岩土工程设计基坑工程课件

2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,1,第七章 基坑工程,building foundation pit,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,2,本章内容,7.1 概述 7.2 支护结构的受力与破坏形式 7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,3,7.1 概述,一、基坑工程的概念 基坑工程是指为挖除主体工程地下结构所在空间的土方而需要的设施和施工作业，一般情况下包括基坑支护、降水、土方开挖和施工监测等工程内容。 随着城市建设的发展，人们对三维立体化空间的需求不断增长，一方面城市高层建筑成为发展趋势，建筑基坑越挖越深；另一方面，地下空间的开发利用也已成为发展方向之一。地铁、地下商城、地下油库和地下停车场等大型建筑物不断增多。基坑工程已经成为城市岩土工程的主要内容之一。已出现了30多米埋深的地下室，各种深基坑支护的设计计算方法，施工工艺不断产生。 基坑开挖与城市建设密集、地下管线众多、建设场地狭小，周围环境要求高等不利因素的矛盾突出，提出了许多新的问题。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,4,7.1 概述,二、基坑工程研究的主要内容 1. 基坑支护方面 支护结构形式 支护结构设计计算 支护结构设计 支护结构的稳定性验算 2. 基坑降水方面 降水方法的选择 降水方法的设计计算 降水设计 降水方案验算（预测） 降水施工 降水系统的安装与运行,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,5,7.1 概述,3.土方开挖 土方开挖方案的制定 土方开挖机械的选择 土方施工 4.基坑工程监测与控制 监测方法的选择 监测的内容 监测的仪器及精度要求 5.基坑工程环境效应与对策 地面沉降问题 建筑物、管线变形破坏问题,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,8,7.1 概述,2、按开挖方式分类,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,9,7.1 概述,3 按支护结构分类,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,10,7.1 概述,五、 选择支护结构的基本依据 1.基坑的形状、平面尺寸、开挖深度和基础施工要求； 2.基坑结构所承受的各种荷载及变形等参数要求。侧荷载、垂直荷载、风、地面超载、塔吊、坡道等； 3.水文地质、工程地质条件：含水层、隔水层的分布，土的建筑性能，如膨胀土、收缩土、崩解土、土的水理性质、强度。滞留水，可打完引出。现要求基坑支护中画流网图。目前的基坑出现问题不仅是设计上的。如勘察基坑应在45+/2的范围内，但现在只限制在基坑内； 4.基坑一定范围内的环境问题：上、下水，煤气、预埋管道，原有地下建筑物（地道等），附近建筑物的基础类型，交通流量等； 5.工期和造价； 6.场地相同单元上基坑成功及失败教训。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,11,7.1 概述,选择支护类型方案流程： 目前国内基坑支护类型比较多，但常用的支护类型方案主要可归纳为五种，如 按其造价，选择流程如左图。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,12,7.1 概述,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,13,7.2支护结构的受力与破坏形式,7.2.1 支护结构的受力性状 （1）悬臂式板桩：插入土体部分视为固定端，上部为自由端；即看作悬臂梁结构。 （2）浅埋单锚式板桩：插入土体部分视为固定铰，上部锚拉作用点为活动铰；即看作简支梁结构。 （3）深埋单锚式板桩：插入土体部分视为固定端，上部锚拉作用点为活动铰；即看作静不定梁结构。 （4）多层锚拉式板桩：插入土体部分视为固定端，上部各个锚拉作用点为活动铰；即看作连续梁结构。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,14,7.2支护结构的受力与破坏形式,7.2.2支护结构的侧向土压力计算 一、侧土压力的判定 作用在坑底以下支护BC段上的土压力是否会曾至被动土压力，取决于墙后作用的主动土压力大小。如果基坑开挖较深，而支护入土深度又较小，则主动土压力较大，为了平衡，墙前土压力将得以充分发挥，以至BC整段均达到被动土压力。如基坑开挖较浅而围护墙入土深度又相对较大，则作用在BC段的墙前土压力将达不到被动土压力，或者在该段的上半部会达到而下半段则达不到。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,15,7.2支护结构的受力与破坏形式,产生主动或被动土压力所需的墙顶位移表,墙位移与土压力的关系图,刚性挡上墙上的土压力是否达到主动或被动极限平衡状态，可参考下表所示的墙顶位移来判定。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,16,二、支护结构上的侧向土压力计算 关于基坑桩墙侧向土压力计算模式很多，主要采用的有以下两大类： （1）以Rankine、Coulomb等理论公式计算的土压力；使用时应注意地基土的c、的取值。计算时还应考虑地面荷载、地面不规则几何形状等对桩墙侧土压力的影响。 土压力与水压力可分开计算，也可合并计算；合并计算时地下水以下土的重度取饱和含水重度，降水后土层按稍湿状态考虑。对于粘性土，可忽略粘聚力，适当增加内摩擦角来计算。 （2）由土压力计等测定换算的实测值为基础的土压力分布模型(图示法)或侧压系数法，图示法中采用较多的是Terzaghi-Peck所建议的土压力分布模型法。,7.2支护结构的受力与破坏形式,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,17,7.2支护结构的受力与破坏形式,三、规范方法 （一）水平荷载的标准值 1.对于碎石土和砂土,砂土层 软-中硬土层 硬黏土层,土压力计算图（Terzaghi-Peck所建议的模型法）,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,18,7.2支护结构的受力与破坏形式,(1)计算点位于地下水位以上时 (2)计算点位于地下水位以下时 式中： 第i层土主动土压力系数； 作用于深度zj处竖向应力标准值 kN； 计算点深度 m； 计算参数，当 ，取 ；当 ，取； 基坑外侧水位深度 m； 计算系数，当时 ，取1；当 时，取0； 水的重度 kN/m3。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,19,7.2支护结构的受力与破坏形式,基坑支护水平荷载计算示意图,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,20,7.2支护结构的受力与破坏形式,2.对于粉土及黏性土 当按以上规定计算的基坑开挖面以上水平荷载标淮值小于零时，应取零。 3.基坑外侧竖向应力标准值ajk计算 ajk =rk+0k+1k （1）计算点深度zj处自重应力rk (a)计算点位于基坑开挖面以上时 rk =mjzj 式中 mj深度zj以上土的加权平均重度； (b) 位于开挖面以下 rk =hmh 式中：hm开挖面以上土的加权平均重度,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,21,（2）当支护结构外侧地面满布附加荷载q0 时(见图)，基坑外侧任意深度附加竖向应力标准值0k可按下式确定： 0k = q0 式中 q0地面均布荷载(kN /m2)。 （3）当距支护结构b1外侧，地表作用有宽度b0的条形附加荷载q1时，见图。基坑外侧深度CD范围内的附加竖向应力标准值1k按下列式确定： 1k= q1 b0 / b0 +2b1 （4）上述基坑外侧附加荷载作用于地表以下一定深度时，将计算点深度相应下移，其竖向应力也可按上述规定确定。,7.2支护结构的受力与破坏形式,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,22,7.2支护结构的受力与破坏形式,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,23,7.2支护结构的受力与破坏形式,（二）水平抗力标准值计算： 参照附图水平抗力标准值计算图 1.对砂土及碎石土，基坑内侧抗力标准值： epjk=pjkKpi+2cikKpi+(zj-hwp)(1-Kpi)w 式中 pjk作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值 (kPa)； Kpi第i层土的被动土压力系数。 2.对粉土及粘性土，基坑内侧水平抗力标准值： epjk =pjkKpi+2cjkKpi 3.作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值 pjk=mjzj 式中 mj深度zj以上土的加权平均天然重度(kN/m3)。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,24,7.2支护结构的受力与破坏形式,7.2.3 支护结构的破坏形式 1.支护结构的破坏形式： (1)支锚结构系统破坏；(2)板桩底部向基坑内侧移动； (3)板桩弯曲破坏；(4)整体圆弧滑动；(5)隆起、管涌。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,25,7.2支护结构的受力与破坏形式,2.支护结构设计应考虑的问题 （1）确保锚杆（支撑）的强度与稳定； （2）支护结构（墙）的入土深度应满足要求； （3）支护结构（墙）截面尺寸、间距、抗弯强度够用； （4）基坑底稳定验算满足要求。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,26,支护板桩或桩排式挡墙是一种柔性结构，因而允许有限的变形。主动土压力在0.0010.004倍坑深的微小位移时即能发生；被动土压力需很大位移量（5）才能产生，往往是板桩不允许的，所以被动土压力不能全部采用。有的只取计算结果的30。 7.3.1悬臂式板桩设计计算 无支撑或锚定，完全依靠入土深度保持稳定，适用于深度不大（6m）的基坑支护等临时工程。悬臂式板桩主要是求算其入土深度和最大弯矩。,7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,27,1.臂式排桩、地下连续墙嵌固深度计算参照附图所示。嵌固深度设计值hd按下列规定确定： hpEpj-1.20haEai0 式中 Epj桩、墙底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值epjk的 合力之和； hp合力Epj作用点至桩、墙底的距离； Eai桩、墙基坑底以上外侧各土层水平荷载标准值eajk的合 力之和； ha合力Eai作用点至桩、墙底距离； 0建筑基坑侧壁重要性系数，按安全等级，一级0=1；二 级0=1.0，三级0=0.9。,7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,28,7.3 支护板桩的设计计算,2.求最大弯矩Mmax作用点, 该点处结构内剪力为零，列方程求解或试算。 3.求最大弯矩Mmax 4.求板桩截面尺寸 最大弯矩/允许弯曲应力截面横量（钢板桩） 钢筋混凝土桩(试算),2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,29,7.3 支护板桩的设计计算,(1)对于钢板桩或钢管桩 截面横量 (2)钢筋混凝土桩(试算) 混凝土结构设计规范 （GBJ1089）,w-为钢材的允许弯曲应力,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,30,7.3 支护板桩的设计计算,式中：M弯矩设计值，Nmm； A桩截面积，mm2； As纵向钢筋全截面积，mm2； r桩截面圆半径，mm； rs钢筋分布半径，mm； 反映受压混凝土面积的角，即弓形面积对应圆心角除以2的值； t受拉钢筋面积与纵钢筋全面积的比值； fcm混凝土弯曲抗压强度设计值，查表。桩直径或边长300mm时，乘以0.8折减，N/mm2； fy钢筋抗拉强度设计值，N/mm2。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,31,7.3 支护板桩的设计计算,为简化计算，取 则得 计算步骤： 1.假定钻孔桩直径及其配筋情况，由（4）和（3）求出与t。 2.再由（1）式求出钻孔桩的弯矩设计值，与板桩计算弯矩值相比K1.52。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,32,7.3 支护板桩的设计计算,7.3.2 单锚式板桩的计算 一、墙的变形与土压力分布 墙顶部设有横向支撑式拉锚，受力后有两种可能变形：,(a)“自由支座”情况(简支梁) (b)“固定支座”情况(等值梁),2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,33,7.3 支护板桩的设计计算,当板桩插入土中的深度t较小时，其挠曲变形如图（a）所示，板桩下不出现反弯点，可将板桩底端视作“自由支座”， ，保证板桩的稳定，不产生过大位移。 当t较大时，板桩挠曲变形为另一种情况（b），出现反弯点0，将其视为“固定支座”，用等值梁法计算。 二、“自由支座”情况视为简支梁考虑 求：支撑（锚拉）力RA，入土深度t，最大弯矩Mmax 1.对RA作用点 ，并考虑被动土压力折减,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,34,7.3 支护板桩的设计计算,得 代入 整理得 可求解三次方程火试算得出t1。 2.,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,35,7.3 支护板桩的设计计算,3.板桩墙上剪力Q0处为Mmax的作用点 4.求Mmax 5.求板桩截面尺寸，同前。 实际入土深度：t1.15t1 实际RA： RA （1.351.4） RA计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,36,7.3 支护板桩的设计计算,（三）“固定支座”情况（静不定问题）,（a）等值梁 （b）板桩上土压力分布 （c）板桩弯矩图 （d）等值梁,采用等值梁法，ab为一根梁，一端简支，另一端固定，其反弯点在c点。如在c点切断ab梁，并于c点置一自由支承形,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,37,7.3 支护板桩的设计计算,成ac梁，则ac梁上的弯矩图将保持不变，此ac梁即为ab梁上ac段的等值梁。为简化计算，不考虑的差别，即用土压力强度等于零点的位置来代替反弯点的位置。 设计步骤： 1.计算作用于板桩上土压力强度，并绘出土压力分布图，可以考虑摩擦作用对土压力的影响，t1深度以下土压力可暂不绘出。 2.求t0，由于d点主、被动土压力强度相等，即,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,38,7.3 支护板桩的设计计算,3.按简支梁求等值梁的支反力RA，t0处反力P0和最大弯矩Mmax（注意图中a、0点是否重合，等或不等）： Md0，求RA Ma0，求P0 4.Mmax求法同前 5.计算板桩最小入土深度t1 x可根据P0和墙前被动土压力对板桩底端e点力矩相等求得：,设墙土间的摩擦角为 一般墙面平滑、排水不良时，（01/3）； 墙面粗糙、排水良好时，（1/31/2）。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,39,7.3 支护板桩的设计计算,等值梁法计算弯矩过大，实际使用时可以取经验折减系数（0.60.8）之间，一般取0.74。 6.求板桩截面性状尺寸，同前。 7.Ra=(1.35 1.4)RA计算。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,40,7.3 支护板桩的设计计算,7.3.3 多锚（撑）支护设计计算 当多层锚(撑)的位置不同时，其土压力分布和墙板内力各不相同。 一般说来，如果附近地基不容许发生位移，则应对横撑(或锚杆)施加相当于静止土压力的预应力，那么作用在地下墙板上的土压力就接近于静止土压力，且防止了由墙板挠曲而产生的地基变形； 如果不对撑(或锚)施加预应力，而是在开挖后墙板已产生了位移的倩况下所加设的，则该土压力就接近主动土压力。虽然该土压力变小了，但附近地基的位移却增大了。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,41,实际上，根据实测，对坑壁墙板支撑(或锚)不施加预应力，则其作用于墙板上的土压力大体上是在静止土压力和主动土压力之间，附近地基的位移，也大致如此。,7.3 支护板桩的设计计算,多锚（撑）基坑支护结构 内力计算方法,二分之一 分担法,逐层开挖法,等值梁法,山肩邦男法,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,42,一、锚（撑）支护结构的层间距布置型式及特点 （1）等弯矩布置：各跨度的最大弯矩相等，可充分利用板桩的抗弯强度；但是较深基坑，下部的支锚层距过小，层数多，不经济。 （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；但当基坑较深时，下部的支锚层距过小，层数多，同样不经济。 （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。,7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,43,7.3 支护板桩的设计计算,等弯矩布置,等反力布置,等间距布置,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,44,一、二分之一分担法 （一）方法简介 多支撑连续梁的一种简化计算用二分之一分担法，计算较为简便。Terzaghi和Peck根据柏林和芝加哥等地铁工程基坑挡土结构支撑受力测定，以包络图为基础，以二分之一分担法将支撑轴力转化为土压力，提出土压力分布图。反之，如土压力分布图已确定，则可以用二分之一分担法来计算多支撑的受力。 1.这种方法不考虑桩、墙体支撑变形; 2.将支撑承受的压力（土压力、水压力、地面超载等）w为墙后土压力各支撑承受压力的一半;,7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,45,7.3 支护板桩的设计计算,二分之一分担法计算简图,3.土压力分布图已确定。 求支撑受的反力，然后求出正负弯矩、最大弯矩，以核定土桩的截面及配筋，这种计算较方便。,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,46,（二）设计计算 1.计算主动土压力系数、被动土压力系数和 式中： 土的内摩擦角； Ka 主动土压力系数； Kp 被动土压力系数。 式中： q地面荷载； 土的重度； H 地面到基坑底的距离 （基坑开挖深度）。,7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,47,2.计算各支撑点（锚固点）的支撑力（锚固力） 式中 RBB点的锚固力（支撑力）； RCC点的锚固力（支撑力）； RDD点的锚固力（支撑力）； REE点的锚固力（支撑力）； Ro零弯点处的土压力； l1B点距地面高度； l2B点C点间的距离； l3C点D点间的距离； l4D点到E点的高度。 l5E点距坑底的高度。,7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,48,7.3 支护板桩的设计计算,3.计算各锚固点（支撑点）的弯矩 MC、MD、ME（略）,二、逐层开挖支撑力不变法 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以下若干距离，进行第,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,49,一层支撑或锚杆施工。然后第二次挖第二层土，挖到第二层支撑支点以下若干距离，进行第二层锚杆施工。如此循环作业，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。 （一）假设条件 1.每层支撑受力后不因下阶段开挖支撑设置而改变其数值，钢支撑加轴力，锚杆加预应力。 2.第一层支撑后，第二层开挖时其变形甚小，认为不变化。第二层开挖支撑后开挖第三层土方，认为第二层变形不变化。 3.第一层支撑阶段，挖土深度要满足第二层施工的需要，第二层支撑时挖土深度要满足第三层施工的需要。,7.3 支护板桩的设计计算,2019/4/6,岩土工程设计-基坑工程,50,7.3 支护板桩的设计计算,4.每层支撑后其支点计算时可按简支考虑。 5.逐层开挖支撑时皆须考虑坑下零弯点距离，即近似为零点距离。 （二）计算方法 1.求RB支点水平力，如图所示。 基坑开挖到B点以下若干距离（满足支撑施工的距离），在