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1、第七章 排桩支护设计,1,主 要 内 容,第一节 概述 第二节 悬臂桩设计计算 第三节 单层支撑（锚拉）桩设计计算 第四节 多层支撑（锚拉）桩设计计算 第五节 排桩设计的构造要求 第六节 排桩支护结构变形计算 第七节 排桩的施工与检验,2,3,第四节 多层支撑（锚拉）桩设计计算,一、多层支撑（锚拉）桩的设计计算内容 二、多层支撑（锚拉）桩的设计计算原理 三、多层支撑（锚拉）桩的设计计算步骤 四、多层支撑（锚拉）桩身截面尺寸与配筋验算,多层支撑（锚拉）桩支护体系各组成部分 内撑式支护体系一般包括二部分，竖向围护结构体系和内支撑体系。有时还包括止水帷幕。,4,5,6,7,8,北锚碇基础为目前世界最
2、深矩形超深基坑，长69m，宽50m，底板厚度5.0m，采用嵌入基岩的地下连续墙（墙厚1.2m）与12道钢筋砼内支撑及节点处的16根1.2m和16根0.6m钢管砼立柱桩作为深基坑的围护结构，基坑最大开挖深度50m。锚区距长江大堤仅70多米。,(1)多层支撑（锚拉）桩嵌固深度的确定。(2)支护结构体系的内力分析和结构强度计算。（锚索及内撑结构设计）(3)基坑的稳定性验算。(4)基坑底抗渗流稳定验算。(5)基坑的变形计算，内容包括支护结构的侧向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等项目。,9,一、多层支撑（锚拉）桩的设计计算内容,10,排桩的设计计算工况,排桩的设计中需要对下列工况进行结构分析，并按其中最
3、不利作用效应进行支护结构设计。1、基坑开挖至坑底时的状况；2、对锚拉式和支撑式结构，基坑开挖至各层锚杆或支撑施工面时的状况；3、在主体地下结构施工过程中需要以主体结构构件替换支撑或锚杆的状况；此时，主体结构构件应满足替换后各设计工况下的承载力、变形及稳定性要求；4、对水平内支撑式支挡结构，基坑各边水平荷载不对等的各种工况。,结构分析时考虑锚杆或支撑的设置与拆除,支撑的拆除工况,11,12,（1）等弯矩布置：各跨度的最大弯矩相等，可充分利用桩的抗弯强度；但是较深基坑，下部的支锚层距过小，层数多，不经济。,锚杆（支撑）的布置及特点,13,（2）等反力布置：各层支锚水平反力基本相等，使锚杆设计简化；
4、但当基坑较深时，下部的支锚层距过小，层数多，同样不经济。,锚杆（支撑）的布置及特点,14,（3）等间距布置：支锚结构的上、下排间距基本相同，基坑较深时，减少了支锚层数，较经济；但带来了较复杂的计算量。等间距布置在工程实际中设计最为普遍。,锚杆（支撑）的布置及特点,1.支撑点位置的影响,图(a)、(b)给出了开挖深度H=15.8m的三层支撑的围护墙在支撑点位置变化时墙体沿深度方向的位移和弯矩分布。与单撑支护结构不同的是，当支撑位置下降时，墙体变形和弯矩在深度范围内均显著减小，即支撑点下移对多撑支护结构的受力和变形都是有利的。,支撑点位置、各层支撑间相对刚度对多撑支护结构的影响,15,2.各层支撑
5、间的相对刚度的影响,图(a)、(b)给出了各支撑间相对刚度变化时墙体沿深度方向的位移和弯矩的分布情况。,曲线a为基本算例；曲线b为最上层支撑刚度增加一倍而其它条件不变的情况；曲线c为最下层支撑刚度增加一倍而其它条件不变的情况。,增加最上层支撑刚度可以适当减小墙体上部水平位移而对下部变形无明显的影响，同时使墙体负弯矩有一定程度的增大，增加最下层支撑的刚度则对墙体的受力和变形均很有利。因而多层支撑基坑支护工程应重视和适当加强最下层支撑。,16,17,1、桩径、桩距的确定：按照地区经验取值。一般桩径D0.4m，可取0.6m、0.8m、1.0m等。桩的中心距不宜大于2D；有地下水时，桩中心距可取（1.
6、21.5）D；砂土和软土取小值，粘性土取大值。无地下水、降水或者土质较好时，桩中心距2D。2、土压力计算：按照规范法计算土压力、经验土压力或实测土压力。,二、多层支撑（锚拉）桩的设计计算步骤,水平位移云图,桩间距3.2m时,应用有限元法研究合理的桩间距,桩间距2.2m时,桩间土失稳,18,二、多层支撑（锚拉）桩的设计计算步骤,3、嵌固深度及内力计算：,19,多层支撑（锚拉）桩支护结构的计算模型与内力分析方法主要有以下几种：,1、等值梁法；2、二分之一分担法；3、逐层开挖支撑力不变法；4、弹性支点法；5、有限元法,20,多层支护的施工是先施工挡土桩或挡土墙，然后开挖第一层土，挖到第一层支撑或锚杆
7、以下若干距离，进行第一层支撑或锚杆施工。然后向下挖第二层土，挖到第二层支撑支点以下若干距离，进行第二层支撑或锚杆施工。如此循环作业，一直挖到坑底为止。其计算方法是根据实际施工，按每层支撑受力后不因下阶段支撑及开挖而改变数值的原理进行的。,逐层开挖支撑力不变法,21,逐层开挖支撑力不变计算法概述施工方式：多层支护的施工先施工支护桩，然后开挖第一层土，挖到第一层支撑点以下若干距离，进行第一层支撑，然后挖第二层土，当挖到第二层支撑点以下若干距离，进行第二支撑，如此循环。因而计算方法应根据实际施工，按每层支撑受力后不因下阶段开挖而改变的原理进行计算。,22,a、设置支撑A以前的开挖阶段，可将挡墙作为一
8、端嵌固在土中的悬臂桩；b、在设置支撑B以前的开挖阶段，挡墙是两个支点的静定梁，两个支点分别是A及土中静压力为零的一点；c、在设置支撑C以前的开挖阶段，挡墙是具有三个支点的连续梁，三个支点分别为A、B及土中的土压力为零的点；d、在浇筑底板以前的开挖阶段，挡墙是具有四个支点的三跨连续梁。,23,逐层开挖支撑力不变计算法计算假定1.受力的假定：每层支撑后不因下阶段的开挖或支撑设置而改变受力大小。2.变形的假定：上层支撑后，下层开挖时，在上层段内的支护桩变形很小，认为不再变化。3.挖土深度的规定：上层支撑开挖阶段，挖土深度满足下层支撑的施工要求，一般开挖到下层支撑下的0.5m。4.支撑的假定：每层支撑
9、后支撑点可按简支进行计算。5.零弯点的假定：将土压力强度为0的点近似认为是0弯矩点。,24,逐层开挖支撑力不变计算法计算方法1.求RB的支撑反力,Ea,F,RB,RC,RD,Ea,O,RB,RC,y,在未作B点支撑前按悬臂桩来计算，是否满足要求,在作B点支撑后，B点支撑必须满足C点支撑尚未施工的要求,反力RB算法：找出C点下0弯点距离y，根据O点力矩平衡可以求出RB,25,逐层开挖支撑力不变计算法计算方法2.求RC的支撑反力,Ea,F,RB,RC,RD,Ea,O,RB,RD,y,反力RC算法：找出D点下0弯点距离y，根据O点力矩平衡可以求出RC(注意此时RB的支撑力不变，需考虑此力矩)。,RC
10、,26,逐层开挖支撑力不变计算法计算方法3.求RD的支撑反力与上述方法相同。4.核算支撑点和梁的强度由于连续梁上各支点已知，可以求出各断面弯距，支座的负弯距大于跨中弯距，可求几个支座弯距，选其最大的作为强度核算依据。5.按等值梁法计算桩的嵌固深度。6.基坑中土压力为0点位置，如下表：,27,逐层开挖支撑力不变法计算算例,例：北京京城大厦，超高层建筑，地上52层，地下4层，地面以上高183.53m，箱形基础，埋深23.76m（按23.5m计算），采用进口27m长的H型钢桩（488mm300mm）挡墙土，锤击打入，间距1.1m。三层锚杆拉结。各层土平均重度19kN/m3，土的内摩擦角平均为30，粘
11、聚力c=10kPa，23m以下为卵石，贯入度大于100mm/10击，=3543，潜水位于的圆砾石中，深10m内有上层滞水。地面荷载按10kN/m2计。,28,逐层开挖支撑力不变法计算算例解：1、求RB,Ea,O1,RB,RC,y,5m,7m,0.5,1)先求0弯距点，查表得到30，得到y=0.08h=1m。2)求EA,81.7,3)根据O1点力矩平衡求RB,29,逐层开挖支撑力不变法计算算例2、求RC,Ea,O2,RB,RC,y,5m,7m,0.5,119.3,6m,1)先求0弯距点，查表得到30，得到y=0.08h=1.48m2)求EA,3)根据O2点力矩平衡求RC,30,逐层开挖支撑力不变
12、法计算算例3、求RD,Ea,O3,RB,RC,y,5m,7m,5.5m,6m,1)先求0弯距点，查表得到30，得到y=0.08h=1.88m2)求EA,3)根据O3点力矩平衡求RD,150.6,31,逐层开挖支撑力不变法计算算例4、求最大弯距 此处，采用简支梁法分段计算,Ea,O3,RB,RC,y,l1=5m,l2=7m,5.5m,l3=6m,RD,采用连续梁的计算弯距分配法,32,多层支撑计算方法分析,1、应用连续梁计算方法，因荷载复杂，计算量大且繁琐，与实际结果有一定差距。2、二分之一分担法是一种基于工程实践的近似方法，由于各地不同的土质条件，计算结果差别较大，一般作设计前的估算。石家庄某
13、高层建筑基坑深20.7m，三层锚杆，实际设计的第一层锚杆水平力是按二分之一分担法计算的，其值为316kN，工程发生了事故。后用逐层开挖支撑支承力不变法重新计算，结果为396kN，与设计值差25%。3、逐层开挖支撑力不变法的计算，符合实际的工况，在开挖过程中桩、墙总要发生变形，进行支撑时可随时对支撑轴力调整，而且计算较为简便。,m法与等值梁法的比较,用m法和等值梁法分析多撑围护体系时墙体弯矩的分布。两种方法有很大差别的，从而也说明常用的基坑工程计算理论和方法是存在问题的。鉴于等值梁法对被动土压力取值的敏感性，建议对多撑支护体系采用m法进行分析，有些工程仅用等值梁法分析是存在隐患的。,33,m法的
14、局限性,m法即能计算围护墙的位移，可解决等值梁等传统的计算方法不能解决的变形问题，而且计算参数Kh或m已有现成的范围值，在计算机上运算比较简单，但也应该指出通用的弹性地基梁法尚有一些局限性，有待今后作进一步的研究。m法解决了变形问题，但强度问题基本上没有涉及。由于围护桩墙的嵌固深度主要决定于土的强度，而不是变形的大小，因此不能用m法来确定。此外，由m法算得的土的抗力还需用土的强度理论来判定它是否在容许值之内。可是此处的土抗力又有其特殊涵义，应为静止土压力以外的力（因在位移为零时，土抗力为零），所以较难判定。,34,35,采用m 法计算水平承载力、内力和变位时采用一个重要的参数m 值。对于m 值
15、,较成熟的是通过单桩横向静载试验。实际上业主极少会为基坑设计而作单桩横向静载试验。采用查表法取m 值有很大的不确定性。,图12 和表2 是河海大学施建勇等在南京长江路和估依廊路的国投大厦采用m 法计算和实测的一个例子。该基坑坑底距地表11.5m,桩顶距地表2.3m,桩长18.9m。在距地表2.3m 和6.0m 各设一道内支撑。从图12 和表2 可以看出,用m 法计算的位移和轴力与实测有很大区别,特别是轴力。,36,第五节 排桩设计的构造要求,排桩构造,排桩桩径与桩距:悬臂式灌注桩桩径600mm;锚拉式或内撑式400mm，连续排桩心心距不大于2；混凝土强度不应小于C25；嵌固深度一般取总桩长的1
16、/31/2；顶部应设冠梁：冠梁的宽度不小于桩径，高度不小于桩径的0.6倍，混凝土强度不应小于C20。腰梁的宽应大于内支撑的高度，水平向高度不小于其计算跨度的1/10；,37,排桩构造,纵向钢筋宜选用HRP400、HRP500钢筋，单桩的 纵向受力钢筋不宜少于8根，其净间距不应小于60mm；喷射混凝土强度不应小于C20，面层厚度不宜小于50mm；,38,39,第六节 排桩支护结构变形计算,基坑变形计算,（1）基坑工程正在由强度控制转向变形控制，基坑变形的确定显得尤为重要。,（2）变形问题较强度问题更为复杂。,基坑周围环境类型,40,支护结构的水平位移,1.变形特点,（1）悬臂型：基坑较浅，无横撑
17、时。,（2）抛物线型：基坑较深，单横撑时。,（3）组合型：基坑深，多道横撑时。,多道横撑时的水平位移常呈抛物线型，位移最大值一般在基坑底面附近，或稍偏上。（如：软土基坑，位置的平均深度为0.89H）,2.确定方法,弹性支点法,有限元等数值计算方法,经验法估算,41,基坑开挖产生的地表沉降,1.地表沉降产生的原因,（1）基坑开挖；（2）降水。,2.开挖沉降的形态及影响范围,（1）凹槽形；（2）三角形。,凹槽形的最大沉降的位置:（0.30.7)H。,沉降影响范围:（14）H。,3.利用地层损失法计算地表沉降,（1）用弹性支点法等方法计算支护结构的变形曲线。,（2）以地表下沉填补因支护结构变形而造成
18、的空隙（即二者面积相等），确定地表下沉曲线。,42,43,第七节 排桩的施工,44,钻孔灌注桩施工过程图,45,基坑排桩支护结构施工实例,1、工程范围及规模,同乐站为双层10m宽岛式站台车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层,基坑（含站前明挖）全长266.4m。设四个出入口和两个风厅。车站主体部分采用单柱双层双跨混凝土结构，基坑宽19.10m,基坑深度17.2m18m，覆土约为3.84.4m。,有效站台长度140*10m,车站总长266.4m(含站前明挖段),46,2、土方开挖与支撑,支撑系统由腰梁和横撑组成，腰梁采用2根I45b工字钢组合而成，横撑采用609钢管撑。车站主体部分竖向设3层支
19、撑。基坑内采用700mm大口井降水，降水井在车站中间沿纵向布设，间距为20.0m（施工期间可根据需要调整），井底标高低于基坑底5.0m。,受5000*1800mm雨水箱涵CK7+694.6）的影响，CK7+691.51CK7+701.16段结构的第一道支撑须换撑。,基坑排桩支护结构施工实例,47,3、主体结构,主体结构抗渗透等级为S8，车站地下一层为站厅层，地下二层为站台层。,主体结构为单柱双层双跨框架结构，基坑宽19.10m，基坑深度17.5m。,左线盾构始发井为双层双柱三跨砼框架结构（CK7+536.16CK7+550.16），基坑宽21.5，里程长14m。,基坑排桩支护结构施工实例,48
20、,4、工程量统计,基坑排桩支护结构施工实例,49,施工顺序,围护结构施工,总体施工方案,50,首先进行分层开挖，为方便下层土方开挖，中间拉槽，由小里程向大里程开挖，CK7+701.26CK7+801.26段纵向放坡（坡度为17.5%），汽车直接开到基坑内运土。基坑土方分四层开挖，每层均开挖至下一道支撑以下0.5m（钢支撑中轴线距开挖底0.8m）。,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖,总体施工方案,51,分层开挖与钢支撑架设,中间拉槽，高4m，底宽5m，放坡1：0.75,第一层土方开挖，开挖深度2.2m，第一道支撑下0.5m,架设第一道支撑,总体施工方案,52,分层开
21、挖与钢支撑架设,第二层土方开挖，开挖深度7.7m，第二道支撑下0.5m,架设第二道支撑,中间拉槽，高4m，底宽5m，放坡1：0.75,总体施工方案,53,分层开挖与钢支撑架设,第三层土方开挖，开挖深度5.69m，第三道支撑下0.5m,架设第三道支撑,中间拉槽，高4m，底宽5m，放坡1：0.75,总体施工方案,54,分层开挖与钢支撑架设,第四层土方开挖，开挖深度2.6m，开挖至基坑底,预留0.2m人工开挖,总体施工方案,55,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖,第一层开挖：深2.2m至第一道钢支撑下0.5m；,第二层开挖：深7.7m,至第二道钢支撑下0.5m；,第三层
22、开挖：深5.69m，至第三道钢支撑下0.5m；,第四层开挖：深2.6m,开挖至坑底上0.2m，采用人工开挖找平基底；,总体施工方案,56,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖时，也分四层进行，即第一台反铲挖机置于底部台阶，挖掘最底层土石方，挖土甩放在底层台阶后部，由上层台阶反铲接力，直至顶层台阶，然后由最上层反铲负责装车（运输车辆停于基坑边安全位置）。每层均开挖至下一道支撑以下0.5m（钢支撑中轴线距开挖底0.8m）。,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖,第一层开挖至第一道支撑底0.5m,及时架设第一道支撑,总体施工方案,57,CK7+70
23、1.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖时，也分四层进行，即第一台反铲挖机置于底部台阶，挖掘最底层土石方，挖土甩放在底层台阶后部，由上层台阶反铲接力，直至顶层台阶，然后由最上层反铲负责装车（运输车辆停于基坑边安全位置）。每层均开挖至下一道支撑以下0.5m（钢支撑中轴线距开挖底0.8m）。,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖,第二层开挖至第一道支撑底0.5m,及时架设第二道支撑,总体施工方案,58,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖时，也分四层进行，即第一台反铲挖机置于底部台阶，挖掘最底层土石方，挖土甩放在底层台阶后部，由上层台阶
24、反铲接力，直至顶层台阶，然后由最上层反铲负责装车（运输车辆停于基坑边安全位置）。每层均开挖至下一道支撑以下0.5m（钢支撑中轴线距开挖底0.8m）。,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖,及时架设第三道支撑,第三层开挖至第三道支撑底0.5m,总体施工方案,59,CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖时，也分四层进行，即第一台反铲挖机置于底部台阶，挖掘最底层土石方，挖土甩放在底层台阶后部，由上层台阶反铲接力，直至顶层台阶，然后由最上层反铲负责装车（运输车辆停于基坑边安全位置）。每层均开挖至下一道支撑以下0.5m（钢支撑中轴线距开挖底0.8m）。,
25、CK7+701.26CK7+801.26斜坡段采用反铲接力开挖,第四层开挖至基坑底,基底0.20m人工开挖,总体施工方案,60,车站结构型式为双层双跨钢筋砼框架结构，由侧墙、梁、板、柱等组成，沿车站纵向设中间立柱，车站主体采用纵梁体系。主体结构采取“竖向分层，纵向分段，从下至上”施工。,主体结构施工方案,总体施工方案,61,主体结构标准节段长为12m，共划分为22个节段，其中第1节第20节为标准节段，节段长为12m，第21节为非标准节段，节段长为14m，第22节为盾构始发井，节段长为14.1m,车站主体结构由小里程向大里程方向施工为主攻方向,若须抢工,可由大里程向小里程方向施工，作为抢工工作面
26、。,（1）纵向分段,主体结构施工方案,总体施工方案,62,（2）竖向分层,第一部：为负二层底板施工，主要包括接地网，垫层底板防水层，底板及底纵梁施工，水平施工缝预留位置与底纵梁顶面平齐，距负二层底板顶面1.25m。底板砼强度达到设计强度的85%时，拆除第三道支撑。,底板施工,主体结构施工方案,总体施工方案,63,（2）竖向分层,第二部：负二层侧墙板施工，主要包括负二层侧墙与侧墙防水层、负二层柱、梁等的施工，水平施工缝与中纵梁底面平齐，距中板底面0.7m。,主体结构施工方案,拆除第三道支撑,施工负二层侧墙,总体施工方案,64,（2）竖向分层,第三部：中板施工，主要包括负二层中纵梁和中板的施工，水
27、平施工缝预留在中板顶面0.30m位置，距第二道钢支撑1.2m。中板砼强度达到设计强度的85%时拆第二道钢支撑，中板施工完毕后，施工负二层中隔墙。,主体结构施工方案,施工中板,拆除第二道支撑,总体施工方案,65,（2）竖向分层,第四部：负一层侧墙施工，主要包括负一层侧墙与侧墙防水层、负一层柱、等的施工，水平施工缝与顶纵梁底面平齐，距顶板底面1.0m。,主体结构施工方案,施工负一层侧墙,总体施工方案,66,（2）竖向分层,第五部：顶板施工，主要施工顶纵梁，顶板、顶板防水层、细石砼保护层的施工。顶板施工完毕后，施工负一层中隔墙。当顶板细石砼强度达到设计强度的85%时拆除第一道支撑。,主体结构施工方案
28、,施工顶板,拆除第一道支撑,土方回填等,总体施工方案,67,开挖基本原则,基坑工程开挖常用的方法有直接分层开挖、有内支撑分层开挖、盆式开挖、岛式开挖及逆作法开挖等，工程中可根据具体条件选用。在无内支撑的基坑中，土方开挖中应遵循“土方分层开挖、垫层随挖随浇”的原则；在有支撑的基坑中，应遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，垫层也应随挖随浇。此外，土方开挖的顺序、方法必须与设计工况相一致。基坑(槽)土方开挖时应对支护结构、周围环境进行观察和监测，如出现异常情况应及时处理，待恢复正常后方可继续施工。,68,方案编制要求,69,悬臂桩设计,单层支撑桩设计,多层支撑桩设计,小结,Blum法,圆形截面配筋验算,规范法,等值梁法锚索的设计,逐层开挖支撑力不变法锚索设计,70,70,
