基于flac3D深基坑开挖模拟与支护设计

2021年2月11日发(作者：西风带)

本科生毕业论文（设计）

题

目

：基于

flac3D

深基坑开挖模拟与 支护设计

指导教师

:

职称

:

评

阅

人

:

职称

:

摘

要

随着城市化过程中不断涌现的高层建筑和超高层建筑以及城市地下空间的开发，深基

坑工程越来越多，深基坑工程项目的规模和复杂性日益增大，给深基坑工程的设计和施工

带来了更大的挑战。在这样的背景下，深基坑支护结构设计和变形量预测已成为岩土工程

领域的重要研究课题之一。本文以武汉市万达广场深基坑工程作为研究对象，利用勘查资

料和深基坑支护结构设计要求，比选合理的基坑支护方案并进行相应的计算设计。同时，

本文针对深基坑工程变形量验算等难以解决的问题引用了

flac3D< /p>

数值模拟方法，对基坑开

挖、

支护结构施 工进行全方位的模拟监测，

将计算设计结果和模拟计算结果进行对比验算，

得出比较合理的支护结构设计方案和变形量控制方案。

根据基坑实际情况和勘查资料，

本文选择的围护方案为以大直径混凝土排桩、

双排桩、

角撑与对顶撑相结合的内支撑为主的多种联合支护方案，结合 坡顶大面积卸土减载、坑内

被动区加固的措施。计算部分主要设计计算大直径混凝土排桩 （钻孔灌注桩）桩长、内力

和配筋，而对卸土减载、内支撑结构、坑内被动区加固和降水 设计只进行了简要的说明；

flac3D

模拟部分主要从建立模 型、设置大直径混凝土排桩、放坡开挖、放坡坡面土钉施工、

预应力锚索（代替内支撑） 施工和基坑主体开挖为顺序进行建模计算，最后进行变形量监

测、分析，输出桩单元、锚 单元的内力分布情况并给出相应的结论与建议。

本文以常规计 算和数值模拟相结合的方式进行参考对比，常规计算和数值模拟分析结

果非常接近，给出 了有效合理的安全系数。

关键词

：深基坑

支护设计

flac3D

模拟

数值模拟

Abstract

With the urbanization

process

,high- rise

buildings and supertall buildings are

continuously

emerging .As

a

result

,underground

space

development

project

and

deep

excavation

project

become

more

and

more.

At

the

same

time,

the

scale

and

complexity

of

deep

excavation

increasing

bigger.

they

make

the

design

and

construction of deep excavation to face greater challenges. So structural design and

deformation prediction of deep excavation has become an important research issue in

the

field

of

geotechnical

engineering.

In

this

paper,

the

deep

excavation

of

Wanda

Plaza,

Wuhan

is

studied.

And

using

survey

data

and

structural

design

of

deep

excavation

requirements

to

select

reasonable

foundation

pit

,then

to

conduct

the

corresponding design. The meantime, as checking the deformation of deep excavation

is

a difficult problems

,it uses

flac3D numerical simulation

method to monitor the

progress of deep pit’s excavation, construction .Then comparing the design results of

the

calculation

and

simulation

results

to

obtained

reasonable

support

structure

design and control program of deformation.

According

to

the

actual

situation

and

exploration

data,

the

envelope

of

large

diameter

piles

concrete

piles,

angle

brace

and

top

brace

on

the

combination

of

a

variety

of

internal

support-based

programs

are

selected,

combined

with

slope

Top

large dump load shedding and the reinforcement measures of pit passive zone.

1) The calculation part of the paper

mainly introduce the design and calculation of

large

diameter

concrete

piles

or

bored

pile,

and

the

rest

just

briefly

introduce

the

dumping

load

shedding,

internal

support

structure,

the

pit

design

of

passive

zone

strengthening and precipitation.

2)

With

flac3D,

successively

study

the

model

building,

setting

large

diameter

concrete

piles,

sloping

excavation,

soil

nailing

construction,

pre-stressed

cable

(instead

of

internal

support)

construction

and

excavation

for

the

foundation

pit .Finally, conduct

the deformation monitoring , output pile element, the internal

force distribution analysis in anchorage unit .And

then, provide the corresponding

conclusions and recommendations.

In

this

paper,

conventional

calculations

and numerical

simulation

methods

are

used. And their results were very close. So it can give an effective and reasonable

safety factor through the combination of these methods.

Key words:

deep excavation design

flac3D

numerical simulation

目

录

第一章

绪论

.

........................... .................................................. .................................................. ...

1

第一节

选题思路

............ .................................................. .............................................

1

第二节

设计流程

............ .................................................. .............................................

1

第二章

工程概况及场地工程地质条件

.............. .................................................. .......................

3

第一节

工程概况

............ .................................................. ...........................................

3

第二节

场地工程地质条件

................... .................................................. ......................

4

第三章

A-OPQRSA

段基坑支护结构设计

.

........................... .................................................. .....

1

0

第一节

设计依据

............ .................................................. .........................................

1

0

第二节

设计参数

............ .................................................. .........................................

1

0

第三节

A-OPQRSA

段基坑支护方案选择

.................................................. ..............

1

1

第四节

A-OPQRSA

段基坑减载放坡设计

.................................................. ..............

1

3

第五节

A-OPQRSA

段基坑支护桩设计

....................................... .............................

1

3

第六节

A-OPQRSA

段基坑地下水控制方案设计

< br> .............................................. ......

2

4

第四章

基于

flac3D

基坑开挖模拟分析

.< /p>

........................................ ............................................

27

第一节

关于

flac3D

的概述

.

............................... .................................................. .......

27

第二节

基坑维护方案

..................... .................................................. ..........................

27

第三节

计算模型及参数

.................... .................................................. .......................

2

8

第四节

初始应力计算

..................... .................................................. ..........................

2

9

第五节

支护桩施工

........... .................................................. ........................................

3

1

第六节

模拟分层开挖和设定锚杆

................ .................................................. ...........

3

2

第七节

设置采样记录变量

................... .................................................. ....................

3

4

第八节

计算结果分析

..................... .................................................. ..........................

3

5

第五章

结论与问题

.

................................................. .................................................. .................

4

4

第一节

结论

.

........................... .................................................. ...................................

4

4

第二节

设计过程中存在问题

.................. .................................................. .................

4

5

致谢

.

.. .................................................. .................................................. ........................................

47

参考文献

.

.................................... .................................................. ................................................

4

8

附录

.

........................... .................................................. .................................................. ...............

4

9

第一章

绪论

第一节

选题思路

深基坑工程设计是当今岩土 工程界关注的热点话题，深基坑工程的难题在于对变形量

的预测，基坑允许的变形、垂直 位移的计算是比建筑物自身允许的沉降和沉降计算更为复

杂的课题，但又是基坑工程尤其 是在软土地区和工程地质、水文地质复杂地区无法回避的

问题。传统的基坑设计以考虑稳 定性为主，极少涉及基坑的变形计算，主要是由于基坑工

程设计计算方法和计算手段不成 熟。但是随着近几年来大型市政工程建设的进展，基坑环

境保护问题日益突出，对基坑变 形的控制越来越严格，从而引发了新一轮基坑工程设计理

论的革命——从强度控制向变形 控制的转变。正是在这样的大背景下计算机技术在岩土工

程界也得到了广泛的应用，直到 现在国内外关于岩土工程的计算机软件非常多，每个软件

都尤其独特的优势和使用条件， 在众多的岩土工程软件中由美国

ITASCA

咨询公司开发的< /p>

flac3d

三维快速拉格朗日分析程序在分析大变形问题方面具 有独特的优势。软件体提供了

针对岩土体和支护体系的各种本构模型和结构单元更是突出 了

flac

的“专业”特性，因此

在国 际岩土工程界非常流行，

近年来，

在国内

flac

应用也日渐广泛拥有越来越多的用户群。

本文设计基坑为武汉是万达广场深基坑工程，

基坑工程开挖深

< p>
10

余米，

而且场地工程

地质条件和水文地质条件非差特殊，

存在

10

< br>几米的软塑—流塑粘土、

淤泥质粘土，

基坑变

< p>
形预测及计算是基坑设计不可回避的问题。因此，在常规的极限平衡法设计基坑支护体系

< p>
的基础上采用

flac

建立三维模拟计算，通过两 种方法的分析对比，监测基坑变形，检查设

计支护体系的工作性状和深基坑的安全稳定性 系数。本文首先通过极限平衡法设计求出支

护桩桩长、最大弯矩、配筋等，然后通过计算 提供的支护桩桩长建立

flac

计算模型，然后

模拟放坡开挖，进行坡面土钉开挖，最后进行基坑主体开挖继而进行后处理分析，得出结

论。

第二节

设计流程

本文设计方法采用极限平衡法和数 值模拟相结合的方式进行设计分析，首先根据场地

勘查报告、基坑设计说明书并且结合场 地实际情况比选出适合的支护体系方案，然后利用

极限平衡法对支护方案进行设计。在以 上的基础上，根据场地土体的物理、力学性质及土

层的分布情况，利用

< br>flac3d

创建计算模型，通过设置位移、地下水、重力、外荷载等边界

条件，初始平衡模拟开挖前场地土体状态，然后设置结构单元（桩单元、预应力锚杆单元、

土钉单元）模拟开挖计算，得到位移变形云图、应力云图、结构单元内力图等资料。最后

对比分析两种方法计算结果，综合提出合理的结论与建议。本文的设计流程图如下：

1

双排防渗帷幕

勘查资料

设计说明

Flac

模拟

比选支护体系方案

建立分析模型

放坡减载

大直径排桩

内支撑

进入初始平衡

土钉加固

土压力计算

对比

土压力计算

确定排桩桩长

建立结构单元

计算内支撑力

桩

土钉

锚杆

（代替内支撑）

确定最大弯矩

对比

桩内力计算

计算

对比

锚杆内力计算

变形量验算

图

1

设计流程图

2

第二章

工程概况及场地工程地质条件

第一节

工程概况

武汉万达广场投资有限公司 拟在汉口新华西路附近兴建武汉新华西路万达广场工程。

场地位于武汉市江汉区，地块范 围东临新华下路，西邻新华西路，南侧为规划道路、武汉

新闻出版局，北侧为马场公寓、 菱湖上品项目。

本场地基坑分为

A< /p>

、

B

基坑两块，总占地面积约

< p>
57000m

2

。

A

基坑为大商业部分，其地

下二层主楼的承台底标高

< br>-12.6m

（电梯井

-15.0m

）

，商业部分底标高

-12.4m(

电梯井

-13.5m)

；

B

基坑为住宅部分，其主楼承台底标高

-11.25m

，分布于基坑四周。大商业部分（

A

基坑）

的地下室层高：地下一层

5.5

米，地下二层

4.8

米；住宅部分（

B

基坑）地下室层高：地下

一层与地下二层均为

3.8

米。

本项目设计±

0 .00=22.00m

，地下室分为

A

区、

B

区。

A

、

B

基坑呈“吕”字型分布，在

中间部 分设连通地道

2

处，场地地面标高依据勘察报告中钻孔标高，坑 底标高按地下室结

构图纸基础承台或基础梁底标高取值，垫层厚按

100mm

考虑。各段设计开挖深度详见表

1-1

表

1-1

基坑设计开挖深度设计参数一览表

段号

A-AB

A-BCD

A-DEF

A-FG

A-GH

A-HI

A-IJ

A-JK

A-KL

A-LM

A-MO

A-OPQ < /p>

地面标高

坑底标高

开挖深度

段号

（

m

）

（

m

）

（

m

）

20.90

20.90

20.90

20.60

20.60

20.60

20.60

20.60

20.60

20.60

20.60

20.70

9.90

9.90

9.90

9.60

11.50

9.90

9.90

9.10

9.90

9.30

9.90

9.90

11.00

11.00

11.00

11.00

9.10

10.70

10.70

11.50

10.70

11.30

10.70

10.80

A-QR

A-RSA

B-MNAB

B-BC

B-CD

B-DE

B-EF

B-FG

B-GHIJ

B-JKLL

’

B-L

’

M

地面标高

坑底标高

开挖深度

（

m

）

（

m

）

（

m

）

20.70

20.70

21.00

20.50

20.80

20.80

20.90

20.90

20.90

20.90

20.90

9.30

9.90

10.80

10.80

10.80

10.80

10.80

10.80

10.80

10.80

10.80

11.40

10.80

10.20

9.70

10.00

10.00

10.10

10.10

10.10

10.10

10.10

3

第二节

场地工程地质条件

2.2.1

基坑周边环境

基坑紧邻新华西路、新 华下路，地下管网密集，北侧紧邻十九中、马场公寓，东侧紧

邻菱湖上品，周边环境复杂 。

场地周边已有建筑物距基坑一般均在

25m

以上（仅局部少量地段为

14m

左右）

；根据

资料显示，场地内无重要的管线工程分布。

2.2.2

场地地形地貌

< p>
拟建场地位于汉口新华西路，场地平面大致呈不规则矩形，东北侧为马场公寓，西北

侧为日月华庭小区和第十九中，西南侧为新华西路，南侧为规划道路。原始地貌属长江冲

积一级阶地，原为华南果品批发市场、汽车修理厂、居民居住区，现场地基本已拆迁整平，

地势平缓，地面标高在

19.84

～

22.31m

之间变化。

2.2.3

场区地层概况

根据勘察钻探揭露深度范围内，场地岩土层自上而下主要由五个单元层组成，从成因

上看，

（

1

）单元层为新近 填土和淤泥层；

（

2

）单元层属第四系 全新统冲积（

Q

4

al

）一般粘性

土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土层；

（

3

）单元层为第四系全新统冲积（

Q

4

al

）粉土夹

粉砂、粉质粘土层；

（

4

）单元层属 第四系全新统冲积（

Q

4

al

）砂土、砂、砾胶结层；

（

5

< br>）

、

（

6

）单元为白垩—下第三系的强～中风化泥质粉砂岩或粉砂质泥岩、砂砾岩。

根据各岩土（砂）层力学性质上的差异，可将场区地基岩土进一步细划为若干亚层。

具体的分布埋藏条件、

野外鉴别特征列于表

2-1< /p>

。

通过室内试验得出地基土层主要物理、

力

学指标，分层统计见表

2-1.

对 场地各岩土层的岩性描述及物理力学性质指标统计结果可以看出，拟建场区填土层

以下地 层为武汉地区典型的长江冲积一级阶地二元结构地层，

颗粒粒径从上至下由细变粗，

力学性质亦随深度增加而变好。从工程性质来看，浅部的填土层及（

2

）单元层力学强度均

不高，

不能满足 拟建高层建筑物荷载要求；

下部

（

4- 2

）

、

（

4- 3

）

层细砂层密实度好、

强度高，

是拟建多层裙楼、商铺、地下室、售楼部较理想的桩基持力层；基岩中风化埋深稳定，宜

作为

26

～

33< /p>

层高层建筑桩基持力层使用。

4

表

2-1

场地地基岩土野外鉴别特征表

地层编号

及

岩土名称

年代

层厚

颜色

成因

(m)

ml

状态

湿度

包含物及特征

分布整个场地，主要由 建筑垃圾、混凝土地坪

及一般粘性土组成，近期堆填，结构杂乱。

分布于少部分地段（原湖塘底），含少量螺壳、

腐殖物、有 机质，有臭味。

场地内大部分地段分布，含铁锰氧化物、灰色

粘土矿物条纹。

分布于整个场地，含 少量螺壳、腐殖物、有机

质，局部夹粉质粘土、粉土粉砂。

< /p>

场地内部分地段分布，含铁锰氧化物、灰色粘

土矿物条纹及少量有 机质，夹粉土薄层。

场地内部分地段分布，

< br>含铁质氧化物和云母片。

含云母、石英等矿物。场区内 部分地段分布，

层面有一定起伏。

以 透镜体形式分布于（

4-1

）层中，细层理清

< br>晰。

含云母、石英等矿物。场区内均有分布，层面

埋深较稳定。

个别孔区分布，以透镜体形 式分布于（

4-2

）层

中，细层理清晰 。

含云母、石英，局部夹小砾石，该层场区内均

有分布，层面埋深较稳定。

大部分孔区分布，以透 镜体形式分布于（

4-3

）

层中，细层 理清晰。分布无规律。

含石英、

云母 ，

砾卵石大小

1-8cm

，

< p>
含量

5-20%

，

场区大 部分地段分布。

场区部分地段分布，胶结程度差，为未成岩～

半成岩状，钻探取样大部分为碎石、块石。

< br>基本风化成砂土状，

内夹少量尚未完全风化岩

块，手可捏 碎。

岩芯呈柱状，裂隙发育，岩石呈块状构造，含

< p>
砂—泥状结构，场区大部分地段揭露。取芯率

70

～

80%

，

RQD

指标

70%

。

综合评定岩体基本质

量等级为Ⅴ级，属极软岩。

0.5< /p>

(1)

杂填土

Q

～

杂

松散～稍密

湿

4.4

0.3

l

(1-2)

淤泥

Q

～

灰黑

流塑

饱和

3.3

0.5

褐

黄

～

al

(2-1)

粘土

Q

4

～

软～流塑

< br>

饱和

黄褐

2.7

5.8

(2-2)

淤泥质粉质

al< /p>

Q

4

～

褐灰

稍密～中密

饱和

粘土

17.5

0.8

(2-3)

粉质粘土混

al

Q

4< /p>

～

褐灰

软～可塑

饱和

粉土

6.6

0.8

(3)

粉土夹粉砂、

al

Q

4

～

褐灰

中密

饱和

粉质粘土

5.5

< br>0.8

al

(4-1)

粉砂

Q

4

～

灰

松散～稍密

饱和

9.5

0.4

(4-1a)

粉

质

< p>
粘

土

al

Q

4

～

灰

可塑

饱和

夹粉土

3.6

0.5

中密

al

(4-2)

粉细砂

Q

4

～

灰色

饱和

（局部密实）

13.2

< p>
(4-2a)

粉

质

粘

土

2

～

al

Q

4

灰色

可塑

饱和

夹粉土

3.3

0.2

al

< br>(4-3)

粉细砂

Q

4

～

灰色

密实

饱和

14.4

0.4

(4-3a)

粉质

粘

土

al

Q

4

～

灰色

可塑

饱和

夹粉土

5.2

0.2

(4-4)

中粗砂混

al+ pl

Q

4

～

杂色

密实

饱和

砾卵石

2.9

0.6

(4-5)

砂、砾胶

al+ pl

Q

4

～

杂色

密实

干

结层

6.5

0.5

(5-1)

强风化泥

质粉砂岩 、

粉砂

K-E

～

灰

硬

干

质泥岩

2.3

(5-2)

中风化泥

质粉砂岩、

粉 砂

质泥岩

K-E

未揭

灰～

穿

紫红

坚硬

干

5

未揭

灰～

穿

杂色

< /p>

岩芯呈柱状，砾石直径

1-10cm

，综 合评定岩体

基本质量等级为Ⅴ级，属软岩。

（

6

）砂砾岩

K-E

坚硬

干

6

地层编号

及

岩土名称

天然

含水

重度

项目

量

w

%

γ

kN/m

3

天然孔

隙比

e

液限

塑

性

液性

压缩

指

指数

系数

数

I

p

I

L

a

1-2

MPa

-1

快剪

压缩

模量

E

s

MPa

三轴剪

(UU)

内摩

擦角

φ

度

粘

内摩

粘聚

聚

擦角

力

力

c

kPa

φ

度

c

kPa

静止侧

< br>无侧限

有机质

垂直渗透

抗压强< /p>

灵敏度

压力系

含量

系数

数

度

q

0

kPa

w

L

%

s

t

K

0

Wu

kh

×

10

-8

cm/s

%

n

(2-1)

max

粘土

min

μ

n

(2-2)

max

淤泥质

min

粉质粘土

μ

n

(2-3)

max

粉质粘土

min

混粉土

μ

(3)

n

粉土夹粉砂、

max

min

粉质粘土

μ

(

粉质粘土

)

(4-1a)

n

粉质粘土

max

min

夹粉土

μ

(

粉质粘土

)

(4-2a)

n

粉质粘土

max

min

夹粉土

μ

(

粉质粘土

)

24

42.9

28.5

36.2

197

59.2

32.3

43.4

13

52.2

30.4

40.8

2

47.5

35.4

41.5

5

41.2

32.0

38.2

1

38.4

38.4

38.4

24

18.6

16.8

17.9

197

18.5

15.6

17.0

13

18.1

16.0

17.1

2

17.0

16.3

16.6

5

18.1

17.3

17.6

1

17.4

17.4

17.4

24

1.290

0.840

1.042

197

1.711

0.918

1.270

13

1.558

0.949

1.203

2

1.435

1.129

1.282

5

1.198

0.951

1.107

1

1.127

1.127

1.127

24

57.8

35.8

46.0

197

67.7

30.1

41.5

13

55.3

32.1

41.9

2

49.8

36.1

43.0

5

43.3

33.9

39.4

1

31.6

31.6

31.6

20

25.2

14.1

19.7

171

22.4

9.8

16.0

9

19.4

10.5

15.1

2

19.7

12.8

16.3

5

18.2

11.6

15.0

1

10.3

10.3

10.3

19

0.80

0.30

0.52

197

2.02

0.51

1.15

13

1.42

0.76

0.95

2

0.95

0.88

0.92

5

1.12

0.77

0.93

1

1.66

1.66

1.66

22

0.68

0.29

0.49

181

1.40

0.41

0.80

13

1.14

0.22

0.61

2

0.80

0.62

0.71

5

0.76

0.47

0.59

1

0.42

0.42

0.42

22

6.7

3.2

4.4

181

4.8

1.8

3.0

13

9.0

2.3

4.3

2

3.5

3.0

3.3

5

4.6

2.9

3.7

1

5.0

5.0

5.0

9

32

13

21

39

12

4

8

3

32

4

15

1

15

15

15

3

22

6

14

1

17

17

17

9

13

5

9

39

9

3

6

3

17

8

13

1

6

6

6

3

20

7

14

1

4

4

4

3

59

17

34

26

29

11

16

3

19

12

15

3

4

1

2

22

2

1

1

3

2

1

1

1

70.8

70.8

70.8

8

81.50

48.60

62.91

1

1.5

1.5

1.5

6

3.6

1.8

2.6

4

0.79

0.52

0.62

2

0.60

0.49

0.55

2

4.7

3.1

3.9

21

7.9

3.1

5.2

10

13.0

5.3

10.0

表

2-2

地基土层主要物理、力学指标分层统计表

7

2.2.4

场地水文地质条件

场区内地下水类型 主要为上层滞水和第四系孔隙承压水。上层滞水主要赋存于第（

1

）

层杂填土中，受地表水源、大气降水和生活用水补给，无统一的自由水面，水位及水 量受

地表水源、大气降水和生活用水排放量的影响而波动。第四系孔隙承压水主要赋存于 下部

砂性土层中，主要接受侧向补给，与长江存在较密切水力联系，呈互补关系。根据场 地勘

察报告，含水层综合渗透系数

K

平 均值

18.0m/d

，影响半径

460 m

（设计时取

250m

）

。孔隙

承压水位年变幅为

3

~

4

米，在丰水期承压水位标高约为

2 0.0m

。

本基坑开挖深度介于

9.0

~

13.0m

之间，局部电梯井开挖深度达

15.0m

，已揭露（

3

）层

粉土夹粉砂、粉质粘土或（

4-1

）层粉砂含水层，因此本基坑必需进行降水设计。

2.2.5

场地地震效应

< /p>

根据湖北省建设厅《关于确定我省主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和

设计地震分组的通知》

（鄂建文

[2001] 357

号）的规定，武汉地区地震基本烈度为

6

度，新

建工程必须进行抗震设防。武汉市抗震分组均为第一组，拟建项目可按< /p>

6

度地震烈度进行

设防，地震设计加速度 为

0.05g

，并且可不考虑饱和粉土、砂土的液化问题。

为判定场地土类型及建筑场地类别，在

K 1

、

K32

、

K134

号钻孔内及附近区域进行了剪

切波速测试及地面脉动测 试，根据剪切波速测试结果，场区地表下

20.0m

深度范围地 基土

的等效剪切波速

Vse=144.8

～

152.3m/s

，按《建筑抗震设计规范》

GB50011-2001

第

4.1.3

< p>
条

判定，本场地属中软场地土。本次勘察资料显示，拟建场区基岩埋深在< /p>

41.5

～

51.5m

< br>左右，

根据《建筑抗震设计规范》

GB50011-20 01

第

4.1.6

条判定，基岩埋深在

3~50m

之间属Ⅱ类

建筑场地，

基岩埋深

>50m

属Ⅲ类建筑场地。本场地 仅

4#

楼

30#

、

31#

、

32#

< br>孔地段属Ⅲ类建

筑场地，

其余地段均属Ⅱ类建筑场地。< /p>

拟建场区设计基本地震加速度值

0.05g

，设计地震分

组第一组。结合场区地基土成因、岩性及分布条件等综合判定，本场区属 可进行建设的一

般场地。

2.2.6

场地岩土工程评价

2.6.1

地基土建筑性能评价

第（

< p>
1

）单元层为人工填土和淤泥，成份杂乱，结构松软，均匀性差，强度低， 不能作

为拟建建筑物基础持力层使用。该层土是组成基槽侧壁土体的主要土层，由于其渗 透性较

好，层中赋存一定量上层滞水，且其自稳性能差，对基槽开挖支护不利。

第（

2

）单元层承载 力特征值相对较低，其力学强度不能满足拟建建筑荷载要求，不能

作为桩基持力层使用。 其中（

2-2

）淤泥质粉质粘土埋藏较浅，厚度大，力学性能极 差，具

触变性，基础施工及基槽开挖时应引起重视。

第（

3

）单元层为上部粘性土与下部砂土层之间 的过渡层，均匀性差，赋存弱承压水，

可为桩基提供一定的摩阻力。

8

第（

4

）单元层中，

（

4-1

）层粉砂呈松散～稍密状态，均匀性稍差，力学性质一般，层

厚薄，部分 地段缺失，不宜作为桩基持力层使用。

（

4-2

）

、

（

4-3

）层为中实～密实状态粉细

砂，力学性质良好，且层面埋深稳定，是拟建地下室 （无上部建筑区域）

、裙房、商铺良好

的桩基持力层。应注意的 是，

（

4-2

）

（

4-3

）层中夹有相对松软的（

4 -2a

）

、

（

4-3a

）薄夹层，

桩基设计施工时应注意桩端应与软弱夹层保 持安全距离。

（

4-5

）层砂、砾胶结 层，强度高，

部分地段缺失，分布稳定处可作为

26

< p>
层的高层写字楼、公寓和

33

层的高层住宅桩端持 力

层使用。

第（

5

）

、

（

6

）单元层为白垩—下第三系泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂砾岩，其中（

5-2

）

层中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，埋深稳定 ，强度高，是拟建

25

层的高层写字楼、公寓

< br>和

33

层的高层住宅良好的桩基持力层。

2.6.2

地基基础型式

本工程中的裙房、商铺、地下室、售楼部，单柱荷载相对较大，结合场地浅部地层特

性及空间分布情况，裙房、商铺、地下室、售楼部不宜采用天然地基基础。高层建筑更不

具备采用天然地基的条件，故本工程场地各拟建建（构）筑物均宜采用桩基础。

拟建建筑体量大，结构型式及荷载存在差异，桩基础设计时，宜根据不同荷 载，结合

不同地段地层情况具体分析。本工程较适宜的桩基础型式有钻孔灌注桩及预应力 管桩，对

于

26

层和

< br>33

层的高层建筑，桩型宜选用钻孔灌注桩以（

5-2< /p>

）层中风化泥质粉砂岩、粉砂

质泥岩为桩端持力层，当采用钻孔灌 注桩后压浆施工工艺时，可根据各处持力层面及层厚

等具体情况选（

4-5

）

、

（

5-1

）

、

（

5-2

）配合作为持力层；地下室和

2

～

5

层的裙房、商铺、售

楼部可选 用预应力管桩以（

4-2

）层或（

4- 3

）层粉细砂作为桩端持力层。各建筑物可根据荷

载要求选择不 同直径、不同桩长的桩基础来获得不同的单桩承载力，鉴于拟建建筑对变形

较敏感，建议 同一单体建筑选择同一桩型尽量选择同一持力层。

9

第三章

A-OPQRSA

段基坑支护结构设计

第一节

设计依据

⑴

武汉新华西路万达广场总平面图——万达商业规划研究院

⑵

武汉新华西路万达广场地下一层、 二层平面图——万达商业规划研究院

⑶“武汉新华西路万达广场岩土工程勘察报告”——

武汉市勘察设计院

⑷《湖北省深基坑 工程技术规程》

（

DB 42

/159-2004

）

⑸《建筑基坑支护技术规程》

（

JGJ 120-99

）

⑹《混凝土结构设计规范》

（

GB 50010-2002

）

⑺《钢结构 设计规范》

（

GB50017-2003

）

⑻《土层锚杆（索）设计与施工规范》

< br>（

CECS22

：

2005

）

⑼《建筑桩基技术规范》

（

JGJ94-2008

）

⑽《供水水文地质勘察规范》

（

GB 50027-2001

）

⑾《建筑与 市政降水工程技术规范》

（

JGJ/T11-98

）

⑿《建筑地基基础设计规范》

< br>（

GB50007-2002

）

⒀《地基基础处理规范》

（

JGJ 79-2002

）

⒁《建筑基坑工程 监测技术规范》

（

GB 50497-2009

）

⒂

业主提供的周边环境、结构施工图等相关资料

第二节

设计参数

根据岩土工程详细勘察报告 和

《湖北省深基坑工程技术规程》

，

结 合相关工程实践经验，

基坑支护设计有关参数取值见表

3-1< /p>

。根据业主提供的地质勘察资料，

B

区基 坑周边地层概

化为

8

种不同情况进行计 算，

A

区基坑周边地层概化为

14

种不同情况进行计算。本次计算

选取

A

区

A-OPQRSA

段进行初步模拟与设计 。

表

3-1

为

A-OPQRSA

段基坑设计土层基本参数

取值表，图

3-1

为

A-OPQRSA

段基坑周边涉及地层展开图。

表

3-1

A-OPQRSA

段基坑设计土层基本参数取值表

层号

土层名称

1

2-1

2-2

2-3

4-1

4-2

杂填土

粘土

重度

γ

KN/M3

粘聚力

内摩擦角

(

°

)

MkPa/m2

深度范围

C

（

kPa

）

（

m

）

18.0

18.0

8

18

10

16

0

0

18

8

5

11

27

33

5480

2280

800

2920

11880

18480

1.6

0.9

9.3

2.7

7.6

淤泥质粉质粘土

17.0

粉质粘土混粉土

17.3

粉砂

粉细砂

19.2

19.7

10

第三节

A-OPQRSA

段基坑支护方案选择

3.3.1

可供选择的支护方案

< /p>

近年来，武汉市房地产开发的力度不断加大，高层建筑越来越多。伴随着房地产业的

飞速发展，深基坑支护技术也取得了长足进步。基坑支护方式趋向多样化，多种支护方式

并用的联合支护被采用的越来越多，基坑支护造价也趋向于更经济合理。

根据本基坑工程的开挖深度、周边环境、地层性质，结合武汉市的地区经验，本工程

可供选择的支护方式及其优劣性分析见表

3-2

。

表

3-2

A-OPESA

段基坑支护方式及优 劣分析表

分项特点

支护方式

主要特点

适用于不同深度的基坑，武 汉

市普遍使用，地区经验丰富。

在淤泥质土中锚杆锚固效果较< /p>

差，邻近建筑为桩基础时不能

使用。受红线限制。

可适用于不同深度的基坑，尤

其使用于平面尺寸狭长 的基

坑，武汉市有成功经验。但施

工周期很长，尤其对后续施工

影响很大。

可靠性

工期

造价

本工程中的适宜性

桩锚支护

好

较长

较高

受红线及地质条件

影响，本场地不能

使 用锚杆。但可采

用锚拉桩工艺。

通过 合理布置支撑

构件，保证土方挖

运便利，但土方开

挖难度较大，可采

用方案。

利用本场地周边较

为开阔的条件，对

坡顶一定范围内的

土方进行有条件卸

载，

，

大部分地段可

以采用。

本场地部分地段可

采用。

桩撑支护

好

较长

较高

坡顶减载

放坡

可有效降低支护结构承受的主< /p>

动土压力，目前武汉市的深基

坑普遍采用。

较好

短

低

双排桩支

护

适用于不同深度基坑，武汉市

已有多个基坑应用，尤其适用

较好

于地层差、受红线限制地段。

较短

较高

通过比较不难发现，上述支护方案各有优缺点。从技术上讲除部分方案本工程不宜采

用外，可以采用的支护方案不止一种。只有同时综合考虑安全、造价、工期等多方面因素，< /p>

才能使支护方案最终做到既经济又合理。

本场地大部分地段地面下

15m

范围内均为软土，最深处达< /p>

18m

，而基坑开挖深度达

10m-11 m

，坑内被动区土层强度低，不能为支护体系提供有效的被动土压力。为保证支护

体系的有效性，减少软土层对基坑支护体系的影响，对某些区段的被动区土体采用搅拌桩

11

改良加固处理是必要的。

3.3.2

支护方案的比选原则

首先根据地层、 开挖深度、周边环境的不同详细对基坑支护分段，然后对每一段按由

简单到复杂、由低价 到高价的先后顺序进行试算、比较，同时兼顾工期及其它工程条件，

最后选择最佳的方案 。

3.3.3 A-OPQRSA

段支护方案的选择

根据

A-OPQRSA

段的工程地质条件和对基坑支护方案优劣 分析最终确定该段支护总体

方案为：以大直径钻孔灌注桩作为主体支护桩、双排粉喷桩作 为止水帷幕联合角撑与对顶

撑相结合的内支撑为主的多种联合支护方案。

具体支护结构剖面布置图见图

3-2

，

分析见表

3-3.

图

3-2 A-OPQRSA

段支护体系布置剖面图

表

3-3 A- OPQRSA

段支护方案分析表

12

分段号

开挖深度

m

本段特点

坑外为现场施工道路；

坑壁分布有较

厚的淤泥质土，坡脚以下则分布较

薄；

有较空阔的放坡空间，

局部开挖

深度较深。

可选的支护方案

1

、上部放坡卸载

< br>2

、

支护桩

+

< br>混凝土内支撑

3

、坑壁采用粉喷桩止水

OPQRSA

11.0

～

11.4

第四节

A-OPQRSA

段基坑减载放坡设计

本场地地面下

3

~

16m

范围内分布有深厚软土层，

对支护体系的安全及经济 均带来较大

影响。为降低工程造价，

保证支护体系的安全，

对场地周边进行大卸载以减少主动土压力，

尤其对

< br>A

、

B

区的中间条带上部

2m

范围内土体整体卸载。

针对

A

基坑

OPQRSA

段利用周边开阔的环境条件，对基坑上部

3.0m

< br>～

4.6m

深度、宽

度

5.0m

~

18.0m

范围内采用放坡卸载，以减少主动区土压力，坡中设置放坡平台，坡面采

用挂网喷面或喷 锚网保护。

A-OPQRSA

段坡高、坡率具体见表

< p>
3-4

。

表

3-4 A-OPQRSA

段基坑周边放坡设计参数一览表

段号

地面

标高

坑底

标高

9.70

开挖

深度

11.0

放坡参数

坡高

3.1

坡率

1:1

平台

宽

7.50

三级坡参数

坡高

7.80

坡率

直坡

A-OPQRSA

20.7

A-OPQRSA

段具体设计如下：

喷锚网支护段喷面采用喷射砼，砼设计强度为

C20

< p>
，厚度

6cm-8cm

，配比为水泥：砂：

石子＝

1

：

2

：

1.5

，水灰比为

0.4

～

0.5

，采用标号不低于

32.5MPa

的普通硅酸盐水泥、粒径

不 大于

2.5mm

的中细砂和粒径小于

5 mm

的瓜米石。钢筋网规格为

Φ

6.5

＠

200

×

2 00

，

加

强 筋为

Φ

16

圆钢。将各排锚杆、加强筋 焊成网络

,

以增加面层刚度。上下段钢筋网搭接长

< p>
度应大于

300mm

。锚杆长度为

3.0m~4.5m

，间距

1200mm

×

1200mm

，角度

15

度。当土层

松散、孔内塌孔严重时，用一次性锚管代替锚杆，锚 管规格为：

Φ

48

×

< br>2.8

（锚管需采用帮

焊角钢的方法加强处理）

。

表

3-5

A-OPQRSA

段放坡支护设计参数

一级坡参数

段号

A-OPQRSA

地面标高

开挖深度

20.7

3.10

坡高

3.1

坡率

1:1

支护形式

平台宽

喷锚网

7.50

备注

局部粉喷桩加固

第五节

A-OPQRSA

段基坑支护桩设计

13

在

0 ~3.1m

段采用减载放坡设计，破率为

1

：

1

，在距地面

3.1m

放坡坡脚处开挖形成了

7.5m

的放坡平台，做 为施工道路，然后在垂直开挖

7.8m

，形成了深

10.9m

的深基坑。具

体剖面图如下图。

图

3-3

A-OPQRSA

段基坑设计剖面图

3.5.1

土压力计

计算方法：朗肯土压力理论

计算参数：

层号

土层

名称

1

2-1

2-2

2-3

4-1

计算模型简化：由于在距地 面

3.1m

处开挖成为宽

7.5m

的施工道路，公路荷载简化为

均部荷载，

大 小为

γ

h=15.5.0

1.6

14

重度

γ

KN/M3

粘聚力

内摩擦角

(

°

)

MkPa/m2

深度范围

C

（

kPa

）

（

m

）

18.0

18.0

8

18

10

16

0

18

8

5

11

27

5480

2280

800

2920

11880

1.6

0.9

9.3

2.7

7.6

杂填土

粘土

淤泥质粉质粘土

17.0

粉质粘土混粉土

17.3

粉砂

19.2

15kpa

，

施工道路右边的放坡及土体荷载简化成为均部 荷载，

大小

=

kN/m2,

地下水位取

-4m

处，

为了计算简单，

下面的计算把施工道路平面作为零点基准面， 标高为

0m

。

具体计算如下：

外荷载

：

主动土压力计算：

在施工道路平面的土压力：

（

3-1

）

地下水位处（

-0.9m

< p>
）主动土压力：

淤泥 质粉质粘土与粉质粘土混粉土（

-8.7m

）处上表面土压力：

淤泥质粉质粘土与粉质粘土混粉土 （

-8.7m

）处下表面土压力：

（

3-2

）

粉质粘土混粉土与粉砂（

-11.4 m

）处上表面土压力：

< p>
粉质粘土混粉土与粉砂（

-11.4m

）处下表面 土压力：

（

3-3

）

粉砂与粉细砂分界面处（

-19m< /p>

）土压力：

被动土压力计算：

基坑底面（

-7.8m

）被动土压力：

15

淤 泥质粉质粘土与粉质粘土混粉土（

-8.7m

）处上表面被动土 压力：

淤泥质粉质粘土与粉质粘土 混粉土（

-8.7m

）处下表面被动土压力：

< br>

61.73kpa

粉质粘土混粉土与粉砂（

-11.4m

）处上表面被动土压力：

粉质粘土混粉土与粉砂（

-11.4 m

）处下表面被动土压力：

粉砂与粉细砂分界面处（

-19m

）土压力< /p>

:

3.5.2

计算支护桩桩长、内支撑力和最大弯矩

对桩顶部设支撑的挡土支护桩，需要根据地质条件及开挖深度，确定出桩的最小入土

深 度，之后即可定出挡土墙的最小总长度，还需要根据挡土桩承受荷载的大小，计算出桩

身 承受的最大弯矩及顶部支撑所承受的反支撑力，以确定桩身截面的大小、配筋及确定支

撑 构件所需的强度和截面尺寸。

计算桩长思路为求出主动土压力 合理大小和作用点位置，求出被动土压力大小和作用

点位置，在对桩顶求力矩就可以求出 桩长，由于涉及

4

层土层，土压力大小和作用位置不

< p>
容易求出，可以把梯形土压力区域分割呈矩形土压力区域和三角形土压力区域，再分别求

< p>
出其大小和作用点位置。

16

图

3-5

计算简化图

具体计算步骤如下：

设支护桩深入粉砂层的深度为

x

米，则主动土压力可 以用下式表达：

各层土主动土压力

=

矩形土压力区

+

三角土压力区

< br>地下水以上

0.9m

地下水以下

7.8m

2.7m

粉质粘土混粉土主动土压力大小：

< p>
X

米粉砂土主动土压力大小：

各层土矩形主动土压 力对

A

点求力矩：

：

各层土 三角主动土压力对

A

点求力矩：

17

则各层土的主动土压力对

A

点的总力矩：

各层被动压力可以用下式表达：

各层土被动土压力

=

矩形土压力区

+

三角土压力区

基坑底部

0.9m

淤泥质粉质粘土被动土压力大小：

2.7m

粉质粘土混粉土被动土压力大小：

X

米 粉砂土被动土压力大小：

各层土矩形被动土压力对

A

< p>
点求力矩：

各层土 三角被动土压力对

A

点求力矩：

则各层土的被动土压力对

A

点的总力矩：

18

由 于支护桩是平衡的，则对于

A

点主动力矩应该等于被动力矩：< /p>

则有：

求上述三次方程，求解

则最短桩长为：

为了安全起见桩长取

设内支撑力为

F

< br>求出桩长以后，则支护桩后面的主动土压力为：

被动土压力为：

< br>由力平衡可知，内支撑力：

设最大弯矩为

，设桩顶以下深度为

y

处的剪力为零，则：

整理上式可得：

解得

对桩顶下

6.705m

处求力矩：

因为桩间距取

1.2m

，故最大弯矩取

由于本基坑地处武汉市区，周围房 屋建筑密集，基坑深度较大，工程地质条件比较复

杂，有深厚淤泥、淤泥质土、饱和粘性 土层，对基坑工程有重大影响，因此，重要性等级

为一级。

< /p>

根据《基坑工程技术规范（湖北）

》规定当确定支护桩截面尺寸及 配筋和验算材料强度

后，

荷载效采用承载能力极限状态下荷载效 应的基本组合。

其组合设计值

S

应采用下式所

19

示简化规则：

R

（

3-4

）

式中：

R

——

结构构件抗力的设计值，按有关建筑结构设计规范的规定确定；

——

荷载效应的标准组合值；

——

临时性支护结构调整系数

，

对一、

二 、

三级基坑分别取

1.0

、

0.95

、

0.90

。

因此， 计算所用的弯矩应该乘以重要性系数

1.35

，故

3.5.3

配筋计算

支护桩 所承受的最大弯矩荷载确定后，即可按照钢筋混泥土偏心受压构件计算桩身配

筋。由于本 例采用放入是圆形钢筋混泥土支护桩，可以按照《混凝土结构设计规范》进行

支护桩正截 面受压承载力计算。

具体计算步骤如：

当桩轴向力设计值

N=0

时，设受压区混凝土截面面积的圆心角与

2

π

的比值

α

，则：

（

3-5

）

式中：

α

— 对于受压区混凝土截面面积的圆心角与

2

π

的比值；

A

—

支护桩桩截面面积；

设：

则上式可以改为：

20

（

3-6

）

（

3-7

）

经试算得到

α

值，代入下式（

3

）

，计算桩正截面 弯矩设计值

M

，以此验算桩截面及配筋是

否满足要求：

式中：

r

— 圆形桩截面的半径；

< p>
本例中，

由于支护桩直径

1000mm

< p>
支护桩的混凝土强度等级取

C30

，

钢筋取

ф

28HRB335

，

可以得出三个方程组，包含

，

;

（

3-8

）

，则由（

3-6

）

（

3-7

）

（

3-8

）式

三个未知数，联立求解就可以计算出

< p>
，进行配筋。

但是由于（

2

）方程的化解求解涉及到迭代求解比较麻烦，因此采用

excel

表格的规划求解

进行迭代计算，计算过程省略。

通过

excel

表格的规划求解得到最优解

设纵向手里 钢筋为

n

根，则

所以采用

26

ф

28HRB335

， 钢筋保护层厚度取

50mm

。

验算纵向圆形截面钢筋保护层是否满足间距要求：

设钢筋笼圆周长为

则纵向钢筋之间距为

，根据钢筋混凝土规范纵筋之间的间

距满足要求。

验算是否满足最小配筋率：根据《钢筋混凝土 结构设计规范》规定，受弯构件、偏心

21

受拉、轴心受拉构件，其一侧纵向受拉钢筋应不小于

0.002

和

①

、最小配筋率至少大于截面面积的千分之二

则：

中的较大者。

，满足要求。

②

、

所以，

最后配筋方案为：

主筋采用

26

φ

28HRB335

，

均匀圆周布置，

保护层厚度

50m m

。

配

φ

8@ 200

的螺旋箍筋，

φ

16@2000

定位钢筋。

3.5.4

基坑支护稳定性验算

（

1

）整体性稳定性验算

稳 定性验算就是通过试算确定最危险的滑动面和最小的安全系数确定的判断基坑的稳

定性， 本次验算采用北京里正软件进行基坑的稳定性验算。

计算方法：瑞典条分法

应力状态：总应力法

条分法中的土条宽度

: 0.40m

滑裂面数据

整体稳定安全系数

K

s

= 1.637

圆弧半径

(m) R = 11.338

22

圆心坐标

X(m) X = -2.592

圆心坐标

Y(m) Y = 1.754

（

2

）基坑 底部隆起验算

图

3-

对于粘性土基坑，将支挡墙底 标高处平面作为求极限承载力的基准面，若产生滑动，

其滑移曲线如图

< br>3-6

所示。

为了安全起见，

不考虑档墙后侧

AC

面上的土体抗剪强 度。

工程中参照太沙基或者普朗

德尔地基极限承载力公式，采用 下式验算抗隆起安全系数：

式中：

q

—基坑顶面荷载（

KN/

D

—板桩入土深度（

m

）

—太沙基地基承载力系数，其中

，

）

（

3-9

）

23

N

q

?

?

?

tan

45

?

10.000

< br>2

?

?

2

e

3.142

tan

10.000< /p>

?

2.471

。

Terzaghi(

太沙基

)

公式

(K

s

>= 1 .15

～

1.25)

，注：安全系数取 自《建筑基坑工程技术

规范》

YB 9258-97(

冶金部

):

N

q

?

1

2

_

?

?

e

?

3

4

< br>?

?

?

2

o

?

tan

?

cos

?

?

3

4

45

?

?

2

?

?

2

?< /p>

2

_

N

c

?

?

N

< p>
q

?

1

1

tan

?

N

q

?

1

2

e

?

?

3.142

?

10.000

2

tan

10.000

cos

_

?

45

?

10.000

< p>
?

?

2

?

2.694

_

< p>
N

c

?

?

2.694

?

1

?

< p>
1

tan

10.000

?

9.605

_

K

S

?

18.588

?

9.000

?

2.694

?< /p>

10.000

?

9.605

17.943

?

?

7.80 0

?

9.000

?

?

43.680

_K

s

= 1.583 >= 1.15,

满足规范要求。

第六节

A-OPQRSA

< p>
段基坑地下水控制方案设计

本工程场地主要赋存 有两种类型地下水，即上层滞水和承压水。上部上层滞水水位埋

藏浅，下部承压水水头高 。基坑开挖已揭露④单元承压水含水层，经过对本项目的地层、

承压水、及基坑挖深的各 种因素分析，本基坑必需进行降水设计，以保障基坑开挖和地下

室施工的顺利进行，防止 由于坑壁流水

（砂）

、

坑底突涌等地下 水水患而造成周边地面和建

筑物的变形。下面是武汉地区几种处理地下水的几种比选常用 方法：

3.6.1

周底隔渗

周底隔渗是在基坑四周及基 坑底部采用高压旋喷或高压注浆施工成一全封闭桶状水泥

24