深基坑工程4.ppt

1、深基坑工程,第四章 水泥土搅拌桩围护 4.1 概述 4.2 水泥土的物理、力学性质 4.3 水泥土墙支护的设计与稳定计算 4.4 基坑变形估算 4.5 设计步骤( 设计小结） 4.6 工程实例,4.1 概述 4.1.1 深层搅拌概述 深层搅拌法是用于加固软粘土地基的一种方法。 它是利用水泥等材料作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，由固化剂和软土间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥加固土，从而提高地基强度和增大变形模量。 这种方法是从不断回转的中空轴的端部向周围已被搅松的土中喷出水泥浆，经叶片搅拌而形成水泥土桩。 使用

2、深层搅拌法可加固新吹填的超软土、泥炭土和淤泥质土等饱和软土。在我国由于当前搅拌机械搅拌能力的限制，一般用于地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土和粉性土等地基 国外深层搅拌机械一般具有偶数个搅拌轴，每个搅拌叶片的直径可达1.25m，一次加固的最大面积达9.5m2，加固深度达60m。加固场所从陆地软土到海底软土，国内最大加固深度27m,深层搅拌法可用于增加软土地基的承载能力，减少沉降量，提高边坡的稳定性，多数适用于以下情况： 1作为建筑物或构筑物的地基、厂房内具有地面荷载的地坪、高填方路堤下基层等； 2进行大面积地基加固，以防止码头岸壁的滑动，以及防止深基坑开挖时坍塌、坑底隆起和减少软土中地

3、下构筑物的沉降； 3对深基坑开挖中的桩侧背后的软土加固，作为地下防渗墙，以阻止地下渗透水流。 4. 作为基坑围护结构，起到挡土和止水的双重目的。,深层搅拌法加固软土技术，其独特的优点如下： 1深层搅拌法将固化剂和原地基软土就地搅拌混合，因而最大限度地利用了原土； 2搅拌时较少使地基侧向挤出，对周围原有建筑物的影响较小 3按照不同地基土的性质及工程设计要求，合理选择固化剂及其配方，设计比较灵活； 4施工时无振动、无噪音、无污染，可在市区内和密集建筑群中进行施工； 5土体加固后重度基本不变，对软弱下卧层不致产生附加沉降 6与钢筋混凝土桩基相比，节省了大量的钢材，降低了造价； 7根据上部结构的需要，

4、可灵活地采用柱状、壁状、格栅状和块状等加固型式。 8、作为支护结构可以不用内支撑，抗渗能力强，不仅可以作为围护结构，而且可以作为防水帷幕，也可用于坑底被动区软土加固,4.1.2 水泥土墙基坑围护结构概述 基坑工程中的重力式围护墙，一般是指厚度较大的水泥土墙体它一般是用深层搅拌法施工制作的，即用特殊的深层搅拌机械，在地面以下就地把土与水泥强行搅拌，形成柱状的加固体，并采用连续施工的搭接方法可以把柱状加固体组成墙体，用在基坑中。,由于它的材料强度比较低，主要是靠墙体的自重平衡墙后的土压力，因此常常将其作为重力式挡土墙对待， 这种围护墙体适用于软土地基，但不宜在有较多碎石、砖块及其它有机质杂物的填土

5、层中使用,水泥土墙基坑围护结构主要在软土地区用于开挖深度57m基坑的围护，同时满足基坑围护的挡土和止水功能。 软土地区57m开挖深度的基坑，其挡土结构过去多采用钢板桩。由于钢板桩打桩、拔桩时，施工噪声大、振动大、对土体扰动人，施工时产生较大的变形，隔水性能差，周围建筑物及地下管线会引起较大的沉降与位移。 我国宝钢工程在80年代初开始应用搅拌桩代替钢板桩作支护结构获得成功。国内多采用格栅形式，即重力坝式挡墙这种支挡结构不遗水，不设支撑，使基坑能在敞开的条件下开挖，而使用的材料仅水泥而已，因此具有较好的经济效益，深受欢迎。近几年来在软土地区水泥土墙基坑围护结构被广泛用于开挖深度57m基坑的围护。,

6、水泥土墙作为基坑的支护结构有以下优点： (1)水泥土加固体的渗透系数比较小，一般不大于10-7cms。因此墙体有良好的隔水性能，不需要另作防水榷幕; (2)水泥土支护墙一般采取自立式，不加支撑，故开挖较方便； (3)水泥土墙体的工程造价比较低，当基坑开挖深度不大时，其经济效益更为显著 水泥土围护墙的主要缺点是： (1)水泥土墙体的材料强度比较低，不能适应支撑力的作用，所以一般都采用自立式的结构体系，这样基坑的位移量就比较大，在环境保护要求较高的情况下采用时必须十分慎重， (2)墙体材料强度受施工因素影响导致成墙质量的离散性较大，由于施工设备、施工管理和施工操作上的原因，往往不能保证水泥(或水泥

7、浆)与土搅拌得很均匀而影响加固体的强度。 （3）水泥土墙支护结构墙体占地较大,4.3 水泥土墙支护的设计与计算 4.3.1 水泥土墙支护的设计原则 如前所述，水泥土墙是由具有一定刚性的脆性材料所构成，其抗拉强度比抗压强度小得多。 在工程中要充分利用抗压强度相对较高的优点，回避其抗拉强度低的缺点。 “重力坝”式挡墙就是利用结构本身自重和抗压不抗拉的一种结构型式。,4.3 水泥土墙支护的设计与计算 4.3.1 水泥土墙支护的设计型式 深层搅拌桩支护结构是将搅拌桩相互措接而成，平面布置可采用壁状体。 若壁状的挡墙宽度不够时，可加大宽度，做成格栅状支扩结构，即在支护结构宽度内，不需整个土体都进行搅拌加

8、固，可按一定间距将土体加固成相互平行的纵向壁，再沿纵向按一定间距加固肋体，用肋体将纵向壁连接起来，图39为几种格栅状挡土结构的平面布置图。 这种挡土结构目前常采用双头搅拌机进行施工，一个头搅拌的桩体直径为700mm，两个搅拌轴间的距离为500mm，搅拌桩之间的措接距离为200mm。,构 造 1、桩的搭接是保证水泥墙的抗渗漏及整体性的关键，水泥土桩与桩之间的搭接宽度应根据挡土及截水要求，并考虑桩施工的垂直度偏差确定，考虑抗渗作用时，桩的有效搭接宽度不宜小于150mm；当不考虑截水作用时，搭接宽度不宜小于100mm。 2、水泥土墙采用格栅布置时，为了保证墙体的整体性，水泥土的置换率对于淤泥不宜小于

9、0.8，淤泥质土不宜小于0.7，一般粘性土及砂土不宜小于O.6；格栅长宽比不宜大于2,且不能使水泥土中产生弯矩。,3、为保证水泥土挡墙形成连续的挡土结构，格栅结构的格子不宜过大，格子内的土体面积应满足： 4、当变形不能满足要求时，宜采用基坑土体加固或水泥土墙顶插筋加混凝土面板等措施,4.3.2 刚性自立式挡墙的破坏模式 (1)倾复破坏 由于墙身入上太浅或宽度不足，当地面堆载过多或重载车辆在坑边频繁行驶，都可能导致倾复破坏。 (2)地基整体破坏 当开挖深度较大，基底土又十分软弱时，特别当地面存在大量堆载(堆土)时，地基土连同支挡结构一起滑动。地基整体破坏造成的危害极大，往往伴随着地面大量下陷及坑

10、底隆起，也可能推动坑内主体结构工程桩一起位移。 (3)墙趾外移破坏 如图c所示，当挡土结构插入深度不够坑底土太软或因管涌及流砂所削弱，町能发生墙趾外移所引起的破坏。,4.3.3.1 前言 重力式挡墙的传统分析方法 在一般边坡治理工程中，重力式挡墙依靠墙身重量抵挡边坡产生的攒动力， 由于其埋深较浅，在计算中一般忽略了墙址部分的被动土压力，如图所示的挡土墙，其传统分析方法主要验算挡土墙的抗滑稳定性与抗倾覆稳定性。,4.3.3 水泥搅拌桩挡墙的稳定计算,4.3.4 水泥搅拌桩挡墙的稳定计算 4.3.3.1 前言 根据土质情况和基坑开挖深度，先按经验设定挡墙的宽度和插入深度： 插入深度：D=(0.81

11、.2)h 挡墙宽度：B=(0.60.8)h 式中 h-基坑开挖深度。,水泥搅拌桩挡墙(图3-12)的计算包括:抗滑动稳定、抗倾覆稳定、整体稳定性、抗渗计算及墙体应力计算等。,4.3.3.3 抗倾覆稳定 水泥土挡墙绕前趾A的抗倾覆稳定安全系数：,4.3.3.2 抗滑稳定性验算,4.3.3.4 整体稳定性验算 当坑底存在软弱上层时，应按圆弧滑动法验算挡墙的整体稳定性。 一般最危险滑弧在墙底下0.51.0m。当墙底下土层很差时，应增大计算深度，直至k 值增大为止。 验算切墙滑弧安全系数时，墙体强度指标取=0，C=(1/101/15) fcu，当水泥土加固体无侧限抗压强度fcu1MPa时，可不计算切墙

12、滑弧安全系数。,4.3.3.5 抗渗验算 方法一 当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙，嵌固深度设计值尚应满足下式抗渗透稳定条件： hd 1.2o(h-hwa) 式中o为基坑重要性系数，一级取 1.1,二级取1.0，三级取0.9,方法二、 当上部为不透水层，坑底下某深度处有承压水层时，按下式和图6.4.1验算渗流稳定。 若验算不满足要求时，应采取降水等措施。,坑底下某深度范围内，无承压水层时，可用下式和图 6.4.3 验算渗流稳定。,4.3.4 水泥搅拌桩挡墙的稳定计算的讨论,根据土质情况和基坑开挖深度，先按经验设定挡墙的宽度和插入深度： 插入深度

13、：D=(0.81.2)h 挡墙宽度：B=(0.60.8)h 式中 h-基坑开挖深度。,水泥搅拌桩挡墙(图3-12)的计算包括:抗滑动稳定、抗倾覆稳定、整体稳定性、抗渗计算及墙体应力计算等。 设计时，插入深度是什么因素控制？挡墙厚度是什么因素控制？ 或者说，当抗倾覆稳定 抗滑移稳定 等验算不合格，应该调整什么？ 整体稳定,4.3.4 水泥搅拌桩挡墙的稳定计算的讨论 4.3.4.1 嵌固深度计算 1、水泥土墙嵌固深度设计值hd宜按圆弧滑动简单条分法确定。,2、当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，嵌固深度设计值尚应满足下式抗渗透稳定条件 hd 1.2o(h-hwa) 3、当按上述

14、方法确定的嵌固深度设计值hd小于O.4h时，宜取O.4h。,水泥土墙的验算应同时满足抗倾覆、抗滑移、整体稳定及抗隆起要求， 由于水泥土墙为重力式墙，上述四项验算的前两项不仅与嵌固深度有关，而且与墙宽有关，而后两项验算与墙宽关系不大 因此，在确定水泥土墙嵌固深度时，可采用整体稳定与抗隆起验算， 由于满足整体稳定条件时即已满足了抗隆起条件，因此仅以整体稳定性条件确定最小嵌固深度， 嵌固深度的确定在特殊情况下还应满足抗渗透稳定条件。,4.3.5.2 墙体厚度计算 水泥土墙厚度设计值 b 宜根据抗倾覆稳定条件按下列规定计算： 1当水泥土墙底部位于碎石土或砂土时(图521a)墙体厚度设计值宜按下式确定：

15、 2当水泥土墙底位于粘性土或粉土中时(图521b)墙体厚度设计擅宜按下列经验 公式确定： 3当按上述规定确定的水泥土墙厚度小于0.4h时宜取0.4h。,4、根据抗整体稳定性分析出了水泥土墙嵌固深度，并以抗倾覆条件确定水泥土墙宽度，经理论与实践证明已满足了抗滑移的要求，因此，不必进行抗滑移稳定性验算。,4.3.5.3 嵌固深度与抗倾覆及抗滑移稳定的关系 1、嵌固深度与抗倾覆稳定的关系 按照图13.2.1虚线部分所示荷载，当无地下水时抗倾覆安全系数可由下式求得：,从上式可见，基坑支护结构中，按重力式挡墙计算抗倾覆安全系数不仅与墙宽有关，而且与其嵌固深度hd或nd有关，墙宽增加亦即式中bd增加，KM

16、随之增大，而嵌固深度hd(或nd)增加，从上式可见：KM值未必增加，为进一步了解nd增加对KM的影响，对上式求导得：,由图可见，若当嵌固深度为零时的抗倾覆安全系数不能满足设计要求时，想通过增加嵌固深度提高抗倾复安全系敷是很难做到的，对于bd=0.5，=20oC的土层而言，从图可见，在0.633h范围内随着嵌固深度的增加，KM在逐渐殖小；增加的嵌固深度大于0.633h时，随着嵌固深度增加，KM也逐渐增加，但从图可见，即使增加到1.8h，安全系数尚未达到嵌固深度为零的值。,2 嵌固深度与抗滑移稳定的关系 采用与抗倾覆安全系数同样的处理方法可以得到重力重力式挡墙抗滑安全系数与嵌固深度的关系，与抗倾覆

17、安全系数相同，抗滑移系数在一定的深度范围内也随嵌固深度增加而降低，且其极值点较抗倾覆安全系数的极值点为浅。 想通过增加嵌固深度提高抗倾复安全系敷是很难做到的,4.3.5.4 抗倾覆与抗滑移安全系数比,分析可以得到如下结论： (a)在=0.20.6，bd=0.10.7，nd=0.40.8范围内，的绝大部分数值都小于1，亦即在此范围内抗滑安全系数绝大部分大于抗倾覆安全系数，因此，设计应由抗倾覆条件控制； (b)当、nd为常数时，随bd的增加而增大；当、bd为常数时，除个别情况外，都随nd的增加而减小，当0.8，bd0.7时，均小于1。 (c)随值的增加，且呈下降趋势，亦即值越大，受抗倾覆条件控制的

18、可能性越大。,4.3.5.5 基坑支护重力挡墙设计特性 (1)由于基坑支护重力式挡墙具有一定的嵌固深度(此嵌固深度主要受整体稳定性控制)，基坑支护重力式挡墙主要受抗倾覆条件控制： (2)由于在一定嵌固深度范围内，增加嵌固深度无助于提高，且在一般情况下还减小了抗倾覆安全系数因此，依靠增加嵌固深度达到某一安全系数的做法是不经济的。而且施工上也难以实现； (3)基坑支护重力式挡墙的设计，在某一确定的嵌固深度条件下，无论是为满足抗倾覆还是抗滑移条件，增加墙宽是最有效而经济的做法。,4.3.5 墙体应力验算 水泥土墙墙体应力验算包括正应力与剪应力两方面。随着基坑开挖深度的增加，墙前压应力逐渐增大，而墙后

19、压应力逐渐变小，甚至出现拉应力。应同时使墙后不出现拉应力，而墙前最大压应力也必须控制在一定范围内。 (1)墙体正应力验算 水泥土墙墙体应力按下式验算：,水泥土墙通常布置为格栅式，作正应力验算时应取水泥土的截面作为有效计算截面，不计桩间土的截面。为简化计算可取B(为墙体截面水泥土置换率)作为墙宽计算截面积与惯性矩。 正应力验算截面一般取坑底截面处及墙体变截面处。如计算不满足，应加大围护结构的宽度。,(2)墙体剪应力验算 当水泥土墙的宽度及插入深度满足插入深度D=(0.81.2)h、挡墙宽度B=(0.60.8)h，且水泥土的置换率不小于0.7时，一般可不进行剪应力验算。否则应按下式进行剪应力验算：

20、 剪应力验算截面也为坑底截面和墙体变截面处。,4.3.6 基底地基承载力验算 水泥土墙系加固土而形成的重力式挡墙，加固后的墙重比原状i增加不大(一般仅增加3左右)，因此基底承载力一般可满足要求，不必验算。如基底土质很差，或为较厚的软弱土层时，尚应对地基强度进行验算，验算可按下式进行。 验算时计算截面选取在基底处。,4.4 基坑变形估算 基坑工程设计包括承载力和变形两部分。前述基坑稳定验算和结构内力计算的目的是为了承载能力和强度设计，即保证基坑工程本身和围护结构的安全性。但对于环境的影响主要是基坑的变形。 围护结构的水平位移和坑底的隆起变形过大，会引发墙后地面的下陷、相邻建筑物和地下管线的变形或

21、开裂。因此必须计算或估算基坑的变形，将变形控制在允许的范围内。 但围护结构的变形计算比承载能力计算更为复杂，通常需要作许多简化假定才能求得变形值。下面主要讨论几种常用的计算方法。 4.4.1重力式围护结构水平位移计算 由水泥土搅拌桩、旋喷桩等构成的重力式围护结构，可按刚性体分析变位规律。,该公式适用于插入深度D=(0.81.2)H，围护结构宽度B=(0.61.0)H的围护结构。,上海市标准(基坑工程设计规程)在上述公式的基础上加以修正，令上式中的110等于0.18Ka，Ka为主动土压力系数，当主动土压力系数为0.56时就与深圳规范的公式一致。,2、深圳地区建筑深基坑支护技术规范建议围护结构顶部

22、的水平位移可按下式估算：,3、重力式水泥土挡墙的弹性地基“m”法计算水平位移，是一种简化计算方法，它把地基看作线弹性体，即把侧向受力的地基土用一个个单独的弹簧来模拟，如图3-16所示。弹簧之间互不影响，弹簧受力与其位移成比例，可以表示,p=K(z)y P 挡墙侧面的横向抗力 K(z)-随深度变化的基床系数 Y- z处的水平位移,基床系数K与地基土的类别、物理力学性质有关。“m”法认为K随深度正比增加，即 K=mz,式中 m-比例系数，其值根据试验实测确定，当无试验资料时，可参考表3-2选用。,重土式挡墙刚度为无限大时，在墙后水土压力作用下，将产生平移和转动，如图3-17a所示 沿B-B，截面把

23、墙身截开，可以计算作用于B-B，截面上的弯矩M0和剪力Ho。取出BB面以下墙体为计算单元，如图3-17b所示，由于假设墙体刚度为无限大，在外力作用下墙体以某一点o为中心作刚体转动，若转角为O，基坑底面处的水干位移为yo，则墙顶的水平位移可写为,SL墙底土体提供的摩擦抗力，S=BC; C土的内聚力； IB墙体截面的抵抗矩， IB = B3/12。,Ho=Ho + E SL,4.4.2 地表沉陷量计算 由于基坑的开挖，围护结构产生侧向位移和坑底隆起，使墙后的地面发生下陷，地面的沉陷量以及沉陷范围的大小对于判断相邻建筑物和市政管线是否将受到损害是十分重要的数据。,但要准确地计算地面沉陷量和沉陷范围是

24、比较困难的，现有的一些方法大多是根据经验估计的公式。 由基坑开挖所引起的地表沉陷形式，主要可以归纳为如图2621所示的两种情况，针对这两种沉陷形式需要采用不同的计算方法。,图26-21(a)所示的沉陷发生在围护结构的端部产生向基坑内的移动，由此引起的地面沉陷比较大，但最大值的位置靠近围护结构，主要的变形区分布在基坑附近，对于这种情况的地表沉降可采用下式计算 = 10H,式中 地表沉陷量与基坑开挖深度的比值()，具体 数值可从图26-22中查得 考虑围护结构刚度及施工工艺的修正系数，地下连续墙=0.3，柱列式围护结构=0.7，板桩墙=1.0； H基坑开挖深度(m)。 从图可以求得沉陷分布的范围和

25、沉陷量。,重力式挡墙后地面最大竖向沉陷Smax 般发生在紧靠墙后地面处，正常情况下其大小与墙顶最大水平位移H相当，地面变形区范围及其沉陷量可根据图2-24查得。,4.4.3 减小水泥土挡墙位移的措施 在水泥土墙围护结构设计中，可以根据工程特点，采取一定措施，减小水泥土墙的位移。 1、墙体加墩 当基坑边长较长时，采用局部加墩的形式，对减小水泥土墙的位移和增加墙体稳定有一定作用。局部加墩在设计计算时不计其有利作用，即水泥土墙宽度仍以未加墩处计取。 局部加墩的形式： 1)间隔布置，就是每隔1020m，设置一个长度为35m、宽度为,12m的加强墩，加强墩仍可用格栅式布置。 2)集中布置，就是在基坑长边

26、中央集中布置一个加强墩。,2、 墙体起拱 墙体起拱有几种情况(如图所示)： A） 是利用地下结构外形尽可能将带内折角的折线形设计成向外起拱的形状，有利围护结构的稳定，并可减小位移；,B） 是在较长的直线段水泥土墙的设计中，将其设计成为起拱的折线，它对减小位移也有一定作用。 C） 采用平面形状为圆弧形的围护结构形状。 D） 采用多边形的围护结构、平面形状。,3 墙顶插筋 水泥土墙体插筋对减小墙体位移有一定作用，特别是采用毛竹插筋或钢管插筋作用更明显，如图3-20所示。 插筋的形式通常有： 插入长2m左右12的钢筋，每根搅拌桩顶部插入一根，以后将其与墙顶压顶面板钢筋绑扎连接：,水泥土墙后或墙前、后

27、插入毛竹或钢管。毛竹长度一般取6m左右，插入坑底以下不小于lm左右，毛竹竹梢直径不宜小于40mm。由于毛竹插入较为困难，可用钢管插入，因钢管比较直，刚度大，易于插入。,3343 坑底加固 当坑底土较软弱，采用上述措施还不能控制水泥土墙的水平位移时，则可采用基坑底部加固法：如采用水泥土搅拌桩、压密注浆等进行坑底加固，其中水泥土搅拌桩加固应用最为广泛，也有工程采用水泥土搅拌桩加桩间注浆的方法，效果也很好。 坑底加固的布置可用满堂布置方法，也可采用坑底四周布置方法。满堂布置一般适用较小的基坑。对大面积基坑，坑底满堂,加固的工程量大大增加，显得不经济。此时可采用墙前坑底加固方法。墙前坑底加固宽度可取(0.40.8)D，加固深度可取(0.51.0)D，加固区段可以是局部区段，也可以是基坑四周全部加固，如图3-21所示。具体可视坑底土质、周围环境及经济性等决定。,进一步研究坑底加固厚度对结构内力的影响，采用杆件系统有限元方法进行计算，计算了开挖深度为7m(道支撑)10m(二道支撑)和14m(三道支撑)的基坑坑底加固厚度对围护结构弯矩和剪力