本讲内容 12.1 概述 12.2 基坑工程的设计内容 12.3 基坑围护结构的内力计算 12.4 基坑稳定性验算 12.5 基坑工程的变形计算 12.6 常见围护结构及其构造设计 2

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1 12 基坑围护结构 1

2 本讲内容 12.1 概述 12.2 基坑工程的设计内容 12.3 基坑围护结构的内力计算 12.4 基坑稳定性验算 12.5 基坑工程的变形计算 12.6 常见围护结构及其构造设计 2

3 12.1 概述概述 : 较多的基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现国外, 圆形基坑的深度已达 74m ( 日本 ), 直径最大的达 98m ( 日本 ), 而非圆形基坑的深度已达到地下 9 层 ( 法国 ) 国内, 上海 88 层的金茂大厦, 基坑平面尺寸为 170m 150m, 基坑开挖深度达 19.5 m 上海的汇京广场, 围护结构与相邻建筑最近的距离仅 40 cm 而无支撑基坑的开挖深度也已达到了 9 m 3

4 4

5 A 基坑支护的目的 (1) 确保基坑开挖和基础结构施工安全顺利 ; (2) 确保基坑临近建筑物或地下管道正常使用 ; (3) 防止地面出现塌陷坑底管涌发生 B 基坑支护的作用挡土挡水控制边坡变形 C 基坑工程的基本技术要求 (1) 安全可靠性 ; (2) 经济合理性 ; (3) 施工便利性和工期保证性 5

6 基坑工程具有以下特点 l) 建筑趋向高层化, 基坑向大跨度方向发展 ; 2) 基坑开挖画积大, 长度与宽度有的达数百米, 给支撑系统带来较大的难度 ; 3) 在软弱的上层中, 基坑开挖会产生较大的位移和沉降, 对周围建筑物市政设施和地下管线造成影响 ; 4 ) 深基坑施工工期长场地狭窄, 降雨重物堆放等对基坑稳定性不利 ; 5 ) 在相邻场地的施工中, 打桩降水挖土及基础浇注混凝土等工序会相互制约与影响, 增加协调工作的难度 6

7 基坑围护结构的分类基坑围护结构通常分两类 : 桩墙式围护体系将支护墙 ( 排桩 ) 作为主要受力构件 ; 桩墙式围护体系包括板桩墙排桩地下连续墙等重力式围护体系充分利用围护结构的重力如重力式水泥土挡墙 7

8 (1) 无围护放坡开挖 ; (2) 桩墙支护 : 它由桩墙结构及支护结构两部分组成, 桩墙结构有钢板桩板桩墙灌注桩排地下连续墙 ; 支护结构类型有内支撑式外拉锚杆式地面锚定式无锚式等深基坑工程喷锚支护 8

9 (3) 重力式支护结构软土地基可用深搅桩旋喷桩树根桩等形成重力式的挡土结构 9

10 (4) 中央开挖施工法 : 先施工基坑四周排桩, 桩内放坡开挖后施工中央部分基础工程, 待完工后再挖除排桩内侧土体, 边挖边用支撑杆将支护排桩与中央部分基础工程支撑起来, 最后再施工周边基础工程 (5) 开槽施工法 : 与中央开挖施工法施工正好相反, 先在坑内周边挖槽, 用内支撑板桩墙法修筑周边的基础工程, 形成一道重力式挡土墙, 再挖除挡土墙内的全部土体, 构筑中央部分的基础工程 (6) 墙前被动区土体加固法 : 对于软土地基深大基坑, 为控制挡墙侧向位移, 降低护桩的入土深度, 在基坑开挖前用深搅桩旋喷法对墙前土体进行加固, 加固深度 3~6m, 宽度 5~9m 10

11 (5) 逆作法 ;(6) 沉井法 ; (7) 土钉墙支护 ; (8) 组合型支护两种以上的支护方法组合起来使用, 既能保证支护结构的安全又降低成本如上部放坡, 下部桩墙锚杆支护 ; 锚杆与土钉组合 ; 深搅桩与灌注桩排组合 ; 深搅桩中打入 H 钢桩组合支护等 11

12 类型边坡支护结构重力式支护结构支护方式土钉墙支护钢丝网护坡护坡桩支护水泥土搅拌桩重力式挡土墙刚架重力式挡土墙沉井式重力挡土结构支护形式及特点适用于硬土地层或软土浅基坑, 饱和含水地层采用复合土钉支护结构, 特点是造价低廉适用于岩石及硬土边坡或软土临时边坡采用抗滑桩支护适用于深度较小 ( 软弱地层中小于 7 米 ) 的基坑利用两排或以上刚性挡土墙结构连接形成一定宽度的重力坝, 可以减小重力坝宽度及位移适用于深水环境的挡土结构支 ( 锚 ) 撑式支护结构中心岛支护结构逆作法支护结构中心岛逆作混合支护结构盖挖法支护结构混合重力式挡土墙锚杆或锚碇式支护结构内支撑支护结构全中心岛半中心岛全逆作法半逆作法在不同重力坝结构中插入劲性材料或刚性桩, 以减少重力坝位移自钻式锚杆, 可回收锚杆, 预应力锚杆, 非预应力锚杆井字形对撑, 边桁架支撑, 圆环支撑全部采用中心岛结构进行支护首层或浅层开挖采用内支撑, 以下则采用中心岛支护, 可以减少中心岛边坡高度及其放置时间以及减少基坑的位移利用先施工的主体结构楼板作支撑, 从上往下逐层施工首层土方开挖采用顺做法支护, 深层采用逆作法支护, 其特点是加快浅层土方开挖速度采用中心岛施工中心部位主体结构, 基坑周边采取逆作支护施工, 可以减少全逆作法的施工困难对地面交通环境影响小, 时间短, 特别适用于地面环境控制严格的城市地面道路下的基坑工程 12

13 13

14 排桩结构组合排桩结构结构类型结构形式稀疏排桩连续排桩框架式排桩排桩加挡板排桩加水泥搅拌桩排桩加水泥防渗墙排桩或组合排桩加锚杆结构地下连续墙结构沉井结构重力式挡土墙结构 P303 适用范围土质较好, 地下水位低或降水效果好土质差, 地下水位高或降水效果差单排桩刚度不能满足变形要求排桩桩距较大, 利用挡板传递土压并有一定防渗作用以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力, 具有较好防涌效果地下水位较高的软土地区开挖深度较大, 排桩或组合排桩结构强度无法满足要求与地下室墙体合一, 防渗性强, 施工场地较小, 开挖深度大软土地区具有一定施工空间, 软土地区 14 支护结构类型及其适用范围表 12-1

15 板桩 15

16 组合挡土壁 16

17 单排与双排桩支护结构 17

18 支撑体系特点平面尺寸不大, 且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑它的开挖土方空间较大, 但变形控制要求不能很高钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置 ; 支撑受力明确, 安全稳定, 有利于墙体的变形控制, 但开挖土方较为困难多采用钢筋混凝土支撑 ; 中部形成大空间, 有利于开挖土方和主体结构施工多采用钢筋混凝土支撑 ; 支撑体系受力条件好 ; 开挖空间大, 便于施工开挖面积大深度小的基坑宜采用 ; 在软弱土层中, 不易控制基坑的稳定和变形便于土方开挖和主体结构施工, 但仅适用于周边场地具有拉设锚杆的环境和地质条件 18

19 斜角撑 19

20 直撑 20

21 桁架 21

22 桁架 22

23 基坑围护结构设计的特点 P304 i. 外力的不确定性 ; ii. 变形的不确定性 ; iii. 土性的不确定性 ; iv. 一些偶然变化所引起的不确定因素 23

24 12.2 基坑工程的设计内容基坑工程的设计内容包括 : 环境调查及基坑安全等级的确定, 围护结构选型, 围护结构设计计算, 节点设计, 井点降水土方开挖方案以及监测要求等 24

25 委托勘查单位深基坑工程岩土工程勘查及调查基坑工程的设计内容场地的工程地质及水文地质勘查对周围环境的调查对深基坑开挖与支护方案的建议基坑是否降水及注意事项勘查报告施工招标基坑开挖支护降水等技术方案及造价工期的比较开挖方法监测方法支护方法降水方法可能引发的事故及防治对周围环境的影响工期造价确定施工单位初定方案基坑深度超 6 m 时, 应经专家委员会审批工程 N 施工单位监测 Y 支护结构设计降水设计基坑开挖支护降水的施工组织设计基坑开挖支护降水工程的实施设计单位对可能发生的病害的应急处理基坑施工验收 N Y 回填支护结构回收基坑工程竣工基坑工程施工总结 25

26 基坑围护结构设计所需的基本资料主要有 : 工程水文地质资料 ; 场地环境资料 ; 所建工程的地下室结构基础桩基图纸等 ; 与施工条件有关的资料 26

27 基坑围护结构安全等级及重要性系数 P306 安全等级一级二级三级破坏后果支护结构破坏土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重支护结构破坏土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般支护结构破坏土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重

28 围护结构的选择和布置围护结构的选择的原则 : 基坑围护结构的构件在一般情况下不应超出工程用地范围 ; 基坑围护结构的构件不能影响主体工程结构构件的正常施工 ; 尽可能采用受力性能较好的圆形正多边形和矩形 28

29 结构型式排桩或地下连续墙水泥土墙适用条件 1. 适于基坑侧壁安全等级一二三级 ; 2. 悬臂式结构在软土场地中不宜大于 5m; 3. 当地下水位高于基坑底面时, 宜采用降水排桩加截水帷幕或地下连续墙 1. 基坑侧壁安全等级宜为二三级 ; 2. 水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于 150kPa; 3. 基坑深度不宜大于 6m 1. 基坑侧壁安全等级宜为二三级的非软土场地 ; 土钉墙 2. 基坑深度不宜大于 12m; 3. 当地下水位高于基坑底面时, 应采取降水或截水措施逆作拱墙放坡 1. 基坑侧壁安全等级宜为二三级 ; 2. 淤泥和淤泥质土场地不宜采用 ; 3. 拱墙轴线的矢跨比不宜小于 1/8; 4. 基坑深度不宜大于 12m; 5. 地下水位高于基坑底面时, 应采取降水或截水措施 1. 基坑侧壁安全等级宜为三级 ; 2. 施工场地应满足放坡条件 ; 3. 可独立或与上述其他结构结合使用 ; 4. 当地下水位高于坡脚时, 应采取降水措施 29

30 P307 开挖深度 H 6m 淤泥及软土 (a) 水泥土搅拌桩 (b) 600 混凝土桩 + 支撑或锚杆 + 止水幕墙 (c) 打入 ( 钢预应力混凝土桩 )+ 止水幕墙 + 支撑或锚杆 + 腰梁围护结构选择一般粘性土 (a) 一级或二级以上放坡挖土 (b) 放坡 + 井点降水 (c) 局部放坡 + 土钉墙 ( 或喷锚支护 ) (d) 砖墙支护 + 局部放坡 + 面层加固 (e) 局部放坡 + 灌注桩 ( 600) 表 m H 10m (a) 混凝土桩 ( 800~1000)+ 止水幕墙 + 支撑或锚杆 +( 或中心岛 ) (b) 地下连续墙 (b=600 ~800)+ 支撑或锚杆 (c) 打入桩 + 支撑或锚杆 + 止水幕墙 (d) 水泥土地下连续墙 + 支撑或锚杆 (a) 局部放坡 + 混凝土桩 ( 600~800)+ 支撑或锚杆 + 止水幕墙 (b) 局部放坡 + 打入桩 + 支撑或锚杆 + 止水幕墙 (c) 局部放坡 + 水泥土地下连续墙 + 支撑或锚杆 (d) 局部放坡 + 土钉墙 ( 或喷锚支护 )+ 降水 (e) 局部放坡 + 拱型支护 + 降水或止水幕墙 H 10m (a) 地下连续墙 + 支撑或锚杆 (b) 大直径桩 ( 800~1000)+ 止水幕墙 + 多支撑或锚杆 ( 或中心岛 ) (c) 地下连续墙 ( 或大直径桩 )+ 内外土体加固 + 支撑或锚杆 + 止水幕墙 (a) 局部放坡 + 混凝土桩 + 支撑或锚杆 + 止水幕墙 (b) 局部放坡 + 地下连续墙 + 支撑或锚杆 (c) 局部放坡 + 土钉墙 ( 或喷锚支护 )+ 降水 (d) 局部放坡 + 打入桩 + 支撑或锚杆 + 止水幕墙 30

31 围护结构设计计算通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形, 据以验算截面承载力和基坑位移设计计算必须按不同施工阶段的特征分别进行验算, 同时应考虑前一种工况对后面各种工况内力和变形的影响 31

32 围护结构稳定性验算基坑边坡总体稳定验算 ; 围护墙体抗倾覆稳定验算 ; 围护墙底面抗滑移验算 ; 基坑围护墙前抗隆起稳定验算 ; 抗竖向渗流验算 ; 基坑周围地面沉降及其影响范围的估计均与围护墙的插入土深度有关 32

33 基坑周边环境安全评估基坑的安全等级决定了周边环境变形的控制等级各项稳定验算内容都与围护墙的埋入深度有关围护结构稳定验算是在变形极限状态下的验算 33

34 节点设计合理的节点构造应符合以下条件 : 方便施工 ; 节点构造与设计计算模型中的假设条件一致 ; 节点构造应起到防止构件局部失稳的作用 ; 尽可能减少节点自身的变形量 ; 与整体稳定相关的节点应设置多道防线, 同时要具有良好的节点延性 34

35 其他土工问题井点降水 P309 井点降水的作用是 : 1) 通过降低地下水位消除基坑坡面及坑底的渗水, 改善施工作业条件 ; 2) 增加边坡稳定性, 防止坡面和基底的土粒流失, 以避免流砂现象 ; 3) 降低水位, 防止坑底隆起与破坏 ; 4) 改善基坑的砂土特性, 加速土的固结降水的方法有集水明排和井点降水两类 35

36 36

37 土方开挖 P309 其中最重要的要求是每阶段的开挖深度与相应设计工况的计算模型一致强调先支撑后开挖的原则监测内容有以下几个方面 : 围护结构主要构件的内力和变形基坑周围土体的变形, 边坡稳定及地下水的变化和空隙水压力的测定等 ; 对周围环境中需要保护的对象进行专门内容的观察和测定 37

38 12.3 基坑围护结构的内力计算 P309 深基坑支护结构内力计算是个古老的传统课题, 同时又是一个综合性的它既涉及土力学中典型的强度与稳定问题, 又包含了变形问题, 同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题地基反力系数是一个必须首先确定的参数主要由地质条件决定, 与承力面积和深度也有关系, 其值最好通过试验求得计算模型见表计算模型及计算原则 38

39 表 12-5 支护结构常见计算模型 P310 39

40 计算原则一般考虑桩土共同作用的弹性地基梁上的杆系或框架模型, 根据施工过程中发生的实际工况分布进行计算, 同时考虑施工工况引起结构的先期位移值以及支撑变形的影响或采用荷载增量法进行计算, 即所谓先变形, 后支撑的原则 40

41 计算模型桩土共同作用模型水平支点力计算支护结构的嵌固深度分析 41

42 桩 ( 墙 ) 内力的计算分析方法 A 弹性地基杆系有限单元法常用方法, 一般过程如下 : P 结构理想化 : 根据其结构受力特性, 理想化为杆系单元 ; 结构离散化 : 按竖向划分成有限元单元挡土结构的节点应满足变形协调条件 ; 单元所受荷载和单元节点位移之间的关系, 以单元的劲度矩阵确定根据静力平衡条件列出平衡方程求解 42

43 B 挡土结构的有限元法 P 广泛应用这里介绍弹性杆系有限元法支撑体系平面框架计算在工程中将围护结构中的支撑体系在结构上设计成一个水平的封闭框架 43

44 作用在基坑结构上的荷载作用于支护结构上的荷载主要有 : l) 土压力 ; 2) 水压力 ; 3) 影响区范围内建筑物结构物荷载 ; 4) 施工荷载 : 汽车吊车及场地堆载等 ; 5) 若支护作为主体结构的一部分时, 应考虑地震力 ; 6) 温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载 44

45 主动土压力和被动土压力的产生, 前提条件是支护结构存在位移 ; 当支护结构没有位移时, 则土对支护结构的压力为静止土压力土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系 ; 悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比, 非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力, 即计算结果偏大 45

46 46

47 图 3-5 悬臂支护桩土压力分布 47

48 与图 12-5 类似,P314 图 3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 3-7 柏林地道工程土压力实测 48

49 略基坑底桩前土压力计算取值基坑底桩前土抗力常采用的是 Rankine 公式计算, 由于计算出来的被动土压力是以极限状态为前提的, 当被动土压力达到理论计算值时, 其围护结构的变形位移将很大, 一般达到坑深或桩墙高度的 5%, 这么大的变形位移是基坑支护结构所不能允许的因此, 对于基坑支护被动土压力计算中, 一般取其折减系数 η=0.3~0.5 49

50 略护桩与土体间的摩擦作用桩墙支护结构在土压力作用下发生变形变位时, 护桩和土体之间有相对位移而产生摩擦力, 摩擦力将使桩墙后的主被动土压力减小 ; 相反确使桩墙前面的被动土压力增大为此进行支护结构设计时应考虑桩墙与土体的摩擦作用, 即将墙前后的被动土压力乘以修正系数. 50

51 略但为慎重起见对主动土压力可不进行折减一般使墙前被动土压力增大的修正系数可取 K = 1.5~2.8; 使墙后被动土压力减小的修正系数可取 Kˊ= 1.0~0.35 修正系数与土的内摩擦角 φ 有关,φ 值越大, 修正系数 K 越大, 而 Kˊ 越小实际工程设计计算中, 为简化起见, 既不进行被动土压力理论计算值的折减, 也不进行因摩擦作用而使墙前被动土压力增大的修正 51

52 略土的内聚力 C 内摩擦角 φ 值可根据下列规定适当调整 : 在井点降低地下水范围内, 当地面有排水和防渗措施时,φ 值可提高 20%; 在井点降水土体固结的条件下, 可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响, 将土的内聚力 c 提高 20% 52

53 主动土压力 : ) 2 (45 2 ) 2 (45 ) ( 2 1 n n n n i i i n an tg c tg h q e 略被动土压力 : ) 2 (45 2 ) 2 (45 ) ( 1 2 n i n n n i i n pn tg c tg h q e 53

54 地面附加荷载传至 n 层土底面的竖向荷载 qn 略 (1) 地面满布均布荷载 q0 时, 任何土层底面处 q n q o (2) 离开挡土结构距离为 a 时 n i1 h i a q n 0 n i1 h i a q n b n b a hi i1 q o 54

55 略 (3) 作用在面积为 b b 开挡土结构距离时 n i1 1 2 b 2 hi a q n 0 与挡土结构平行 ( ) 的地面荷载, 离 n i1 h i a q n ( b 1 a n b 1 h b 2 )( b 2 n i 2 i1 i1 h i ) q 0 55

56 水压力略主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题对于粘性土, 土壤的透水性较差, 此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法, 即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数对于砂性土, 采用水土分算, 即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和 56

57 对比砂土简化计算, 将水压力与土压力分别计算, 并把水看作是 : w 略 e a 主动压力 = 静止压力 = 被动压力 = h 2 [ q0 h1 ( H h1 )] tg (45 ) 2ctg(45 ) wh [ q c K h 0 h1 ( H h1 )] Ka 2 a w 2 57

58 地下水无渗流时的水压力略 58

59 略地下水有稳态渗流时的近似水压力 59

60 略 60

61 61

62 支撑体系平面框架的计算 P316 62

63 P317 图支撑体系平面框架的计算 63

64 支撑体系平面框架的计算 64

65 12.4 基坑稳定性验算 P319 在实际工程中, 仅进行内力分析是不够的, 还需要进行基坑稳定性验算常见的基坑稳的表现形式有 : 整体失稳破坏 ; 承载力不足导致的破坏 ; 基底滑动破坏 ; 基底潜蚀管涌 ; 渗流 ; 支挡结构破坏 ; 被动土压力丧失等 65

66 锚拉系统破坏底部内移板桩弯曲整体滑动管涌隆起 66

67 67

68 边坡稳定指防止基坑边坡上的部分土体脱离整体而沿着某一个面向下滑动所需要的安全度在放坡开挖的基坑中没有支护结构的基坑中地基深处存在软弱土层时都需要控制边坡稳定 68

69 1. 砂性土的边坡稳定 : 基坑抗滑安全系数考虑动水压力时 : K K 1 ( 1 tan tan T u ) tan tan 2. 粘性土的边坡稳定边坡的滑动面近似于圆弧, 通常采用条分法具体计算过程见土力学 T u T w / T ibh / Qsin w 69

70 基坑抗隆起稳定 P321 A 圆弧滑动抗隆起稳定验算地基土达到极限平衡时的滑动面形状在软土中可能很接近圆弧滑动力矩 : M SL 1 2 ( h 0 q) D 2 70

71 抗滑 ( 抗隆起 ) 力矩 : M R1k a tan R2 tan R RL 3 c K M M RL SL 71

72 P322 B 地基极限承载力验算由于墙后土体下沉, 使墙后土在竖直面上的抗剪强度得以发挥, 从而检验 D 值是否合适 : 72

73 同济大学侯学渊方法 P323 73

74 整体稳定性验算基坑的整体失稳是指边坡土体与支护结构一起失去稳定并在土体中产生滑裂面的情况 74

75 略基坑的整体失稳在下列情况常常发生, 因而要进行验算 1 自然放坡的边坡 ( 见前面边坡稳定性验算 ) 2 重力式挡土支护 3 锚杆支护体系 4 土钉支护体系验算方法都是检验滑动面上的滑动力矩与抗滑力矩的平衡情况, 只是由于挡墙或锚杆的存在限制了滑动面的位置, 从面产生不同类型支护结构验算方面的少许差别 75

76 重力式支护结构整体稳定核算略验算方法及搜索最危险滑动面的方法按上面自然放坡情况, 采用相同的方法, 只是滑动面通过挡墙的边角另一种假设是假定滑动面可以通过墙身, 这时应在抗滑力矩中加入墙身抗剪力所产生的力矩, 76

77 锚杆支护结构的整体稳定验算略锚杆支护基坑的整体失稳可有二种情况 (1) 破坏面通过锚杆尾端, 形成一个近于圆弧的滑面 (2) 锚杆被滑动面切过, 土体内形成折线构成的破坏面 77

78 略验算方法按 Kranz 提出的代替墙法, 假定滑动面由垂线 dc 与斜线 bc 组成,c 点是锚杆锚固段的中点 dc 代替墙 78

79 土钉墙的整体稳定校核土钉墙的稳定分析对其设计极为重要, 方法大体上分为极限平衡法与有限元法二类, 但以前者用的多, 极限平衡法中的各法在滑动面形状及土钉力的假定方面又各不相同 79

80 坑底抗渗流稳定验算 P323 进行基坑降水时, 由于基坑外水位差, 导致基坑外的地下水绕过围护墙的下端向基坑内渗流从而形成管涌或流砂抗渗流稳定验算的基本原则是使基坑内土体的有效压力大于地下水向上的渗流压力 80

81 教材图 12-15( 书上印刷错误 ) 是 Terzaghi peck 方法的计算简图略 K P U D mh a 由此推得 : D K w h a (12-19) 考虑到平均超静水头 ha 是个变化值, 进行简化处理后得到 : D K wh 2 h 1 (12-22) 式中 :k 应取大于 1.2;h1 取开挖面以上至透水性良好的土层底面之间得距离 81

82 承压水的影响如果坑底粘性土下面存在超静水压力, 有可能使开挖面上抬, 或者形成管涌现象, 从而导致基坑外得周围地面下沉为此, 需要坑底黏土有一定的厚度 t P324 t h 通过图可算得 : 引入安全系数后有 : 式中 K 安全系数, 取 K=1.43 sat w w h w t / K w 82

83 83

84 12.5 基坑工程的变形计算 P 基坑坑底隆起计算坑底隆起的原因大致有 : 土方开挖后土的卸荷回弹产生的隆起 ; 坑外土向境内的塑性流动产生的隆起 ; 承压水顶起隔水层产生的隆起等坑底土好时, 以回弹产生的隆起为主 ; 土质较软时塑流引起的隆起为主卸荷回弹可以用再压缩模量计算, 仅多数情况下因实际回弹与塑流的隆起常不可分, 又因支护深入基坑以下, 有抑制卸荷回弹的作用等原因, 计算值必将与实测值有些差异 84

85 A 实用计算方法 P326 s c n 0 b E i1 ei ( ) 1 B 同济大学模型试验经验公式 i i H 12.5( (12-27) t H ) c 0.04 (tan) 0.54 由已知基底容许隆起量时求墙体入土深度 : t H (12-28) H c (tan ) 2 85

86 略上表是上海地区基坑回弹的实测与计算的比较内表列结果可见回弹值 δ 与开挖深度 H 之比小于 1% 实测值与计算值的差异也不算太大可以推知坑底比较稳定, 土处于弹件变形阶段 86

87 基坑围护墙外土体沉降估算 P327 一般采用由基坑挡土墙的水平位移推算的方法 87

88 P327 经验计算方法首先结合工程经验假定坑外地表沉降曲线, 然后根据地层损失相等的概念, 即假定地表沉陷槽的面积等于挡土墙水平变形与挡墙围成的面积相等这样只要得到墙体的变形, 即可推算坑外地表的沉降曲线 88

89 1. 三角形沉降曲线 max 2 S w x 0 式中 :SW: 墙体侧位移 2. 指数曲线最大沉降量 : 1.6 S w max 0. 3 x 0 离基坑距离 (ft) Peck Bowles 2 计算沉降 -- 实测沉降曲线 (in) (a) 三角形 (b) 指数曲线 (c) 抛物线 89

90 P 常见围护结构构造设计土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件, 它一端与构筑物相连, 另一端锚固在土层中土层锚杆 90

91 锚杆设计 i 锚杆承载力计算 T ii 锚杆杆体的截面面积 d N u cos A s T d f ycos A p f py T d cos 91

92 Iii 锚杆轴向受拉承载力设计值 (1) 安全等级为一级及缺乏地区经验的二级基坑侧壁, 应进行锚杆的基本试验, 受拉抗力分项系数可取 1.3 (2) 基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经验时 : )] ( 2 [ k k s 1 k s s u d d c l q d l q d N j j i i 92

93 (3) 对于塑性指数大于 17 的粘性土层中的锚杆应进行蠕变试验 (4) 锚杆预加力值 ( 锁定值 ) 应根据地层条件及支护结构变形要求确定, 宜取为锚杆轴向受拉承载力设计值的 0.50~0.65 倍 (5) 自由段计算长度 93

94 45 sin / 1 45 sin k l l 2 45 sin / 2 45 sin k k f l t l 45+φk/2 94

95 土钉墙略土钉墙由被加固土体放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成, 形成一个以土挡土的重力式挡土墙土钉墙自上而下施工, 步步为营, 土钉墙是靠土钉的相互作用形成复合整体作用土层锚杆的失效影响较大, 不应用于没有临时自稳能力的淤泥饱和软弱土层 95

96 略图土钉墙应用领域 a) 托换基础 ; b) 竖井的挡墙 ; c) 斜面的挡土墙 d) 斜面稳定 ; e) 和锚杆并用的斜面防护 96

97 j T j T u k 受拉承载力受拉荷载标准值 i 土钉受拉承载力计算略受拉荷载标准值 j j j j jk s s e T cos / z x k a 荷载折减系数 ) 2 (45 ]/ tg 1 2 tg 1 [ 2 tg 2 k k tg i i j j l q T k s n s u d 1 97

98 采用简化圆弧滑动条分法 m j j n i i i i i n i i i T tg b q W s s L c 1 n 1 k 0 1 k cos ) ( ii 土钉墙承载力计算略 ] )tg sin( 2 1 ) [cos( k i j j j j 0 )sin ( n i i i i k b q w s 98

99 iii 构造略土钉墙墙面坡度不宜大于 1:0.1; 喷射混凝土面层宜配置钢筋网, 钢筋直径宜为 6~10mm, 间距宜为 150~300mm; 喷射混凝土强度等级不宜低于 C20, 面层厚度不宜小于 80mm; 土钉钢筋宜采用 Ⅱ Ⅲ 级钢筋, 钢筋直径宜为 16~32mm, 钻孔直径宜为 70~120mm; 99

100 水泥土墙设计 P333 又称搅拌桩挡墙, 利用一种特殊的搅拌头或钻头, 钻进地基至一定深度后, 喷出固化剂, 与地基土强行拌和而形成的加固土桩体 Mixed-In-Place Method MIP( 美国 ) Deep Mixing Method ( 日本 ) 固化剂采用水泥或石灰 ; 适用于加固淤泥质土粘土 ; 国外最大深度 60m, 国内 12-18m; 特点 : 施工无震动噪音无废水泥浆 ; 坑内无需支撑拉锚, 优良的抗渗特性支挡高度, 国内最深 9m; 100

101 水泥墙的结构形式挡墙宽度为 0.6~0.8 开挖深度, 桩长为开挖深度的倍 101

102 i 土压力计算计算主动土压力和被动土压力 ii 抗倾覆计算 iii 抗滑移计算 iv 墙身应力验算 v 整体稳定计算一般情况下, 使墙体强度不成为设计的控制条件, 而以结构和边坡的整体稳定控制设计 102

103 墙后主动土压力 / c chtg tg qh H E a i 土压力计算墙前被动土压力 2 45 tg tg D p D D D h C h E 103

104 E a H qh tg 45 2cHtg45 2c 2 / P zk 2c K a a a z 0 P 2 c K P a a 0 z 0 2c K 1 2c 2c 2c Ka 2 K a a a 2 104

105 ii 抗倾覆计算按重力式挡墙计算墙体绕前趾 A 的抗倾覆安全系数, 不小于 (1.0~1.1). K D hep1 hep2 BW M R M E ( H Z ) / 3 D a 0 105

106 iii 抗滑移计算按重力式挡墙计算墙体沿底面滑动的安全系数 : K c Wtg 0 E c a 0 B E p 106

107 iv 墙身应力验算墙体所验算截面处的法向应力剪应力按下式进行 : W B 1 q K u E [ ] B K 107

108 整体稳定计算时, 将滑动土体与搅拌桩挡墙视为一个整体考虑 ( 常选在墙底下米处 ), 采用圆弧滑动法计算 v 整体稳定计算 k>= 1.25 考虑 ( 常选在墙底下米处 ), 采用圆弧滑动法计算图 : i n i i i i n i i i i i i n i i i W b q W b q l c K )sin ( tg )cos (

109 构造要求格栅布置时, 水泥土的置换率对于淤泥不宜小于 0.8, 淤泥质土不宜小于 0.7, 一般粘性土及砂土不宜小于 0.6; 格栅长宽比不宜大于 2 ; 桩与桩之间的搭接宽度 : 考虑截水作用时, 桩的有效搭接宽度不宜小于 150mm; 当不考虑截水作用时, 搭接宽度不宜小于 100mm 不能满足要求时, 宜采用基坑内侧土体加固或水泥土墙插筋加混凝土面板及加大嵌固深度等措施 109

110 SMW Soil Mixing Wall SMW 挡土墙是先施工水泥土挡墙, 最后按一定的形式在其中插入型钢 ( 如 H 钢 ), 即形成一种劲性复合围护结构 : 止水好, 刚度大, 构造简单, 型钢插入深度一般小于搅拌深度, 型钢可回收重复使用, 成本较低 SMW 适宜的基坑深度为 6~10m, 国外开挖深度已达 20m 要求型钢间距不能过大, 保证水泥土的强度由受剪, 受压控制 110

111 (a) 全位满堂 ;(b) 全位 1 隔 1 (c) 全位 1 隔 2 ;(d) 半位满堂 ;(e ) 半位 1 隔 1 111

112 1 型钢净间距的确定保证型钢间的水泥土在侧向水土压力作用下不产生弯曲应力 l B h 2 e 2 c 112

113 2 水泥土强度校核 Q 1 ql s el d Q 连续截面剪力 113

114 型钢间隔布置 Q ql s Ae de2 验算拱的轴力强度 N ql 2 2 N A ql B 2 f f c 114

115 悬臂灌注桩排桩基坑支护 115

116 深基坑工程桩锚支护 116

117 钢板桩 + 钢管内支撑基坑支护 117

118 灌注桩排桩 + 钢管内支撑基坑支护 118

119 SMW 工法 + 型钢内支撑基坑支护新型水泥土搅拌桩墙 Soil Mixing Wall 119

120 地下连续墙 + 钢管内支撑基坑支护 120

121 上海城隍庙广场 SMW 工法深基坑工程支护 121

122 工具式钢支撑基坑支护 122

123 文件名格式 : 班级学号姓名简略实验名称邮件标题同文件名 Any questions please 发送至 xingzhengwu@163.com 123

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PowerPoint 演示文稿城市轨道交通结构设计与施工 Structural Design and Construction in Urban Mass Transit 城市轨道与铁道工程系周顺华宫全美本节主讲宫全美办公室交通学院663 联系电话 69583652 电子邮箱 gongqm@tongji.edu.cn 同济大学城市轨道与铁道工程系宫全美第五章明挖法结构设计第三节基坑工程中的土压力计算