深基坑工程技术讲座讲.pdf
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1、 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2004 T
2、singhua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 技术讲座 深基坑工程技术讲座(4) 沈保汉 (北京市建筑工程研究院) 第四讲 一般粘性土地区常用支护结构类型 411 一般粘性土的特性 我国东北、 华北地区及西北的大部分地区 多属一般粘性土
3、、 粉土及砂土地区(以下简称一 般粘性土地区 ), 而且多数地区的地下水位较 深。 现以北京地区的地基土为代表,加以简单说 明。 北京城区及近郊位于山前洪冲积平原上。 旧城区及关厢一带杂填土一般厚度35m ,淹 废古河道处包括淤泥、 沉积泥和洼地等杂填土, 厚度有的超过10m ,压缩性高,土层厚度分布不 均匀,承载力较低,大部分有湿陷性。在旧城区 及东、 西、 北郊一带相当大的平原地区内,杂填 土以下是第四纪早全新世(Q 1 4)及其以前形成 的洪冲积土层,即北京所称的第四纪老土,其土 质较均匀,压缩性较低,强度较高,层次分布较 有规律。 大部分地区在杂填土以下为粉质粘土和粉 土组成的互层,厚
4、度一般在3、4m至7、8m ,局 部地区有薄有厚,密实度一般为中下密 密实, 硬度一般为较软 较硬。 在粘性土层下,即地表以下5、 6m 至10m 左右处有一层由粉细砂至粗砂或砂卵石依次组 成的砂类土层,其密实度大都是密实的,层面比 较平整,厚度一般为210m或以上,工程性能 好。 除上述的第四纪老土层外,还有一类第四 纪晚全新世(Q 2 4)形成的洪冲积层,北京称为新 近代土。主要分布在南郊一带以及西北郊个别 地区,此外在郊区也有几片。此类土密度较低, 强度较低,压缩性较高,层次分布规律也较凌 乱。 近二十年来,北京旧城区内地下水位大幅 度下降,连同原西部水位较深地区,常年水位埋 深都超过1
5、0m ,东郊、 南郊和北郊水位较高,埋 深约2 4m 。 粘性土颗粒细,矿物成份和颗粒结构复杂, 具有一定的粘聚强度,且强度随含水量及应力 历史等一系列因素而变化。由于粘性土的粘聚 强度等因素,支护结构中实际的土压力往往小 于按库伦一朗金理论计算的主压力值。在多数 情况下,地下水位深,既不需要计算静水压力, 也不需要采取防水或降水措施。 因此,就挡土支 护结构类型的选择及其受力状况的分析而言, 一般粘性土地区与软土地区差别很大。现举例 说明。深圳市国商大厦地下车库,处于软土地 区,基坑深8m ,采用d800mm悬臂式灌注桩, 开挖后实测桩的钢筋应力200 M pa,桩顶位移 90mm;北京市北
6、京医院急诊楼,地基主要土层 为粉质粘土,基坑深814m ,采用d800mm悬臂 式灌注桩,开挖后实测桩的钢筋应力27 M pa, 桩顶位移10mm。 412 确定一般粘性土地区挡土支护结构 类型的基本原则 (1)从总体上考虑,必须从基坑各部位的具 体情况出发,根据基坑周边场地条件和地质条 件接近或不同的情况,采用同一或多种挡土支 护结构类型。 位于北京市北闹市口的中国工商银行营业 大楼工程,基坑平面尺寸为135135m ,基坑深 度14135m ,整个工程分两期。经方案比较确定 在一、 二期交界处采用插筋补强护坡,其余三面 采用桩锚档土支护结构。 (2)从场地条件考虑,如坑周场地较为开 阔,则
7、可采用上段放坡开挖,下段采用悬臂桩或 94 第24卷- 1 建筑技术开发 1997年2月 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 桩锚挡土支护结构;如坑周场地较为狭窄并且 邻近又有重要建筑物需要保护时,则可采用地 下连续墙加锚杆或支撑方案。 位于石家庄市的人防九二九工程,基坑深 度- 1113m ,自上而下的土层为粉土、 粉砂和粉 土,地表以下 6m 范围采取放坡开挖,下段采用 d600mm悬臂式钢筋混凝土螺旋钻孔灌注桩, 悬臂长度513m ,入土锚固深度41 0m (图41 1) 。 图4
8、11 石家庄人防929工程基坑护坡 (3)从基坑开挖深度与范围考虑,开挖深度 不大时,可采用悬臂式档土支护结构、 土钉墙或 喷锚支护等结构;开挖深度较大时,可视情况采 用挡土桩加单层锚杆或多层锚杆型式。 (4)从土层地质条件考虑,土质较好的情况 可采用土钉或喷锚支护结构;土质较差的情况, 则可采用桩锚结构或锚杆加地下连续墙等型 式。 (5)从场地的地下水位考虑,如地下水位较 低时,可采用土钉或喷锚支护结构及稀疏桩排 挡土支护结构;如地下水位较高时,可采用支护 桩+水泥土桩(旋喷桩,深层搅拌桩等)或地下 连续墙等。 表413 一般粘性土地基档土支护结构类 型选择表 表411列出了一般粘性土地基部
9、分挡土支 护结构可能选择的类型。 413 实例 表412列出了一般粘性土地基深基坑挡土 支护结构实例。从表412中可以看出: (1)因一般粘性土地区,其边坡土质较好, 且地下水位较低,可利用土拱作用,故排桩法支 护成为这类地区最常用的挡土支护结构类型。 所谓排桩法系指由呈队列式间隔布置(即稀疏 桩排)的钢筋混凝土挖孔、 钻孔、 冲孔和压力注 浆等灌注桩以及H型钢桩和工字钢桩组成的 挡土结构;依其结构型式又可分为悬臂式和支 锚(支撑、 锚杆或水平拉杆)式支护结构;从布桩 型式又可分为单排桩和双排桩(含刚架护坡桩) 布置。 一般粘性土地基部分挡土支护结构类型选择表 表411 支护 型式 结 构 类
10、 型 基坑深度(m) 15 悬 臂 式 支 护 钢板桩或钢筋混凝土预制桩 6060303015 155 hw)式: (10 - 11) ; u -地下水的侧压力(kPa) , u = 0 (z hw) w(z - hw) (z hw) (10 - 12) ; hw 地下水的埋藏深度 (m) ; 土的浮重度(kN/? ) ; w 水的重度 (kN/ ?)。 45 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 建筑技术讲座 北京秋光技术开发有限公司 岩土技术开发部 深基坑工程技术讲座(11) 沈保汉
11、(北京市建筑工程研究院) 第十一讲 挡土支护结构侧压力(中) 11. 1 主动土压力与被动土压力 11. 1. 1 定义 挡土支护结构在土压力作用下,将向基坑内侧移 动(即产生背离土体的横向位移)或绕前趾向基坑内 侧转动。当位移达到一定量值时,则其后土体开始形 成滑裂面,应力达到极限平衡状态,此时土压力处于 最小值,称为主动土压力 (E ) , 进入主动土压力状态 的位移量一般是比较小的(表111 1) 。 图1111 侧土压力与位移关系图 挡土支护结构在外荷作用下,将向土体方向移动 或转动。随着位移的增加,土体阻止其变形的抗力将 增加,应力水平随之提高,使作用于结构上的土压力 逐渐增加。当位
12、移达到一定量值时,则土体中亦将形 成一个滑裂面,应力达到极限平衡状态,此时土压力 处于最大值,称为被动土压力(Ep) ,进入被动土压力 状态的位移量比主动土压力状态要大得多(表11. 1) 。 产生主动和被动土压力所需位移量的参考值 表11. 1 土 类 应力状态位移形式所需位移量 砂 土 主 动 被 动 主 动 被 动 平 移 平 移 绕前趾转动 绕前趾转动 (0 100101005) H 0105H (0 100101005) H 011H 粘 土 主 动 主 动 平 移 绕前趾转动 (0 100401010) H (0 100401010) H 注:1.本表引自刘建航主编的 基坑工程手册
13、 表4 - 1(朱桐 浩 ) ;2. 本表用于挡土墙,对于深基坑挡土支护结构可参 考;3.表中H为挡土墙高度。 挡土支护结构所承受的土压力,要精确地加以确 定是很困难的,甚至是不可能的,因为影响土压力的 不确定因素太多,至少有16个(见本技术讲座第十 讲)。 11. 1. 2 库伦土压力和朗金土压力 库伦(Coulomb)土压力理论(1773年)的基本假 定 :(1) 挡土墙是刚性的,墙后填土是各向同性、 均质 的无粘性砂土 ;(2) 当墙身向前或向后移动以产生主 动土压力或被动土压力时的滑动破坏楔体是沿着墙 背和一个通过墙踵的平面发生滑动 ; (3) 破坏土楔视 为刚体 ;(4) 摩擦力沿着
14、破裂平面是均匀分布的,摩擦 系数f = tan(为内摩擦角) ;(5)有墙身摩擦,亦即破 坏土楔沿着墙背移动,在墙的界面上产生摩擦力 ; (6) 破坏是一个平面变形问题,即取无限长楔体的一个单 位长度进行讨论。根据上述假定,从滑动楔体处于极 限平衡状态时的静力平衡条件出发,求出主动土压力 及被动土压力。 库伦理论的主要缺点是假定土是理想的以及滑 裂面定为平面。在主动土压力与被动土压力的计算 中,由于实际滑裂面是曲面,这使得在平面滑裂面假 定下的计算结果,导致主动土压力偏小(差值为2 10 %) ;被动土压力显著偏大,差值随内摩擦角的增 大而增加,有时相差数倍至十数倍,若应用此值则是 危险的。
15、朗金(Rankine)土压力理论(1857年 ) , 其概念简 单明确而被工程界广泛采用。朗金土压力建立在土 体的摩尔一库仑强度理论及半无限土体的微元极限 平衡状态的假定上。朗金土压力理论的基本假定: (1)挡土墙背竖直、 光滑 ; (2) 墙后砂性填土表面水平 并无限延长 ,(3) 墙对破坏楔体没有干扰。推导结果, 主动朗金状态出现与水平面成 (45 + / 2) 夹角的滑 动面,被动朗金状态出现与水平面成 (45 - / 2) 夹角 的滑动面。可以说,朗金土压力公式是库伦土压力理 论的一个特例。由于没有考虑墙背和填土之间的摩 擦力,这样求得的主动土压力值偏大,而被动土压力 值则偏小。因此,
16、用朗金土压力理论来设计挡土墙总 是偏于安全的。 74 第25卷- 2 建筑技术开发 1998年4月 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 贝尔(Bell ,1915年)把朗金理论发展成可考虑粘 聚力c值的土压力理论。以下为考虑粘聚力的朗金 土压力计算公式。 ea=ztan2 (45 - 2 ) - 2ctan(45- 2 )(11 - 1) ep=ztan2 (45 + 2 ) + 2ctan(45+ 2 )(11 - 2) 式中 ea 计算点处的主动土压力强度(kPa) ; ep 计算点
17、处的被动土压力强度(kPa) ; 土的重度(kN/ m3 ) ; z 计算土压力点的深度 (m) ; c 土的粘聚力(kPa) ; 土的内摩擦角( ) ; 定义 Ka= tan2 (45 - 2 ) ; Kp= tan2 (45 + 2 ) ; 式中 Ka 无粘性土情况的朗金主动土压力系数; Kp 无粘性土情况的朗金被动土压力系数。 11. 1. 3 经典理论土压力与深基坑挡土支护结 构土压力的区别 经典理论土压力与深基坑挡土支护结构土压力的区别表11. 2 对比项目库伦、 朗金理论土压力深基坑挡土支护结构土压力 土 类 墙后填土为均质无粘性砂土基坑土为杂填土及粘性土、 粉土、 砂土或经加固后
18、的土等,在开 挖前土体已具有一定的坚固性,不再是散粒状 土体应力 性 质 先筑墙后填土,填土过程是土体应力增 长过程 先设桩(墙)后在基坑范围内开挖土方,开挖过程是土体应力释 放过程 结构使用要求挡土墙是永久性的挡土支护结构多数是临时性的 结构特性假设挡土墙为刚性体挡土支护结构多数为柔性结构 土压力特性 挡土墙建成后视土压力为定值土压力是土与挡土支护结构之间相互作用的结果,土压力大小 和分布随结构类型、 刚度、 支点数量而异,在开挖过程中土压力 随结构变形而动态地变化 墙土间摩擦力 朗金土压力理论假设墙背与填土之间 不存在摩擦力 挡土结构与其背后土之间实际上存在摩擦力 空间效应 库伦、 朗金土
19、压力理论所解决的挡土墙 是平面问题 挡土支护结构土压力有显著的空间效应 时间效应 库伦、 朗金极限平衡原理,属于静态设 计原理 开挖后的土体处于动态平衡状态,这是由于开挖后长时期内基 坑环境有所变化以及土体松弛等原因致使土体强度逐渐下降 施工效应 确定土压力计算参数 (c 、 等)采取定 值,不考虑施工效应 深基坑工程采用降排水引起土体固结,打桩时产生的挤土效应, 以及对地基土进行加固等,均会提高土的c、值 由表11. 2可知,按经典理论计算得到的土压力不 能简单地直接用于计算深基坑挡土支护结构,应视具 体情况,作必要的修正。总之,土压力的计算不是由精 确的理论来保证其正确可靠,而应通过现场测
20、试和室 内模型试验并依此为基础,提出简单实用而尽可能合 理的土压力计算模式。 在计算土体作用在挡土结构上的侧压力时,应着 重考虑下列因素:土的物理力学性质(土的重度、 抗剪 强度 ) ; 挡土结构相对土体的变位方向和大小;地面坡 度、 地面荷载与邻近基础荷载;地下水位及其变化;挡 土支护结构的刚度;深基坑工程的施工方法与施工顺 序。 11. 2 悬臂式柔性挡土支护结构的土压力 实践表明,作用于悬臂式柔性挡土支护结构的土 压力与公式(11 - 1)和(11 - 2)的计算值存在着误差。 虽然土压力并不完全处于静止或主动状态,但通常仍 采用静止或主动土压力进行估计,甚至被动区也同样 采用被动土压力
21、来估计,再根据实践的经验加上适当 的修正系数。严格地说,在被动区是随着结构的变形, 土压力逐渐由静止土压力向被动土压力进展,但并未 达到被动土压力,否则土体将开始破坏。被动区的土 压力通常宜根据结构与土的相互作用来确定,称为土 的被动抗力。 11. 2. 1 软土地区的悬臂式柔性挡土支护结构 对于软土地区(软土的定义及特性见本讲座第三 讲 ) , 作用于悬臂式柔性挡土支护结构的土压力与朗金 土压力相差不大,可以通过调整参数来解决。 实例1 天津市建筑科学研究院金鸣等(1994) ,结 84 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. A
22、ll rights reserved. 合模型试验和工程实测得出结果:软土地区中的悬臂 式挡土支护结构的主动土压力呈三角形分布形式,其 值一般可按静止土压力计算取值。 实例2 宁波北仑港火力发电厂设备基础基坑深 6m ,采用双排钻孔桩(d600mm ,L27m)构架式挡墙,坑 内开挖后呈阶梯状(3m ,6m各一阶梯 ) , 开挖后墙体位 移较小 (2 3cm) 。实测的主动土压力呈三角形分布, 其值比朗金土压力计算值略大。 11.2. 2 一般粘性土地区的悬臂式柔性挡土支护 结构 对于一般粘性土地区(一般粘性土的定义及特性 见本讲座第四讲)的悬臂式柔性挡土支护结构,由于粘 性土的粘聚强度,挡土
23、结构与土体之间的摩阻力等因 素,使挡土支护结构中实际的土压力往往小于按公式 (11 - 1)和(11 - 2)的计算值(图11. 2)。同时由于挡土 桩(墙)和土的位移不协调,后者的位移小于前者的位 移,在粘聚力的影响下桩(墙)后土产生裂缝,从桩(墙) 顶开始向下延伸一定深度,向后延伸一定宽度(图11. 3) ;在裂缝上部,土体与桩脱离,该部位的土压力为零 (图11. 2) ,因土的粘聚性,裂缝处土体不会坍落;在裂 缝下部裂缝闭合,该处土体受剪切;上述现象与朗金土 压力假定显著不同。但当上层粘性土的含水量大于液 限时,土处于流态,则裂缝不会出现。 由图11. 2可以看出:非挖土侧的土压力的合力
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