深基坑支护方案设计及验算

【摘要】本文根据竹鹅溪综合治理项目的实际情况对该工程所有的基坑开挖方案进行了设计，并在技术上用力学手段对该设计的安全性进行了验算，为保证施工安全奠定了很好的基础。

【关键词】 基坑开挖基坑支护 验算 安全

一、 工程概况

本工程项目是柳州市竹鹅溪综合治理工程（南支）第三合同段，是柳州市向世界银行贷款建设的工程，位于柳州市的西南角，竹鹅溪南支造纸厂至城站路段沿岸。工程地处闹市区，周围高层建筑比较多，施工作业面比较少，土层比较复杂，安全文明施工的要求高，尤其要保证道路交通顺畅。

本工程基坑开挖内容主要包括浆砌片石挡墙基坑、明挖管基坑及箱涵基坑等。明挖管为钢筋混凝土承插管，管径大小不同，施工分布区域较广，沟槽开挖深度不一，最大挖深7.0米。片石挡墙基坑开挖深度在2-4.5米范围内，施工范围遍布全线1.5KM。箱涵基坑开挖深度3米，地下水位变化较高，地下管线和构筑物比较复杂。场地内土层主要为填土层、淤积层、溶蚀残余层、冲积层及基岩。自上而下，各土层依次为：硬化地面、杂填土层、素填土层、耕土层、淤泥层、红粘土层、含砾石红粘土层、红粘土层、次生红粘土层、粘土层、含卵石粘土层、次生红粘土层、粉质粘土层、粉土层、圆砾层、次生红粘土层、含卵石粘土层、强风化砂岩或白云岩层、中风化砂岩或白云岩等，基坑底主要座落在含卵石粘土层粉质粘土层、粉土层和圆砾层上。

二、基坑支护方案经济比选与确定

方案一：采用竖直开挖、并用钢板桩加对支撑支护方案。钢板桩采用［20槽钢，间距80cm，对支撑采用20cm*15cm方木，竖间距150cm，水平间距200 cm，并做相关安全防护。

项目 费用 备注

红线外征地 0 竖直开挖，不超过红线范围

红线外房屋拆迁 0 竖直开挖，不超过红线范围

临时支撑 1.5万元 每50米，［20槽钢2t，计1万元，木支撑计0.5万元，可重复利用

防护围挡 5.5万元 对附近民居基础保护5万元。防护围挡0.5万元，可重复利用

合计费用 7.0万元

方案二：采用大开挖，边坡按1：1放坡，不用任何支撑，只做相关安全防护

项目 费用 备注

红线外征地 15.12万元 平均开挖高度6米，征地6×1×50×2/667=0.9亩，按柳州市的赔偿标准，16.8万/亩，计15.12万元

红线外房屋拆迁 4.5万元 根据现场需拆迁房屋面积估算

大开挖增加土方费用 3.6万元 0.5×6×6×2×50×20=3.6万元，放坡增加土方综合费用按20元/m3算

临时支撑 0万元

防护围挡 0.5万元 防护围挡0.5万元，可重复利用

合计费用 23.72万元

根据以上比选结果看出，方案一是比较经济的，而且对周围居民生活影响较小，但是方案一施工难度大，是否安全可行呢？需要对该方案进行验算分析。由于该段地下水对基坑支护和开挖影响较大，故须进行基坑降水，本基坑采用喷射井点降水的方法。

三、 基坑支护方案结构计算及验算

3.1基坑边坡稳定性分析

基坑施工时，需要根据设计要求进行基坑开挖施工。为了使施工顺利的进行并维护基坑及周边建筑物的安全，必须对将要形成的边坡的稳定性进行分析判定，以决定采取相应的维护措施。

由于场地条件的限制，没有放坡的空间，基坑只能竖直开挖。对该基坑开挖形成的边坡采用稳定系数法对其进行稳定性分析。公式如下：

（2―1）

其中：K―安全稳定性系数；

c―土的内粘聚力(kpa)；

H―基坑边坡竖直高度（m）取最大值；

―土的天然重度，可以采用加权值；

―稳定系数；

由上式计算得：K=0.508。所求边坡安全稳定性系数远小于1.1～1.5，该边坡是不稳定的，必须对该基坑的边坡进行相应的围护。

3．2钢板桩和横撑安全性的验算

支撑体系应不防碍沟槽内管道施工，根据我局以往类似工程经验及本工程明挖管径及施工规范要求，板桩采用7米或6米［20的槽钢，槽钢下部至少打入土中1米，横梁采用20cm*15cm的土方，横梁应水平，紧贴钢板桩，连接牢固；横撑采用D=20cm的圆木，水平间距为2米，垂直间距如剖面图所示，横撑应与横梁垂直，支撑牢固。钢板桩支撑布置图如下：

1）土压力及弯距计算

被动土压力综合系数计算

KN

：被动土压力折减系数，取0.8。

最大主动土压力计算：

最大被动土压力计算：

最大弯矩计算：

l：计算长度，取开挖高度7m；

b：槽钢的宽度，取20mm。

：最大应力；

V:减免发展系数，对于槽形截面，查表可知V=1.0

W:净截面抵抗矩，对于槽形截面，查表可知W=101180

f：型钢的抗弯强度设计值，对于Q235钢，取f=235。

2）支撑强度

强度计算

重度

粘聚力

3）稳定性验算

稳定性计算指的是横撑的稳定性验算，对于多层支撑去支点反力最大者，按承轴心受压的压杆稳定选择截面，本支撑体系中显然支点反力最大，故取支点进行验算。

根据受力分析图，水平方向受力平衡，得出：

四、基坑降水验算

1）、计算基坑涌水量Q

根据当地的实际降水工程经验计算时取R=50m，r0=32 m根据佛尔赫格麦尔试验，可由下式计算。

潜水非完整井井点系统涌水量为：

（3―4）

式中：k―渗透系数（m/d）；

H0―抽水影响深度，从静止水位算起；

H0＝1.838（S+l）＝1.838×6.7＝12.3m

l―井虑管进水长度（m）；

R0―引用影响半径（m）；

r―水井半径（m）；

h0―井点处水位（m）；

r0―基坑有效半径（m）；

根据工程情况取l＝1.5m、R0=82m、r＝30m、h0＝10.7m、r0＝32m。计算可得 Q≈284.9m3/d。

2）、基坑降水验算

当井点布置完毕后，应按验算降深是否符合要求。由井点的布置可知，降水井点对基坑中心的降水影响最小，故对基坑中心降水进行验算。对于潜水含水层，可以由下式进行验算：

（3―6）

式中：h―验算点的水位（m）；

H―含水层的厚度（m）；

Q―基坑的涌水量（m3/d）；

k―渗透系数（m/d）；

R0―引用影响半径（m）；

r0―基坑等效半径（m）；

xi―井点至基坑中心的距离(m)；

将相关参数代入上式得：h=10.19m。

H-h=15.9-10.19=5.71m＞S=5.2m。 所以基坑降低水位符合工程要求。

五、设计方案现场实施效果

柳州竹鹅溪综合治理工程K2+300～K2+500段地处飞鹅路世纪联华超市旁，河道两边有润河源，铁路设计院等高层建筑，施工难度非常大，原施组计划该段的施工工期为8个月，计划投资1100万元，其中工程投资800万元，征地及补偿费用300万元，且不能满足整个工程工期的要求。经业主、勘察、设计、监理、施工等单位共同研究决定采用该方案施工，开工后第一个月，就完成了施工K2+300～K2+390段的全部施工任务，达到总任务量的45%，在接下来的两个月中全部完成该段施工任务，节省征地拆迁费用200多万元，工期提前5个月，施工方管理费用节约50万元，直接保证整个工期的实现。

六、结论

经过对基坑边坡稳定性、基坑土压力、钢板桩和横撑安全性的验算及基坑井点降水等方面的计算，我们可以看出，设计的方案一在理论上是安全的。在现场施工过程中也证明了该方案是经济可行的，不但降低了施工成本，而且对保证工程安全、质量、进度起了很大的的作用。通过设计及验算的过程，科学地确定现场的施工方法，这是我们企业技术管理从粗放、经验化向精细、集约化方向发展必然趋势。

参考文献：

1、材料力学 西南交通大学出版社李庆华

2、结构力学（上下） 高等教育出版社李廉锟

3、地基处理手册 中国建筑工业出版社

4、流体力学 西南交通大学出版社李玉椋

5、基础工程 清华大学出版社周景星

王学锋 2001年毕业于石家庄铁路工程职业技术学院铁道工程专业

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。