深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用.ppt

1 深基坑工程桩锚支护设计计算理论及应用 2 第1章绪论第2章桩锚支护设计计算理论与分析第3章桩锚支护工程的降水设计与监测技术第4章深基坑支护工程实例第5章总结与展望 3 第1章绪论 1 1深基坑支护方法的分类及特点 1 基坑围护体系是临时结构 具有较大的风险性 2 基坑工程具有很强的区域性 3 基坑工程具有很强的特性 4 基坑工程具有很强的综合性 5 基坑工程和土压力具有很强的相关性 6 基坑工程具有较强的时空效应 7 基坑工程是系统工程 8 基坑工程的周边环境较复杂 9 基坑围护方法多 4 1 2深基坑支护的发展概况 深基坑的支护技术及其理论研究在国外发展较早 但在我国起步较晚 仅是近二十多年才逐渐涉及 上世纪70年代以前我国所涉及的基坑都较浅 一般意义上都称不上是深基坑 上世纪70年代初北京建成了深20 0m的地铁区间站和东站深基坑 上世纪80年代中期广东 上海 北京及其它城市修建的深基坑陆续增加 设施和施工都不断积累了经验 为了总结各地经验和理论 由中国土木学会和中国建筑学会土力学和基础工程学会组织 上世纪80年代以来相继在北京 上海 天津等地召开过全国和地方性深基坑会议 并出版相关论文集 进入上世纪90年代为了总结我国深基坑支护设计技术与施工经验 上海市 深圳市 武汉市 广东省等地区陆续颁布了关于深基坑设计的地方规程 北京国家行业标准亦颁布使用 同时上海 武汉 杭州等地已出版了多册关于深基坑设计与施工方面的实录集 2003年武汉市开始统一使用 天汉软件 为深基坑设计服务 2004年8月12日湖北省建设厅发布了地方标准基坑工程技术规程 5 近几年来 高层建筑与市政建设处于大发展时期 由于设计与施工队伍对当地的基坑施工特点不够熟悉 因而发生了一些事故 为避免这些事故的发生 应从如下几方面进行总结 并改进这些方面的工作 1 设计方面 2 施工方面 3 监测方面基坑支护设计中的主要问题是稳定性和变形问题 现在对支护结构的稳定性计算的常规方法一般是按弹性地基梁理论 采用等值梁法或连续梁法 其缺陷和不足是 土体是各向异性 非均质 非连续的介质 不完全是弹性体 深基坑开挖是一个卸荷过程 基坑开挖后边界条件改变 亦即稳定性分析未考虑应力路径变化对土体强度及变形性质的影响 特别是对于软土 基坑开挖后支护结构的稳定性应考虑软土长期流变的影响 对于不同的土类别 采用同一种稳定分析计算方法 不尽合理 仅考虑了支护结构本身的稳定性 而往往忽略了支护结构与边坡上体作为一个整体的整体边坡稳定性 深基坑变形破坏类型的划分一般是按倾覆 整体滑移 强度破坏 踢脚底鼓 管涌 变形过大 地面开裂沉陷等来划分 这是否缺乏科学性和系统性 6 第2章桩锚支护设计计算理论与分析 2 1深基坑边坡的变形破坏模式当基坑坑壁采用桩 墙 锚 桩 墙 撑式支护结构时 深基坑可能发生三种形式的变形破坏 支护桩 墙 入土深度不足 支护桩 墙 下部出现 踢脚 锚杆的锚固力或支撑力不足 使锚杆拉出或使支撑 压屈 支护桩 墙 强度不足出现剪断破坏 当基坑坑壁采用喷锚 土钉墙 支护时 基坑可能发生以下三种形式的变形破坏 锚杆或土钉长度不足 基坑边坡土体沿朗肯主动破裂面发生变形破坏 个别锚杆或土钉的抗拔力不足 被从土体内拉出 锚杆 土钉 与面层钢筋联接不牢固 与面层钢筋拉脱 7 2 2支护结构选型武汉地区深基坑支护结构的主要型式如下 1 放坡开挖2 悬臂桩3 水泥土重力式挡土墙4 桩锚式支护结构5 内支撑式支护结构6 喷锚支护 土钉墙 7 综合措施 2 3土层锚杆的内力计算锚杆的承载力式中 Qu 锚杆极限承载力 rb 锚杆锚固体半径 La 锚杆锚固段长度 u锚杆周围土体的抗剪强度 8 土层锚杆基于局部变形的内力计算理论的假定如下 1 假定锚固体周围土体上某一点的剪力集度 单位长度锚固体的剪力 与这点的位移成正比关系 即 q Ksw 式中q 剪力集度 N m q 2 rb 其中rb为锚固体半径 m 为剪应力 Pa Ks 综合切向刚度系数 N m m w为锚固体上某点位移 m 上述假定 实际上是用一系列独立作用的 切向弹簧 来描述锚固体与周围土体之间的相互关系 2 忽略土体对锚杆的压缩变形 3 不考虑土体对锚杆顶端和底端作用 9 2 4支护结构水平荷载与抗力计算2 4 1超载作用下支护结构水平荷载与抗力计算模式 图2 1水平荷载与抗力计算模式 10 2 4 2支护结构水平荷载标准值 图2 2水平荷载标准值计算简图 11 2 4 3支护结构水平抗力标准值计算 图2 5水平抗力标准值计算简图 12 2 5桩锚支护结构设计计算2 5 1悬臂式支护结构计算 图2 6悬臂式支护结构嵌入深度计算简图 图2 7内力计算简图 13 2 5 2多支点支护结构计算 计算简图 图2 8支点力 图2 9嵌固深度hd计算简图 14 图2 11多支点支护结构内力计算简图 图2 12逐层开挖支撑 拉锚 力不变等值梁法计算简图 15 2 5 3结构内力及截面承载力计算 5 排桩及支撑体系混凝土结构的承载力应按下列规定计算 1 正截面受弯及斜截面受剪承载力计算以及纵向钢筋 箍筋的构造要求 应符合现行国家标准 混凝土结构设计规范 GBJ10的有关规定 2 圆形截面正截面受弯承载力应按下列规定计算 沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩 图2 14 其正截面受弯承载力可按下列公式计算 16 2 5 4锚杆计算1 锚杆承载力计算应符合下式 锚杆自由段长度按下式计算 图2 15 锚杆长度设计应符合下列规定 1 锚杆自由段长度不宜小于5m并应超过潜在滑裂面1 5m 2 土层锚杆锚固段长度不宜小于4m 3 锚杆杆体下料长度应为锚杆自由段 锚固段及外露长度之和 外露长度须满足台座 腰梁尺寸及张拉作业要求 6 锚杆上下排垂直间距不宜小于2 0m 水平间距不宜小于1 5m 锚杆锚固体上覆土层厚度不宜小于4 0m 锚杆倾角宜为15 25 且不应大于45 锚杆锚固体宜采用水泥浆或水泥砂浆 其强度等级不宜低于M10 17 总结基坑支护结构设计计算思路如下 1 若设计某一段 则应己知该段各土层的厚度 c K 及q0 q1 b0 b1 选取该段重要性系数 0 设定该段桩长初值为h hd 若桩长不满足下列要求 则应加大桩长 直至满足为止 2 由式 2 4 2 7 计算基坑外侧竖向应力标准值 3 由2 4 2节的公式计算支护结构水平荷载标准值 4 由式 2 11 计算作用于基坑底面以下深度处的竖向应力标准值 5 由2 4 3节的公式计算基坑内侧水平抗力标准值 6 对悬臂式支挡结构 按式 2 14 确定悬臂式支护结构嵌入深度设计值hd 若满足 则可确定桩长 若不满足要求 则应加大桩长 直至满足为止 7 由式 2 15 验算抗渗透稳定条件 8 由式 2 16 17 计算支挡结构弯矩计算值及剪力计算值 9 由式 2 34 35 计算支挡结构截面弯矩设计值及截面剪力设计值 10 由式 2 37 43 进行支挡结构截面尺寸 如直径 及配筋等设计 18 11 对单层支点支护结构 先按式 2 18 确定基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置至基坑底面的距离 12 由式 2 19 计算支点力 13 由式 2 20 确定嵌固深度设计值 14 由式 2 25 计算支点支护结构弯矩计算值及剪力计算值 15 按上面第 9 10 步进行单层支点支护结构截面尺寸及配筋等设计 16 对多层支点支护结构 先按式 2 21 2 22 确定嵌固深度计算值 17 由式 2 24 计算嵌固深度设计值 18 按弹性支点法计算多支点支护结构支点力计算值 或按逐层开挖支撑力不变等值梁法由式 2 27 29 31 计算支点力计算值 19 由式 2 25 计算多层支点支护结构弯矩计算值及剪力计算值 20 由式 2 25 计算支点结构第层支点力设计值 21 按上面第 9 10 步进行多层支点支护结构截面尺寸及配筋等设计 22 由2 5 4节的公式和规定进行锚杆承载力计算 确定锚杆杆体的截面面积 确定锚杆轴向受拉承载力设计值 计算锚杆自由段长度 进行锚杆长度 间距 倾角等设计 对于内支撑结构 应进行强度验算 稳定性及细长比验算等 19 第三章桩锚支护工程的降水设计与监测技术 3 1深基坑工程降水设计降水基本理论设计基坑降水系统需要选用渗流公式确定井的数目 间距 深度 直径以及井的出水量等 选用渗流公式时 要根据基坑的深度 考虑场地的水文地质条件 即地下水的类型 补给源及井的结构等 根据地下水有无压力 水井分为无压井和承压井 当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时 称为无压井 当水井布置在承压含水层中时 称为承压井 当水井底部达到不透水层时称为完整井 否则称为非完整井 各类井的涌水量计算方法都不同 1857年 法国水力学家Dupuit首先研究出地下水涌水的理论 这些理论虽与实际情况有出入 但直到现在还广泛地被应用着 他研究了完整承压井和完整潜水井的涌水情况 并作了如下假定 含水层为均质和各向同性 水流为层流 流动条件为稳定流或非稳定流 水井出水量不随时间变化 20 基坑涌水量的计算基坑井点系统是由许多井点同时抽水 各个单井水位降落漏斗彼此发生干扰 因而使各个单井的涌水量比计算的要小 但总的水位降低值确是大于单个井点抽水时的水位降低值 这种情况对于以疏干为主要目的的基坑施工是有利的 潜水完整井环行井点系统可按下式计算涌水量 式中 R 群井的影响半径 R R r0 S 水位降低值 m r0 环状井点系统的假想半径 可按下式计算 式中 F 井点系统包围的基坑面积 m2 21 3 2桩锚支护工程的监测技术工程监测的目的及重要性主要表现在 1 将监测获取的数据与理论计算值比较以判断原施工参数取值是否合理 以便调整下一步施工参数 做好信息化施工 2 将监测结果信息反馈优化设计 使之更符合实际 使支护结构设计更加经济 安全 3 积累基坑工程施工 设计优化的实际资料 指导今后设计施工 深基坑支护工程监测技术主要包括以下几个方面 1 支护结构的监测 1 水平位移监测 根据基坑大小 一般每间隔6 8m布设一个监测点 在关键部位适当加密布点 考虑到施工场地狭窄 测点常被阻挡的实际情况 可用位移收敛计 经纬仪 伸缩计等多种方法进行监测 2 倾斜监测 根据支护结构受力及周边环境等因素 在关键的地点钻孔布设测斜管 用高精度测斜仪定期进行监测 也可在基坑开挖过程中在支护结构侧面用经纬仪观测 以掌握支护结构在各开挖施工阶段的倾斜变化情况 及时提供支护结构深度 水平位移 时间的变化曲线及分析计算结果 3 沉降监测 可按常规方法用DSI型精密水准仪对支护结构的关键部位进行监测 22 2 周边环境的监测3 确定监测周期及频率4 设定预警值5 监测结果的分析与评价6 险情预报7 提出合理化措施 1 在支护结构水平位移速率和累计位移较大时 分别增设钢管水平角支撑 加密支撑 及时安装支撑构件 跳槽开挖 停止超挖 先支撑后开边支撑边开挖 在挡土结构的背后挖土卸荷或加设树根桩等 2 对较复杂的周边环境 为保证支护结构的位移较小 对锚杆施加足够的预应力 或在水平钢管支撑安设时用千斤顶施加预应力顶紧支护结构 3 对邻近较重要的建筑物及地下煤气管道等进行灌浆加固等措施 对渗漏 管涌等要引流堵漏 压密注浆水堵漏 降水堵漏 钢丝网水泥砂浆护壁等 对周边地面浇注混凝土薄层 增设排水通道 对周边土体裂缝及时用水泥砂浆封闭 以防地表水往下渗流 4 对变更设计 施工方案的分析评价和建议 23 第四章深基坑支护工程实例 4 1工程概况武汉RDR国际广场主体工程为3栋塔楼 其中2栋28层 1栋24层 裙楼6层 地下二层 总建筑面积67405m2 地下总建筑面积8296m2 基坑占地面积约5000m2 平面形状近似矩形 本工程设计正负零标高约相当于绝对标高21 20m 基础承台垫层底标高为 10 70m至 9 20m 电梯井局部基础承台垫层底标高为 11 40m 基坑周边实际最大开挖深度为9 9 8 4m 该场地周边现有建 构 筑物 地下管网 道路等具体情况如下 北侧 基坑北侧紧邻江大路 坑壁距道路边线最近处7 0m 且有电信沟 煤气管道 排水管道 东侧 基坑东侧紧邻黄孝河路 坑壁距道路边线8 5m 且有电信沟 煤气管道 排水管道 距黄孝河排水箱涵12m 南侧 南侧基坑边线距武汉市交通委员会武汉交通信息中心约11m 西侧 为规划道路 距拟建建筑物边线约25 30m外有两栋8 9的砼结构住宅楼 24 与基坑支护有关的各土层分别描述如下 1 人工填土层 Qml 灰 灰黑 黄褐色等颜色 主要由炉碴 碎石及粘性土组成 结构松散 局部有原黄孝河道淤泥分布 土层厚2 00 4 5m 2 1 粘土 Q4al 褐色 褐黄 软塑 含铁 锰质结核 土层顶板埋深2 00 4 50m 层厚1 10 4 50m 平均厚度2 60m 局部地段缺失 2 2 粘土 Q4al 棕黄灰褐色 可塑状 含铁 锰质结核 土质均匀 土层顶板埋深4 40 6 00m 层厚1 00 3 10m 平均厚度1 96m 2 3 粉质粘土 Q4al 灰褐色 软塑 流塑状 土质不均 夹粉土薄层 局部为淤泥质土 土层顶板埋深6 20 8 10m 层厚4 90 7 80m 平均厚度5 83m 3 1 粉土 粉砂夹粉质粘土 Q4al 灰褐色 灰色 粉土粉砂松散 稍密 粉质粘土软塑状 薄层产出 土层顶板埋深11 40 14 20m 层厚1 20 2 80m 平均厚度1 98m 向北西向南东多变薄或尖灭 3 2 粉砂 Q4al 青灰色 稍密 中密 饱和 成份以长石 石英为主 少量云母 暗色矿物及粘粒 夹含多层不规则薄层状及透镜体状粉土 土层顶板埋深12 80 16 10m 层厚6 20 13 90m 平均厚度9 34m 25 4 2深基坑支护方案的选择支护方案比选的原则是 首先根据地层 开挖深度 周边环境的不同详细对基坑支护分段 然后对每一段按由简单到复杂 由低价到高价的先后顺序进行试算 比较 同时兼顾工期及其它工程条件 最后选择最佳的方案 综合考虑本基坑工程的各项条件 经过充分的比较 论证 试算后 确定本基坑工程支护方案的总体思路如下 以排桩 预应力锚杆作为主要支护手段 辅助坡顶减载 坑内坡脚留设反压土体 外设加强桩 止水帷幕 坑内深井降水等手段 确保支护体系的完善 对已施工的支护桩充分利用 原支护桩不能满足要求时 采取加锚或加桩等措施予以补强 本工程拟采用坑内深井降水 坑壁深层搅拌止水 坑内明排相结合的地下水处理措施 深井降水不可避免的会引起场地周边地面一定的沉降量 但根据多年来在武汉市从事深基坑工程方面的经验 可以通过以下两个方面来将其负面影响降低到最小程度 优化设计 合理安排抽水时间 26 4 3支护设计由于场地内各段土层厚度有一定的变化 故分段概化为5种地层剖面分别计算 现将DE段和FG段概化地层图示如下 27 坡顶超载 施工荷载取10 15kPa 道路荷载取30kPa 建筑荷载取15kPa 层 土压力分布模式按朗肯土压力理论 水土压力合算 被动土压力折减系数取1 0 排桩的入土深度按弹性抗力法计算结果确定 同时满足桩长构造要求 排桩的内力取上面确定的桩的长度 通过弹性抗力法和杆件有限元法分工况计算确定 弯矩取值按弹性抗力法计算结果确定 冠梁按多跨连续梁计算 计算和辅助设计软件 采用 天汉2005 软件 根据本基坑工程特点和工程经验 本基坑支护结构设计总体方案是 以排桩 预应力锚杆作为主要支护手段 辅助坡顶减载 坑内坡脚留设反压土体 外设加强桩 止水帷幕 坑内深井降水等手段 对已施工的支护桩充分利用 原支护桩不能满足要求时 采取加锚或加桩等措施予以补强 28 29 30 图4 74 4 DE 剖面桩锚设计计算结果 31 图4 74 4 DE 剖面桩锚设计计算结果 图4 74 4 DE 剖面桩锚设计计算结果 32 图4 8支护桩大样图 33 图4 9桩锚支护结构立面图 34 放坡喷锚设计桩顶平均放坡深度按2 4 3 0m计算 该段坡面设计坡率为1 0 5 坡脚设0 5 2 5m宽平台 见表4 3 设计锚杆2排 锚杆长度为4 5m 9 0 锚杆直径110mm 水平间距1 3 1 5m 垂直间距1 0 1 3m 主筋为1 20 35 36 图4 13基坑抗隆起分析 图4 12DE段桩顶放坡喷锚支护 37 喷锚面层设计喷面采用喷射砼 砼设计强度为C20 厚度8cm 10cm 配比为水泥 砂 石子 1 2 1 5 水灰比为0 4 0 5 采用标号不低于32 5Mpa的普通硅酸盐水泥 粒径不大于2 5mm的中细砂和粒径小于5mm的瓜米石 钢筋网规格为 6 5 200 200 加强筋为 16圆钢 将各排锚杆 加强筋焊成网络 以增加面层刚度 上下段钢筋网搭接长度应大于20cm 图4 15基坑喷锚支护大样图 38 4 4基坑降水设计为使本基坑既经济安全又尽量减少基坑降水可能的环境影响 结合场地地质条件 对本基坑采用减压降水法 基坑降水设计时需要有一定的安全系数 对本基坑取1 0 2 0米水头的安全系数 则本基坑降水设计时需要将场内的承压水水头降低至标高9 00米 大开挖部分 8 0米 电梯井部分 即降水设计时考虑将场内承压水水头降低10 0米 11 0米 此为本基坑降水设计目标由于降水井所抽取的地下水主要为砂层中的地下水 根据该层颗粒特征 含水层渗透性能及经济分析 基坑内降水井单井抽水量设计为80T h 由此可知所需的降水井数目为 17000t dn 9口80t h 24h d9口降水井在基坑中的布置见下图 39 40 基坑降水后地面沉降预测等值线图 41 4 5基坑监测方案设计监测的目的是根据现场监测数据与设计值 或预测值 进行比较 如超过某个限值就采取工程措施 防止支护结构破坏和环境事故的发生 用监测数据指导现场施工 进行信息化施工 使施工组织设计