深基坑演示稿PPT课件.ppt

第七章深基坑支护技术理论近十多年来 我国高层建筑发展很快 地下空间的充分利用 促进了深基础的发展 随之而带来了深基坑的设计与施工技术的研究 目前基坑的深度已达到20 30m 它的设计与施工已是当前高层建筑基础工程的热点和难点 深基坑支护设计的理论还很不完善 模型试验 工程测试等都有待进一步研究发展 本章重点介绍深基坑的设计理论和应用技术现状 第一节深基坑支护结构现状1 超深地下连续墙地下连续墙仍是深基坑工程的常用支护形式 1 上海金茂大厦在浦东新区 88层 建筑高度360m 塔顶高421m 地下3层深15m 基础采用63m长 直径914mm的钢管桩 桩上做4m厚62m见方的筏板 深基坑支护用深36m的地下连续墙 并为地下室外墙承重的一部分 施工难度主要是 1 36m深地下墙长为568 4m要保证垂直度 上海基础公司用进口绳索式液压抓斗成槽 用垂直度测试仪于操作室内控制 每一抓的垂直度读数为1 500 2 要保证平整度 作为地下室外墙 施工中 调整护壁泥浆的配合比 水100 陶土粉 9 10 纯碱0 5 0 75 CMC 纤维素 2 0 05 0 075 提高泥浆密度 增加静压力 同时控制液面 3 保证防渗好 改革接头防渗 并制做楔形接头箱 改变原来的圆形管接头 如图 3 4 超长钢筋笼的吊装安放 钢筋笼长约35m 笼宽约4 8 7 2m 笼厚0 86m 重约25T 35T 整体吊装用2台150T履带式起重机 双机一次抬吊方法 安装在单元槽段内 2 桩墙及横支撑复合支护结构用于软土淤泥地质的深基坑工程 上海广播电视塔 高468m 基坑电梯井最深达 20m 采用三级开挖 二级井点以钢板桩为主的支护方式 第一级支护使土坡稳定 大开挖深5 3m 放坡1 1 5 在坡面上用16 钢筋大入土体以固定坡面钢丝网并做50mm的豆石混凝土护坡 在 5 3m坑内打桩及送桩 第二级支护 在打桩完成50 时 先从3个翼缘 4 5 打设钢板桩 桩深18 20m 用两道支撑 在第二道支撑全部安装完后 开挖二次土方 1台0 4m3挖土机进入基坑挖土 第三级支护 电梯井深坑圆周壁全封闭钢板桩支护 钢板桩顶设一道钢筋混凝土400 600mm圈梁 每挖深2m设一道复合型钢圆周檩 共设三道直到 20m基底 浇注底板后 拆除所有围檩 以钢板桩为外模施工筒壁 与 12 5m承台基础同时浇注 3 闭合挡土拱圈支护法中国建筑科学研究院提出的方法 拱圈可以是椭圆 也可以是几条抛物线形组成 如图 6 7 这种闭合拱圈 土和拱圈共同作用 使拱圈墙主要承受轴向压力 能发挥混凝土受压的特性 适合于较浅基坑的支护 广东东峻广场两层地下室深 9 5m 用该方法支护 拱为椭圆形 长轴110m 短轴80m 拱壁支护5m高 获成功 该方法适用于淤泥松软地层 但只挡土压力及降水帷幕传来的水压力 不阻水防渗 需特别注意降水 4 环梁支护结构体系天津市首先以环梁支护结构用于国际大厦工程 坑深12m 环梁直径50m 目前应用有 外接圆环梁 内接圆环梁 交叉圆环梁 最新发展到平面格构式环梁 8 9 外接式环梁支护结构 如图所示 通过天津国际大厦4道环梁的现场监测得出的数据表明 圆形基坑的土压力不是深度的线性函数 在靠近基坑顶部的部分土压力随深度增加而增大 但到一定深度时土压力呈下降趋势 在第二道环梁处最大 转折点在基坑深度1 4处 即0 25H 因此确定环梁的计算模型如图所示 10 11 交叉式环梁支护结构 如图所示 天津红桥工商银行大厦基坑工程 12 双环梁支护结构 海口市港澳发展大厦 地上27层 地下3层 基坑深15 3m 地下室平面为39 2m 81 9m 约1 2矩形 周边高楼林立 施工环境复杂 采用地下连续墙及双环梁支护结构获较好效果 如图所示 该工程采用混凝土环梁支撑法 如图所示 节约大量施工费用 提供了较大施工空间 加快施工进度 现场监测数据表明 连续墙顶最大位移总值小于50mm 第一道混凝土环梁施工后 连续墙顶相对位移小于5mm 实践证明 环梁支撑收到经济效益 但拆除自重较大的环梁也存在施工难度 13 14 15 5 加肋式地下连续墙支护结构上海国际贸易中心大厦工程 基坑深10 3m 国际招标 日本提出用S M W护壁 即深层水泥搅拌法 壁厚7 5m 深41m 报价800万美元 工期半年 上海基础公司提出地下连续墙加肋 即 字形支护方案 坑内不设支撑 坑外无锚杆 报价仅600万人民币 工期3个月 这种加肋墙作为无撑 无锚的自立墙 可充分发挥断面抗弯能力 比单墙或灌注桩的竖向刚度大得多 在墙顶作圈梁 增加了水平刚度 16 17 6 连拱式基坑支护结构南京市民用设计院提出用大直径桩与小直径桩组成的连拱式支护结构 其特点是将土压力对平面结构产生的拉弯应力转化为沿拱轴方向的轴压力 其刚度远大于平面结构形式 用连拱式支护结构 设计时 拱的矢高为 f 1 4 1 2 LL为大桩的中心距 小直径桩组成的拱截面可换算为同截面等厚度的连续墙板 连拱式支护结构是深基坑支护技术的新发展 18 19 7 桩墙合一 地下室逆作法桩墙合一就是将基坑护坡桩和地下室工程的钢筋混凝土外墙或砖墙 合二为一 要求挡土支护桩的位置在地下室外墙位置 而不预留肥槽 有利于围护结构与地下室结构同时施工 该方法的优点是可以将地下室的楼板作为挡土桩的支撑 省去内支撑或锚拉杆 必然导致从上往下一层层施工 也就是地下室逆作法 图示为北京华侨公寓地下车库基坑工程 坑深11 5m 首先采用了桩墙合一 地下室逆作法施工 具体施工顺序如下 20 21 1 平整场地 放建筑物四周轴线 2 人工挖孔直径800桩 包括轴线承重桩 承重桩需要扩孔 3 机械挖土方到 7 0m后 平整场地 放轴线 定其它承重桩位 4 人工挖孔直径800承重桩到 14 5m 并在桩下部扩孔 5 浇注轴线中桩混凝土 同时做 7 05m标高的楼板 梁的土胎模 6 浇筑梁及楼板混凝土 与四周支护桩联结并架于中间桩上 7 浇注楼板时在适当地点留出土孔洞 22 23 24 8 人工挖地下室标高 11 5m以上的土方 并运出 9 在支护桩间砌墙 桩内预埋钢筋 并做好防水层 10 从 7 05m标高 逐步往上正常施工 8 桩锚混合支护结构该支护结构是根据深基坑的地质条件 象土层和强风化岩层情况 可采用灌注桩 土层锚杆 岩层锚杆 锚钉等相结合的支护方法 土层采用桩锚结构 强风化岩层可设若干层锚钉和长锚杆相间的支护结构 25 26 烟台芝新大厦基坑工程 坑深18m 支护部分一半在土层 一半在强风化岩层 挡土灌注桩进入强风化岩2 2 5m 坑下无足够嵌固 深基坑支护采取灌注桩 土层锚杆 岩层锚杆和锚钉 喷射混凝土相结合的方法 该工程强风化岩起伏大 岩层裂隙中地下水丰富 土层中有上层滞水 以两层锚杆平衡所有侧向力 在岩面设一层锚杆 并设若干层锚钉 以防止局部可能失稳的岩块体 总之 深基坑支护结构已发展为多种形式 多数都应用成功 也有失败造成事故 支护理论计算不能满足技术要求 27 第2节深基坑支护设计理论研究桩墙式支护结构仍是深基坑工程的一般首选支护形式 该挡土结构的设计计算仍是以传统的土压力理论为基础 传统的库伦和朗肯土压力理论都有各自的假定 并且与实际有出入 作为当时解决挡土墙的计算 也只是近似的方法 而深基坑支护结构根本不同于挡土墙 实际情况是 先将桩墙做好 分层开挖 分层支撑或做锚拉 在开挖过程中 支护结构总要变形 进行支撑或用锚拉过程是对支撑轴力进行调整 以控制桩墙的变形 这种因素使得基坑支护结构根本不能用传统的土压力极限状态理论来解决 28 因此 深基坑支护结构的设计和计算理论仍处于逐步完善阶段 随着大量深基坑工程的施工实践和监测与总结分析 适用于深基坑支护结构设计的新理论必将产生 本节简要介绍目前的设计与计算理论研究现状 目前的土压力理论与计算 仍是以经典的库伦 朗肯理论为基础 尽管有许多修正的计算方法 但都不具有普遍性 1 深基坑支护的桩 墙与挡土墙的差异 1 库伦 朗肯的理论是当时为挡土墙设计而建立的 挡土墙是先筑墙后填土 基坑支护则是做好桩 连续墙后 开始开挖 从静止土压力 29 后再产生主动 被动土压力 2 挡土墙后填土是无粘性土 或有粘性看成散体 但它与基坑开挖的土是大不相同 基坑开挖的土多为杂填土 粘土 粉土 砂土等 多为自然压实状态 粘聚力有很大差别 3 挡土墙是个平面问题 但深基坑开挖是个空间问题 基坑的滑动面受相邻边的制约 与挡土墙的边界条件不同 支护墙不但与深度有关 而且与宽度有关 基坑四角的桩顶位移最小 而中部位移最大 说明中桩受力最大 4 朗肯理论假定墙与土间无摩擦力 实际都有摩擦力 摩擦桩就是最好的例子 30 2 土压力计算公式由于土的多样性 不可能对影响土压力大小和分布的各种因素全面考虑 库仑和朗肯理论计算仍是最为基坑土压力的近似方法 对于无粘性土 砂土 粘聚力C 0主动土压力 Pz Htg2 45 2 被动土压力 Pb Htg2 45 2 式中H 基坑深度 m 土的内摩擦角 土的重度 KN m 对于粘性土 粘聚力不为零时 主动土压力 Pz Htg2 45 2 2Ctg 45 2 31 被动土压力 Pb Htg2 45 2 2Ctg 45 2 式中C 土的粘聚力 kPa 以上朗肯理论计算的主动土压力偏大 被动土压力偏小 针对这一问题 计算被动土压力系数时 应考虑摩擦角的影响为 Kp cos cos1 2 sin1 2 sin1 2 2式中Kp 被动土压力系数 桩土间的摩擦角 1 3 2 3 3 用等值内摩擦角计算主动土压力法基坑开挖的土是经久压密的土 它的粘聚力很大 按库伦土压力三角形分布 有粘聚力的主动土 32 压力计算如下 Pz H2tg2 45 2 2 2CHtg 45 2 2C2 按等值内摩擦角时 用无粘性土三角形土压力公式并代入等值内摩擦角 即 Pzd H2tg2 45 d 2 2令Pz Pzd得出等值内摩擦角值 根据实测结果 基坑深度在10m内时可用等值内摩擦角法计算 4 土压力的分布研究分布形式对计算土压力关系很大 各种不同支撑和土质 有不同的分布 目前的理论假定和实测也有较大差别 1 实测的静止土压力分布与朗肯理论对比如图 33 34 2 北京医院工程悬臂支护桩土压力实测情况如图 桩径为800mm 基坑深8 4m 桩入土深4 3m 35 3 北京邮政通信大楼悬臂支护桩 实测土压力分布图 桩直径为800mm 基坑深10 5m 入土嵌固6 1m 36 4 由Terzaghi和Peck在奥斯陆地下道明挖工程用土压力盒测得板桩上的主动 被动土压力如图 37 5 地面荷载 地面荷载系指挡土墙附近地面上的堆载 汽车吊车或塔吊等集中荷载 临近建筑物 构筑物的荷载 都影响到桩墙支护结构的水平压力 应予以考虑 1 地面均布荷载 若载荷值为q kN m2 按延伸无穷远计算 则附加主动土压力为 eq Kaq Ka为主动土压力系数 当按矩形分布时 总主动土压力为 pq pz Kaq当离基坑壁一定距离有均布荷载时 附加土压力则传到离基坑顶h1以下 h1 Ltg 45 2 附加压力大小仍为 eq Kaq 38 39 2 地面集中荷载 系指挡土墙纵向的线形集中荷载或集中点荷载 如在轨道上行走的塔式起重机荷载 临时灌混凝土的浇灌车 泵车等 由此产生的水平压力计算用布西尼司 Boussinesq 公式如下 当集中线荷载为QL时m x hx为载荷到挡土墙的距离 h为挖土深度 n z h z为挡土墙计算位置到地面的距离 当m0 4时 h h QL 1 28m2n m2 n2 2Ph 0 64QL m2 1 式中 h 不同深度对挡墙的水平压力 40 Ph 对挡墙的总水平压力 QL 地面集中荷载 第3节支护结构设计计算方法1 自立式悬臂桩计算悬臂桩主要依靠嵌入土内深度 以平衡上部地面荷载 水压力 主动土压力形成的侧压力 因此插入深度至关重要 其次计算桩所承受的最大弯矩 以便核算桩截面尺寸与配筋 图示为悬臂桩计算简图 嵌入基坑底面的桩 在主动土压力Ea推动的同时 在桩脚土体中产生一种力 其大小等于被动土压力与主动土压力之差 即Ep Ea 41 42 目前多采用H Blum建议的计算方法 在采用 Mc 0时 会有一个较小的深度差距 计算出的x应增加20 即桩的插入深度应为 t 1 2x 2 单支撑 锚拉 挡土桩墙的计算 1 顶部锚拉计算 假定顶部A点铰接无移动板桩埋在地下点处亦无移动 按地下简支简化 如图所示 先在A点取矩 令 MA 0 求出埋入深度x X求出后 令 MB 0 可求出锚拉力或支撑力 再求出剪力为零处的最大弯矩 计算要点如下 1 单锚挡土桩的土压力分布都按三角形计算 43 44 2 根据桩顶锚拉点力矩平衡原则 求出桩插入基坑下的深度 假定锚拉力无位移 3 求单锚拉力 假定坑下深度桩无位移 4 计算剪力为零处的最大弯矩 5 核算桩锚结构强度 2 等值梁计算方法 计算简图如图所示计算要点 1 考虑桩与土的摩擦力 即摩擦角不等于零 来计算被动土压力系数 2 计算桩墙土压力强度为零点距坑底距离 求出y值 3 该点为等值梁弯矩为零处 按等值梁法计算 45 出两简支点的反力和弯矩 4 计算桩的最小入土深度 t0 x y5 按土质情况乘以经验安全系数1 0 1 2 3 多层支撑 锚杆 挡土桩计算等值梁法 二分之一法 逐层开挖支撑力不变法 弹性法 有限元法等 46 47 4 基坑桩墙稳定验算基坑支护结构除本身满足稳定条件外 还应保证开挖基坑后不会出现坑底隆起和管涌现象 坑底隆起验算 在开挖粘土基坑时 如桩背后的土柱重量超过基坑底面下地基承载力时 地基平衡状态受到破坏 就会发生坑壁土流动 坑顶下陷 坑底隆起等现象 地基稳定验算法 在重量W的作用下 其下的软土地基沿圆柱面BC发生破坏和产生滑动 失去稳定的地基上绕圆柱中心轴O转动 此时转动力矩为 Mo W x 2 q h x2 2 48 49 抵抗滑动力矩 Mr x 0 xd 当土层为均质时 Mr x2 地基不排水抗剪强度 在饱和软土中为c 保证不发生隆起的要求为 Mr Mo K 1 2下图为上海花园饭店基坑工程稳定验算简图 设计板桩入坑下土深11 8m 坑内设3道支撑 用被动土压力与主动土压力对下道支撑为零的计算方法 插入深度应为9 8m 用等值梁法计算应为11 0m 因此工程设计是安全的 50 51 第4节深基坑支护工程事故分析深基坑支护结构的设计施工涉及到多门学科的综合技术 是近年来地基基础工程中的热点和难点 事故率也较高 典型事故分析如下 1 计算错误造成锚杆拔出桩折断倒塌事故 石家庄某高层建筑地上28层 地下4层 基坑深20 5m 基坑东西120m 南北100m 地下水位 36m处 支护方案 基坑西区用直径600灌注桩 间距1m 桩长 52 20m 入土5m 混凝土为C25 桩顶设帽梁 帽梁顶砌370砖墙 高5 5m护墙 墙内有构造柱及压顶圈梁 护壁桩设3道锚杆 地面堆放钢筋较多 按16kN m2计算 按二分之一分担法计算水平力为 R1 316kN R2 827kN R3 395kN施工完西部坑底垫层 发现护壁桩间成片掉土 并有渗水 首先挡土护壁砖墙至钢筋堆间土体滑动 护壁桩折成3段 折点分别在第2 3层 53 锚杆处 折点处混凝土破碎 钢筋弯曲 塌落范围直至围墙外排水沟 第1层锚杆被拔出 说明拉力已超过其抗拔极限荷载 实际计算有错误 第2层锚杆受力虽有位移 尚未拔出 桩受到很大阻力 承受不了弯矩而折断 第3层处也是桩被折断 主要是载荷计算错误 配筋不够 锚固长度不足 场外下水道漏水致使土的物理性能变化 2 方案错误造成倒塌长春新世界广场主楼 42层160m高 地下室埋深16m 场地从上到下为杂填土1 2m 粉质粘土7 6m 粘土厚4 1m 粉质粘土1 8m 粘土厚4 8m 下部为粗砂 稳定水位为2 4 4m 54 基坑支护方案 采用直径1000的人工挖孔桩 间距为2 4m 桩长为19