《深基坑工程讲座》PPT课件.ppt

基坑工程讲座 （二）,同济大学 高大钊,深基坑工程设计计算,深基坑工程设计计算,基坑工程设计计算包括三个部分的内容，即稳定性验算、结构内力计算和变形计算。 稳定性验算是指分析土体或土体与围护结构一起保持稳定性的能力，包括整体稳定性、重力式挡墙的抗倾覆稳定及抗滑移稳定、坑底抗隆起稳定和抗渗流稳定等，基坑工程设计必须同时满足这几个方面的稳定性。,结构内力计算为结构设计提供内力值，包括弯矩、剪力等，不同体系的围护结构，其内力计算的方法是不同的；由于围护结构常常是多次超静定的，计算内力时需要对具体围护结构进行简化，不同的简化方法得到的内力不会相同，需要根据工程经验加以判断； 变形计算的目的则是为了减少对环境的影响，控制环境质量，变形计算内容包括围护结构的侧向位移、坑外地面的沉降和坑底隆起等项目。,稳定性验算,整体稳定性 边坡稳定性计算 重力式围护结构的整体稳定性计算 锚杆支护体系的整体稳定性计算 土钉墙的稳定性分析,抗倾覆、抗滑动稳定性 抗倾覆稳定性计算 抗水平滑动稳定性计算 土钉墙的浅层破坏 抗隆起稳定性 地基承载力验算 踢脚稳定性验算 剪力平衡验算,抗渗透破坏稳定性 抗渗流稳定性验算 承压水冲溃坑底（亦称为突涌）的验算,边坡稳定性验算,假定滑动面为圆弧 用条分法进行计算 不考虑土条间的作用力 最小安全系数为最危险滑动面,当坡面内有如图所示的渗流时，边坡稳定验算需要考虑动水力作用对维持边坡稳定带来不利影响。动水力的计算可以采用流网分析法或平均水力坡降法。采用平均水力坡降法计算时，a、b两点为浸润线与滑动面的交点，平均水力坡降就是ab线的斜率，作用在浸润线以下滑动土体上的总动水力T为,重力式围护结构的整体稳定性,重力式围护结构的整体稳定性计算应考虑两种破坏模式，一种是如图所示的滑动面通过挡墙的底部；另一种考虑圆弧切墙的整体稳定性，验算时需计算切墙阻力所产生的抗滑作用，即墙的抗剪强度所产生的抗滑力矩。,重力式围护结构可以看作是直立岸坡，滑动面通过重力式挡墙的后趾，其整体稳定性验算一般借鉴边坡稳定计算方法，当采用简单条分法时可按上面的公式验算整体稳定性。 上海市标准基坑工程设计规程规定，验算切墙滑弧安全系数时，可取墙体强度指标内摩擦角为零，粘聚力c=（1/151/10）qu。当水泥搅拌桩墙体的无侧限抗压强度qu1MPa时，可不考虑切墙破坏的模式。,锚杆支护体系的整体稳定性,两种不同的假定,一种是指锚杆支护体系连同体系内的土体共同沿着土体的某一深层滑裂面向下滑动，造成整体失稳，如左图所示；对于这一种失稳破坏，可采取上述土坡整体稳定的验算方法计算，按验算结果要求锚杆长度必须超过最危险滑动面，安全系数不小于1.50；,另一种是指由于锚杆支护体系的共同作用超出了土的承载能力，从而在围护结构底部向其拉结方向形成一条深层滑裂面，造成倾覆破坏，如右图所示。经常使用的验算方法是德国学者E.Kranz提出的“代替墙法”。,以单锚支护体系为例，如下图所示，代替墙法假定深层滑裂面是由直线bc段和cd段组成，其中b点取在围护墙底部，c点取在锚固段的中点，cd段是由c点向上作垂线与地面交于d点得到的。利用abcd范围内的力的平衡关系可以求解锚杆的极限抗力，安全系数定义为锚杆极限抗力的水平分力Th与锚杆设计水平分力的比值，要求不小于1.50。,显然，代替墙法是适用于锚固段在围护墙底部以上的情况，如图所示：图（a）中的全部锚杆都需要验算，图（b）中有两道锚杆需要验算，而图（c）中所有锚杆都深入围护墙底部以下，不需要进行此项验算。,土钉墙的稳定性分析,基本原理可分为极限平衡法和有限元法，但实用的大多为极限平衡法。极限平衡法的关键是如何确定破裂面的形状，有些方法建立在圆弧滑动的假定基础上考虑土钉的抗力，其安全系数的计算公式和边坡稳定的计算公式类似，只是加上土钉力的作用。,式中 Ti某位置土钉的拉力； 土钉轴线与土钉相交滑动面处切线间的夹角。,深圳地区建筑深基坑支护技术规范给出的验算整体稳定性公式中还考虑了由于土钉的轴向力在破裂面上增加的摩阻力，与前面的公式 相比，在抗滑力矩中增加了这项摩阻力，考虑到对破裂面的正压力不能全部发挥，故乘以经验系数。,四个土钉墙工程破裂面的实测数据，并与按对数螺旋线破裂面假定的计算结果进行了比较。,针对土钉墙的极限平衡分析提出了考虑土钉拉力的修正条分法，该法同时考虑滑动土条的径向平衡条件和切向平衡条件，在抗滑力矩中计入土钉的拉力和切力，得到安全系数的表达式。,抗倾覆、抗滑动稳定性,验算围护结构抗倾覆稳定性的前提是需要确知围护结构的转点位置，在工程设计时为了简化的目的通常假定围护结构绕其前趾转动，得到相应的计算公式。 这对于土层地质条件比较好的情况下基本上是合理的、适用的，但对于相反的情况（如在软弱土地质条件下）有可能会得出：围护结构的插入比（D/H）越大、计算得到的安全系数越低的结论，显然这是不符合常规的经验判断，其问题实质就在于转点位置选择的正确与否。,挡墙倾覆失稳可能有三种情况。第一种是绕前趾转动，当地基很坚硬且具有足够的抗滑力时可能出现这种情况；第二种是绕后踵转动，当地基很软且具有高压缩性时可能出现这种情况；第三种情况是绕墙底某一点转动，而且转动中心可能逐渐朝墙背方向移动，最终造成倾覆破坏。,根据对上述第三种情况的分析，通过墙底中部的转动点作一垂线将挡墙分为两个部分，如图所示，左边的部分形成倾覆力矩，右边的部分形成稳定力矩，同时由于转动点左边挡墙底部的下压，在挡墙底面必然作用着形成稳定力矩的反力，反力的最大值是地基的极限承载力。,式中 W1、W2分别为转动中心点垂线两边的挡墙重, W1+W2=W0，kN； l1、l2分别为W1和W2对转动中心的力臂, l1+l2=B，m； B0转动中心至墙前趾的距离，m； pu 由抗剪强度指标计算的地基极限承载力，kPa。,抗水平滑动稳定性计算,式中f 为围护结构底部的摩阻力，由于摩擦系数的取值与围护结构的材料及土的工程性质直接有关，因此设计人员应当结合工程实际选取合理的值。,深圳地区建筑深基坑支护技术规范和武汉地区深基坑工程技术指南给出了如下几种土类的摩擦系数经验值： 淤泥质土： = 0.200.25 粘性土： = 0.250.40 砂 土： = 0.400.50 岩 石： = 0.500.70,土钉墙的浅层破坏,在土钉墙不发生整体失稳的条件下，尚需验算土钉墙向坑内的倾覆破坏，即浅层破坏。提出了土钉墙内部失稳极限平衡分析方法，认为支护面层上部位移大，土钉墙发生近似绕墙趾转动的位移。当达到临界开挖深度时，土体强度已全部发挥出来，很大部分荷载由土-土钉界面转移至土钉体上，若此时土钉破坏或被拔出，土钉墙主动区将绕墙趾向内侧转动而失稳，属浅层破坏。,抗隆起稳定性,抗隆起稳定性的验算是基坑设计的一个主要内容，如果坑底发生过大的隆起，将会导致墙后地面下沉，影响环境安全。但抗隆起稳定性验算的方法很多，基本假定和思路不完全一样，计算的结果也就相差比较大。一般常用的方法，如地基承载力验算、踢脚稳定性验算、剪力平衡验算等。,地基承载力验算,踢脚稳定性验算 （即土压力平衡验算）,踢脚稳定性是一种形象的名称，描述围护结构绕最下一道支撑转动，墙顶向墙后方倾倒，墙的下端向坑内朝上翻起，使坑底隆起的破坏，如图所示。有些地方称为抗倾覆稳定验算，其实这个名称并不合适，与约定俗成的叫法矛盾，一般将挡墙向坑内移动称为前倾，向坑外移动称为后仰。从验算的实质来看，称为抗隆起的土压力平衡验算比较合适。,该法要求验算最下道支撑面以下主、被动土压力绕点即最下道支撑的力矩平衡问题，安全系数定义为：,剪力平衡验算,假定在土体1-2-3-4区域内的自重及超载作用下，其下的软土地基将沿圆柱面4-5-6发生剪切破坏而产生滑动，此时转动力矩为：,滑动力矩：,而抗滑力矩则以滑动面3-4-5-6上地基土的剪切强度对0 点取矩，为：,安全系数为：,原则上 值宜根据场地条件通过采用合理的土工试验进行确定，但是，由于滑动面上各点的应力状态及排水条件等各不相同且加之试验条件、经费等的局限，完全依赖试验在多数情况下是不现实的，因此，实用上设计人员又不得不寻求简化方法。在关于 的取值方法大致经历了两个阶段： 起初，对于均质土假定滑动面上各点的 相等：,把 定义为：地基土的不排水剪切强度或在饱和软土中取 c。 显然，若按照地基土的不排水剪切强度或在饱和软土中取 c进行验算，在软弱土地区很难达到验算要求，而这样的验算结果往往也不符合实际的经验判断。,因此，在80年代初，根据上海软土的实际工程性质，提出滑动面上土体的剪切强度应按tanc计算，其中法向应力的选用原则为：在3-4面上近似取 zka，ka为主动土压力系数；在4-5面上法向应力由两部分组成，即土体自重在滑动面法向上的分力加上该处主动土压力在滑动面法向上的分力；在5-6面上法向应力的计算原则与4-5面相同。,由此可得抗滑动力矩为：,上海市标准基坑工程设计规程将上述地基承载力验算和剪力平衡验算两种方法并列为抗隆起验算的必要内容，而将土压力平衡验算方法作为抗倾覆稳定验算的内容，小圆弧的中心设在第一道支撑处。,深圳地区建筑深基坑支护技术规范只采用地基承载力验算方法计算抗隆起稳定性，其验算公式采用Caguot公式，适用于砂土，对于粘性土可采用等效内摩擦角的办法处理。 建筑基坑工程技术规范将地基承载力验算和剪力平衡验算两种方法并列为抗隆起验算的必要内容，但小圆弧的中心在基坑底面。后两本标准都没有验算抗踢脚稳定性的要求。,抗渗透破坏稳定性,渗透破坏主要表现为管涌、流土（俗称流砂）和突涌。这三种渗透破坏的机理是不同的，但在一些书籍中，将流土的验算叫作管涌验算，混淆了概念。 管涌是指在渗透水流作用下，土中细粒在粗粒所形成的孔隙通道中被移动，流失，土的孔隙不断扩大，渗流量也随之加大，最终导致土体内形成贯通的渗流通道，土体发生破坏的现象。而流土则是指在向上的渗流水流作用下，表层局部范围的土体和土颗粒同时发生悬浮、移动的现象。,流土发生的条件： 管涌是一个渐进破坏的过程，可以发生在任何方向渗流的逸出处，这时常见混水流出，或水中带出细粒；也可以发生在土体内部。在一定级配的（特别是级配不连续的）砂土中常有发生，其水力坡降i=0.10.4，对于不均匀系数Cu10的均匀砂土，更多的是发生流土。,管涌和流土是两个不同的概念，发生的土质条件和水力条件不同，破坏的现象也不相同。有些规范中规定验算的条件实际上是验算流土是否发生的水力条件，而不是管涌发生的条件。在基坑工程中，有时也会发生管涌，主要取决于土质条件，只要级配条件满足，在水力坡降较小的条件下也会产生管涌。,抗渗流稳定性验算,要避免基坑发生流土破坏，需要在渗流出口处保证满足下式 计算水力坡降时，渗流路径可近似地取最短的路径即紧贴围护结构位置的路线以求得最大水力坡降值。,抗流土安全系数 抗渗流稳定安全系数K的取值带有很大的地区经验性，如深圳地区建筑深基坑支护技术规范规定，对于一、二、三级支护工程，分别取3.00、2.75、2.50；上海市标准基坑工程设计规程规定，当墙底土为砂土、砂质粉土或有明显的砂性土夹层时取3.0 ，其它土层取2.0。,围护结构内力计算,计算围护结构内力主要是为了确定结构截面尺寸和配筋。 围护结构内力的计算是一个比较复杂的问题，墙体的内力与支锚条件密切相关，也是与土体相互作用的结果，现行的计算方法都作了各种简化，是近似的解答； 工程技术人员主要依据结构力学的概念，采用结构力学的方法处理问题，虽然不太严格，但由于具备基本的合理性和适于手工运算的特点现在仍被广泛使用。,重力式围护结构,重力式围护结构的截面尺寸通过稳定性验算确定后，尚需对结构体的强度进行校验。,板式围护结构,板式围护结构又称为板墙式或板桩式围护结构，包括分离式排桩、密排式排桩、板桩和地下连续墙等围护结构的型式，这些围护结构在计算结构内力时其假定和方法基本上是相同或相似的，可以作为一类问题进行讨论。内容包括悬臂式、撑锚式两大类，从计算方法分可分为极限平衡法、有限元法两种，在有限元法中又可分为杆件系统有限元法和连续介质有限元法。,极限平衡法假定作用在围护结构前后墙上的土压力分布达到被动土压力和主动土压力，在此基础上再进行力学简化，将超静定问题作为静定问题求解。等值梁法和静力平衡法等都属于这一类。 极限平衡法在力学上的缺陷比较明显，没有反映施工过程中墙体受力的连续性，只是一种近似，支撑层数越多、土层越软、墙体刚度越大，则计算结果与实际的差别越大。使用极限平衡法时，需要结合工程经验对土压力和计算结果进行修正。,无撑(锚)板式围护结构(悬臂式),悬臂式围护结构是最简单的一种板式围护结构，其受力特点主要依靠土的嵌固作用保持围护结构的平衡，由于在土体中插入深度不同，围护结构在土中部分的变形性质也不一样，从而得出不同的土压力分布图式，求得的结果也不相同。,悬臂式围护结构的受力情况,1.如嵌固条件足够，围护结构的下端可以保持不移动，在墙的两侧的土压力的分布如图b所示，相互抵消以后净土压力分布见图c； 2.从围护结构端部的变形和墙的受力平衡来看，墙的端部必然产生向坑外的土压力，其值等于坑外在端部深度处的被动土压力和坑内该点主动土压力之差。,依据作用在围护结构上水平力平衡和各水平力对围护结构底端力矩平衡的条件建立联立方程，可以求解插入深度。,插入深度D确定后，自上而下通过计算寻找到剪力零点位置（此处弯矩为最大），从而可以计算出围护结构的最大弯矩。在强度验算时，还要考虑到悬臂式围护结构变形控制的要求，安全系数K一般取2.0，即,有撑（锚）式围护结构,以单撑（锚）支护结构为例，如下图所示，应用等值梁计算支护结构的内力时，需要得知正负弯矩的转折点位置，由于该转折点位置与开挖面下的土压力强度零点很接近，故实用上就取开挖面下的土压力合力强度零点C来代替正负弯矩的转折点。,等值梁法的原理可由下图进行说明，图（a）中的ad代表一个一端自由、一端固定的荷重梁，图（b）表示该梁的弯矩图，在正负弯矩的转折点处以c点表示，若将该梁在c点截断并设置一个自由支点，如图（c）所示，ac梁上的弯矩将保持不变，此时，ac梁即为ad梁的等值梁。,a,b,c,1. 计算围护结构两侧主动土压力和被动土压力叠加以后的净土压力分布，求出土压力零点C； 2. 计算C点以上土压力的合力Ea； 3.计算C点以上土压力合力对C点的力矩Ma，根据静定梁的解就可以很容易的计算出反力RA和R0； 4.计算支撑或锚杆的反力RA,5.计算C点的反力R 0 6. 墙在土压力零点以下的插入深度t0根据坑内侧t0区间上净被动土压力和R0对围护结构底端D点的力矩相等的原则进行确定,内支撑内力计算,1）支撑轴向力按围护结构沿长度方向分布的水平反力乘以支撑中心距；当围檩与支撑斜交时，水平反力取支撑长度方向的投影； 2）在垂直荷载作用下，支撑的内力和变形可近似按单跨或多跨梁分析，其计算跨度取相邻立柱中心距；,3）立柱的轴向力可取纵横向支撑的支座反力之和； 4）混凝土围檩在水平力作用下的内力和变形按多跨连续梁计算，计算跨度取相邻支撑点的中心距； 5）钢围檩的内力和变形宜按简支梁计算，计算跨度取相邻水平支撑的中心距； 6）当水平支撑与围檩斜交时，尚应考虑水平力在围檩长度方向产生的轴向力作用。,对于较为复杂的平面支撑体系，宜按空间杆系模型计算。通常将支撑结构视为平面框架，从支护结构体系中截离出来，在截离处加上相应的围护结构内力，以及作用在支撑上的其它荷载，用空间杆系模型进行分析。为了简化计算，加在截离处的内力只考虑由围护结构静力计算确定的沿围檩长度方向正交分布的水平力，对于其它的内力或变形则通过设置约束来代替。计算模型的边界可按下列原则确定：,1） 在水平支撑与围檩或立柱交点处，以及围檩的转角处分别设置竖向铰支座或弹簧； 2） 基坑四周与围檩长度方向正交的水平荷载不是均匀分布或支撑结构布置不对称时，可在适当位置上设置防止模型整体平移或转动的水平约束。,基坑变形估算,对环境的影响主要是基坑的变形，围护结构的水平位移和坑底的隆起变形过大，会引发墙后地面的下陷、相邻建筑物和地下管线的变形或开裂。因此必须估算基坑的变形，将变形控制在允许的范围内。但围护结构的变形计算比承载能力计算更为复杂，通常需要作许多简化假定才能求得变形值。,重力式围护结构水平位移计算,由水泥土搅拌桩、旋喷桩等构成的重力式围护结构，由于其自身刚度较大，因此可按刚性体分析变位规律。 公式适用于插入深度D=(0.81.2)H，围护结构宽度B=(0.61.0)H的围护结构。,式中 围护结构顶部水平位移估算值，cm ； L 基坑的最大边长，m ； H 基坑开挖深度，m ； D 围护结构的插入深度，m ； B 围护结构的宽度，m ； 施工质量系数，根据经验取0.81.5，质量越好，取值越小。,悬臂支护桩桩顶位移计算,悬臂支护桩桩顶位移的计算比重力式搅拌桩复杂，由于悬臂支护桩是柔性桩，在外力作用下桩身产生变形，桩和土体之间的接触应力随桩身的变形而变化。 将坑底以上部分的桩身看作一根在坑底处嵌固的悬臂梁，在坑外水土压力作用下产生挠曲，其值可以求得；插入坑底以下部分的桩身可以用承受水平荷载桩的m法计算。,地表沉陷量计算,（a）所示的沉陷发生在围护结构的端部产生向基坑内的移动，由此引起的地面沉陷比较大，但最大值的位置靠近围护结构，主要的变形区分布在基坑附近，对于这种情况的地表沉降可采用下式计算 式中 为地表沉降量与基坑开挖深度的比值（%），具体数值可从图中查得； 为考虑围护结构刚度及施工工艺的修正系数，地下连续墙 =0.3，柱列式围护结构 =0.7，板桩墙 =1.0；为基坑开挖深度(m)。从图可以求得沉陷分布的范围和沉陷量。,（b）所示的围护结构的端部基本没有产生位移，理论上，地表土体沉陷与围护结构的侧向水平变形及坑底隆起有直接联系，由于围护结构的变形和坑底可能的隆起引起地面的下陷。 但由于目前还没有很好的方法计算坑底隆起的影响，只是考虑了围护结构的侧向水平变形与地表土体沉陷的关系，即通过： 在围护结构侧向水平变形曲线所包络的面积与地表沉陷曲线所包络的面积之间建立某种对应关系， 利用合理的数学模型拟和地表沉陷曲线，从而可以近似求解地表的最大沉陷量，其中围护结构侧向水平变形曲线可以通过杆系有限元方法进行求解。,估算地表沉陷的指数函数分布,围护结构侧向水平变形曲线所包络的面积Sh与地表沉陷曲线所包络的面积Sv相等。,与围护结构顶部相邻的地表沉陷量,地表沉陷的影响区间,坑底隆起变形计算,坑底隆起的变形计算包括两个方面的概念，一是由于基坑开挖卸荷产生的回弹隆起变形，另一种是坑底塑流产生的隆起变形，这是两种不同的变形。工程实测的隆起或回弹变形实际上包括了这两部分变形分量，在土质比较软弱的条件下塑流可能是主要的，在土质较好的地区，卸荷回弹可能是主要的变形。对于前一种变形，计算的机理比较清楚，主要是计算指标的试验和确定方法将会影响计算的结果；后一种变形很难用解析的方法计算，采用有限元方法可以计算由于塑流引起的坑底隆起量。,式中 坑底隆起变形估算值，cm ； c、 和分别为土的粘聚力（kg/cm2）、内摩擦角（）和容重（t/m3）； q 地表超载（t/m2）； H和D 分别为基坑开挖深度和围护结构的插入深度（m）。,深基坑工程施工图设计,深基坑工程施工图设计是指在基坑总体方案确定以后，根据总体方案规定的原则进行施工图设计以供实施。主要包括确定基坑以及围护结构各种几何尺寸、进行截面强度验算与配筋、选用合理的构造与节点处理、形成施工图纸与文字说明。,1.基坑边坡设计； 2.土钉墙设计； 3.板式围护结构设计，包括板桩、水泥土围护结构、排桩式围护结构、地下连续墙和拱圈式围护结构； 4.内支撑体系设计； 5.锚杆体系设计。,基坑边坡设计,对于适宜于放坡的基坑，其坡度可参考同类土的稳定坡度确定；对于土质比较均匀的基坑边坡，也可按下表的要求确定开挖放坡坡度及坡高，以确保基坑的稳定性与安全。当采用分级放坡开挖时，应设置分级过渡平台。对于深度大于5m的土质边坡，各级过渡平台的宽度宜取为1.01.5m，小于5m坡高的土质边坡可不设过渡平台。,基坑边坡设计时，除了满足沿最危险圆弧滑裂面破坏的整体稳定性的要求，一般在坡面还要进行保护性处理，以免施工活动对边坡土体的扰动及地表水和降水等因素对边坡的浸蚀和冲刷导致边坡破坏。保护处理的方法有水泥抹面、铺塑料布或土工布、挂网喷水泥浆、喷射混凝土护面等。,对于较高坡面的下段，或坡脚下土层含有软弱下卧层或砂层时，可对土体采取加固措施，如土钉支护、螺旋锚、喷锚等，或采取适当的坡脚地基加固措施，如在坡脚堆砌草袋或土工布砂土袋以及切筑砖石砌体等，以免出现坡脚失稳或流砂。,土钉支护设计,随基坑逐层开挖，在边坡上以较密排列（上下左右）打入土钉（钢筋）以强化受力土体，并在土钉坡面铺设钢筋网分层喷射混凝土，从而实现挡土护坡的功能，这就是土钉支护，也称土钉墙，,设计原则与构造要求,1一般用于基坑开挖深度在15m以内的边坡，坡角为7090； 2土钉长度一般为开挖深度的0.51.2倍，其间距宜取12m，土钉与水平面夹角宜取1020； 3为保证土钉与护坡面层的有效连接，常设有承压板和加强钢筋；,4土钉一般采用级以上螺纹钢筋，钢筋直径为1632 mm，钻孔直径为70120 mm； 5喷射混凝土面层厚度一般为80200 mm，钢筋网采用级钢筋610 mm，间距为150300 mm，混凝土强度等级不宜低于C20； 6注浆材料宜采用水泥净浆，强度不低于20Mpa。,土钉设计,1边坡最危险滑动面计算，以确定最危险滑动面的位置，便于布置土钉，计算时可以允许安全系数小于1.0 。 2土钉抗拔验算 土钉抗拔按下式验算：,围护结构设计,水泥搅拌桩重力式围护结构的设计包括围护墙几何尺寸的确定、水泥搅拌桩体的布置及截面验算等。,（一）水泥搅拌桩墙体尺寸 水泥搅拌桩墙体的深度和宽度一般根据基坑的开挖深度、土质条件按经验规则选用：坑底以下的插入深度D=（0.81.2）H，墙体宽度B=（0.61.0）H，（H为基坑的开挖深度）。然后经基坑整体稳定性、坑底隆起稳定性、抗渗流稳定性验算确定基坑底面下的插入深度，由抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性验算确定宽度。,（二）水泥搅拌桩体的布置形式 目前，施工单位基本上都是使用SJB-1型和仿SJB-1型双轴搅拌机，每轴直径700mm、双轴中心距500mm，形成了宽700mm、长1200mm的“”形加固截面，因此水泥土围护结构断面就是由众多“”形单元组成。用于基坑围护的水泥土加固体的断面主要采用了格栅式布置，常用的格栅式断面形式见图。,截面验算,上海市标准基坑工程设计规程规定验算坑底标高处的应力，验算的要求是截面外侧的边缘应力大于零，即不允许出现拉应力；内侧的边缘应力应符合下式：,行业标准建筑深基坑工程技术规范则提出了任意断面的墙身应力验算要求，规定最小边缘应力必须大于零，即不允许出现拉应力；任意断面的最大边缘应力由下式计算：,关于构造和材料的规定,为了增强水泥土搅拌桩墙体的整体性，搅拌桩之间的搭接不小于200mm。并通常在顶部设置钢筋混凝土的压顶圈梁，也称为压板。其厚度一般为0.2m ,宽度至少与墙身的宽度一致，也可以与坑外的施工道路的路面连成整体。圈梁与水泥搅拌桩之间用插筋连接，插筋直径不小于12mm，插入搅拌桩顶的深度不小于1.0m，每根搅拌桩中部设置一根插筋，并与压板的水平筋绑扎。 水泥土中的水泥掺量不宜小于15%，水泥标号不低于425号。水泥土28天龄期的无侧限抗压强度不宜低于1MPa。,板桩式围护结构设计,板桩是最早使用的围护结构，包括钢板桩和钢筋混凝土板桩。预制的板桩施工方便，工期短；材料质量可靠，在软弱土层中施工速度快，并具有较好的止水性，可以拔出回收多次重复使用，降低成本等优点。但因板桩的刚度比较小，围护结构的变形比较大，只适用于开挖深度不深的基坑，也不适宜应用于变形控制严格的基坑；钢板桩拔出时又会产生附加的变形，不利于环境保护。,钢板桩,钢板桩是带锁口的热轧型钢，钢板桩靠锁口或钳口相互连接咬合，形成连续的围护结构实现来挡土止水功能。,排桩式围护结构设计,排桩式围护结构主要指采用钻孔灌注桩或人工挖孔桩组成的墙体。与地下连续墙相比，其优点在于施工工艺简单，成本低，平面布置灵活；缺点是防渗和整体性较差。对于地下水位较高的地区，排桩式围护结构必须与止水帷幕相结合使用，在这种情况下，防水效果的好坏，直接关系到基坑工程的成败，须认真对待。,桩排式围护结构设计是在肯定总体方案的前提下进行，此时，挖土、围护型式、支撑布置、降水等问题都已确定，围护结构设计的目的是确定围护桩的长度、直径、排列以及截面配筋，对于坑内降水的基坑，还要设计止水帷幕。,围护桩的布置和材料,1材料：钻孔灌注桩通常采用水下浇筑混凝土的施工工艺，混凝土强度等级不宜低于C20（常取C30），所用水泥通常为425#或525#普通硅酸盐水泥。钢筋采用I级圆钢和II级螺纹钢。,2桩体布置：如图所示，当基坑不考虑防水（或已采取了降水措施时），桩体可按一字形间隔排列或相切排列，间隔排列的间距常取2.53.5倍的桩径，土质较好时，可利用桩侧“土拱”作用适当扩大桩距；当基坑需考虑防水时，可按一字形搭接排列，也可按间隔或相切排列，外加防水帷幕。,3防渗措施：钻孔灌注桩排桩墙体防渗可采取两种方式：一是将钻孔桩体相互搭接，二是另增设防水抗渗结构。前一种方式对施工要求较高，且由于桩位，桩垂直度等的编差所引志的墙体渗漏水仍难以完全避免，所以在水位较高的软土地区，一般采用后一种方式，此时，桩体间可留100150mm施工间隙。具体的防渗止水方法主要有： 桩间压密注浆； 桩间高压旋喷； 水泥搅拌桩墙。,确定围护桩的几何尺寸,1. 围护桩的长度 围护桩的长度由基坑底面以上部分和以下部分组成，基坑底面以下部分称为插入深度。插入深度取决于基坑开挖深度和土质条件，所确定的插入深度应满足基坑整体稳定、抗渗流稳定、抗隆起稳定以及围护墙静力平衡的要求。设计时，先按经验选用，然后进行各种验算。,2. 围护桩的直径 围护桩的直径也取决于开挖深度和土质条件，一般根据经验选用。 在钻孔灌注桩合理使用的开挖深度范围内，桩径变化范围从8001100mm；对于开挖深度在10m以内的基坑，桩径一般不超过900mm；开挖深度大于11m的基坑，桩径一般不小于1000mm。,3排桩式围护结构的折算厚度 排桩式围护结构虽由单个桩体组成，但其受力形式与地下连续墙类似。分析时，可将桩体与壁式地下连续墙按抗弯刚度相等的原则等价为一定厚度的壁式地下墙进行内力计算，称之为等刚度法。,若采用一字相切排列，td，则h=0.838d。这样，即可按厚度为h的壁式地下墙计算出每延米墙之内力、及位移，然后利用下式换算得相应单桩的内力、及位移，由此，可按钢筋混凝土圆形截面构件进行配筋。,桩身的构造与配筋,桩身纵向受力主筋一般要求沿圆截面周边均匀布置，最小配筋率为0.42%且不少于6根，主筋保护层不应小于50mm。箍筋宜采用68螺旋箍筋，间距一般为200300mm，每隔15002000mm应布置一根直径不小于12mm的焊接加强箍筋，以增强钢筋笼的整体刚度，有利于钢筋笼吊放和水下浇灌混凝土。钢筋笼底端一般距离孔底200500mm。,桩身纵向钢筋应按基坑开挖各阶段与地下室施工期间各种工况下桩的弯矩包络图配筋，当地质条件或其它因素复杂时也可按最大弯矩通长配筋。 1. 桩身作为一个构件，配筋应满足截面承载力的要求。桩身截面的内力主要由土压力产生的，计算土压力的抗剪强度指标是标准值，因此求得的桩身内力也是标准值。但截面承载力是由混凝土规范所提供的混凝土和钢筋的强度设计值组成的。这就使得设计表达式两侧的设计变量的性质不一致，必须加以调整。,2.计算桩身内力时一般按平面问题处理，求得的是每延米围护墙的内力。但桩身截面配筋是按每根桩计算的，这里有一个内力数值的换算问题，即将每延米的内力换算为每根桩的内力。设桩径为d，桩的间距为t，则每根桩的内力等于每延米的内力乘以（d+t），计算时（d+t）以m计。,3. 当有可靠措施保证钢筋笼的正确方位时可按弯矩方向采用沿圆周非均匀分布形式配筋；但无可靠措施保证时，宜采用沿圆周均匀配筋以保证安全。,防渗帷幕设计,防渗帷幕设计时，帷幕的插入深度应满足防渗稳定性验算的要求，帷幕的插入深度可以与钻孔灌注桩的深度不同；当深层有不透水层或弱透水层时，防渗帷幕宜深入不透水层或弱透水层一定深度，以提高防渗效果。防渗帷幕的厚度不作计算，一般取单排搅拌桩。防渗帷幕的效果主要取决于施工的质量，包括搅拌的均匀程度和接头的搭接程度，在设计文件中应对施工提出要求。,地下连续墙设计,地下连续墙设计包括墙的入土深度、墙的厚度、槽段的分段、接头设计等内容。 地下连续墙的插入深度按围护结构的静力平衡条件确定，并分别按基坑稳定性验算及墙体变形控制要求进行校核。基坑稳定性验算方法和墙身内力、变形计算方法均与排桩式围护结构相同，通常采用杆系有限元法计算结构内力和变形；,地下连续墙兼有挡土和防渗两个功能，故验算基坑稳定性时，同时考虑保持结构稳定和满足防渗两方面的要求。墙身设计时亦需同时考虑这两方面的要求，既满足墙身结构强度的要求，也要满足墙身及接头防渗的要求。,墙的厚度及槽段划分,地下连续墙的厚度应由计算确定，并与成槽机的能力相适应。一般情况下现浇钢筋混凝土地下连续墙的厚度可选用6001000mm；预制钢筋混凝土地下连续墙的厚度不宜大于500mm。 地下连续墙单元槽段的平面性状和槽段长度应根据墙体受力情况、施工条件和环境条件而定。平面性状根据需要选用一字形、L形、T形或折线形等；单元槽段长度在保证槽壁稳定和满足施工设备能力的条件下，宜尽量采用较大的槽段长度，一般可取68m。,接头设计,地下连续墙施工要划分单元槽段，槽段之间就有接头，这种接头是施工时必须有的，称之为施工接头，常用的有锁口管接头和接头箱接头。另一种是在地下墙完成后与梁板柱的接头是为结构接头，常用的方法有预埋连接钢筋法、预埋连接钢板法和预埋剪力连接件法。划分单元槽段时必须考虑槽段之间的接头位置，以保证地下连续墙的整体性。,一般情况下，接头的位置要避免设在转角以及墙内部结构的连接处。对接头的要求： 1不能妨碍下一单元槽段的挖掘； 2能传递单元槽段之间的应力，起到伸缩接头的作用； 3混凝土不得从接头下端流向背面，也不得从接头构造物与槽壁之间流向背面； 4在接头表面上不应粘附沉渣或变质泥浆的胶凝物，以免造成强度降低或漏水； 5造价便宜。,地下连续墙槽段之间的施工接头的构造应便于施工，一般可采用不传递应力的普通接头；在下列情况时，应采用专门接头： 1. 当防水要求较高时应采用防水接头； 2. 当接头间需要传递面内剪力时，可采用带穿孔的十字钢板抗剪接头； 3. 当接头间要求传递面外剪力或弯矩时，可采用带端板的钢筋搭接接头，将地下连续墙连成整体；,地下连续墙的配筋与构造,地下连续墙的受力钢筋应采用II级钢筋，直径不宜小于16mm，构造钢筋可采用I级钢筋，直径不宜小于12mm；预制地下连续墙的构造钢筋直径不宜小于10mm。 单元槽段的钢筋笼应装配成一个整体。槽深小于30m的地下连续墙的钢筋笼宜整幅起吊入槽；需要分段时，宜采用焊接接头。接头位置应选在受力较小处。且宜相互错开，搭接长度不小于45d（d为钢筋直径）；当在同一断面搭接时，最小搭接长度为70d，且不小于1.5m。,现浇地下连续墙主筋的净保护层厚度不应小于70mm，预制地下连续墙主筋净保护层厚度不应小于30mm。 地下连续墙内预埋的与主体结构水平构件主筋连接的钢筋应采用I级钢筋，直径不宜大于25mm，间距不小于150mm，钢筋板直后不得留有硬弯。 钢筋笼端部与接头管或相邻槽段混凝土接触面之间应留有间隙，一般不大于150mm，钢筋笼下端500mm长度范围内宜按1:10收成闭合状。,钢筋笼下端与槽底之间宜留有不小于500mm的间隙。 当地下连续墙的支撑体系不设围檩时，墙体的横向配筋应 适当加强，其与支撑的接触部位应满足抗冲切要求。 地下连续墙围护结构的墙顶通常设置钢筋混凝土圈梁，围檩可采用钢筋混凝土与型钢结构。顶圈梁和围檩都必须与地下连续墙可靠固定。,地下连续墙墙体混凝土的抗渗等级应 根据最大作用水头与地下连续墙厚度之比按表27-10选用；当墙段之间的接缝不设止水带时，应选用锁口圆弧形、槽形或V型等防渗止水接头，其接头面必须严格清刷。,槽壁稳定计算,泥浆护壁稳定性计算是地下连续墙工艺的一项重要内容，它主要用来确定在深度已知条件下的设计分段长度。下面仅介绍一种理论分析法，即抛物线圆柱体法。 假设土体沿抛物线圆桩体形状下滑。该槽段设计长度为b，深度为z，抛物线顶点距离槽壁边线为h，,内支撑设计,内支撑设计与一般的结构构件设计相比，其主要差别在于其结构体系随基坑的形状、开挖深度及施工条件而异。其内力并随围护结构的变形而变化，由基坑工程施工期间的最不利情况控制设计，在内力确定的情况下，支撑构件的截面验算与一般结构构件设计无异。,内支撑设计一般包括下列内容： 1）材料选择和结构体系的布置； 2）结构的内力和变形计算； 3）构件的强度和稳定验算； 4）构件的节点设计； 5) 结构的安装与拆除设计。,支撑体系的布置与构造要求,支撑体系由围檩、支撑杆件或桁架，立柱及立柱桩等构件组成。支撑体系的布置实例见图， 图中显示了围护结构、圈梁、支撑与立柱的关系，图中还给出了地下室各层的位置，支撑布置时应考虑地下室底板及楼板的标高，留出足够的避免施工时的相互干扰。,1围檩 围檩又称为腰粱，是直接与围护结构相连，将作用在围护结构上的水土压力传递给支撑结构的传力构件。围檩的刚度对整个支撑结构的刚度影响很大，所以一般在设计中应十分注意围檩构件的设置与截面设计。围檩的材料可以用钢或钢筋混凝土，不同材料制成的围檩，其设计要求不完全相同。,钢围檩的截面宽度应大于300mm，可以采用H钢、工字钢或槽钢以及它们的组合截面。钢围檩的现场拼装点应尽量设置在支撑点附近，不应超过围檩计算跨度的三分点。钢围檩的分段预制长度不应小于支撑间距的二倍。 由于围护墙的表面不十分平整，为了使围檩与围护墙结合紧密，防止围檩截面产生扭曲，钢围檩与混凝土围护墙之间应留设宽度不小于60mm的水平通长空隙，其间用不低于C30的细石混凝土填嵌。,钢围檩安装前应在围护墙上设置安装牛腿。安装牛腿可用角钢或直径不小于25mm的钢筋与围护墙主筋后预埋件焊接组成钢筋牛腿，其间距不应大于2m，牛腿焊缝由计算确定。 如支撑与围檩斜交，在围檩与围护墙之间应设置经过验算的剪力传递构造。,混凝土围檩截面高度（水平向尺寸）不应小于其水平方向计算跨度的1/8；围檩的截面宽度不应小于支撑的截面高度。围檩的纵向钢筋直径不宜小于16mm，沿截面四周纵向钢筋的最大间距应小于200mm。箍筋直径不应小于8mm，间距不大于250mm。支撑的纵向钢筋在围檩内的锚固长度不宜小于30倍的钢筋直径。,混凝土围檩与围护墙之间不留水平间隙。在竖向平面内围檩可采用吊筋与围护墙连接，吊筋的间距一般不大于1.5m，直径应根据围檩尺寸及支撑的自重，由计算确定。 地下连续墙墙体与围檩之间需要传递剪力时，可在墙体上沿围檩长度方向预留按计算确定的剪力槽或受剪钢筋。 基坑平面转角处的纵横向围檩应按刚节点处理。,2.支撑 支撑主要是受压构件，支撑相对于受荷面来说有垂直于荷载面和倾斜于荷载面二种，对于斜支撑要注意支撑和围檩连接节点的力的平衡，由于支撑还受到自重和施工荷载的作用，实际上是压弯杆件，这种力学上的非线性问题，在施工实践中常将它简化为线性问题来解决，但必须考虑到此种因素对安全度的降低。当支撑设计成桁架时，桁架的腹杆应该按其受力情况合理地选择断面尺寸和杆件材料，以求节省费用，方便施工。,支撑按材料分有：钢支撑（钢管支撑，型钢支撑），钢筋混凝土支撑以及钢支撑和钢筋混凝土共存的组合支撑； 按平面布置形式分有：水平框架式支撑，角撑、水平桁架式支撑，斜撑，大直径环梁与边桁架相结合的支撑及钢筋混凝土支撑与钢支撑并存的混合支撑等；,按受力特点分有：单跨压杆式支撑，多跨压杆式支撑和双向多跨压杆式支撑，如图所示。这些支撑在实践中都有各自的特点和不足之处，以其材料种类分析，钢支撑便于安装和折拆除，材料的消耗量小，可以施加预应力以合理地控制基坑变形，钢支撑施工速度较快，有利于缩短工期，但是钢支撑系统的整体刚度较弱，由于要在两个方向上施加预紧力，所以纵横杆件之间的连接始终处于铰接状态，形不成整体刚接。,钢筋混凝土支撑结构整体刚度好，变形小，安全可靠，但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。 为保证内支撑的构件有足够的刚度，规范规定支撑构件的长细比应不大于75，连系构件的长细比应不大于120。,单跨压杆,多跨压杆,1）钢支撑 钢支撑的截面可以采用H钢、钢管、工字钢与槽钢，以及其组合截面； 钢支撑的现场安装节点应尽量设置在纵横向支撑的交汇点附近。纵向和横向支撑的交汇点宜在同一标高上连接，当采用重叠连接时，其连接构造及连接件的强度应满足支撑在平面内的稳定要求。 相邻横向（或纵向）水平支撑之间的纵向（或横向）支撑的安装节点数不宜多于两个。 钢支撑与钢围檩的连接可采用焊接或螺栓连接。节点处支撑与围檩的翼缘和腹板均应加焊加劲板，加劲板的厚度不小于10mm，焊缝高度不小于6mm。,2）混凝土支撑 混凝土支撑体系应在同一平面内整浇，支撑的截面高度（竖向尺寸）不应小于其竖向平面计算跨度的1/20； 支撑的纵向钢筋直径不宜小于16mm，沿截面四周纵向钢筋的最大间距应小于200mm。箍筋直径不应小于8mm，间距不大于250mm。支撑的纵向钢筋在围檩内的锚固长度不宜小于30倍的钢筋直径。,立 柱,立柱主要用来支承支撑的自重荷载和施工荷载，同时也可起到减小支撑构件或桁架的长细比以提高其压弯稳定性； 基坑开挖面以上的立柱宜采用格构式钢柱，也可以采用钢管或H型钢。格构式钢柱有利于底板中钢筋穿越，故通常大多采用这种型式的立柱。在这些钢立柱与钢筋混凝土底板及结构楼板的连接处需设置止水带。格构式钢立柱大样图见图。,立柱大样,基坑开挖面以下的立柱宜采用直径不小于600mm的灌注桩，立柱桩主要将立柱荷载传递到地基中，它可以借用工程桩，也可以单独设计，立柱桩的入土深度由其所承受立柱荷载确定；在软土地区，宜大于基坑开挖深度的2倍，并穿过淤泥或淤泥质土层。,钢柱插入灌注桩的深度不小于钢柱边长的4倍，并与桩内钢筋焊接。 立柱与水平支撑的连接可采用铰接构造，但连接件在竖向和水平方向的连接强度应大于支撑轴向力的1/50。当采用钢牛腿连接时，钢牛腿的强度和稳定性应由计算确定。,支撑体系的构件设计,支撑体系包括围檩、支撑和立柱的设计应符合钢结构或混凝土结构设计规范的有关规定。构件截面承载力应根据围护结构在各个施工阶段的荷载效应包络图进行计算。,（1） 围檩 围檩的承载力计算时，可按水平方向的受弯构件计算。当围檩与水平支撑斜交或围檩作为边桁架的弦杆时，应按偏心受压构件计算，围檩的受压计算长度取相邻支撑点的中心距。对于钢围檩，拼接点按铰接考虑时，其受压计算长度宜取相邻支撑点中心距的1.5倍。 围檩与围护墙连接满足上述构造要求时可不验算竖向平面内的截面承载力。,（2）支撑 钢支撑 根据支撑的平面布置特点，可按单跨压弯构件或多跨连续压弯构件进行计算。钢支撑与围檩连接的节点以及横撑对纵向支撑的支承节点的连接刚度都比较弱，一般按铰接处理，钢支撑体系的整体性比较差，设计时一般不考虑其整体作用。,钢筋混凝土支撑 基坑支护结构一般由围护结构和支撑体系两部分组成，钢筋混凝土支撑体系与挡土结构可以共同组成空间结构体系，两者共同承受土体的约束及荷载的作用，因此支撑体系的水平位移包括两部分：第一部分是荷载作用下支撑体系的变形；第二部分是刚体位移（包括刚体平移及转动），该部分是由于基坑开挖过程中，基坑各侧壁上的荷载不同而发生的，该刚体位移的发生使得基坑各侧壁上的荷载重新调整，直至平衡。,当基坑各侧壁荷载相差不大时，调整量很小，即刚体位移非常小，这时支护结构的平衡是介于主动极限平衡和被动极限平衡之间的一种平衡形式，在不考虑支撑体系刚体位移的前提下，为了简化计算，可以将围护结构和支撑体系在考虑相互作用后分别单独计算。,沿围护结构周边取单位长度作为计算单元，建立如图所示的计算模型，图中RC1、RC2为钢筋混凝土支撑对围护体系的支撑力，Kc1、Kc2是钢筋混凝土支撑的水平变形刚度， 1、2是钢筋混凝土支撑点的水平位移。,钢筋混凝土支撑体系按平面封闭框架结构设计，其外荷载是由围护结构直接作用在封闭框架周边与围护体系连接的围檩上，在封闭框架的周边约束条件视基坑形状、地基土物理力学性质及围护结构的刚度而定，对这个封闭框架结构，我们要计算它在最不利荷载作用阶段下，产生的最不利内力组合和最大水平位移，因此，需要依据基坑挖土方式及挖土的不同阶段考虑多种工况，对每一种工况的最不利荷载组合下，计算支护结构的内力及水平位移。,1选择合适的结构几何参数，计算钢筋混凝土支撑的水平变形刚度Kc。 式中 为钢筋混凝土支撑的变形柔度，其含义为当钢筋混凝土支撑沿基坑周边承受单位均布荷载时支撑点（即围檩）的水平位移。由于钢筋混凝土支撑在荷载作用下，围檩上不同点的水平位移并不相同，所以对于不同位置支撑的刚度Kc也不相同，为了控制基坑边缘的最大水平位移，在计算中，取围檩的最大水平位移为水平变形柔度。,2求得刚度后，根据工程地质勘察提供的有关数据，利用有限单元法的计算程序，计算围护墙体结构内力和基坑边缘的最大水平位移，并求出钢筋混凝土支撑对围护墙体结构的支撑力。 3判别基坑边缘最大水平位移是否满足设计要求。 4用有限单元法计算钢筋混凝土支撑的内力并进行配筋计算。,节点设计,节点设计主要按构造考虑，节点处理的好坏对钢支撑体系的稳定性影响很大，对于钢筋混凝土支承体系节点的配筋也需要特别加强。,钢支撑节点,钢筋混凝土支撑节点,围檩是围护结构与支撑体系连接的传力构件，围护结构一般是先施工，然后制作或安装围檩和支撑，需要处理围檩与围护结构的连接构造。图给出了围檩与排桩式墙体的连接构造的一些做法，包括灌注桩中焊接拉吊钢筋、灌注桩中预埋环形钢板、顶圈梁中遗留竖向拉吊钢筋等；还包括采用牛腿或拉吊钢筋的方法连接围檩与型钢桩的做法。,（a）灌注桩中焊接拉吊钢筋 （b）灌注桩中埋设环形钢板 （c）顶圈梁中预埋竖向拉吊钢筋 （d）、（e）围檩与型钢柱列式挡墙连接型式,换撑与拆除支撑,支撑是施工期间的临时性构件，在地下室浇筑过程中就必须逐步将支撑拆除，在拆除支撑的同时还需要采取一定的措施将围护结构传给支撑的荷载逐步传递给永久性的结构。换撑和拆除虽然都是施工的过程，但在设计时应当考虑换撑和拆除中结构内力的变化，并将内力的变化控制在结构允许的范围内。,给出了一个换撑的实例，基坑开挖时采用了两道支撑，在浇筑底板以后，具备了拆除第二道支撑的条件，但必须采用混凝土换撑板带，将围护结构与底板联系起来，换撑传力带只能传递压力，不能传递