基坑围护设计手册基坑围护设计手册目录1 土压力1.1 库仑土压力1.2 朗肯土压力1.3 特殊情况下的土压力1.4 《建筑基坑支护技术规程》土压力1.5 工程实测土压力1.6 土压力计算模型2 基坑稳定性2.1 土坡稳定性2.2 围护结构整体稳定性2.3 基坑底面抗隆起稳定性2.4 基坑底面抗渗流稳定性3 土钉墙3.1 概述3.2 《建筑基坑支护技术规程》方法3.3 《建筑基坑工程技术规范》方法3.4 《基坑土钉支护技术规程》方法3.5 王步云建议的方法3.6 冶金部建筑研究总院建议的方法3.7 王长科建议的方法3.8 工程实例4 重力式围护结构5 桩墙式围护结构5.1 桩墙式围护结构的类型5.2 悬臂式围护结构5.3 锚撑式围护结构 6 锚杆6.1 锚杆承载力 6.2 锚杆稳定性1 土压力1.1 库仑土压力1773年,法国科学家库仑做出两项假定,提出了土压力理论。
(1) 墙后填土为砂土(黏聚力c =0);(2) 产生主动、被动土压力时,墙后填土形成滑楔体,其滑裂面为通过墙脚的平面。
1.1.1 主动土压力(图1.1-1、图1.1-2) 库仑主动土压力为:z K e a a γ= (1.1-1)a 2a 21K h E γ= (1.1-2)222a )cos()cos()sin()sin(1)cos(cos )(cos ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-+++-=βρδρβφδφδρρρφK (1.1-3)式中 a e ----主动土压力强度;a E ----总主动土压力; ρ----墙背倾角;β----墙背填土表面的倾角;δ----墙背和土体之间的摩擦角;φγ、----土的重力密度、内摩擦角;a K ----主动土压力系数。
其他符号见图1.1-1、图1.1-2。
1.1.2 被动土压力库仑被动土压力为:z K e p p γ= (1.1-4)p 2p 21K h E γ= (1.1-5)222p )cos()cos()sin()sin(1)cos(cos )(cos ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+++-+=βρδρβφδφδρρρφK (1.1-6)式中 p e ----被动土压力强度;p E ----总被动土压力;p K ----被动土压力系数。
其他符号见图1.1-3。
图1.1-3 库仑被动土压力1.2 朗肯土压力1857年,朗肯假定墙背垂直光滑,根据土的极限平衡理论提出了朗图1.1-1 主动状态下的滑动楔体 图1.1-2 库仑主动土压力肯土压力理论。
1.2.1 朗肯主动土压力朗肯主动土压力强度a p 为:a a a 2K c K e z -=σ (1.2-1))245(tan 2a φ-=K (1.2-2)式中 z σ----垂直向应力;a K ----主动土压系数;φ、c ----抗剪强度指标。
1.2.2 朗肯被动土压力 被动土压力强度p e 为:p p p 2K c K e z +=σ (1.2-3))245(tan 2p φ+=K (1.2-4)式中 p K ----主动土压力系数。
1.3 特殊情况下的土压力1.3.1 坡顶地面非水平时的土压力计算土压力时,先将坡顶地面分解为水平和倾斜面,分别计算,最后在进行组合。
坡顶倾斜时的土压力 φββφβββγ2222a cos cos cos cos cos cos cos -+--=z e (1.3-1)坡顶水平时的土压力 a a K c h z K e 2)('a -+=γ (1.3-2) 如图1.3-1时,经分解和组合,土压力为图中的阴影部分。
1.3.2 坡顶超载作用下的土压力 1. 弹性理论解图1.3-3 线荷载 图1.3-4 条形荷载2. 《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002的规定(图1.3-5)图1.3-1 地面非水平时支护结构上的主动土压力近似计算1.4 《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99土压力《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99采用了朗肯土压力理论,并规定对于碎石土及砂土,采用水土分算;对粘性土及粉土采用水土合算。
当计算基坑底面以下各深度处的基坑外侧主动土压力时,规定竖向自重应力一律采用基坑底面标高处的数值。
1.4.1 基坑外侧竖向应力(图1.4-1)(a)自重压力(b)坡顶均布压力(c)坡顶局部荷载图1.4-1 基坑外侧竖向应力1.4.2 水平荷载(主动土压力)(图1.4-2)(a)线荷载(b)条形荷载图1.3-5 坡顶超载作用下的土压力注:LQ---kN/m;Lq---kN/m2图1.4-2 水平荷载计算简图(1)水土分算(碎石土及砂土) 1) 当计算点位于地下水位以上时:ai ik ai ajk ajk K c K e 2-=σ (1.4-1)2) 当计算点位于地下水位以下时:总应力法:w ai wa wa j wa j ai ik ai ajk ajk K h m h z K c K e γησ])()[(2---+-= (1.4-2))245(tan 2ikai K φ-= (1.4-3)式中 ai K ----第i 层土的主动土压力系数;ajk σ----深度j z 处的总竖向应力标准值,由自重压力和附加应力组成;ik c 、ik φ----第i 层土的黏聚力标准值、内摩擦角标准值(采用总应力指标);j z ----基坑外侧计算点深度;wa h ----基坑外侧水位深度;w γ----水的重力密度;j m ----计算参数,当j z <h 时,取j m =j z ;当j z ≥h 时,取j m =h ; wa η----计算参数,当wa h ≤h 时,取wa η=1;当wa h >h 时,取wa η=0。
有效应力法:j ai ik ai ajk ajk u K c K e +-='2'σ (1.4-4))2'45(tan 2ikai K φ-= (1.4-5)式中 ai K ----第i 层土的主动土压力系数;ajk 'σ----深度j z 处的有效竖向应力标准值; ik c '、ik 'φ----第i 层土的有效黏聚力标准值、有效内摩擦角标准值(有效应力指标);j u ----基坑外侧计算点深度处的水压力;(2) 水土合算(黏性土及粉土)ai ik ai ajk ajk K c K e 2-=σ (1.4-6)1.4.3 水平抗力(被动土压力)(图1.4-3)图1.4-3 水平抗力计算图(1)水土分算(碎石土及砂土)总应力法:w pi wp j pi ik pi pjk pjk K h z K c K e γσ)1)((2--++= (1.4-7) 有效应力法:w pi ik pi pjk pjk u K c K e ++='2'σ (1.4-8)式中 )245(tan 2φ+=p K (1.4-9)(2)水土合算(黏性土及粉土)pi ik pi pjk pjk K c K e 2+=σ (1.4-10)1.5 工程实测土压力1.6 土压力计算模型2 基坑稳定性2.1 土坡稳定分析2.1.1 瑞典圆弧法1915年,瑞典人彼得森(Petterson )提出,边坡稳定安全系数可按下式计算:WdlRM M F f s R s τ==(2.1-1)式中符号见图2.1-1。
图2.1-1 瑞典圆弧法1927年,费伦纽斯(Fellenius W)通过大量计算,指出φ=0的简单土坡的最危险滑动面通过坡脚。
当φ≠0时,费伦纽斯认为最危险的滑动面的圆心位于图2.1-2中的MO线上。
图2.1-2 费伦纽斯法2.1.2 条分法对多层土以及边坡外形比较复杂的情况,要确定边坡的形心和重量是比较困难的。
这是采用条分法就比较容易。
条分法的原理是:将边坡垂直分条,计算各条对滑弧中心的抗滑力矩和滑动力矩,然后分别求其和,再按式(2.1-1)计算边坡稳定安全系数。
见图2.2-1。
对条件力假定的不同,就构成了不同的计算方法。
图2.2-1 条分法计算原理1. 太沙基公式1936年,太沙基(Terzaghi K )基假定,土条两侧的外作用力大小相等方向相反,并且作用在通一条直线上。
边坡稳定安全系数为:∑∑+==iii i i ii sRs W W lc M M F αφαsin )tan cos ( (2.1-2)2. 毕肖甫公式1955年,毕肖甫(Bishop A W )认为,不考虑条件作用力是不妥当的。
如图2.2-2示,当边坡处于稳定状态时,土条内滑弧面上的抗剪强度之发挥了一部分,并与切向力T i 相等,即:图2.2-2 毕肖甫计算简图sii i i i F N l c T φtan +=(2.1-3)将所有的力都投影到弧面的法线方向,得:i i i i i i i i P P H H W N ααsin )(cos )]([11---+=++ (2.1-4)当土坡处于极限平衡时,各土条的力对滑弧中心的力矩之和为零(注意这时条间内力互相抵消),得:∑∑=-0R T x W iii (2.1-5)将式(2.1-4)、(2.1-5)代入式(2.1-3)得稳定安全系数:{}∑∑---++=++ii i i i i i i i i ii sW P P H H W l c F αφααsin tan ]sin )(cos )[(11(2.1-6)毕肖甫建议不计土条间的摩擦力之差,即令H i +1-H i =0,代入上式,得:{}∑∑--+=+iii i i i i i ii s W P P W lc F αφααsin tan ]sin )(cos [1 (2.1-7)利用经理平衡条件,F x =0,F y =0,并结合式(2.1-3)和H i +1-H i =0,得:ii sii i si i i i i s i i F W F l c W F P P ααφαφαcos sin tan sin tan cos 11+-+=-+ (2.1-8)将式(2.1-8)代入式(2.1-7),得:∑∑++=ii isii i i i i i s W F W l c F ααφαsin cos sin tan 1)tan cos ( (2.1-9)式(2.1-9)这就是著名的简化毕肖甫公式。
3. 坡高和临界坡角的关系2002年,王长科参考朗肯、库尔曼理论和李妥德公式,建立了基坑边坡的坡高和临界坡角的关系:Hq ccr γπφα++=-1tan 2 (2.1-10)式中 cr α、H ----临界坡角、坡高;γ、c、φ----坡土的重力密度、黏聚力、内摩擦角; q ----坡顶均布超载。
[例1] 石家庄某工程位于市中心,基坑开挖深度12.0m ,坡土物理力学指标见表2.1-1。