某基坑支护方案设计及计算

王 洋 （安徽水利开发股份有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

随着经济的发展和城市化进程的加快，为了节约城市土地，大量兴建高层建筑和充分利用城市地下空间势成必然，随之而来的深基坑工程越来越多。本文所述基坑支护工程位于城市市区，地上17层，地下2层，剪力墙结构，筏板基础，基坑面积约6000m2，系二级基坑。本文就如何保证深基坑工程既安全可靠又经济合理、既能提高工程质量又能降低工程造价，作为研究的主要内容。

1.2 地质条件

根据野外钻探揭示及原位测试、室内土工试验等结果，影响基坑开挖的土层具体如下。

①层杂填土：层底埋深 0.2m～5.7m，层厚0.8～5.7m，杂色，松散，主要为人工堆填粉土、拆迁遗留建筑垃圾以及原来场地内建筑物的基础。γ0=19.0 kN/m，c=10.0kPa，φ=18.5。。

②层粉土：层底埋深 1.9～4.5m，层厚 0.5～3.5m，黄褐色，稍湿，中密。γ0=19.3 kN/m，c=19.7kPa，φ=16。。

③层粉土：层底埋深 3.4～7.7m，层厚 1.1～4.1m，黄褐色，稍湿，密实。γ0=19.1 kN/m，c=17.2kPa，φ=16.9。。

④层粉土：层底埋深 4.9～10.1m，层厚 1.0～5.0m，黄褐色～灰褐色，稍湿，密实。γ0=19.0 kN/m，c=17.6kPa，φ=21.7。。

⑤粉土：层底埋深 5.3～11.4m，层厚 0.5～2.8m，褐黄色～青灰色，稍湿，密实。γ0=19.7 kN/m，c=12.3kPa，φ=14.8。。

⑥层粉砂：层底埋深 7.8～16.6m，层厚0.8～8.9m，黄褐色，稍湿 ～ 饱和，密实。γ0=19.5 kN/m，c=4.0kPa，φ=24.0。。

2 基坑支护方案选取

基坑稳定性评价由公式可得：Hcr=4×ctan（45。+φ/2）γ0，CK=14.4kPa，Φk=20.0。，γ0=19.2kN/m3，计算出基坑开挖自稳临界值：Hcr=4.3m，分层开挖5.0m、10.0m时大于临界值，不可进行直立开挖。根据场地条件、土质条件和工程特点，基坑侧壁安全等级为二级。基坑边坡安全等级为二级，重要性系数取1.0；基坑开挖5.0m时，若条件允许可放坡开挖，并采用钢丝网细石混凝土面层进行护坡；基坑开挖10.0m或在靠近主要道路、建筑物及对变形要求较高的管线、设施部位，基坑边坡应采取支护措施。根据安全第一、经济合理、节省工期、便利施工的原则，场地工程环境条件一般，放坡受到限制，且距离建筑物较近，需近似垂直开挖，对各种支护方案综合对比，基坑采用土钉墙支护。场地地下水位勘察期间埋深11.3～12.31m，不影响基坑开挖。

3 土钉支护的设计计算

假设最危险的滑动面是一个破裂的平面，它在平面上的投影就是一条直线，它的倾角可近似为其他设计参数如下：

①地面附加载：根据邻建物情况、一般建筑规定和实际堆载要求，取Q=15kN/m2。

②土钉孔：用人工成孔，直径不小于100mm，水平倾角为10。。

③锚杆参数：采用Φ18～Φ32螺纹钢筋，水平间距1.3m，垂直间距1.3m。

④水泥浆：锚杆孔内压力注浆，水泥采用32.5级普硅水泥，水灰比0.5～0.65。

⑤钢筋网、加强筋：网筋φ6.5@250×250；加强筋为φ12圆钢，固定网筋和连接锚杆。

⑥喷射混凝土：水泥采用32.5级普通硅酸盐水泥，混凝土厚度100㎜，强度等级为C20。

3.1 土钉轴向拉力计算

其中：Ti为第i排土钉所受的土压力；Hi为计算点距地面高度；q为地面超载；γ为土的容重；c为土的粘聚力；Sx，Sy为土钉的水平间距和竖向间距，取Sx=Sy=1.3m；Kai为主动土压力系数

3.2 土钉长度计算

其中：Lai为土钉在破裂面土体内的长；Lbi为土钉在破裂面一侧深入稳定区土体中的长度。

Lai根据几何图形用正弦定理求出：

其中：H为基坑深度，取10.3m；hi为第i排土钉距地面高度；θ为土钉与水平面夹角,取10。；β为破裂面倾角。

其中：K为安全系数，一般取1.5；Ti为第i土钉所受土压力；D为土钉孔径，取100mm；γ为各层土的加权容重；φ为土钉所在土层加权内摩擦角。

根据边坡圆弧形滑动，需调整土钉长度，各排土钉的长度宜满足下列条件：

其中：l1为土钉轴线与倾角等于（45+φ/2）；Fs，d为土钉的局部稳定性安全系数，取1.2；τ为土钉与土体之间的界面粘结强度,取100kPa；N为土钉设计拉力。

其中：θ为土钉倾角；p为土钉长度中点所处深度位置上的侧压力。

其中：pm为土钉长度中点所处深度位置上由支护土体自重引起的侧压力；pq为地表均布荷载引起的侧压力。

对于pm≤0.05kaγH的砂土和粉土：

对于pm＞0.05kaγH的一般粘土：

粘性土的pm取值应不小于0.2。

联立上述式（1）～（8）可得出各排土钉调整后需要满足的长度。

各排土钉调整后长度 表1

3.3 土钉抗拔力计算

其中：D为土钉孔径，0.1m；Lbi为第i道土钉伸入破裂面外稳定区长度；τfi为锚体砂浆与土体间各层土的粘结强度。

3.4 土钉抗拉承载力计算

单根土钉抗拉承载力计算应符合下式要求：

其中：Tjk为第j根土钉受拉荷载标准值；Tuj为第j根土钉抗拉承载力设计值可按确定。单根土钉受拉荷载标准值可按下式计算：

其中：ζ为荷载折减系数；eajk为第j个土钉位置处的基坑水平荷载标准值，aj为第j根土钉与水平面的夹角。

按下式计算：

其中：γs为土钉抗拉抗力分项系数，取1.3；dnj为土钉孔直径；qsi为土钉穿越第i层土土体与锚固体极限摩阻力标准值，应由现场试验确定，取80kPa；li为第j根土钉在直线破裂面外穿越第稳定土体内的长度，破裂面与水平面的夹角为联立式（10）～（12），经计算可知抗拉承载力满足要求。

3.5 土钉加筋直径计算

其中：A为钢筋截面积；fptk为钢筋抗拉强度标准值（335N/mm2）；Tmax为各层土中最大的土压力；K为安全系数(一般为1.5)。

由上式可得，前四排土钉：A＝254.5mm2选用Φ18；第五排：取 A=380.1mm2选用 Φ22；第六、七排：取A=615.8mm2选用Φ28。

3.6 土钉稳定性验算

3.6.1 内部稳定性分析

其中：w为破裂面内土体自重；q为地面超载；β为破裂面倾角；φ 为 φ=54.3。+10。=64.3。；TR为土钉抗拔力总和；c为土的粘聚力；φ为土钉所在土层内摩擦角；Sx、Sy为土钉的水平间距和竖向间距。

经计算K值为2.16＞1.2，内部稳定性符合要求。

3.6.2 外部稳定性验算

①抗滑动稳定验算

其中：KH为抗滑动稳定安全系数；Eax为墙后主动土压力；Fi为假设墙底断面上产生的抗滑合力；B为宽度，取9m。

经计算，KH为1.86＞1.3，抗滑稳定性符合要求。

②抗倾覆稳定验算

设 Mw为抗倾覆力矩，则 Mw=（W+qB）×（B/2）×Sx

其中：W为墙土的重量；Sx为土钉水平间距。

设 M0为倾覆力矩，则

经计算KQ为7.28＞1.6，抗倾覆稳定性符合要求。

4 结语

本文利用土钉设计规范，对某一工程基坑进行土钉支护设计计算，计算了土钉的轴向拉力、抗拔力、土钉长度以及土钉钢筋直径，同时对土钉的抗拉承载力、内部及外部稳定性进行验算，计算均满足要求。计算土钉长度时，边坡失稳是按圆弧形滑动的方式计算，为避免浪费因而计算出的各层土钉长度也按圆弧形滑动进行调整，使设计更合理。

[1]JGJ 120—99，建筑基坑工程施工技术规范[S].

[2]CECS 96:97,基坑土钉支护技术规程[S].