基坑工程计算方法.ppt

第8章基坑工程 8 1概述 随着城市建设的发展 地下空间在世界各大城市中得到开发利用 如高层建筑地下室 地下仓库 地下民防工事以及多种地下民用和工业设施等 在我国 地铁及高层建筑的兴建 产生了大量的基坑 深基坑 工程 基坑工程主要包括围护体系的设置和土方开挖两个方面 围护结构通常是一种临时结构 安全储备较小 具有比较大的风险 围护结构应满足的基本要求保证基坑周围未开挖土体的稳定 保证相邻建筑物的 地下管线的安全 不受损害 保证作业面在地下水位以上 上海浦东绿洲中环中心 8 2围护结构型式及适用范围 围护结构型式及分类 放坡开挖及简易支护 悬臂式围护结构 重力式围护结构 内撑式围护结构 拉锚式围护结构 土钉墙围护结构 其他形式围护结构 放坡开挖及简易支护 边坡高度与坡度控制 边坡允许坡度值 边坡允许坡度值 续 边坡稳定性验算需要进行边坡稳定性验算的情况有以下几种 坡顶有堆载 边坡高度与坡度超出上表所列允许值 存在软弱结构面的倾斜地层 岩层和主要结构层面的倾斜方向与边坡的开挖面倾斜方向一致 且两者走向的夹角小于45 土质边坡的稳定分析可用圆弧滑动法进行分析 岩质边坡宜按由软弱夹层或结构面控制的可能滑动面进行验算 悬臂式围护结构结构特征 无支撑的悬臂围护结构 支撑材料 钢筋混凝土排桩 钢板桩 木板桩 钢筋混凝土板桩 地下连续墙 SMW工法桩等 受力特征 利用支撑入土的嵌固作用及结构的自身的抗弯刚度挡土及控制变形 适用条件 土质较好 开挖深度较小的基坑 重力式围护结构结构特征 常用水泥土桩构成重力式挡土构造 支撑材料 水泥搅拌桩 注浆 受力特征 利用墙体或格构自身的稳定挡土与止水 适用条件 宽度较大 开挖较浅 周围场地较宽 对变形要求不高的基坑 重力式水泥土墙断面图平面图 内撑式围护结构结构特征 由挡土结构与支撑结构两部分组成 支撑材料 挡土材料有钢筋混凝土桩 地下连续墙 支撑材料有钢筋混凝土梁 钢管 型钢等 受力特征 水平支撑 斜支撑 单层支撑 多层支撑 适用条件 各种土层和基坑深度 内撑式围护结构 拉锚式围护结构结构特征 由挡土结构与锚固系统两部分组成 支撑材料 可采用内撑式结构相同的材料外 还可以采用钢板桩等 受力特征 由挡土结构与锚固系统共同承担土压力 适用条件 砂土或粘性土地基 拉锚式围护结构 土钉墙围护结构结构特征 由土钉与喷锚混凝土面板两部分组成 支撑材料 由土钉及钢筋混凝土面板构成支撑 受力特征 由土钉构成支撑体系 喷锚混凝土面板构成挡土体系 适用条件 地下水位以上或降水后的粘土 粉土 杂填土及非松散砂土 碎石土 钢筋混凝土桩 水泥搅拌桩 连拱式支护结构平面图 高压喷射桩 钻孔灌注桩 灌注桩与高压喷射桩组合支护 型钢 深层搅拌桩 SMW工法桩组合支护 深基坑支护结构分类 支护结构 挡土部分 支撑部分 透水挡土结构 止水挡土结构 H型钢 工字钢 插板疏排灌注桩 钢丝网水泥抹面密排灌注桩 预制桩双排桩挡土连拱式灌注桩土钉墙 地下连续墙深层搅拌桩 墙深层搅拌桩 灌注桩密排桩 高压喷射桩钢板桩闭合拱圈墙 自立式桩 墙锚拉支护土层锚杆水平支撑 斜撑环梁支护系统 8 3支护结构上的荷载 水 土压力计算水 土压力分算方法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 或 水 土压力合算方法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 各项参数的定义见p 298说明 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 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 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 8 4支护结构上的设计规定 设计依据 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 设计状态承载能力极限状态 支护结构达到承载力破坏 锚固系统失效或坡体失稳状态 正常使用极限状态 支护结构和边坡的变形达到结构本身或邻近建筑物的正常使用限值或影响耐久实用性能 安全等级根据建筑基坑工程破坏可能造成的后果 基坑工程划分为三个安全等级 建筑基坑安全等级及重要性系数 基坑设计的主要内容支护体系的方案比较与选型 支护结构的强度 稳定和变形计算 基坑内外土体的稳定性验算 地下水控制设计 施工程序设计 周边环境保护措施 支护结构质量检测和开挖监控项目及报警要求 基坑设计应具备的资料岩土工程勘察报告 建筑总平面图 地下管线图 地下结构平面和剖面图 土建设计和施工对基坑支护结构的要求 邻近建筑物和地下设施的类型 分布情况和结构质量的检测评价 8 5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 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 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 确定净土压力p 0的深度D 确定深度h z1及h t处的净土压力 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 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 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 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 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 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 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 解 板桩长度 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 计算最大弯矩 8 6单支点围护结构内力分析 排桩 板桩 顶端支撑的排桩结构 有支撑的支撑点相当于不能移动的简支点 埋入地中的部分 则根据入土深度 浅时为简支 深时为嵌固 在确定板桩的入土深度时 太浅则跨中弯矩比较大 较深时则不经济 比较合理的入土深度为下图所示的第3种状态所处的入土深度 一般按该种状态确定板桩的入土深度t 内力计算方法 均质土 静力平衡法 埋深较浅 下端铰支 前图a计算图式 根据图示所示静力平衡体系 根据A点的力矩平衡方程及水平方向的力平衡方程 可以得到两个方程 根据上述方程求解出板桩的入土深度t及反力R 对支撑A点取力矩平衡方程 由水平方向的静力平衡方程 根据剪力为0的条件 可以求得最大弯矩的位置 板桩截面最大弯矩 等值梁法基本原理 将板桩看成是一端嵌固另一端简支的梁 单支撑挡墙下端为弹性嵌固时 其弯矩分布如图所示 如果在弯矩零点位置将梁断开 以简支梁计算梁的内力 则其弯矩与整梁是一致的 将此断梁称为整梁该段的等值梁 对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙 弯矩零点位置与净土压力零点位置很接近 在计算时可以根据净土压力分布首先确定出弯矩零点位置 并在该点处将梁断开 计算两个相连的等值简支梁的弯矩 将这种简化方法称为等值梁法 计算步骤计算净土压力分布根据净土压力分布确定净土压力为0的B点位置 利用下式算出B点距基坑底面的距离u c 0 q0 0 计算支撑反力计算支撑反力Ra及剪力QB 以B点为力矩中心 以A点为力矩中心 计算板桩的入土深度由等值梁BG取G点的力矩平衡方程 可以求得 板桩的最小入土深度 t0 u x 考虑一定的富裕可以取 t 1 1 1 2 t0求出等值梁的最大弯矩根据最大弯矩处剪力为0的原理 求出等值梁上剪力为0的位置 并求出最大弯矩Mmax 注意 以上两种情况计算出的支撑力 锚杆拉力 为单位延米板桩墙上的数值 如支撑 锚杆 间距为a 则实际支撑力 锚杆拉力 为aR 工程实践中 可按以下经验关系粗略确定正负弯矩转折点B的位置 即u的深度 设基坑深度为h 地面均布荷载为q 基坑底面以下土体的内摩擦角为 等效基坑深度为 h h q 单支撑板桩的计算 是以板桩下端为固定的假设进行的 对于埋入粘性土中的板桩 只有粘性土相当坚硬时 才可以认为底端固定 因此 其计算假定与一般实际情况仍有差异 但等值梁法计算结果偏于安全 方法简单 特别适合于非粘性土地基中的支护结构计算 例题2 某单支撑板桩围护结构如图示 试用等值梁法计算板桩长度及板桩内力 解 土压力计算 u的计算 Ra QB的计算 入土深度t的计算 取t 13 0m 板桩长 10 13 23m 内力计算求Q 0的位置x0 8 7多支点围护结构计算方法简介 连续梁法基本原理 将排桩支护看成多支点支撑的连续梁计算步骤 以三道支撑为例 A A B A B A B C D C a b c d 1 设置第一道支撑A之前的开挖阶段 图a 按下端嵌固在土中的悬臂桩墙计算 2 设置第二道支撑B之前的开挖阶段 图b 按板桩墙为两个支点的静定梁计算 两个支点分别为A及土中净土压力为0的一点 3 设置第三道支撑C之前的开挖阶段 图c 按板桩墙为具有三个支点的连续梁计算 三个支点分别为A B及土中净土压力为0的一点 4 浇筑底板以前的开挖阶段按板桩墙为具有四个支点三跨的连续梁计算 支撑荷载1 2分担法基本原理 墙后主动土压力分布采用太沙基 佩克假定 按1 2分担的概念计算支撑反力和排桩内力 l1 l2 l3 l4 l5 R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4 R3 l3 2 l4 2 ql2 10 ql2 20 HKa HKa M图 q图 计算方法 经验方法 每道支撑所受的力是相邻两个半跨的土压力荷载值 若土压力强度为q 按连续梁计算 最大支座弯矩 三跨以上 为M ql2 10 最大跨中弯矩为M ql2 20 弹性抗力法 弹性支点法 地基反力法 基本原理 将桩墙看成竖直置于土中的弹性地基梁 基坑以下土体以连续分布的弹簧来模拟 基坑底面以下的土体反力与墙体的变形有关 计算方法墙后土压力分布 直接按朗肯土压力理论计算 矩形分布的经验土压力模式 我国较多采用 地基抗力分布 基坑开挖面以下的土抗力分布根据文克尔地基模型计算 ks 地基土的水平基床系数 支点按刚度系数kz的弹簧进行模拟 建立桩墙的基本挠曲微分方程 解方程可以得到支护结构的内力和变形 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 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 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 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 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 Su 滑动面上不排水抗剪强度 对于饱和软粘土 则 0 Su cu 定义安全系数K Mr Md 如基坑处土质均匀 则基坑抗隆起安全系数为 例题3 某基坑深H 6 2m 地面荷载q 20kN m2 地基土为均质土 17kN m3 c 25kPa 底部支撑 81 8 按简化计算方法验算其抗隆起稳定性 解 均质土地基 Su c 25kPa基坑抗隆起安全系数不能满足抗基坑隆起稳定要求 基坑抗渗流稳定基坑底面抗流砂稳定 适用 粉土 砂土 基坑底面突涌稳定性 m 透水层以上土的饱和重度pw 含水层水压力 8 9土钉支护结构 概述土钉支护是将一系列钢筋或钢索近似水平地设置在被加固的原位土体中 在坡面喷射混凝土面层形成支护结构 土钉支护设计的主要内容土钉支护结构参数的确定土钉抗拉力的计算土钉墙内外稳定性验算 土钉支护结构参数的确定土钉长度一般上下土钉取等长 或上部稍长而底部稍短 土钉内力中部较大 上部土钉对限制支护结构水平位移作用较大 下部土钉对提高土钉墙整体稳定性作用较大 非饱和土 土钉长度L 0 6 1 2 H 饱和软土 土钉长度L H 土钉间距土钉间距 1 2 2 0m 软土可 1 0m 垂直间距按土层分布及计算确定 上下插筋交叉排列 土钉筋材尺寸筋材材料 钢筋 角钢 钢管等 钢筋 18mm 32mm