工程施工计算书.docx
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支护形式的选择：
在基坑开挖过程中，土壁的稳定主要是依靠土体的内摩擦力和黏聚力来保持平衡的，一旦土体在外力作用下失去平衡，土壁就会坍塌。
土壁坍塌，不仅会妨碍土方工程的施工，还会危及附近的建筑物、道路、地下管线等的安全，甚至会导致人员伤亡，造成严重的后果。
因此，为了保证基坑工程的顺利进行，我们有必要选择合理的支护形式。
目前经常采用的主要基坑支护类型有：
（1）水泥土深层搅拌桩支护，其优点是采用重力式挡墙，不需要支撑，基坑内开挖土施工方便，搅拌桩施工时无环境污染（无噪声、无振动、无排污），造价低廉及防渗性好，但这种支护结构往往要求基坑周围有一定间距布置搅拌桩，且只适用于深度不大的基坑；
（2）排桩支护结构，可以是稀疏排桩支护，适用于土质较好的地区；也可采用连续排桩支护加搅拌桩防渗，适用于软土地区。
这种排桩支护结构适用于较深的基坑，其造价也比较低；
（3）地下连续墙，这种支护结构施工时对周边环境影响小，对土层使用性强，墙体抗弯刚度、防渗性能和整体性均较好，但其造价比较高。
根据该工程开挖深度、地基土层条件和周边环境，我们选择了比较经济而又满足开挖条件的排桩支护形式-------多层土层锚杆支撑的钻孔灌注桩挡墙结构。
钻孔灌注桩具有施工方便、速度快、打桩后可立即开挖、工期短、刚度大、变形小的特点，而且与地下连续墙相比，经济效果显著。
土层锚杆是一种受拉杆件，它的一端与工程结构物或挡土墙联接，另一端锚固于地基的土层或岩层中，以承受结构物的上托力、拉拔力、倾侧力或挡土墙的土压力，它利用地层的锚固力维持结构物的稳定。
用锚杆代替内支撑，为土方施工提供巨大的工作面，而且采用预应力可以控制结构的变形，施工时的噪声和振动均很小。
支护结构的设计：
支护结构的设计就是根据基坑开挖条件和各种水文地质条件在满足工程安全可靠、经济、便于施工的基础上进行支护结构承载力和变形的计算。
支护结构设计的内容包括支护结构上荷载的计算，灌注桩内力的计算和截面、配筋的计算，锚杆的设计计算，围檩的设计计算，和基坑稳定性的验算。
一）作用于支护结构上荷载的计算
1）作用在支护结构上的荷载可分为三类：
①永久荷载：
主要为土压力，不考虑降水导致水对支护的影响，将水压力与土压力均作为恒载，采用水土合算计算压力。
②可变荷载：
主要为地面上汽车、吊车及堆载，取q=20kN/m。
③偶然荷载：
主要包括地震力、爆炸力等等，暂不列入本次计算内容。
2）荷载计算理论
支护结构上荷载的计算主要是土压力的计算，然而实际作用于支护上的土压力一般都比较复杂，并没有精确的理论来保证其正确可靠，而是通过现场测试和室内模型试验并依此为基础，但限于条件，我们采用经典的朗肯土压力理论来近似计算挡土压力，并辅以一定的安全系数，这样计算得到的结果都是偏于安全的。
对于地下水对土压力的影响，根据土层信息，我们采用水土合算法。
合算原则认为土孔隙中不存在自由的重力水，而仅存在结合水，结合水不能传递静水压力，以土粒与孔隙水共同组成的土体为对象，适用于于黏性大、渗透系数比较小的土层。
而本工程土样渗透系数为0.08m/d，孔隙比n=0.75，符合水土合算要求。
3）水土压力计算
因为基坑的开挖使得开挖部分土体失去了平衡，坑外土体有向坑内运动的趋势，于是墙后土层就会施加于围护结构一个主动土压力，迫使挡墙向基坑内变形，对坑地下层土体产生挤压效果，与此同时，基坑内底层土体就会施加于围护结构一个被动土压力。
沿支护墙长度方向取1m延米进行计算
杂填土主动土压力系数：
Ka1=tan2（45o-φ/2）=tan2（45o-15o/2）=0.59
粉质粘土主动土压力系数：
Ka2=tan2（45o-φ/2）=tan2（45o-20o/2）=0.49
杂填土上层土压力：
ea0=（q+γ1h）Ka1-2c1Ka1=0.49kPa
杂填土下层土压力：
ea1-=14.74kPa
粉质粘土上层土压力：
ea1+=-9.38kPa
基坑底面处土层压力：
ea2=（q+γ1h+γ2h）Ka1-2c2Ka2=0.49kPa
土层信息图
朗肯理论假定墙背与填土之间无摩擦力，即摩擦力δ=0，计算出主动土压力偏大，被动土压力偏小，因此，在计算被动土压力系数时，使δ≠0，则被动土压力系数可按照下式计算：
Kp=cosφcosδ-sin（φ+δ）sinφ2
式中Kp—主动土压力系数；
φ—土的内摩擦角；
δ—桩土间的摩擦角（δ=13φ~23φ）。
取δ=12φ2=10o,则该黏性土层的被动土压力系数Kp=2.64
鉴于安全考虑，一般不对主动土压力予以折减，故上述主动土压力仍以朗肯理论计算所得。
对于多支点排桩支护的计算方法，一般有等值梁法（连续梁法）、支撑荷载的1/2分担法、逐层开挖支撑力不变法和有限元法。
而我们采用连续梁法进行以下计算：
①土压力为的点（近似零弯点）距离基坑底面的距离的计算
土压力分布图
y=eaγ（Kp-Ka）=107（2.64-0.49）×19=2.62m
②计算连续梁（灌注桩）的内力
采用连续梁的计算方法得到各点的弯矩和剪力值如下：
各点
A
B
C
D
E
M（kN∙m）
0
-5.13
-59.45
-236.4
0
V（kN）
0
10.8
150.7
478.1
167.5
③计算灌注桩入土深度
根据等值梁法得：
入土深度X=y+6RFγ（KP-Ka）=2.62+6×167.519（2.64-0.49）=2.62+4.96= 7.58m
考虑土质较差，应乘以一定的安全系数，取K=1.1,即灌注桩的入土深度为1.1×7.58=8.34m
则灌注桩总长度为H=13.5+8.34=21.84m，取H=22m。
4）灌注桩挡墙设计
①桩体材料
根据规范要求“钻孔灌注桩采用水下浇筑混凝土，混凝土强度等级不宜低于C20（通常用C30）”，故我们选用C30的混凝土，水泥采用425号普通硅酸盐水泥，粗骨料粒径控制在40mm以内，钢筋采用HRB335（fy=300N/mm2）。
②桩身参数初定
钻孔灌注桩常用桩径为500~1000mm，我们初定为800mm，桩与桩之间的中心距为1000mm，桩与桩之间的净距则为200mm，便于施工,钢筋保护层厚度为50mm。
③桩体配筋计算
我们采用圆形截面均匀配筋，其正截面受弯承载力可按下式计算：
MC=23fcr3∙sin3πα+fyASrssinπα+sinπαtπ
式中MC—单桩抗弯承载力，N∙mm;
AS-纵向钢筋截面面积，mm2;
r-桩的直径，mm;
rs-纵向钢筋所在的圆周半径，mm，为桩的半径减去钢筋保护层厚度，mm;
αt-纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面积的比值；
α-对应于受压区混凝土截面积的圆心角与2π的比值；
fc-混凝土强度设计值，MPa；
fy-钢筋强度设计值MPa。
我们初取AS=2500mm2（满足最小配筋率ρ=0.42%的条件下），计算系数K=fy∙AS/（fc∙A）=0.10，查表得α=0.216，αt=0.818，代入公式算的MC=248.6kN∙m，略大于单桩承受的最大弯矩值。
故AS=2500mm2满足要求，但考虑到受弯构件强度设计安全系数K=1.4
则AS=1.4×2500=3500mm2，选用10∅22（AS=3801mm2）
④构造配筋
钻孔灌注桩的箍筋采用∅8@200螺旋箍,每隔2000mm布置一根直径为16mm的焊接加强箍筋，以增强钢筋笼的整体刚度，有利于钢筋笼吊放和浇筑水下混凝土的整体性。
5）土层锚杆设计计算
①确定基坑支护方案，根据基坑开挖深度和土的参数，确定锚杆的层数、倾角等
根据开挖深度和桩身受力分析，我们采用三层土层锚杆支护，每先挖到锚杆标高，就进行锚杆施工，待锚杆张拉好后，方可进行下一步开挖。
参照《土层锚杆设计和施工规范》，我们选取土层锚杆水平间距为2m，锚杆倾角为30o，然后进行设计。
②根据锚杆的间距、倾角，计算锚杆轴力
第i层锚杆
1
2
3
锚杆轴力（kN）
24.9
348.0
1103.9
③计算锚杆自由段长度
锚杆自由段长度Lf可按下式计算：
Lf=LAB=LAO∙sin（45o-φ2）sin（45o+φ2+α）
式中 LAO—锚杆锚头中点至基坑底面以下土压力为零点处的距离；
φ—土体各土层厚度加权内摩擦值标准值；
α—锚杆倾角。
第一层锚杆：
Lf1=9.04m，考虑到自由段变形长度应超过滑裂面0.5~1.0m的长度，故取Lf1=10m，以下同理。
第二层锚杆：
Lf1=7.0m
第三层锚杆：
Lf1=5.0m，虽然经计算
仅为4.25，但规范建议不应短于5m，故取为5.0m
④计算锚杆锚固段长度
锚杆的锚固段长度La按下式计算：
La=KmNtπdmτ
式中dm-锚杆段直径，可取钻孔直径的1.2倍；
Km—锚固安全系数，可取1，当使用年限超过两年或周边环境要求较高时，可取2.0
Nt-锚杆设计拉力；
τ-锚固体与土层之间的剪切强度，可按各地积累的经验取用，或者按式τ=c+σtanδ确定，c为土体内力，σ为锚固段中点的土覆压力，δ为锚固段与土体之间的摩擦角，通常取δ=（1/3~1/2）φ。
当采用二次压力注浆工艺时，取δ=φ，其中φ为土体的固结（快）剪的内摩擦角峰值。
钻孔直径一般为150mm，故我们取锚固段直径dm=1.2×150=180mm，开挖深度范围内土体力学指标加权平均值：
φ=15×1+20×12.513.5=19.6o
c=5×1+20×12.513.5=18.9kPa
δ取为1/2φ=9.8，则各层锚杆的锚固段长度为,
第一层土层锚杆：
代入公式的La1=3.3m，因为锚固段长度不应小于4.0m，因此La1=4.0m
第二层土层锚杆：
La2=15m
第三层土层锚杆：
La3=33m
⑤计算锚杆锚索的断面尺寸
锚杆杆体的截面面积按下列公式确定：
普通钢筋
As≥KmTdfycosθ
预应力筋
Ap≥KmTdfpycosθ
As,Ap—普通钢筋，预应力钢筋杆体截面面积；
fy，fpy—普通钢筋，预应力钢筋抗拉强度设计值；
Km—安全系数，取1.3。
计算结果如下：
第一层锚杆:
As=108.1mm2，选用普通钢筋2∅12（As=226mm2）
第二层锚杆：
As=1306mm2，选用普通钢筋3∅25（As=1473mm2）
第三层锚杆：
Ap=1595mm2,选用预应力螺纹钢筋2∅32（Ap=1609mm2。
⑥预应力张拉值计算
因为第三层锚杆处荷载值较大，我们选用了预应力螺纹钢。
土层锚杆灌浆后，待锚固体强度达到80%设计值以上，便可对锚杆进行张拉。
预应力张拉时，为了减少应力损失，我们采用“跳张法”，即隔1拉1的方法。
正式张拉前，取设计拉力的10%~20%，即110.39~220.78kN，对锚杆预张一两次，使各部位接触紧密。
正式张拉采用分级加载，每级加载后恒载3分钟，记录伸长量。
张拉到设计荷载（不超过轴力），恒载10分钟，锁定预应力为设计轴拉力的75%，即827.9kN。
⑦土层锚杆抗拔设计计算
土层锚杆的极限抗拔设计值按下式进行计算
Nu=πγsd∙qsikli+d1∙qsjklj+2ck（d12-d2）
式中d1-扩孔锚固体直径；
d-非扩孔锚杆锚固体直径；
li-第i层土中直孔部分锚固段长度；
Lj-第j层土中扩孔锚固段长度；
Qsik、qsjk-土体与锚固体的极限摩阻力标准值；
Ck-扩孔部分土体黏聚力标准值；
Γs-锚杆轴向受拉抗力分项系数，取1.3
则第一层极限抗拔设计值为
Nu=3.141.30.18×70×2+0.3×70×2+2×20×（0.32-0.182）=167.88kN
锚杆抗拔安全系数Kb=167.8824.9=6.74>1.5
第二层锚杆抗拔力设计值为
Nu=3.141.30.18×70×5+0.3×70×10+2×20×（0.32-0.182）=664.97kN
锚杆抗拔安全系数Kb=664.97348.0=1.91>1.5
第三层锚杆抗拔力设计值为
Nu=3.141.30.18×70×3+0.3×70×30+2×20×（0.32-0.182）=1618.56kN
锚杆抗拔安全系数Kb=1618.561103.9=1.47略小于1.5
因为采用临时支锚，故只需作加强处理。
⑧各层锚杆长度结果汇总
第i层锚杆
1
2
3
锚杆自由段长度（m）
10
7
5
锚杆锚固段长度（m）
4
15
33
锚杆总长度（m）
14
22
38
6）腰梁设计计算
腰梁是将锚头拉力传到桩上的水平传力构件，为了保证挡墙具有较好的连续性和整体性，我们采用现浇钢筋混凝土梁，腰梁的计算如下：
①腰梁荷载计算
第一层腰梁上作用的均布荷载：
Q1=4.12+9.432×0.52+14.74+32.562×52=60.82kN/m
第二层腰梁上作用的均布荷载：
Q2=14.74+32.562×52+32.56+79.092×52=198.69kN/m
第三层腰梁上作用的均布荷载：
Q3=32.56+79.092×52+79.09+1072×32=279.13kN/m
②腰梁弯矩值计算及配筋
以第三层腰梁计算为例。
我们假定腰梁的截面尺寸取为600×800mm，采用C30的混凝土，钢筋采用HRB335级钢（fy=300kN/m）,钢筋保护层厚度取为50mm，受弯构件强度设计安全系数K=1.4。
根据上述单位均布力作用下的荷载图可得，腰梁上支座处最大弯矩Mmax=0.4×279.13=111.65kN∙m，则
腰梁截面抵抗矩系数αs=KMα1fcbho2=1.4×111.65×1061.0×14.3×600×（800-65）2=0.034
相对受压区高度ε=1-1-2×αs=0.034
腰梁钢筋用量AS=α1fcbhoεfy=1.0×14.3×600×（800-65）300=714.7mm2
最小配筋率ρmin=max0.2%，0.45ftfy=0.2145%
因为AS>ρminbh=1029.6mm2,故只需构造配筋。
因此，支座处我们选用6∅16的HRB335级钢。
同理，对于跨中，其弯矩值与支座处相差不多，故采用对称配筋。
③腰梁剪力值计算及相关配筋
同理可以得出腰梁中最大剪力值Vmax=1.2×279.13=335kN
0.7ftbho=0.7×1.43×600×800-65÷1000=441kN>335kN
故只需构造配置箍筋，我们配置∅8@250HPB300级光圆钢筋。
7）稳定性验算
①整体稳定性验算
由于围护桩插入深度比较大，且锚杆比较长、比较密，这些对提高边坡抗滑移能力是有利的，故在此不验算边坡整体稳定性。
具体分析见附录软件计算结果。
②深层滑移稳定性
若桩、锚杆的共同作用超过土的安全范围，就会从桩脚处剪力面开始向墙拉结的方向形成一条深层滑缝，造成倾覆，因此我们有必要验算土体深层滑移稳定性。
深层滑移稳定性验算，可按德国学者克兰次的方法进行：
1.通过锚固段中点c与围护墙的假想支撑点b连一直线，再通过c点作竖直线交地面于d点，确定土体稳定性验算的范围;
2.力系验算，包括土体自重及地面超载G，围护墙主动土压力的合力Fa，cd面上土体主动土压力以合力Fcd,bc面上以合力Fbc;
3.作力多边形，求出力多边形以平衡力，即锚杆拉力Rtmax;
4.按下式计算深层滑移稳定性安全系数Kms;
RtmaxNt≥Kms
式中Nt-土层锚杆设计轴向拉力
Kms-深层滑移稳定安全系数，Kms=1.2~1.5。
近似取如图所示滑动块受力分析：
第一层土层锚杆，Rtmax=392.6kN
RtmaxNt=392.624.9=15.7>1.5
第二层土层锚杆，Rtmax=751.7kN
RtmaxNt=751.7348=2.16>1.5
第三层土层锚杆，Rtmax=3414.5kN
RtmaxNt=3414.51103.9=3.09>1.5
均符合深层稳定性要求。
③围护桩墙底地基承载力验算
在很多稳定性验算的计算公式中，该方法建议采用下式进行地基承载力稳定性验算：
KL=γ2DNq+cNcγ1H+D+q
式中D-墙体插入深度；
H-基坑开挖深度；
q-地面超载；
γ1-坑外地表至墙底，各土层天然重度的加权平均值；
γ2-坑内开挖面以下至墙底，各土层天然重度的加权平均值；
Nq、Nc-地基极限承载力计算公式。
用普朗特尔公式，Nq、Nc分别为
Nq=tan2（45o+φ2）eπtanφ
Nc=（Nq-1）1tanφ
因杂填土土层较薄，仅1m，而且杂填土与粘土容重接近，故取γ2=γ1=19kPa/m，代入得
KL=3.0>1.2~1.3
故围护桩底部地基承载力验算满足要求。
④基坑底部土体抗隆起稳定性验算
假定滑动面通过墙底，并以最下层锚定点作为转动中心，按下式验算基坑底部土体的抗隆起稳定性：
KL=MRLMSL
式中MRL-抗隆起力矩，MRL=R1Katanφ+R2tanφ+R3c
R1=Dγho22+qho+12D2qf（α2-α1+sinα2cosα2-sinα1cosα1）-13γD3（cos3α2-cos3α1）
R2=12D2qf+α2-α1-12（sin2α2-sin2α1）-13γD3sin2α2cosα2+2（cosα2-cosα1）
R3=hoD+（α2-α1）D2
qf=γho1+q
式中γ—围护墙底以上地基上各土层天然重度的加权平均值，取19kN/m3；
D-围护墙的入土深度,取8.34m；
Ka-主动土压力系数，取0.49；
C、φ-滑裂面上的黏聚力和内摩擦角的加权平均值，c=18.9kPa,ψ=19.6o；
ho-基坑开挖深度，取13.5；
ho1-最下层锚固点距地面的深度,取10.5m；
α1-最下一道锚杆与水平面的夹角，取30o；
α2-滑裂面对应的圆心角，取135o；
q-坑外地面超载，取20kN/m2；
代入公式得：
R1=9291.08kN
R2=21290kN
R3=240m2
MRL=13738.15kN∙m/m
MSL=7633.73kN∙m/m
则KL=MRLMSL=13738.157633.73=1.8介于1.7~2.5之间，基本满足稳定性要求。
⑤围护桩结构的抗倾覆稳定性验算
验算公式
Kq=Ephp+TihiEaha≥1.3
式中Ep、hp—分别为被动土压力及其到地下土压力为零的距离；
Ea、ha—分别为主动土压力及其到地下土压力为零的距离；
Ti、hi-分别为对i拉锚反力及其到地下土压力为零的距离。
根据计算得Eaha=4361.7kN∙m
Ephp=668.3kN∙m
Tihi=8910.2kN∙m
则Kq=Ephp+TihiEaha=668.3+8910.24361.7=2.2>1.3满足整体抗倾覆要求。
⑥围护桩底部土体抗渗流计算
因为我们采用深层搅拌桩作为止水帷幕，土体抗渗验算的渗径取决于搅拌桩的长度，故在此不做抗渗设计，相关计算见于降水设计部分。
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