基坑支护结构毕业设计

本科学生毕业设计

科技大厦基坑支护结构设计

院部名称： 土木与建筑工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职 称： 讲 师 工程师

黑 龙 江 工 程 学 院

二○一二年六月

The Graduation Design for Bachelor's Degree

Design of KeJi Building Foundation

Ditch Supporting Structure

Candidate：

Specialty：Civil Engineering Class：08-2

Supervisor：Lecturer

Engineer

Heilongjiang Institute of Technology

2012-06²Harbin

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摘 要

本设计为科技大厦基坑支护结构设计。拟建科技大厦工程位于哈尔滨市香坊区，其西临香顺街，南邻公滨路。拟建建筑物地面以上17层，地下1层，总建筑面积69533m2，经地质勘查，地基土层主要由杂填土、粘土、粉质粘土、粉土、粉质粘土构成。建筑±0.00相当于绝对标高17.25m，整平后地面标高为17.00m,基坑开挖深度为5.0m，框架结构。主体基坑采用两种不同的支护体系：一种是钢板桩锚杆支护体系，另一种是土钉墙支护体系。基坑采用喷射井点+止水帷幕降止水。

本次设计的主要内容包括：支护方案的选择、钢板桩锚杆设计计算、土钉墙设计计算、基坑的稳定性验算、基坑降止水等。

经验算，该基坑设计合理，方案可行，可满足基坑土方开挖，地下室结构施工和对周围环境保护的要求。

关键词：深基坑；土钉墙；基坑稳定性；钢板桩；锚杆支撑。

I

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ABSTRACT

The design of KeJi building foundation ditch supporting structure. It is located in Xiang fang District of Harbin city, west neighbour Xiangshun Street and north neighbour Gongbin Road. It is 17-layer tall, including 1 basements and its general construction area is 69533 square meters. Foundation soil is mainly composed of mixed fill, clay, Silty clay, Silty soil, silty clay composition. The structure excavation depth is 5 meters, frame construction. The main building foundation uses two kinds of different supports and protections systems: One kind is the steel sheet pile adding the anchor rod supports and protections system, another kind is the earth nail wall supports and protections system. Building foundation uses spraying the well point + the closed vertical waterproof curtain precipitation.

The main elements of design include: the choice of the supports and protections plan , the design calculation of steel sheet pile adding the anchor rod, the earth nail wall design calculation, and foundation Stability checking calculation, foundation precipitation and so on.

After the checking calculation,the foundation design is reasonable,the plan is feasible,to meet the request of foundation excavation,construction of the basement structure and environment protection.

Keywords: Deep foundation; Earth nail wall ;Foundation stability; Steel sheet pile; Anchor rod support.

II

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目 录

摘要 .......................................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................................. II 第1章 绪论....................................................................................................................................... 1

1.1 选题的背景目的及意义 ...................................................................................................... 1

1.1.1 选题的背景目的 ........................................................................................................ 1 1.1.2 选题的意义 ................................................................................................................. 1 1.2 国内外基坑工程研究状况 ................................................................................................. 1

1.2.1 国内基坑工程研究现状 .......................................................................................... 1 1.2.2 国外基坑工程研究现状 .......................................................................................... 2 1.3 基坑工程概况 ........................................................................................................................ 2

1.3.1 工程概况 ...................................................................................................................... 2 1.3.2 周边环境 ...................................................................................................................... 2 1.4 地质条件 .................................................................................................................................. 4

1.4.1 工程地质条件 ............................................................................................................. 4 1.4.2 水文地质条件 ............................................................................................................. 4 1.5 拟解决的主要问题 ............................................................................................................... 4

第2章 基坑支护方案选择及确定 ....................................................................................... 5

2.1 基坑支护设计基本要求...................................................................................................... 5 2.2 基坑支护方案选择及确定 ................................................................................................. 5

2.2.1 支护方案的选择 ........................................................................................................ 5 2.2.2 支护结构体系的比较 ............................................................................................... 7 2.2.3 支护结构体系的确定............................................................................................... 8 2.3 本章小结 ................................................................................................................................. 8

第3章 基坑支护结构设计计算书 ....................................................................................... 9

3.1 基坑支护结构设计参数说明 ............................................................................................. 9

3.1.1 地质力学指标参数 ................................................................................................... 9 3.1.2地面附加荷载q取值 ................................................................................................ 9 3.1.3 计算方法 .................................................................................................................... 10

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3.1.4 设计水位确定 .......................................................................................................... 10 3.2 钢板桩锚杆支护结构设计 ............................................................................................... 10

3.2.1 第一阶段开挖3.5m计算 ................................................................................... 10 3.2.2 第二阶段开挖5.0m计算 ................................................................................... 12

3.2.3腰梁设计 ..................................................................................................................... 15

3.2.4最小嵌固深度计算 .................................................................................................. 16 3.3 基坑底降水计算 .................................................................................................................. 16 3.4 锚杆设计 ................................................................................................................................ 17

3.4.1 锚杆水平锚固力 ...................................................................................................... 17 3.4.2锚杆长度计算 ............................................................................................................ 17 3.4.3锚杆配筋设计 ............................................................................................................ 18 3.5土钉墙支护结构设计 ......................................................................................................... 18

3.5.1土钉墙概述 ................................................................................................................ 18 3.5.2 土钉墙设计内容 ...................................................................................................... 18 3.5.3方案确定 ..................................................................................................................... 19 3.5.4土钉墙结构计算 ....................................................................................................... 19 3.5.5土钉长度计算 ............................................................................................................ 21 3.5.6土钉配筋计算 ............................................................................................................ 23 3.6 本章小结 ............................................................................................................................... 24

第4章 基坑稳定性验算 .......................................................................................................... 25

4.1桩锚结构稳定性验算 ......................................................................................................... 25

4.1.1坑底隆起验算 ............................................................................................................ 25

4.1.2坑底涌水验算 ............................................................................................................ 25

4.1.3桩锚结构深部破裂面稳定性验算....................................................................... 25 4.2 土钉墙整体稳定性验算 .................................................................................................... 27

4.2.1 第一次取圆弧 ........................................................................................................... 29 4.2.2 第二次取圆弧 .......................................................................................................... 29 4.2.3 第三次取圆弧 ........................................................................................................... 30 4.2.4 第四次取圆弧 ........................................................................................................... 31 4.2.5 第五次取圆弧 .......................................................................................................... 32 4.3 土钉墙外部稳定性验算 .................................................................................................... 33

4.3.1 抗滑动稳定验算 ...................................................................................................... 33

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4.3.2抗倾覆稳定性验算 .................................................................................................. 34

4.4 本章小结 ................................................................................................................................ 34

第5章 基坑降止水设计 .......................................................................................................... 35

5.1概述 .......................................................................................................................................... 35 5.2 降水方法 ............................................................................................................................... 35 5.3 降水的作用 ........................................................................................................................... 36 5.4 降排水设计方案的选择与计算 ...................................................................................... 37

5.4.1降排水设计方案的选择 ......................................................................................... 37 5.4.2降排水井点设计计算 .............................................................................................. 37 5.4.3基坑降水验算 ............................................................................................................ 40 5.4.4止水帷幕的设置 ....................................................................................................... 41 5.4.5回灌系统的布置 ....................................................................................................... 41 5.5 本章小结 ................................................................................................................................ 41

第6章 基坑施工监测方案设计 ......................................................................................... 42

6.1 基坑监测方案 ...................................................................................................................... 42 6.2 监测内容 ............................................................................................................................... 42 6.3 监测的控制要求 ................................................................................................................. 42 6.4 基坑土方开挖技术要求.................................................................................................... 42 6.5 基坑开挖过程中的施工措施与应急措施 ................................................................... 43 6.6 本章小结 ................................................................................................................................ 43

结论 ....................................................................................................................................................... 44 参考文献 ............................................................................................................................................. 45 致谢 ....................................................................................................................................................... 47

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第1章 绪 论

1.1 选题的背景目的及意义

1.1.1 选题的背景目的

基坑工程是土力学基础工程中的一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的岩土工程问题。人类土木工程活动促进了基坑工程的发展，基坑工程的发展往往是一种新的围护型式的出现带动新的分析方法的产生，并遵循实践、认识、再实践、再认识的规律，而走向成熟。到了本世纪，随着大量高层、超高层建筑以及地下工程的大量涌现，对基坑工程的要求越来越高，出现的问题也越来越多，促使工程技术人员以新的眼光去审视基坑工程这一古老课题，也使许多新的经验和理论的研究方法得以出现和成熟。

我毕业后从事深基坑工程方面的施工，通过本次毕业设计，使自己把所学过的专业知识综合应用于实际工程设计中，使理论与生产实践相结合，提高工程设计能力，能独立进行基坑支护结构设计。使自己在应用现行规范、标准、技术指标与经济指标等方面得到基本训练，达到对所学专业知识进行巩固、综合掌握和灵活运用的目的，提高自己分析问题、解决问题的能力。 1.1.2 选题的意义

本次毕业设计确定的选题是科技大厦基坑支护结构设计，并有针对性地在支护方案比选、钢板桩加锚杆设计计算、土钉墙设计计算、基坑的稳定性验算、基坑降排水设计、施工图绘制等方面进行深入研究，熟练绘制和阅读基坑施工图，掌握基坑设计和施工的方法；通过该基坑毕业设计，能综合训练学生的应用各种手段查询资料、获取信息的基本能力和计算机工程软件应用能力，以及提高独立思考问题、分析问题和解决问题的能力，使学生具有独立解决一个基坑的设计和施工的能力，提高外文翻译能力，以满足毕业就业岗位的需要。

1.2 国内外基坑工程研究状况

1.2.1 国内基坑工程研究现状

在国内，我国城市地下工程建设起步较晚，上世纪70年代末以前，只有少数

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大型工程项目中有开挖深度10m以上的基坑工程，且处在较少或没有临近建筑物和地下结构物的地区。到20世纪80年代，在我国改革开放和国民经济持续高速增长的形势下，全国工程建设亦突飞猛进，高层建筑迅猛发展，建筑高度越来越高，同时各地还兴建了许多大型地下市政设施、地下商场、地下车站等，导致多层地下室逐渐增多，深基坑开挖深度超过10m的比比皆是，其埋设深度也就越来越深，对基坑的要求越来越高，使深基坑支护工程向大规模方向发展。随着人防、地铁、地下商场、仓库、影剧院等大量工程的建设，特别是近年来的工程实践，城市地下空间技术得到了长足发展和提高。我国城市地下工程、隧道及井孔工程等先后采用了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法、及注浆法等，这些技术有的已达到了国际先进水平。 1.2.2 国外基坑工程研究现状

国外20世纪30年代，太沙基和皮克等最先从事基坑工程的研究，20世纪60年代，在奥斯陆等地的基坑开挖中开始实施施工监测，从20世纪70年代起，许多国家陆续制定了指导基坑开挖与支护设计和施工的法规。在国外,比如日本、美国以及欧洲一些发达国家对地下结构有比较完善的研究，地下商城、地下停车场、地下商业街、地铁车站等随处可见。这就意味着他们具有相当的建设基坑工程的能力与经验。除了明挖法、暗挖法、盖挖法、盾构法、沉管法、冻结法及注浆法外又有了新发展。新技术有全过程机械化、微型盾构和非开挖技术、预砌块法施工技术、预切槽法施工技术、顶管大管棚法、微气压暗挖法、数字化掘进法等。

1.3 基坑工程概况

1.3.1 工程概况

拟建科技大厦工程位于哈尔滨市香坊区，其西临香顺街，南邻公滨路，东侧为哈国际自然医学研究所，北侧为住宅楼。拟建建筑物地面以上17层，地下1层，总建筑面积69533m2，占地面积27.9³32.6m,基坑开挖深度为5.0m ，框架结构，稳定水位在地面下1.3m。拟建项目所在场地较平整，原始地貌为冲积型堆积土层。 1.3.2 周边环境

基坑西临香顺街，南邻公滨路，与结构最近距离为6.7m，下设通讯电缆、煤气管线等设施。东侧为哈国际自然医学研究所，楼高八层，其最近距离为1.9m，北侧为住宅楼，楼高八层，最近距离为13.2m。

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1.4 地质条件

1.4.1 工程地质条件

据拟建场地《岩土工程勘察报告》揭示：场地地形较平坦，原始地貌为冲积

型堆积土层。根据土层的地质时代、成因类型、岩性及分布埋藏特征，从上到下可分为5个层次，支护深度影响范围内土层依次分布如表格1.1和1.2所示：

表1.1 地基土构成、特征一览表

土层 编号 ① 土层 名称 杂填土 土层厚度 （m） 0.9～1.8 平均厚度 (m) 1.30 土 层 描 述 灰色，松散，主要由碎石、碎砖、建筑垃圾组成，硬质含量30-60%,填龄大于5年，全场分布。 灰黄色～褐黄色，可塑，含铁锰氧化物及结核，② 粘土 粉质 粘土 ④ 粉土 粉质 粘土 3.4～6.2 4.87 0.6～2.6 1.70 无摇振反应，切面光滑，干强度和韧性高，全场地分布。 ③ 1.8～5.1 4.13 灰黄～灰色，可塑～软塑，稍有光泽，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，全场分布。 灰色，松散，饱和，含云母，摇振反应迅速，切面粗糙，干强度低，韧性低，全场分布。 灰色，中密，饱和，含云母，摇振反应迅速，切面粗糙，干强度低，韧性低，全场分布。 ⑤ 9.6～21.8 15.2 表1.2 场地土体情况一览表

重度 类别 序号 （名称） 厚度 含水率 塑限 液限 内摩擦角 渗透系数 黏聚力 压缩模量 h(m) (KN/m) 3w(%) wL wP k(m/d) k() ck(KPa) Es(MPa) ① ② 杂填土 1.30 1.70 17.5 17.9 18.2 18.0 13.6 1.78 7.08 2.3 16.5 21.8 19.2 22.6 9.5 6 10 15 14.3 14.4 4.09 10.5 粘土 31.5 3.32 26.42 0.004 36.7 16.96 29.16 0.08 34.2 4.15 9.75 0.3 ③ 粉质粘土 4.13 ④ 粉土 4.87 ⑤ 粉质粘土 15.2 18.6 29.7 4.75 22.55 0.06 21.1 28 11.6 3

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1.4.2 水文地质条件

根据地下水的赋存条件，场区有一层地下水，赋存于第①层杂填土中，属孔隙潜水类型，勘察期间测得该场地稳定水位埋深为0.95m～1.65m，主要接受降雨、地表水、地下径流的补给。

1.5 拟解决的主要问题

（1）基坑支护方案的比选；

（2）钢板桩加锚杆设计计算； （3）土钉墙设计计算； （4）基坑的稳定性验算； （5）基坑降水；

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第2章 基坑支护方案选择及确定

2.1 基坑支护设计基本要求

(1)基坑设计以“安全、合理、经济、便于施工”为原则，同时保证施工周期较短，结合本工程地质、环境、挖深等诸多因素；

(2)为基坑土方开挖和地下室施工创造一个安全干燥的施工条件；支护结构稳定、牢固、安全，确保地下室施工安全以及周边建筑物和道路的安全；有效止水，确保周边建筑物和道路不产生沉降；。

(3)支护结构基坑内壁与地下室基础承台边缘应留有足够的施工工作面；基坑周边有良好的围护，确保坑边行人安全；

(4)基坑支护范围不超过建设用地红线、不影响现有临时办公用房的正常使用；基坑周边排水畅通，地面雨水、污水不流入基坑； (5)参照哈尔滨地区以往深基坑工程成功实践经验；

(6)考虑到邻近基坑边有重点保护道路及楼房，为确保安全，以“位移变形”控制设计计算

(7)考虑到本场地地质条件，由于该场地地下水位埋深较浅，地下水较丰富，透水性大，为杜绝“侧壁流砂，坑底管涌”等不良现象出现，关键做好基坑止水，降水设计和施工；

2.2 基坑支护方案选择及确定

2.2.1 支护方案的选择

根据调查了解和收集的区域资料，目前常采用的基坑支护方式主要有：放坡开挖、地下连续墙、水泥土墙、桩锚支护结构、土钉墙支护结构等。 （1）放坡开挖

放坡开挖适用于周围场地开阔，周围无重要建筑物，只要求稳定，位移控制无严格要求，价钱最便宜，回填土方较大。

在基坑周围的环境允许放坡的情况下，可以将基坑边壁开挖成具有一定坡度、能够在基坑回填之前的施工阶段维持边坡稳定的斜坡。这样，既可以省去专门的

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边坡支护结构，又可以较好地满足施工要求。虽然土方挖放量有所增加，但总的技术、经济效果是很明显的。

拟建基坑周围有居民楼和哈国际研究所等重要建筑物，周围场地狭窄位移控制严格要求，所以，放坡开挖这种支护结构不适用于拟建基坑。

（2）地下连续墙

通常连续墙的厚度为600mm、800mm、1000mm，也有厚达1200mm的，但较少使用。地下连续墙刚度大，止水效果好，是支护结构中最强的支护型式，适用于地质条件差和复杂，基坑深度大，周边环境要求较高的基坑，但是造价较高，施工要求专用设备。

拟建基坑深度较小，所以，地下连续墙这种支护结构不适合于本拟建基坑。

（3）土钉墙

土钉墙是一种边坡稳定式的支护,其作用与被动的具备挡土作用的上述围护墙不同,它是起主动嵌固作用,增加边坡的稳定性,使基坑开挖后坡面保持稳定。 土钉墙支护结构适用于基坑壁等级为二、三级，开挖较浅的基坑。稳定可靠、施工简便且工期短、效果较好、用料省、造价低、对周边的环境影响小，且变形相对较小，但是不适合用于对变形严格要求的基坑。

土钉墙主要用于土质较好地区,我国华北和华东北部一带应用较多,目前我国南方地区亦有应用,有的已用于坑深10m以上的基坑，在土质较好地区应积极推广。

拟建基坑的基坑壁等级为二级，开挖较浅，在靠近建筑物侧的基坑壁处使用土钉墙支护结构既保证了基坑的稳定，又保证了施工的工期短、经济性好、效果好。所以在本次设计中，基坑东侧基坑壁采用了土钉墙支护结构。 （4）水泥土墙

水泥土墙是由水泥土桩相互搭接形成的格网状、壁状等形式的重力式挡土结构物。通常采用搅拌桩，亦可采用旋喷桩等。

水泥土墙适用于基坑侧壁安全等级宜为二、三级，水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于150kPa，基坑深度不宜大于6m的基坑。但是水泥土桩抗拉强度低，受荷载后变形较大，且要单独占用工期。

拟建基坑深度为5m，考虑到水泥土墙的抗拉强度低，因此，没有采用水泥土墙支护结构。

（5）桩锚支护结构

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桩锚支护是将护坡桩与土层锚杆相结合的一种支护方法,桩锚支护体系是将受拉

是在岩石锚杆理论研究比较成熟的基础上发展起来的一种挡土结构,安全经济的特点使它广泛应用于边坡和深基坑支护工程中。

桩锚支护结构适用性较广，对基坑壁变形的限制严格有效，但施工期较长，造价较高。

拟建基坑中，靠近马路侧的基坑壁对变形沉降都要求很严格，因此，基坑西侧、南侧和北侧的基坑壁采用桩锚支护结构。 2.2.2 支护结构体系的比较

本工程地下水位较高，基坑开挖深度为5.0米，且东侧由于距离建筑物较近，

根据我国目前基坑工程中所取得的经验，其围护结构可选择以下几种方案：

方按1：钻孔灌注桩加搅拌桩或旋喷桩止水，设1-2道内支撑； 方案2：土钉墙支护；

方案3：可应用水泥土墙支护；

方案4：可采用钢板桩加锚杆支护，设1-2道支撑；

由于本工程东侧离建筑物较近，故围护结构可考虑的方案有：方案2、方案3、方案4。基坑支护形式比较如表格2.2所示：

表 2.2基坑支护方案比较

方案 名称 整体 性能 抗渗 性 对环境 的影响 施工 工期 造价 其他 特点 土钉墙 较好 较好 小 一般 一般 受力性能好 钢板桩加锚杆支护 好 好 小 较短 一般 可以贴近施 工，工效高 水泥土墙支护 好 较好 较小 一般 一般 地下结构 施工方便 灌注桩加锚杆 较好 差 较大 短 一般 需要架设内支撑 7

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2.2.3 支护结构体系的确定

根据以上支护方案的比较，结合该场地实际的地质条件，综合分析：在靠近西侧、南侧道路及北侧居民楼三段采用钢板桩锚杆支护结构；在靠近东侧建筑物的一段采用土钉墙支护结构。经设计验算之后，能满足基坑土方开挖，地下室结构施工和对周围环境保护的要求。

2.3 本章小结

通过本章了解基坑支护设计的基本要求，掌握了国内常用的几种基坑支护方式的特点及适用条件。结合这次选题的工程地质条件、水文地质条件及周边环境确立了两种支护方案，即在基坑西侧、北侧、南侧三段采用钢板桩锚杆支护结构，在基坑东侧一段采用土钉墙支护结构。

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第3章 基坑支护结构设计计算书

3.1 基坑支护结构设计参数说明

3.1.1 地质力学指标参数

表3.1 地基地质力学指标参数表

土 层 r KN/m3 17.5 17.9 C/Kpa φ/度 Ka Ka Kp Kpsat (KN/m3) 19.7 18.6 18.4 18.5 19.1 ①杂填土 ②粘土 9.5 6 10 15 28 16.5 21.8 19.2 22.6 21.1 0.558 0.458 0.505 0.445 0.471 0.747 0.677 0.711 0.675 0.686 1.793 2.182 1.980 2.248 2.125 1.339 1.477 1.407 1.499 1.458 ③粉质粘土 18.2 ④粉土 18.0 ⑤粉质粘土 18.6

备注：表中C、φ值均取用固结快剪标准值。主（被）动土压力系数公式：

Katan4522;Kptan4522；γsatγ(γs－γw)=+γw； γs(1+w)3.1.2地面附加荷载q取值

根据周围环境条件：西侧、南侧、北侧三段：q=10.0kpa。

东侧段该楼为8层建筑物，上部结构高度H=8×3=24m 基础高度为h2411.3m 18 上部荷载为P12896kPa 取l1m，则b×l=25.7×1m。 居民楼荷载扩散后，荷载计算如下： qPbl9625.784kPa b2b125.721.9 9

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3.1.3 计算方法

严格按照《建筑基坑技术规范》（JGJ120－99）中的有关章节进行。土压力采用“朗肯”土压力理论“分层”计算，并规定对于碎石土及砂土，采用“水土分算”；对粘性土及粉土采用“水土合算”。当计算基坑底面以下各深度处的基坑外侧主动土压力时，规定竖向自重应力一律采用基坑底面标高处的数值。

主动土压力按下式计算：

aqka2cka

（3.1）

被动土压力按下式计算：

pzkp2ckp 净土压力按下式计算：

（3.2）

pap3.1.4 设计水位确定

（3.3）

本工程的地下水位验算取孔隙潜水的稳定水位，本次取其平均值1.3m，即地下水埋深于地面下-1.3m处。

3.2 钢板桩锚杆支护结构设计

基坑实际挖深-5.0m，采用钢板桩加一层锚杆支撑支护方案，地下水位埋深地面下-1.3m，地面附加荷载q=10.0kpa。 3.2.1 第一阶段开挖3.5m计算

图 3.2.1 开挖第一阶段计算简图

1、主动土压力计算

a0qka1－2c1ka1100.55829.50.7478.61kpa

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a1上=q1H1ka1-2c1ka1=10+17.51.30.558-29.50.747=4.08kpa

a1下=q+1H1ka2-2c2ka2=10+17.51.30.458-260.677=6.88kpa

a2上=q+1H1+sat2H2ka2-2c2ka2=10+17.51.3+18.61.70.458-260.677=21.36kpaa2下=q+1H1+sat2H2ka3-2c3ka3=10+17.51.3+18.61.70.505-2100.711=18.29kpaa3上=q+1H1+sat2H2+sat3Hka3-2c3ka3=10+17.51.3+18.61.7+18.40.50.505-2100.711=22.93kpaa3下a3上22.93kpa

a4上a3下22.93kpa

2、被动土压力计算

p32c3kp32101.40728.14kpa

p4上3.633kp32c3kp33.6318.21.98028.14158.95kpa

3、净土压力计算

P322.9328.145.21kpa

P4上22.93158.95136.02kpa

根据几何关系得：

8.611.3Z4.08Z

11

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Z=0.42m

剪力为零处是弯矩最大值作用位置，很明显该点在第③层土中，设开挖面距离反弯点O的距离为t。

开挖面以上主动土压力合力:

11Ea4.080.426.881.721.366.881.7221 +18.290.5+22.9318.290.5235.17KN根据几何关系得：

Pt136.02 t3.63根据剪力为零，故可得：

Ea12pt5.21t5.21t

 解得，t=1.30m Pt=48.80Kpa 4、第一次开挖最大弯矩

1E10.422.2+1.3+E23111.7+0.5+1.3+E321111.7+0.5+1.3+3Mmax1E40.5+1.3+E50.5+1.3-5.211.32-51.33-5.211.326232 =6.77KN²m

钢板桩采用18型“工”字钢，钢板桩应力：

M16.77×106NN= δ= 2<[δ]=2056=36.59mmmm2W0.185×101满足要求。

由于本工程开挖深度为5.0m，施工时一次性施工，因此对于第一阶段开挖深度为3.5m时。嵌固深度必然满足要求，可以不验算。 3.2.2 第二阶段开挖5.0m计算

第二阶段挖土深度为5.0m，并在开挖的第一阶段深度3.0m处设立锚杆， 1、主动土压力计算

a0qka1－2c1ka1100.55829.50.7478.61kpa

12

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图3.2.2 开挖第二阶段计算简图

a1上=q1H1ka1-2c1ka1=10+17.51.30.558-29.50.747=4.08kpa

a1下=q+1H1ka2-2c2ka2=10+17.51.30.458-260.677=6.88kpa

a2上=q+1H1+sat2H2ka2-2c2ka2=10+17.51.3+18.61.70.458-260.677=21.36kpaa2下=q+1H1+sat2H2ka3-2c3ka3=10+17.51.3+18.61.70.505-2100.711=18.29kpaa3上=q+1H1+sat2H2+sat3Hka3-2c3ka3=10+17.51.3+18.61.7+18.420.505-2100.711=36.87kpaa3下a3上36.87kpa a4上a3下36.87kpa

a4下=q+1H1+sat2H2+sat3Hka4-2c4ka4=10+17.51.3+18.61.7+18.420.445-2150.675=24.77kpa2、被动土压力计算

13

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p32c3kp32101.40728.14kpa

p4上2.133kp32c3kp32.1318.21.98028.14104.90kpa

p4下2.133kp42c4kp42.1318.22.2482151.499132.12kpa3、净土压力计算

P336.8728.148.73kpa P4上36.87104.9068.03kpa

P4下24.77132.12107.35kpa

根据几何关系得：

8.73Z68.032.13Z

Z=0.24m

设Z距离反弯点O的距离为t，反弯点O在第③层 开挖面以上主动土压力合力：

11Ea4.080.426.881.721.366.881.7221 +18.292+36.8718.292280.02KN根据几何关系得：

Ptt-0.24根据剪力为零，故可得：

8.73 0.241EaPtt

2 14

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t=2.10m

2.10+0.24=2.34m＞2.13m

因为第③层土剩余土层只有2.13m，而2.34m＞2.13m ，故不满足条件。 反弯点O在第③层不成立，设反弯点O在第④层 根据剪力为零，故可得：

Ea1Pt107.35t1.89107.35t2

t=4.13m

4.13-1.89=2.24m＜4.87m 故成立 Pt=150.23Kpa

取开挖面以上的土体为研究对象，对开挖面支挡结构处O取矩得

，

T153E10.423.7E21.72.0E31.72.032311+E42.0+E52.023T158.64KN1114、第二阶段开挖弯矩最大值

Mmax21E10.423.7+4.37+E23111.7+2.0+4.37+E321111.7+2.0+4.37+3E42.0+4.37+E52.0+4.37-68.031.892-150.23-107.352.2426236-T15-3+0.24+t1=16.98KN²m

钢板桩采用18型“工”字钢，则钢板桩应力：

M216.98×106NN[]==91.78<δ=205 δ=22 6mmmmW0.185×10满足要求。 3.2.3腰梁设计

腰梁是传力结构，将锚头的轴拉力传到桩上，分成水平力及垂直力。腰梁设计要考虑支护结构的特点、材料、锚杆倾角、锚杆的垂直分力以及结构形式。

本工程垂直分力较小，采用工字钢组合箱型直梁式，组合箱型直梁通过腰梁托板承垂直分力，制作简单，拆装方便。设计最大弯矩计算如下式：

15

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S （3.5） Mmax0.132RD

由公式（3.5）得

0.13258.641.5 Mmax11. 61kNm所需截面抗弯模量按下式计算：

Mmax Wa （3.6）

af由公式（3.6）得

11.61610 Wa 51.433c m1.05215所以腰梁选择18型“工”字钢 其 Wx185cm3Wa51.43cm3 满足要求。

3.2.4最小嵌固深度计算

嵌固深度为l以水平力平衡条件确定：

1 80.0224.77l58.64132.12 l18.22.24l20 （3.7）

2 解得，l0.77m 桩的入土深度：

D=ζ×l=1.4×0.77=1.08m，取D=1.5m。 故钢板桩总长度为： L=H+D=5+1.5=6.5m

3.3 基坑底降水计算

假设将地下水降到距离基坑底面下h处才能满足不发生基坑涌水的最小安全贮备。

1. 假设降水后基底水位在第③层土中

γ

sat3³h≥1.1³10³（3.7+h）

18.4h≥11³3.7+11h

解得h≥5.5m

因为第③层土层厚度为4.13m小于5.5m，故假设不成立。 2.假设降水后基底水位在第④层土中

16

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2.13γ

sat3

+γ

sat4³h≥1.1³10³（5.83+h）

解得h≥3.33m

因为3.33m小于第④层土厚度4.87m，故假设成立。 故降水深度 S=1.7＋4.13＋3.33＝9.16m

3.4 锚杆设计

3.4.1 锚杆水平锚固力

T158.64KN

3.4.2锚杆长度计算

qsik取45kPa，s取1.3，钻孔直径为150mm，锚杆位于地下3m处，锚杆倾

2角=15°，HRB335钢筋抗拉强度设计值fy300N/mm

(1) 自由段长度计算

设计锚杆与水平面夹角15，计算简图如图3.4.1：

k3h34h4h3h419.24.1322.64.8721

4.134.87锚杆自由段长度按下式计算：

13×sin(45°－×21°)2 AB==1.8m 1sin(45°+×21°+15°)2《建筑基坑设计规范》规定，锚杆自由段长度不宜小于5m，并应超过潜在滑裂面1.5m，故取AB=6m。 (2) 锚固段长度计算

NUdsqsiklid1qsjklj2ckd12d（3.8）

本设计中取自由段和锚固段直径均为d1=150mm，d=0。

由公式（3.9）得：

NUd1qsjklj2ckd12s

（3.9）

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N1d1qsjklj12ckd12s

3.140.1545lj12100.152 =

1.3=16.3lj11.09

Td1.250Tc1.251.058.6473.3KN

NUTd（3.10）

cos

73.316.3lj11.09cos15

lj14.59m

《建筑基坑设计规范》规定，锚杆锚固段长度不宜小于4m，故取lj15m。 故锚杆的长度为L1 =6+5=11m。 3.4.3锚杆配筋设计

锚杆配筋计算采用HRB335级别钢筋(fy300N/mm2)

As≥Td1（3.11）

fycos

As1Td173.3103252.95mm2 fycos300cos15锚杆配1B22的HRB335钢筋（As =380.1mm2）；

3.5土钉墙支护结构设计

3.5.1土钉墙概述

土钉墙支护是在基坑开挖过程中将较密排列的细长杆件置于原位土体中，并在坡面上喷射钢筋网混凝土面层。通过土钉、土体和喷射混凝土面层的共同工作，形成复合土体。 3.5.2 土钉墙设计内容

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1、方案确定； 2、土钉结构计算； 3、土钉长度计算； 4、杆体材料计算。 3.5.3方案确定

拟建建筑物基坑东段采用土钉墙支护结构进行施工，基坑实际挖深5.0m，结构外侧建筑物扩散荷载q=84kPa。土钉墙按1:0.3放坡，水平倾角为70°，机械成孔，取钻孔直径D=130mm。垂直倾角15°，土钉水平间距Sx=1.5m，竖直间距

Sy=1.0m。

3.5.4土钉墙结构计算

图3.5.1 土钉墙计算简图

1、土钉主动土压力计算按公式4.2.1进行计算：

eaiqzka2cka （3.12）

由公式（3.12）可得： 第一点处最大主动土压力

ea11H10.7sat2ka22c2ka2(17.51.318.60.7)0.458260.677 8.26Kpa第二点处最大主动土压力

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ea21H1sat2H20.5sat3ka32c3ka3(17.51.318.61.7)0.5052100.711 13.24Kpa第三点处最大主动土压力

ea3q1H1sat2H22.0sat3ka32c3ka3(8417.51.318.61.718.41.0)0.5052100.711 64.95Kpa2、折减系数计算：

k11tan（3.13）/tan245k2tan2tank2

式中：

—土钉墙坡面与水平面夹角，为70°(坡度1:0.3)。

k—本设计中取土钉所在土层加权平均值。 基坑深度范围内各指标的加权平均值

17.5×1.3+17.9×1.7+18.2×4.13 γ==18kN3

m7.1316.5°×1.3+21.8°×1.7+19.2°×4.13 φ= =19.3°7.136×1.7+10×4.13 c==8.83kPa

5.83由公式（3.13）可得：

111tan/tan2451

2tan2tan12 =0.474³（1.012－0.364） ／0.503 =0.61

3、土钉受拉荷载标准值计算：

式中：

—荷载折减系数

TieaiSxSy/cos

（3.14）

eai—第i个土钉位置处的基坑水平荷载标准值，(Kpa)

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Sx，Sy—土钉与相邻土钉的平均水平、垂直间距，(m)

—土钉与水平面的夹角 由公式（4.3）得

0.61×8.26×1.5×1=7.67kN

cos10°0.61×13.24×1.5×1 T2k==12.3kN

cos10°0.61×64.95×1.5×1T3k==59.4kN

cos10° T1k=4、土钉受拉承载力设计值计算：

土钉受拉承载力设计值按以下公式计算 本设计中取临界状态

Tuj1.250Ti

（3.15）

Tuj1.250Ti 式中：

Ti—第i根土钉受拉荷载标准值，(KN)

Tuj—第i根土钉受拉承载力设计值，(KN) 0—基坑侧壁重要性系数，取1.0

Tu1.250T1=1.25³1.0³7.67=9.58KN

Tu21.250T2=1.25³1.0³12.3=15.40KN Tu31.250T3=1.25³1.0³59.4=74.25KN

3.5.5土钉长度计算 1、土钉锚固段长度计算

查《土钉锚固体与土体极限摩阻力标准值》表 取qsik50kPa。

土钉长度按以下公式计算

li 式中：

Tujsdujqsik（3.16）

s—土钉受拉抗力分项系数，取1.3

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duj—第j根土钉锚固体直径，(m)

qsik—土钉穿越第i层土体与锚固体极限摩阻力标准取值。 li—第i根土钉在直线破裂面外穿越第i稳定土体内的长度(m)

l1Tu1sdu1qsikTu2sdu2qsikTu3sdu3qsik=

9.58×1.3=0.61m

3.14×0.13×5015.4×1.3=0.98m

3.14×0.13×50l2=

l3=

74.251.3=4.73m

3.140.13502、土钉自由段长度计算

自由段长度按以下公式计算

Lfi 式中：

HZisin/cos90（3.17） sin22

Lfi—第i排土钉自由段长度。

H—基坑深度(m)

—土钉墙坡面与水平面的夹角取70° —土钉与水平面的倾角α取15°

Zi—第i排土钉到地面的距离(m)。

第一排土钉自由段长度计算，Z1=2.0m

Lf1HZ1sin/cos90

sin227015527015sin70=/cos9015 22sin703=³0.462／0.378 0.94=3.9m

第一排土钉长度：

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L1l1Lf1=0.61＋3.9＝4.51m

第二排土钉自由段长度计算，Z2=3.0m

Lf2HZ2sin/cos90

sin222³0.462／0.378 0.94=

=2.6m

第二排土钉长度：

L2l2Lf2=0.98＋2.6＝3.58m

第三排土钉自由段长度计算，Z3=4.0m

Lf3HZ3sin/cos90

sin22=1.3m

第三排土钉长度：

L3l3Lf3=4.73＋1.3＝6.03m

取

L1L2L36.5m

3.5.6土钉配筋计算

土钉杆体的钢筋直径按以下公式计算：

AS 式中：

KTmaxfyk（3.18）

As—钢筋截面面积(mm2)

fyk—普通钢筋抗拉强度标准值(N/mm2) Tmax—土钉受拉承载力设计值最大值(N)

K—土钉抗拔力安全系数，取1.3

KTmax1.374.25103AS==241.31mm2

400fyk 23

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选取1C20的HRB400级钢筋为土钉配筋，As=314mm2，面层混凝土厚度取100mm，喷射混凝土等级C30，基坑顶部设置宽为1.0m的护坝，面层钢筋混凝土深入基坑底部0.3m，土钉采用32.5R水泥浆灌注。加强筋HRB335配B14，钢筋网采用B8@150。

3.6 本章小结

在靠近西侧、南侧道路及北侧居民楼三侧,钢板桩采用18型“工”字钢，钢板桩间距为1m，钢板桩嵌固深度为1.5m；腰梁采用18型“工”字钢；锚杆在基坑开挖3m处，锚杆的长度为11m，倾角为15，孔径为150mm，锚杆主筋采用1B22钢筋，锚杆采用32.5R水泥浆灌注，水灰比为0.5，注浆压力为0.5MPa。

本章对基坑东侧进行了土钉墙支护设计和计算，确定了基坑采用三道土钉支护，每道土钉分别位于地面以下2m，3.0m,和4.0m处，土钉墙坡度为1:0.3，选取1C20的HRB400级钢筋为土钉配筋，As=314mm2，面层混凝土厚度取100mm，加强筋HRB335级钢筋B14，钢筋网采用B8@150，钢筋间距为150mm，基坑顶部设置宽为1.0m的护坝，面层钢筋混凝土深入基坑底部0.3m，土钉的水平间距1.5m、垂直间距为1m，孔径为130mm，土钉采用32.5R水泥浆灌注。

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第4章 基坑稳定性验算

4.1桩锚结构稳定性验算

4.1.1坑底隆起验算

本验算采用地基承载力法进行验算

b17.51.318.61.718.44.1318.53.333=18.4KN/m

1.31.74.133.3333=18.2KN/m a

3=19.2°cc3=10kpa

Nqtan45etan

2

19.2tan19.2 =tan45 e2 =4.2

NcNq111=9.2 4.21tantan19.2KsaDNqcNc18.25.464.2109.2=2.52 bHDq18.455.46102.52＞1.1

故验算满足要求。 4.1.2坑底涌水验算

因为在前面桩锚计算中已经计算故此处可不验算。 4.1.3桩锚结构深部破裂面稳定性验算 采用kranz的简易计算法进行验算 1、基本参数

T 1=58.64KN

锚杆间距1.5m =15° =0° bc=6.35m dc=12.5m da=10.46

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图4.1.1锚杆验算图

内摩擦角平均值

16.51.321.81.719.24.1322.63.33=20.37°

1.31.74.133.33土的重度平均值

17.51.318.61.718.44.1318.53.333 = 18.4KN/m

1.31.74.133.3312.5－6.35  =22.4°7cos15°（2）求整体稳定安全系数k值，从图中可以测得

①θ=arctan②G6.3512.510.461.518.42720.96KN

2③因为，所以需要计算地面荷载。

（3）挡土桩的主动土压力

Eah260.001.5390.00KN

（4）代替墙的主动土压力：

E1h=(Ea1+Ea2+Ea3+Ea4)×1.5=116.94KN

（5）锚杆最大可能承受的水平力：KAbEahE1hGtan1tantan

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=

390.00116.942720.96tan20.3718.21tan15tan20.3718.2

=172.4KN

KKAb172.4=2.93＞1.5 故验算满足要求 Yah58.644.2 土钉墙整体稳定性验算

土钉墙整体稳定性验算采用圆弧条分法进行验算。通过多次取圆弧滑裂面进行整体稳定性验算确定最危险圆弧滑裂面，且最危险圆弧滑裂面满足整体稳定性验算条件，即证明土钉墙整体稳定性满足要求。 4.2.1 第一次取圆弧

图4.2 第一次取圆弧滑裂面验算土钉墙整体稳定性计算图

cikLi=1.0×8.95×7.44=66.59kN 该图4.2可读取弧长Li7.44m，则s∑i1nni=1读图4.2第一块土条的面积为s12953431mm2，根据比例关系得，实际面积为

S1295343122.95m 610第一块土条土重 w1S117.732.9552.29kN (w1qb1)cos1tanik19.87kN

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(w1qb1)sin129.92kN 读图4.2可知

ln13325.0710003.33m

Tn1dn1qsikln13.140.1453.3347.05kN

1cos(11)sin(11)tanik0.5321Tn1cos(11)sin(11)tanik24.94kN

2单根土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力可按下式确定：

Tnjdnjqsiklni （4.1） 令 Ei(wiqbi)cositanik （4.2）

1 Fjcos(jj)sin(jj)tanik （4.3）

2 Gi(wiqbi)sini （4.4）

nnm1KiscikLis(wiqbi)cositanikTnjcos(jj)sin(jj)tanik

i1i1j12 sk0(wiqbi)siniscikLisEiTnjFjsk0Gi0 （4.5）

i1i1i1j1i1nnnmn

表4.1 第一次取圆弧滑裂面所有土条计算数据表格

土条 编号 1 2 3 4 2953431 4562014 4620133 1962967 2.95 6.25 4.18 2.54 52.29 86.56 78.82 51.36 19.87 26.53 18.79 9.07 29.92 64.17 61.03 49.20 面积（读图）si 实际面积Si 土条重wi Ei Gi 表4.2 第一次取圆弧滑裂面所有土钉计算数据表格

土 钉 编 号 读图lni 实际lni Tnj Fj TnjFj 28

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续上表

1 2 3 3419.19 3680.22 4628.19 3.42 3.68 4.63 47.05 58.90 74.32 0.53 0.62 0.77 24.94 36.52 57.22 由公式（4.5）得

K7.757.4478.651.0106.721.01.31.0158.9536.40kN0 满足条件。

4.2.2 第二次取圆弧

图4.3 第二次取圆弧滑裂面验算土钉墙整体稳定性计算图

表4.3 第二次取圆弧滑裂面所有土条计算数据表格

土条 编号 1 2 3 4 面积（读图)si 实际面积Si 土条重wi Ei Gi 3192490 4907190 3876599 1891498 3.19 4.91 3.88 1.89 61.25 94.27 74.50 36.29 20.25 25.95 17.65 6.33 34.54 67.02 64.73 17.48 表4.4 第二次取圆弧滑裂面所有土钉计算数据表格

土 钉 编 号 读图lni 实际lni Tnj Fj TnjFj 29

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续上表

1 2 3 3479.52 4047.90 4862.60 n 3.50 4.00 4.90 54.95 62.8 76.93 n 0.57 0.69 0.81 31.32 43.33 62.31 读图4.3可知弧长Li7.66m，则 scikLi1.08.957.6668.58kN

i1i1由公式（4.5）得

K68.581.070.23162.171.01.31.0201.4839.03kN0 满足要求。 4.2.3 第三次取圆弧

图4.4 第三次取圆弧滑裂面验算土钉墙整体稳定性计算图

表4.5 第三次取圆弧滑裂面所有土条计算数据表格

土条 编号 1 2 3 4 3192490 4907190 3876599 1891498 3.19 4.91 3.88 1.89 61.25 94.27 74.50 36.29 20.25 25.95 17.65 6.33 34.54 67.02 64.73 17.48 土条重wi Ei Gi 面积（读图）si 实际面积Si 30

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表4.6 第三次取圆弧滑裂面所有土钉计算数据表格

土钉编号 1 2 3 3479.52 4047.90 4862.60 n 读图lni 实际lni 3.50 4.00 4.90 Tnj 54.95 62.8 76.93 n Fj 0.57 0.69 0.81 TnjFj 31.32 43.33 62.31 读图4.4可知弧长Li7.84m，则scikLi1.08.957.8470.17kN

i1i1由公式（4.5）得 K70.17满足要求。

4.2.4 第四次取圆弧

51.078.10194.061.01.31.0kN178.0

图4.5 第四次取圆弧滑裂面验算土钉墙整体稳定性计算图

表4.7 第四次取圆弧滑裂面所有土条计算数据表格

土条 编号 1 2 3 4 3229263 4965977 3862752 1115687 3.23 4.97 3.86 1.12 62.02 95.42 74.11 21.50 20.85 26.62 16.45 3.17 32.70 66.34 67.17 29.60 土条重wi Ei Gi 面积（读图）si 实际面积Si 31

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表4.8 第四次取圆弧滑裂面所有土钉计算数据表格

土 钉 编 号 1 2 3 读图lni 3507.05 4007.65 4791.43 n 实际lni 3.50 4.00 4.80 Tnj 54.95 62.80 75.36 n Fj 0.51 0.67 0.681 TnjFj 28.02 42.08 61.04 读图4.5可知弧长Li8.12m，则 scikLi1.08.958.1272.67kN

i1i1由公式（4.5）得

K72.671.069.23146.581.01.31.0189.1542.59N0 满足要求。 4.2.5 第五次取圆弧

图4.6 第五次取圆弧滑裂面验算土钉墙整体稳定性计算图

表4.9 第五次取圆弧滑裂面所有土条计算数据表格

土条 编号 1 2 3 4 3165886 4826133 3683685 1331551 3.20 4.83 3.68 1.33 61.44 92.16 71.04 24.96 19.90 24.67 15.48 3.94 36.80 68.36 65.56 32.64 土条重wi Ei Gi 面积（读图)si 实际面积Si 32

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表4.10 第五次取圆弧滑裂面所有土钉计算数据表格

土 钉 编 号 1 2 3 读图lni 3617.51 4148.95 4921.30 n 实际lni 3.62 4.15 4.92 Tnj 56.52 78.72 94.08 n Fj 0.54 0.67 0.79 TnjFj 30.52 52.74 74.32 读图4.6可知弧长Li8.22m，则 scikLi1.08.958.2273.57kN

i1i1由公式（4.5）得

K73.571.069.89150.721.01.31.0168.7474.82kN0 满足条件。

4.3 土钉墙外部稳定性验算

4.3.1 抗滑动稳定计算

计算简图如图4.10所示

根据 (qh)Ka2cKa0 （4.6） 由公式（4.6）得

(10+17.9×h)×0.458－2×6×0.677=0 则 h=0.4m

墙后主动土压力由下式计算：

EaxTi(qHi)Kai2ciKaiSxSy （4.7） 由公式（4.7）得

1[] Eax=(10+17.9×1.7)×0.458－2×6×0.677××(5－0.4)×1.0×1.0=23.92kN

2取 B=0.4H=0.4×5=2.0m

假设墙底断面上产生的抗滑合力由下式计算：

Fi(WqB)Sxtan （4.8） WHB （4.9） 由公式（4.8）、（4.9）得 Fi=37.46kN

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抗滑动稳定安全系数为： KH=Fi=1.57>1.2 Eax满足要求。

4.3.2 抗倾覆稳定性验算 墙体的抗倾覆力矩为：

Mw(WqB)由公式（4.9）、（4.10）得 Mw=313.84kN•m 倾覆力矩为：

MoTi由公式（4.19）得

Mo=74.25×2=148.5kN•m 安全系数为： Ko=Mw313.84==2.11>1 Mo148.5H （4.11） 3BSx （4.10） 2满足要求。

4.4 本章小结

本章进行了基坑稳定性验算的设计，并绘制了计算图。因为计算量比较大，所以计算过程中出现过很多错误，但经过细致的检查都被一一改正，对土钉墙外部稳定性验算，即抗滑动稳定验算和抗倾覆稳定性验算，均满足稳定性要求，认为该土钉墙稳定性满足要求。最后对土钉做了配筋设计，满足设计要求。顺利完成了基坑稳定性验算的设计。

34

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第5章 基坑降止水设计

5.1概述

基坑的开挖施工，无论是采用支护体系的垂直开挖还是放坡开挖，如果施工地区的地下水位较高，都将涉及到地下水对基坑施工的影响这一问题。当开挖施工的开挖面低于地下水位时，土体的含水层被却断，地下水便会从坑外或坑底不断的渗入基坑内。另外在基坑开挖期间由于下雨或其他原因，可能会在基坑内造成滞留水，这样会使坑底基土强度降低，压缩性大。从基坑的安全角度出发，对于采用支护体系的稳定性、强度和变形都是十分不利的。从施工角度出发，在地下水位以下进行开挖，坑内滞留水一方面增加了土方开挖施工的难度，另一方面亦使地下主体结构的施工难以顺利进行。而且在地下水的浸泡下，地基土的强度降低，也影响了其承载力。所以为保证基坑工程开挖施工的顺利进行，一方面在地下水位较高的地区，当开挖面低于地下水位时，需采取降低地下水位的措施；另一方面基坑开挖期间坑内需采取排水，使基坑处于干燥的状态，有利于施工。

5.2 降水方法

降低地下水位的措施，即降水方法有集水井降水和井点降水两类。在采用降水措施时，应根据工程的实际情况，并考虑以下因素：

（1）地下水位的标高及坑底标高，一般要求地下水位应降到基底标高以下

0.5~1.5m；

（2）土层性质，包括土的种类和渗透系数；

（3）基坑开挖施工的形式，是放坡开挖还是支护开挖； （4）开挖面积的大小；

（5）周围环境的情况，在降水影响范围内有无建筑物或地下管线以及它们对基础沉降的敏感程度和重要性等

集水井降水属重力式降水，是在开挖基坑时沿坑底周围开挖排水沟，每隔一定距离设集水井，使基坑内挖土时渗出的水经排水沟流向集水井，然后用水泵抽出基坑。排水沟和集水井的截面尺寸取决于基坑的涌水量。一般来讲，集水井降水施工方便，操作简单，所需设备和费用都较低。但是，当基坑开挖深度较大，

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地下水的动水压力有可能造成流砂、管涌、基底隆起和边坡失稳时，则宜采用井点降水法。

井点降水是地下水位较高地区基础工程施工的重要措施，属强制式降水。井点降水是指口径小于或等于一百毫米，单级降水深度小于十米，使用动力多为真空泵的井。它能克服流砂现象，稳定基坑边坡，降低承压水位，防止坑底隆起并加速土体固结，使天然地下水位以下的开挖施工能在较干燥的环境下进行。井点降水有轻型井点（单级、多级轻型井点）、喷射井点、电渗井点、管井井点和深井井点等。各种井点的适用范围不同，在工程应用时可根据土层的渗透系数、要求降水深度和工程特点及周围环境，经过技术经济比较后确定。降水方法与降水深度土体种类及土体渗透性系数的关系如表5.1所示：

表5.1 降水方法与降水深度土体种类及土体渗透系数的关系

降水方法 土体渗透系数 降水深度（m） 土体种类 单级轻型井点 10310 63 — 6 6 — 9（由井点级数确定） 8 — 20 根据阴极井点确定 3 — 5 粉砂、粉质粘土，砂质粉土，含薄砂层的粉质粘土 粉砂、粉质粘土，砂质粉土，含薄砂层的粉质粘土 粉砂、粉质粘土，砂质粉土，粘质粉土，含薄砂层的粉质粘土 淤泥质粉质粘土，淤泥质粘土 粗砂，砾砂，砾石 中砂，粗砂，砾砂，砾石 多级轻型井点 103106 103106 喷射井点 电渗井点 管井井点 深井井点 10 104 104 65 5.3 降水的作用

在基坑开挖施工中采取降低地下水位的措施时，其作用为： (1) 防止基坑坡面和基底的渗水，保持坑底干燥，便利施工；

(2) 增加边坡和坡底的稳定性，防止边坡上或基底的土层颗粒流失。这是因为基坑开挖至地下水位以下时，周围地下水会向坑内渗流，从而产生渗流力，对边坡和基底稳定产生不利影响，此时采用井点降水的方法可以基坑周围的地下水面降到开挖面以下，不仅保持坑底干燥、便利施工，而且消除了渗流力的影响，

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防止流砂产生，增加了边坡和基底的稳定性。

(3) 减少土体含水量，有效提高土体物理力学性能指标。对于放坡开挖而言可提高边坡稳定度；对于支护开挖可增加被动区土抗力，减少主动区土体侧压力，从而提高支护体系的稳定度和强度保证，减少支护体系的变形。

(4) 提高土体固结程度，增加地基抗剪强度。降低地下水位，减少土体含水量从而提高土体固结程度，减少土中孔隙水压力，增加土中有效应力，相应的土体抗剪强度也可得到增长，因而降低地下水位亦是一种有效的地基加固方法。

5.4 降排水设计方案的选择与计算

5.4.1降排水设计方案的选择

根据本基坑的工程实际情况，地下水位在地面以下1.3m处，基坑的降水深度9.16m，轻型井点难以达到预期效果。本次综合考虑基坑水位降深较大，基坑所处土体的渗透性在0.003m/d-0.3m/d之间，可采用喷射井点降水方案。

由于基坑是长方形，井点系统宜布置为环状。井点管距离基坑壁为0.9m处。滤管长度为1.5m，配有配套抽水设备。

喷射井点降水是在井点管内部装设特制的喷射器，用高压水泵或空气压缩机通过井点管中的内管向喷射器输入高压水（喷水井点）或压缩空气（喷气井点），形成水气射流，将地下水经井点外管之间的间隙抽出排走。本法设备较简单，排水深度大，可达8-20m，比多层轻型井点降水设备少，基坑土方开挖量节省，施工快，费用低。

5.4.2降排水井点设计计算

参考《井点降水设计与施工》进行相关计算

1、降水范围内渗透系数平均值计算

0.3×1.3+0.2×1.7+0.08+4.13+0.15×3.33 K==0.15m/d

1.3+1.7+4.13+3.332、影响半径和等效半径计算

根据《深基坑工程》，降水井的影响半径宜通过试验或根据当地的经验确定。当基坑侧壁安全等级为二、三级时，可按下列经验经验公式确定，R2SkH，本基坑侧壁安全等级为二级，对于潜水含水层可根据以下公式求得：

R2SkH （5.1）

已知渗透系数k=0.15m/d，降水深度S=9.16m，含水层厚度H=5m，则

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R=2×9.16×5×0.15=15.8m

对于矩形基坑，其长度a与b之比不大于5，可将不规则平面形状化成一个假想半径为r0的圆进行计算，则等效半径r0F

式中：F——井点系统包围的基坑面积（m2）

由图纸资料可得，基坑面积F=27.932.6=909.54m2，则等效半径 r0=3、引用半径计算

采用“大井法”，参考规范，将矩形（本案例长宽比为32.6m/27.9m=1.17<5）基坑折算成半径为r0的理想大圆井，按“大井法”计算涌水量，故本次基坑的引用半径：

r=1.16909.54=17.02m 3.14ab44、 井点管埋设深度计算

=1.16³（32.6＋27.9）／4=17.55m

喷射井点系统的埋深L应按下式确定：

LHhhir1l 式中：L-井点管总长(m)

h-井管露出地面高度，本设计取0.3m

h-降水后地下水位至基坑地面的安全距离，本设计中取10.46m i-降水漏斗曲线水力梯度，本设计环状布置，取i=0.1

h1-井管至基坑顶面边缘距离本设计中取0.9m

r1r0h1

l-滤管长度，本设计中取1.0m

故L=5+0.3+10.46+0.1³（17.55+0.9）+1.0=18.6m 5、基坑涌水量计算

由于降水井点按环形封闭布置，井群中各井流量近似相等，并结构一致，则可以将基坑周围的井群当成一个以基坑为“中心”的大井。计算涌水量时，按大井计算井点系统的涌水量。

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潜水非完整井井点系统涌水量，可根据下式计算：

53.334.16m

22

式中：H-含水层厚度(m);

hmHh h-降水后基坑底面以下自由水面到隔水层的距离，本设计中 h=3.33m。

H2hm2 （5.2） Q1.366khmRhmllg(1)lg(10.2)r1lr1

式中：

k-渗透系数的综合取值 H-含水层厚度(m)

Hh hm2R-降水影响半径(m)

r1r0h1降水管的半径忽略不计

l-滤管长度，本设计中取1.5m

H2hm2故Q1.366k

hmRhmllg(1)lg(10.2)r1lr1=6.16m3/d

6、单井出水量计算

根据《建筑基坑支护技术规程应用手册》，喷射井点的单井出水量的计算公式为：

qaikDH 式中：

q——单井点出水量，m3/d；

a——经验系数，一般取1.0~1.5，本设计取1.5； i——水力坡度，开始抽水时i=1.0； K——渗透系数，m/d；

D——钻孔直径，m，其范围为400~600mm；

（5.3）

39

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H——含水层厚度，m。 取钻孔直径D600mm，则单井点出水量

qaikDH=1.510.150.65=0.68m3/d 7、井点数量及间距计算

井点数量的计算公式为

n=1.1则 n=1.16.16=9.97 取n=12个 0.68Q （5.4） q井点间距按下式计算：a式中：

ln1

l-基坑边长，取l=2³(32.6+27.9)=121m ；n-井点数量(个) 故al12111mn1121

考虑基坑的转角处应当适当的加密，以及考虑当地降水的影响，同时考虑到井点在降水的后期，其井管的出水量将减少，故取井点之间的间距为10m，共采用12个井点。 8、选择抽水设备

喷射井点有2.5、4、6三种型号，其喷嘴直径分别为7、12、18mm，分别适用于渗透系数为0.1~5、8~10、20~50m/d的土层中，在本基坑中采用的是2.5型的喷射井点设备。可用喷射井点设备5套，每套长40m。井点管布置在基坑开挖之前进行。 5.4.3基坑降水验算

当井点布置完毕后，应按验算降深是否满足要求。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，可有下式进行验算：

hH21logRlogXXXX122（5.5） n1.366kn Q式中：h-井点抽水影响范围内某点的水头值；

X1,X2,X3,,Xn-从某点到各井点中心的距离,本设计中取等效距离18.45m；

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S-井点抽水影响范围内某点的水位下降值 故h=11.58m

h－S=11.58-9.16=2.42m＞0 故基坑降低水位符合工程要求 5.4.4止水帷幕的设置

本基坑的降水过程中，基坑周边的地下水位将相应的下降。其将引起基坑周边地面的不均匀沉降，影响基坑周边的建筑物和地下管线的正常使用。因此，本工程需在基坑的周边设置闭合竖向止水帷幕。

通常情况下落底式竖向止水帷幕对基坑侧壁的防渗效果较好。但由于本场地的含水层的厚度较大，隔水层的埋深较大，可以采用悬挂式竖向止水帷幕。但是竖向止水帷幕底端的埋深必须大于降水井点滤水管顶端埋深。工程实践表明，一般情况下降水井的埋设深度为竖向止水帷幕深度的4/5-9/10为宜。因此该基坑竖向止水帷幕至少埋深18m。

本基坑的竖向止水帷幕采用水泥土搅拌桩。该水泥土搅拌桩桩径450mm。其作用有一下两点：（1）可以加强基坑侧壁土的自身强度，加强基坑壁的整体稳定性（可以看成重力式挡土墙）；（2）可以减少基坑壁地下水的含量，同时可以阻止地下水向基坑的渗入。

竖向止水帷幕的布置：在基坑的周边布置一排水泥土搅拌桩，桩之间相互咬合150mm，桩墙厚450mm。 5.4.5回灌系统的布置

为了减少基坑降水引起的沉降变形对已建建筑物的影响，在必要的时候，应采用回灌系统，可在止水帷幕外侧设置4口回灌井，布置到民用住宅和人行道一侧。

5.5 本章小结

本章对基坑进行了降排水设计，降排水设计对基坑土方开挖，地下室结构设计有重要意义，目的是保证施工期内施工的“正常进行和施工安全”，降排水方案的选择、井点设计计算、基坑降水验算等，完全符合要求。

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第6章 基坑施工监测方案设计

6.1 基坑监测方案

按“二级”基坑要求进行现场位移、沉降监测工作，基坑监测是指导基坑施工，避免事故发生的重要措施。本支护设计按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）中的相关要求，结合本基坑工程支护结构和周围环境的特点确定基坑监测的内容和要求。

6.2 监测内容

（1）土锚和土钉的验收与监测。 （2）桩顶水平位移监测。

（3）邻近建筑物、管线沉降变形监测。

（4）支撑轴力的监测：每层选择约8个主撑断面进行支撑应力的监测。 （5）支护桩桩身应力监测：选择8根支护桩进行桩身应力监测。 （6）地下水位监测：利用基坑外侧的回灌井兼作地下水位观测孔。

6.3 监测的控制要求

（1）土锚、土钉：监测锚杆应取锚杆总数的5%，且不应少于3根；监测土钉应取土钉总数的1%，且不应少于3根。

（2）支护桩：桩身水平位移速率≤2mm/d，位移总量≤0.5%挖深。

（3）周围道路、支撑立柱及周围建筑的沉降速率≤2mm/d；周围道路沉降总量小于15mm，支撑立柱沉降总量小于10mm，房屋差异沉降不超过1/1000。 （4）支撑轴力实测值≤设计值的80％。 （5）桩身应力实测值≤设计值的80％。 （6）坑外水位累计沉降量不超过2.0米。

基坑监测单位应根据设计要求编写施工组织方案，在监测期间应及时将观测结果反馈给业主、监理、设计和施工单位。

6.4 基坑土方开挖技术要求

42

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（1）当支护结构施工完成并达设计强度后方可进行土方开挖。基坑开挖及地下室施工期间，基坑周围严禁堆土或堆载，挖运土机械必须按指定的路线行驶，严禁乱停乱走。

（2）基坑内土方必须“分层、分块、对称”开挖。土方开挖分层进行开挖：施工锚杆、底板底和垫层。开挖时严格控制标高，严禁超挖，坑底留0.20米由人工挖除。挖到设计标高后，及时铺垫层浇素砼至支护桩边，其中垫层部分必须由土建单位人工进行清理。

（3）基坑土方开挖单位施工前应根据设计要求编写详细的施工组织方案，并严格按照施工组织方案施工。开挖期间如遇漏水、流砂以及支护结构变形超过允许值情况，应立即停止挖土，并积极配合抢险工作。

6.5 基坑开挖过程中的施工措施与应急措施

（1）确定工地现场“出土口”后，应对“出土口”位置支护结构进行适当加强。土方开挖应“分层、分区、分块”进行，严禁一次开挖到底或超挖，挖出的土严禁堆放在支护结构外侧，严禁挖土设备碰撞或停放在支撑杆件上，挖至设计坑底标高后，立即做垫层、砌筑砖模，浇筑砼底板，严禁基坑长时间暴露。开挖时注意保护已施工的工程桩与支护桩。

（2）在局部深坑处监测地下水渗出量，必要时增补“轻型井点”降水设备。在坑外布置回灌井和观测井，以便于控制周边环境沉降。

（3）在有严密的监测，且数据可靠的前提下，信息化施工，出现异常情况及时分析，提前拿出监测方案，指导施工，并跟踪管理，当出现下列情况时，应急措施为：出现漏水、涌水时，应及时土方回填，防止事态扩大，及时采用压密注浆或砌砖墙导孔引水；支撑系统变形较大时，及时分析原因，在薄弱点加临时支撑钢管(加预应力)或对支撑系统进行加固；路面出现下沉或开裂时，可采用压密注浆和裂缝水泥砂浆修补方法处理；对于锚杆支撑设置完成之后，在继续向下开挖的时候出现锚杆内力增加的情况时，可在工地采取临时斜向支撑来进行补强。

6.6 本章小结

本工程基坑支护方案的设计计算，严格按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）中的有关章节进行。经过详细的计算分析后认为：采用本设计的基坑支护方案，不同区段，区别对待，能满足土方开挖，地下室施工及周围环境保护的要求，符合“安全、经济、合理、可行”的设计原则。

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结 论

本设计为科技大厦基坑支护结构设计。拟建科技大厦工程位于哈尔滨市香坊区，其西临香顺街，南邻公滨路。地基土层主要由杂填土、粘土、粉质粘土、粉土、粉质粘土构成。基坑开挖深度为5.0m，框架结构。本设计主要包括基坑支护结构方案比选、钢板桩加锚杆设计计算、土钉墙设计计算、基坑的稳定性验算、基坑降排水设计、基坑施工监测方案设计。以上所述设计结果如下：

(1)结合场地实际的地质条件，综合分析：在靠近西侧、南侧道路及北侧居民楼三侧采用钢板桩加锚杆支护结构；在靠近东侧建筑物的一侧采用土钉墙支护结构。

(2)在靠近西侧、南侧道路及北侧居民楼三侧,钢板桩采用18型“工”字钢，钢板桩间距为1m，钢板桩嵌固深度为1.5m；腰梁采用18型“工”字钢；锚杆在基坑开挖深度3m处，锚杆的长度为11m，倾角为15，孔径为150mm，锚杆主筋采用1B22钢筋，锚杆采用32.5R水泥浆灌注，水灰比为0.5，注浆压力为0.5MPa。 (3) 对基坑东侧,采用三道土钉支护，每道土钉分别位于地面以下2m，3.0m,和4.0m处，土钉墙坡度为1:0.3，选取1C20的HRB400级钢筋为土钉配筋，As=314mm2，面层混凝土厚度取100mm，加强筋HRB335级钢筋B14，钢筋网采用B8@150，基坑顶部设置宽为1.0m的护坝，土钉的水平间距1.5m、垂直间距为1m，孔径为130mm，土钉采用32.5R水泥浆灌注。

(4) 本次综合考虑基坑水位降深较大，基坑土体渗透性在0.003m/d-0.3m/d之间，可采用喷射井点降水方案。

（5）按“二级”基坑要求进行现场位移、沉降监测工作，基坑监测是指导基坑施工，避免事故发生的重要措施。本支护设计按照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）中的相关要求，结合本基坑工程支护结构和周围环境的特点确定基坑监测的内容和要求。

经验算及复核，本设计符合《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99的设计要求，方案合理可行，能够作为指导具体施工的备选方案。

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参考文献

[1] 《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99).北京：中国建筑工业出版社，1999. [2] 《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002).北京：中国建筑工业出版社，2002. [3] 《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001) .北京：中国建筑工业出版社，2001. [4] 《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008).北京：中国建筑工业出版社，2008. [5] 《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010).北京：中国建筑工业出版社，2010. [6] 《岩土工程勘察规范》(GB 50021-2001 2009版).北京：中国建筑工业出版社，2001.

[7] 《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002).北京：中国建筑工业出版社，2002.

[8] 《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002). 北京：中国建筑工业出版社，2002.

[9] 《深基坑工程》，高大钊主编.机械工业出版社，2003.

[10]《基坑工程手册（第二版）》，刘建航、侯学渊主编.中国建筑工业出版社，2009.

[11]《深基坑工程》陈忠汉，程丽萍.北京：机械工业出版社，1999.

[12]《岩土锚固》程良奎,范景伦，韩军等.北京：中国建筑工业出版社，2002. [13]《岩土锚固技术手册》闫莫明，徐祯祥，苏自约.北京：人民交通出版社，2004. [14]《岩土工程手册》，岩土工程手册编写委员会.北京：中国建筑工业出版社，1994.

[15]《工程降水设计施工与基坑渗流理论》，吴林高.北京：人民交通出版社，2003. [16]《基坑工程降水案例》，吴林高、李国、方兆昌.北京：人民交通出版社，2009. [17]《深基坑支护工程设计技术》，黄强.北京：中国建材工业出版社，1995. [18]《建筑地基基础设计方法及实例分析》，朱炳寅、娄宇、杨琦.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[19]《21世纪高层建筑基础工程》，史佩栋.北京：中国建筑工业出版社，2000. [20]《深基坑工程设计施工手册》，龚晓南.北京：中国建筑工业出版社，1998.

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[21] 赵玉祥、程艳秋、李会文，冷冻截渗墙控制基坑用水工艺 ,[期刊论文]—水利科技与经济，2010（5）.

[22] 徐宜和，基坑工程技术现状分析，[期刊论文]—四川建筑科学研究，2005（06）.

[23] Peck.R.B Deep Exacavations and Tunneling in Soft Ground.1998. [24] Alexander Tzonis Liane Lefaivre Richard Diamond. Architecture in North America Since 1960 London: A Bwfinch Press Book, Little, Brown and Company,1995.

[25] Andrew J.W, Youssef M.A. Analysis of Deep Excavation in Boston[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1993, 69-89.

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致 谢

本次基坑的毕业课程设计，我对大学四年所学的专业知识进行了一次系统的整理、检验，是对大学期间所学的专业知识一次系统总结。在这个过程中也找到以前所学知识的薄弱环节，如土压力计算、配筋计算、土钉墙稳定性验算等。让我深刻地体会到基坑工程的知识是系统性、深入性的，现在所学的知识对于未来工作是远远不够的，只有更加努力地在这个知识领域里不断充实自己，才能有所建树。

在毕业设计中难免会遇到各种问题，在这里要非常感谢我的指导老师，在整个的毕业设计过程中他都是很认真地倾听我们的想法，给出精良的修改意见。认真检查我们的计算进度，督促我们尽快完成任务，使我们有了充足的时间来完成打印计算书。此时也要感谢土木工程系的各位老师，正是因为您们的辛勤授课，我才学到了这么多的知识，才能顺利完成这次毕业设计。

在毕业设计的编写过程中，我得到了指导老师的大力帮助，从设计准备，资料搜集，到最后的初稿老师给予了宝贵的意见。老师在百忙之中，挤出时间审阅我的设计初稿、施工图，并且提出修改意见。老师的热情和严谨的教学作风给我留下了深刻的印象。最后祝土木工程学院各位老师工作顺利，在教学和学术上取得更大的成就。

由于本人水平有限，时间仓促，设计中不足之处难以避免，敬请各位老师给予批评指正。

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