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1、基坑支护设计,基坑支护设计,一、基坑工程的分级二、基坑围护设计的内容及需考虑的荷载 三、支护体系的方案比较和选型 四、基坑支护的计算五、基坑支护内支撑方案选择六、基坑工程的概念设计七、工程设计实例,随着上海城市建设的迅猛发展，城市用地日趋紧张，地下空间的开发利用及高层建筑深基础施工都在地面以下一定深度工作。建筑基坑支护技术是创造安全可靠的地下施工空间必不可少的一项技术。,基坑工程按重要性分级。一级：支护结构作为主体结构的一部分时；基坑开挖深度大于、等于10米时；距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护时。三级：开挖深度小于7米，且周围环境无特别要求时。二级：除一
2、级与三级外。基坑工程设计安全系数，由基本安全系数和附加安全系数的乘积组成。基本安全系数由计算模型本身给定，而附加安全系数根据基坑重要性确定。,二、基坑围护设计的内容 及需考虑的荷载：,（一）设计内容 1.支护体系的方案比较和选型；2.支护结构的强度和变形计算；3.基坑内外土体的稳定性计算；4.围护墙的抗渗验算；5.降水要求；6.确定挖土工况；7.确定环境保护的要求和监测内容等。,（二）需考虑的荷载,1.水土压力；侧压力等于土压力和水压力之和。有工程经验时，可按水土合算计算侧压力。2.一般地面超载；一般为20KN/m2的均面荷载。3.影响区范围内建筑、构筑物荷载；4.施工荷载以及邻近基础施工的影
3、响，如打桩、基坑开挖等。,三、支护体系的方案比较和选型,1.板式支护体系地下连续墙（钢筋混凝土板桩等）目前在基坑工程中应用的地下连续墙有以下几种形式：壁板式T形及形地下连续墙格形地下连续墙,地下连续墙槽段接头形式，有以下几种：使用接头管做成的接头用隔板做成的接头用预制件作接头采用接头箱做成接头钢板止水式接头钢筋焊接接头,钻孔灌注桩（人工挖孔桩、树根桩等）SMW工法（劲性水泥土地下墙）钢板桩,2.重力式挡墙（干喷、湿喷）3.复合土钉墙4.放坡开挖,5.与主体地下结构相结合的支护结构逆作法,利用主体地下结构的梁板作为围护结构的内支撑，且支护结构的围护墙一般与主体地下室的外墙相结合。应预估围护结构和
4、主体结构基础沉降的适应性；另外在地下室浇筑钢筋混凝土底板之前，地面上的上部结构允许施工的层数要经计算确定。,四、支护结构的计算,1.板式支护体系 基坑底部土体的抗隆起稳定性和抗渗流或抗管涌稳定性验算a.验算围护墙底地基承载力；KWZ 2.5（一级基坑）2.0（二级基坑）1.7（三级基坑）,b.验算基坑底部土体的抗隆起稳定性KL 2.5（一级基坑）2.0（二级基坑）1.7（三级基坑）,c.围护墙底部土体的抗渗流或抗管涌稳定性KS1.52.0基坑底为砂性土、砂质粉土或粘性土与粉性土中有明显薄层粉砂夹层时取大值。,d.基坑开挖面以下有承压水时，验算基坑底部土的抗承压水头的稳定性Ky1.05,围护墙结
5、构的抗倾覆稳定性验算KQ 1.20（一级基坑）1.10（二级基坑）1.05（三级基坑）,围护墙结构的内力和变形计算采用竖向弹性地基梁的基床系数法。计算时应考虑支撑或锚碇点的位移、施工工况及支撑刚度等对结构内力与变形的影响。内支撑的压缩弹簧系数 作用在围护墙上的水土压力,开挖面以下，水平弹簧支座和垂直弹簧支座的压缩弹簧刚度KH kH b hKV kV b h开挖面以下三角形区的水平向基床系数KH m z水平向基床系数沿深度增大的比例系数m 可根据土性，参照下表采用,支撑或锚碇与围檩体系的结构内力、变形和稳定性计算；支护结构的构件截面强度和节点构造设计与计算；支撑竖向立柱的结构内力、变形和稳定性计
6、算；围护墙结构兼作工程主体结构时，尚应按照主体结构设计所遵循的规范，验算长期荷载作用时的结构内力和变形等。,2.重力式挡墙（水泥土围护结构）,强度以龄期一月的无侧限抗压强度为标准，不低于0.8MPa。以下所列安全系数适用于二级工程，对一级工程应乘以1.2系数，三级工程乘以0.9系数。重力式挡墙破坏的四种模式：a.水平滑移破坏 b.倾覆破坏 c.整体滑移破坏 d.桩身弯曲破坏,整体稳定性验算安全系数最小的滑弧面，其值应不小于 KZ1.0。抗渗验算；当墙底为砂土、砂质粉土或有明显的砂性土夹层时取KS3.0，其它土层取KS2.0。,抗水平滑移、抗倾覆稳定性验算 KQ1.1，基坑边长不大于20m时，K
7、Q1.0KHL1.2，基坑边长不大于20m时，KHL1.0 墙体坑底截面处的应力验算受谷仓土压力条件限制的格栅断面尺寸的验算 围护结构墙顶水平位移计算。,1.复合土钉墙参照中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程JGJ12099。土钉抗拉承载力计算；单根土钉抗拉承载力计算；单根土钉受拉荷载标准值计算。土钉墙整体稳定性验算；不同工况下圆弧滑动整体稳定性验算；单根土钉在圆弧滑裂面外锚固体与土体的极限抗拉力计算。2.放坡开挖采用简单条分法进行边坡稳定性验算。,五、基坑支护内支撑方案选择,1.根据支撑材料的分类按其材料可分为钢支撑、钢筋混凝土支撑、钢和钢筋混凝土的组合支撑。钢支撑优点：便于安装和拆除
8、，材料的消耗量小，可以施加预紧力以合理地控制基坑变形，架设速度快。缺点：整体刚度较弱。钢筋混凝土支撑优点：整体刚度好，变形小。缺点：施工制作时间长于钢支撑，拆除工作比较繁重，材料的回收利用率低。2.根据支撑平面布置的分类角撑、对撑、圆环支撑、边桁架支撑。,双拼H型钢支撑：对撑和角撑结合使用圆环支撑,对撑和圆环支撑结合使用边桁架支撑,角撑和圆环支撑结合使用,六、基坑工程的概念设计,与其他岩土工程问题一样，基坑工程目前仍然不够完善，不够成熟，是经验性很强的一门学科。完全局限于规范、规程的设计，在实际应用中会造成较大的浪费。在以往的一些规定中，对于一些难以确定的问题往往以“根据经验确定”而由设计人员
9、自行确定，这对于具有丰富经验的设计人员自然不难解决，而对于一般设计人员则难以应用。所以现在的规范、规程强调一个唯一性，即对某一设计对象，规范、规程负有提供一种明确的设计方法、计算模式、参数取值的责任，尽管其结果较有丰富经验的设计人员设计结果可能偏于保守些，但按规范、规程设计必能保证安全。另一方面，完全局限于规范、规程的设计，在某些特定的工程情况下，仍会存在工程不安全的隐患。一项设计的优劣成败，设计思想的是否正确，有时起决定性的作用。概念设计就是一种设计思想。下面就对基坑工程的概念作些初步的探讨。,1.有效应力原理 对于饱和土，总压力由有效应力和孔隙水压力两部分组成。土中的孔隙水没有强度，所产生
10、的水压力没有方向性，竖向荷载和侧荷载总是相等；土颗粒组成的骨架则有一定的强度，所产生的是有效压力，故主动土压力系数必定小于1.0，被动土压力系数必定大于1.0。从这个概念出发，计算水土压力时，有效应力法比总应力法更为合理。在计算时，应当采用浮重度和有效强度指标c、，应进行“水土分算”。“水土合算”的概念不如“水土分算”明确。既要合算，就得用总应力法。但选用与之配套的强度指标时，仍应充分理解有效应力原理，采用适当的总应力法强度指标c、。有效应力法的c、只有一套，而总应力法的c、有三套：不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）及排水剪（CD）。由于试验时排水条件不同，试验结果差别很大。如果不熟悉有效
11、应力原理，选择试验方法时就会陷入盲目性。无论应力路径还是排水条件，试验条件与现场条件不可能完全一致，只能近似地选用较合理的方法。从现场条件分析，主动区和被动区土体剪切时近似于不排水剪，故采用固结不排水剪是安全的。从原理分析，“水土分算”优于“水土合算”，三轴剪优于直剪。但在做实际工程时不一定如此，因为实际操作时，三轴试验费时费力，对土样质量要求高，对试验人员素质要求高，否则试验成果不稳定，甚至反而不可靠。“水土分算”要求测有效应力指标c、，非一般试验室能做好。直剪试验和“水土合算”虽然合理性方面有所欠缺，但简单易行，有经验时也较可靠。,1.地下水。分析基坑工程失败的原因可知，直接或间接与地下水
12、有关的占大多数。这里主要讨论静水压力和地下水运动中的水头损失问题。强透水性地层具有静水压力是众所周知，没有争论的。那么弱透水地层有没有静水压力呢。其实松散地层中的静水压力原理都是相同的，水头或水压，与土的透水性是两回事，不能混为一谈。在含水层中某一深度设一测压管，不管渗透系数的差别有多大，水头肯定是相同的，只是达到这一水头所需的时间不同而已。按达西定律有水力梯度才有水的流动，也就是说在渗流过程中一定会产生水头损失。由图可知，当地下水绕止水帷幕流动时，其水压力与静水压力不同。两侧水压力抵消后的净压力在坑内水位标高处最大，止水帷幕底处为零。因此，设计者必须牢牢掌握渗流运动的原理，当有稳定渗流时进行
13、流网分析，有利于掌握基本概念，合理进行地下水控制设计。,3.从定性分析到定量分析基坑工程设计时进行计算是不可缺少的，但也不能盲目相信计算。应从定性的概念分析入手，抓住关键问题，在定性分析的基础上进行定量分析。单纯定量计算的不可靠有计算模型过分简化的原因，也有计算参数不可靠的原因。Coulomb和Rankine土压力理论。应用Coulomb理论和Rankine理论时，必须清醒地知道其假设条件，必须知道这些条件与工程实际有哪些不一致的地方。例如：a.不论Coulomb还是Rankine，建立土压力理论时，都是用于重力式挡墙。都是先筑墙，再在墙背后填土一般为无粘性土；而现在的基坑工程，则是在土中筑墙
14、或桩，再开挖卸荷，墙背后是原状土。无论支挡结构的型式、土的性质、施工次序、土中应力路径都有很大不同。b.Coulomb-Ranbine理论假定，破裂面是平面，破坏土契是刚体，这与实际情况出入较大。Coulomb-Ranbine假定的墙无限长，是平面问题，而基坑工程是空间问题，在基坑转角处误差较大。c.无论主动土压力还是被动土压力，都需要一定的位移量才能达到，而过大的位移量对工程又是不容许的。达到主动土压力状态的位移量约（0.0010.01）H，达到被动土压力状态的位移量约（0.020.06）H。实际动用的土压力一般为静止与主动之间或静止也被动之间土压力。d.桩墙在土压力作用下变形，土压力重分布
15、。土压力的分布与桩墙刚度、支撑刚度有关。对于刚度大的悬臂式桩墙，浅部桩土位移不同步，桩与土体间有缝隙，土压力的重心下移。刚性转动使桩墙在某深度处发生转动，转动点以上，墙后是主动土压力，墙前是被动与静止土压力之间；转动点以下，墙前是主动土压力，墙后是被动与静止土压力之间。由上可知，Coulomb-Rankine土压力理论与基坑工程的实际出入相当大，是很容易理解的。如果设计得对这些概念是清楚的，就不会过分相信计算结果了。,土性对土压力的影响：流变、非饱和土 从计算公式看，土压力的大小似乎只与土的重度和土的抗剪强度指标有关，其实要复杂得多。例如软土的流变性质。它的变形和强度都随时间而变化。在相当小的
16、剪切应力作用下，虽不增加应力，变形可长期发展，是其蠕变特性；变形速率是应力的函数，是其粘滞特性；变形恒定，应力随时间减小，是其应力松弛特性；在长期受荷条件下，强度随时间而改变，是其长期强度特性。刘建航院士根据流变理论和工程经验，研究了软土基坑的时空效应。他认为，基坑的位移、土的性质、支撑的内力都是随时间而变化的。应注意控制每步开挖的尺寸（长度和高度），尽量减小支撑前的暴露时间。,1.注重原型监测和信息化施工既然定量计算不能很精确，计算结果只能给设计者提供一个大概的可能的数值，所以工程原型监测就显得十分重要了。原型监测至少有以下三方面的作用：确保工程的安全和质量；验证设计的正确和合理性；作为科学
17、研究的一种足尺试验手段。,七、工程设计实例,上海嘉里不夜城中心基坑支护 位于上海铁路新客站南出口对面。四周为天目西路、共和路、民立路和梅园路。地面为四十余层的两座塔楼，两层地下室。开挖深度以12.6米为主，另有挖深11.1米、14.6米的区域。场地四周地下管线复杂，有300、700上水管，700煤气管等管线，基坑施工中环境保护要求较高。基坑平面尺寸为140米7080米的长方形。围护结构采用800mm厚的地下连续墙，墙长分别为22米、25米和28米。,琵琶支撑示意图,对撑处基坑围护结构计算结果汇总表支撑轴力时间曲线,连续墙最大墙顶水平位移各测斜孔连续墙最大挠曲值测 孔 CX1 CX4 CX5 CX6最大挠曲值（mm）18 39 19 16测斜孔CX4的最大水平位移时间曲线,
