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1、,第12章 基坑围护结构,本 章 内 容,1,2,3,4,5,概述 基坑工程的设计内容基坑围护结构的内力计算,基坑稳定性验算 基坑工程的变形计算,6,常见围护结构及其构造设计,概述：大量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层（法国）。国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m150m，基坑开挖深度达19.5m。上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m。,1.概述,1.概述,1、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、；（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。2、基坑支护的作用 挡土、挡水、控制边坡变形。3、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。,1.概述,基坑工程具有以下特点：l）建筑趋向高层化，基坑向大课度方向发展；2）基坑开挖画积大，长度与宽度有的达数百米，给支撑系绞带来较大的难度；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；深基坑施工工期长、场地狭窄，降雨、重物堆放等对墓坑稳定性不利；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
3、，增加协调工作的难度。,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。,1.概述,（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。（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。,1.概述,（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
4、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36m，宽度59m。,（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。,1.概述,（7）逆作法；（8）沉井法；（9）土钉墙支护；（10）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
5、搅桩与灌注桩排组合；深搅桩中打入H钢桩组合支护等。,1.概述,结构类型,支护结构类型及其适用范围 表3-1,板桩,1.概述,组合挡土壁,1.概述,单排与双排桩支护结构,1.概述,支撑体系,1.概述,1.概述,1.概述,1.概述,1.概述,12.1.2 基坑围护结构设计的特点1.外力的不确定性；2.变形的不确定性；3.土性的不确定性；4.一些偶然变化所引起的不确定因素。,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。,2.基坑工程的设计内容,2.基坑工程的设计内容,基坑围护结构设计所需
6、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。,基坑围护结构安全等级及重要性系数,2.基坑工程的设计内容,2.基坑工程的设计内容,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。,2.基坑工程的设计内容,2.基坑工程的设计内容,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
7、种工况内力和变形的影响。,2.基坑工程的设计内容,围护结构稳定性验算基坑边坡总体稳定演算；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。,2.基坑工程的设计内容,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。,2.基坑工程的设计内容,其他土工问题井点降水井点降水的作用是：1）通过降低地下水位消除基坑坡面及坑底的渗水，改善
8、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。,2.基坑工程的设计内容,土方开挖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。,3 基坑围护结构的内力计算,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
9、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12-6,3 基坑围护结构的内力计算,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。,3 基坑围护结构的内力计算,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,3 基坑围护结构的内力计算,桩（墙）内力的计算分析方法（一）弹性地基杆
10、系有限单元法常用方法，一般过程如下：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。,3 基坑围护结构的内力计算,（二）挡土结构的有限元法广泛应用。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。,3 基坑围护结构的内力计算,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
11、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,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。,3 基坑围护结构的内力计算,3 基坑围护结构的内力计算,图3-5 悬臂支护桩土压力分布,3 基坑围护结构的内力计算,图3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 图3-7 柏林地道工程土压力实测图,3 基坑围护结构的内力计算,基坑底桩前土压力计算取值 基
12、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=0.30.5。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.,3 基坑围护结构的内力计算,但为慎重起见
13、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=1.52.8；使墙后被动土压力减小的修正系数可取K=1.00.35。修正系数与土的内摩擦角有关，值越大，修正系数K越大,而K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。,3 基坑围护结构的内力计算,土的内聚力C、内摩擦角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，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%。,3 基坑围护结构的内力计算,主动土压力：被动土压力：
14、,3 基坑围护结构的内力计算,地面附加荷载传至n层土底面的竖向荷载qn,（1）地面满布均布荷载q0时，任何土层底面处：（2）离开挡土结构距离为a时,3 基坑围护结构的内力计算,(3)作用在面积为 与挡土结构平行）的地面荷载，离开挡土结构距离时。,3 基坑围护结构的内力计算,水压力,水压力，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。,3 基坑围护结构的内力计算,对比,砂土简化
15、计算，将水压力与土压力分别计算，并把水看作是：主动压力=静止压力=被动压力=h,3 基坑围护结构的内力计算,地下水无渗流时的水压力,3 基坑围护结构的内力计算,地下水有稳态渗流时的近似水压力,3 基坑围护结构的内力计算,3 基坑围护结构的内力计算,4 基坑稳定性验算,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。常见的基坑失稳的表现形式有：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。,4 基坑稳定性验算,4 基坑稳定性验算,4 基坑稳定性验算,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
16、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。,1.砂性土的边坡稳定：基坑抗滑安全系数 考虑动水压力时：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”。,4 基坑稳定性验算,基坑抗隆起稳定：（一）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。,4 基坑稳定性验算,滑动力矩：,4 基坑稳定性验算,滑动力矩：,基坑抗隆起稳定：（二）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：,4 基坑稳定性验算,4 基坑稳定性验算,整体稳定性
17、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。,4 基坑稳定性验算,基坑的整体失稳在下列情况常常发生，因而要进行验算。自然放坡的边坡(见前面边坡稳定性验算)。重力式挡土支护。锚杆支护体系。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。,4 基坑稳定性验算,重力式支护结构整体稳定核算 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
18、的力矩，,4 基坑稳定性验算,锚杆支护结构的整体稳定验算。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。,4 基坑稳定性验算,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。,4 基坑稳定性验算,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。,4 基坑稳定性验算,坑底抗渗流稳定验算 进行基坑降水时，由于基坑外水位差，导致
19、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。,4 基坑稳定性验算,教材图12-14是Terzaghipeck方法的计算简图。（12-19）由此推得：考虑到平均超静水头ha是个变化值，进行简化处理后得到：(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。,4 基坑稳定性验算,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。通过图12-15 可算得：引入安全系数后有
20、：式中 K安全系数，取K1.43,4 基坑稳定性验算,12.5.1 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降起；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。,5 基坑工程的变形计算,（一）实用计算方法（二）同济大学模型试验经验公式（12-27）由已知基底容许隆起量时求墙体入土深度：（12-28）,5 基坑工程的变形计算,上表是上海地区
21、基坑回弹的实测与计算的比较。内表列结果可见回弹值与开挖深度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。,5 基坑工程的变形计算,基坑围护墙外土体沉降估算 一般采用由基坑挡土墙的水平位移推算的方法。,5 基坑工程的变形计算,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。三角形沉降曲线式中：SW:墙体侧位移2.指数曲线最大沉降量：,5 基坑工程的变形计算,土层锚杆,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。,6 常见围护结构构
22、造设计,锚杆设计,1）锚杆承载力计算 2）锚杆杆体的截面面积,6 常见围护结构构造设计,3）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：,6 常见围护结构构造设计,（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0.500.65倍。（5）自由段计算长度,6 常见围护结构构造设计,6 常见围护结构构造设计,45+k/2,土钉墙,土钉墙由被加固土体、放置在土中
23、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。,6 常见围护结构构造设计,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,6 常见围护结构构造设计,1 土钉受拉承载力计算,受拉承载力,受拉荷载标准值,荷载折减系数,6 常见围护结构构造设计,2 土钉墙承载力计算,采用简化圆弧滑动条分法,6 常见围护结构构造设计,3 构 造,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
24、直径宜为610mm，间距宜为150300mm；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、级钢筋，钢筋直径宜为1632mm，钻孔直径宜为70120mm；,6 常见围护结构构造设计,水泥土墙设计,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1218m；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
25、高度，国内最深9m;,6 常见围护结构构造设计,水泥墙的结构形式,挡墙宽度为0.60.8开挖深度，桩长为开挖深度的1.8-2.2倍。,6 常见围护结构构造设计,3.6.1 土压力计算计算主动土压力和被动土压力3.6.2 抗倾覆计算3.6.3 抗滑移计算3.6.4 墙身应力验算3.6.5 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。,6 常见围护结构构造设计,1.土压力计算,墙后主动土压力,墙前被动土压力,6 常见围护结构构造设计,6 常见围护结构构造设计,2 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(1.01.1).,6 常
26、见围护结构构造设计,3 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：,6 常见围护结构构造设计,4.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：,6 常见围护结构构造设计,5 整体稳定计算k=1.25,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0.51.0米处)，采用圆弧滑动法计算图：,6 常见围护结构构造设计,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
27、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。搅拌桩挡墙设计计算实例（详见教材),6 常见围护结构构造设计,SMW,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610m，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。,6 常见围护结构构造设计,（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”,6 常见围护结构构造设计,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,6 常见围护结构构造设计,2.水泥土强度校核,“连续”截面剪力,6 常见围护结构构造设计,型钢“间隔”布置,验算拱的轴力强度,6 常见围护结构构造设计,
