基础工程(第二版)支档结构 PPT课件

08 04 2020 1 第一节概述第二节挡土墙第三节基坑支护的型式及特点第四节基坑支护的设计与施工 第六章支挡结构 08 04 2020 2 第六章支挡结构 第一节 概述 一 支挡结构的用途支挡结构 能保持结构两侧的土体有一定高差的结构物称为支挡结构 支挡结构主要有两个方面的用途 一类是用作公路和铁路的挡土墙 桥台 水利 港湾工程的河岸及水闸的岸墙 这类支挡结构一般是先筑墙后填土 是永久性构筑物 常被称为挡土墙 08 04 2020 3 另一类是用作工业与民用建筑的地下室外墙 基坑工程中的开挖围护结构等 这类支挡结构一般是先在地层中形成支挡结构后再开挖土体 它既可作为临时支挡结构 也可作为永久性地下结构的一部分 如用作地下室外墙的地下连续墙 支挡结构的用途还有边坡的加固支护等 随着大量土建工程在地形 地质条件复杂地区兴建 特别是大 中城市高层建筑施工中深 大基坑工程的大量出现 支挡结构显得越来越重要 支挡结构的设计计算也将直接影响到工程的安全稳定和经济效益 08 04 2020 4 08 04 2020 5 08 04 2020 6 08 04 2020 7 2004年10月25日晚8点40分左右 正在开挖作业的中环线3 5标北虹路地道工地发生基坑坍塌事故 坍塌范围长近40米 深约10米 由于发现及时 未造成人员伤亡 08 04 2020 8 二 支挡结构的类型支挡结构一般由挡土 挡水 和支撑拉锚两部分组成 挡土 挡水 部分称为挡土结构 或围护结构 支撑拉锚部分称为支锚结构支挡结构类型的划分方法 可按挡土结构的刚度 平衡方式分类也可按支锚结构形式分类还可按组成支挡结构的建筑材料以及施工方法和所处环境条件等进行分类 08 04 2020 9 一 按挡土结构的刚度分类支挡结构按挡土结构的刚度可分为刚性支挡结构和柔性支挡结构 所谓刚性支挡结构是指挡土结构的刚度很大 在外荷作用下主要产生刚体位移的支挡结构 如重力式挡土墙 基坑工程中使用的水泥土桩墙等 刚性支挡结构一般以重力作为其主要的平衡力 所谓柔性支挡结构是指具有一定抗弯能力 在外荷作用下的变形以弹性变形为主的支挡结构 常见的柔性支挡结构有板桩墙 钻孔灌注桩柱列式挡土墙和地下连续墙等 08 04 2020 10 二 按挡土结构的力平衡方式分类在支挡结构中常见的力平衡方式有重力式 悬臂式 图6 1a 及支锚式 图6 lb a 悬臂式 b 支锚式图6 1支挡结构的力平衡方式分类 08 04 2020 11 三 按支锚结构的形式分类支挡结构的支锚形式有外支撑和内支撑之分 内支撑方式又可分为水平撑 图6 2a 斜撑 图6 2b 及其组合形式 a 水平撑 b 斜撑图6 2常见内支撑型式 08 04 2020 12 外支撑方式中常见的有锚杆式 图6 3a 锚定板式 图6 3b 和土钉式 图6 3c a 锚杆式 b 锚定板式 c 土钉式图6 3常见外支撑型式 本章将按支挡结构的两大类用途 挡土墙和基坑支护 分别介绍其结构型式及设计计算的基本原理 08 04 2020 13 第二节挡土墙 一 挡土墙的结构型式及特点挡土墙就其结构型式主要可分为重力式挡土墙 悬臂式挡土墙 扶壁式挡土墙等类型 一 重力式挡土墙重力式挡土墙如图6 4a所示 墙面暴露于外 墙背可以做成倾斜和垂直的 墙基的前缘称为墙趾 后缘称为墙踵 重力式挡土墙通常由块石或混凝土砌筑而成 因而墙体抗拉强度较小 作用于墙背的土压力所引起的倾覆力矩全靠墙身自重产生的抗倾覆力矩来平衡 重力式挡土墙具有结构简单 施工方便 能够就地取材等优点 是工程中应用较广泛的一种型式 08 04 2020 14 图6 4挡土墙主要类型 08 04 2020 15 二 悬臂式挡土墙悬臂式挡土墙一般由钢筋混凝土建造 它由三个悬臂板组成 即立壁 墙趾悬臂和墙踵悬臂 如图6 4b所示 墙的稳定主要靠墙踵底板上的土重 而墙体内的拉应力则由钢筋承担 这类挡土墙的优点是能充分利用钢筋混凝土的受力特性 墙体截面较小 在市政工程以及厂矿贮库中广泛应用这种挡土墙 三 扶壁式挡土墙当墙后填土比较高时 为了增强悬臂式挡土墙中立壁的抗弯性能 常沿墙的纵向每隔一定距离设一道扶壁 故称为扶壁式挡土墙 如图6 4c所示 四 其他一些结构型式如锚杆挡土墙 锚定板挡土墙 加筋土挡土墙等 如图6 5所示 08 04 2020 16 图6 5挡土墙的其他一些结构型式 08 04 2020 17 二 重力式挡土墙的设计挡土墙的设计主要包括以下工作 1 认真分析地形 地质 填土的性质及荷载条件等资料 2 根据地形和平面布置 结合当地经验和现场地质条件 并参考同类或已建成的经验 初步选定挡土墙的体型和尺寸 3 进行挡土墙的验算 如不满足要求 则应改变截面尺寸 结构类型或采取其他措施 08 04 2020 18 4 做好排水设施 若所设计的挡土墙无挡水要求时 必须做好排水设施 挡土墙所在地段往往由于排水不良 大量雨水经墙后填土下渗 结果将使墙后侧压力增大 土的抗剪强度降低 造成挡土墙的破坏 5 控制填土质量 挡土墙的回填土料应尽量选择透水性较大的土 例如砂土 砾石 碎石等 这类土的抗剪强度较稳定 易于排水 不应采用淤泥 耕植土 膨胀性粘土等作为填料 填土压实质量也是挡土墙施工中的一个关键 填土时应分层夯实 08 04 2020 19 三 重力式挡土墙的验算重力式挡土墙的破坏模式通常有下列五种基本形式 整体滑动破坏 图6 6a 墙体倾覆破坏 图6 6b 墙体水平滑移破坏 图6 6c 地基承载力不足导致变形过大 墙体丧失作用挡土墙强度不够导致墙体断裂破坏 图6 6d 08 04 2020 20 a 整体滑动破坏 b 墙体倾覆破坏 c 墙体水平滑移破坏 d 挡土墙强度不够导致墙体断裂破坏图6 6重力式挡土墙的破坏模式 08 04 2020 21 重力式挡土墙的五种基本破坏模式决定了在重力式挡土墙的设计计算中必须包括下列内容 整体稳定性验算抗倾覆稳定性验算抗滑移稳定性验算地基承载力验算墙身强度验算 08 04 2020 22 在上述的计算内容中 有关墙身强度的验算应根据墙身材料分别按砌体结构 素混凝土结构或钢筋混凝土结构的有关计算方法进行 整体滑动验算可根据土坡稳定验算方法中的圆弧滑动面法进行 以下将介绍 抗倾覆稳定性验算抗滑移稳定性验算地基承载力验算 08 04 2020 23 图6 7表示作用在重力式挡土墙上的各作用力 它们是 1 土压力 是作用在重力式挡土墙上的主要荷载 当墙体向前位移 转动或平移 时 在墙后作用有主动土压力Ea 静水压力Ew 在墙前作用有被动土压力Ep 土压力的计算可采用朗肯土压力理论 水压力的计算既可与土压力合算 也可分开计算 视具体情况选用 图6 7重力式挡土墙上的作用力 08 04 2020 24 2 墙身自重W 作用在挡墙的重心上 方向向下 3 墙底反力 包括水平反力 H和竖向反力 V 以上是作用在挡土墙上的正常荷载 此外 在地震区还要考虑地震作用的影响 08 04 2020 25 一 抗倾覆稳定性验算 因为挡土墙在主动土压力作用下可能绕墙趾O点转动倾覆 图6 8a 所以定义对O点的抗倾覆力矩与倾覆力矩之比为抗倾覆稳定安全系数Kq 其计算公式为 a 抗倾覆稳定验算图6 8重力式挡土墙稳定性验算 08 04 2020 26 6 1 抗倾覆稳定安全系数Kq 式中Eaz 主动土压力的垂直分量 Eaz Ea cos kN m Eax 主动土压力的水平分量 Eaz Ea sin kN m xf 主动土压力作用点离O点的水平距离 xf b z ctg m zf 主动土压力作用点离O点的高度 zf z b tg o m W 挡土墙每延米自重 kN m x0 挡土墙重心离墙址的水平距离 m 挡土墙墙背与墙底面之间的夹角 0 挡土墙墙底倾角 土与挡土墙墙背之间的摩擦角 z 主动土压力作用点离墙踵的高度 m b 墙底的水平投影宽度 m 08 04 2020 27 一般情况下抗倾覆稳定安全系数必须满足 Kq l 50同时也应注意 当墙底土较软弱时 挡土墙在倾覆的同时 墙址可能会陷人土中 因而力矩中心O点将向内移动 导致抗倾覆稳定安全系数的降低 所以在应用式 6 1 时应注意地基土的压缩性 08 04 2020 28 二 抗滑移稳定性验算 在抗滑移稳定性验算中 将W和E都分解为垂直和平行于墙底的分力 然后计算平行于墙底的抗滑力和滑动力 图6 8b 定义抗滑力和滑动力之比为抗滑移稳定安全系数Kh 可按下式计算 b 抗滑移稳定性验算图6 8重力式挡土墙稳定性验算 08 04 2020 29 抗滑移稳定安全系数Kh 6 2 土对挡墙基底的摩擦系数表6 1 08 04 2020 30 三 地基土承载力验算地基的承载力验算方法 一般与偏心荷载作用下基础的计算方法相同 即 6 3a 6 3b 式中p 基底平均压力 kPa pmax 基底最大压力 kPa f 持力层地基承载力 kPa 08 04 2020 31 例题6 1某挡土墙高H 6m 墙背直立 墙背光滑 填土面水平 用毛石和M2 5水泥砂浆砌筑 砌体重度 22kN m3 填土内摩擦角 40o 粘聚力c 0 重度 19kN m3 基底摩擦系数 0 5 地基设计承载力f 180kPa 试设计此挡土墙 解 1 挡土墙断面尺寸的选择重力式挡土墙顶宽约为H 12 底宽可取 1 2 1 3 H 因此初步选择顶宽为0 7m 底宽b为2 5m 如图6 9所示 08 04 2020 32 2 土压力计算 3 挡土墙自重及重心将挡土墙断面分成一个三角形和一个矩形 如图6 9所示 分别计算它们的自重 08 04 2020 33 W1和W2的作用点离墙趾O点的距离分别为 4 抗倾覆稳定性验算 5 抗滑移稳定性验算 08 04 2020 34 6 地基承载力验算作用在基底的总垂直力 合力作用点离O点距离 偏心距 基底压力 08 04 2020 35 7 墙身强度验算取若干截面对墙身强度进行验算 如墙前地面处 墙身变截面处 并计算所取验算截面上的压应力和剪应力 按相关规范即可判定墙身强度是否满足要求 作业习题6 1 08 04 2020 36 第三节基坑支护的型式及特点 基坑是为了修筑建筑物的基础或地下室 埋设市政工程的管道以及开发地下空间 如地铁车站 地下商场 等所开挖的地面以下的坑 基坑支护是为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全 对基坑侧壁及周边环境所采取的支挡 加固与保护措施 在基坑施工时 有的有支护措施 称为有支护基坑工程 有的则没有支护措施 称为无支护基坑工程 无支护基坑工程一般是在场地空旷 基坑开挖深度较浅 环境要求不高的情况下才能采用 如放坡开挖 这时主要应考虑边坡稳定和排水问题 08 04 2020 37 无支护基坑工程一般是在场地空旷 基坑开挖深度较浅 环境要求不高的情况下才能采用 如放坡开挖 这时主要应考虑边坡稳定和排水问题 但随着城市的发展 建筑物基础深度加大 建筑物及地下管线等也越来越密集 可施工的空间越来越狭小 而且周围环境要求更高 因此相应的基坑工程一般均需采用支护结构 本节主要介绍有支护基坑工程的支护结构型式及特点 常见的支护结构类型有 水泥土墙 排桩或地下连续墙 土钉墙 08 04 2020 38 一 水泥土墙水泥土墙属重力式挡土墙 它是依靠挡土墙本身的自重来平衡坑内外土压力差 墙身材料通常采用水泥土搅拌桩 旋喷桩等 见图6 10 由于墙体抗拉和抗剪强度较小 因此墙身需做成厚而重的刚性墙 以确保其强度及稳定 优点 水泥土墙具有结构简单 施工方便 施工噪音低 振动小 速度快 截水效果好 造价经济等优点 缺点 是宽度大 需占用基地红线内一定面积 而且墙身位移较大 水泥土墙主要适用于软土地区 环境要求不高 开挖深度不大于6m的情况 08 04 2020 39 图6 10水泥土墙 08 04 2020 40 排桩或地下连续墙式挡土结构又称板式支护结构 由围护桩墙和支锚结构组成 其材料一般为型钢或钢筋混凝土 能承受较大的内力 属柔性支挡结构 根据有无支锚结构可分成以下三种类型 1 悬臂桩墙式挡土结构 不设置内支撑或土层锚杆等 基坑内施工方便 由于墙身刚度小 所以内力和变形均较大 当环境要求较高时 不宜用于开挖较深基坑 在软土场地中不宜大于5m 二 排桩或地下连续墙式挡土结构 08 04 2020 41 2 内支撑桩墙式挡土结构 设置单层或多层内支撑可有效地减少围护墙体的内力和变形 通过设置多道支撑可用于开挖很深的基坑 但设置的内支撑对土方的开挖以及地下结构的施工带来较大不便 内支撑可以是水平的 也可以是倾斜的 3 土层锚杆桩墙式挡土结构 通过固定于稳定土层内的单层或多层土层锚杆来减少围护墙体的内力与变形 设置多层锚杆 可用于开挖深度较大基坑 08 04 2020 42 一 围护桩墙的类型及特点1 钢板桩 如图6 11所示 钢板桩截面形式有多种 如 拉森U形 H形 Z形 钢管等 优点 是材料质量可靠 软土中施工速度快 简单 可重复使用 占地小 结合多道支撑 可用于较深基坑 缺点 是价格较贵 施工噪音及振动大 刚度小 变形大 需注意接头防水 拔桩容易引起土体移动 导致周围环境发生较大沉降 图6 11钢板桩 08 04 2020 43 2 钢筋混凝土板桩 如图6 12所示 截面有矩形榫槽结合 工字形薄壁和方形薄壁三种形式 矩形榫槽结合板桩两侧设置阴阳榫槽 打桩后可灌浆 堵塞接头渗漏 工字形及方形薄壁截面采用预制和现浇相结合的制作方式 此外在板桩中间需结合注浆来防渗 优点 是造价比钢板桩低 缺点 是施工不便 工期长 施工噪音 振动大及挤土大 接头防水性能较差 图6 12钢筋混凝土板桩 08 04 2020 44 3 钻孔灌注桩 作为围护桩的几种平面布置如图6 13所示 桩径一般在600 1200mm 当地下水位较高时 相切搭接排列往往因施工中桩的垂直度不能保证以及桩体缩颈等原因 达不到自防水效果 因此常采用间隔排列与防水措施相结合的形式 可以采用深层搅拌桩 旋喷桩或注浆等作为防水措施 图6 13钻孔灌注桩 08 04 2020 45 钻孔灌注桩的优点 是施工噪音低 振动小 对环境影响小 自身刚度 强度较大 钻孔灌注桩的缺点 是施工速度慢 质量难控制 需处理泥浆 钻孔灌注桩作为围护桩在软土地区可用于开挖深度在5 12m 甚至更深 的基坑 但在砂砾层和卵石中施工应慎用 其它如树根桩 挖孔灌注桩等与钻孔灌注桩相似 08 04 2020 46 4 SMW工法 在水泥土搅拌桩内插入H型钢或其它种类的受拉材料 形成一种同时具有受力和防渗两种功能的复合结构形式 即劲性水泥土搅拌桩法 日本称为SMW工法 其平面布置形式有多种 如图6 14 优点是施工噪音低 对环境影响小 止水效果好 墙身强度高 缺点是应用经验不足 H型钢不易回收且其造价较高 凡适合应用水泥土搅拌桩的场合均可采用SMW工法 开挖深度可较大 图6 14SMW工法 08 04 2020 47 5 地下连续墙 在基坑工程中 地下连续墙平面布置的几种形式如图6 15所示 地下连续墙壁厚通常有60cm 80cm及100cm 深度可达数10m 优点是施工噪音低 振动小 整体刚度大 能自防渗 占地少 强度大 缺点是施工工艺复杂 造价高 需处理泥浆 可以在建筑密集的市区施工 常用于开挖10m以上的深基坑 还可同时作为主体结构的组成部分 图6 15地下连续墙 08 04 2020 48 钢结构 截面一般为单股钢管 双股钢管 单根工字 或槽 H型 钢 组合工字 或槽 H型 钢等 安装 拆卸方便 施工速度快 可周转使用 可加预应力 自重小 缺点是施工工艺要求较高 构造及安装相对较复杂 节点质量不易保证 整体性较差 二 内支撑结构的类型和特点1 按材料分类现浇钢筋混凝土 截面一般为矩形 具有刚度大 强度易保证 施工方便 整体性好 节点可靠 平面布置形式可灵活多变等优点 但支撑浇筑及其养护时间长 导致围护结构暴露状态的时间长以及影响工期 此外自重大 拆除支撑有难度且对影响环境大 08 04 2020 49 布置方式有多种 如图6 16所示 纵横对撑构成井字形 这种布置形式安全稳定 整体刚度大 缺点是土方开挖及主体结构施工困难 拆除困难 造价高 往往在环境要求很高 基坑范围较大时采用 井字型集中式布置 挖土及主体结构施工相对较容易 缺点是整体刚度及稳定性不及井字形布置 角撑结合对撑 挖土及主体结构施工较方便 缺点是整体刚度及稳定性不及井字形布置的支撑 基坑的范围较大以及坑角的钝角太大时不宜采用 边桁架 挖土及主体结构施工较方便 但整体刚度及稳定性相对较差 适用的基坑范围不宜太大 2 按布置形式分类 08 04 2020 50 圆形环梁 较经济 受力较合理 可节省钢筋混凝土用量 挖土及主体结构施工较方便 但坑周荷载不均匀 土性软硬差异大时慎用 竖直向斜撑 优点是节省立柱及支撑材料 缺点 不易控制基坑稳定及变形 与底板及地下结构外墙连接处结构难处理 适用于开挖面积大而挖深小的基坑 逆筑法 节省材料 基坑变形较小 缺点是对土方开挖及地下整个工程施工组织提出较高的技术要求 在施工场地受限制 或地下结构上方为重要交通道路时采用 08 04 2020 51 图6 16内支撑的布置形式 08 04 2020 52 如图6 17所示 土层锚杆体系由围檩 托架及锚杆三部分组成 锚杆头部将拉杆与围护墙牢固地联结起来 使支护结构承受的土侧向压力可靠地传递到拉杆上去并将其传递给锚固体 锚固体将来自拉杆的力通过摩阻力传递给地基稳固的地层中去 三 土层锚杆的类型及特点 土层锚杆优点是基坑开敞 坑内挖土及地下主体结构施工方便 造价经济 适用于基坑周围有较好土层 锚杆施工范围内无障碍物 周围环境允许打设锚杆等条件 缺点是稳定性及变形依赖于锚固的效果 图6 17土层锚杆结构 08 04 2020 53 土钉是用来加固或同时锚固现场原位土体的细长杆件 通常采用土中钻孔 放入变形钢筋 即带肋钢筋 并沿孔全长注浆的方法做成 土钉依靠与土体之间的界面粘结力或摩擦力 在土体发生变形的条件下被动受力 并主要承受拉力作用 土钉也可采用钢管 角钢等作为钉体 采用直接击入的方法置入土中 三 支钉墙 土钉墙是以土钉为主要受力构件的边坡支护技术 它由密集的土钉群 被加固的原位土体 喷射混凝土面层和必要的防水系统组成 如图6 18 图6 18土钉支护截面构造示意图 08 04 2020 54 1 墙体的宽度和深度 墙体宽度和深度的确定与基坑开挖深度 范围 地质条件 周围环境 地面荷载以及基坑等级等有关 初步设计时可按经验确定 如上海地区一般墙宽可取为开挖深度的0 6 0 8倍 坑底以下插入深度可取为开挖深度的0 8 1 2倍 初步确定墙体宽度和深度后 要进行整体圆弧滑动 抗滑 抗倾覆 抗渗验算以及墙体结构强度 正截面承载力 验算 以验证是否满足要求 第四节基坑支护的设计与施工 一 水泥土桩墙支护结构设计原理 一 设计内容 08 04 2020 55 2 宽度方向的布桩形式 最简单的布置形式就是不留空档 打成实体 但较浪费 为节约工程量 常做成格栅式 水泥土墙采用格栅布置时 水泥土的置换率对于淤泥不宜小于0 8 淤泥质土不宜小于0 7 一般粘性土及砂土不宜小于0 6 格栅长宽比不宜大于2 3 墙体强度 水泥土围护墙体的强度取决于水泥掺合量和龄期 水泥掺合量是指每立方加固体所拌和的水泥重量 常用掺合量为200 250kg m3 一般采用32 5普通硅酸盐水泥 水泥土围护墙体的设计强度一般要求龄期一个月的无侧限抗压强度不小于0 8MPa 为改善水泥土加固体的性能和提高早期强度 可掺入外掺剂 如早强剂 减水剂 08 04 2020 56 4 其它加强措施 1 墙顶现浇混凝土路面 厚度不小于150mm 内配双向钢筋网片 不但便于施工现场运输 也有利于加强墙体整体性 防止雨水从墙顶渗入挡墙格栅而损坏墙体 2 墙身插毛竹或钢筋 插毛竹时 毛竹的小头直径不宜小于5cm 长度不宜小于开挖深度 插毛竹能减少墙体位移和增强墙体整体性 插钢筋时 钢筋长度一般为1 2m 由于钢筋与水泥土接触面积小 因此所能提供的握裹力有限 但施工方便 3 坑底加固 有的场地基坑边与建筑红线之间距离有限 不能满足正常的搅拌桩宽度的要求 这时可考虑减小坑底以上搅拌桩宽度 加宽坑底以下搅拌桩宽度 因为这部分搅拌桩可设置于底板以下 从而增强了稳定性 同时也能提高被动区抗力 08 04 2020 57 二 土压力计算作用于水泥土墙上的侧压力可按朗金理论计算 即假设墙面竖直光滑 墙后土面水平 土体处于极限平衡状态 地下水位以下的土体侧压力有两个计算原则 即水土合算和水土分算 1 水土分算就是分别计算土压力和水压力 两者之和即为总的侧压力 这一原则适用于渗透性较好的土层 如砂土 粉土和粉质粘土 按水土分算原则计算土压力时 需采用有效重度 从理论上讲采用有效抗剪强度指标是正确的 但当前工程地质勘察报告中极少提供有效抗剪强度指标 在一些工程实践中 常近似地采用三轴固结不排水或直剪固结快剪试验峰值指标来计算土压力 08 04 2020 58 计算水压力时应按围护墙体的隔水条件和土层的渗流条件 先对地下水的渗流条件作出判断 区分地下水是处于静止无渗流状态还是地下水发生绕防渗帷幕底的稳定渗流状态 不同的状态应采用不同的水压力分布模式 2 水土合算适用于不透水的粘土层 并采用天然重度 水土分算得到的墙上作用力比水土合算的大 因此设计的墙体结构费用高 而有些土层一时难以确定其透水性时 则需从安全使用和投资费用两方面作出判断 08 04 2020 59 三 基本验算初步确定了墙体的宽度 深度 平面布置之后 应进行下列计算 以验算设计是否满足变形 强度及稳定等要求 水泥土墙的验算主要有以下一些内容 1 抗倾覆验算 2 抗滑验算 3 整体圆弧滑动稳定验算 4 抗渗稳定验算 5 墙体结构强度验算 6 墙顶水平位移估算 计算简图见图6 19所示 08 04 2020 60 图6 19水泥土挡墙计算简图 08 04 2020 61 1 抗倾覆验算抗倾覆验算常以绕墙趾点A的转动来分析 计算公式为 6 1 式中 抗倾覆安全系数 一般要求不小于1 2 围护墙的宽度 自重 墙体平均重度 一般为18 19kN m3 主 被动土压力的合力 主 被动土压力合力作用线距离墙底距离 08 04 2020 62 抗滑验算是指沿围护墙体底面的抗滑动验算 验算公式为 6 2 式中 墙底抗滑安全系数 一般要求不小于1 2 墙底土层的粘聚力 内摩擦角 主 被动区土压力的合力 2 抗滑验算 注意不宜采用以下公式计算抗滑安全系数 这是因为当搅拌桩插入深度较大时 Ep常接近于Ea 计算得到的安全系数偏大 不安全 08 04 2020 63 3 整体圆弧滑动稳定验算水泥土挡墙常用于软土地基 整体稳定验算是一项重要内容 可采用瑞典条分法 按圆弧滑动面考虑 土体抗剪强度可采用总应力法计算 计算公式如式 6 7 式中Kz 圆弧滑动稳定安全系数 可取1 3 ci i 第土条圆弧面经过的土的粘聚力和内摩擦角 i 第土条滑弧中点的切线和水平线的夹角 li 第土条沿圆弧面的弧长 qi 第土条处的地面荷载 bi 第土条宽度 wi 第土条重量 6 7 08 04 2020 64 一般最危险滑动面取在墙底以下0 5 1 0m 滑动圆心位置一般在墙上方 靠近基坑内侧 按式 6 7 通过试算找出安全系数最小的最危险滑动面 相应的安全系数即为整体圆弧滑动稳定安全系数 验算切墙滑弧安全系数时 可取墙体强度指标 当水泥土无侧限抗压强度 1MPa时 可不计算切墙滑弧安全系数 上述计算可通过编制程序来实现 08 04 2020 65 由于基坑开挖时要求坑内无积水 坑内外将存在水头差 当坑底下为砂土时 需验算墙角渗流向上溢出处的渗流坡降 以防止出现流砂现象 当坑底为粘性土层而其下有砂土透水层时 也需进行渗流验算 为便于计算 且又能满足工程要求 可采用以下方法进行抗渗稳定验算 图6 20 4 抗渗稳定验算 图6 20抗渗验算图式 08 04 2020 66 6 8 式中Ks 抗渗流稳定安全系数 一般不小于1 5 2 0 坑底土透水性大时取大值 ic 坑底土的临界水力梯度 ic ds 1 1 e e ds 坑底土的天然孔隙比 土粒比重 i 坑底土的渗流水力梯度 i hw L hw 基坑内外土体的渗流水头 m 取坑内外地下水位差 L 最短渗径流线总长度 m 如当防渗帷幕长度范围内各层土的渗透性相差不大时L hw 2Dw B Dw为防渗帷幕在开挖面下的插入深度 但当此范围内有渗透性较大土层 如砂土 松散填土或多裂隙土 计算L时应扣除这些层厚度 08 04 2020 67 5 墙体结构强度验算 1 压应力验算式中 0 基坑重要性系数 cs 水泥土墙平均重度 z 墙顶至计算截面的深度 M 单位长度水泥土墙截面弯矩设计值 W 水泥土墙截面模量 fcs 水泥土开挖龄期抗压强度设计值 2 拉应力验算 08 04 2020 68 6 墙顶水平位移估算水泥土墙墙顶水平位移计算是比较复杂的问题 实用上一般将桩墙在基坑开挖面处分为上下两段 见图6 21 开挖面以上的墙身视为柔性结构 按悬臂梁计算其弹性挠曲变形 e 开挖面以下的结构则视为完全埋置桩 桩头 开挖面处 作用有水平力H0及力矩M0 桩头水平位移y0及转角 0的计算方法有两类 一类将墙身视为刚性桩 计算原理见第五章沉井计算 另一类将墙身视为弹性桩 计算原理见第四章水平受荷桩计算 实践中还采用规范建议的经验公式估算墙顶的水平位移量 习题6 2 6 3 图6 21墙顶位移计算 08 04 2020 69 二 排桩或地下连续墙式支护结构设计原理 排桩或地下连续墙式支护结构属柔性支挡结构 下面将从构成排桩或地下连续墙式支护结构的围护桩墙 内支撑及土层锚杆三方面介绍这种支护结构的设计计算原理 一 围护桩墙的计算排桩或地下连续墙支护结构的围护桩墙计算内容包括 围护桩墙稳定性验算围护桩墙内力变形计算 08 04 2020 70 1 稳定性验算稳定性验算的内容有 整体稳定性验算 坑底抗隆起稳定验算 抗渗验算 坑底土抗承压水验算 1 整体稳定性验算 采用圆弧滑动简单条分法 图6 22坑底抗隆起稳定验算图式 2 坑底抗隆起稳定验算 以围护桩墙底的平面作为地基极限承载力验算的基准面 参照普朗特尔和太沙基求地基极限承载力的公式 滑移线形状如图6 22 该法未考虑墙底以上土体的抗剪强度对抗隆起的影响 也未考虑滑动土体体积力对抗隆起的影响 计算公式为 08 04 2020 71 式中Kwz 抗隆起稳定安全系数 一般要求不小于1 7 2 5 1 坑外地表至围护墙底范围内 各土层重度的厚度加权平均值 kN m3 2 坑内开挖面至围护墙底范围内 各土层重度的厚度加权平均值 kN m3 h0 基坑开挖深度 m D 围护墙在基坑开挖面以下的插入深度 m q 坑外地面超载 Nq Nc 地基土的承载力系数 08 04 2020 72 3 抗渗验算当围护墙体外设防渗帷幕时 抗渗验算应计算至防渗帷幕底 当采用围护墙自防水时 抗渗验算应计算至围护墙底 为便于计算 且又能满足工程要求 可采用水泥土墙抗渗稳定验算表达式 6 8 进行相同的验算 4 坑底土抗承压水稳定性验算基坑开挖面以下有承压水层时 应按式 6 14 验算坑底土抗承压水稳定性 见图6 23 验算公式中未考虑上覆土层与围护桩墙之间的摩擦力影响 08 04 2020 73 式中Ky 坑底土抗承压水头稳定安全系数 一般不小于1 05 pcz 基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的总自重压力 kPa pwy 承压水层的水头压力 kPa 图6 23抗承压水验算图式 08 04 2020 74 2 内力变形计算桩墙结构的内力变形可按平面问题来简化计算 排桩计算宽度可取排桩的中心距 地下连续墙计算宽度可取单位宽度 目前在工程实践中内力变形计算应用较多的是极限平衡法和弹性支点法 竖向弹性地基梁法 对于悬臂式及支点刚度较小的桩墙支护结构 由于水平变形大 可按如图6 24 a 所示的极限平衡法计算 当支点刚度较大 桩墙水平位移较小时 可按如图6 24 b 所示的弹性支点法进行计算 08 04 2020 75 a 极限平衡法 b 弹性支点法图6 24围护桩墙内力变形计算图式 08 04 2020 76 1 极限平衡法假定作用于围护桩墙前后的土压力达到被动土压力和主动土压力 在此基础上进行力学简化 将超静定问题作为静定问题求解 属于这种类型的如静力平衡法 等值梁法 太沙基塑性铰法 等弯矩法和等轴力法等 下面介绍静力平衡法和等值梁法 I 静力平衡法静力平衡法根据支挡结构所受的主动 被动土压力的大小 方向 作用点的位置 然后按静力平衡条件进行解答 08 04 2020 77 对于悬臂式板桩墙的计算 可以采用图6 25的计算简图 由作用在板桩墙上的主动土压力和被动土压力对桩底端B点的力矩平衡条件 MB 0 求得板桩墙的有效嵌固深度t 图6 25悬臂式板桩墙计算简图 08 04 2020 78 6 17 由式 6 17 经过试算可得出t的值 板桩墙在坑底以下的最小插入深度 或称为嵌固深度 lc可按下式确定 6 18 6 19 08 04 2020 79 如果在桩体后侧有水压力及地面超载等 可将它们的影响叠加在净土压力Ea上 然后按上述方法计算 所以最大弯矩为 6 21 6 22 08 04 2020 80 对于单支撑点板桩墙 图6 26 如果下端入土较浅 其下端可产生转动 板桩墙在土压力作用下将产生弯曲变形 先假定板桩墙的有效嵌固深度t 根据锚定点A的力矩平衡方程 MA 0可得 图6 26单支撑点板桩墙计算简图 由上式经过试算即可得板桩墙有效嵌固深度t 板桩墙在坑底以下的最小插入深度lc仍按式 6 19 确定 08 04 2020 81 最大弯矩为 根据最大弯矩截面的剪力等于零 即可求得最大弯矩截面距土压力零点的距离 6 25 6 26 08 04 2020 82 例题6 2 在砂质土层中开挖一深度为h 4 0m的基坑 拟采用悬臂板桩支挡结构 砂质土层重度为19kN m3 内摩擦角为 20 粘聚力为0 请确定板桩的最小长度及最大弯矩 解 由式 6 18 得 08 04 2020 83 将以上各值代入式 6 17 可得有效嵌固深度t 增大系数K f取1 4 由式 6 19 可得 08 04 2020 84 由式 6 21 可得 由式 6 22 可得 习题6 4 08 04 2020 85 II 等值梁法等值梁法是一种简化的计算方法 如图6 27所示 图6 27 a 中表示一根一端固定 c点 而另一端 a点 简支的梁 图6 27 b 中弯矩的反弯点在b点 该点弯矩为零 如果在b点将梁切开 并规定b点为左端梁的简支点 这样在ab段内的弯矩保持不变 由此把梁ab梁称之为ac梁ab段的等值梁 图6 27等值梁法基本原理 08 04 2020 86 等值梁法应用于板桩墙等柔性支挡结构的计算时 首先应当知道正负弯矩转折点b点的位置 由于b点的位置在开始计算时是未知的 因此如何确定b点的位置就是应用等值梁法的关键 在这方面有以下几种假定和方法 1 假定b点的位置为地面以下土压力强度等于零处 这种方法在实际工程中运用较广泛 2 假定b点位于坑底开挖面与板桩的交点处 3 根据太沙基 Terzaghi 给出的反弯点距开挖面的深度y与土体的内摩擦角 的近似关系 见表6 2 这适用于均质无粘性土 地表无超载 墙后无较高地下水位时的情况 4 根据土层标贯试验资料确定 见表6 3 08 04 2020 87 下面以单支点板桩墙 见图6 26 为例说明等值梁法的应用 先计算板桩墙上各点所受的主动土压力和被动土压力 将板桩在O点切开 把板桩墙分为上 下两段 在切面处弯矩等于零 但存在剪力Qo 把板桩墙上段作为简支梁 所有的力对O点的力矩满足平衡方程 M0 0 图6 26单支撑点板桩墙计算简图 08 04 2020 88 由此即可求得单位宽度支点水平力 6 28 再根据对支点A点的力矩平衡方程 MA 0即可求得剪力Q0 6 29 把板桩墙下段OB作为隔离体 所有的外力对B 点取矩 就可求得板桩墙的有效嵌固深度t 6 31 板桩墙在坑底以下的最小插人深度lc仍按式 6 19 确定 08 04 2020 89 例题6 3 有一开挖深度h 8 0m的基坑 采用一道锚杆的板桩支挡结构 锚杆距离地面1 0m 水平间距a 2 0m 基坑周围土层重度为18kN m3 内摩擦角为 20 粘聚力为0 根据等值梁法计算板桩的最小长度 锚杆拉力和最大弯矩值 解 08 04 2020 90 08