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1、森林工程,基础工程,主讲：郭春丽,土木工程教研室,第二章 天然地基上的浅基础,第一节 概述第二节 天然地基上浅基础的类型、构造第三节 基础埋置深度的选择第四节 浅基础的地基承载力的确定第五节 刚性扩大基础的设计与计算第六节 刚性扩大基础施工第七节 板桩墙围堰的计算,第六节 刚性扩大基础施工,注意事项：刚性扩大基础的施工可采用明挖的方法进行基坑开挖，开挖工作应尽量在枯水或少雨季节进行，且不宜间断。基坑挖至基底设计标高应立即对基底土质及坑底情况进行检验，验收合格后应尽快修筑基础，不得将基坑暴露过久。基坑可用机械或人工开挖，接近基底设计标高应留30cm高度由人工开挖，以免破坏基底土的结构。基坑开挖过
2、程中要注意排水，基坑尺寸要比基底尺寸每边大0.5m1.0m，以方便设置排水沟及立模板和砌筑工作。基坑开挖时根据土质及开挖深度对坑壁予以围护或不围护，围护的方式有多种多样。水中开挖基坑还需先修筑防水围堰。,刚性扩大基础施工,一、旱地上基坑开挖及围护（一）无围护基坑（二）有围护基坑二、基坑排水（一）表面排水法（二）井点法降低地下水位三、水中基坑开挖时的围堰工程,（一）无围护基坑,适用于基坑较浅，地下水位较低或渗水量较少，不影响坑壁稳定时，此时可将坑壁挖成竖直或斜坡形。竖直坑壁只适宜在岩石地基或基坑较浅又无地下水的硬粘土中采用。在一般土质条件下开挖基坑时，应采用放坡开挖的方法。放坡开挖是指选择合理的
3、坡比进行开挖。适用于地基土质较好，开挖深度不大以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖施工简便、费用低，但挖土及回填土方量大。有时为了增加边坡稳定性和减少土方量，常采用简易支护。,（二）有围护基坑,当基坑较深，土质条件较差，地下水影响较大或放坡开挖对周围其他建筑有影响时，需对坑壁进行围护。1、板桩墙支护2、喷射混凝土护壁3、混凝土围圈护壁,1、板桩墙支护,板桩是在基坑开挖前先垂直打入土中至坑底以下一定深度，然后边挖边设支撑，开挖基坑过程中始终是在板桩支护下进行。板桩墙分：无支撑式（图a）、支撑式和锚撑式（图d）。支撑式板桩墙按设置支撑的层数可分为单支撑板桩墙（图b）和多支撑板桩墙（图c）。由
4、于板桩墙多应用于较深基坑的开挖，故多支撑板桩墙应用较多。,a）无支撑式,d)支撑式和锚撑式,b）单支撑板桩墙,c）多支撑板桩墙,2、喷射混凝土护壁,喷射混凝土护壁，宜用于土质较稳定，渗水量不大，深度小于10m，直径为6m12m的圆形基坑。喷射混凝土护壁的基本原理是以高压空气为动力，将搅拌均匀的砂、石、水泥和速凝剂干料，由喷射机经输料管吹送到喷枪，在通过喷枪的瞬间，加入高压水进行混合，自喷嘴射出，喷射在坑壁，形成环形混凝土护壁结构，以承受土压力。,3、混凝土围圈护壁,采用混凝土围圈护壁时，基坑自上而下分层垂直开挖，开挖一层后随即灌注一层混凝土壁。为防止已浇筑的围圈混凝土施工时因失去支承而下坠，顶
5、层混凝土应一次整体浇筑，以下各层均间隔开挖和浇筑，并将上下层混凝土纵向接缝错开。开挖面应均匀分布对称施工，及时浇筑混凝土壁支护，每层坑壁无混凝土壁支护总长度应不大于周长的一半。分层高度以垂直开挖面不坍塌为原则，一般顶层高2m左右，以下每层高1m1.5m。混凝土围圈护壁也是用混凝土环形结构承受土压力，但其混凝土壁是现场浇筑的普通混凝土，壁厚较喷射混凝土大，一般为15cm30cm，也可按土压力作用下环形结构计算。,喷射混凝土护壁要求有熟练的技术工人和专门设备，对混凝土用料的要求也较严，用于超过10m的深基坑尚无成熟经验，因而有其局限性。混凝土围圈护壁则适应性较强，可以按一般混凝土施工，基坑深度可达
6、15m20m，除流砂及呈流塑状态粘土外，可适用于其它各种土类。,（一）表面排水法,表面排水法是在基坑整个开挖过程及基础砌筑和养护期间，在基坑四周开挖集水沟汇集坑壁及基底的渗水，并引向一个或数个比集水沟挖得更深一些的集水坑，集水沟和集水坑应设在基础范围以外，在基坑每次下挖以前，必须先挖沟和坑，集水坑的深度应大于抽水机吸水龙头的高度，在吸水龙头上套竹筐围护，以防土石堵塞龙头。表面排水方法设备简单、费用低，一般土质条件下均可采用。但当地基土为饱和粉细砂土等粘聚力较小的细粒土层时，由于抽水会引起流砂现象，造成基坑的破坏和坍塌。表面排水法可单独采用，亦可与其他方法结合使用。,（二）井点法降低地下水位,对
7、粉质土、粉砂类土等如采用表面排水极易引起流砂现象，影响基坑稳定，此时可采用井点法降低地下水位排水。井点降水法主要是将带有滤管的降水工具沉设到基坑四周的土中，利用各种抽水工具，在不扰动土的结构条件下，将地下水抽出，以利基坑开挖。根据使用设备的不同，一般有轻型井点、喷射井点、管井井点、深井泵井点等方法。,轻型井点降水是在基坑开挖前预先在基坑四周打入（或沉入）若干根井管，井管下端1.5m左右为滤管，上面钻有若干直径约2mm的滤孔，外面用过滤层包扎起来。各个井管用集水管连接并抽水。由于使井管两侧一定范围内的水位逐渐下降，各井管相互影响形成了一个连续的疏干区。在整个施工过程中保持不断抽水，以保证在基坑开
8、挖和基础砌筑的整个过程中基坑始终保持着无水状态。该法可以避免发生流砂和边坡坍塌现象，且由于流水压力对土层还有一定的压密作用。,三、水中基坑开挖时的围堰工程,围堰的定义：在水中修筑桥梁基础时，开挖基坑前需在基坑周围先修筑一道防水围堰，把围堰内水排干后，再开挖基坑修筑基础。如排水较因难，也可在围堰内进行水下挖土，挖至预定标高后先灌注水下封底混凝土，然后再抽干水继续修筑基础。在围堰内不但可以修筑浅基础，也可以修筑桩基础等。围堰的种类：土围堰、草（麻）袋围堰、钢板桩围堰、双壁钢围堰和地下连续墙围堰等。,对围堰的要求：,1围堰顶面标高应高出施工期间中可能出现的最高水位0.5m以上，有风浪时应适当加高。2
9、修筑围堰将压缩河道断面，使流速增大引起冲刷，或堵塞河道影响通航，因此要求河道断面压缩一般不超过流水断面积的30%。对两边河岸河堤或下游建筑物有可能造成危害时，必须征得有关单位同意并采取有效防护措施。3围堰内尺寸应满足基础施工要求，留有适当工作面积，由基坑边缘至堰脚距离一般不少于1m。4围堰结构应能承受施工期间产生的土压力、水压力以及其他可能发生的荷载，满足强度和稳定要求。围堰应具有良好的防渗性能。,水中基坑开挖时的围堰工程,（一）土围堰和草袋围堰（二）钢板桩围堰（三）双壁钢围堰（四）地下连续墙围堰,（一）土围堰和草袋围堰,在水深较浅（2m以内），流速缓慢，河床渗水较小的河流中修筑基础可采用土围
10、堰或草袋围堰。土围堰用粘性土填筑，无粘性土时，也可用砂土类填筑，但须加宽堰身以加大渗流长度，砂土颗粒越大堰身越要加厚。围堰断面应根据使用土质条件，渗水程度及水压力作用下的稳定确定。（P31图2-22）若堰外流速较大时，可在外侧用草袋柴排防护。（P31图2-23）此外，还可以用竹笼片石围堰和木笼片石围堰做水中围堰，其结构由内外二层装片石的竹（木）笼中间填粘土心墙组成。粘土心墙厚度不应小于2m。为避免片石笼对基坑顶部压力过大，并为必要时变更基坑边坡留有余地，片石笼围堰内侧一般应距基坑顶缘3m以上。,（二）钢板桩围堰,当水较深时，可采用钢板桩围堰。修建水中桥梁基础常使用单层钢板桩围堰，其支撑（一般为
11、万能杆件构架，也采用浮箱拼装）和导向（由槽钢组成内外导环）系统的框架结构称“围囹”或“围笼”。,围囹法打钢板桩,（三）双壁钢围堰,双壁钢围堰一般做成圆形结构，它本身实际上是个浮式钢沉井。井壁钢壳是由有加劲肋的内外壁板和若干层水平钢桁架组成，中空的井壁提供的浮力可使围堰在水中自浮，使双壁钢围堰在漂浮状态下分层接高下沉。在两壁之间设数道竖向隔舱板将圆形井壁等分为若干个互不连通的密封隔舱，利用向隔舱不等高灌水来控制双壁围堰下沉及调整下沉时的倾斜。井壁底部设置刃脚以利切土下沉。如需将围堰穿过覆盖层下沉到岩层而岩面高差又较大时，可做成高低刃脚密贴岩面。双壁围堰内外壁板间距一般为1.2m1.4m，这就使围
12、堰刚度很大，围堰内无需设支撑系统。,（四）地下连续墙围堰,由于目前挖槽机械发展很快，与之相适应的挖槽工法层出不穷；有不少新的工法已经不再使用膨润土泥浆；墙体材料已经由过去以混凝土为主而向多样化发展；不再单纯用于防渗或挡土支护，越来越多地作为建筑物的基础，所以很难给地下连续墙一个确切的定义。一般地下连续墙可以定义为：利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注适当的材料而形成一道具有防渗（水）、挡土和承重功能的连续的地下墙体。,第七节 板桩墙围堰的计算,在基坑开挖时坑壁常用板桩予以支撑，板桩也用作水中桥梁墩台施工时的围堰结构。板桩墙的作用是挡住基坑四周的土体，防止
13、土体下滑和防止水从坑壁周围渗入或从坑底上涌，避免渗水过大或形成流砂而影响基坑开挖。它主要承受土压力和水压力，因此，板桩墙本身也是挡土墙，但又非一般刚性挡墙，它在承受水平压力时是弹性变形较大的柔性结构，它的受力条件与板桩墙的支撑方式、支撑的构造、板桩和支撑的施工方法以及板桩入土深度密切相关，需要进行专门的设计计算。一、侧向压力计算二、悬臂式板桩墙的计算三、单支撑（锚碇式）板桩墙的计算四、多支撑板桩墙计算 五、基坑稳定性验算六、封底混凝土厚度计算,一、侧向压力计算,作用于板桩墙的外力主要来自坑壁土压力和水压力，或坑顶其它荷载（如挖、运土机械等）所引起的侧向压力。板桩墙土压力计算比较复杂，由于它大多
14、是临时结构物，因此常采用比较粗略的近似计算，即不考虑板桩墙的实际变形，一般用朗金理论来计算不同深度z处每延米宽度内的主、被动土压力强度pa、pp(KPa)：,二、悬臂式（无支撑式）板桩墙的计算,悬臂式板桩墙，因板桩不设支撑，故墙身位移较大，通常可用于挡土高度不大的临时性支撑结构。悬臂式板桩墙的破坏一般是板桩绕桩底端b点以上的某点o转动。这样在转动点o以上的墙身前侧以及o点以下的墙身后侧，将产生被动抵抗力，在相应的另一侧产生主动土压力。,由于精确地确定土压力的分布规律困难，一般近似地假定土压力的分布图形如图所示：墙身前侧是被动土压力（bcd），其合力为EP1,并考虑有一定的安全系数K（一般取K=
15、2）；在墙身后方为主动土压力（abe），合力为EA。另外在桩下端还作用有被动土压力EP2，由于的作用位置不易确定，计算时假定作用在桩端b点。考虑到的实际作用位置应在桩端以上一段距离，因此，在最后求得板桩的入土深度t后，再适当增加1020%。,三、单支撑（锚碇式）板桩墙的计算,当基坑开挖高度较大时，不能采用悬臂式板桩墙，此时可在板桩顶部附近设置支撑或锚碇拉杆，成为单支撑板桩墙。单支撑板桩墙的计算，可以把它作为有两个支承点的竖直梁。一个支点是板桩上端的支撑杆或锚碇拉杆；另一个是板桩下端埋入基坑底下的土。下端的支承情况又与板桩埋入土中的深度大小有关，一般分为两种支承情况；第一种是简支支承，如图2-1
16、1a。这类板桩埋入土中较浅，桩板下端允许产生自由转动；第二种是固定端支承，如图2-12a。若板桩下端埋入土中较深，可以认为板桩下端在土中嵌固。,图2-11,单支撑板桩墙的计算,图2-12,下端为固定支承时的单支撑板桩计算,1板桩下端简支支承时的土压力分布,板桩墙受力后挠曲变形，上下两个支承点均允许自由转动，墙后侧产生主动土压力EA。由于板桩下端允许自由转动，故墙后下端不产生被动土压力。墙前侧由于板桩向前挤压故产生被动土压力EP。由于板桩下端入土较浅，板桩墙的稳定安全度，可以用墙前被动土压力EP除以安全系数K保证。此种情况下的板桩墙受力图式如同简支梁（图b），按照板桩上所受土压力计算出的每延米板
17、桩跨间的弯矩（图c），并以Mmax值设计板桩的厚度。,2板桩下端固定支承时的土压力分布,板桩下端入土较深时，板桩下端在土中嵌固，板桩墙后侧除主动土压力EA外，在板桩下端嵌固点下还产生被动土压力EP2。假定EP2作用在桩底b点处。与悬臂式板桩墙计算相同，板桩的入土深度可按计算值适当增加1020%。板桩墙的前侧作用被动土压力EP1。由于板桩入土较深，板桩墙的稳定性安全度由桩的入土深度保证，故被动土压力EP1不再考虑安全系数。由于板桩下端的嵌固点位置不知道，因此，不能用静力平衡条件直接求解板桩的入土深度t。在图2-12中给出了板桩受力后的挠曲形状，在板桩下部有一挠曲反弯点c，在c点以上板桩有最大正弯
18、矩，c点以下产生最大负弯矩，挠曲反弯点c相当于弯矩零点，弯矩分布图如图2-12所示。确定反弯点c的位置后，已知c点的弯矩等于零，则将板桩分成ac和cb两段，根据平衡条件可求得板桩的入土深度t。,图2-12 下端为固定支承时的单支撑板桩计算,四、多支撑板桩墙计算,当坑底在地面或水面以下很深时，为了减少板桩的弯矩可以设置多层支撑。支撑的层数及位置要根据土质、坑深、支撑结构杆件的材料强度，以及施工要求等因素拟定。板桩支撑的层数和支撑间距布置一般采用以下两种方法设置：1等弯矩布置：当板桩强度已定，即板桩作为常备设备使用时，可按支撑之间最大弯矩相等的原则设置。2等反力布置：当把支撑作为常备构件使用时，甚
19、至要求各层支撑的断面都相等时，可把各层支撑的反力设计成相等。支撑系按在轴向力作用下的压杆计算，若支撑长度很大时，应考虑支撑自重产生的弯矩影响。从施工角度出发，支撑间距不应小于2.5m。,多支撑板桩上的土压力分布形式与板桩墙位移情况有关，由于多支撑板桩墙的施工程序往往是先打好板桩，然后随挖土随支撑，因而板桩下端在土压力作用下容易向内倾斜，如图2-13中虚线所示。这种位移与挡土墙绕墙顶转动的情况相似，但墙后土体达不到主动极限平衡状态，土压力不能按库仑或朗金理论计算。根据试验结果证明这时土压力呈中间大、上下小的抛物线形状分布，其变化在静止土压力与主动土压力之间，如图2-13所示。,图2-13 多支撑
20、板桩墙的位移及土压力分布,太沙基和佩克根据实测及模型试验结果，提出作用在板桩墙上的土压力分布经验图形：,图2-14 多支撑板桩墙上土压力的分布图形a）板桩支撑；b）松砂；c）密砂；d）粘土H6cu；e）粘土H4Cu,五、基坑稳定性验算,（一）坑底流砂验算 若坑底土为粉砂、细砂等时，在基坑内抽水可能引起流砂的危险。一般可采用简化计算方法进行验算。其原则是板桩有足够的入土深度以增大渗流长度，减少向上动水力。由于基坑内抽水后引起的水头差h(图2-15)造成的渗流，其最短渗流途径为在流程t中水对土粒动水力应是垂直向上的，故可要求此动水力不超过土的有效重度b，则不产生流砂的安全条件为,K安全系数，取2.
21、0；i水力梯度，;w水的重度。由此可计算确定板桩要求的入土深度t。,图2-15 基坑抽水后水头差引起的渗流,（二）坑底隆起验算开挖较深的软土基坑时，在坑壁土体自重和坑顶荷载作用下，坑底软土可能受挤在坑底发生隆起现象。常用简化方法验算，即假定地基破坏时会发生如图2-16所示滑动面，其滑动面圆心在最底层支撑点A处，半径为x，垂直面上的抗滑阻力不予考虑，则滑动力矩为稳定力矩为Su滑动面上不排水抗剪强度，如土为饱和软粘土，则=0，Su=Cu。,图2-16 板桩支护的软土滑动面假设,M与Md之比即为安全系数K，如基坑处地层土质均匀，则安全系数为:,六、封底混凝土厚度计算,作用在封底层的浮力是由封底混凝土
22、和围堰自重，以及板桩和土的摩阻力来平衡的。当板桩打入基底以下深度不大时，平衡浮力主要靠封底混凝土自重，若封底混凝土最小厚度为x，如图2-17，则：考虑未计算桩土间摩阻力和围堰自重的修正系数，小于1，具体数值由经验确定；w水的重度，取10kN/m3;c混凝土重度，取23kN/m3;h封底混凝土顶面处水头高度（m）。,图2-17 封底混凝土最小厚度,如板桩打入基坑下较深，板桩与土之间摩阻力较大，加上封底层及围堰自重整个围堰不会被水浮起，此时封底层厚度应由其强度确定。现一般按容许应力法并简化计算，假定封底层为一简支单向板，其顶面在静水压力作用下产生弯曲拉应力：W封底层每米宽断面的截面模量（m3）；l 围堰宽度（m）；水下混凝土容许弯曲应力，考虑水下混凝土表层质量较差、养护时间短等因素，不宜取值过高，一般用100200kPa。,封底混凝土灌注时厚度宜比计算值超过0.250.50m,以便在抽水后将顶层浮浆、软弱层凿除，以保证质量。,
