《基础工程》第八章-基坑工程第一节-第二节PPT课件.ppt

8 1概述8 2围护结构型式及适用范围8 3支护结构上的荷载8 4悬壁式围护结构内力分析8 5单锚式围护结构内力分析8 6基坑的稳定验算 第八章基坑工程 1 上海 莲花河畔景苑 在建楼房整体倒塌 6月27日6时左右 上海闵行区 莲花河畔小区 一栋在建13层住宅楼整体倒塌 这是建国以来建筑业最令人恐怖的倒楼事件 2 直接原因 1 紧贴7号楼北侧 在短时间内堆土过高 最高处达10米左右 2 与此同时 紧邻7号楼南侧的地下车库基坑正在开挖 开挖深度4 6米 大楼两侧的压力差使土体产生水平位移 过大的水平力超过了桩基的抗侧能力 导致房屋倾倒 3 间接原因 一 土方堆放不当 在未对天然地基进行承载力计算的情况下 建设单位随意指定将开挖土方短时间内集中堆放于7号楼北侧 二 是开挖基坑违反相关规定 土方开挖单位 在未经监理方同意 未进行有效监测 不具备相应资质的情况下 也没有按照相关技术要求开挖基坑 三 是监理不到位 监理方对建设方 施工方的违法 违规行为未进行有效处置 对施工现场的事故隐患未及时报告 四 是管理不到位 建设单位管理混乱 违章指挥 违法指定施工单位 压缩施工工期 总包单位未予以及时制止 五 是安全措施不到位 施工方对基坑开挖及土方处置未采取专项防护措施 六 是围护桩施工不规范 施工方未严格按照相关要求组织施工 施工速度快于规定的技术标准要求 4 5 6 两侧压力差产生的水平力超过了桩基的抗侧能力 骇人听闻的上海倒楼事件令土木人蒙羞 开发商 承包商 监理工程师和负有监管职责的政府官员将被钉在土木建设史的耻辱柱上 7 杭州地铁塌陷事故 2008年11月15日下午 杭州萧山湘湖段地铁施工现场发生塌陷事故 风情大道长达75m的路面坍塌并下陷15m 行驶中的11辆车陷入深坑 数十名地铁施工人员被埋 8 9 事故附近的房屋已被全部推倒 陷落的车辆被吊起 清理塌陷现场 事故造成21人死亡 24人受伤 直接经济损失4961万元 是中国地铁建设史上最惨痛的事故 21名责任人被究责 其中10人被追究刑事责任 10 事故直接原因 1 施工单位违规施工 冒险作业 基坑严重超挖 2 支撑体系存在严重缺陷且钢管支撑架设不及时 3 垫层未及时浇筑 4 监测单位施工监测失效 没有采取有效补救措施 环境原因 现场属于淤泥质粘土 含水流失性强 地下水水位较浅 偏软的土层会导致地下土随着水流发生移动 带动地层变形 10月份出现罕见的连续性降雨 使地底沙土流动性进一步加大 工地东面是土质松软的河岸 工地上方风情大道属于主干道 车流量比较大 工地附近 有个撑塌式污水管漏水 长期漏水的管子造成剥离面的润滑性 掘进太深 通道出口少 11 8 1概述 基坑的概念 指为进行建筑物基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间 青岛市2005年12月颁布 深基坑工程管理规定 深基坑是指开挖深度超过5米 含5米 或地下室三层以上 含三层 或深度虽未超过5米 但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程 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 12 基坑工程的概念 为保证基坑施工安全和周围环境不受到损害 对基坑进行一系列勘察 设计 施工和检测等工作 这项综合性的工程称为基坑工程 基坑支护的目的 1 确保基坑开挖和基础结构施工安全 顺利 2 确保基坑临近建筑物或地下管道正常使用 3 防止地面出现塌陷 坑底发生管涌 基坑工程的基本技术要求 1 安全可靠性 2 经济合理性 3 施工便利性和工期保证性 基坑支护的作用 挡土 截水 控制边坡变形 13 临时性 地下主体结构施工完成 围护结构即完成任务 设计与施工重视不足 风险较大 具有很强的区域性 支护体系设计与施工 土方开挖要因地制宜 建筑趋向高层化 基坑向大而深方向发展 基坑工程对周围环境 见下页 产生影响 严重时可能危及它们的安全和正常使用 基坑工程是一项综合性很强的系统工程 如勘察工程 地下工程 结构工程 测控工程等学科和技术相互交叉 协调发展 基坑支护的新技术 新方法发展较快 支护结构方案应实现优化设计 基坑工程的特点 14 基坑周边环境 基坑开挖影响范围内的建 构 筑物 道路 地下设施 地下管线 岩土体 地下水体等的简称 包括 1 影响范围内的建筑物结构类型 层数 基础类型 埋深 基础荷载大小 上部结构现状 年代 2 基坑周边各类地下设施 如电缆煤气 污水 雨水 热力管线或管道等分布和性状 3 基坑周边和邻近地区地表水和地下水汇流排泻情况 地下水管渗漏情况 对基坑开挖和支护的影响程度 4 四周道路距离 车辆载重等 5 相邻基础施工 6 周边的边坡 河渠及其与基坑关系 7 其他基坑堆载 包括临时材料 车辆 土体 住房等堆载 15 基坑工程内容 1 工程勘察 工程概况和业主要求 场地岩土工程条件 环境条件 2 支护结构方案比较和选型 3 支护结构强度和变形计算 4 基坑稳定性计算 5 抗渗计算 6 制定降水或止水方案 地下水位比较高 7 挖土方案 分层开挖 每层的厚度 8 监测方案 环境保护要求 16 围护结构的概念 为保证基坑周围的建筑物 构筑物 地下管线不受损坏 以及满足无水施工条件 所设置的挡土 截水和减少周围土体位移的结构称为围护结构 8 2围护结构型式及适用范围 17 1 分类1 按开挖深度分 开挖深度H 5m称为深基坑 H 5m为浅基坑 2 按开挖方式分 分为放坡开挖和支护开挖两大类 3 按功能用途分 楼宇基坑 地铁站基坑 市政工程基坑 工业地下厂房基坑等 4 按安全等级分 建筑基坑支护技术规程 将基坑支护结构分为三个安全等级 见下表 5 按支护结构形式分 支护型 将支护墙 排桩 作为主要受力构件 加固型 充分利用加固土体的强度 一 围护结构型式 18 基坑支护结构设计应根据 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 2012 表3 1 3选用相应的侧壁安全等级及重要性系数 19 基坑变形的监控值mm 20 2 常见形式 1 放坡开挖及简易支护2 悬臂式围护结构3 重力式围护结构4 内撑式围护结构5 拉锚式围护结构6 土钉墙围护结构7 地下连续墙 21 适用条件 1 基坑周边开阔 满足放坡条件 2 基坑周边土体允许有较大位移 3 开挖面以上一定范围内无地下水或已经降水处理 4 可独立或联合使用 不宜使用条件 1 淤泥和流塑土层 2 地下水高于开挖面或未降水处理 一 放坡开挖及简易支护 22 23 24 边坡允许坡度值 续 25 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 注 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 26 二 悬臂式围护结构 概念 一切没有支撑和锚固的围护结构均可归属为悬臂式围护结构 受力特征 依靠足够的入土深度和结构的抗弯刚度来挡土和控制墙后土体及结构的变形 常采用形式 钢筋混凝土排桩 木板桩 钢板桩 钢筋混凝土板桩 地下连续墙等型式 缺点 对开挖深度十分敏感 容易产生大的变形 适用 土质较好 开挖深度较小的基坑工程 27 排桩支护 适于开挖面积大 深度 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 悬臂桩的间隔式排桩支护 挡土灌注桩排桩支护 桩顶连系梁又称冠梁 悬臂支护桩 28 钢筋砼灌注桩的排列方式 北京神华大厦基坑的交错相间排桩支护 直径0 6 1 1m的钻孔灌注桩可用于深7 13m的基坑支护 直径0 5 0 8m的沉管灌注桩可用于深度在10m以内的基坑支护 单层地下室常用0 8 1 2m的人工挖孔灌注桩作支护结构 29 钢板桩支护 当基坑较深 地下水位较高且未施工降水时 采用板桩作为支护结构 既可挡土 防水 还可防止流砂的发生 板桩支撑可分为无锚板桩 悬臂式板桩 和有锚板桩 常用的钢板桩为U型钢板桩 又称拉森钢板桩 U型钢板桩 钢板桩水上围堰 30 三 重力式围护结构 主要为水泥土重力围护结构 通常由水泥搅拌桩组成 常采用形式 水泥土和它包围的天然土形成了重力挡土墙 可以维持土体稳定 适用 较浅的 基坑周边场地较宽裕的 对变形控制要求不高的基坑工程 受力特征 利用墙体或格构自身的稳定挡土与止水 31 四 内撑式围护结构 结构特征 由挡土结构和支撑结构两部分组成 挡土形式 密排钢筋混凝土桩和地下连续墙 支撑结构 有水平支撑和斜支撑两种 适用范围 各种土层和基坑深度 32 钢管内支撑 钢管支撑一般采用 609钢管 用不同壁厚适应不同的荷载 钢管支撑的形式为对撑或角撑 对撑的间距较大时 可设置腹杆形成桁架式支撑 33 钢管内支撑的地面拼装大型深基坑的挡墙 钢管内支撑支护 地铁车站的多道钢管对撑支护 大型深基坑的钢管角撑 挡墙的腰梁 34 内支撑下的基础工程施工 就地制作钢筋砼内支撑 内支撑下挖桩间土方 格构式立柱 平面尺寸大的内支撑应在交点处设置立柱 立柱宜为格构式柱 以免影响底板穿筋 立柱下端插入工程桩内 2m 否则应设置专用的桩基础 35 36 钢筋混凝土支撑 37 38 五 拉锚式围护结构 结构组成 挡土结构和锚固结构 挡土结构 钢板桩 灌注桩排桩 地下连续墙等 拉锚结构 锚杆和地面拉锚 适用范围 砂土或粘土地基 提供锚杆较大的锚固力 软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力 39 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 冠梁 悬臂支护桩 锚杆及横撑 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 挡土灌注桩与土层锚杆结合支护 40 框架梁 锚杆 土层锚杆 由设置于钻孔内 端部深入稳定土层中的钢筋 钢绞线与孔内注浆体组成的受拉杆体 41 42 锚杆支护 适于较硬土层或破碎岩石中开挖较大较深基坑 邻近有建筑物须保证边坡稳定时采用 是在未开挖的土层立壁上钻孔至设计深度 孔内放入拉杆 灌入水泥砂浆与土层结合成抗拉力强的锚杆 锚杆一端固定在坑壁结构上 另一端锚固在土层中 将立壁土体侧压力传至深部的稳定土层 43 七 土钉墙围护结构 对于二 三级基坑工程 可直接采用土钉墙进行支护 土钉支护适用于水位较低的粘土 砂土和粉土 基坑深度 一般在12m以下 概念 由被加固土 土体中的土钉 螺纹钢筋 型钢等 及附着于坡面厚度约80 100mm的配筋喷射混凝土面板组成 形成类似重力式的挡土墙 44 土 45 土钉支护的原理 土钉孔内注浆 与土体形成粘结力和摩擦力 当土体发生位移时 通过粘聚力和摩擦力使土钉受拉 施工步骤 遵循从上到下分步开挖的原则 即边开挖边支护 46 土钉墙支护 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 47 开挖工作面 土钉支护应自上而下分段分层进行 分层深度视土层情况而定 工作面宽度不宜 6m 纵向长度不宜 l0m 土钉支护施工工艺 人工洛阳铲成孔冲击式钢管成孔土层锚杆钻机成孔 喷射第一层砼 为防止土体松弛和崩解 须尽快做第一层喷射砼 厚度不宜 40 50mm 喷射砼水泥用量 400kg m3 土钉成孔 土钉成孔直径70 120mm 向下倾角15 200 成孔方法和工艺由承包商根据土层条件 设备和经验而定 喷射第一层砼 48 安设土钉 注浆 土钉有单杆和多杆之分 单杆多为 22 32mm的粗螺纹钢筋 多杆一般为2 4根 16mm钢筋 采用灰浆泵注浆 土钉注浆可不加压 挂钢筋网 喷射砼面层 钢筋网通常直径 6 10 间距200 300mm 与土钉连接牢固 钢筋与第一层喷射砼的间隙 20mm 设置双层钢筋网时 第二层钢筋网应在第一层钢筋网被覆盖后铺设 砼面板厚度50 100mm 挂钢筋网喷射第一层砼面板喷射第一层砼面板进入下一层土钉支护 安设土钉 注浆 49 适用条件 岩土条件较好 基坑周边土体允许有较大位移 已经降水处理或止水处理的岩土 开挖深度不宜大于12m 地下水位以上为粘土 粉质粘土 粉土和砂土 不宜使用条件 土层为富含地下水的岩土层 含水砂土层 且未降水处理膨胀土等特殊土层 基坑周边有严格控制位移的建筑物 构筑物和地下管线等 50 逆作法 在深基坑工程排桩支护结构中 排桩的桩型通常有钻孔桩和人工挖孔桩 基坑围护结构按照所用材料其结构形式为 A 木桩B 钢桩C 混凝土桩D 碎石桩 51 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 结构特征 由土钉与喷锚混凝土面板两部分组成 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 52 土钉锚管 53 土钉墙面板喷护 54 55 土钉及喷射混凝土面层 56 八 组合型支护 57 土钉与桩 锚复合支护 58 各种围护结构的适用范围 59 深基坑支护结构构成 60 地下连续墙定义 用专用设备沿着深基础或地下构筑周边采用泥浆护壁开挖出一条具有一定宽度与深度的沟槽 在槽内设置钢筋笼 采用导管法在泥浆中浇筑混凝土 筑成一单元墙段 依次顺序施工 以某种接头方法连接成的一道连续的地下钢筋混凝土墙 以便基坑开挖时防渗 挡土 作为邻近建筑物基础的支护以及直接成为承受直接荷载的基础结构的一部分 成槽方法 主要有冲击法 冲击 回转法 抓斗直接成槽法 冲抓法 多头钻成槽法等 61 中国第一座地下连续墙 1958年青岛月子口水库建成的桩排式防渗墙 迄今我国各地已建成70多坐防渗墙 其中大部分为槽板式防渗墙 地下连续墙的成槽深度在50m以内 墙宽与墙体常用60cm及80cm 亦有20cm薄型防渗墙及120cm厚型地下连续墙 62 地下连续墙的应用 1 水利水电 露天矿山和尾矿坝 池 和环保工程的防渗墙 2 建筑物地下室 基坑 3 地下构筑物 如地下铁道 地下道路 地下停车场和地下街道 商店以及地下变电站等 4 市政管沟和涵洞 5 盾构等工程的竖井 6 泵站 水池 7 码头 护案和干船坞 8 地下油库和仓库 9 各种深基础和桩基 63 地下连续墙支护 铣削钻成槽机 先建造钢筋砼地下连续墙 达到强度后在墙间用机械挖土 该支护法刚度大 强度高 可挡土 承重 截水 抗渗 可在狭窄场地施工 适于大面积 有地下水的深基坑施工 连续墙抓斗 成槽机 槽段的连接 64 导墙施工成槽机抓土钢筋笼起吊钢筋笼入槽 连续墙砼浇筑锁口管起拔进入第二槽段施工 亦可用吊车起拔 两边是锁口管 65 导墙 是为了控制施工平面位置 作为测量的基准 成槽垂直度 防止塌壁的重要施工措施 它对挖槽起着重要的作用 66 锁口管 是基坑围护结构采用地下连续墙时 两个墙幅之间的一种连接形式 作用 连接两幅地下连续墙 防渗 锁口管属于柔性连接 另外还有刚性连接 比如工字钢接头 地下连续墙是由许多墙段拼组而成 为保持墙段之间连续施工 接头采用锁口管工艺 即在灌注槽段混凝土前 在槽段的端部预插一根直径和槽宽相等的钢管 即锁口管 待混凝土初凝后将钢管徐徐拔出 使端部形成半凹榫状接状 然后下副地墙钢筋笼的凸口放下衔接 然后浇筑混凝土就两幅地墙就形成一个整体了 67 68 桩排式地下连续墙 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 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 桩壁组合式地下连续墙 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 连续墙按成墙方式分为 69 70 三 支护方案选择参考 71 8 3支护结构上的荷载 土压力 水压力计算 常采用以朗肯土压力理论为基础的计算方法 根据不同的土性和施工条件 分为水土合算和水土分算两种方法 由于水土分算和水土合算的计算结果相差较大 对基坑挡土结构工程造价影响很大 故需要非常慎重的舍取 要根据具体情况合理选择 72 土力学 中土压力计算方法 主动土压力Ea 墙体外移 土压力逐渐减小 当土体达到极限平衡状态将要破坏时所对应的土压力 最小 静止土压力E0 墙体不动 土压力即土体产生的侧压力 被动土压力Ep 墙体内移 土压力逐渐增大 当土体 达到极限平衡状态将要破坏时所对应的土压力 最大 静止土压力的计算 73 朗肯基本假定 1 墙背垂直2 墙背光滑3 填土表面水平 土压力强度公式 朗肯土压力理论 主动土压力 74 库仑土压力理论 被动土压力 基本假设 1 挡土墙是刚性的 墙后的填土是理想的散粒体 粘聚力c 0 2 滑动破坏面为一通过墙踵的平面 3 滑动楔体为刚体 75 主动土压力 被动土压力 76 静水压力 墙后填土有地下水 地下水位以下土体重度采用浮重度 77 一 土 水压力的计算 1 概述 土压力 主动土压力 被动土压力 静止土压力 水压力 静水压力 渗流水压力 流网法计算 2 水土分算 水土分算是分别计算土压力和水压力 以两者之和为总的侧压力 适用于土孔隙中存在自由的重力水的情况或土的渗透性较好的情况 一般适用于碎石土和砂土 78 有效应力法 总应力法 式中 79 3 水土合算法 水土合算是将土和土孔隙中的水看做同一分析对象 适用于不透水和弱透水的黏土 粉质黏土和粉土 是国内目前应用较多的方法 有效应力法 总应力法 80 二 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 1 结构位移对土压力分布的影响 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 81 挡土结构顶部不动 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 压力为呈抛物线分布 总压力作用点位于墙底以上约H 2处 挡土结构平行向外移动 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 82 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 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 主动土压力 后 墙后填土会发生主动破坏 83 2 结构位移或变形对土压力大小的影响 研究表明 当墙顶位移达到墙高的0 1 0 5 时 砂性填土的压力降低