《桩锚支护工程》PPT课件.pptVIP

桩锚结构支护的基坑工程,李象范 同济大学 2011年4月,一、围护桩选型 1、桩锚结构与土钉支护的比较与选择,（1）构造,（2）变形,倾覆 抗拔力不足 材料拉断 桩短踢脚 桩墙折断,滑移 坑底隆起 地表下陷 搅拌桩折断 土钉弯曲,（3）受力机理 桩锚：荷载结构体系 水土压力桩、墙锚杆锚固段分布到稳定地层中 土钉支护：原位加固边坡 原位土体抗剪能力 边坡土体自重 超前支护抗剪能力 滑移面后移 土钉对边坡的加固作用 土体改善 拉拔作用,(4)方案选择,原则： 安全第一位，造价要重视 周边环境要求：变形要求是否严格 开挖深度：土钉支护有开挖深度的限制 土质情况：锚杆比土钉对地层要求更高 施工工艺水平：设备、操作、技术要求 本地区以往的工程经验,二、桩锚与桩撑,桩锚结构受力示意图,1、方案选择的条件 (1).地层 锚杆对地层依赖性比较大，地层强度较高时用锚，地层条件较差时用撑。 (2).场地 锚杆要出用地红线，场地较开阔时用锚，场地窄小时用撑。 (3).平面尺寸 基坑尺寸较小时用撑，很大时用锚。 (4).平面形状 基坑平面形状规则用撑，不规则、复杂甚至不对称用锚。 (5).对后续工序的干扰 桩锚：对挖土、土建无干扰，改善劳动条件和工作效率。 桩撑：对挖土、土建有干扰，生产效率较低。 (6).质量管理、可靠度的要求。,2、围护桩排桩式支挡结构 （1）排桩式挡墙,（2）钻孔灌注桩 直径大于400mm，用钻机在地层中竖向钻孔，清孔后，放入钢筋笼，采用套管法浇筑水下混凝土，一根一根密排的现浇混凝土桩，用圈梁联成整体式墙，承受水土压力。 使用条件： 深度713m，地层较好时，可以用得更深达1617m； 环境 优缺点： A、现场浇筑，无挤土效应，对周边环境影响小； B、与地下连续墙比较，设备简单，造价低，速度快； C、平面布置灵活，可以布置成方形、圆形、不规则多边形等； D、圆形截面抗弯刚度大； 缺点： A、不隔水，在高水位地层，需另外设止水帷幕； B、施工期间大量泥浆排放，易造成环境问题； 施工注意事项： A、须间隔跳打，防止串浆； B、受力钢筋宜均匀布置，长度方向上部2/3为全笼钢筋，下部1/3（最大弯距点以下）可减半布置； C、排桩施工顺序安排： （3）人工挖孔桩：,（3）型钢水泥土搅拌桩墙 连续搅拌的水泥桩墙内，插入H型钢，形成即能隔水又能承受水土压力的围护挡墙，又称：SMW工法。 使用条件： 粘性土 粉 土 砂砾石 强风化岩石（单轴抗压强度小于60MPa） 构造型式:,计算： A、H型钢入土深度Dh Dh基坑抗隆起 抗倾覆 整体稳定性等、内力变形要求等 水泥土搅拌入土深度Dc Dc抗管涌（流砂） DC.Dh+(0.5-1.0)m B、型钢间距：L（净间距） 满足抗弯能力外， Ldel+H+2e,、,式中: del 水泥土搅拌桩厚度（mm） H H型钢高度（mm） e 型钢形心轴与截面对称轴的距离（mm） C、水土压力全部由H型钢承担，水泥土搅拌桩仅提高其刚度20%左右，刚度提高系数: 式中： -分别为水泥土搅拌桩与H型钢混合体及H型钢的弹性模 量（MPa）； 分别为水泥土搅拌桩与H型钢混合体及H型钢的惯性矩（mm4）。,水泥土刚度系数 取值 D、型钢水泥土搅拌墙的弯矩应全部由型钢承担，并按下式验算型钢的抗弯刚度： 式中： 型钢水泥土搅拌墙的弯矩设计值（N.mm），可取计算 得到的弯矩标准值乘以相应的分项系数，一般取1.25； 型钢沿弯矩作用方向的截面模量（mm3）； 型钢的抗弯强度设计值（N/mm2）。,型钢水泥土搅拌墙的剪力应全部由型钢承担，并按下式 验算型钢的抗剪强度： 式中： 计算剪力设计值（N/mm2）； 型钢水泥土搅拌墙的剪力设计值（kN），可取计算得到的弯矩标准值乘以相应的分项系数，一般取1.25； 计算剪应力处的型钢面积矩（mm3）； 型钢沿弯矩作用方向的截面惯性矩（mm4）； 型钢腹板厚度（mm）； 钢材的抗剪强度设计值（N/mm2）。,水泥土强度校核 型钢水泥土搅拌墙应验算水泥土搅拌桩桩身局部抗剪承载力，包括型钢与水泥土之间的错动剪切和水泥土最薄弱截面处的局部剪切,（a）型钢与水泥土间错动 （b）最薄弱截面剪切 剪切破坏验算图 破坏验算图 搅拌桩局部抗剪强度计算示意图,A、型钢与水泥土之间的错动剪切承载力验算应按下式计算 剪力 剪应力 式中： 型钢与水泥土之间单位深度范围内的错动剪力标准值（N/mm）； 型钢与水泥土之间的错动剪应力标准值（N/mm2）； 计算截面处作用的侧压力标准值（N/mm2 ） 型钢翼缘之间的净距（mm）； 型钢翼缘处水泥土墙体的有效厚度（mm）； 水泥土抗剪强度标准值（N/mm2），可取水泥土无侧限抗压强度标准值的 ，对于淤泥或淤泥质土层，宜取低值； 剪力计算经验系数，可取0.6； 水泥土抗剪强度调整系数，可取1.6。,B、如型钢为隔孔设置时，除了需验算型钢与水泥土之间的错动剪切 承载力外，还应按下式计算水泥土搅拌桩最薄弱断面的局部抗剪强度 剪力 剪应力 式中： 水泥土最薄弱截面处单位深度范围内的剪力标准值（N/mm）； 水泥土最薄弱截面处的局部剪应力标准值（N/mm2）； 水泥土最薄弱截面的净距（mm）； 水泥土最薄弱截面处墙体的有效厚度（mm）。,C、设备与施工,步履式机械设备 履带式机械设备,施工流程：,（4）全套管钻孔咬合桩（柱状连续墙） 施工设备：双旋转功力钻机，上动力头驱动长螺旋钻杆，下动力头驱动套 管，如土力公司 R-622HD，R-825和CM-120钻机 施工程序： 使用条件及与其他方法比较：,以上对比表明，在软土地区五种常用的挡土围护结构中全套管钻孔咬合桩的综合技术特性显优。,MZ液压摇动式全套管灌注桩机配套设备示意图 捷程MZ液压摇动式全套管钻机 由主机（磨桩机）、钢套管、锤式抓斗和液压工作站组成，由于套管安设和拔高，另需履带式吊 车。 施工程序,全套管钻孔咬合桩施工示意图示意图,钻孔咬合桩配筋示意图,（5）日本的柱状连续墙的施工,三、桩锚结构体系设计 1.作用与桩上的水土压力,土压力计算示意图,（1）原则上讲作用于支护桩（墙）上的水土压力，墙前为被动土压力，墙后为主动土压力。土压力值的大小和分布还取决于支撑（锚）的刚度。所以有些规范，在讲到桩排结构时，土压力应进行调整。墙后土压力介于主动土压力和静止土压力之间，墙后土压力按弹性地基梁取值即被动土压力的大小与墙（桩）的水平位移y有关。由于锚杆（索）刚度小于支撑，所以采用极限状态主动极限状态和被动极限状态比较合适。,（2）土压力计算 主动区土压力（地下水位以上或水土合算）,式中， 深度z处作用与支护桩上的主动土压力强度标准值； 第j层土的天然重度； 第j层土的厚度； 计算点以上的土层数； 第i层土的主动土压力系数； 第i层土的内聚力、内摩擦角；,深度z处由地面超载或附加荷载产生的附加水平土压力标准值； 深度z处第i层土的被动土压力强度标准值； 基坑底面所在土层数； 第i土层的被动土压力系数。,若采用水土分算：,式中 计算点到地面的距离； 地下水重度， ； 墙后第i层土中的地下水位距地面的距离； 墙前第i层土中的地下水位距地面的距离。,(3)地面超载、附加荷载引起的水平压力 地面超载 地面超载集度的标准值，通常取20KPa。 附加荷载：外侧有埋深d的条形或矩形基础荷载 当 时 基础底部附加荷载标准值； 基础埋深； 条形基础宽度； 支护桩到基础的水平距离。,矩形基础 式中， 与基坑边垂直方向上的矩形基础宽度； 与基坑边平行方向上的矩形基础宽度。 当 或 时，取 。,条形（矩形）附加荷载产生的附加水平压力,（4）被动抗力的计算 围护桩（墙）在水土压的作用下，在基坑开挖部分随开挖进行，桩身逐步向坑内位移，而开挖面以下的桩体向前位移就使土体被动压缩，位移大到一定数量级就产生被动滑移，达到被动土压力 经典被动土压力 对于砂土类颗粒土 式中 -基坑开挖面以下深度 处的竖向应力标准值 -第i土层的被动抗力系数 对于粘性土，基坑内侧水平抗力标准为,被动土压力计算图,弹性地基梁设计土体的水平坑力 被动的土压力的是达到变形的极限状态，多数情况下水平变形达不到或不允许达到极限状态。水平抗力应与围护桩位移值大小有关，如处于弹性状态，应呈比例，即 P=KS P-弹性抗力绝对值(KN/m2) K-弹性抗力系数(KN/m3) S-围护桩墙的位移值（m）,杆系有限元法的计算图,根据不同假定，桩基侧向弹性坑力系数分布，有不同分布模式。 常数法，K-为常数，不随深度变化 M法， K-随深度呈正比例增加 C法， K-埋置浅时，随曲线增加，深埋时为常数 K法， K-浅时随曲线增加，深埋时为常数 常数法、m法、C法，可用同一个公式概括即 式中，Z-基坑开挖面以下的深度 当 =K0 (K0为常数)，n=0,即K= K0,即常数法 =m (m为土体弹性比例系数)，n=1,则K=mZ，即为m法 =c，n=0.5时， ，即为C法 取常用m法，但m法对砂性土比较合适，竖向荷载为零处（即开挖后）抗力为零，但粘性土在该处抗力不为零，为杜绝这一矛盾，引用一初始计算深度Z0，即为 KH=m(Z+Z0) 式中，KH-侧向弹性抗力系数 m-土体的弹性比例系数 z-开挖面算起深度 Z0-初始计算深度 KH，m工程现场试验取得，多数情况参考规范、规程表格 也可采用地勘报告的标准贯入击数N，和土体无侧限抗压强度qu计算弹性抗力系数 经验公式,桩基侧向弹性抗力系数的分布图 （a）常数法；（b）m法；（c）c法；（d）k法 KH=2x103N KH=(5-8)x102qu,（5）土压力经验修正 、提高主动土压力 周边环境要求严格，不允许围护产生较大位移，达不到主动压力压力的位移值 或 、被动土压力系数折减 不允许产生较大位移，将被动压力折减,式中Da-被动土体容许位移值 Dp-被动极限状态所需位移值 Dp=（0.020.04）h0 h0 -开挖系数,、被动土压力增大系数 考虑被动土压力土体与围护桩（墙）之间的摩阻力，提高被动土压力值,2、锚杆的支撑力 （1）单撑（单锚）受力体系,两个未知数Ra、D，不能直接求解。,可采用等值梁法进行求解,求解Ra、Po及上部桩墙弯矩图,最终，根据Ra、t，画出弯矩图 作为设计锚杆的依据,（2）二道或多道锚杆 等反力布置、等弯矩布置、程序计算理正软件、同济启明星,二层及二层以上的多支撑（锚杆）的围护体，第二层及二层以上的支撑或锚杆的支护 体系是超静定结构，必须作一些假定才能计算，如等反力布置，等弯矩布置等。 如果考虑到多支撑体系的施工过程，也可逐步将超静定问题化为静定问题进行求解，就像前 面所讲的等值梁法那样。 如假定深基坑支护桩布置有N道锚杆或支撑，根据挖一层撑一层的原则，必须分为N+1次挖土.,第一步，开挖一定深度作第一次锚杆 ；挖深H1，悬臂桩挡墙，计算得到 施工完成第一道锚杆，挖土至第二层锚杆位置，挖深H2，单支点挡墙，计算 得到 第三步开挖作第二层锚杆，以后再挖至第三锚杆位置，挖深H3，二支挡墙，但T1为已知，又可按单支撑计算，计算得到 n 第N次开挖挖至Hn，这时为多支点围护桩，但T1、T2T（N-2）是已知，未知力仅为 ， 同样照等值梁法求得。 将每个工况情况的正、负弯矩比较取大者。分层等值梁法，将超静定转化为静定问题解决。,第k+1次开挖至坑底，开挖深度为Hk，上面作用有（k-1）个已知支撑力。T1、T2Tk-2， 根据X=O Y= O M=0 求出 各支撑力与主动土压力平衡点，即剪应力为零，取得最大弯矩 和 ；求hKO1,有了 即计算得,同样求 ， 求出最大弯矩。,最终设计值:,嵌固深度hd,还取决于稳定性验算。,(3)锚杆布置 滑移面外12m,圆柱型注浆锚杆长度 式中， 锚杆倾角； 锚固段直径，取钻孔直径的1.2倍； 锚固段穿过的土层数； 第i土层与锚固段的摩阻力； 抗拔安全系数； 锚固长度对粘结强度的影响系数， =10m时， =1； 10m ， 1.0。见有关规范,关于 计算方法 第i土层相应锚固段中点埋深； 锚固段与第i层土体的摩阻力，取决于施工 方法 第i土层内聚力。 参考地质报告中钻孔灌注桩的边壁摩阻力 相关规范手则 进行拉拔试验 通过综合比较，取值,一次注浆,二次注浆,关于Lm(锚杆长度计算) 剪应力的分布：计算中按均匀分布，实际上如下图 可见，Lm太长无用 岩石地层： Lm6.0m 土质地层： Lm10.0m 当大于10.0m时，要将 进行折减，折减系数0.6-1.0。通常情况下，12.0m左右还是可以的。,提高抗拔力的措施 采用更大的直径，高压旋喷成孔等。 采用二次压力注浆 拉力型和拉力分散型 改变锚固体的形式 压力型和压力分散型 拉压分散型,锚杆杆件面积和锚固体截面积,桩锚固体系的稳定性（通常用Krage法） aKrage法 单锚体系 Rnmin是维持平衡所需最小的锚杆拉力 Rnmin与Nt进行比较 NtRnmin为稳定，否则为不稳定 为稳定系数,多锚体系,b作为深基坑工程均需保证稳定性 基坑底部抗隆起的稳定性,在上图中，考虑由于墙后H x D土体自重和D x q超载不平衡力作用下，产生坑底隆起的可能性 滑动力为H x D土体自重和D x q超载 抗滑力为AD段的摩阻力、BC段摩阻力、CE段摩阻力、桩墙入土部分抗弯能力 为桩、墙抗弯能力 以坑底地基承载力作为基础的抗隆起分析方法 其中 （见下图）,c.抗渗流、管涌稳定性验算底部没有隔水层，发生渗流时，不至将土壤颗粒冲走，与动水压力有关 式中， 临界水力梯度； 土颗粒重度； 天然孔隙比； 渗流力坡度， ； 水头差； 最短渗流路径长度， ； 水平长度，取帷幕宽度； 流径垂直总长度； m换算系数，m=1.5； 安全系数， 。,日本资料提供的经验，只要插入深度足够，就不会产生管涌 式中， hw 水头差； F=1.5； D帷幕插入深度,几个问题的讨论 A 安全系数 桩锚结构是由多个安全系数保证的 a.结构安全度系数 b.稳定性安全系数 抗管涌 抗隆起 抗滑移 Krage安全系数 整体稳定安全系数 c.锚杆抗拔力 锚杆材料 锚杆与水泥浆体 水泥浆体与土体,其中，关键安全度水泥浆体与土体摩阻力提供的抗拔力 国标GB500862001关于锚固体的安全系数,其他规范提供的安全系数,B.施工预应力大小 土层锚杆都应该施加预拉张力，因为 a.自由段是弯曲的 b.刚度小于支撑结构 c.通过施加预应力对锚杆可靠性进行检验 预应力加多大？ 锁定应力过大，会随着开挖和位移发展，产生超张拉，危险 锁定应力过小，起不到减少位移量的目的 合适的做法：张拉到设计荷载的1.5倍，退到设计荷载的0.60.8倍锁定,四、桩锚结构施工,钻孔 锚杆沉放 一次注浆 二次注浆 养护 张拉 锁定 1.钻孔：倾角1530度，直径150300mm 长度 设计长度Lm+Lf+0.3m 根据地层情况，确定出渣方式 钻机 专用锚杆钻机 a.无锡双帆 YG系列 b.武汉天宝工程机械公司 TR805 c.无锡探矿机械总厂 锚固