岩土工程-深基坑

二,水平荷载计算,三,常用基坑支护结构设计计算,四,基坑降水设计计算,一,基坑支护结构选型,基坑支护结构选型,PARTONE,保证基坑周边建筑物、地下管线、道路的安全和正常使用；保证主体地下结构的施工空间。摘自建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2-12),（一）基坑支护结构的安全等级,基坑支护的功能要求,支护结构安全等级应综合考虑基坑周边环境和地质条件的复杂程度、基坑深度等因素而确定。,支护结构安全等级,（一）基坑支护结构的安全等级,基坑的深度；,支护结构选型的影响因素,（二）支护结构选型,土的性状及地下水条件；,周边环境对基坑变形的承受能力及支护结构失效的后果；,主体地下结构和基础形式及其施工方法、基坑平面尺寸及形状；,支护结构施工工艺的可行性；,施工场地条件及施工季节；,经济指标、环保性能和施工工期；,支护结构的适用条件,（二）支护结构选型,支挡式结构,支护结构的适用条件,（二）支护结构选型,土钉墙,（二）支护结构选型,支护结构的适用条件,放坡和重力式水泥土墙,水平荷载计算,PARTTWO,（一）土压力计算理论,经典土压力理论,土压力与挡土结构位移之间的关系,（一）土压力计算理论,朗肯土压力理论,基本假定,挡土墙墙背直立、光滑；,挡土墙墙体本身为刚性，不考虑墙身变形；,挡土墙后填土延伸到无限远处，填土表面水平。,计算公式,（二）支护结构上的土压力计算,朗肯土压力理论,水土分算,采用浮重度计算主动（被动）土压力，再单独计算静水压力，最后两者叠加作为作用在挡土结构上的土压力，适用于无黏性土，如砂、卵石等。,（二）支护结构上的土压力计算,朗肯土压力理论,水土合算,直接采用饱和重度计算主动（被动）土压力，适合粘性土。,（二）支护结构上的土压力计算,土压力的分布形式,实测土压力分布（与理论计算结果相差较大）,（二）支护结构上的土压力计算,规范中的土压力计算,地下水位以上或水土合算,（二）支护结构上的土压力计算,规范中的土压力计算,水土分算,静止水压力：,（二）支护结构上的土压力计算,规范中的竖向荷载计算,竖向荷载标准值,均布附加荷载引起的附加竖向荷载标准值,（二）支护结构上的土压力计算,规范中的竖向荷载计算,条形基础下的附加荷载,（二）支护结构上的土压力计算,规范中的竖向荷载计算,矩形基础下的附加荷载,（二）支护结构上的土压力计算,算例,解：首先根据2012规范计算条形基础下的竖向附加荷载值，具体计算过程如下：,例1：某基坑开挖深度为6m，地层为均质一般黏性土，其重度=18.0kN/m3，粘聚力c=20kPa，内摩擦角为=10。距离基坑边缘3m至5m处，坐落一条形构筑物，其基底宽度为2m,埋深为2m，基底压力为140kPa。假设附加荷载按45应力双向扩散，基底以上土与基础平均重度为18kN/m3。试计算自然地面下10m处支护结构外侧的主动土压力强度标准值。,支护结构顶面至土中附加应力计算点的竖向距离za计算及判定:,（二）支护结构上的土压力计算,算例,解：竖向附加荷载值k计算:,再计算za深度处由土自重产生的竖向荷载ac,在此基础上计算za深度处的土中竖向荷载标准值ak,最后计算作用在支护结构上的主动土压力强度标准值：,常用基坑支护结构设计计算,PARTTHREE,（一）单一土钉墙设计计算,土钉及土钉墙的定义,土钉在基坑开挖工程中，在基坑边壁上钻出的、与土壁接近垂直的深孔，然后插入钢筋并压力注入水泥浆或水泥砂浆，从而形成的与周围土体全长紧密结合的加筋注浆体。,土钉墙土钉墙是采用较密排列的土钉加固基坑侧壁土体，并在基坑侧壁上设置配筋混凝土护面等，从而形成的一种支护结构。,（一）单一土钉墙设计计算,土钉墙支护的基本原理,通过在基坑边壁土体中放置一定长度和分布密集的土钉，使土钉与周围土体紧密结合共同工作，形成复合土体，提高土体的整体刚度，弥补土体自身强度的不足；,当土体发生微小位移时，土体将在与土钉的接触面上产生摩擦力，促使两者共同工作，同时接触面上的摩擦力可以阻止减小土体的进一步位移和开裂；,土钉通过锚固于稳定土体的部分避免被拔出，并将滑裂面内的土应力传递给稳定土体，进而阻止、延缓土体的继续开裂。,（一）单一土钉墙设计计算,土钉的受力特点,主动区土体通过摩阻力向土钉传递荷载,土钉上摩阻力方向,稳定区土体通过摩阻力提供承载力,不同的滑面形式假设,土钉的受力特点,（一）单一土钉墙设计计算,对土钉来说，在主动区，土体向坑内产生位移，通过摩擦力向土钉施加向坑内方向的拉力，因此土钉拉力随深度逐渐增长，直到滑面位置；进入稳定区后，土体为土钉提供摩阻力，拉力逐渐衰减。故土钉的轴力随深度由小到大，再减小，钉-土之间的摩擦力有正有负。,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉抗拉承载力,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉轴向拉力标准值,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉轴向拉力标准值,主动土压力折减系数,当坡面倾斜时，主动土压力减小，可通过对朗肯主动土压力Ea进行折减得到。,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉轴向拉力标准值,主动土压力折减系数,土压力按基坑侧壁直立（=90o）时计算。非直立时，只有部分土压力需土钉承担，故1。,基坑侧壁直立（=90o）时，=1。,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉轴向拉力标准值,土钉轴向拉力调整系数,认为：作用在土钉墙上的主动土压力合力仍为朗肯主动土压力，但是其分布形式有所变化，不再是三角形分布，而是梯形分布。,（一）单一土钉墙设计计算,注意:调整后土钉轴力之和应保持不变即：,单根土钉轴向拉力标准值,土钉轴向拉力调整系数,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉极限抗拔承载力,单根土钉极限抗拔承载力应通过抗拔试验确定；,单根土钉极限抗拔承载力标准值可以按下式估算，但应通过抗拔试验进行验证；,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉极限抗拔承载力,单根土钉极限抗拔承载力标准值的估算,（一）单一土钉墙设计计算,单根土钉极限抗拔承载力,土钉杆体的受拉承载力应符合如下规定：,（一）单一土钉墙设计计算,土钉墙整体稳定性验算,土钉墙整体稳定性可采用圆弧滑动条分法进行验算,（一）单一土钉墙设计计算,坑底抗隆起稳定性验算,基坑底面下有软弱土层时应进行坑底抗隆起稳定性验算,注意：坑底抗隆起稳定性验算的本质是保证基坑底面软弱土层不会发生地基破坏而被挤出坑底。,排桩围护结构的基本概念,（二）排桩围护结构设计计算,排桩围护结构是采用连续的柱列式排列桩体形成的围护结构，根据排桩中单个桩体的成桩工艺不同可以分为钻孔灌注桩、预制混凝土桩、SMW工法桩等。桩的截面形式有圆形和板状两类。,排桩的类型,根据单个桩体在平面上的布置分类,分离式排桩,双排桩,咬合式排桩,最简单的排桩围护结构，在有隔水要求的过程中要求另做止水帷幕；施工简单，造价经济；适用地层广，在软土地层中适用于开挖深度不超过20m的深基坑工程。,抗弯刚度大，施工简单，无需设置支撑体系；围护体占用空间大，适用开挖深度较深、变形控制要求较高的工程。,先行桩与后行桩相互咬合，形成可起到止水作用的咬合式排桩结构；适用于淤泥、流砂、地下水富集的软土地区。,（二）排桩围护结构设计计算,排桩的类型,根据围护结构受力情况分类,悬臂桩支护结构,悬臂桩支护结构常采用钢筋混凝土排桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩等型式；,悬臂桩支护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全；,悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建筑物产生不良影响；,悬臂式支护结构适用于土质较好、开挖深度较浅（一般是指开挖深度在6m以内）的基坑工程。,（二）排桩围护结构设计计算,排桩的类型,根据围护结构受力情况分类,单（多）层支撑（锚拉）桩支护结构,单（多）层支撑（锚拉）桩支护结构是指在基坑开挖面以上的任何位置提供单个或多个支点与支护桩结合而成的混合支护结构，包括内支撑和拉锚式结构。,（二）排桩围护结构设计计算,弹性支点法,（二）排桩围护结构设计计算,基本原理,弹性支点法是把排桩支护结构看作一根竖向放置受侧向土压力作用的弹性地基梁，基坑外侧向土压力采用朗肯土压力计算，而基坑开挖面以下土层采用一系列弹簧来模拟，基坑开挖面以上的锚杆或支撑可以视为单个弹性支撑点，模型如下左图所示。,弹性支点法,（二）排桩围护结构设计计算,基坑内侧分布土反力计算,根据分布土压力计算的土压力反力合力值Psk应不大于嵌固段桩前被动土压力合力值Epk：,弹性支点法,基坑内侧分布土反力计算,土的水平反力系数计算,土的水平反力系数的比例系数经验计算公式,（二）排桩围护结构设计计算,弹性支点法,基坑内侧分布土反力计算,土反力计算宽度,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,悬臂桩受力机理分析,悬臂桩主要依靠嵌入土体的深度来平衡土压力、地面超载引起的侧压力，因此在进行悬臂桩计算时首先要计算嵌固深度；其次还要计算桩所承受的最大弯矩。,悬臂桩计算方法,1）静力平衡法,2）布鲁姆（Blum）法,3）平面杆系结构弹性支点法,4）有限单元法,建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）中推荐采用弹性支点法进行基坑排桩支护结构设计计算。,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,悬臂桩桩径、桩间距的确定,悬臂桩桩径一般应不小于0.6m，可取0.6m、0.8m、1.0m等；,悬臂桩桩中心间距不宜大于2倍桩径，有地下水时桩中心距可取(1.21.5)D；无地下水、降水或者土质较好时桩中心距取2D。,作用在桩上的荷载计算,桩上作用的侧向土压力荷载按朗肯土压力理论计算。,1）主动土压力系数,2）被动土压力系数,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,悬臂桩嵌固深度计算,当悬臂桩嵌固深度较深，支护结构向基坑内侧倾斜较小，桩底部几乎没有位移；,当悬臂桩嵌固深度较浅，当达到最小嵌固深度时，桩顶端向基坑内侧倾斜较大，桩底部则向基坑外侧位移；若嵌固深度小于最小嵌固深度，则支护结构丧失稳定，桩顶向基坑内倾斜。,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,悬臂桩嵌固深度计算,2012版建筑基坑支护技术规程关于悬臂支护结构嵌固深度计算的方法：,注意：对于悬臂式支护结构，桩体的嵌固深度不宜小于0.8h,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,桩身最大弯矩计算,悬臂桩桩身最大弯矩发生在基坑底面以下剪力为零处，若设该零点O到坑底的距离为x，则O点处主、被动土压力合力数值相等，由此可以求解得到x的数值；,悬臂桩桩身每延米最大计算弯矩Mmax为剪力零点以上主、被动土压力合力对零点O力矩的代数和；,1）单根桩最大计算弯矩为dMmax为，其中d为桩中心间距；,2）单根桩桩身最大设计弯矩为：,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,算例,例1：某基坑的土层分布情况如图所示，黏土层厚2m，砂土层厚15m，地下水埋深为地下20m；砂土与黏土的天然重度均按20kN/m3计算。基坑深度为6m，拟采用悬臂桩支护形式，支护桩直径800mm，桩长11m，间距1400mm。试根据2012规范计算支护桩外侧主动土压力合力值。,解：根据题意可知：计算支护桩外侧主动土压力强度标准值时不考虑地下水的影响。具体计算过程如下：,黏土层顶面主动土压力强度标准值pak0:,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,算例,解：黏土层临界深度z0为：,砂土层顶面主动土压力强度标准值pak1:,由此可知2m厚黏土层主动土压力强度标准值为负值，不考虑！,支护结构底面主动土压力强度标准值pak2:,（二）排桩围护结构设计计算,悬臂桩支护结构设计计算,算例,解：根据主动土压力强度标准值计算作用的支护结构上每延米的土压力合力为：,则作用在支护结构上总的外侧主动土压力合力为:,（二）排桩围护结构设计计算,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,规范关于支撑（锚拉）桩支护结构分析方法的建议,锚拉式支护结构，可将整个结构体系分解为挡土结构、锚拉结构（锚杆及腰梁、冠梁）分别进行分析，其中挡土结构宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析，作用在锚拉结构上的荷载应取挡土结构分析时得出的支点力。,支撑式支护结构，可将整个结构体系分解为挡土结构、地内支撑结构分别进行分析，其中挡土结构宜采用平面杆系结构弹性支点法进行分析，内支撑结构可按平面结构进行分析，挡土结构传至内支撑的荷载应取挡土结构分析时得出的支点力；对挡土结构和内支撑结构分别进行分析时，应考虑其相互作用之间的变形协调。,（二）排桩围护结构设计计算,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,支撑（锚拉）桩支护结构计算工况分析,基坑开挖至坑底时的情况；,基坑开挖至各层锚杆或支撑施工面时的情况；,在主体地下结构施工过程中需要以主体结构构件替换支撑或锚杆时，应保证主体结构构件满足替换后各设计工况下的承载力、变形及稳定性要求；,对水平内支撑式支护结构，基坑各边水平荷载不对等的各种工况。,（二）排桩围护结构设计计算,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,支撑（锚拉）的布置特点,等弯矩布置,各跨度的最大弯矩相等，可充分利用桩的抗弯强度；但是较深基坑，下部的支锚层距过小，层数多，不经济。,等反力布置,各层支锚水平反力基本相等，使锚杆设计简化；但当基坑较深时，下部的支锚层距过小，层数多，同样不经济。,等间距布置,支锚结构的上、下排间距基本相同，基坑较深时，减少了支锚层数，较经济；但带来了较复杂的计算量。等间距布置在工程实际中设计最为普遍。,（二）排桩围护结构设计计算,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,桩径、桩间距的确定,桩径一般应不小于0.6m，可取0.6m、0.8m、1.0m等；,桩中心间距不宜大于2倍桩径，有地下水时桩中心距可取(1.21.5)D；无地下水、降水或者土质较好时桩中心距取2D。,作用在桩上的荷载计算,桩上作用的侧向土压力荷载按朗肯土压力理论计算。,1）主动土压力系数,2）被动土压力系数,（二）排桩围护结构设计计算,支撑（锚拉）桩支护结构计算模型,目前关于多层支撑（锚拉）桩支护结构的计算模型与内力分析方法主要有以下几种：,等值梁法；,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,二分之一分担法；,逐层开挖支撑力不变法；,弹性支点法；,有限元法。,建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）中推荐采用弹性支点法进行基坑排桩支护结构设计计算。,用土压力分布零点近似代替弯矩零点，得到c点位置,（二）排桩围护结构设计计算,弹性支点法,锚杆和内支撑对挡土结构的作用力,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,（二）排桩围护结构设计计算,弹性支点法,弹性支点刚度系数计算,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,（二）排桩围护结构设计计算,嵌固深度计算,单层锚杆和单层支撑的支挡式结构的嵌固深度应符合下式嵌固稳定性要求：,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,（二）排桩围护结构设计计算,嵌固深度计算,锚拉式和支撑式支挡结构的嵌固深度应符合下列规定：,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,（二）排桩围护结构设计计算,嵌固深度计算,锚拉式和支撑式支挡结构，当坑底以下为软土时，嵌固深度应符合下列以最下层支点为轴心的圆弧稳定性要求：,单(多层)支撑(锚拉)桩支护结构设计计算,注意：对于单支点支挡式结构，桩体的嵌固深度不宜小于0.3h；对多点支挡式结构，桩体的嵌固深度不宜小于0.2h。,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆的构造,锚杆一般由锚头（台座、承压板、紧固器）、自由段、锚固段组成。,锚杆计算,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆的抗拔原理,当锚固段受力后，首先是通过锚杆与周边水泥砂浆的握裹力传到砂浆中，然后通过砂浆传到周围土体；,锚杆计算,随着摩擦力的增大，锚固体与土体间可能发生相对位移，摩擦力进一步增大，直至极限摩阻力。,随着荷载增加，锚索与水泥砂浆之间的握裹力逐渐从锚固体的上部向锚固体下部和外部发展，当应力传到锚固体的外侧时，就会在锚固体和土体间产生摩擦力；,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆的极限抗拔承载力,锚杆的极限抗拔承载力应符合如下要求：,锚杆计算,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆的轴向拉力标准值,锚杆的轴向拉力标准值应符合如下要求：,锚杆计算,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆计算,锚杆极限抗拔承载力应通过抗拔试验确定；,锚杆极限抗拔承载力标准值可以按下式估算，但应通过抗拔试验进行验证；,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆计算,锚杆非锚固段长度计算,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆计算,锚杆杆体受拉承载力计算,（二）排桩围护结构设计计算,锚杆计算,锚杆的布置原则,（二）排桩围护结构设计计算,整体稳定性验算,排桩围护结构稳定性计算,（二）排桩围护结构设计计算,渗流稳定性验算,排桩围护结构稳定性计算,（二）排桩围护结构设计计算,渗流稳定性验算,排桩围护结构稳定性计算,（二）排桩围护结构设计计算,基坑降水设计计算,PARTFOUR,地下水的种类,（一）概述,潜水是第一个连续分布隔水层上部的水，受雨水和地表水影响，潜水层面标高即为水位标高；,上层滞水是局部性、多层、在潜水之上；,层间水是埋藏于两个隔水层之间的水，包括承压水和非承压水。,地下水的不良作用,（一）概述,流砂,流砂是指土的松散颗粒被地下水饱和后，在渗透力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现象。流砂主要发生在粉细砂地层，具有突发性。,采用抽水机在基坑底面明抽水，粉细砂随地下水流入基坑，产生流砂。,基坑支护结构外侧土层随地下水渗流流入基坑内部，产生流砂，导致地面发生沉陷事故，造成巨大的经济损失。,地下水的不良作用,（一）概述,管涌,管涌是指疏松的砂土地基在具有一定渗透速度（水力坡度）的水流作用下，地基中的细小颗粒被冲走，土中孔隙逐渐增大，形成细管状渗流通道，从而掏空地基，使之变形、失稳。,管涌产生的条件1）土中粗细颗粒的粒径比大于10；2）土的不均匀系数Cu10;3）渗透的水力坡度i大于临界水力坡度icr；,水库副坝发生管涌破坏,地下水的不良作用,（一）概述,基坑突涌,基坑突涌是指基坑开挖时，当基坑底面有承压水且承压水顶板厚度较小时，水头压力顶穿基坑底板的现象。,基坑突涌的形式1）坑底出现网状或树枝状裂缝,地下水涌入,带出土颗粒；2）基底发生流砂现象，边坡失稳，地基悬浮流动;3）坑底发生类似于“沸腾”的喷水现象；,降低地下水的方法分类,（一）概述,明排法,截：在现场周围设临时或永久性排水沟、防洪沟或挡水堤，以拦截雨水、潜水流入施工区域；,疏：在基坑内设置纵横排水沟，疏通、排干场内地表积水；,抽：在低洼地段设置集水、排水设施,然后用抽水机抽走。,明排法的优缺点,设备简单，施工方便；,在细砂和粉砂土层，抽水时会带走细砂，引起流砂;,适用于粗粒土层、渗水量小的粘土层。,降低地下水的方法分类,（一）概述,明排法明沟与集水井排水,在基坑的一侧或四周设置排水明沟，在四角或每隔2030m设集水井,排水沟始终比开挖面低0.40.5m，集水井比排水沟低0.51m，在集水井内设水泵将水抽排出基坑。,降低地下水的方法分类,（一）概述,井点降水,井点降水的作用1）防止涌水；2）稳定边坡，防止塌方;3）防止管涌和流砂。4）减小横向荷载；,降低地下水的方法分类,（一）概述,井点降水,轻型井点降水轻型井点是沿基坑四周将井点管埋入蓄水层内,利用抽水设备将地下水从井点管内不断抽出,将地下水位降至基坑底以下。适用范围：适用于渗透系数为0.150m/d的土层；降水深度：单级井点36m，多级井点612m。,降低地下水的方法分类,（一）概述,井点降水,喷射井点降水喷射井点是在井点管内设特制的喷射器，用高压水泵或空气压缩机向喷射器输入高压水或压缩空气，形成水气射流，将地下水抽出排走。适用范围：适用于渗透系数为350m/d的砂土或渗透系数为0.13m/d的粉砂、淤泥质土、粉质黏土；降水深度：降水深度可达820m。,降低地下水的方法分类,（一）概述,井点降水,电渗井点降水电渗井点是以井点管作负极，打入的钢筋作正极，通入直流电后，土颗粒自负极向正极移动，水则自正极向负极移动而被集中排出。电渗井点降水方法一般结合轻型井点和喷射井点使用。,适用范围：适用于渗透系数很小的饱和粘土、淤泥或淤泥质土。,降低地下水的方法分类,（一）概述,井点降水,管井井点降水管井井点由滤水井管、吸水管和抽水机组成。管井埋设的深度和距离根据需降水面积、深度及渗透系数确定，一般间距1050m，以，最大埋深可达10m。适用范围:适用于渗透系数为20200m/d,降水深度为35m的基坑。,降水井的类型,（二）降水设计计算,按照滤管与不透水层的关系分为：完整井和非完整井完整井是指滤管到达不透水层，非完整井是滤管未到不透水层；,按照井是否到达承压水层分为：承压井和无压井,降水基本概念,（二）降水设计计算,水位降深是指在降水过程中地下水位下降的深度；,水位降落漏斗：水位降深在不同的位置上是不同的，井中心降深最大，离井越远，降深越小，抽水井周围总体上形成的漏斗状水头下降区;,影响半径：从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离；,基坑降水方法的选择,（二）降水设计计算,降水后基坑内的水位应低于坑底0.5m；,降水井在平面布置上应沿基坑周边形成闭合状；,对宽度较小的狭长形基坑，降水井可在基坑一侧布置。,降水井的平面布置,（二）降水设计计算,降水井沿基坑周边形成闭合状布置,对宽度较小的狭长形基坑，降水井可在基坑一侧或双侧布置,完整井涌水量的计算,（二）降水设计计算,裘布依计算模型,完整井涌水量的计算,（二）降水设计计算,地下水流向水井处于稳定流动状态；,地下水呈层流运动,运动规律遵循达西定律；,裘布依假设,地下水为缓变流,可将空间流简化为平面流；,假定静水位是水平的，降落漏斗的供水边界是圆柱形；,含水层为均质