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1、第 8 章 基坑工程 8.1 概 述 随着城市建设的发展,地下空间在世界各大城市中得到开 发利用。如高层建筑地下室、地下仓库、地下民防工事以及多 种地下民用和工业设施等。在我国,地铁及高层建筑的兴建, 产生了大量的基坑(深基坑)工程。 基坑工程主要包括围护体系的设置和土方开挖两个方面。 围护结构通常是一种临时结构,安全储备较小,具有比较大的 风险。 围护结构应满足的基本要求 保证基坑周围未开挖土体的稳定; 保证相邻建筑物的、地下管线的安全,不受损害; 保证作业面在地下水位以上。 上海浦东绿洲中环中心 8.2 围护结构型式及适用范围 围护结构型式及分类 放坡开挖及简易支护 悬臂式围护结构 重力式
2、围护结构 内撑式围护结构 拉锚式围护结构 土钉墙围护结构 其他形式围护结构 土袋 短桩 基坑简易支护 土袋或块石支护 短桩支护 放坡开挖及简易支护 边坡高度与坡度控制 岩土类别类别状态态及风风化程 度 允许许坡高允许许坡度 硬质质岩石微风风化 中等风风化 强风风化 12 10 8 1:0.101:0.20 1:0.201:0.35 1:0.351:0.50 软质软质 岩石微风风化 中等风风化 强风风化 8 8 8 1:0.351:0.50 1:0.501:0.75 1:0.751:1.00 砂土中密以上51:1.00基坑顶顶面无载载重 1:1.25基坑顶顶面有静载载 1:1.50基坑顶顶面有动
3、载动载 粉土稍湿51:0.75基坑顶顶面无载载重 1:1.00基坑顶顶面有静载载 1:1.25基坑顶顶面有动载动载 边坡允许坡度值 岩土类类 别别 状态态及风风化程 度 允许许坡 高 允许许坡度 粉质质粘 土 坚坚硬 硬塑 可塑 5 5 4 1:0.33基坑顶顶面无载载重 1:0.50基坑顶顶面有静载载 1:0.75基坑顶顶面有动载动载 1:1.001:1.25基坑顶顶面无载载 重 1:1.251:1.50基坑顶顶面无载载 重 粘土坚坚硬 硬塑 可塑 5 5 4 1:0.331:0.75 1:1.001:1.25 1:1.251:1.50 杂杂填土中密、密实实的建 筑垃圾土 51:0.751:
4、1.00 边坡允许坡度值(续) 边坡稳定性验算 需要进行边坡稳定性验算的情况有以下几种: 坡顶有堆载; 边坡高度与坡度超出上表所列允许值; 存在软弱结构面的倾斜地层; 岩层和主要结构层面的倾斜方向与边坡的开挖面倾斜方 向一致,且两者走向的夹角小于45。 土质边坡的稳定分析可用圆弧滑动法进行分析。 岩质边坡宜按由软弱夹层或结构面控制的可能滑动面进行验算。 悬臂式围护结构 结构特征:无支撑的悬臂围护结构; 支撑材料:钢筋混凝土排桩、钢板桩、木板桩、钢筋混 凝土板桩、地下连续墙、SMW工法桩等; 受力特征:利用支撑入土的嵌固作用及结构的自身的抗 弯刚度挡土及控制变形; 适用条件:土质较好,开挖深度较
5、小的基坑。 重力式围护结构 结构特征:常用水泥土桩构成重力式挡土构造; 支撑材料:水泥搅拌桩、注浆; 受力特征:利用墙体或格构自身的稳定挡土与止水; 适用条件:宽度较大,开挖较浅,周围场地较宽,对变 形要求不高的基坑。 重力式水泥土墙 断面图 平面图 内撑式围护结构 结构特征:由挡土结构与支撑结构两部分组成; 支撑材料:挡土材料有钢筋混凝土桩、地下连续墙,支 撑材料有钢筋混凝土梁、钢管、型钢等; 受力特征:水平支撑、斜支撑,单层支撑、多层支撑; 适用条件:各种土层和基坑深度。 内撑式围护结构 拉锚式围护结构 结构特征:由挡土结构与锚固系统两部分组成; 支撑材料:可采用内撑式结构相同的材料外,还
6、可以采 用钢板桩等; 受力特征:由挡土结构与锚固系统共同承担土压力; 适用条件:砂土或粘性土地基。 拉锚式围护结构 土钉墙围护结构 结构特征:由土钉与喷锚混凝土面板两部分组成; 支撑材料:由土钉及钢筋混凝土面板构成支撑; 受力特征:由土钉构成支撑体系,喷锚混凝土面板构成 挡土体系; 适用条件:地下水位以上或降水后的粘土、粉土、杂填 土及非松散砂土、碎石土。 钢筋混凝土桩 水泥搅拌桩 连拱式支护结构平面图 高压喷射桩 钻孔灌注桩 灌注桩与高压喷射桩组合支护 型钢 深层搅拌桩 SMW工法桩组合支护 深基坑支护结构分类 支 护 结 构 挡土部分 支撑部分 透水挡土结构 止水挡土结构 H型钢、工字钢+
7、插板 疏排灌注桩+钢丝网水泥抹面 密排灌注桩、预制桩 双排桩挡土 连拱式灌注桩 土钉墙 地下连续墙 深层搅拌桩、墙 深层搅拌桩+灌注桩 密排桩+高压喷射桩 钢板桩 闭合拱圈墙 自立式桩、墙 锚拉支护 土层锚杆 水平支撑、斜撑 环梁支护系统 8.3 支护结护结 构上的荷载载 水、土压力计算 水、土压力分算方法 对于透水性比较大的砂性土和粉土,分别计算作用在 围护结构上的土压力(按朗肯土压力理论计算)和水压力 (按静水压力计算),然后叠加作用在围护结构上。 或: 水、土压力合算方法 对于透水性比较差的粘性土地基,采用水、土压力合 算的方法计算作用于围护结构上的侧向压力。 各项参数的定义见p.298
8、说明。 挡土结构位移对土压力的影响 一般的围护结构自身刚度不大,在侧向压力作用下产 生较大的相对位移时,对土压力的分布与大小产生影响。 一般有以下几种情况: 挡土构造不发生位移 墙后主动土压力为静止 土压力,土压力分布为三角 形分布。 H/H/ 2 2 H H 挡土构造顶部不动,底部向外位移 无论位移达到多大,都不能使填土内发生主动破坏, 压力为曲线分布,总压力作用点位移墙底以上越H/2处。 挡土构造平行向外移动 位移的大小未达到足以使填土发生主动破坏时,压力 为曲线分布,当位移超过某一值后填土将发生主动破坏, 应力成直线分布。 挡土构造上下两端不动,中部发生向外位移 墙后主动土压力为马鞍形分
9、布。 挡土构造下端不动,上端向外位移 无论位移多少,作用在墙背上的压力都按直线分布。 当墙上端的移动达到一定数值后,墙后填土会发生主动破 坏,此时作用在墙上的土压力称为主动土压力。 8.4 支护结护结 构上的设计规设计规 定 设计依据:建筑基坑支护技术规程(JGJ 120-99) 设计状态 承载能力极限状态:支护结构达到承载力破坏,锚固系 统失效或坡体失稳状态; 正常使用极限状态:支护结构和边坡的变形达到结构本 身或邻近建筑物的正常使用限值或影响耐久实用性能。 安全等级 根据建筑基坑工程破坏可能造成的后果,基坑工程划 分为三个安全等级。 安全等级级破坏后果重要性系数0 一级级支护结护结 构破坏
10、或土体失稳稳或过过大变变 形对对基坑周围环围环 境和地下结结构施工 影响很严严重 1.10 二级级支护结护结 构破坏或土体失稳稳或过过大变变 形对对基坑周围环围环 境影响一般,但对对 地下结结构施工影响严严重 1.00 三级级支护结护结 构破坏或土体失稳稳或过过大变变 形对对基坑周围环围环 境及地下结结构施工 影响不严严重 0.90 建筑基坑安全等级及重要性系数 基坑设计的主要内容 支护体系的方案比较与选型; 支护结构的强度、稳定和变形计算; 基坑内外土体的稳定性验算; 地下水控制设计; 施工程序设计; 周边环境保护措施; 支护结构质量检测和开挖监控项目及报警要求。 基坑设计应具备的资料 岩土
11、工程勘察报告; 建筑总平面图、地下管线图、地下结构平面和剖面图; 土建设计和施工对基坑支护结构的要求; 邻近建筑物和地下设施的类型、分布情况和结构质量的 检测评价。 8.5 悬臂式围护结构内力分析(排桩、板桩) 计算简图(均质土) 排桩变位 净土压力分布 简化处理后的 净土压力分布 静力平衡法 基本原理:随着板桩的入土 深度的变化,作用在板桩两 侧的净土压力分布也随之发 生变化,当作用在板桩两侧 的净土压力相等时,板桩处 于平衡状态,此时所对应的 板桩的入土深度即是保证板 桩稳定的最小入土深度。根 据板桩的静力平衡条件可以 求出该深度。 t 土压力计算(朗肯土压力理论) 确定板桩入土深度 t
12、基坑底土压力 t h D z1 z2 pah 地面超载 t h D z1 z2 pah 确定净土压力p=0的深度D t h D z1 z2 pah 确定深度 h+z1及h+t 处的净土压力 确定最小入土深度 t 当板桩入土深度达到最小入土深度 t 时,应满足作用 在板桩上的水平力之和等于0,各力距任一点力矩之和等 于0的静力平衡条件,建立静力平衡方程,可以求得未知 量 z2 及板桩最小入土深度 t : 求解上述联立方程,可以得到未知值 z2,t(也可以采用试算法计算 ),为安全起见,计算得到的 t 值还需乘以1.1的安全系数作为设计入土 深度,即实际的入土深度=1.1t 。 板桩内力计算 计算
13、板桩最大弯矩时,根据在板桩最大弯矩作用点剪 力等于0的原理,可以确定发生最大弯矩的位置及最大弯 矩值。对于均质无粘性土(c=0,q0=0),根据图示关系 ,当剪力为0的点位于基坑底面以下深度 b 时,则有: 解出b后,即可求得Mmax: h b z1 布鲁姆法(均质土) 基本原理:布鲁姆法以一个集中力 Ep代替板桩底出现的 被动土压力,根据该假定建立静力平衡方程,求出入土深 度及板桩内力。 计算板桩入土深度 t 对板桩底C点取力矩, 由Mc=0得到: O h t l u Ep Ep E4 E1 E2 E3 P C x xm a 在均质土条件下,净土压力为0的O点深度可根据墙前 与墙后土压力强度
14、相等的条件算出(不考虑地下水及顶面 均布荷载的影响,c=0,q0=0): 代入前式求解方程后可求得未知量x,板桩的入土深度按 下式计算: t = u + 1.2x 为便于计算,建立了一套图表,利用该图表,可用图 解法确定未知量 x 值,其顺序如下: u 令中间变量: v 再令: w 根据求出的m、n值,查图表确定中间变量,从而求得 : x= l, t = u + 1.2x 内力计算 最大弯矩发生在剪力Q=0 处,如图设O点以下xm处的剪 力Q=0,则有: 最大弯矩: O h t l u Ep Ep E4 E1 E2 E3 P C x xm a 例题1: 某悬臂板桩围护结构如图示,试用布鲁姆法计
15、算板桩 长度及板桩内力。 6m l uE3 E1 E2 P a q=10kN/m2 c=0 =34 =20kN/m3 解: 板桩长度 查表,=0.67,x=l=0.676.57=4.4m t=1.2x+u=1.24.4+0.57=5.85m 板桩长=6+5.85=11.85m,取12m。 计算最大弯矩 8.6 单支点围护结构内力分析(排桩、板桩) 顶端支撑的排桩结构,有支撑的支撑点相当 于不能移动的简支点,埋入地中的部分,则根据 入土深度,浅时为简支,深时为嵌固。在确定板 桩的入土深度时,太浅则跨中弯矩比较大,较深 时则不经济。比较合理的入土深度为下图所示的 第3种状态所处的入土深度。一般按该
16、种状态确定 板桩的入土深度 t 。 Ea Ep tmin Ea Ep t1 tmax Ea Ep Ep t2 Ea Ep Ep ( a )( b ) ( c )( d ) 内力计算方法(均质土) 静力平衡法(埋深较浅, 下端铰支,前图a计算图式 ) 根据图示所示静力平衡 体系,根据A点的力矩平衡 方程及水平方向的力平衡方 程,可以得到两个方程: 根据上述方程求解出板桩的入土深度 t 及反力 R h t R Ep Ea A d 对支撑 A 点取力矩平衡方程: 由水平方向的静力平衡方程: 根据剪力为 0 的条件,可以求得最大弯矩的位置: 板桩截面最大弯矩: 等值梁法 基本原理:将板桩看成是一端嵌固
17、另一端简支的梁,单 支撑挡墙下端为弹性嵌固时,其弯矩分布如图所示,如果 在弯矩零点位置将梁断开,以简支梁计算梁的内力,则其 弯矩与整梁是一致的。将此断梁称为整梁该段的等值梁。 对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙,弯矩零点位置与 净土压力零点位置很接近,在计算时可以根据净土压力分 布首先确定出弯矩零点位置,并在该点处将梁断开,计算 两个相连的等值简支梁的弯矩。将这种简化方法称为等值 梁法。 Ra A B B QB QB G Ep B G h t R Ea E p Ea2 Ah0 a D B G C u x x t0 (kp-ka)x 计算步骤 u 计算净土压力分布 根据净土压力分布确定净土压力为0的
18、B点位置,利用 下式算出B点距基坑底面的距离 u(c=0 ,q0=0): v 计算支撑反力 计算支撑反力Ra及剪力QB。 以B点为力矩中心: 以A点为力矩中心: w 计算板桩的入土深度 由等值梁BG取G点的力矩平衡方程: 可以求得: 板桩的最小入土深度:t0=u+x, 考虑一定的富裕可以取:t=(1.11.2)t0 x 求出等值梁的最大弯矩 根据最大弯矩处剪力为0的原理,求出等值梁上剪力 为0的位置,并求出最大弯矩 Mmax。 注意:以上两种情况计算出的支撑力(锚杆拉力)为单 位延米板桩墙上的数值,如支撑(锚杆)间距为 a,则 实际支撑力(锚杆拉力)为 aR 。 工程实践中,可按以下经验关系粗
19、略确定正负弯矩 转折点B的位置(即 u 的深度)。 设基坑深度为 h,地面均布荷载为 q,基坑底面以下土体 的内摩擦角为,等效基坑深度为:h=h+q / 单支撑板桩的计算,是以板桩下端为固定的假设进 行的,对于埋入粘性土中的板桩,只有粘性土相当坚硬 时,才可以认为底端固定,因此,其计算假定与一般实 际情况仍有差异。但等值梁法计算结果偏于安全,方法 简单,特别适合于非粘性土地基中的支护结构计算。 例题2: 某单支撑板桩围护结构如图示,试用等值梁法计算板 桩长度及板桩内力。 1m 9.0m u Ea a q=28kN/m2 c=6kPa =20 =18kN/m3 x x0 Ra 解: 土压力计算
20、u的计算 Ra、QB的计算 入土深度 t 的计算 取t=13.0m,板桩长=10+13=23m 内力计算 求Q=0的位置 x0 8.7 多支点围护结构计算方法简介 连续梁法 基本原理:将排桩支护看成多支点支撑的连续梁 计算步骤(以三道支撑为例) AA B A B A B C D C (a)(b)(c)(d) (1) 设置第一道支撑A之前的开挖阶段(图a) 按下端嵌固在土中的悬臂桩墙计算。 (2) 设置第二道支撑B之前的开挖阶段(图b) 按板桩墙为两个支点的静定梁计算,两个支点分别为A 及土中净土压力为0的一点。 (3) 设置第三道支撑C之前的开挖阶段(图c) 按板桩墙为具有三个支点的连续梁计算
21、,三个支点分别 为A、B及土中净土压力为0的一点。 (4) 浇筑底板以前的开挖阶段 按板桩墙为具有四个支点三跨的连续梁计算。 支撑荷载1/2分担法 基本原理:墙后主动土压力分布采用太沙基佩克假定 ,按1/2分担的概念计算支撑反力和排桩内力。 l1 l2 l3 l4 l5 R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4 R3 l3/2 l4/2 ql2/10 ql2/20 HKaHKa M图q图 计算方法(经验方法) 每道支撑所受的力是相邻两个半跨的土压力荷载值; 若土压力强度为q,按连续梁计算,最大支座弯矩(三 跨以上)为 M=ql2/10,最大跨中弯矩为 M=ql2/20。 弹性抗力法(弹性
22、支点法、地基反力法) 基本原理:将桩墙看成竖直置于土中的弹性地基梁,基 坑以下土体以连续分布的弹簧来模拟,基坑底面以下的土 体反力与墙体的变形有关。 计算方法 墙后土压力分布:直接按朗肯土压力理论计算、矩形分 布的经验土压力模式(我国较多采用); 地基抗力分布:基坑开挖面以下的土抗力分布根据文克 尔地基模型计算: ks:地基土的水平基床系数 EaEa R1 Rn R1 Rn 支点按刚度系数 kz的弹簧进行模拟,建立桩墙的基本挠 曲微分方程,解方程可以得到支护结构的内力和变形。 8.8 基坑的稳稳定验验算 基坑稳定验算的基本内容 整体稳定验算(边坡稳定、倾覆稳定、滑移稳定); 基坑抗隆起稳定;
23、基坑抗渗流稳定。 基坑抗隆起稳定 基坑隆起开挖较较深软软土基坑时时,在坑壁土体自重和坑 顶顶荷载载作用下,坑底软软土可能受挤挤在坑底发发生隆起现现象 ; 基本假定 参照太沙基、普朗得尔地基承载力理论; 支护桩底面的平面作为极限承载力基准面; 滑动线形状如图8-16(p.308)所示。 基坑抗隆起安全系数: 式中各项物理意义见p.308说明。 承载力系数 普朗得尔公式: 安全系数:Ks1.11.2 太沙基公式: 安全系数:Ks1.151.25 建筑地基基础设计规范推荐公式 Nc:承载力系数,条形基础取Nc =5.14; 0:抗剪强度,由十字板试验或三轴不固结不排水试验确 定; t:支护结构入土深
24、度; 其余参数与前述相同。 简简化计计算方法 假定地基破坏时发时发 生如下图图所示滑动动面,滑动动面圆圆 心在最底层层支撑点A处处,半径为为x,垂直面上的抗滑阻力 不予考虑虑,则则滑动动力矩为为: 稳稳定力矩为为: Su滑动动面上不排水抗剪强度,对对于饱饱和软软粘土,则则 =0,Su = cu。 定义义安全系数 K=Mr/Md 如基坑处处土质质均匀,则则基坑抗隆起安全系数为为: 例题题3: 某基坑深H=6.2m,地面荷载载q=20kN/m2,地基土为为均质质 土=17kN/m3, c=25kPa,底部支撑= 81.8,按简简化计计算 方法验验算其抗隆起稳稳定性。 解:均质质土地基,Su=c=2
25、5kPa 基坑抗隆起安全系数 不能满满足抗基坑隆起稳稳定要求。 基坑抗渗流稳定 基坑底面抗流砂稳定 适用:粉土、砂土 hw h hd 基坑底面突涌稳定性 m:透水层以上土的饱和重度 pw:含水层水压力。 t h t 承压水 不透水层 8.9 土钉钉支护结护结 构 概述 土钉支护是将一系列钢筋或钢索近似水平地设置在被加 固的原位土体中,在坡面喷射混凝土面层形成支护结构。 土钉支护设计的主要内容 土钉支护结构参数的确定 土钉抗拉力的计算 土钉墙内外稳定性验算 土钉支护结构参数的确定 土钉长度 一般上下土钉取等长,或上部稍长而底部稍短(土钉内 力中部较大,上部土钉对限制支护结构水平位移作用较大 ,下
26、部土钉对提高土钉墙整体稳定性作用较大); 非饱和土:土钉长度L=(0.61.2)H; 饱和软土:土钉长度LH。 土钉间距 土钉间距:1.22.0m(软土可1.0m); 垂直间距按土层分布及计算确定; 上下插筋交叉排列 土钉筋材尺寸 筋材材料:钢筋、角钢、钢管等; 钢筋:18mm 32mm,级以上螺纹钢筋; 角钢:L15mm50mm50mm; 钢管: 50mm。 土钉倾角:020之间 倾角小:支护变形小,注浆质量难以控制; 倾角大:支护变形大,注浆质量易于控制,利于插入下 层较好土层。 注浆材料:水泥砂浆、水泥浆 支护面层 临时性结构:50150mm厚钢筋网喷射混凝土, 6mm 8mm的级钢筋焊
27、成150300mm的方格网片; 永久性结构: 150250mm厚钢筋网喷射混凝土,可设两 层钢筋网,分两层喷成。 土钉支护结构的抗拉承载力计算 验算公式 荷载折 减系数 j 个土钉位置处基坑 水平荷载标准值 固结快 剪指标 土钉抗拉抗 力分项系数 j 根土钉受拉 荷载标准值 j 根土钉受拉承 载力设计值 j 根土钉直径 li h Tuj (+k)/2 主动区 被动区 土的名称土的状态态qsik 填土1620 淤泥1016 淤泥质质土1620 粘性土流塑 软软塑 可塑 硬可塑 硬塑 坚坚硬 IL1 0.75 IL 1 0.50 IL 0.75 0.25 IL 0.50 0 IL 0.25 IL
28、0 1830 3040 4053 5365 6573 7380 粉土稍密 中密 密实实 e0.9 0.75 e 0.9 e 0.75 2040 4060 6090 土钉锚固体与土体极限摩阻力标准值 土的名称土的状态态qsik 粉细细砂稍密 中密 密实实 10 N 15 15 N 30 N30 2040 4060 6080 中砂稍密 中密 密实实 10 N 15 15 N 30 N30 4060 6070 7090 粗砂稍密 中密 密实实 10 N 15 15 N 30 N30 6090 90120 120150 砾砾砂中密(密实实 ) N15130160 土钉支护结构外部稳定分析 抗倾覆稳定性
29、验算 W H B Ft P0 q0 O Ea Eax Eay 抗滑移稳定性验算 土钉支护结构内部稳定分析 土钉支护结构的内部稳定分析采用圆弧破裂面条分法进 行分析计算。Qi h i Wi i i R 土钉抗拉力计算 在土条 i 上作用有土体自重 Wi、地表荷载 Qi、土钉抗拉 力 Rk、 Rk按以下公式计算并取较小者: 按土钉材料强度计算 按破裂面外土钉抗拔出能力计算 按破裂面内土钉抗拔出能力计算 破裂面外土 钉锚固长度 土钉端部与混凝 土面板连接处的 极限抗拔力 土钉支护结构内部稳定验算 Fs: 内部稳定安全系数 H6m, Fs1.2; H=612m, Fs1.3; H12m, Fs1.4。 k 排土钉的 水平间距 补充练习: 按布鲁姆法计算确定图示悬臂式板桩支护的长度 h 及板 桩的最大弯矩 Mmax。 q=28kN/m2 c=0 =20 =17kN/m3 c=0 =32 =18kN/m3 补充练习: 按等值梁法计算确定图示单支撑式板桩支护的长度 h 及 板桩的最大弯矩 Mmax。 3m 6.0m q=10kN/m2 c=10kPa =12 =17kN/m3 Ra
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