第五章-深基坑支护PPT课件.ppt

第五章深基坑支护结构施工 一 深基坑工程的内容基坑土方开挖的施工工艺一般有两种 放坡开挖 无支护开挖 和在支护体系保护下的开挖 有支护开挖 前者既简单又经济 但需具备放坡开挖的条件 即基坑不太深而且具备基坑平面之外有足够的空间供放坡之用 建筑密度很大的城市中心地带 往往不具备基坑放坡开挖的条件 所以只能采用支护结构保护下的垂直开挖或基本垂直开挖 深基坑支护概述 2 在有支护开挖的情况下 基坑工程一般包括如下内容 1 基坑工程勘察 2 基坑支护结构的设计与施工 3 控制基坑地下水位 4 基坑土方工程的开挖与运输 5 基坑土方开挖过程中的工程监测 6 基坑周围的环境保护 3 一 深基坑支护结构的作用支护结构 通常作为临时性结构 当基础施工完毕即失去作用 有些支护结构的材料可以回收利用 如钢板桩和一些临时性的工具式支撑 也有一些支护结构属于永久支护 即可以作为基础结构的组成部分 例如地下连续墙一般可以作为复合式地下室外墙 不管是哪一类支护结构 均具有挡土 挡水和保护环境的作用 保护基础工程在施工安全的前提下 尽力做到经济合理和便于施工 第一节 深基坑支护分类与选型 4 5 常用的支护结构体系 排桩式 土钉墙 喷锚支护 钢管桩 挖孔灌注桩 钢板桩 板墙式 板桩式 组合式 粉体喷射注浆桩墙 钻孔灌注桩 高压喷射注浆桩墙 深层搅拌水泥土桩墙 逆作拱墙式 边坡稳定式 排桩与板墙式 水泥挡土墙式 现浇地下连续墙 灌注桩与水泥土桩结合 加筋水泥土围护墙 型钢横挡板 支护结构主要由围护墙和支撑体系组成 加筋水泥土墙 6 6 深基坑的支护 深基坑支护的基本要求 确保支护结构能起挡土作用 基坑边坡保持稳定 确保相邻的建 构 筑物 道路 地下管线的安全 不因土体的变形 沉陷 坍塌受到危害 通过排水降水等措施 确保基础施工在地下水位以上进行 在支护结构设计中首先要考虑周边环境的保护 其次要满足本工程地下结构施工的要求 再则应尽可能降低造价 便于施工 上海环球金融中心基础施工 地铁车站的深基坑支护 支护结构选型表 二 支护结构选型 7 8 1 排桩墙支护基坑开挖时 对不能放坡或由于场地限制而不能采用搅拌桩支护 开挖深度在6 10米左右时 即可采用排桩支护 排桩支护可采用钻孔灌注桩 人工挖孔桩 预制钢筋混凝土板桩或钢板桩 1 排桩墙的平面布置形式 2020 3 23 9 2 排桩墙结构形式 无支撑支护结构 单支撑支护结构 多支撑支护结构 3 排桩墙设计计算 见教材P22 4 排桩墙施工 5 排桩墙施工检测 2020 3 23 10 1 挡土灌注桩支护 适于开挖面积大 深度大于6m 不允许放坡 邻近有建 构 筑物的基坑支护 开挖前在基坑周围设置砼灌注桩 桩的排列有间隔式 双排式和连续式 桩顶设置砼连系梁或锚桩 拉杆 施工方便 安全度好 费用低 缺点 止水性差 为防止水土流失 也可在灌注桩之间加粉喷桩 深基坑的间隔式排桩支护 2020 3 23 11 2 挡土灌注桩与土层锚杆结合支护 适于大型较深基坑 施工期较长 邻近有建筑物 不允许支护 邻近地基不允许有下沉位移时使用 桩顶不设锚桩 拉杆 而是挖至一定深度 每隔一定距离向桩背面斜向打入锚杆 达到强度后 安上横撑 拉紧固定 在桩中间挖土 直至设计深度 深基坑的间隔式排桩支护 桩顶连系梁 悬臂支护桩 锚杆及横撑 2020 3 23 二 地下连续墙施工 1 地下连续墙概述地下连续墙施工工艺 是在工程开挖土方之前 用特制的挖槽机械在泥浆 又称触变泥浆 安定液 稳定液等 护壁的情况下每次开挖一定长度 一个单元槽段 的沟槽 待开挖至设计深度并清除沉淀下来的泥渣后 把地面上加工好的钢筋骨架 一般称为钢筋笼 用起重机械吊放入充满泥浆的沟槽内 用导管向沟槽内浇筑混凝土 混凝土由沟槽底部开始逐渐向上浇筑 并将泥浆置换出来 待混凝土浇至设计标高后 一个单元槽段即施工完毕 各个单元槽段之间由特制的接头连接 形成连续的地下钢筋混凝土墙 12 若地下连续墙为封闭状 则基坑开挖后 地下连续墙既可挡土又可防水 为地下工程施工提供条件 地下连续墙也可以作为建筑的外墙承重结构 两墙合一 则大大提高了施工的经济效益 在某些条件下 地下连续墙与 逆筑法 技术共同使用是深基础很有效的施工方法 会大大提高施工的工效 13 2 地下连续墙的特点 一 地下连续墙的优点1 减少工程施工对环境的影响 施工时振动少 噪音低 能够紧邻相邻的建筑物及地下管线施工 对沉降及变位较易控制 2 地下连续墙的墙体刚度大 整体性好 结构变形小 既可用于超深围护结构 也可用于主体结构 3 地下连续墙为整体连续结构 加上现浇墙壁厚度一般 60cm 钢筋保护层较大 耐久性好 抗渗性能也较好 4 可实行逆筑法施工 有利于施工安全 加快施工速度 降低造价 5 适用于多种地基条件 地下连续墙对地基的适用范围很广 从软弱的冲积地层到中硬的地层 密实的砂砾层等地基都可以建造地下连续墙 6 占地少 可以充分利用建筑红线以内有限的地面和空间 14 二 地下连续墙的缺点1 弃土及废泥浆的处理 除增加工程费用外 若处理不当 会造成新的环境污染 2 地质条件和施工的适应性 地下连续墙最适应的地层为软塑 可塑的粘性土层 当地层条件复杂时 还会增加施工难度和影响工程造价 3 地下连续墙只是用作基坑支护结构 则造价较高 不够经济 4 需进一步研究提高地下连续墙墙身接缝处抗渗 抗漏能力 提高施工精度和墙身垂直度的方法和措施 15 三 地下连续墙的适用条件地下连续墙是一种比钻孔灌筑桩和深层搅拌桩造价昂贵的结构形式 其在基础工程中的适用条件有 1 基坑深度 10m 2 软土地基或砂土地基 3 在密集的建筑群中施工基坑 对周围地面沉降 建筑物的沉降要求须严格限制时 宜用地下连续墙 4 围护结构与主体结构相结合 用作主体结构的一部分 对抗渗有较严格要求时 宜用地下连续墙 5 采用逆筑法施工 地下室外墙的内衬与地下钢筋混凝土连续墙护壁形成复合结构的工程 16 四 地下连续墙的分类地下连续墙按其填筑的材料 分为土质墙 混凝土墙 钢筋混凝土墙 现浇和预制 和组合墙 预制钢筋混凝土墙板和现浇混凝土的组合 或预制钢筋混凝土墙板和自凝水泥膨润土泥浆的组合 按其成墙方式 分为桩排式 壁板式 桩壁组合式 按其用途 分为临时挡土墙 防渗墙 用作主体结构兼作临时挡土墙的地下连续墙 1 桩排式地下连续墙 实际就是钻孔灌注桩并排连接所形成的地下连续墙 其设计与施工可归类于钻孔灌注桩 本章不作详细讨论 2 壁板式地下连续墙 采用专用设备 利用泥浆护壁在地下开挖深槽 水下浇筑混凝土 形成地下连续墙 如图3 32所示 3 桩壁组合式地下连续墙 即将上述桩排式和壁板式地下连续墙组合起来使用的地下连续墙 17 18 19 3 水泥土墙支护 重力式支护结构 1 组成和特点 水泥土搅拌桩 或称深层搅拌桩 是重力式围护墙 利用水泥作为固化剂 通过特制的搅拌机械 在地基深处将软土和固化剂强制搅拌 利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应 使软土硬结成具有整体性 水稳定性和一定强度的优质水泥加固土 水泥土墙宜用 于坑深 6m 基坑侧壁安全等级为二 三级 地基土承载力 150kPa的情况 水泥土墙的优缺点 优点 由于坑内无支撑 便于机械化快速挖土 挡土又防渗 比较经济 缺点 不宜用于深基坑 位移相对较大 墙体厚度大 有时受周围环境限制 2020 3 23 20 高压喷射旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程 将预先配制好的浆液通过高压发生装置从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来 直接破坏土体 喷射过程中 钻杆边旋转边提升 使浆液与土体充分搅拌混合 在土中形成一定直径的柱状固结体 从而使地基达到加固 特点 施工占地少 振动小 噪音较低 但容易污染环境 成本较高 对于特殊的不能使喷出浆液凝固的土质不宜采用 适用 高压喷射注浆法适用于处理淤泥 淤泥质土 粉土 粘性土 黄土 碎石土等地基 2020 3 23 21 水泥土搅拌桩 2020 3 23 22 南京市级机关33层住宅楼 地下室一层 挖深6m 水泥土搅拌桩支护技术 23 塔架式桅杆式履带式 24 天然土体通过钻孔 插筋 注浆来设置土钉 亦称砂浆锚杆 并与喷射砼面板相结合 形成类似重力挡墙的土钉墙 以抵抗墙后的土压力 保持开挖面的稳定 也称为喷锚网加固边坡或喷锚网挡墙 4 土钉墙支护 钻孔插筋 注浆铺设钢筋网喷射砼护面 土钉墙支护 2020 3 23 25 1 土钉墙的组成和特点原理 土钉墙支护是在基坑开挖过程中将较密的细长杆件钉置于原位土体中 并在坡面上喷射钢筋网混凝土面层 通过土钉 土体和喷射混凝土面层的共同工作 形成复合土体 利用复合土体的自稳达到支护目的 组成 螺纹钢筋 灌浆 a 土钉剖面b 土钉面层喷锚c 土钉节点 2020 3 23 26 土钉施工 土钉墙适用条件 地下水低于土坡开挖段或经过降水措施后使地下水位低于开挖层的情况 适用于有粘性土 粉性土 含有30 上粘土颗粒的砂土边坡 常用于开挖深度不大 周围相邻建筑或地下管线对沉降与位移要求不高的基坑支护 土钉墙特点 1 形成土钉复合体 显著提高边坡整体稳定性和承受边坡超载的能力 2 施工设备简单 由于钉长一般比锚杆的长度小的多 不加预应力所以设备简单 3 随基坑开挖逐层分段开挖作业 不占或少占单独作业时间 施工效率高 占用周期短 4 施工不需单独占用场地 对现场狭小 放坡困难 有相邻建筑物时显示其优越性 5 土钉墙成本费较其他支护结构显著降低 6 施工噪音 振动小 不影响环境 7 土钉墙本身变形很小 对相邻建筑物影响不大 2020 3 23 27 2020 3 23 28 2020 3 23 除去前面介绍的几种比较常用高层建筑深基坑支护形式外 还有几种支护结构形式在某些工程中应用 一 SMW工法 一 SMW工法工艺原理SMW是SoilMixingWall的缩写 SMW工法连续墙于1976年在日本问世 SMW工法是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘 同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌 在各施工单元之间则采取重叠搭接施工 然后在水泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材 至水泥结硬 便形成一道具有一定强度和刚度的 连续完整的 无接缝的地下墙体 图3 97 5 其他支护结构介绍 2020 3 23 29 2020 3 23 30 二 SMW工法施工工艺SMW工法施工顺序如下 1 导沟开挖 确定是否有障碍物及做泥水沟 2 置放导轨 3 设定施工标志 4 SMW钻拌 钻掘及搅拌 重复搅拌 提升时搅拌 5 置放应力补强材 H型钢 6 固定应力补强材 7 施工完成SMW 2020 3 23 31 三 SMW工法主要特点1 施工不扰动邻近土体 不会产生邻近地面下沉 房屋倾斜 道路裂损及地下设施移位等危害 2 钻杆具有螺旋推进翼与搅拌翼相间设置的特点 随着钻掘和搅拌反复进行 可使水泥系强化剂与土得到充分搅拌 而且墙体全长无接缝 从而使它可比传统的连续墙具有更可靠的止水性 其渗透系数K可达10 7cm s 3 它可在粘性土 粉土 砂土 砂砾土 100以上卵石及单轴抗压强度60MPa以下的岩层应用 4 可成墙厚度550 1300mm 常用厚度600mm 成墙最大深度目前为65m 视地质条件尚可施工至更深 5 所需工期较其他工法为短 在一般地质条件下 每一台班可成墙70 80 6 废土外运量远比其他工法为少 2020 3 23 32 二 旋喷桩挡墙旋喷桩兴起于二十世纪七十年代的高压喷射注浆法 八 九十年代在全国得到全面发展和应用 实践证明此法对处理淤泥 淤泥质土 粘性土 粉土 沙土 人工填土和碎石土等有良好的效果 旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程 将预先配制好的浆液通过高压发生装置使液流获得巨大能量后 从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来 形成一股能量高度集中的液流 直接破坏土体 喷射过程中 钻杆边旋转边提升 使浆液与土体充分搅拌混合 在土中形成一定直径的柱状固结体 从而使地基达到加固 2020 3 23 33 2020 3 23 34 三 逆作拱墙当基坑平面形状适合时 可采用拱墙作为围护墙 拱墙有圆形闭合拱墙 椭圆形闭合拱墙和组合拱墙 对于组合拱墙 可将局部拱墙视为两铰拱 拱墙截面宜为z字型 图3 99 拱壁的上 下端宜加肋梁 图3 99a 当基坑较深 一道z字型拱墙不够时 可由数道拱墙叠合组成 图3 99b 或沿拱墙高度设置数道肋梁 图3 99c 肋梁竖向间距不宜小于2 5m 亦可不加设肋梁而用加厚肋壁 图3 99d 的办法解决 2020 3 23 35 2020 3 23 36 圆形拱墙壁厚不宜小于400mm 其他拱墙壁厚不宜小于500mm 混凝土强度等级不宜低于C25 拱墙水平方向应通长双面配筋 钢筋总配筋率不小于0 7 拱墙在垂直方向应分道施工 每道施工高度视土层直立高度而定 不宜超过2 5m 待上道拱墙合拢且混凝土强度达到设计强度的 70 后 才可进行下道拱墙施工 上下两道拱墙的竖向施工缝应错开 错开距离不宜小于2m 拱墙宜连续施工 每道拱墙施工时间不宜超过36h 逆作拱墙宜用于基坑侧壁安全等级为三级者 淤泥和淤泥质土场地不宜应用 拱墙轴线的矢跨比不宜小于l 8 基坑深度不宜大于12m 地下水位高于基坑底面时 应采取降水或截水措施 2020 3 23 37 随着基坑深度的增加 悬臂挡墙在强度和变形方面不能满足要求时 可在坑内加设支撑或坑外拉锚 支撑结构可承受挡墙所传递的土压力 水压力 它受力合理 安全可靠 能有效地控制围护墙的变形 减少围护构件跨度 降低内力和变形 使支护体系造价经济 受力合理 但是 内支撑的设置给基坑内挖土和地下室结构的支模和浇筑带来一些不便 需通过换撑加以解决 采用坑外拉锚 如土锚 虽然坑内施工无任何阻挡 但软土地区土锚的变形较难控制 且土锚有一定的长度 在建筑物密集地区若超出红线需专门申请 土质较好的地区 易优先发展土锚 软土地区 易优先采用内支撑 一 支撑体系选型 2020 3 23 38 支护结构的内支撑体系包括腰梁或冠梁 围檩 支撑 立柱 腰梁固定在围护墙上 将围护墙承受的侧压力传给支撑 纵 横两个方向 支撑是受压构件 长度超过一定限度时稳定性不好 所以中间需要加设立柱 立柱下端需稳固 立柱插入工程桩内 实在对不准工程桩 只得另外专门设置桩 灌注桩 2020 3 23 39 一 支撑体系结构型式支撑体系按其受力可以分为单跨压杆式支撑 多跨压杆式支撑 双向多跨压杆式支撑 水平桁架式支撑 水平框架式支撑 大直径环梁及边桁架相结合的支撑和斜撑等类型 这些支撑系统在实践中都有各自的特点和不足之处 常见的内支撑结构形式有以下几种 1 单跨压杆式支撑 图3 14 a 当基坑平面呈窄长条状 短边的长度不很大时 所用支撑杆件在该长度下的极限承载力尚能满足支护系统的需要 则采用这个形式具有受力明确 设计简洁 施工安装灵活方便等优点 2 多跨压杆式支撑 图3 14 b 当基坑平面尺寸较大 所用支撑杆件在基坑短边长度下的极限承载力尚不能满足支护系统的要求时 就需要在支撑杆件中部加设若干支点 给水平支撑杆加设垂直支点 就组成了多跨压杆式的支撑系统 这种形式的支撑受力也较明确 施工安装较单跨压杆式来得复杂 2020 3 23 40 a单跨压杆式支撑b多跨压杆式支撑图3 14支撑结构示意图 2020 3 23 41 支撑体系的布置形式在基坑工程中是技术要求较高的一项设计 支撑体系布置设计应考虑以下要求 1 能够因地制宜合理选定支撑材料和支撑体系布置形式 使其综合技术经济指标得以优化 2 支撑体系受力明确 充分协调发挥各杆件的力学性能 安全可靠 经济合理 能够在稳定性和控制变形方面满足对周围环境保护的设计标准要求 3 支撑体系布置能在安全可靠的前提下 最大限度地方便土方开挖和主体结构的快速施工要求 二 内支撑体系的布置形式 2020 3 23 42 常用支撑体系的布置形式 2020 3 23 43 图3 15常用支撑体系的布置形式 2020 3 23 44 二 支撑体系的合理布置要点内支撑体系布置时一般应注意以下几点要求 1 支撑材料和类型2 支撑道数3 支撑体系的平面布置4 支撑立柱桩 2020 3 23 45 六 深基坑支护结构设计荷载作用在支护结构上的荷载包括主动土压力 静水压力 以及由地面堆载 车辆 临近建筑物自重和施工机械等产生的压力 2020 3 23 46 2020 3 23 47 2020 3 23 48 2020 3 23 49 2020 3 23 50 51 深基坑支护结构设计程序 1 收集资料 2 确定维护体系形式 3 对维护体系进行优化设计 4 监测方案设计 5 设计审查 深基坑工程的若干事故实例 地下连续墙围护结构的垮塌钢支撑的失稳工程桩的倾斜采用拱圈结构深基坑的垮塌土钉墙的垮塌 2020 3 23 52 2020 3 23 53 2020 3 23 54 2020 3 23 55 2020 3 23 56 2020 3 23 57 2020 3 23 58 2020 3 23 59 2020 3 23 60 2020 3 23 61 2020 3 23 62 基坑工程的失效模式 1 整体失稳2 坑底隆起3 围护结构倾覆失稳4 围护结构滑移失稳5 围护结构底部地基承载力失稳6 踢脚 失稳7 止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏8 围护结构的结构性破坏9 支 锚体系失稳破坏 63 整体失稳 整体失稳是指在土体中形成了滑动面 围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一起丧失稳定性 一般的失稳形态是围护结构的上部向坑外倾倒 围护结构的底部向坑内移动 坑底土体隆起 坑外地面下陷 64 65 坑底隆起 坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形 基坑开挖以后 坑底向上位移的原因有两种 一是卸载引起的回弹 其数值较小 另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性变形 这种变形如果数量较大 表示土体中的塑流已经比较严重 如果围护结构和内支撑能形成整体性好的体系 则塑流仅引起坑外地面下沉 影响环境安全 如果是自立式结构或节点强度差的支撑体系 隆起可能是整体失稳的前兆 如果稳定性不能得到有效的控制 就会发生整体性失稳 66 67 围护结构倾覆失稳 围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构 重力式结构在坑外主动土压力的作用下 围护结构绕其下部的某点转动 围护结构的顶部向坑内倾倒 抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力形成 坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素 关于转动中心的位置有不同的看法 传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾 但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理 特别的软土地区由于基底土比较软弱 在力矩作用下前趾有下沉的可能 68 69 围护结构滑移失稳 围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中 在坑外主动土压力的作用下 围护结构向坑内平移 抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被动土压力构成 当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时 墙体发生滑移失稳 70 围护结构底部地基承载力失稳 重力式围护结构的底面压力过大 地基承载力不足引起的失稳 由于在围护结构的外侧还作用着土压力 因此其合力是倾斜的 在倾斜荷载作用下 地基土发生向坑内的挤出 围护结构产生不均匀的沉降 可能导致部分围护结构的开裂损坏 71 72 踢脚 失稳 在单支撑的基坑中 可能发生挠支撑点转动 围护结构上部向坑外倾倒 围护结构的下部向上翻的失稳模式 故形象地称为 踢脚 失稳 在多支撑的围护结构中一般不会产生踢脚失稳 除非其它支撑都已失效 只有一道支撑起作用的情况 73 74 止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏 止水帷幕丧失挡水功能 产生渗漏 涌水 流土或流砂 由于水土流失使基坑外地面下沉 塌陷 导致邻近建筑物的开裂和损坏 引起围护结构止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素 其次是设计因素和材料的因素 由于施工质量低劣 止水帷幕有空洞或裂缝 成为漏水的通道是最普遍的现象 止水帷幕设计过短 没有全部切断透水层也是漏水的可能原因 75 由于止水帷幕失效产生过大的水力坡降引起坑底渗透变形破坏 坑内采用排水或降水措施后 造成了坑内外的水头差 地下水在水头差的作用下向坑内渗流 在渗流出口处土的细颗粒被带出 或土颗粒处于悬浮状态涌出 这种由渗透引起的破坏因破坏机理不同而有不同的名称 如管涌 流砂或流土 如不及时制止 由渗透变形引起的坑外土体的位移和陷落是严重的 76 77 78 79 围护结构的结构性破坏 围护结构的结构性破坏是指围护体本身发生开裂 折断 剪断或压屈 致使结构失去了承载能力的破坏模式 结构性损坏的原因可能是方案性的错误 如支撑体系不当或围护结构不闭合 也可能是设计计算时荷载估计不足或结构材料强度估计过高 支撑或围檩截面不足导致破坏 此外 结构节点处理不当 也会因局部失稳而引起整体破坏 特别在钢支撑体系中 节点多 加工与安装质量不易控制 节点处理包括支撑和墙体的连接处 如不设置围檩或连接强度不够 80 81 82 支 锚体系失稳破坏 支锚体系的失稳破坏包括两种不同的破坏模式 锚杆的破坏主要表现为锚杆的拔出 断裂或预应力松弛 土锚的破坏大多是局部的 群锚的破坏实际上是土体的失稳而并非是