西安某广场基坑设计开题报告
2020-05-17 09:05
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
基坑工程在我国出现较晚，2o世纪70年代，国内只在少数大工程项目中有开挖深度达10m以上的基坑工程，而且是在较少或者没有相邻建筑物和地下结构物的地区。
8o年代以来，我国首先在北京、上海、广州、深圳等大型城市大量兴建高层建筑，而高层建筑多数带有地下室，基坑支护工程随之剧增，基坑支护设计、施工与监测成为基础工程中的新热点。
90年代以后，大多数城市都进入了大规模的旧城改造阶段，在繁华的市区内进行深基坑开挖给这一古老的课题提出了新的内容，那就是如何提高深基坑开挖的环境效应问题，从而进一步促进了深基坑开挖技术的研究与发展，产生了许多先进的设计计算方法，众多新的施工工艺也不断付诸实施，出现了许多技术先进的成功的工程实例。
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
2.1 西安某广场基坑工程概况
拟建西安广场项目总高35.90m，地上7层，地下3层，基础埋置深度为12.6m。预计基础形式为独基或桩基，设计等级为乙级，柱基础地面处平均压力标准组合值16000KN，基础底面处平均压力值Pk为250kPa。
拟建物基础埋置深度为12.6m，拟建建筑物室内地坪标高为404.32m时，相应基础底面标高为391.72m。
2.2 基坑周边环境概况
拟建场地位于西安市新城区解放路和东新街十字西北角，交通便利。在拟建场地及附近未发现有断裂活动迹象，场地稳定性较好，可进行工程建设。
2.3 工程、水文地质条件
2.3.1 工程地质条件
地形、地貌：
拟建西安广场场地近似呈长方形，长125米，宽63米，项目净用地面积8498.3平方米（折合12.747亩，不含代征路4.573亩）。规划建筑面积约60208平方米（其中地上建筑面积39979平方米，地下建筑面积20229平方米）。
勘察期间拟建场地地形较平坦，场地地面标高介于403.28～404.65m之间，南北相对最大高差为1.37m。
地貌单元属黄土梁洼。
据野外勘探，拟建场地地层表层主要为人工填土，下部依次为第四纪晚更新世风积黄土、残积古土壤及中更新世冲洪积粉质粘土组成。地层沿水平及垂直向分布规律性较好。现按层序自上而下分述如下：
①杂填土Q4ml：杂色。结构疏松，成分杂乱，以建筑垃圾为主，含少量粘性土。本层厚度为1.50～9.70m，层底标高为394.27～403.05m。
②素填土Q4ml：黄褐色。结构松散，以粘性土为主，含少量砖瓦碎块、灰土等。本层厚度为0.00～3.90m，层底埋深为4.70～9.70m，层底标高为394.27～401.20m。
③黄土Q3eol:褐黄色。土质均匀，针状孔隙发育，具大孔性，含少量钙质结核，偶见蜗牛壳碎片等。可塑。属高压缩性土。该层具湿陷性。本层厚度为0.00～7.30m，层底埋深为8.00～9.70m，层底标高为394.06～396.43m。
④黄土Q3eol: 黄褐色。土质均匀，针状孔隙发育，可见大孔，含少量钙质结核，偶见蜗牛壳碎片。可塑。属中～高压缩性土。本层厚度为4.30～6.30m，层底埋深为13.70～14.30m，层底标高为389.58～390.21m。场地地下水位分布于该层之中，且处于地下水年变化幅度或毛细水影响范围内，土的工程特性较差。
⑤古土壤Q3el: 棕褐色。土质均匀，含较多白色钙质天文及少量钙质结核等。硬塑。属中偏低压缩性土。本层厚度为2.90～3.40m，层底埋深为17.20～17.70m，层底标高为386.01～387.15m。
⑥粉质粘土Q2al pl:褐黄～浅灰色。土质均匀，含零星蜗牛壳碎片、铁锰斑点等。可塑～硬塑（以硬塑状态为主，局部个别土样呈软塑状态）。属中偏低压缩性土。本层厚度为23.40～24.10m，层底埋深为40.00～41.60m，层底标高为362.48～364.39m。本层局部夹粉土或粉细砂透镜体。
⑦粉质粘土Q2al pl:黄灰色。土质均匀，含零星蜗牛壳碎片、铁锰斑点等。硬塑（以硬塑状态为主）。属中偏低压缩性土。该层未穿透。
2.3.2 水文地质条件
本区属暖温带大陆性季风气候。年平均气温为15.2℃，极端最高气温为42.9℃，极端最低气温-10.9℃。年平均降水量883.2毫米，多集中在7~9月份，日最大降雨量80.3毫米，年平均蒸发量1473.3毫米，蒸发量大于降雨量。风向主要为北东风，年平均风速1.8米/秒，最大风速23.3米/秒，结冻期11月初至翌年2月初，最大冻土深度37厘米，年最大积雪深度14厘米，无霜期215天。偶有冰雹、沙尘暴灾害
勘察期间测得的稳定地下水位埋深为10.40～12.50m，相应标高为391.18～393.93m。场地地下水类型为粘性土中的孔隙水，主要由大气降水及地下径流补给，并通过自然蒸发、人工开采以及径流排泄。具收集场地北侧紧邻（西安市五星商贸大厦）2011年5月份场地勘察资料知，场地地下水位埋深为6.60～6.90m，相应标高为396.81～397.14m，拟建场地地下水位下降较快，即下降3-5.6米，经现场详细了解知，西安市五星商贸大厦正在降水施工，受北侧基坑抽降水影响，拟建场地地下水大幅度降低，当西安市五星商贸大厦施工完工后，地下水位将恢复到标高为396.81～397.14m。
根据区域水文地质资料，本场地水位年变化幅度为1.0～2.0m。
参考附近勘察资料，综合考虑地下水位的变化幅度及历史最高水位，地下结构抗浮设计水位可按地下水恢复水位埋深抬升1.5m考虑，即标高398.50m设防。
2.3.2 特殊地质条件
根据《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》及西安地裂缝研究成果，拟建场地无地裂缝通过。勘察期间，根据野外调查，亦未发现其他不良地质作用，场地稳定，适宜建筑。
场地内分布的①杂填土和②素填土，土质不均，松密不一，工程性质差异大，均分布于基础埋深以上，基坑开挖时易坍塌，应采取防护措施。
场地分布的③层黄土试样具湿陷性，③层黄土层底最大埋深为9.70米。考虑到建筑物基础埋深为12.60m，相应基底标高为391.72m时，湿陷性黄土已全部挖除，因此设计时不考虑黄土的湿陷性，其建筑物地基可按一般地区的规定设计。
2.4 场地地震效应评价
根据本场地波速试验资料，场地地表以下20.0m深度范围内的等效剪切波速值Vse=241.5～244.7m/s，场地土类型为中软土，建筑的场地类别为Ⅲ类。
依据”GB50011-2010”规范，西安市抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g。设计地震分组为第一组。
根据拟建场地类别和设计地震分组，按”GB50011-2010”规范第5.1.4条判定，场地设计特征周期Tg=0.45s。由于场地等效剪切波速值处于250m/s的边界线附近，且相差值在15%之内，按插入方法确定场地设计特征周期为Tg=0.40s。
2.5 地基基础方案
拟建西安广场总高35.90m，地上7层，地下3层，当基础埋深12.6m，相应基底标高为391.72m时，基础底面直接持力层为④层黄土，④层黄土按”GB50007-2002”规范5.2.4式计算的修正后的地基承载力特征值为380kPa，就地基承载力而言，完全可满足设计要求(Pk=250kPa)。但为了改善基础与地基的接触关系，进一步改善地基土的均匀性，减少沉降差，提高地基土承载力，建议基底下宜铺设1.0～1.5m厚的砂卵石垫层处理地基（基础底面下整片做垫层），地基处理完后（砂石垫层承载力不小于300 kPa，满足地基设计要求），在砂石垫层上再做1.0～1.5m厚钢筋混凝土筏板基础（基础底面上整片做筏板），据经验可满足设计要求。
2.6 本基坑支护类型
拟建物基础埋深为12.60m，基坑开挖深度大，基坑侧壁安全等级为一级，为防止出现坑壁坍塌、土体滑移或坑外地面下陷等问题，影响施工安全与进度，甚至导致相邻建筑物与设施的变形破坏。因此必须对基坑支护予以足够重视。
考虑到拟建场地位置特殊，紧邻解放路、西二路及东新街，且西侧紧邻既有建筑物，建议考虑采用护坡桩 喷锚联合支护方案，以将基坑外侧土体位移限定至最低程度。基坑支护方案必须由具有相应资质的单位进行专门设计，同时基坑开挖过程中加强信息化管理。根据本次勘察的固结快剪试验结果，并结合工程经验，基坑支护结构设计计算参数建议如下：
①杂填土 Ck = 0kPa φk=5.0#176; γ=16.0kN/m3
②素填土 Ck = 5kPa φk=12.0#176; γ=16.20kN/m3
③黄 土 Ck = 23.0kPa φk=18.0#176; γ=17.4kN/m3
④黄 土 Ck = 28.0kPa φk=19.0#176; γ=18.9kN/m3
⑤古土壤 Ck = 42.0kPa φk=17.0#176; γ=19.7kN/m3
⑥粉质粘土 Ck = 42.0kPa φk=20.0#176; γ=20.3kN/m3
基坑开挖后宜进行完全封闭，防止地表水流入基坑，基坑周围5.0m范围内严禁堆载。基坑开挖及施工过程中必须进行基坑水平位移和周围建筑物、地面等变形观测。
参考场地北侧紧邻（西安市五星商贸大厦）基坑施工经验，该基坑开挖深度与本场地相同，基坑四周采用桩基护坡，桩长为18-20米，坡面采用锚杆护坡，锚杆长度为18米，并采用水泥喷浆护坡。填土处设置混凝土挡墙。
勘察期间测得的稳定地下水位埋深为10.40～12.50m，相应标高为391.18～393.93m。当拟建物基础埋深为12.60m，相应基底标高为391.72m ，位于地下水位以下约2.1m。为确保基坑开挖及土建施工的顺利进行，地下水位必须降至基坑底面以下1.5m，这样在基坑内水位将平均下降约3.6m。
降水时应根据周围建筑物的重要性及对不均匀沉降的敏感程度，严格控制建筑物两侧的水位差，必要时可考虑采用止水帷幕与井点降水联合方案，建议必要时进行现场抽水试验，以确定实际的渗透系数和影响半径。在此之前，为便于进行降水设计与降水施工，根据类似场地已取得的经验数据，粘性土渗透系数可按k=7-8m/d考虑，降水方案必须由具有相应资质的单位进行专门设计。在降水施工过程中注意以下几点：
（1）建立健全观测系统。在周围建筑物各角点及紧邻马路一侧布置变形观测点，并且布置相应的水位观测孔，水位观测与建筑物变形观测应协调同时进行，并随时分析变化趋势，采取相应措施，保证周围建筑物及公共设施的安全。
（2）建立健全水位控制系统。采用回灌注水法（在建筑物靠基坑一侧布置适量注水井），以保证建筑物两侧水位能得到有效控制，一旦观测系统发现水位差过大，可及时回灌。
2.7.1 计算步骤
（1）土压力
水土分算（无粘性土）
主动土压力：
被动土压力：
注：g#8212;#8212;土的有效重度； #8212;#8212;水的重度
水土合算（粘性土）
主动土压力：
被动土压力：
注：g#8212;#8212;土的饱和重度；
（2）桩的嵌固深度、桩身最大弯矩
1 单支点支护结构
用等值梁法确定计算支点力的大小，然后根据倾覆稳定条件计算嵌固深度设计值。根据《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99 4.1条计算。
首先，根据等值梁法计算弯矩为零点（即土压力为零地点）的位置，令坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置至坑底距离为hc1，hc1 按下式确定：
图2-1 单支点支护结构支点力计算简图 图2-2 单支点支护结构嵌固深度计算简图
根据静力平衡，支点力按下式确定：
式中：ea1k#8212;#8212;水平荷载标准值；
ep1k#8212;#8212;水平抗力标准值；
ΣEac#8212;#8212;弯矩零点位置以上基坑外侧各土层水平荷载标准值的合力之和；
ha1#8212;#8212;合力ΣEac 作用点至设定弯矩零点的距离；
ΣEpc#8212;#8212;弯矩零点位置以上基坑内侧各土层水平抗力标准值的合力之和；
hp1#8212;#8212;合力ΣEpc 作用点至设定弯矩零点的距离；
hT1#8212;#8212;支点至基坑底面的距离；
hc1#8212;#8212;基坑底面至设定弯矩零点位置的距离。
根据抗倾覆稳定条件，并令抗倾覆稳定安全系数为1.2，考虑基坑重要性系数γo，嵌固深度设计值hd 应满足下式：
根据静力平衡计算截面弯矩与剪力，图2-1，设结构上某截面满足以下条件：
则该截面上的剪力即为最大剪力，其值为：
同样假设结构上某截面hc1 满足以下条件：
则该截面上的弯矩即最大弯矩，其值为：
在计算得到截面最大弯矩Mc 和最大剪力Vc 的计算值后，按下列公式计算支点力设计值Td、弯矩设计值M 和剪力设计值V：
由设计值即可进行截面承载力计算。
2 多支点支护结构
对于多层支点支护结构，嵌固深度计算值h0 宜按整体稳定条件采用圆弧滑动简单条分法确定：
式中：cik、φik#8212;#8212;最危险滑动面上第i 土条滑动面上土的固结不排水（快）剪粘聚力、内摩擦角标准值；
li#8212;#8212;第i 土条的弧长；
bi#8212;#8212;第i 土条的宽度；
γk#8212;#8212;整体稳定分项系数，应根据经验确定，当无经验时可取1.3；
ωi#8212;#8212;作用于滑裂面上第i 土条的重量，按上覆土层的天然重度计算；
θi#8212;#8212;第i 土条弧线中点切线与水平线夹角。
当嵌固深度下部存在软弱土层时，尚应继续验算下卧层整体稳定性。
对于均质粘性土及地下水位以上的粉土或砂类土，嵌固深度h0 按下式确定：
式中：n0#8212;#8212;嵌固深度系数，当γk 取1.3 时，可根据三轴试验（当有可靠经验时，
可采用直剪试验）确定的土层固结不排水（快）剪内摩擦角φk 及粘
聚力系数δ 查表（《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99 表A.0.2）；
粘聚力系数δ 按下式计算。
式中：γ#8212;#8212;土的天然重度。
嵌固深度设计值可按下式确定：
当按上述方法确定的悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计值得hdlt;0.3h时，宜取hd=0.3h；多支点支护结构嵌固深度设计值小于0.2h 时，宜取hd=0.2h。
当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足上述规定外，嵌固深度尚应满足公式：
式中：hwa#8212;#8212;坑外地下水位。
（3）桩的配筋计算
根据计算得到的支点力设计值Td、弯矩设计值M 和剪力设计值V,可以计算截面承载力，进行桩的配筋计算。
（4）圈梁、围檩配筋计算
（5）整体稳定性验算
（6）抗隆起、倾覆、管涌验算
1 抗隆起验算
在软粘土地区，如挖土深度大，可能由于挖土处卸载过多，在墙后土重及地面荷载作用下引起坑底隆起。为此，需要进行抗坑底隆起验算。坑底隆起稳定性。验算可按下式（太沙基公式）进行：
2 抗倾覆验算
水泥土挡墙如截面、重量不够大，在墙后推力作用下，会绕某一点产生整体倾覆失稳。为此，需要进行抗倾覆验算。倾覆稳定性验算可按下式进行：
式中：Mp#8212;#8212;被动土压力及支点力对桩底的弯矩；
Ma#8212;#8212;主动土压力对桩底的弯矩。
3 抗管涌验算
在砂性土地区，当地下水位较高、坑深很大时，挖土后在水头差产生的动水压力作用下，地下水会绕过支护墙连同砂土一同涌入基坑。为此，需要进行抗管涌验算（见图2.3）。
管涌稳定性验算可按下式进行：
式中：γ0#8212;#8212;侧壁重要性系数；
γ'#8212;#8212;土的有效重度；
γw#8212;#8212;水的重度；
h'#8212;#8212;地下水位至基坑底的距离；
D#8212;#8212;桩（墙）入土深度。 图2-3 管涌验算简图
（7）止水帷幕的桩型、桩长设计和抗渗验算
1 止水帷幕桩型和桩长
止水帷幕的厚度应该满足基坑的防渗要求，且止水帷幕的渗透系数宜小于
式中：l#8212;#8212;帷幕插入不透水层的深度；
hw#8212;#8212;作用水头；
b#8212;#8212;帷幕宽度。
当止水帷幕未插入不透水层，其嵌固深度应满足抗渗透稳定条件，其嵌固深度可以按下式计算：
式中：hwa#8212;#8212;坑外地下水位；
h#8212;#8212;基坑深度。
则桩长L 可以按下式计算：
式中：x#8212;#8212;不透水层层顶深度。
当地下水含水层渗透性较强，厚度较大时，可采用悬挂式竖向止水与坑内井点降水相结合或采用悬挂式竖向止水与水平封底相结合的方案。
止水帷幕的施工方法、工艺和机具的选择应根据现场工程地质、水文地质及施工条件等综合确定。施工质量应满足《建筑地基处理规范》JGJ79-2002 的有关规定。
2 抗渗验算
当止水帷幕未插入不透水层时，还应进行抗渗验算，可以按基坑抗管涌验算进行。
（8）混凝土支撑和立柱桩的设计
（9）降水设计
1 基坑涌水量计算
1）均质含水层潜水完整井
a.基坑远离边界时
式中 Q#8212;#8212;基坑涌水量；
k#8212;#8212;渗透系数；
H#8212;#8212;潜水含水层厚度；
S#8212;#8212;基坑水位降深；
R#8212;#8212;降水影响半径；
o r #8212;#8212;基坑等效半径。
b.岸边降水时
c.当基坑位于两个地表水之间或位于补给区与排泄区之间时
d.当基坑靠近隔水边界
2）均质含水层潜水非完整井基坑涌水量计算
a.基坑远离边界时
b.近河基坑降水，含水层厚度不大时
c.近河基坑降水，含水层厚度很大时
3）均质含水层承压水完整井涌水量
a.当基坑远离边界时
式中 M#8212;#8212;承压含水层厚度
b.当基坑位于河岸边时
c.当基坑位于两个地表水之间或位于补给区与排泄区之间时
4)均质含水层承压水非完整井基坑涌水量计算
a.均质含水层承压~潜水非完整井基坑涌水量计算
2 等效半径
当基坑为圆形时，基坑等效半径应取为圆半径，当基坑为非圆形时，等效半径可按下列规定计算：
1）矩形基坑等效半径
式中 a、b#8212;#8212;分别为基坑的长、短边。
2）不规则块状基坑等效半径
式中 A#8212;#8212;基坑面积。
3 降水影响半径
降水井影响半径宜通过试验或根据当地经验确定，当基坑侧壁安全等级为二、三级时。
潜水含水层：
承压含水层：
式中 R#8212;#8212;降水影响半径（m）；
S#8212;#8212;基坑水位降深（m）；
k#8212;#8212;渗透系数（m/d）；
H#8212;#8212;含水层厚度（m）。
4 降水
降水井宜在基坑外缘采用封闭式布置，井间距应大于15 倍井管直径，在地下室补给方向应适当加密；当基坑面积较大、开挖较深时，也可在基坑内设置降水井。
降水井的深度应根据设计降水深度、含水层的埋藏分布和降水井的出水能力确定。设计降水深度在基坑范围内不宜小于基坑地面以下0.5m。
降水井的数量n 可按下式计算：
式中 Q#8212;#8212;基坑涌水量
Q#8212;#8212;设计单井出水量
管井的出水量q（msup3;/d）可按下列经验公式确定：
式中 rs #8212;#8212;过滤器半径（m）；
l#8212;#8212;过滤器进水部分长度（m）；
k#8212;#8212;含水层渗透系数（m/d）。
过滤器长度宜按下列规定确定：
1.真空井点和喷射井点的过滤器长度不宜小于含水层厚度的1/3；
2.管井过滤器产度宜与含水层厚度一致。
群井抽水时，各井点单井过滤器进水部分长度，可按下式验算：
单井井管进水长度yo，可按下列规定计算：
1）潜水完整井：
式中 r0#8212;#8212;圆形基坑半径；
rw#8212;#8212;管井半径；
H#8212;#8212;潜水含水层厚度；
R0#8212;#8212;基坑等效半径与降水井影响半径之和；
R#8212;#8212;降水井影响半径。
2）承压完整井：
式中 H'#8212;#8212;承压水位至该承压含水层底板的距离；
M#8212;#8212;承压含水层厚度。
当过滤器工作部分长度小于2/3 含水层厚度时应采用非完整井公式计算。若不满足上式条件，应调整井点数量和井点间距，再进行验算。当井距足够小不能满足要求时应考虑基坑内布井。
基坑中心水位降水计算可按下列方法确定：
1）块状基坑降水深度可按下式计算：
a.潜水完整井稳定流：
b.承压完整井稳定流：
式中 S#8212;#8212;在基坑中心处或各井点中心处地下水位降深；
r1r2r3r4#8212;#8212; 各井点距基坑中心或各井中心处的距离。
2）对非完整井或非稳定流应根据具体情况采用相应的计算方法；
3）计算出的降深不能满足降水设计要求时，应重新调整井数、布井方式。
在降水漏斗范围内因降水引起的计算沉降量可按分层总和法计算。
2.7.2 出图
1.基坑设计总说明图
2.基坑周边信息图
3.围护结构平面图
4.支撑平面布置图
5.大样图
6.监测点布置图
7.井点布置图
