悬臂支护结构计算书.docx
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悬臂支护结构计算书
一工程概况
新化县城安全饮水第二水厂工程--取水泵站拟建于冷水江市禾青镇球溪，输水管道由球溪沿K45、K46线冷水江段、过新化县小云村、冷水江市南宫村、麦元村、坝塘村，沿S312新化段抵达新化县桑梓镇齐麻岭二水厂，并在齐麻岭处分支管继续沿S312线至新化县城市规划区边界新化县平安驾校处。
本工程由三部分组成，即取水泵房、自流管线、与取水头部组成。
本次设计主要为取水泵房的深基坑支护工程，取水泵房采用集水井与泵房井合建形式，为直径20m的圆形钢筋混凝土井筒结构，井筒壁厚1.6m～1.0m，其底标高169.500m，顶面设计标高189.050m，则井筒净深19.55m；室外地面设计标高178.000m，上部屋顶结构高为205.160m，屋面为圆形坡屋面。
二工程地质条件
1）地形、地貌：
取水水源位于资岸，取水头处河床底标高167.5m。
拟建场地未发现埋藏的河道、古墓穴、防空洞等其它对工程不利的埋藏物。
场地交通便利，场地平整后适合施工机械进场施工。
由于场地临资江，东西面与南面为居民区，基础施工对周围环境有一定影响，因注意防止施工噪音、粉尘、污水、油污、尾气、固体废弃物等对周边环境与资江河产生不良影响。
2）工程地质特征：
根据招标文件，场地地基土自上而下的分布情况描述如下：
（1）人工堆积素填土①-1：
该层土主要分布于工程区西部临公路边，结构松散，不可作为基础持力层，需挖除。
（2）耕植土①-2：
该层土广泛分布于场地，厚度0.6~2.0m，稍湿，软塑~可塑状态，具较低的强度与高压缩性，工程性能较差，为软弱土，不可作为基础持力层，场地平整前需全部挖出换填。
（3）河床冲积堆积砂卵砾石②：
该层主要分布于资江河床，层厚2.6~9.7m，动探击数15~37击，中密状态，渗透系数K=8.0E-3cm/s，可作为取水头部管线部分的基础持力层。
（4）粘土③-1：
该层土广泛分布于场地，厚度0.6~3.2m，稍湿，可塑~硬塑状态，具中等的强度与中等压缩性，标贯击数8~13击，渗透系数K=2.85E-5cm/s，孔隙比为0.921，塑性指数为22.3，液性指数为0.33，工程性能较好，为良好的地基土，可作为输水管线的基础持力层。
（5）含砾粘土③-2：
该层土广泛分布于场地，厚度0.3~5.1m，稍湿，可塑~硬塑状态，具中等的强度与中等压缩性，标贯击数12~17击，渗透系数K=5.21E-5cm/s，孔隙比为0.844，塑性指数为18.2，液性指数为0.38，工程性能较好，为良好的地基土，可作为输水管线的基础持力层。
（6）砂卵砾石层③-3：
该层主要分布于工程区中部与西部，厚度6.0~7.2m，动探击数15~37击，中密状态，强度较高，渗透系数K=4.2E-3cm/s可作为输水管线的基础持力层。
（7）灰岩④：
构成场地稳定基岩，强度高，变形小，工程性能好，可作为取水泵房的基础持力层和桩端持力层。
3）水位地质特征：
按地下水形成条件和赋存特征，场地地下水类型属第四系松散堆积中的孔隙水，含水层位为粘性土层中，地下水位埋深0.5~5.2m。
与河水互补性较强，枯水季节孔隙水补给河水，汛期丰水季节河水通过下部砂卵砾石层补给地下水，砂卵砾石层渗透系数K=8.0E-3cm/s。
取江中段的各种土的力学参数表
名称
h（m）
C（kPa）
粘土③-1
5.4
19.6
31.4
21
含砾粘土③-2
1
22
26.14
19.6
砂卵砾石层③-3
2.6
30
29.78
19.5
灰岩④
5.30
42
38.9
22.55
三支护方案选型
取水泵站东面临资江，东西面距离3层楼民房约43m，南面距离6层楼民房约40m。
场地地层从上而下为耕植土、粘土、含砾粘土与中风化灰岩。
根据工程特点结合场地岩土层，综合确定拟建工程基坑侧壁安全等级为一级。
拟建基坑场地分为岸上和水上两部分，岸上部分长28m，宽18m，水上部分长26m，宽12m。
考虑该工程开挖深度11米，按其深度已为一级基坑，要保持深基坑支护结构万无一失，应此支护结构与围幕止水要求进入灰岩。
综上所述，最正确支护方案是选择冲孔灌注桩悬臂支护结构；因其约一半工程量在水中，先行采用粘土对江中部分进行场地平整回填，回填标高为178.00m，高出常水位约1m；为便于机械作业回填围为顶口宽于支护结构外3米。
冲孔灌注桩悬臂支护结构工艺具有如下优点：
1）墙体刚度大、整体性好，因而结构和地基变形都较小，在本工程中可以起到功能三合一，既超深围基坑护结构、其次起到止水帷幕作用，第三可代替现有设计的浆砌片石挡土墙，起到永久围护结构作用；
2）试用各种地质条件。
对砂卵石地层或要求进入灰岩层时，钢板桩与其他工艺就难以施工，但却可采用适宜的成槽机械与冲孔灌注桩施工的地下连续墙结构；
3）可减少工程施工时对环境的影响。
施工时振动少，噪声低；对周围相邻的工程结构和地下管线的影响较低，对沉降与变位较易控制；
4）可进行逆筑法施工，有利于加快施工进度，降低造价。
四悬壁支护结构设计
计算依据：
1、《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012
2、《建筑施工计算手册》江正荣编著
3、《实用土木工程手册》第三版文渊编著
4、《施工现场设施安全设计计算手册》建民编著
5、《土力学与地基基础》
4.1、参数信息
1、基本参数
支护桩材料
钢筋混凝土桩
支护桩间距ba（m）
1
支护桩嵌入土深度ld（m）
4.1
基坑开挖深度h（m）
10
基坑外侧水位深度ha（m）
7.5
基坑侧水位深度hp（m）
4.1
支护桩在坑底处的水平位移量υ（mm）
12
承压水含水层顶面至坑底的土层厚度D（m）
4.3
承压水含水层顶面的压力水头高度hw（m）
6
2、土层参数
土层类型
土厚度h（m）
土重度γ（kN/m3）
粘聚力c（kPa）
摩擦角φ（°）
饱和土重度γsat（kN/m3）
水土分算
粘土③-1
5.4
21
31.4
19.6
22
是
含砾粘土③-2
1
19.6
26.14
22
22
是
砂卵砾石层③-3
2.6
19.5
29.78
30
22
灰岩④
10.3
22.55
38.9
42
23
3、荷载参数
类型
荷载q（kpa）
距支护边缘的水平距离a（m）
垂直基坑边的分布宽度b（m）
平行基坑边的分布长度l（m）
作用深度d（m）
满布荷载
3
/
/
/
/
条形局部荷载
3.5
4
4
/
0
矩形局部荷载
4
5
5
6
2
4、计算系数
结构重要性系数γ0
1
综合分项系数γF
1.25
嵌固稳定安全系数Ke
1.2
圆弧滑动稳定安全系数Ks
1.3
突涌稳定安全系数Kh
1.1
4.2、土压力计算
土压力分布示意图
附加荷载布置图
1、主动土压力计算
1）主动土压力系数
Ka1=tan2（45°-φ1/2）=tan2（45-19.6/2）=0.498；
Ka2=tan2（45°-φ2/2）=tan2（45-19.6/2）=0.498；
Ka3=tan2（45°-φ3/2）=tan2（45-22/2）=0.455；
Ka4=tan2（45°-φ4/2）=tan2（45-30/2）=0.333；
Ka5=tan2（45°-φ5/2）=tan2（45-30/2）=0.333；
Ka6=tan2（45°-φ6/2）=tan2（45-30/2）=0.333；
Ka7=tan2（45°-φ7/2）=tan2（45-42/2）=0.198；
2）土压力、地下水产生的水平荷载
第1层土：
0-4m
H1'=[∑γ0h0+∑q1]/γi=[0+3]/21=0.143m
Pak1上=γ1H1'Ka1-2c1Ka10.5=21×0.143×0.498-2×31.4×0.4980.5=-42.822kN/m2
Pak1下=γ1（h1+H1'）Ka1-2c1Ka10.5=21×（4+0.143）×0.498-2×31.4×0.4980.5=-0.99kN/m2
第2层土：
4-5.4m
H2'=[∑γ1h1+∑q1+∑q1b1/（b1+2a1）]/γi=[84+3+1.167]/21=4.198m
Pak2上=γ2H2'Ka2-2c2Ka20.5=21×4.198×0.498-2×31.4×0.4980.5=-0.415kN/m2
Pak2下=γ2（h2+H2'）Ka2-2c2Ka20.5=21×（1.4+4.198）×0.498-2×31.4×0.4980.5=14.226kN/m2
第3层土：
5.4-6.4m
H3'=[∑γ2h2+∑q1+∑q1b1/（b1+2a1）]/γi=[113.4+3+1.167]/19.6=5.998m
Pak3上=γ3H3'Ka3-2c3Ka30.5=19.6×5.998×0.455-2×26.14×0.4550.5=18.225kN/m2
Pak3下=γ3（h3+H3'）Ka3-2c3Ka30.5=19.6×（1+5.998）×0.455-2×26.14×0.4550.5=27.143kN/m2
第4层土：
6.4-7m
H4'=[∑γ3h3+∑q1+∑q1b1/（b1+2a1）]/γi=[133+3+1.167]/19.5=7.034m
Pak4上=γ4H4'Ka4-2c4Ka40.5=19.5×7.034×0.333-2×29.78×0.3330.5=11.305kN/m2
Pak4下=γ4（h4+H4'）Ka4-2c4Ka40.5=19.5×（0.6+7.034）×0.333-2×29.78×0.3330.5=15.202kN/m2
第5层土：
7-7.5m
H5'=[∑γ4h4+∑q1+∑q1b1/（b1+2a1）+∑q1b1l1/（（b1+2a1）（l1+2a1）]/γi=[144.7+3+1.167+0.5]/19.5=7.66m
Pak5上=γ5H5'Ka5-2c5Ka50.5=19.5×7.66×0.333-2×29.78×0.3330.5=15.37kN/m2
Pak5下=γ5（h5+H5'）Ka5-2c5Ka50.5=19.5×（0.5+7.66）×0.333-2×29.78×0.3330.5=18.617kN/m2
第6层土：
7.5-9m
H6'=[∑γ5h5+∑q1+∑q1b1/（b1+2a1）+∑q1b1l1/（（b1+2a1）（l1+2a1）]/γsati=[154.45+3+1.167+0.5]/22=7.233m
Pak6上=[γsat6H6'-γw（∑h5-ha）]Ka6-2c6Ka60.5+γw（∑h5-ha）=[22×7.233-10×（7.5-7.5）]×0.333-2×29.78×0.3330.5+10×（7.5-7.5）=18.619kN/m2
Pak6下=[γsat6（H6'+h6）-γw（∑h5-ha）]Ka6-2c6Ka60.5+γw（∑h5-ha）=[22×（7.233+1.5）-10×（9-7.5）]×0.333-2×29.78×0.3330.5+10×（9-7.5）=39.613kN/m2
第7层土：
9-14.1m
H7'=[∑γ6h6+∑q1+∑q1b1/（b1+2a1）+∑q1b1l1/（（b1+2a1）（l1+2a1）]/γsati=[187.45+3+1.167+0.5]/23=8.353m
Pak7上=[γsat7H7'-γw（∑h6-ha）]Ka7-2c7Ka70.5+γw（∑h6-ha）=[23×8.353-10×（9-7.5）]×0.198-2×38.9×0.1980.5+10×（9-7.5）=15.451kN/m2
Pak7下=[γsat7（H7'+h7）-γw（∑h6-ha）]Ka7-2c7Ka70.5+γw（∑h6-ha）=[23×（8.353+5.1）-10×（14.1-7.5）]×0.198-2×38.9×0.1980.5+10×（14.1-7.5）=79.578kN/m2
3）水平荷载
临界深度：
Z0=Pak2下h2/（Pak2上+Pak2下）=14.226×1.4/（0.415+14.226）=1.36m；
第1层土
Eak1=0kN；
第2层土
Eak2=0.5Pak2下Z0ba=0.5×14.226×1.36×1=9.674kN；
aa2=Z0/3+∑h3=1.36/3+8.7=9.153m；
第3层土
Eak3=h3（Pa3上+Pa3下）ba/2=1×（18.225+27.143）×1/2=22.684kN；
aa3=h3（2Pa3上+Pa3下）/（3Pa3上+3Pa3下）+∑h4=1×（2×18.225+27.143）/（3×18.225+3×27.143）+7.7=8.167m；
第4层土
Eak4=h4（Pa4上+Pa4下）ba/2=0.6×（11.305+15.202）×1/2=7.952kN；
aa4=h4（2Pa4上+Pa4下）/（3Pa4上+3Pa4下）+∑h5=0.6×（2×11.305+15.202）/（3×11.305+3×15.202）+7.1=7.385m；
第5层土
Eak5=h5（Pa5上+Pa5下）ba/2=0.5×（15.37+18.617）×1/2=8.497kN；
aa5=h5（2Pa5上+Pa5下）/（3Pa5上+3Pa5下）+∑h6=0.5×（2×15.37+18.617）/（3×15.37+3×18.617）+6.6=6.842m；
第6层土
Eak6=h6（Pa6上+Pa6下）ba/2=1.5×（18.619+39.613）×1/2=43.674kN；
aa6=h6（2Pa6上+Pa6下）/（3Pa6上+3Pa6下）+∑h7=1.5×（2×18.619+39.613）/（3×18.619+3×39.613）+5.1=5.76m；
第7层土
Eak7=h7（Pa7上+Pa7下）ba/2=5.1×（15.451+79.578）×1/2=242.324kN；
aa7=h7（2Pa7上+Pa7下）/（3Pa7上+3Pa7下）=5.1×（2×15.451+79.578）/（3×15.451+3×79.578）=1.976m；
土压力合力：
Eak=ΣEaki=0+9.674+22.684+7.952+8.497+43.674+242.324=334.805kN；
合力作用点：
aa=Σ（aaiEaki）/Eak=（0×0+9.153×9.674+8.167×22.684+7.385×7.952+6.842×8.497+5.76×43.674+1.976×242.324）/334.805=3.348m；
2、被动土压力计算
1）被动土压力系数
Kp1=tan2（45°+φ1/2）=tan2（45+42/2）=5.045；
2）土压力、地下水产生的水平荷载
第1层土：
10-14.1m
H1'=[∑γ0h0]/γi=[0]/22.55=0m
Ppk1上=[γ1H1'-γw（∑h0-hp）]Kp1+2c1Kp10.5+γw（∑h0-hp）=[22.55×0-10×（0-4.1）]×5.045+2×38.9×5.0450.5+10×（0-4.1）=340.592kN/m2
Ppk1下=[γ1（H1'+h1）-γw（∑h0-hp）]Kp1+2c1Kp10.5+γw（∑h0-hp）=[22.55×（0+4.1）-10×（4.1-4.1）]×5.045+2×38.9×5.0450.5+10×（4.1-4.1）=641.183kN/m2
3）水平荷载
第1层土
Epk1=bah1（Pp1上+Pp1下）/2=1×4.1×（340.592+641.183）/2=2012.639kN；
ap1=h1（2Pp1上+Pp1下）/（3Pp1上+3Pp1下）=4.1×（2×340.592+641.183）/（3×340.592+3×641.183）=1.841m；
土压力合力：
Epk=ΣEpki=2012.639=2012.639kN；
合力作用点：
ap=Σ（apiEpki）/Epk=（1.841×2012.639）/2012.639=1.841m；
3、基坑侧土反力计算
1）主动土压力系数
Ka1=tan2（45°-φ1/2）=tan2（45-42/2）=0.198；
2）土压力、地下水产生的水平荷载
第1层土：
10-14.1m
H1'=[∑γ0h0]/γi=[0]/22.55=0m
Psk1上=（0.2φ12-φ1+c1）∑h0（1-∑h0/ld）υ/υb+[γ1H1'-γw（∑h0-hp）]Kp1+γw（∑h0-hp）=（0.2×422-42+38.9）×0×（1-0/4.1）×12/12+[22.55×0-10×（0-4.1）]×0.198+10×（0-4.1）=-32.882kN/m2
Psk1下=（0.2φ12-φ1+c1）∑h1（1-∑h1/ld）υ/υb+[γ1（H1'+h1）-γw（∑h1-hp）]Kp1+γw（∑h1-hp）=（0.2×422-42+38.9）×4.1×（1-4.1/4.1）×12/12+[22.55×（0+4.1）-10×（4.1-4.1）]×0.198+10×（4.1-4.1）=18.306kN/m2
3）水平荷载
第1层土
Psk1=b0h1（Ps1上+Ps1下）/2=1×4.1×（-32.882+18.306）/2=-29.881kN；
as1=h1（2Ps1上+Ps1下）/（3Ps1上+3Ps1下）=4.1×（2×-32.882+18.306）/（3×-32.882+3×18.306）=4.45m；
土压力合力：
Ppk=ΣPpki=-29.881=-29.881kN；
合力作用点：
as=Σ（asiPski）/Ppk=（4.45×-29.881）/-29.881=4.45m；
Psk=-29.881kN≤Ep=2012.639kN
满足要求！
4.3、稳定性验算
1、嵌固稳定性验算
Epkapl/（Eakaal）=2012.639×1.841/（334.805×3.348）=3.306≥Ke=1.2
满足要求！
2、整体滑动稳定性验算
圆弧滑动条分法示意图
Ksi=∑{cjlj+[（qjbj+ΔGj）cosθj-μjlj]tanφj}/∑（qjbj+ΔGj）sinθ
cj、φj──第j土条滑弧面处土的粘聚力（kPa）、摩擦角（°）；
bj──第j土条的宽度（m）；
θj──第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角（°）；
lj──第j土条的滑弧段长度（m），取lj＝bj/cosθj；
qj──作用在第j土条上的附加分布荷载标准值（kPa）；
ΔGj──第j土条的自重（kN），按天然重度计算；
uj──第j土条在滑弧面上的孔隙水压力（kPa），采用落底式截水帷幕时，对地下水位以下的砂土、碎石土、粉土，在基坑外侧，可取uj＝γwhwaj，在基坑侧，可取uj＝γwhwpj；滑弧面在地下水位以上或对地下水位以下的粘性土，取uj＝0；
γw──地下水重度（kN/m3）；
hwaj──基坑外侧第j土条滑弧面中点的压力水头（m）；
hwpj──基坑侧第j土条滑弧面中点的压力水头（m）；
min{Ks1，Ks2，……，Ksi，……}=2.591≥Ks=1.3
满足要求！
3、渗透稳定性验算
渗透稳定性简图
承压水作用下的坑底突涌稳定性验算：
Dγ/（hwγw）=∑hiγi/（hwγw）=（5.3×22.55）/（6×10）=1.992
Dγ/（hwγw）=1.992≥Kh=1.1
满足要求！
4.4、结构计算
1、材料参数
桩截面类型
圆形
圆形截面直径D（mm）
1000
桩混凝土强度等级
C30
桩混凝土保护层厚度δ（mm）
50
配筋形式
沿受拉、压区周边均匀配置
受拉区竖向钢筋
根数
16
直径（mm）
22
等级
HRB400
受压区竖向钢筋
根数
6
直径（mm）
22
等级
HRB400
箍筋
直径（mm）
12
间距
100
等级
HRB400
受拉钢筋圆心角与2π的比值
0.25
受压钢筋圆心角与2π的比值
0.15
2、支护桩的受力简图
计算简图
弯矩图（kN·m）
Mk=1255.535kN.m
剪力图（kN）
Vk=364.67kN
3、强度设计值确定
M=γ0γFMk=1×1.25×1255.535=1569.419kN·m
V=γ0γFVk=1×1.25×364.67=455.838kN
4、材料的强度计算
1）正截面受弯承载力验算
钢筋混凝土桩截面计算简图
确定受压混凝土截面围:
根据建筑基坑支护规程（JGJ120-2012）附录B.0.2
αfcA（1-sin2πα/（2πα））+fy（As'-As）=0
求得α=0.278
fyAs（0.78r+rssin（παs）/（παs））=360×16×π×222/4×（0.78×500+439×sin（0.25π）/（0.25π））=1719.331kN·m≥M=1569.419kN·m
满足要求！
2）斜截面承载力验算
将圆形截面等效成矩形截面计算
h=1.6D/2=1.6×1000/2=800mm
h0=h-δ-d/2=800-50-22/2=739mm
b=1.76D/2=1.76×1000/2=880mm
h0/b=739/880=0.84≤4
0.25βcfcbh0=0.25×1×14.3×880×739/1000=2324.894kN≥V=455.838kN
满足要求！
Vcs=αsvftbh0+fyvAsvh0/s=（0.7×1.43×880×739+360×2×3.14×122/4×739/100）/1000=1252.739kN≥V=455.838kN
满足要求！
3）最小配筋率验算
ρ=As/（πD2/4）=16×π×222/4/（10002×π/4）=0.774%≥ρmin=max[0.002，0.45ft/fy]=max[0.002，0.45×1.43/360]=0.2%
满足要求！
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