｍ法，即位移法。以三个支撑为例，采用力法求 解时，去掉支撑，置以三个反力Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 为基本未知量， 从而使三次超静定结构成为静定结构。由ｏ、ｂ、ｃ三个支点的 水平变位为零，建立方程式： Ｒ。６ ＋Ｒ６６ ６＋Ｒ ＋△ ＝０ （１１） Ｒ ６ ＋Ｒ６ ＋Ｒ ６６。＋△幻＝０ （１２） Ｒ ６ 。＋Ｒ６占。６＋Ｒ。占 ＋ｋ。＝０ （１３） 式中Ｒ。、Ｒ 、Ｒ 为三个支点反力。 ６，埘一在Ｒａ：１作用下，基本体系沿 方向的变位。 ６ ６ ６ 的含义与６ 的意义类似，此处不再 一一论述。 △ 、△ △ 一基本体系在土压力作用下，沿Ｒ。、Ｒ 、Ｒ 方向的变位。 联立上述方程求解Ｒ 、Ｒ 、Ｒ 。 下面以采用单支撑为例，按规范法进行装锚支护设计， 计算过程如下： １）采用朗肯土压力理论计算土压力； ２）求支反力：首先根据经验确定支点力位置；其次求 净土压力强度为零的位置，此位置弯矩为零，对此位置求 矩，计算出锚杆处支反力： 。＝（ 。∑Ｅ 一 。∑ ）／（ 一ｈ 。）＝（∑ｅ。ｈ 一 ∑ｅ ）／（ｈｎ＋ｈｃＩ） （１４） ３）验算嵌固深度： 据规范，嵌固深度验算公式： ｈ ∑Ｅｐ 十Ｔｃ。（ ＋ｈｄ）一１．２ｒｏｈ ∑Ｅ ≥０ （１５） ４）计算配筋：原理同悬臂桩支护。 ５）锚杆设计： （１）锚杆轴向力设计，根据规范： ＝１．２５ｒ０ （１６） 式中， 为计算得出的支反力。 ≤Ｎ ｃｏｓ０ （１７） 式中，Ｎｕ为锚杆轴向力；０为锚杆与水平面的夹角，经验 取值，一般取２０。。 （２）配筋计算，根据规范： ・８８・ 形即为锚杆稳定的验算范围。 （２）受力分析：锚杆轴力Ｒ，地面超载ｑ及土重Ｇ： 作用于桩上的主动土压力Ｆａ，ｃｄ面上的主动土压力Ｆｅｄ， ｂｃ面上的合力Ｆｂｅ，包括支持力和一部分剪力组成；以上 力系组成闭合力多边形，可以求出锚杆拉力。 图３锚杆整体稳定验算 ４土钉墙支护 ４．１土钉墙 土钉墙支护是将密排的细长杆件置于土体中，并在坡 面上喷射钢筋网混凝土面层，通过土钉、土体和喷射混凝 土面层共同工作，形成复合土体。土钉墙支护充分利用土 层的自承力，形成自稳结构。 ４．２土钉墙设计 １）土压力的计算：朗肯土压力理论； ２）土钉长度的计算：如图４，土钉长度计算分破裂面 以内的长度和破裂面以外的长度。根据几何关系求破裂面 以内的长度；规范公式求解破裂面以外的长度。 ｑ＝１０ ，‘‘Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ‘‘ ， ～ 一 图４土钉长度计算 第４１卷第３期 ２０１５年６月 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎ，￣Ｍａｔｅｒｉ Ｉ・Ｊ迂材 Ｖｏ１．４１，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１５ １．２５ｒｏＴ￣≤ ＝１ｒｄ ∑ｑ，ｉ￣ｌ ３）土钉的配筋，配筋公式： （２１） 水平间距Ｓ ｉ＝１．０ ｍ，竖直间距为Ｓ ＝１．５ ｍ，对于１２．５５ ｉｎ基坑可设置８排土钉，土钉墙支护参数如表１所示。 表１ 土钉墙支护参数 Ｔｉ ＝１．１￣＇ｄ２ｆＪ４ （２２） ４）土钉墙的整体稳定验算，根据规范公式进行验算： ｓ （ ｇ０６ ）ｃｏｓ 触 ＋∑＝ｃｏｓ（ ｊｌ）＋寺ｓｉｎ（ ＋ｏｊ）ｔｇ￣ｏ ５算例分析 砉（ ｉｎ 。 （２３） 此方案经济实惠，施工方便，可采用此方案。 ６结语 河北省邯郸市中一 医院病房楼位于陵园路与中华大街 交叉口。地上１９层，地下２层，建筑面积４ ０８８ ｍ ，建筑 高度为７５．０８ ｍ，安全等级为一级。主体采用框架剪力墙结 １）本文对常见的基坑支护方法的设计计算过程进行了 分析与总结，为今后的支护设计计算提供理论依据。 构，基础为筏板基础，基础占地面积７６×２６ ｍ，基坑深 １２．５５ ｍ，荷载标准值为３６０ ｋＮ。 ５．１水泥土挡墙支护 ２）通过对几种基坑支护方法的设计分析可知，基坑支 护设计主要包括四个方面，即土压力的计算；支护结构尺 寸的确定；支护结构嵌固深度的确定；支护结构整体稳定 性的验算。除此之外，还可能有配筋计算，支护结构位移 的计算，还可能有支护结构角度的确定。 ３）以实际工程算例进行设计。根据介绍的设计方案， 令水泥土挡墙嵌固深度为１２．５５ ｍ，经计算，挡墙宽度 为８ ｍ，太宽非常不经济，因此不采用此方案。 ５．２悬臂桩支护 对邯郸某基坑进行支护设计，根据计算结果，可采用悬臂 桩加锚杆进行支护，也可采用土钉墙进行支护，两者的区 别在于桩锚支护为一级基坑支护方案，土钉墙为二级支护 方案，根据邯郸病房楼基坑情况，基坑有一侧存在已建建 经计算，悬臂桩支护时嵌固深度为１４ ｍ，桩径为１．２ Ｉｎ，嵌固深度太大，还是不经济，因此不采用此方案。 ５．３桩锚支护 经计算，桩的嵌固深度为８．４２ ｍ，桩径为１．２ ｒｆｌ，桩 筑，因此此面采用桩锚支护，其余三面采用土钉墙支护。 ［ＩＤ：００２０５２］ 参考文献 的尺寸合适；桩的配筋：选２ｌ根，直径２５ ｍｍ二级筋，间 距６０ ｍｍ；箍筋０８＠２５０。锚杆与水平面的夹角取经验值 ２０。，锚杆的长度分为扩端和非扩端，非扩端直径为０．１ ｍ， 长度１５ ｍ；扩端直径为０．１８ ｍ，长度１０．３ ｍ；锚杆总长 ２５．３ ｍ，配筋为２根二级钢筋，直径２８ ｍｍ；可采用此方 案。 ５．４ ｉ钢墙丈护 ［１］陈忠汉．深基坑工程［Ｍ］．２版．北京：机械工业出版社，２００３． ［２］ＪＧＪ１２０—９９建筑基坑支护技术规程［Ｓ］． ［３］ＧＢ ５００１０２—２００２混凝土结构设计规范［Ｓ］． ［４］ 齐平，魏翠玲，顾志强．基坑有限元模拟及桩水平位移的影响分 析［Ｊ］．路基工程，２００９，２７（１）：１３８—１４０． 锚杆与水平面的夹角取经验值１０。，根据规范，设土钉 （上接第８６页） ３．４钻孔测斜成果及变形观测分析 不吸浆，与灌前透水率相吻合。当灌浆压力在２．０～４．０ ＭＰａ之间时，岩体裂隙充填物充分挤密，发生弹性变形， 注入水泥量占总注入量的２９％，当压力继续升高，在４．０ ６．０ ＭＰａ时，水泥注入量占６０％，岩石裂隙呈扩张状态， 吃浆量增大，裂隙被水泥浆液充分充填，岩石渗透性降低， —钻孑Ｌ均朝上游方向偏斜，在开孔段和终孔段均测斜， 中间段每间隔１０ ｍ测一次，计算偏距、偏斜角和方位角 值。偏距范围在０．２９ ｍ～０．７４ ｒｆｌ之间；顶角偏差值在 ０．２９。～０．７４。范围之间，方位角偏差值在一０．２４。～２．０８。之 间，均满足设计要求。 ｌ８孑Ｌ ３９６段从钻孔裂隙冲洗、压水、灌浆及封孔过程 中，均密切进行岩石抬动变形观测分析，各孔段灌浆正常， 岩石未发生抬动变形。 ３．５灌浆水灰比分析 灌浆过程中采用设计规定的比级浆液灌注，试验段３９６ 个灌浆段，使用一个比级灌浆结束的孔段有１３３段占３４％， ２６３段占６６％的孔段使用了两个及两个以上的比级灌注。 使用稀浆（水灰比５：１、３：１、２：１）结束的孔段有３０７段，占 同时也反映岩体透水率低而水泥注入量大的原因。 ４结论与建议 １）在６．０ ＭＰａ高压状态下采用“自上而下孔口封闭孔 内循环”施工工艺满足施工要求，抬动均在控制范围内，达 到设计防渗要求，效果良好。 ２）孔排间距、孑Ｌ段划分、灌浆材料、浆液配比和灌浆 结束标准等灌浆参数符合本工程施工，选用ＸＹ一２型钻 机、３ＳＮＳ高压灌浆泵及配套设备具备施工生产能力。 ７８％，使用浓浆（水灰比１：１、０．８：１、０．５：１）结束的孔段有８９ 段，占２２％，说明该部位岩石裂隙大多为微细裂隙，部分 为宽大裂隙。在灌浆过程中变浆是否合理，直接影响灌浆 效果。 ３．６灌浆压力分析 ３）建议右岸坝基帷幕灌浆压力按峰值控制，即６．０ ＭＰａ为最大峰值，根据技术要求规定压力摆幅２０％，灌浆 压力为４．８～６．０ ＭＰａ，但平均灌浆压力不宜低于５．０ ＭＰａ。 ４）建议帷幕灌浆结束标准调整为：各灌浆段在设计压 力下，注入率小于１ Ｉ／ｍｉｎ后，持续１ ｈ，即可结束灌浆， 对达到设计压力后总灌注时间不予限制。 ［ＩＤ：００１９９１］ 由资料可以看出，灌浆压力小于２．０ ＭＰａ时岩体基本 ・８９－