基础工程学第8章基坑工程ppt课件.ppt

1 基坑工程 基坑工程概述基坑工程设计与计算基坑监测 2 基坑工程概述 基坑工程的概念 基坑工程 为保证基坑施工顺利进行 主体地下结构的安全和周围环境不受损害而采取的支护结构 降水和土方开挖与回填 包括勘察 设计 施工和检测等 称为基坑工程 基坑向大深度方向发展 基坑开挖面积大 长度与宽度有的达数百米 基坑开挖会引起较大的沉降和位移 对周围建筑物 市政设施造成影响 深基坑工程工期长 施工场地狭窄 降雨 重物堆放对基坑稳定不利 基坑工程的特点 基坑工程的组成 挡土结构 P252 类型及可拆性支撑结构 P254 内支撑 钢支撑 钢筋混凝土支撑 或土层锚杆降 止 排水系统 基坑工程概述 基坑安全等级和重要性系数 基坑工程按破坏后果的严重程度分为三个安全等级 支护结构设计中根据不同的安全等级选用重要性系数 一级基坑重要性系数 1 10 二级 1 0三级 0 9 基坑工程安全等级划分 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 支护结构的类型和适用条件 由于岩土条件 施工经验及其它条件的差异 对支护结构的类型和适用条件要求也存在一定差异 建筑基坑技术规程 JGJ120 99 给出以下支护结构选型表 基坑工程概述 支护结构选型 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 支护结构的类型和适用条件 由于岩土条件 施工经验及其它条件的差异 对支护结构的类型和适用条件要求也存在一定差异 建筑基坑技术规程 JGJ120 99 给出以下支护结构选型表 基坑工程概述 支护结构选型 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 P253 6 认识基坑工程 基坑工程概述 7 南京中山北路运通大厦基坑 8 南京中山北路运通大厦基坑 9 南京中山北路运通大厦基坑 10 南京中山北路运通大厦基坑 11 南京中山北路运通大厦基坑 基坑支护结构设计和计算 基坑工程结构设计资料和设计内容 基坑工程设计前 应取得以下资料 工程用地红线图 基础平面剖面图及地下工程平面和剖面图 场地的岩土工程勘察报告 水文地质勘察报告 基坑周边环境状况的资料 有关深基坑施工条件的资料 施工技术 设备性能 类似条件和施工经验 基坑工程设计内容如下 支护体系的方案比较和选型 支护结构的强度和变形计算 基坑稳定性验算 围护墙的抗渗验算 地下水控制方案 挖土方案 监测方案和环境保护要求 基坑支护结构设计和计算 作用于支护结构上的荷载 作用于支护结构上的荷载主要有 基坑支护结构设计和计算 支护结构上的土压力 地下水位以上或水土合算的土层 对于透水性比较差的粘性土地基 采用水 土压力合算的方法计算作用于围护结构上的侧向压力 水土分算的土层 对于透水性比较大的砂性土和粉土 分别计算作用在围护结构上的土压力 按朗肯土压力理论计算 和水压力 按静水压力计算 然后叠加作用在围护结构上 各项参数的定义见p 293说明 15 挡土结构位移对土压力的影响一般的围护结构自身刚度不大 在侧向压力作用下产生较大的相对位移时 对土压力的分布与大小产生影响 一般有以下几种情况 挡土构造不发生位移墙后主动土压力为静止土压力 土压力分布为三角形分布 支护结构上的土压力 16 挡土构造顶部不动 底部向外位移无论位移达到多大 都不能使填土内发生主动破坏 压力为曲线分布 总压力作用点位移墙底以上越H 2处 挡土构造平行向外移动位移的大小未达到足以使填土发生主动破坏时 压力为曲线分布 当位移超过某一值后填土将发生主动破坏 应力成直线分布 支护结构上的土压力 17 挡土构造上下两端不动 中部发生向外位移墙后主动土压力为马鞍形分布 挡土构造下端不动 上端向外位移无论位移多少 作用在墙背上的压力都按直线分布 当墙上端的移动达到一定数值后 墙后填土会发生主动破坏 此时作用在墙上的土压力称为主动土压力 支护结构上的土压力 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 排桩支护 指采用成排布置的桩作为基坑挡土结构的支护体系 桩可采用灌注桩 人工挖孔桩 钢板桩以及预制板桩等 排桩支护结构和支撑结构类型概述见P296 排桩支护结构的受力特点 Ea Ep Ep 19 悬臂式围护结构内力分析 排桩 板桩 计算简图 均质土 排桩变位 净土压力分布 简化处理后的净土压力分布 基坑支护结构设计和计算 20 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 排桩的入土深度的确定 基本原理 将每延米桩看作是悬臂结构 桩的入土深度应保持悬臂结构的稳定性 即满足静力平衡条件 计算过程 1 假设桩入土深度为t 2 求出桩墙内外侧土水压力分布及总强度 3 对悬臂结构建立所有水平力平衡方程并求解可得到深度t 所有水平力对桩端取矩 21 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 排桩作用最大弯矩的确定 Ea Ep Ep 基本原理 排桩最大弯矩应在基坑底面以下 可根据剪力 0的条件按常规方法确定 计算过程 1 假设剪力为零点位于基坑底面以下距离为b 2 同样根据静力平衡条件可得到剪力为零处的力矩平衡 3 解平衡方程式可得到假设的b值 代回可直接计算剪力为零点处的弯矩值 此即为桩墙上作用的最大弯矩 在得到最大弯矩值以后 可将其作为设计值对桩墙结构进行配筋计算和结构设计 22 静力平衡法基本原理 随着板桩的入土深度的变化 作用在板桩两侧的净土压力分布也随之发生变化 当作用在板桩两侧的净土压力相等时 板桩处于平衡状态 此时所对应的板桩的入土深度即是保证板桩稳定的最小入土深度 根据板桩的静力平衡条件可以求出该深度 t 支护结构设计之排桩支护结构 23 土压力计算 朗肯土压力理论 确定板桩入土深度t基坑底土压力 地面超载 支护结构设计之排桩支护结构 24 确定净土压力p 0的深度D 支护结构设计之排桩支护结构 25 确定深度h z1及h t处的净土压力 支护结构设计之排桩支护结构 26 确定最小入土深度t当板桩入土深度达到最小入土深度t时 应满足作用在板桩上的水平力之和等于0 各力距任一点力矩之和等于0的静力平衡条件 建立静力平衡方程 可以求得未知量z2及板桩最小入土深度t 求解上述联立方程 可以得到未知值z2 t 也可以采用试算法计算 为安全起见 计算得到的t值还需乘以1 1的安全系数作为设计入土深度 即实际的入土深度 1 1t 支护结构设计之排桩支护结构 27 板桩内力计算计算板桩最大弯矩时 根据在板桩最大弯矩作用点剪力等于0的原理 可以确定发生最大弯矩的位置及最大弯矩值 对于均质无粘性土 c 0 q0 0 根据图示关系 当剪力为0的点位于基坑底面以下深度b时 则有 解出b后 即可求得Mmax z1 支护结构设计之排桩支护结构 28 布鲁姆法 均质土 基本原理 布鲁姆法以一个集中力Ep 代替板桩底出现的被动土压力 根据该假定建立静力平衡方程 求出入土深度及板桩内力 计算板桩入土深度t对板桩底C点取力矩 由 Mc 0得到 支护结构设计之排桩支护结构 29 在均质土条件下 净土压力为0的O点深度可根据墙前与墙后土压力强度相等的条件算出 不考虑地下水及顶面均布荷载的影响 c 0 q0 0 代入前式求解方程后可求得未知量x 板桩的入土深度按下式计算 t u 1 2x为便于计算 建立了一套图表 利用该图表 可用图解法确定未知量x值 其顺序如下 令中间变量 支护结构设计之排桩支护结构 30 再令 根据求出的m n值 查图表确定中间变量 从而求得 x l t u 1 2x 支护结构设计之排桩支护结构 31 支护结构设计之排桩支护结构p299 32 内力计算最大弯矩发生在剪力Q 0处 如图设O点以下xm处的剪力Q 0 则有 最大弯矩 支护结构设计之排桩支护结构 33 例题1 某悬臂板桩围护结构如图示 试用布鲁姆法计算板桩长度及板桩内力 支护结构设计之排桩支护结构 34 解 板桩长度 支护结构设计之排桩支护结构 35 查表 0 67 x l 0 67 6 57 4 4mt 1 2x u 1 2 4 4 0 57 5 85m板桩长 6 5 85 11 85m 取12m 支护结构设计之排桩支护结构 36 计算最大弯矩 支护结构设计之排桩支护结构 37 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 撑锚式排桩结构计算 Ea Ep Ep 当水土压力很大 排桩结构的入土深度需要很大才能满足挡土结构稳定要求时 可采用在基坑内侧设置若干支撑的方法 以协助挡土结构抵抗土水压力的作用并维持挡土结构的稳定 基本规定 对撑锚式围护结构的计算应包含两个方面 每层支撑施加前的围护结构内力计算 达到最终挖土深度后 应验算围护结构抗倾覆稳定性 拆撑过程需校核相应拆撑状态下的围护结构内力和稳定性 38 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 撑锚式排桩结构计算 Ea Ep Ep 当水土压力很大 排桩结构的入土深度需要很大才能满足挡土结构稳定要求时 可采用在基坑内侧设置若干支撑的方法 以协助挡土结构抵抗土水压力的作用并维持挡土结构的稳定 计算模型和方法 假设桩端嵌固 桩顶自由 支撑点为不动支点 下层支撑施加后 上层支撑力不变 按等值梁法计算内力 若桩端土层很软 或桩的入土深度浅 也可按静力平衡法计算 39 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 撑锚式排桩结构计算 Ea Ep 静力平衡法计算过程 1 第1层支撑设置后的围护结构计算 基坑深度取第2层支撑设置时的开挖深度 则第1层支撑力按下式计算 2 第K层支撑设置后的围护结构计算 基坑深度取第K 1层支撑设置时的开挖深度 则第1层至第K 1层支撑力已知 则第K层支撑力按下式计算 3 桩的入土深度按下式计算 t 40 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 撑锚式排桩结构计算 Ea Ep 等值梁法计算过程 1 第1层支撑设置后的围护结构计算 基坑深度取第2层支撑设置时的开挖深度 则第1层支撑力按下式计算 2 第K层支撑设置后的围护结构计算 基坑深度取第K 1层支撑设置时的开挖深度 则第1层至第K 1层支撑力已知 则第K层支撑力按下式计算 41 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 撑锚式排桩结构计算 Ea Ep 静力平衡法计算过程 1 第1层支撑设置后的围护结构计算 基坑深度取第2层支撑设置时的开挖深度 则第1层支撑力按下式计算 2 第K层支撑设置后的围护结构计算 基坑深度取第K 1层支撑设置时的开挖深度 则第1层至第K 1层支撑力已知 则第K层支撑力按下式计算 3 桩的入土深度按下式计算 t 42 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之排桩支护结构 支护构件选择 1 钢筋混凝土桩的类型应按受力大小 地质条件 施工设备条件以及工程环境选用 可采用钻孔桩 人工挖孔桩 预制方桩 板桩等 桩的直径宜采用400 1200mm 选择桩型时应考虑能提供足够的横向抗弯刚度 且能在成桩过程中尽量减轻对桩周围土的扰动破坏和对环境的干扰 2 钢筋混凝土冠梁竖向厚度一般为400 500mm 平面上外包桩体并突出50 100mm 条件许可时 宜沿基坑周边形成封闭圈 桩身混凝土应伸入冠梁底面以上50 100mm 桩内钢筋伸入冠梁不少于300 500mm 3 桩与桩之间是否封闭可视土质情况而定 如需要可采用砖拱 喷射混凝土 水泥土桩封闭措施 防止管涌和流土 并采用有效措施疏导地下水 减轻支护桩承受的水压力 43 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之水泥土墙结构 搅拌桩 水泥土重力式挡墙结构的一般规定 1 适用于淤泥 淤泥质土 黏土 粉质黏土 粉土等地基承载力不大于140kPa的土层 作为基坑截水及较浅基坑的支挡结构 2 水泥土墙断面宜采用连续型和格栅型 当采用格栅时 水泥土的置换率不宜小于0 7 纵向墙肋之净距不宜大于1 3 横向墙肋净距不大于1 8 3 水泥土中的水泥掺量不宜小于15 4 水泥土挡墙顶部宜设置厚度为0 2m 宽度与墙身一致的钢筋混凝土顶部压板 并与挡墙用插筋连结 插筋深度不少于1m 直径不小于12mm 5 水泥土桩与桩之间的搭接宽度应根据挡土及止水要求确定 考虑止水作用时 桩的有效搭接宽度不宜小于150mm 不考虑止水作用时 搭接宽度不宜小于100mm 44 基坑支护结构设计和计算 支护结构设计之水泥土墙结构 搅拌桩 水泥土重力式挡墙结构的设计 设计步骤 截面设计 按下式初定尺寸 t B D h 稳定性分析 包括抗倾覆 抗水平滑动 抗基底隆起和和抗渗分析 45 8 8基坑的稳定验算 基坑稳定验算的基本内容整体稳定验算 边坡稳定 倾覆稳定 滑移稳定 基坑抗隆起稳定 基坑抗渗流稳定 46 基坑抗隆起稳定基坑隆起 开挖较深软土基坑时 在坑壁土体自重和坑顶荷载作用下 坑底软土可能受挤在坑底发生隆起现象 基本假定参照太沙基 普朗得尔地基承载力理论 支护桩底面的平面作为极限承载力基准面 滑动线形状如图8 16 p 308 所示 基坑抗隆起安全系数 式中各项物理意义见p 308说明 47 承载力系数普朗得尔公式 安全系数 Ks 1 1 1 2太沙基公式 安全系数 Ks 1 15 1 25 48 建筑地基基础设计规范 推荐公式Nc 承载力系数 条形基础取Nc 5 14 0 抗剪强度 由十字板试验或三轴不固结不排水试验确定 t 支护结构入土深度 其余参数与前述相同 49 简化计算方法假定地基破坏时发生如下图所示滑动面 滑动面圆心在最底层支撑点A处 半径为x 垂直面上的抗滑阻力不予考虑 则滑动力矩为 稳定力矩为