深基坑支护结构体系讲解.ppt

第2章深基坑支护结构体系 2 1深基坑支护工程概述2 2支护结构设计荷载2 3悬臂式桩排支护结构2 4单层桩锚式支护结构2 5多层锚杆支护结构2 6内撑式支护结构体系2 7土层锚杆支护体系2 8土钉支护设计 2 1深基坑支护工程概述 基坑开挖是基础和高层地下室施工中的一个老的问题 同时又是一个综合性的工程难题 涉及到土力学中许多问题 涉及到土与支护结构的共同作用 涉及到周边环境的问题 还涉及到施工方法 施工技术 施工作业的程序 安排等 随着高层基础埋置深度加大 支护结构设计问题越来越显得重要 2 1 1基坑含义 深基坑的 深 本难以明确的界定 是一个 模糊 的概念 相对于一定的地质 水文条件 一定的施工技术水平 形成一定的施工难度 大家对于达到一定施工难度的 地面以下一定尺寸的基坑谓之 深 反之为 浅 在目前的水平上 较为工程界大多数人所接受深基坑概念是指深度5 7m以上的基坑 如武汉市出于武汉特有的地质情况和管理操作方便 在 武汉地区深基坑工程技术指南 wbj1 7 95中规定 当基坑开挖深度 6m 或有地下室时 应视为深基坑 有地下室没有达到6m也视为深基坑 正是从施工难度增加考虑的 2 1 2基坑支护结构设计内容 基坑支护结构极限状态可分为下列两类 1 承载能力极限状态 对应于支护结构达到最大承载能力或基坑底失稳 管涌导致土体或支护结构破坏 内支撑压屈失稳 支护桩墙锚杆抗拔失效等 2 正常使用极限状态 对应于支护结构的变形已破坏基坑周边环境的平衡状态并产生了不良影响 如引起周边相邻的建筑物倾斜 开裂 道路沉降 开裂 周边的地下管线沉降变形开裂等 根据承载能力极限限状态和正常使用极限状态的要求 基坑支护设计应包括下列内容 1 支护体系的方案技术经济比较和选型 2 支护结构的强度 稳定和变形计算 3 基坑内外土体的稳定性验算 4 基坑降水或止水帷幕设计以及围护墙的抗渗设计 5 基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形及其对基础桩 邻近建筑物和周边环境的影响 6 基坑开挖施工方法的可行性及基坑施工过程中的监测要求 2 1 3支护结构安全等级 建设部 建筑基坑支护技术规程 中对基坑侧壁安全等级规定见表2 1 表2 1建筑基坑侧壁安全等级及重要性系数 注 有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定 武汉地区深基坑工程技术指南 wbj1 7 95对基坑安全等级规定更为详尽一些 见表2 2 表2 2深基坑工程的安全等级 注 h 坑深a 主干道 生命线工程及邻近重要建 构 筑物基础边缘离坑壁的距离 符合上表右项条件之一即可判定 对于安全等级为一级 二级的建筑基坑侧壁 尚应进行基坑支护结构水平位移计算 如武汉地区深基坑技术指南中 对支护结构的最大水平位移 要求如下 对于安全等级一级的支护 应满足 40mm 对于安全等级二级的支护 应满足 100mm 对于安全等级三级的支护 应满足 200mm 2 1 4支护结构设计对勘察工作的要求 应根据基坑的开挖深度及场地岩土工程条件合理地确定勘察范围 勘探点的位置及数量 地层变化较大时 应增加勘探点 查明分布规律 为支护结构设计提供可靠的资料 主要要求如下 1 场地水文地质条件 水文地质勘察应达到以下要求 1 查明开挖范围及邻近场地地下水特征 各含水层 包括上层滞水 潜水 承压水 及隔水层的层位 埋深和分布条件 2 测量各含水层的水位及其变幅 3 查明各地层的渗透系数及水压 流速 流向 补给来源和排泄方向 4 查明施工过程中水位变化及支护结构和基坑周边环境的影响 提出应采取的措施 2 基坑周边环境勘察应包括以下内容 1 查明基坑周围影响范围内的建 构 筑物的结构类型 层数 基础类型与埋深及结构现状 2 查明基坑周边的各类地下设施 包括上 下水管线 电缆 煤气 管道 热力管道 地下箱分布和性状 3 查明场地周围和邻近地区地表和地下水体的分布 水位标高 距基坑距离及补给 排泄关系 对基坑开挖的影响程度 4 查明基坑四周道路 车流量及载重情况 3 在取得勘察资料的基础上 根据设计要求 针对基坑特点 应提出解决下列问题的建议 1 分析场地的地层结构和岩土的物理力学性质 提出对计算参数取值及支护方式的建议 2 提出地下水的控制方法及计算参数的建议 3 提出施工中应进行的具体现场监测项目建议 4 提出基坑开挖过程中应注意的问题及其防治措施的建议 4 提出支护结构设计所需的基坑工程岩土工程测试参数 宜包含下列内容 1 含水量及密度试验 测试含水量w及重力密度 2 直接剪切试验 测试固结快剪强度峰值指标c 3 三轴固结不排水试验 测试三轴不排水强度峰值指标ccu cu 4 室内或原位试验 测试渗透系数k 5 测试水平与垂直变位计算所需的参数 2 1 5深基坑支护分类与选型 深基坑边坡支护结构可根据周边环境条件 基坑开挖深度 工程地质 水文地质条件 施工季节 施工设备等条件 按表2 3选用 表2 3深基坑边坡支护分类及适用条件 2 2支护结构设计荷载 作用在支护结构上的荷载主要有 土压力 地下水水压力 坑口地面堆载 相邻房屋浅基基底传来的压力等 2 2 1土压力的极限状态 土压力的大小是土与挡土结构之间相互作用的结果 它与结构的变位有着密切的关系 根据挡土结构变位方向与大小将存在有三种不同极限状态的土压力 如图2 1所示 图2 1三种不同极限状态的土压力 1 静止土压力e0 当挡土结构在土压力作用下 不可能产生侧向位移时 则作用于结构上的土压力称为静止土压力 如建筑物地下室的外墙 由于横墙与楼板的支撑作用 墙体变形很小 可以认为是静止土压力 对于有内支撑的支护结构的角撑附近 地下连续墙围护结构的四角的土压力也是大于主动土压力而接近静止土压力的 从理论上讲 土的静止侧压力系数 为土的泊松比 土的静止侧压力系数宜通过原位试验测定 无条件实测时 可按下式估算 正常固结土 超固结土 土的有效内摩擦角 土的静止侧压力系数取植还可参考表2 4取值 表2 4静止土压力系数ko参考值 2 主动土压力ea 挡土结构在土压力的作用下 将向基坑内移动或绕前趾向基坑内转动 随着位移的增加 土体中的应力差将随之加大 则作用于挡土结构的土压力就逐渐减小 当位移达到一定量值时 则其后土体开始形成滑裂面 应力到达极限平衡状态 这时土压力处于最小值 称为主动土压力 通常用ea表示 进入主动土压力状态的位移量一般是比较小的 表2 5列出了位移的参考值 3 被动土压力ep 挡土结构在外荷作用下 如支承于其上的拱结构的推力等 将向填土方向移动或转动 随着位移的增加 土体阻止其变位的抗力将增加 应力水平随之提高 使作用于结构上的土压力逐渐增加 当位移达到一定量值时 则土体中亦将形成一个滑裂面 应力到达极限平衡 这时土压力处于最大值 称为被动土压力 通常用ep表示 进入被动土压力状态的位移量比主动状态要大得多 表2 5给出了砂土进入被动状态时位移的参考值 表2 5产生主动和被动土压力所需的位移量 注 表中h为墙高 上述三种土压力是随位移变化的三种极限情况 由图3 1可见 其间有如下关系 ep e0 ea 对于基坑支护上的土压力 根据结构与土体情况 变位的状态一般是处于其间的某一状态 当结构允许产生较大的位移时 可按主动土压力来考虑 2 2 2土压力计算 基坑支护结构承受的侧向压力包括土压力 水压力 基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力 土压力应根据土体经受的侧向变形条件来确定 包括静止土压力 主动土压力 被动土压力 作用于支护结构的土压力可采用朗肯理论公式分层计算 1 静止土压力强度 可接下式计算 2 1 式中 p0 静止土压力强度 kpari 第i层土的重度 kn m3 hi 第i层土的厚度 m k0 静止土压力系数 2 主动与被动土压力 按朗肯理论计算主动与被动土压力强度时 按下式计算 2 2 2 3 式中pa pp 朗肯主动与被动土压力强度 kpa q 地面均布荷载 一般取10 20kpa ri 第i层土的重度 kn m3 hi 第i层土的厚度 m ka kp 朗肯主动与被动土压力系数 c 计算点土的抗剪强度指标 kpa 3 土压力系数的调整 当支护结构经受的侧向变形条件不符合主动 被动极限平衡状态条件时 ka kp可调整为kma kmp 按下式确定 2 4 对于一 二 三级安全等级的基坑m值分别取1 5 1 3 1 1 2 5 4 地下水对土压力的影响 1 对于碎石土及砂土 当存在地下水时 宜按水压力与土压力分算的原则计算 作用于支护结构上的侧压力为有效土压力与水压力之和 有效土压力按土的浮重度 及有效抗剪强度指标 c 计算 2 对于粉土及粘性土 当存在地下水时 可采用水压力与土压力合并计算的原则计算 水土合并的土压力按土的饱和重度 m 及总应力固结不排水抗剪强度指标 ccu 计算 2 3悬臂式桩排支护结构 悬臂式桩排支护结构可由多种桩型组成 本节只涉及相间或密排插入基坑底面以下一定深度的钢筋混凝土桩 桩顶设置钢筋混凝土锁口梁 桩体承受水平推力 锁口梁调节各桩受力和水平位移的支护结构体系 挡土深度视地质条件和桩径而异 一般不宜超过6m 悬臂桩支护结构静力计算主要目的有二个 1 悬臂桩桩身插入基底面以下的最小入土深度dmin 2 桩身最大弯矩及所在位置 以计算桩身的截面和配筋 2 3 1结构静力计算模型 钢筋混凝土桩插入基底面以下的深度可以根据静力平衡条件确定 如图2 2所示 通过主被动两侧土压力对c点的力矩平衡 解式 2 6 即可得最小入土深度dmin 图2 2悬臂式桩排计算图 2 6 式中mea1 mea2 分别为基底以上及以下主动土压力之合力对c点的力矩 kn m eep 被动土压力对c点的力矩 kn m 桩的设计长度应按下式确定 d h dmin 2 7 式中h 基坑开挖深度 m 增大系数 基坑底以下土质较好时取1 2 反之取1 4 2 3 2计算步骤 土压力计算包括主动和被动压力和超载影响的计算 桩的入土深度为未知 可设为dmin 这部分的土压力暂以包含dmin的式子表示 力矩平衡计算分别计算主 被动土压力对c点的力矩 再按照力矩平衡条件 列出平衡方程 一般为dmin的三次方程 解方程 得出dmin 求剪力为零点深度 对该深度截面计算弯矩 即为最大弯矩mmax 根据dmin确定桩的设计入土深度 根据mmax确定适当的桩径 桩距和桩的配筋 2 3 3算例 某工程基坑支护拟采用悬臂桩结构 主要参数如图2 3 a 所示 试计算桩的设计长度 桩身最大弯矩及所在位置 图2 3悬臂式桩排支护算例图 1 土压力计算 表2 6主动土压力计算表 注 a点负值不计 b点的深度z0根据 2c z0 q ka求得 表2 7被动土压力计算表 2 力矩平衡计算计算各力对0点的力矩 表2 8 主动区力矩合计 1 55dmin3 25 83dmin2 143 35dmin 265 2被动区力矩合计 6 46dmin3 14 28dmin2 根据平衡条件可得 4 91dmin3 11 55dmin2 143 35dmin 265 2 0解之 得 dmin 7 33m桩的设计嵌入深度取 1 2dmin 8 8m 9m桩的总长为 6 9 15m 3 求最大弯矩 设剪力零点位于基底以下x处 该点以上主动土压力合力为 51 66 5 55 2 51 66x 0 5 x ka x 4 655x2 51 66x 143 35该点以上被动土压力合力为 28 56x 0 5 x kp x 19 38x2 28 56x令两者相等 得 14 725x2 23 1x 143 35 0解得x 4 0m 对该截面求矩即得最大弯矩mmaxmmax 143 35 5 55 3 4 51 66 4 4 2 4 655 42 4 3 28 56 4 4 2 19 38 42 4 3 709 4knm至此计算完毕 接着可按最大弯矩选择适当的桩径 桩距和配筋 但尚应注意计算所得mmax是每延米桩排的弯矩值 应乘以桩距 并乘以荷载分项系数1 25之后 才是单桩弯矩设计值 2 3 4钢筋混凝土悬臂桩排结构设计要求 1 悬臂钢筋混凝土桩的配筋应按钢筋混凝土受弯构件计算和配筋 并应按规定采取构造措施 园形截面桩宜均匀配筋 在土质较好或采用人工挖孔桩确有施工保证可采用不均匀配筋 将抗弯钢筋集中布置在受拉边的弯矩作用平面左右各45 范围内 以增大抵抗力矩 2 钢筋混凝土锁口梁厚度一般可为400 500mm 平面上外包桩体并突出50 100mm 沿基坑周边形成封闭结构 锁口梁按水平面内作用有正负弯矩的受弯构件配筋 每侧不宜少于3 16 梁截面的总配筋率不小于0 4 角撑可按构造设计为钢构件或钢筋混凝土构件 3 支护的钢筋混凝土桩采用疏排布置时 在各桩中间的空隙部位或桩背后适当布置止水桩 防止渗水和土体从桩间流失 也可在基坑开挖过程中逐步砌筑砖拱防渗 无论采用何种方式 其强度和构造应保证能可靠地将土水压力传递给桩身 2 4单层桩锚式支护结构 桩锚式支护由支护排桩 锚杆及围檩等组成 用以支挡坑壁土压力并限制坑壁的侧向位移 锚杆平面位置应在两个桩之间空隙穿过 锚杆由锚头 拉杆和锚固体组成 根据支护深度和土质条件锚杆可设置一层或多层 其锚固段应置于较好的粘性土或粉土 粉细砂层中 条件允许时 可在其坑边缘以外 超过潜在滑动面 设置锚定板 锚块或锚桩 用拉杆与桩排联结成顶层拉锚 2 4 1构造 2 4 2荷载 作用于桩锚支护体系的主 被动压力 可按太沙基佩克包络图分布或朗肯公式中偏于安全的使用 2 4 3计算模型 单层锚杆支护结构又分为二种假定 入土部分为自由端 上部铰结 适用于土质较好时 又称单锚浅埋板桩 上部铰结 下端入土部分为弹性嵌固 称单锚深埋板桩 适用于土质较差时 因上部锚固 板桩可绕锚固点转动 下部入土深度太浅时 被动土压力不足以抵抗主动土压力作用 达到一定深度时 绕上锚固点的力矩平衡时 可稳定 但从安全计被动土压力系数取 此时的情况相当于上述第一种情况 若板桩在不太好的土层中 浅埋易受其它因素干扰失稳 下端应按照弹性嵌固假定计算 此时板桩入土深度要加大 相当于第二种情况 1 单锚浅埋支护结构 沿桩排方向取单位长度1m研究 参见图2 4 对a点取矩 令 ma 0 x 0有 mea1 mea2 mep 0 2 8 t ea1 ea2 ep 2 9 mea1 mea2 基坑底上 下主动土压力合力对a的力矩 kn m mep 被动土压力合力时a点的力矩 kn m ea1 ea2 基底上 下主动土压力 kn ep 被动土压力合力 kn dmin 最小入土深度 以上两方程中 2 8 式中含有dmin可解出dmin 2 9 式可计算t锚固力值 图2 4单锚浅埋支护结构计算图 2 单锚深埋支护结构 沿桩排方向取单位长度1m来研究 桩排入土深度相对较深 变形曲线下部出现反弯点 如图中虚线所示 反弯点的位置 由实验知近似简化为前后主 被动土压力为零处 如图2 5所示 设支护桩由ak和kn两段简支梁组成 k点为一固定铰 首先由ak梁的平衡求出锚固力t和k点剪刀vk 然后按vk值计算kn段长度 由基坑底至k点的深度d1按主 被动土压力强度相等的条件求得 d1 eah 2c kp ka 2 10 vk me1 me2 h h0 d1 t e1 e2 vk d2 2 11 dmin d1 d2 式中d1 k点距基坑底的深度 m eah 坑底深度处的主动土压力强度 kpa 所考虑深度范围土的重度 kn m3 b 边坡单位长度 取1m d2 kn段长度 m ka kp 所考虑深度范围土的主 被动土压力系数 e1 e2 ak之间坑底上 下净土压力合力 kn me1 me2 ak之间坑底上 下净土压力合力对a点的力矩 kn m h h0 基坑开挖深度及锚杆设置深度 m 其余符号意义同前 2 4 4算例 某基坑深6m 拟采用单锚式钢筋砼桩排护壁 从桩顶往下1 5m处设置锚杆 锚杆间距2m 土质为砂性土 32 17 6kn m3 基坑边施工前为q 10kpa 试按单锚深埋法计算锚杆的水平拉力 桩的入土深度 桩身最大弯短及所在位置 图2 8单锚深埋算例图 解 1 计算模型如图2 6所示 沿桩排方向取1m长度计算土压力计算见表2 9 表2 10 2 求反弯点位置 反弯点位置可以桩前后土压力为零点近似确定 35 489 5 403d1 57 288d1解出 d1 0 68m 表2 10被动土压力计算表 表2 9主动土压力计算表 3 求dmin 在图2 6中e1 3 07 35 489 6 2 115 677kne2 35 489 0 68 12 066kn对b点取矩me1 3 07 6 1 5 35 489 3 07 6 6 1 5 270 77knme2 12 066 6 1 5 0 68 57 03kn于是 水平拉力 t e1 e2 vk 115 677 12 066 63 28 64 46kn 入土深度 dmin d1 d2 0 68 2 71 3 39取为3 4m 4 桩长设计值 d h kd dmin kd取1 4 6 1 4 3 39 10 75m取d 11米 5 求桩身最大弯矩及其位置 设剪力零点 即最大弯矩点 位于基底以下x处 该点以上主动土压力合力为 3 07 35 489 5 403x 6 x 被动土压力为 57 288x2 锚杆水平拉力为 t 64 46kn令桩排左右两边水平力相等并化简得方程 25 944x2 35 489x 51 217 0解之可得 x 2 2m对该截面取矩即可得最大弯矩mmax由前面的表格 可求得在x 2 2m处 主动土压力为 35 489 5 403 2 2 47 38kpa被动土压力为 57 288 2 2 126kpa对v点取矩 图2 7 有 mmax 3 07 6 2 2 2 6 2 2 2 47 38 3 07 126 2 22 64 46 6 2 2 1 5 66 258 kn m 图2 7桩身最大弯矩计算图 2 5多层锚杆支护结构 2 5 1计算假设 当基坑深度较大时 单层锚杆尚不能完全保证桩墙的稳定 需要设置多层锚杆 多层锚杆的设置是随着开挖不同工况逐层向下开挖而分次设置的 见图2 8 根据实测资料这样设置的多层锚杆有如下一些现象 1 下道锚杆设置之后 上道锚杆的轴向力只有微小的变化 锚杆所在点可以看作是不动点 2 下道锚杆支点以上的墙体变位 大部分是在下道横撑设置前产生的 多层锚杆支护结构是超静定问题 根据实际支护中的实测资料可按下列假定将超静定问题简化为静定问题进行计算 1 各层锚杆所在点均为不动支点 2 支护桩的下端按简支端考虑 3 在自上至下逐层计算过程中 某一层锚固力一旦确定 在后续的计算中保持不变 图2 8多层锚杆支护工况图 2 5 2计算模型 如图2 9所示 对于第i层锚杆计算如下 对 点取矩 令 mi 0 则有 mea2i mea1i 0 2 12 ti ea1i ea2i epi 2 13 式中及图中 hi 设置第i 1层锚杆时的开挖深度 m di 所计算阶段满足力矩平衡的计算入土深度 m ea1i ea2i 分别为hi深度下的开挖底面上下主动土压力合力 kn epi di深度范围内的被动土压力合力 kn 图2 9多层锚杆支护结构计算图 mea1i mea2i mepi 各项土压力对 点的力矩 kn m 第 至第i 1层锚固力对 点的力矩 kn m 在上式 2 12 中 含有di 解出后从 2 13 式中可算出第i层锚固力ti kn 对最下一层锚标计算得出的di值可作为桩的最小入土深度dmin 支护桩的设计长度d按下式确定 d h kd dmin 土质好时kd 1 2 反之kd 1 4 按此设计的入土深度 尚应满足整体稳定性验算要求 2 5 3算例 某工程基坑深10m 土层分布及参数见图2 10所示 坑口地面堆载平均以q 10kpa计算 拟采用二层锚杆锚固钢筋混凝土灌注桩排支护结构 第一 二层锚杆设在坑口下3m 6m处 基坑安全等级按一级考虑 试求支护桩桩长 最大弯矩及所在位置 右图2 10土层分布图 1 计算主动土压力 对多层锚杆要分工况计算 不同工况被动区深度不同 故只能先算出主动侧的土压力 被动区的土压力则分工况计算 2 工况1之计算 工况1 第一层锚杆已设 锚固力待求 开挖至7 0m 第二层锚杆尚未设置 如图2 11所示 力矩平衡计算 以t1作用点为力矩中心 设力矩逆时针方向为负 被动土压力除以1 5折减 根据力矩平衡条件可得5 54dx3 48 24dx2 16 2dx 524 43 0解之 得dx 2 97m 将dx之值代入各块合力算式 利用水平向力的平衡条件 可得 t1 575 25 413 8 161 45kn 表2 11主动土压力计算表 注 q 10kpaea x 为土层内压力随深度变化的方程式 x项系数等于层顶底土压力差除以层厚 亦即土压力强度随深度变化方程的斜率 表2 12被动土压力计算表 表2 13工况1计算表 图2 11工况1计算图 3 工况2之计算 工况2 两层锚杆均已设 开挖至10 0m 第一层锚杆力已确定为161kn 如图2 12所示 被动土压力计算 见下表力矩平衡计算 以t2作用点为力矩中心 设力矩逆时针方向为负 被动土压力除以1 5折减 注意除土压力之外 尚应包括上层锚杆力的力矩 根据力矩平衡条件可得9 75dx3 123 1dx2 216dx 1411 35 0解之 得dx 2 45m dmin 3 5 2 45 5 95 m 将dx之值代入各块合力算式 利用水平向力的平衡条件 可得 t2 990 161 634 195kn 具体计算表格在下图 表2 14工况2被动土压力计算表 图2 12工况2计算图 表2 15工况2计算表 4 求工况2的最大弯矩 最大弯矩所在截面为剪力为零处 一般在最下一层锚杆以下 根据土压力分布图可算得9 0m深度处的剪力为35 7kn 13 5m深度处的剪力为 157 62kn 剪力零点在此之间 利用第 层土的土压力随深度变化关系 可列出方程 求出剪力零点的准确位置在9 48m处 计算9 48m深度截面以上所有土压力 锚固力对该截面的力矩 得到mmax 645 5kn m 5 支护桩设计长度 d h kd dmin 10 1 2 5 95 17 14 m 2 5 4桩径 桩距与配筋 设有撑锚的支护桩排 其弯矩值可通过增加撑 锚的层数来控制 因此一般比悬臂桩的弯矩小 这样 设有撑锚的支护桩排有可能采用较小的桩径 通常推荐的桩径最小为 400mm 适用于土质好的粘性土分布区 土质较差时宜采用 600以上的桩 桩的间距应根据土质 弯矩值等确定 最小应有200 300mm的净距 以便在桩间设置锚杆 净距也不宜过大 以便有效地挡土 设有撑锚的支护桩内的弯矩沿纵向往往是正负交替改变的 由于撑锚对桩的变形限制程度的不同 土压力的分布会发生改变 这也将导致桩身弯矩的变化 因此 一般要求对设有撑锚的支护桩按最大弯矩均匀对称配筋 2 6内撑式支护结构体系 当采用悬臂式支护结构 其稳定性 位移值不能满足要求时 可采用内撑式支护结构 内撑式支护结构体系由两部分组成 一是围护壁结构 二是基坑内的支撑系统 围护壁可以是钢板桩 钢筋混凝土地下连续墙 钢筋混凝土桩排等 支撑系统按材料分可分为钢管支撑 型钢支撑 钢筋混凝土支撑 钢和钢筋混凝土的组合支撑等 按其受力形式可分为单跨压杆式支撑 多跨压杆式支撑 水平框架式支撑 水平桁架式支撑 斜支撑 角支撑等 2 6 1内撑式支护结构形式 斜支撑适用于支护结构高度不大 所需支撑力不大的情况 一般为单层 不宜超过二层 水平支撑可设计成格构 桁架 纵横对顶 环梁等多种形式 水平支撑可以单层设置也可多层设置 基坑平面尺寸较大时 还需在水平支撑下设置立柱 见图2 13 内支撑结构体系的各构件可采用钢结构 亦可采用钢筋混凝土结构 工程上通常将围护结构支撑体系设计成水平的封闭体系 以提高支护结构的整体刚度 支撑体系的几何形式可布置成多种多样 图2 14 要根据基坑平面大小 深度 基坑施工 工期 施工方法 支护结构材料进行优化设计 尽可能使支护体系受力良好 施工方便 节省投资 为防止一个方向支撑的位移迫使另一个方向支撑失稳 宜采用基坑长边对顶支撑与角撑分别受力的结构形式 图2 14c 或加强围檩式 格构式 加强角撑式结构 图2 14a b d 对于规则的正方形基坑可采用内环梁式平面支撑体系 图2 14e 图2 13内支撑布置的基本形式图1 斜支撑2 角撑3 锁口梁4 围檩5 横向水平支撑6 纵向水平支撑7 支撑立柱8 立柱基础 图2 14内支撑布置形式示意图 钢结构支撑的平面布置宜优先采用相互正交 均匀布置的平面对撑体系或对称桁架体系 对于长条形的基坑可采用单向布置的对撑体系 在基坑四角设置水平角撑 如图2 14c 支撑体系是为施工而构筑的临时结构 对它的要求就是既方便施工 又安全可靠 如果沿用纵横交叉的井格梁系作水平封闭框架 则施工空间受到分隔 不利于基坑挖土和地下结构施工 以方便施工为目标的结构几何布置优化就是要使支撑结构给施工创造尽量大的工作空间 封闭框架的几何布置要根据基坑形状的不同 尽可能采用一些受力性能良好的杆件形式 如圆环形杆件 弓形桁架杆件 折线形杆件等 在框架平面中心区域形成宽敞的施工空间 如基坑是接近正方形的矩形 可以采用圆环结构 是长方形的我们则可以选两个半圆加一些集束形支撑 如是不规则多边形 可以在其内做一个内切圆 也可以在其周边做 一些几何稳定的折线形杆件 在内折角做一些搭角斜撑等 综合应用这些杆件形式 同时兼顾结构施工对支撑位置的要求 注意形成封闭刚架的整体刚度 就能实现结构几何布置的优化 在几何布置优化过程中 设计者应依据钢筋混凝土材料的特性 尽量使主要受力构件处于压弯状态 在以控制投资为目标的杆件设计优化中 要对封闭框架进行准确的内力计算 在满足围护结构整体刚度的条件下 使预先设定的杆件断面趋于合理 有条件的还可以做钢筋凝土结构和钢结构组合框架 将拉杆改成钢结构以减轻结构自重 日后可以更方便地拆除 钢筋混凝土封闭框架结构优化与否 将直接影响到工程的施工速度 投资控制 因此在支撑体系的设计中必须强调结构优化的指导思想 实践中优化的方法有以方便施工为目标的结构几何布置的优化和以控制投资为目标的杆件设计优化 这两种优化方法在支撑体系中常常是一致的 先进行前一项的几何布置优化 尔后着手后一项的设计 在竖向平面内 内支撑设置的层数 间距应经计算确定 布置支撑结构应避开建筑物柱位和地下结构的其它重要部位 还应考虑方便后续施工和拆除 与内支撑配套的支护体系必须具有相应的强度和刚度 支柱应有一定的埋置深度和抗压 抗拔承载能力 2 6 2内撑式支护结构内力计算 就内撑式支护结构体系而言 围护桩墙挡土结构和内支撑体系共同组成了一空间结构体系 共同承受土体荷载作用 理应按照空间结构进行计算 但实际上 施工过程中墙体结构 支撑结构内力和变形与墙体的刚度 支撑的刚度和效果 土体的状态 施工开挖的方式 开挖的速度 围护墙体暴露的时间等因素都有关 在计算中这些因素难以全部加以考虑 按空间结构进行计算的实施方法还有待于进一步研究 据文献 3 介绍 上海地区常用supersap 5和sap 90两个程序 用以计算基坑墙体 支撑的内力和位移 计算值与实测值有较大的差异 例如墙体位移实测值往往比计算值约大2 3倍 个别达4 5倍 这就是因为上述诸多因素在计算模型中难以准确 合理地考虑 加之程序是以弹性理论为基础的 而土体一般是弹 塑性的 到接近破坏时是进入塑性状态的 因此 支撑体系设计宜尽量简明 传力路线清楚 有足够的刚度构造措施 施工措施得力 计算模型符合施工工况实际 这样计算结果与实际出入就可能减小 支护结构体系的传力途径基本上是这样的 基坑外侧土压力直接作用在围护壁上 围护壁上的力通过围檩传递给支撑结构体系 支撑杆是支撑结构中的主要受压杆件 支撑杆相对于受荷面来说有垂直于荷载面和倾斜于荷载面二种 即水平支撑和斜支撑 支撑杆由于受自 重和施工荷载的作用 是一种压弯杆件 是力学上的非线性问题 施工实践中常简化为线性问题来计算 在基坑平面尺寸较大时 在各受压支撑杆件增设三向束节点构造 以减短压弯支撑杆件的计算长度 或将支撑杆设计成支撑桁架 以加强支撑杆件的刚度和稳定性 当设计成桁架时 腹杆应该按其受力情况合理的选择断面的尺寸 支撑杆和支撑桁架还需要设置立柱来支撑 立柱通常采用钢管砼柱 h型钢和钢格构柱 立柱下面还要有立柱桩支承 立柱桩可以借用工程柱 也可以单独设计支承桩 下面介绍在工程实用中对支撑结构的一些常用计算方法和原则 1 平面形状复杂的支撑体系 格构式 桁架式 环梁式支撑的内力宜按有限元方法计算 2 对顶式支撑结构的支撑力按下式计算 2 14 式中ri 第i层支撑的支撑力 kn 第i层支撑每延长米的支撑力 kn m 其计算方法与桩锚体系的锚固力计算相同 见本章2 4 2 5节 li 第i层支撑的水平间距 m 支撑力分布不均匀系数 视工程重要程度在1 1 1 3之间取值 3 垂直面上的斜撑 水平角撑均按两端铰支计算 计算简图见图2 15 2 16 应计算的内容如下 1 垂直面上的斜撑一般采用钢支撑 垂直面 绕x x轴 内为偏心受压构件 其内力为 n rat cos g l 2 sin m 1 8 g l cos 2 2 水平角撑可用钢支撑 亦可用钢筋混凝土支撑 垂直面 绕x x 为偏心受压构件 其内力为 n rat sin 或n rbt cos m 1 8 gl2 3 斜撑和水平角撑应按中心受压验算平面内 外的稳定性 4 应验算斜撑 水平角撑的支撑面及斜撑下支点的抗滑移强度 承压强度 图2 15斜支撑计算图g0 单位长度支撑自重rat 支撑点a的水平分力rbv 地基垂直反力rav a点支撑力的垂直分力rbt 地基水平反力 图2 16角撑计算图ra rb rat sin rbt cos rav rat tg rbv rbt tg 4 对顶式支撑按以下规定进行验算 1 单跨对顶支撑的计算与第3条水平角撑同 仅 90 90 2 基坑内设置纵横对顶支撑 其交点下设立柱 支撑的轴力考虑温度影响按式 2 15 计算 ni 1 2 ri 2 15 式中ni 第i层支撑的轴力 kn ri 第i层支撑的支撑反力 kn 3 当纵横支撑交叉处各方向的连结强度 ni 10时 支撑计算长度l0 s 交叉点间距 否则 l0 l 整根支撑长度 4 支撑的弯矩为安装偏心e l0 1000产生的弯矩和自重产生的弯矩之和 5 支撑中间的立柱按中心受压柱计算 1 立柱轴力nz nz1 nz2 2 16 式中nz1 水平支撑及柱自重产生的轴力 kn nz2 附加轴力 kn ni 第i层支撑交汇于本立柱的所有受力杆件的轴力 kn 负值为上拔力 n 支撑层数 2 当支撑与立柱的连接强度大于0 1ni时 以支撑的竖向间距为柱计算长度 否则应以柱的全高为计算长度 2 7土层锚杆支护体系 高层深基坑支护结构采用内支撑体系往往给施工带来不方便 在基坑周边土层条件许可的情况下采用土层锚杆 则可解决内支撑体系防碍施工的问题 特别是在基坑形状不规则 支撑体系布置复杂的情况下 以锚杆代替内支撑体系往往更为优越 2 7 1锚杆支护体系组成 锚杆支护体系由基坑围护挡土构筑物 腰梁 围檩 锚杆组成 如图2 17所示 腰梁 围檩 可用型钢或钢筋混凝土梁 它可使挡土构筑物上的土压力较均匀地分配传递到相应的锚杆 图2 17锚杆支护体系组成示意图 土层锚区一般根据朗肯主动滑裂面分为土体滑动区和有效锚固区 锚固力主要是由处在有效锚固区的灌浆锚固头与土体的摩阻力提供的 处在滑裂区的锚杆部分应外加套管或沥青涂层 避免灌浆时与土层粘结 这样不会影响滑动区土体的自由变形 同时又可防护锚杆锈蚀 2 7 2锚杆的设计 1 锚杆设计锚固力按下式确定 ra t s cos 2 17 式中 ra 单根锚杆轴向抗拔力设计值 kn s 锚杆的水平方向的间距 m 锚杆对水平方向的倾斜角 t 计算所需的每米宽度挡土构筑物所需水平方向锚固力 kn m 荷载分项系数 安全等级一 二 三级基坑分别取1 2 1 1 1 0 2 锚杆的轴向抗拔力设计值尚应满足下式 2 18 式中 ra 单根锚杆轴向抗拔力设计值 kn li 锚杆的有效锚固段在第i层土内的长度 m d 锚固体的直径 m fi 第i层土与锚固体的极限粘结强度标准值 kpa n 有效锚固段穿越土的层数 rs 锚杆抗拔力分项系数 可取1 3 极限抗拔摩阻力fi可按表2 16参考取值 表2 16土体与锚固体极限粘结强度标准值 3 锚杆的倾角及布置 为有效的抵抗挡土构筑物的土压力 倾角 宜小 但从锚杆灌浆要求倾角不应小于13 左右 此外为使有效锚固段能进入较好土层 需选择适当的倾角 综合这几方面的要求一般锚杆的倾角在15 35 左右 且不应大于45 锚杆的上 下排垂直间距不宜小于2 0m 水平间距不宜小于1 5m 否则要考虑锚杆的相互影响 单根锚杆的承载力要降低 锚杆锚固段的上覆土层厚度不宜小于4m 4 锚杆的材料与直径 锚杆材料可以选用钢筋 钢绞线 精轧螺纹钢筋等 当锚杆极限承载力小于500kn时 一般可采用 级或 级钢筋 锚杆的直径可按下式确定 2 19 式中d 拉杆直径 mm 锚杆材料拉应力设计值 kn mm2 5 锚杆的长度 根据锚杆的布置 倾角 公式 2 17 2 18 潜在的朗肯滑动面的位置 可以试算出锚杆的有效锚固长度le 然后根据挡土构筑物的厚度 锚固所要求的预留长度 便可推算出锚杆的全长l 一般锚杆的自由段长度宜超过潜在滑裂面1 5m左右 有效锚固段的长度不宜小于4m 且不宜大于14m 试验和理论分析均表明 锚固长度增加到一定程度后 锚固体周侧的摩阻力发挥得很少 而锚杆过长带来的施工钻孔 灌浆 锚杆焊接 运输等困难却不小 为提高锚固力 在相同的土层中 一是增长锚杆有效锚固段的长度 二是增大锚固体的直径 增大摩阻接触面积 二者相比较 一般首选前者 较为简单 但不要超出常规机械打孔的长度 选择增加锚固体直径 需要适当扩大锚固段的孔径或增大灌浆压力难度大些 2 7 3锚杆试验 1 极限抗拔力试验 为了验证设计的锚固长度是否足够安全 需测定锚固体与地基之间的极限抗拔力 求出引起锚杆周围地基破坏 周边摩擦力消失或使锚杆拉出所需施加的荷载 用以检验所采用的土质参数是否合理 试验应于施工前的工地 相同地质条件 进行 试验方法与步骤在现场钻孔灌浆后的锚杆 待浆液达到70 以上的强度后才能进行抗拔试验 一般情况下普通水泥必要的养护期为8天左右 早强水泥为4天左右 试验步骤如下 1 安装支架及千斤顶 2 试验开始时按事先预计极限荷载的1 10施加荷载 最终每级按预计极限荷载的1 15施加荷载直至破坏 3 加荷后每隔5 10min测读一次变位数值 每级加载阶段内记录不少于三次 4 在某级荷载作用下 连续三次变位值不超过0 1mm即视为稳定 可施加下一级荷载 5 在某级荷载作用下 变位值不断增加直至两小时仍不能稳定即认为已达极限破坏 并转入卸荷试验 6 卸荷分级为加荷的2 4倍 每次卸荷后视土层情况10 30min记录一次变位量 完全卸荷后再读2 3次 读完残余变位后试验才告全部结束 2 张拉试验 张拉试验也称性能试验 试验方法与抗拔试验相同 但张拉试验只做到1 0 1 2倍设计荷载 这样做是为了取得锚杆变位性状的数据 进一步核定锚杆是否已达到设计预定的承载能力 3 验收试验 验收试验是以张拉试验所获得的变位特性为依据 取锚杆总数的5 进行张拉试验 并与张拉试验资料比较 确认设计荷载的安全性 这种试验也称确认试验 一般以0 8 1 0倍设计荷载为张拉力一次加荷 如果在所定的荷载时间内变位不见增加 而且塑性变化与张拉试验时大体相同或更小即认为合格 2 7 4锚杆施工 锚杆的有效锚固力能否建立 与锚杆施工方法 施工效果关系很大 必须高度重视锚杆的施工 充分做好施工设计和准备 1 土层锚杆正式施工前准备工作 1 熟悉工程 水文地质勘察资料 2 查明土层锚杆施工场区的地下管线 构筑物等的具体位置和情况 3 研究土层锚杆对邻近建筑物和地域的影响以及附近施工情况 如 打桩 降低地下水位 岩石爆破等 对土层锚杆的影响 并拟定相应的措施方案 4 编制土层锚杆施工方案 5 场地清理 机械设备 材料 电力供应及给排水的准备 2 施工顺序 一般情况下土层锚杆应按以下顺序施工 锚杆的加工与组装 钻孔 锚杆的插入 灌浆 养护 锚杆确认试验 张拉固定 1 钻孔 钻孔机械与方法的选择为了保证土层锚杆质量和降低成本 必须正确选择钻孔和钻孔工艺 1 钻孔机械土层锚杆钻孔机械按工作原理分为旋转式钻孔机 冲击式钻孔机和旋转冲击式钻孔机三类 其选用应根据土质条件 钻孔深度和地下水情况而定 2 钻孔方法钻孔方法有 螺旋钻孔干作业法 回旋式旋转钻机成孔法 潜水钻机成孔法 旋转冲击机成孔法 钻孔要求1 锚孔保持顺直 2 孔壁不得坍塌和松动 3 钻孔时不得使用膨润土循环泥浆护壁 以免影响摩阻力 为了达到上述要求 需要根据不同成孔方法采取不同的相应措施 必要时应采用套管跟进成孔 在地层松软 土质物理力学强度指标低 或在地下水位以下容易坍孔或缩颈的地层适宜使用长螺旋钻孔一次成孔的施工法 例如日本tk式钻机 它采用一套长螺旋空心钻杆 钻孔与插入受拉钢筋同时进行 钻孔时 将锚杆插入长螺旋杆中心管内 一同到达设计锚固深度后 提取螺旋钻杆15 20cm 并采用压力灌浆 边灌浆边退钻杆 使中心锚杆及端头活动钻头留在孔内 灌浆时螺旋叶间充填的土可起到保护孔壁 防止坍滑和堵塞灌浆液的外流 从而提高灌浆压力的作用 2 扩孔 在需要增大锚固段锚固力时 可采用锚固段扩孔措施 一般有以下四种方法 机械扩孔利用专门的机械扩孔装置 在锚固段形成几倍于钻孔直径的扩大头 爆炸扩孔将计算好的炸药置于钻孔内引爆而将土体向四周挤压形成球形扩大头 水力扩孔钻孔钻到锚固段时换上水力扩孔钻头 利用射水压力扩展孔径 压浆扩孔在第二次灌浆时增大灌浆压力并保持一段时间 使浆液向四周土体渗透并挤压土体从而扩大孔径 3 锚杆的制作与沉放 钢筋锚杆钢筋锚杆一般由一根或数根粗钢筋组合而成 若锚杆由数根钢筋组合而成 则先绑孔或电焊连接 拉杆过长则分段制作 设置定位器 定位器一般用细钢筋制作 沿钢筋锚杆120 布置 间距为2 2 5m 外径小于钻孔直径10mm 为便于沉放 防止顶端插入孔壁 可以在顶端设置挡土板 在沉放过程中绑设灌浆管 钢丝束锚杆钢丝束锚杆一般制成通长一根 与灌浆管一起绑孔 同时沉放 锚固段用撑筋环作定位器 间距0 5 1 0m 钢丝束的钢丝分内外两层 外层钢丝绑扎在撑筋环上 内层钢丝则从撑筋环中间穿过 在沉放时为了防止顶端插入孔壁 应用一竹筒将顶端封套 然后对准钻孔中心沉放 钢铰线锚杆钢铰线锚杆的沉放有专门的定位架 在沉放前应对锚固段进行除油脂处理 4 压力灌浆 灌浆材料及配合比灌浆材料应根据设计要求确定 灌注的浆液为水泥砂浆 细砂 或水泥浆 水泥浆水灰比常用0 4 0 5 水泥砂浆常用灰砂比1 1 1 2 水灰比为0 3 0 45 灌浆体的设计强度不应低于20mpa 砂浆需经过滤网倒入压浆泵 灌浆方法灌浆是土层锚杆施工的关键 一般分一次灌浆和两次灌浆两种 1 一次灌浆采用一根灌浆管 钢管或胶皮管 作导管 管端距孔底应预留0 2 0 5m的空隙 开动压浆泵将浆液注入钻孔底部 自孔底向外灌注 等浆液流出孔口时 用水泥袋纸等捣塞入孔口 并用湿粘土封堵孔口 严密捣实 再进入补灌 稳压数分钟灌浆方告结束 2 二次灌浆第一次灌浆用的灌浆管的管端距离锚杆末端500mm左右 管端用黑胶布等封住 以防沉放时土壤进入管口 第二次灌浆用的灌浆管的管端距离锚杆末端1000mm左右 管底出口处亦用黑胶布封住 在第一次灌浆初凝后 再启用第二根灌浆管进行二次灌浆 使原先的锚固体在压力灌浆下产生裂缝并用浆液充填以提高灌浆质量 灌浆应注意如下几点 1 浆液需按配合比搅拌 2 必须保证锚固段连续密实 3 在浆液硬化前 锚杆不能承受外力 4 用压浆泵灌浆时 压力不宜过大 以免吹散浆液 5 灌浆完成后应浆灌浆管 压浆泵 搅拌机等用清水洗干净 5 张拉和锚固 锚杆灌浆养护7 8天后 锚固体强度达到70 80 设计强度 在承载力确认以后 在支护结构上安装围囹 用油压千斤顶张拉固定 张拉力按设计规定取值 张拉锚固的方法有 如为钢筋锚杆在其端部焊一螺丝端杆 用螺母锚固 如为钢丝束锚杆用千斤顶张拉 用镦头锚具锚固 如为钢绞线锚杆利用qm xm系列锚具和其配套的千斤顶进行张拉锚固 2 7 5工程实例 北京某宾馆锚杆地下连续墙车库深基础工程系三层半地下室 地下室一层作商场用 二 三层作停车库和设备层用 地库深基础工程开挖最大深度为16m 场地工程地质及土质情况见图2 18 上层滞水其稳定深度在地下5 6 11 7m深处 第二层地下潜水的稳定水位在地下20 27m处 邻近东西南向有旧高层建筑并有密集的居民住宅 距原有建筑最小处仅1m左右 故设计选用筑有多层土层锚杆的钢筋混凝土地下连续墙结构 在基坑开挖时作为挡墙结构 在基坑开挖至基底后 浇筑底板 由底至上在连续墙侧壁构筑内衬墙 并与连续墙连成一体 以复合墙结构 共同作为箱基地库主体结构边墙 用以承受水土侧压力及建筑结构使用的垂直荷载 图2 18北京某宾馆地下工程墙体构造剖面图 地下连续墙厚600mm 墙深20 5m 总延米为375m 标准单元槽段取6 1m 开挖过程中 以地下连续墙结合四层土锚设置两根 第二 三 四层均设置三根 整个工程设置土锚662根 立面布置见图2 34 多层锚杆设计参考见表2 17 锚固段设于墙后土体破坏棱体以外的砂与砂砾层中 锚固长度均为8m 土层锚杆由锚座 锚杆与锚头组成 锚座系预制构件 包括锚座板与穿墙钢锚管 两者成40 焊接 在连续墙钢筋笼成型时即扎焊就位 钢锚管两端临时用泡沫聚苯乙烯板或木屑板封堵 管中塞有松散物 基坑开挖时 锚座板露出 即可进行钻孔 放钢索 灌浆及焊接张拉座并进行张拉定锚作业 锚头锚定区选在渗透系数大于10 4m s的砂砾层中 锚头长度各为8m 锚头直径以现场试验成锚确定 表2 17各层土锚技术参数表 注 12 7mm钢索 单索破坏力为18 7kn 2 8土钉支护设计 钉支护是近年来发展起来的用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构 由于经济 可靠且施工快速简便 已在我国得到迅速推广和应用 在基坑开挖中 土钉支护现已成为桩 墙 撑和锚支护之后又一项较为成熟的支护技术 如图2 19 土钉体 支护面层 基坑底面 支护土体图2 19土钉支护示意 所谓 土钉 soilnails 源自法文clouagedesol 就是置入于现场原位土体中以较密间距排列的细长杆件 如钢筋或钢管等 通常还外裹水泥砂浆或水泥净浆浆体 土钉的特点是沿通长与周围土体接触 以群体起作用 与周围土体形成一个组合体 在土体发生微小变形的条件下 通过与土体接触界面上的粘结力或磨擦力 使土钉被动受拉变形 并主要通过受拉工作给土体以约束加固或使其稳定 土钉支护不仅可以用于临时筑物 而且也可以用于永久性构筑物 当用于永久性构筑物时 宜增加喷射混凝土层厚度或敷设预制板 并有必要考虑外表的美观 目前土钉墙的应用领域主要有 1 基坑或竖井的支挡 2 斜坡面