第8章用-基坑工程.ppt

地基基础设计与处理 第六章基坑工程 6 1概述 6 2围护结构形式及适用范围 6 3支护结构上的荷载 6 4悬臂式围护结构内力分析 6 5单锚式围护结构内力分析 6 6基坑的稳定验算 6 1概述 基坑 foundationpit 在建造埋置深度较大的基础或地下工程时 往往需要进行较深的土方开挖 这个由地面向下开挖的地下空间称为基坑 开挖基坑最简单的方法是放坡大开挖 这种方法经济又方便 在空旷地区优先采用 设置围护结构 设置挡土和截水结构 第六章基坑工程 基坑支护目的与作用 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 坑底管涌发生 基坑支护的作用挡土 挡水 控制边坡变形 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 第六章基坑工程 1 基坑工程特点1 基坑支护体系是临时结构 设计与施工重视不足 风险较大2 基坑工程具有很强的区域性 基坑工程的支护体系设计与施工及土方开挖都要因地制宜 3 建筑趋向高层化 基坑向大而深方向发展 开挖深度在6到20m很普遍 4 基坑工程对周围环境影响大 在软弱土层中 基坑开挖会产生较大的位移和沉降 对周围建筑物 市政设施和地下管线造成很大的影响 场地狭窄 降雨 重物堆放等都对基坑稳定性不利 5 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 第六章基坑工程 基坑工程发展现状 大量的深基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现 国外 圆形基坑的深度已达74m 日本 直径最大的达98m 日本 而非圆形基坑的深度已达到地下 层 法国 国内 上海88层的金茂大厦 基坑平面尺寸为170m 150m 基坑开挖深度达19 5m 上海的汇京广场 围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm 而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m 第六章基坑工程 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 基坑规程 将基坑支护结构分为三个安全等级 2 围护结构形式及适用范围 第六章基坑工程 基坑侧壁安全等级及重要性系数 第六章基坑工程 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 支护型基坑支护包括板桩墙 排桩 地下连续墙等 在基坑较浅时可不设支撑 成悬臂式结构 当基坑较深或对周围地面变形严格限制时 应设水平或斜向支撑 或锚定系统 形成空间力系是发展方向 加固型 充分利用加固土体的强度 加固型包括水泥搅拌桩 高压旋喷桩 注浆和树根桩等 第六章基坑工程 地下连续墙是利用一定的设备和机具 在稳定液护壁条件下 沿已构筑好的导墙钻挖一段深槽 然后吊放钢筋笼入槽 浇注混凝土 筑成一段混凝土墙 再将每个墙段连接起来 形成连续的地下基础构筑物 地下连续墙主要起挡土 挡水 防渗 和承重作用 地下连续墙的成槽方法主要有 冲击法 冲击 回转法 抓斗直接成槽法 冲抓法 多头钻成槽法 双轮铣成槽法等 第六章基坑工程 地下连续墙起源于欧洲 意大利于1938年首次进行了在泥浆护壁的深槽中建造地下连续墙的试验 于1950年应用于意大利的SantanMalia大坝防渗工程 深达40m的截水止漏墙 中国第一座地下墙 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 墙宽与墙体的深度常用60cm及80cm 亦有20cm薄型防渗墙及120cm厚型地下连续墙 第六章基坑工程 壁板式地下连续墙施工图片 修筑导墙 第六章基坑工程 地下连续墙导墙已浇筑 第六章基坑工程 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 其他形式围护结构 常用的基坑围护结构形式 第六章基坑工程 2 常见基坑支护结构的类型 1 无围护放坡开挖 第六章基坑工程 2 桩墙支护 支撑体系 支撑体系是用来支挡围护墙体 承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力 支撑体系是由支撑 围檩 立柱三部分组成 第六章基坑工程 第六章基坑工程 3 重力式支护结构 第六章基坑工程 4 土钉墙支护 第六章基坑工程 5 组合型支护 第六章基坑工程 6 1 4作用于支护结构上的荷载 第六章基坑工程 作用在一般结构上的荷载可分为三类 1 永久荷载 2 可变荷载 3 偶然荷载 作用在支护结构上的荷载主要有 1 土压力 2 水压力 3 影响范围区内建筑物 结构物荷载 5 若支护作为主体结构的一部分时 应考虑地震力 4 施工荷载 汽车 吊车及场地堆载等 6 温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载 第六章基坑工程 第六章基坑工程 基坑支护结构上的水压力与土压力计算水土分算水土合算 第六章基坑工程 土压力的影响因素 支护结构的变形施工过程土类土中水及其渗流 土压力Earthpressure 主动土压力和被动土压力的产生 前提条件是支护结构存在位移 当支护结构没有位移时 则土对支护结构的压力为静止土压力 第六章基坑工程 主动土压力 若挡墙在墙后土压力作用下向前位移时随位移增大 墙后土压力渐减小 当位移达某一数值时 土体内出现滑裂面 墙后土达极限平衡状态 此时土压力称为主动土压力 以Ea表示 Ea 滑裂面 第六章基坑工程 静止土压力 若挡墙在土压力作用下墙本身不发生变形和任何位移 移动或滑动 墙后填土处于弹性平衡状态 则此时作用在挡墙上的土压力成为静止土压力 以E0表示 E0 第六章基坑工程 3 被动土压力 若挡墙在外力作用下墙向墙背向移动 随位移增大 墙所受土的反作用力渐增大 当位移达一定数值时 土体内出现滑裂面 墙后土处被动极限平衡状态 此时土压力称为被动土压力 以Ep表示 外力 Ep 滑裂面 第六章基坑工程 土压力与挡墙位移的关系 方向 大小 1 5 0 1 0 5 静止土压力 主动土压力 被动土压力 达到极限状态所需的位移 极限状态 第六章基坑工程 第六章基坑工程 静止土压力的计算 第六章基坑工程 竖向应力 水平应力 荷载作用时 竖向应力 水平应力 侧压力系数 弹性力学 经验公式 第六章基坑工程 1 基本假定 1 墙背光滑 2 按半无限体计算应力 3 墙后土体满足Mohr Coulomb准则 处于极限平衡状态 Rankine 郎肯 兰金 土压力理论 第六章基坑工程 2 主动土压力 墙的位移方向 第六章基坑工程 主动土压力系数 第六章基坑工程 3 被动土压力 墙的位移方向 第六章基坑工程 被动土压力系数 无粘性土 荷载作用时 土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系 悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比 非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力 即计算结果偏大 第六章基坑工程 悬臂支护桩土压力分布 第六章基坑工程 第六章基坑工程 q 支护结构的变形与施工过程中支护结构的变形及土压力 土压力计算公式 第六章基坑工程 k 内摩擦角的标准值一般采用固结 不排水 指标 主动 被动土压力系数 分层土的土压力计算公式 主动土压力 被动土压力 第六章基坑工程 土的粘聚力c 内摩擦角 值可根据下列规定适当调整 在井点降低地下水范围内 当地面有排水和防渗措施时 值可提高20 在井点降水土体固结的条件下 可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响 将土的粘聚力c提高20 第六章基坑工程 水压力 水压力 主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题 对于粘性土 土壤的透水性较差 此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法 即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数 取土的饱和重度和总应力固结不排水强度指标 第六章基坑工程 对于粘性土 土壤的透水性较差 此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法 即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数 取土的饱和重度和总应力固结不排水强度指标 第六章基坑工程 对于砂性土和粉土 采用水土分算 即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和 取土的浮重度和有效应力抗剪强度指标 第六章基坑工程 第六章基坑工程 工程中常采用三角形与经验矩形两种模式 当墙体位移较大时一般采用前者 否则采用后者 Terzaghi Peck土压力分布修正 a 砂 b 中等饱和软粘土 c 硬粘土 第六章基坑工程 基坑内外有稳态渗流时 宜采用流网法或简化分布图计算 6 2排桩 地下连续墙支护结构6 2 1悬臂式桩墙计算 设计要点 计算主动土压力和被动土压力确定计算简图 确定嵌固深度 内力计算 支护桩或墙的截面设计以及压顶梁的设计等 第六章基坑工程 计算步骤 根据朗肯 库伦土压力理论分层计算主动土压力和被动土压力 在此基础上确定图所示的计算简图 据此简图求出嵌固深度hd 最大弯矩截面位置及最大弯矩值 进行配筋设计或承载力计算 计算支护结构顶端位移 第六章基坑工程 第六章基坑工程 50 旋转点 第六章基坑工程 极限平衡法土压力模式 三角形入土深t 静力平衡条件 X 0 M 0 求解 计算步骤 略 桩墙实际嵌深应适当放大 6 3 由剪力为零求出最大弯矩点深度 进而求出最大弯矩 再据此配筋 第六章基坑工程 悬臂 这里发生弯曲 自由 忽略弯曲 简化 第六章基坑工程 布鲁姆简化法土压力模式 三角形入土深度 静力平衡条件 M 0 求解 计算步骤 略 桩墙实际嵌深应适当放大 6 4 由剪力为零求出最大弯矩点深度 进而求出最大弯矩 再据此配筋 第六章基坑工程 6 2 2单支点桩 墙计算 顶端支锚处无位移简化为一简支点 底端约束则视入土深而定 第六章基坑工程 55 自由端 嵌固端 2种情况 第六章基坑工程 1 入土较浅时单支点板桩墙支护结构计算 方法 平衡法当板桩墙入土深度较浅时 板桩墙前侧的被动土压力全部发挥 板桩墙的底端可能有少量向前位移的现象发生 此时板桩墙前后的被动和主动土压力对支锚点的力矩相等 板桩墙体处于极限平衡状态 板桩墙可看做在支锚点铰支而下端自由的结构 第六章基坑工程 第六章基坑工程 入土较浅时支锚点A铰支 下端自由 由 MA 0求有效嵌深t并按式 6 4 适当放大 计算简图 第六章基坑工程 由 X 0求支点锚固力Ra 由剪力为零求出最大弯矩点深度 进而求出最大弯矩 再据此配筋 2 入土较深时单支点板桩墙支护结构计算方法 等值梁法计算步骤如下 首先要确定正负弯矩反弯点的位置 实测结果表明净土压力为零点的位置与弯矩零点位置很接近 因此可假定反弯点就在净土压力为零点处 第六章基坑工程 第六章基坑工程 入土较深时支锚点A铰支 下端嵌固的超静定梁 按等值梁法计算关键是确定反弯点O 近似以净土压力零点代替 计算简图 对单锚或单撑支护结构 地面以下土压力为零的位置 即主动土压力等于被动土压力的位置 与反弯点位置较接近 第六章基坑工程 等值梁概念 一端固支 一端简支的梁 图a b点为弯矩反弯点 图b 若在b点切开为两段梁 并规定b点为左端梁的简支点 则ab段内的弯矩保持不变 简支梁ab称之为ac梁ab段的等值梁 附图等值梁法基本原理 第六章基坑工程 第六章基坑工程 由等值梁AO求Ra和反弯点剪力Q0取下段OC为隔离体 由 MC 0求t 并进行放大由等值梁AO求算最大弯矩Mmax 当土质较差 基坑又较深时 通常采用多层支锚结构 支锚层数及位置则根据土层分布及性质 基坑深度 支护结构刚度和材料强度以及施工要求等因素确定 第六章基坑工程 6 2 3多支点桩 墙计算 第六章基坑工程 常用分析计算方法 等值梁法连续梁法支护荷载1 2分担法弹性支点法有限单元法 第六章基坑工程 6 5基坑稳定性分析 分析目的 确定合理的嵌固深度 验算所设计的支挡结构是否稳定和合理 第六章基坑工程 6 5 1概述 分析内容整体稳定性踢脚稳定性坑底抗隆起稳定性基坑抗渗流稳定性分析方法 工程地质对比法 力学分析法 6 5 2基坑整体稳定性 方法 圆弧滑动面简单条分法 按总应力法计算 第六章基坑工程 ci ji i土条底的粘聚力和内摩擦角 Li i土条底面面积 Wi i土条重量 按饱和容重计算 qi i土条底面倾角 注意 对有软弱夹层 倾斜基岩面等 宜采用非圆弧滑动面 当嵌固深度下部存在软弱土层时 尚应验算其整体稳定性 第六章基坑工程 6 5 3支护踢脚稳定性 对象 单 多 支点结构以支点 最下层支点 为转动点的失稳Mp 内侧被动土压力对B点的力矩 Ma 外侧BD段主动土压力对B点的力矩 Ep 基坑内侧被动土压力 ea b ea d 基坑外侧B D点土压力强度 ht 最下层支点离基坑底的距离 hd 支护结构的嵌固深度 计算简图 第六章基坑工程 分析方法 考虑墙体极限弯矩的抗隆起分析法 普朗特尔 Prandtl 与太沙基 Terzaghi 的抗隆起验算法 考虑墙体极限弯矩的抗隆起分析假定开挖面以下墙体对抗隆起有利 且土体沿墙底按圆弧滑动 滑动力为土自重gh及超载q0 抗滑力为滑面抗剪强度 要求 6 5 4基坑底抗隆起稳定性 抗隆起分析示意图 第六章基坑工程 滑动力矩 抗滑力矩 Mh 基坑底面处墙体极限抵抗弯矩 可取该处墙体设计弯矩注 采用试算法计算 当求得KL为最小时的入土深即为所求嵌固深度hd 该法较适用于中等强度和较软弱的粘性土由于假定滑动面通过墙底 故hd过小时该假定显然不合理 与实际不符 第六章基坑工程 太沙基和普朗特尔抗隆起分析墙底平面为极限承载力的求解基准面 参照按Prandtl Terzaghi公式 要求 Prandtl公式 Terzaghi公式 太沙基和普朗特尔抗隆起算法 第六章基坑工程 坑底抗流砂稳定性流砂 当基坑底部向上的动水压力 渗透力 j g 时产生近似按紧贴墙体的最短路线计算最大渗透力 则抗流砂稳定安全系数应 hw 墙后地下水位埋深 gw 地下水重度 kN m3 6 5 5基坑渗流稳定性 基坑抗流砂验算 第六章基坑工程 基坑底土突涌稳定性原因 基底不透水层较薄且其下有较大水压的滞水层或承压水层时易发生要求 基坑底土突涌稳定性应满足hs 不透水层厚度 H 承压水高于含水层顶板的高度 基坑底抗突涌稳定性验算 注 若坑底土抗突涌稳定性不满足要求 可采用隔水挡墙隔断滞水层 加固基坑底部地基等处理措施 第六章基坑工程 常用的处理措施一般中粗砂以上粒径土用水下开挖或堵截法 中砂和细砂土用井点法和管井法 淤泥或粘土用真空法或电渗法当降水危及基坑及周边环境时 宜采用截水或回灌法 截水后基坑中的水量或水压较大时 宜采用坑内降水地下含水层渗透性强且厚度大时 可采用 悬挂式竖向截水 坑内井点降水 或 悬挂式竖向截水 水平封底 止水帷幕通常采用水泥搅拌桩 旋喷桩等 其形式有二 含水层较薄 穿过含水层插入隔水层或不透水层中 含水层较厚 悬吊在透水层中 6 6地下水控制 第六章基坑工程 地下水控制方法集水明排法降水法 轻型井点法 喷射 管井 和深井泵 截水和回灌技术 回灌沟 回灌井 第六章基坑工程 选择降水方法时应注意充分调查含水层的埋藏条件及其水位或水压 透水性及富水性 地下水的排泄能力场地周围地下水的利用情况场地条件 周围建筑物及道路情况 地下水管线埋设情况 第六章基坑工程 第六章基坑工程 布鲁姆简化法计算悬臂式桩墙举例 某基坑开挖深度h 5m 土层重度20kN m3 内摩擦角20度 粘聚力10kPa 现拟采用悬臂式桩墙支护 试确定桩的最小长度和最大弯矩 第六章基坑工程 主动 被动土压力系数 第六章基坑工程 基坑开挖底面处的主动 被动土压力 第六章基坑工程 土压力零点距开挖面的距离 第六章基坑工程 开挖面以上桩后侧地面超载引起的土压力及其作用点位置 第六章基坑工程 开挖面以上桩后侧主动土压力及其作用点位置 第六章基坑工程 桩后侧开挖面至土压力零点净土压力及其作用点位置 第六章基坑工程 作用于桩后的土压力合力及其作用点位置 第六章基坑工程 代入桩墙的有效嵌固深度计算公式 得到通过试算 第六章基坑工程 取增大系数 则桩的最小长度为 最大弯矩点距土压力零点的距离最大弯矩 土钉支护深基坑逐层开挖 逐层在边坡以较密排列 上下左右 打入土钉 钢筋 强化受力土体 并在土钉坡面设置钢筋网 分层喷射混凝土 就是土钉支护 亦称喷锚支护 土钉墙 英文名SoilNailing 一 土钉的概念在基坑开挖坡面 用机械钻孔或洛阳铲成孔 孔内放钢筋 并注浆 在坡面安装钢筋网 喷射C20厚80 100mm的混凝土 使土体 钢筋与喷射混凝土面板结合 成为深基坑土钉支护 如图2 1所示 基坑坡面可以竖直900 也可是800左右 土钉长度按计算确定 二 土钉的发展70年代德国法国和美国都对土钉进行了研究与应用 在德国是由挡土墙和锚杆发展起来的 法国是基于新奥法的原理发展起来的 新奥法系奥地利隧道施工中利用喷射混凝土与全长粘结的锚杆相结合 为岩石隧道开控提供有效的稳定支护 第六章基坑工程 1972年法国承包商博格斯提出了新奥法原理能够用于土质边坡和软岩边坡的临时支护 并成功地应用于工程上 几乎同时德国和美国也发展了土钉技术 目前该技术在法国 德国 英国 美国和日本得到广泛应用 新兴的科学技术试验研究要得到政府的大力支持 才会很好地发展 第六章基坑工程 1985年法国政府拨款350万美元 进行土锚钉墙的实际模拟试验 1990年在美国召开的挡土结构国际学术会议上 土钉作为一个独立的专题 与锚杆挡墙并列 使它成为一个独立的学科分支 在国内 80年代末北京工业大学和北京农村建筑总公司对插筋补强护坡和索土边坡 进行了荷载作用下的破坏试验 插筋补强技术与土钉喷射混凝土相似 只是插筋补强的钢筋用锚定板 坡面铺钢筋网抹水泥砂浆 而土钉在坡面钢筋网上喷射混凝土 这个试验表明了以下几点 1 插筋锚体与边坡土体形成复合体 插筋锚体形成的骨架 弥补土体抗拉强度甚低的弱点 发挥了共同作用 显著提高了边坡的承载能力和稳定性 2 插筋锚体对土体的约束作用 应力分担作用 应力传递与扩散作用 增强了土体变形的延性 荷载达到一定程度后 边坡变形速率增加 而土体保持完好的整体性 无明显滑裂面形成 3 试验证明 在边坡破坏阶段 近于直立的插筋锚体边坡是渐进开裂向整体开裂发展 局部坡脚坍裂破坏 仍保持整体性 而素土无插筋锚体 外荷加到一定程度时 坡面网状裂缝出现 沉降急剧增大 边坡突然崩塌 插筋土体增加边坡破坏阶段的安全性 对上述试验结果 90年代初在北京国家体委办公楼 方庄11楼 邮政枢纽等7个工程深基坑支护作试点 但基坑深仅10m 现在土钉支护板面喷射混凝土及注浆加压 增加抗剪强度 已做到坑深13 18m 三 土钉支护的特点及应用范围1 土钉与土体形成复合体 提高了边坡整体稳定和承受坡顶超载能力 增强土体破坏延性 改变边坡突然坍方性质 有利于安全施工 2 土钉墙体位移小 一般测试约20mm 对相邻建筑影响小 94 3 设备简单 易于推广 由于土钉比土层锚杆长度小得多 钻孔方便 注浆亦易 只需喷射混凝土等设备 施工单位均易办到 4 如能与土方开挖配合好 实行平行流水作业 则工期可缩短 噪音小 5 经济效益好 一般成本低于灌注桩支护 6 因分段分层施工 易产生施工阶段的不稳定性 因此必须在施工开始就进行土钉墙体位移监测 以便于采取必要的措施 7 适宜于地下水位以上或经降水措施后的杂填土 普通粘土或非松散性的砂土 一般认为可用于N值在5以上的砂质土与N值在3以上的粘性土 四 国内实际工程应用概况90年代初北京在10m以内的基坑工程中应用插筋补强技术 此后土钉喷射混凝土技术用于深圳全安大厦 坑深8m 深圳民航大厦 坑深9 5 10m 最近几年发展较快 已经做到坑深十多米 最深为广州056工程 深18m 近年来在北京 广州 深圳等地施工的10m以上的主要工程 土钉支护的基本原理一 土钉应用原理土体的抗剪强度较低 几乎没有抗拉强度 但土体具有一定的结构整体性 在土体内放置一定长度和分布密集的锚钉 与土共同作用 形成复合体 可弥补土体强度不足并发挥锚钉作用 在基坑开挖的边坡中应用土钉 形成复合墙体 不仅有效地提高土体的整体刚度 又弥补了土体抗拉 抗剪的不足 通过相互作用 土体自身结构强度潜力得到充分发挥 改变了边坡变形和破坏状态 显著提高了整体稳定性 试验证明 土钉复合墙体与素土承载力相比 经北京工业大学试验提高2 3倍 更为重要的是 素土坡面出现网状裂缝 沉降急剧增大 边坡突然崩塌 而土钉复合墙体 延迟了塑性变形阶段 明显地为渐进性变形和开裂 逐步扩展 直至丧失承载能力 但不发生整体性崩塌 土钉复合墙体产生这种性状 是通过锚钉与土体相互作用实现的 这种作用一方面体现锚钉与土界面间阻力的发挥程度 另一方面由于锚钉与土体刚度比相差很大 所以在复合体墙进入塑性阶段后 锚钉自身作用增强 从而改善了复合体塑性变形和破坏状态 第六章基坑工程 二 土钉的作用机理 一 土钉对复合体起骨架约束作用由于土钉本身的刚度和强度 以及它在土体内分布的空间组成复合体的骨架 使复合土体构成一个整体 骨架有约束土体变形的作用 二 土钉对复合体起分担作用在复合体内 锚钉与土体共同承担外荷载和自重应力 土钉起着分担作用 由于土钉有很高的抗拉 抗剪强度和土体无法相比的抗弯刚度 所以在土体进入塑性状态后 应力逐渐向土钉转移 当土体开裂时 土钉分担作用更为突出 这时土钉内出现了弯剪 拉剪等复合应力 从而导致锚体中浆体碎裂 钢筋屈服 复合体之所以塑性变形延迟 渐进性开裂 与锚钉的分担作用是密切相关的 分担的比例取决于 1 土钉与土体相对刚度比 2 土钉所处的空间位置 3 复合土体的应力水平 第六章基坑工程 三 土钉起着应力传递与扩散作用北京工业大学的试验说明 当荷载增到一定程度 边坡表面和内部裂缝已发展到一定宽度 此时坡脚应力最大 这时下层锚体伸入到滑裂域外稳定土体中的部分仍能提供较大的抗拉力 锚体通过其应力传递作用 将滑裂域内部分应力传递到后边稳定土体中 并分散在较大范围的土体内 降低应力集中程度 四 坡面变形的约束作用在坡面上设置与土钉连在一起的钢筋网喷射混凝土面板 是发挥土钉有效作用的重要组成部分 喷射混凝土面板起到坡面变形的约束作用 面板约束力取决于土钉表面与土的摩阻力 当复合土体开裂面区域扩大并连成片时 摩阻力主要来自开裂区域后的稳定复合土体 第六章基坑工程 三 国外试验所得结果1986年在法国由政府主持进行一项大型模拟试验 通过试验及现有试验资料分析 得出 1 土钉墙变形一般是微小的 最大变形发生于顶部 越往下越小 最大变形与开挖深度之比 一般为0 001 0 0036 比锚杆挡墙的水平位移要大一些 这种位移值在适用性和耐用性极限范围之内 墙体内的水平变形随离开墙面距离增加而减小 2 土钉的内力分布一般不均匀 在破裂面临近处达到最大 往两端越来越小 土体产生微小变位才能使土钉受力 在喷射混凝土面板附近土钉所受力不大 这表明土钉已将其所受力大部分传到土体中去了 土钉位置越往下 其最大受力点越往面板处移 第六章基坑工程 100 3 在密集土钉加固的墙体 类似重力式挡墙 破坏时明显地带有平移和转动的性质 故设计时除了验算土钉内部稳定 局部滑动面破坏 性 以保证有足够的锚固长度 合理间距外 还必需验算外部稳定 整体安全 即验算土钉墙体的抗滑与抗倾覆安全性 4 根据大比例试验结果看 在土钉整体破坏之前 从未发现喷射混凝土面板和锚头产生破坏现象 在实际工程中也未见锚头有破坏现象 5 复合墙体后的土压力分布接近三角形 在坡角处土压力减少 其合力约为库仑土压力的70 这种土压力的减小 可能是土钉将土连成一个整体面造成的 经过多次观察测量 发现土压力值至少降低为库仑土压力值的30 一40 第六章基坑工程 101 土钉喷射混凝土设计一 设计内容1 确定土钉的平面和剖面尺寸 及分段施工高度 2 确定土钉布置方式和间距 3 确定土钉的直径 长度 倾角及在空间的方向 4 确定钢筋类型 直径及构造 5 注浆配方设计 注浆方式 浆体强度指标 6 喷射混凝土面层设计及坡顶防护措施 7 土钉抗拔力验算 8 进行整体稳定性分析 9 变形预测和可靠性分析 10 施工图设计及说明书 11 现场监测和质量控制设计 第六章基坑工程 102 二 设计原则与构造要求1 一般用于基坑在15m左右的边坡 斜面坡为700 900 2 土钉长度一般为开挖深度的0 5 1 5倍 其间距宜1 2m 土钉与水平面夹角宜为100 200 3 土钉必须和面层有效地连接在一起 常设有承压板和加强钢筋 4 土钉宜用 级以上螺纹钢筋 钢筋直径宜为 16 32mm 钻孔直径宜为 70 120mm 5 喷射混凝土面层厚度宜为80 200mm 常用为100mm 6 喷射混凝土强度等级不宜低于C20 7 喷射混凝土面层中应配钢筋网 钢筋网采用I级钢筋 6 10mm 间距150 300mm 8 注浆材料宜用水泥净浆 强度不低于20MPa 第六章基坑工程 粘性土坡的稳定性分析 a 土坡剖面 b 作用于土条上的力 三 设计计算及公式 一 条分法简介 第六章基坑工程 此方法是瑞典Fellenius 1927 提出的 它不仅可以分析简单土坡 亦即土坡的顶面和底面都是水平的 并延伸至无穷远处 土坡由均质土所组成 而且可以分析比较复杂的情况 例如土质不均匀的土坡等 先将土坡剖面按比例画出 图2 2a 假设滑弧通过坡角A 任意选一圆心为0 半径为R的圆弧AC为滑动面 将滑动面以上的土体分成几个等宽度的土条 现取出其中第i条作为隔离体进行分析 作用在土条上的力有 土条自重 作用在土条上的荷载 作用在滑动面ab 简化为直线段 上的法向反力和剪切力 以及作用在土条侧面ac和bd上的法向力和剪力 在这个问题的近似解中忽略了土条侧面上的法向力和剪力 由此而产生的误差在10 15 左右 第六章基坑工程 根据隔离体的平衡条件得 作用在ab面上的单位反力和剪力为 显然 滑动面AC上的总剪切力为各分条剪切力之和 即 第六章基坑工程 土条ab上抵抗剪切的抗剪力为 则总抗剪力为 当滑动面上的总剪切力等于总抗剪力时土坡就将开始滑动 抗剪力与剪切力的比值称为稳定安全系数K 即 第六章基坑工程 二 边坡最危险滑弧面的计算应用条分法 对每个土体进行极限平衡分析 得出边坡丧失稳定性安全系数最小的滑裂弧面 公式为 式中 第条土滑动面上的粘聚力 kPa 第条土条弧长 m 第条土自重力 kN m 第条弧线中点切线与水平线夹角 第条土条滑动面上的内摩擦角 由于计算繁杂 一般编程序 利用计算机计算 求k的安全系数为最小的滑弧面 第六章基坑工程 二 土钉所受的土压力 第个锚钉所受的土压力 kN 坡上超载 kN m3 土的重度 kN m3 第个高度的土锚钉 m 第六章基坑工程 土钉水平及垂直间距 m 土的粘聚力 kPa 三 土钉抗拔力 滑裂面外 第个土钉滑裂面外的抗拔力 kN 钻孔直径 m 第层锚钉伸入破裂面外稳定区长度 m 锚体砂浆与土体间各层土的粘结强度 kN m2 土钉在稳定区内长度 第六章基坑工程 110 土钉 土体粘结力简化图示 第六章基坑工程 四 土钉抗拔力试验 式中 试验拉拔力 kN m 钻孔直径 m 抗剪强度 kN m2 第六章基坑工程 112 五 求锚体稳定区长度通过试验或计算 求锚体稳定区长度 即有效长度 式中 第层土钉所受土压力 kN 试验拉拔力 kN m 安全系数 一般用1 5 第层稳定区内长度 m 第六章基坑工程 六 不同深度土钉总长度 第层土钉总长 m 第层滑移面内长度 m 第层滑移面外长度 稳定区内 m 第六章基坑工程 七 土钉直径计算 式中 钢筋截面积 mm2 钢筋抗拉强度标准值 N mm2 各层土中最大土压力 安全系数 一般为1 5 第六章基坑工程 土钉稳定分析图 土钉内部稳定分析一 内部整体稳定性分析土锚钉内部稳定性分析采用力矩极限平衡法 第六章基坑工程 式中 整体稳定性安全系数 分条的自重 kN m 分条的滑裂面处土的粘聚力 kPa 和内摩擦角 0 分条滑裂面处中点切线与水平面夹角 0 土钉与水平面之间的夹角 0 分条滑裂面处弧长 m 第个土锚钉滑裂面外的抗拔力 kN 上式应大于 即容许稳定安全系数 116 稳定安全系数为 第六章基坑工程 二 土钉抗拔力安全系数 式中 第个土钉抗拔安全系数 第个土钉滑裂面抗拔力 第个土钉处的土压力 第个土钉与水平面的夹角 第六章基坑工程 118 土钉墙的外部稳定安全密集的土钉组成的复合土体 可将其视为重力式挡土墙 从试验得出 破坏时明显地带平移和转动性质 因此除内部安全稳定外 尚须验算 抗滑动稳定及抗倾覆性稳定 一 抗滑动稳定计算 抗滑安全系数为 式中 抗滑动稳定安全系数 墙后主动土压力 kN 假设墙底断面上产生的抗滑合力 kN 第六章基坑工程 119 土钉墙计算模型 式中B 宽度 m 第六章基坑工程 二 抗倾覆稳定性验算设为抗倾覆力矩 则 墙土的重量 土钉水平距 m 设为倾覆力矩则 安全系数 第六章基坑工程 土钉支护施工 一 施工工艺流程1 按设计要求开挖工作面 修正边坡 2 喷射第一层混凝土 3 安设土钉 包括钻孔 插筋 注浆垫板等 4 绑扎钢筋网 留搭接筋 喷射第二层混凝土 5 开挖第二层土方 按此循环 直到坑底标高 设置坡顶及坡底排水装置 第六章基坑工程 二 喷射混凝土施工 一 材料水泥标号宜用42 5级 干净碎石或卵石 粒径不宜大于15mm 水泥与砂石重量比宜1 4 1 4 5 砂率45 一55 水灰比0 4 0 45 第六章基坑工程 123 二 喷射作业1 作业前要对机械设备 风 水管路和电线进行检查及试运转 清理受喷面 埋设好控制喷射混凝土厚度的标志 2 喷射时 喷头与喷面应垂直 宜保持0 6 1 0m的距离 喷射手要控制好水灰比 保持混凝土表面平整 呈湿润光泽 无干斑或滑移流淌现象 3 喷射混凝土终凝2h后 要洒水养护 根据气温条件 一般养护3 7d 4 钢筋网宜在喷射一层混凝土后铺设 钢筋与坡面的间隙宜大于20mm 5 钢筋网与下层钢筋网要搭接 长度为25倍钢筋直径 6 钢筋网与土钉锚固装置要连接牢固 喷射混凝土时钢筋不得晃动 第六章基坑工程 三 土钉施工1 锚钉施工机具可采用螺旋钻 冲击钻 地质钻 洛阳铲等 2 按设计图的纵向 横向尺寸及与水平面夹角进行钻孔施工 3 钢筋要平直 除锈 除油 4 注浆材料用水泥浆或水泥砂浆 水泥砂浆配合比为1 1 1 2 重量比 水灰比宜0 4 0 45 5 注浆管插到距孔底250一500mm 为保证注浆饱满 在孔口设止浆塞 6 土钉应设定位器 以保证钢筋的保护层厚度 第六章基坑工程 125 四 施工监测土钉复合墙体施工时 需要做现场监测 其监测项目和要求 第六章基坑工程 126 工程实例一 广州065工程广州065工程基坑失误后用土钉喷射混凝土加固支护 一 工程概况广州065工程是广州市重点工程之一 基坑长72m 宽62m 深18m 西侧距新建东建大厦及民房群约8m 原设计用人工挖孔桩及预应力锚杆支护 1993年初动工 1993年11月19日开挖接近设计深度时 于西壁长43m 纵深15一19 4m范围内发生滑坡 护坡桩及锚杆 三栋二层民房一齐滑入坑底 1994年1月28日 在原滑坡区及附近 又产生大范围坍塌 地面下沉0 6 1 8m 造成经济损失1千余万元人民币 在广州引起震动 更严重的是滑坡区地面边线距市委办公楼 东建大厦仅1 6m 东建大厦21层 天然地基 稍滑塌 大厦难保 经有关单位 专家多次讨