基坑支护设计问题探讨(课堂PPT)VIP

1、1,基坑支护设计问题讨论,L.S.Z 2010/5,2,支护设计需要解决的问题,一、确保基坑边坡稳定或支护结构的稳定 保证坑内施工作业安全、顺利 保证坑内工程桩的安全，或保护天然地基土 二、严格控制变形，确保环境安全 建筑物 地下管线 地面交通 避免不良社会影响，维护社会的稳定、和谐,3,基坑支护设计中的变形计算,一、“m”法 二、简化的有限元分析 杆件有限元分析 单桩或单元墙计算 内支撑总体平面计算 三、块体有限元分析 桩（墙）与土体共同作用分析 桩（墙）、土体、内支撑共同作用分析,4,讨论问题提纲,一、边坡稳定分析与加固处理 1、稳定分析； 2、边坡加固 二、桩、墙单元设计计算 1、土压力

2、；2、土层“m”值；3、撑锚刚度系数；4、桩的长度； 5、桩的变形； 6、双排桩；7、被动区留土；8、加固区加固；9、初始位移；10、“吊脚桩”；11、微型桩 三、内支撑 1、平面布置；2、竖向布置；3、计算中的约束处理；4、变形协调； 5、换撑设计；6、构件设计计算 四、地下水控制 1、有关交互层问题；2、降水引起的地面沉降 五、 适应施工开挖方式的多样化 六、正确分析使用勘察资料 1、评价偏于保守；2、分层偏于粗略；3、对岩层的勘察评价远不能满足基坑支护设计要求,5,边坡稳定分析中的计算,一、圆弧滑动面分析 二、折线滑动面分析 三、坡脚土抗隆起稳定性分析 四、加固边坡的分析 挡墙抗滑移稳定

3、性、抗倾覆稳定性分析 水泥土增强加固 抗滑桩,6,圆弧滑动面法,注： 1、采用简化了的毕肖普法 2、没有考虑静水压力和渗透压力。根据武汉地区多年的实践经验，只要土的强度参数选用适当，计算结果是符合实际的,7,折线滑动面法,针对水平分布软弱夹层的折线滑动面分析,针对不规则界面的折线滑动面分析,加固体外轮廓的折线滑动面分析,薄层软弱土,坚硬岩土,8,H,q0,b,O,A,O,A,OA=H,P,R u,实际剖面,概化模型,P/Ru1.80,两类极限承载力公式: 1、无重量介质, 解析解: 如 Plantdl公式 2、考虑介质重量, 近似解, 如太沙基公式, 索科洛夫斯基数值解,放坡条件下的坑底隆起验

4、算,9,稳定性分析中的常见问题,k值递减，未搜索到最不利滑弧,软弱土层,10,？,注意了整体稳定，忽略局部稳定,稳定性分析中的常见问题,软弱土层,11,稳定性分析中的常见问题,C=18，=12,C=10，=6,忽视抗隆起稳定性验算，或验算不正确,K1.80,K1.80,按上层c、计算,按软层c、计算,12,稳定性分析中的常见问题,坚硬岩土,松软土层,在很不均一的边坡构成条件下勉强使用圆弧滑动面法，得出不可靠的分析结论,13,维持原土层的c、值不变，将加固体作为增强体或抗滑体参与计算 1、增强体计算 提供水泥土的等效c值，按滑弧通过增强体的截面计算抗力。这种方法很粗略，应该慎用。 2、抗滑体计算

5、 将滑弧以下视为嵌固深度，用“m”法计算抗力。这种方法有一定理论依据，但只适用于下端嵌固条件较好，截面较大的桩。,加固边坡的稳定性分析,14,水泥掺入比（与加固土的重量比）,28天单轴无侧限抗压强度由试验确定，无试验数据时参照下列经验数据取值,水泥掺量为15%时的fcuk ： 砂土：1.12.0MPa 粉土： 0.61.1MPa 粘性土： 0.51.0MPa 淤泥质土： 0.40.7MPa 淤泥： 0.30.5MPa,（引自：加筋水泥土桩锚支护技术规程CECS 147：2004） 按 fcuk确定强度设计值：,水泥土加固体的强度,15,水泥土搅拌桩加固不当的两种情况,老粘性土,搅拌桩“悬浮”在

6、厚层软土中，它可能随着软土一起位移、滑动，无从发挥抗剪作用,搅拌桩虽通过软土插入好土层，但在好土层中难以成桩，不能形成有效的嵌固,16,加固体设置位置的比较,加固体设置在坡体中，受力比较均衡，桩前三角形土体需要适当的保护,加固体设置在前缘，有利于阻挡淤泥、含水粉土粉砂，但受力较大，易弯断,17,增强体中插筋,被动区增强体,主动区增强体,钢筋混凝土盖板,插筋位置主要应是受拉边,18,抗滑桩计算模型,假定桩在滑动面处位移为，可按“m”法求出抗力R，在极限条件下为40mm，建议对一级基坑取10mm；二级取20mm；三级取40mm,R,19,考虑滑弧以外锚固段提供的锚固力的两个分力所发挥的抗滑贡献，未

7、考虑锚杆的抗弯、抗剪,喷锚支护边坡的稳定性分析,20,1、表层剥离,面板与锚杆脱离 2、整体下滑平移,锚杆拔出 3、水泥土加固体破坏,失去挡土作用 4、表层土剥离,从面板下端溜出,面板脱空,1,2,3,4,喷锚与复合喷锚支护的几种常见破坏模式,21,几种不妥的喷锚支护设计(一),锚杆长度不满足1.5H,最下一层锚杆距离底部的高度超过50cm,锚杆与竖向加固体没有连结,H,50cm,22,几种不妥的喷锚支护设计(二),在一个坡面上只有一层锚杆,分阶放坡，平台很宽，仍然在上阶坡设置很长的锚杆,如果环境宽敞，上阶坡锚杆可取消,一段直线坡至少应有两道锚杆,23,软弱土层,几种不妥的喷锚支护设计(三),

8、软弱土层,不考虑土层特点,均匀布置锚杆 改进：调整倾角和长度，如红线所示,锚杆都在或大部在弱土层中 改进：设置刚度较大的竖向加固体，设置陡倾角锚杆,24,几种不妥的喷锚支护设计(四),调整锚杆倾角时,上层变陡,下层 变缓,致使锚杆尾部接近 改进：调整倾角，使锚杆尾部分开,锚杆等长,尾部处于同一竖直面内 改进：长短交替，或逐步加大倾角（如红线所示）,25,几种不妥的喷锚支护设计(五),忽视坡肩的保护,排水沟紧靠坡肩,钢筋网转折宽度要求不明确,不考虑地面硬化 改进：钢筋网转折并加设土钉固定，地面硬化一定宽度，作成反坡，排水沟外移,设有水泥土桩排,桩外又放坡,留下薄薄的三角形土体，桩、锚连结削弱 改

9、进：桩外垂直开挖,钢筋网翻转，加竖向土钉固定,地面硬化，作成反坡,26,几种不妥的喷锚支护设计(六),第一道锚杆距离斜土平台太浅,注浆时容易冒浆,锚固段注浆质量不能保证。,改进：调整锚杆倾角，注浆时加止浆塞,27,喷锚支护的利弊,有利点： 1、不占用坑内施工空间 2、成本较低 不利点： 1、可靠性低于刚性桩墙支护，事故多发 2、锚杆使用受到限制 注意事项： 1、在合适的土质条件及支护深度条件下使用 2、充分满足各项构造要求 3、确保施工质量 4、在高等级基坑中尽量少用或不用,28,桩、墙单元设计计算,1、土压力； 2、土层“m”值； 3、撑锚刚度系数； 4、逆工况； 5、桩的长度； 6、双排桩

10、； 7、被动区留土； 8、被动区加固； 9、初始位移,29,桩（墙）锚支护的计算模型,主动区土体及坡顶荷载由主动土压力代表 被动区土体由抗力弹簧代表 撑、锚由撑锚弹簧代表,30,桩(墙)单元计算中的荷载-主动土压力,我们采用的是传统的三角形模式，而国内流行的其它规范和软件几乎均为梯形模式。地方软件与其它软件计算结果比较内力变形偏大这可能是主要原因。但是从武汉地区多年实践经验来看，用地方软件计算的结果与实测资料大体是吻合的，并没有明显偏于保守的情况。 对桩顶以上放坡的情况，我们习惯采用桩顶以上等效超载来代替。有专家认为这种处理方式会导致计算内力偏小的后果。实际情况如何有待研究。,31,太沙基包络

11、线分布模式,柔性板桩,现规程模式,太沙基包络线模式 板桩插入深度按倒悬臂力矩平衡条件确定,Ea1,Ea2=1.31.5Ea1,刚性桩,32,极限土压力分布模式,山肩帮男精确解,弹性抗力法,主动土压力 被动土压力 计算采用的抗力,塑性区,弹性区,被动区抗力分布的几种模式,33,mi=（1/）（0.2ik2- ik+cik）, 一般取10mm 对一般粘性土、砂土取1.0，对老粘性土、中密以上砾卵石 取1.82.0， 对淤 泥、淤泥质土取0.60.8,淤泥、淤泥质土：,c =10kPa， = 4，m = 552736 kPa/m2 c =14kPa， = 6，m = 9121216 kPa/m2 c

12、 =16kPa， = 8，m = 12481664 kPa/m2,一般粘性土：,c=17kPa，=10，m = 2700 kPa/m2 c=19kPa，=11，m = 3220 kPa/m2 c=23kPa，=13，m = 4380 kPa/m2 c=25kPa，=14，m = 5020 kPa/m2 c=28kPa，=15，m = 5800 kPa/m2,砂类土：, = 27，m = 11800 kPa/m2 = 30，m = 15000 kPa/m2 = 33，m = 18480 kPa/m2 = 35，m = 21000 kPa/m2 = 36，m = 22320 kPa/m2,老粘性土

13、：,c=35kPa，=16，m =1263614040 kPa/m2 c=42kPa，=17，m =1490416560 kPa/m2 c=50kPa，=18，m =1742419360 kPa/m2,“m ” 值,34,撑、锚刚度系数,详见:郑锦明桩撑（锚）支护结构中支点水平刚度系数的计算 _ 兼论如何合理应用水平刚度系数,35,桩的长度,桩的嵌固深度应满足规程要求： 被动区抗力安全系数ktk ，对于悬臂结构，应不小于1.50；对于单支点结构，应不小于1.20；对于多支点结构，应不小于1.05。 在老粘性土层中，按上述要求确定的嵌固深度往往很小，考虑老粘性土遇水软化等不利因素，应适当加深 桩

14、长不应大于4/， 为桩的变形系数，=（mb0/EI）0.2 桩长大于4/属于不合理的设计。此时应考虑加大桩径。 在深厚软弱土层中，如计算嵌入深度大于按“m”法计算的弹性长桩的特征深度4/，可取4/为设计嵌入深度。但应考虑是否需要对被动区土体采取加固措施。 在深厚软土层中，考虑深层稳定的需要也可以取大于4/的桩长。,36,注意两种变形曲线,前倾 嵌固深度不够,踢脚 坑底土太软，嵌固深度不够,具有刚性转动特征，桩身弯矩小,这两种情况都是不稳定的表现，即使内力、位移满足要求，也是不能允许的。,37,“吊脚桩”,坚硬岩层,土层,锁脚锚杆,坚硬岩层出露于侧壁时可设置“吊脚桩”，其入岩深度可按构造要求确定

15、。,1、应设置强锚或强撑保证支护桩的稳定 2、特别应有锁脚撑锚 3、开挖后若发现支承桩端的岩体中有不利结构面时应采取加固措施,38,双排桩计算模型,1、避免前后桩土压力的分配。可以考虑桩间土的作用。 2、对开挖深度10m左右的基坑已经有多项成功应用。 3、当被动区为软土时，双排桩也难以控制变形。需要结合被动区加固使用。 4、按目前的经验，在开挖深度10m左右、一级阶地一般土质条件下双排桩的支护效果比较理想，所需费用约高于单排桩加内支撑3040%，但给施工带来很大方便。,39,微型桩,通常将直径300mm以下的桩称为“微型桩”，包括各类型钢桩或小直径钻孔灌注桩。 微型桩具有施工简便、快速等特点，

16、适合于在狭窄场地施工，特别是在处理事故时应用较多。 设计微型桩应注意： 1、微型桩刚度不大，属于柔性桩，控制变形能力不强，一般需要与较密集的撑、锚配合使用。 2、桩间距不可过大，防止桩对土的“刺入”。一般间距宜为24d（或b），对软土取低值。计算时取桩间距为b0值。,多排微型桩处理边坡破坏事故,桩的计算宽度，不适用于微型桩,40,K =m z,反压土形状系数， 与反压土形状有关， =SFKH/SAGH 松弛修正系数，可取0.51.0， 根据经验确定,被动区留土对支护桩（墙）变形控制作用的近似计算,41,说明： 1、加固除避开工程桩 外，尽可能形成实体 2、注意加固体与支护桩墙的紧密连接 3、上

17、部空孔段宜适量喷灰（约8%），以免坑内软土过分扰动影响土方施工作业,被动区加固的近似计算,42,目前的计算方法实际上是假定坡顶建筑物或既有边坡是支护桩设置以后施加上去的。因此即使不开挖，也会算出相当大的位移。如果建筑物是已经建成多年，沉降已趋稳定，或既有边坡是历史的存在，则这种位移肯定是不可能的。姑且将这种变形定名为“初始变形”。 处理意见：在后续计算中扣除.,初始变形,43,桩顶放坡,为了减少桩顶位移以满足规程要求，或者为了减短桩长，节约投资，降低桩顶标高，加大放坡高度，是不可取的作法。如此控制位移实际上是假象。 为确保环境安全，武汉市规定，桩顶以上放坡高度不宜超过2m。如果坡顶有建筑物、地

18、下管线，应从严掌握。 如果环境允许，为减轻支护桩的负荷，也应该采用红线所示放坡方式。,环境允许时的放坡方式,44,回收锚杆,回收技术本身已经基本成熟。 实现的难度在于难以与主体结构施工配合，回收的时间、空间得不到保证。 从技术角度而言，回收锚杆相当于拆除支撑，如何换撑的问题也不好解决。 以下两种情况回收的可能性较大：1、坡度较缓的喷锚支护； 2、锚杆设置在冠梁上。 目前倾向于用碳纤维锚杆取代回收锚杆。,45,内支撑设计,1、平面布置； 2、竖向布置； 3、计算中的约束处理； 4、变形协调； 5、换撑设计,46,内支撑平面布置,47,圆环内支撑的两种布置比较,圆环与四周之间设置辐射状传力杆，圆环

19、受力均匀,四角设置角撑，四边中部有设置辐射状传力杆，圆环受力不均匀,48,支撑设置深度,正确：支撑设置在地下室楼板以上并留有足够的施工空间,错误：支撑设置在地下室楼板以下，影响施工，若拆除，无换撑条件,49,内支撑平面计算中常见问题,约束设置不当 导致杆件内力性质改变 荷载输入不当 输入撑锚力的设计值，导致位移、内力计算结果偏大 仅考虑正工况，而不是全过程中的最大支撑力，导致位移、内力计算结 果偏小 忽略桩单元计算与内支撑平面计算的变形协调 如两者变形差别过大，则两者的计算结果都是不可信的,50,撑、锚并用问题,A,B,锚A与支撑距离很近，由于刚度差异，难以共同工作。因此不应同时参与计算，但可

20、作为拆除支撑时的换撑。 锚B可以代替一道支撑。,51,控制内支撑的上凸变形,52,内支撑设计中的构件设计计算,涉及很多结构设计知识，必要时应与结构工程师配合,53,内支撑逆工况计算有关问题,对天汉软件中“回填” 误解， 以d2作为回填深度 是错误的。 侧壁外回填起不到换撑作用， 底板外回填才能起换撑作用。 因此以d1作为回填深度才是 正确的。,结构底板,侧墙,d2,d1,侧壁外回填,底板外回填,54,换撑设计,应以基础底板、地下室楼板作为换撑点。 注意以下情况： 1、后浇带、楼板开洞 2、车道临边 3、底板有高差、楼板错 层 4、非对称换撑，主体结 构承受水平力 换撑方式应考虑防水施工的要求，

21、应留下必须的间距 换撑间距不能太大，使支撑力仅作用于少数桩,1,2,3,4,55,一、放坡卸载： 明确，可靠，费用最低，但要求有宽敞的场地条件，放 坡范围内不得任意堆载 二、桩撑支护： 由于软土层中不宜设置锚杆，只有 通过内支撑限制变形， 支护桩的长度大，桩底应穿过软土层进入下部较好土层；此法费用高 一般不会出现破坏性的事 故，但变形可能很大，因为内支撑只能限 制桩顶或上段位移而不能限制桩身位移，要注意防止桩底“踢脚”及桩中 段“鼓肚”，桩的截面刚度应大。 三、被动区加固：被动区足够宽度的加固或满堂加固，配合竖向支护， 坑内加固体设置在坑底以下某一深度，其厚度和平面范围可通过不同 深度的圆弧滑

22、动面分析确定，不必再进行抗隆起验算；此法费用高,深厚软土地带的几种可能的支护方式,56,对周边近距离桩基础房屋的保护,认真吸取上海倒房事故的教训，特别注意深厚软土地 区小口径管桩基础楼房的稳定。 1、防止认识误区：桩基础房屋对支护结构不产生超 载，因此支护设计时不予重视。 2、重点在于限制侧壁软土侧移。在基坑与建筑物之 间设置封闭隔离带，坑底被动区加固更为有利。 3、采取措施尽可能减少建筑物前后压力差，不得在 建筑物后方堆置土方或其它重物。,57,地下水控制,1、有关过渡层（交互层）问题 2、降水引起的地面沉降,58,过渡层突涌计算,目前存在分歧: 以A-A作为承压水含水层顶板,突涌 以B-B

23、作为承压水含水层顶板,不突涌 初步意见:不能一概而论，应视过渡层的具体情况而定。 从大突涌到小突涌到不突涌也是过渡的。过渡层是 否突涌还与所处深度有关，在深度大，承受水头差 大的情况下，突涌也是很严重的。,59,过渡层的隔渗,粘性土,交互层,砂层,隔渗帷幕,即使在管井降水条件下，过渡层水头下降也有滞后现象，仍有可能发生侧壁管涌或坑底突涌。 要疏干过渡层中的水相当困难。 设置可靠的侧壁帷幕是目前推荐的办法。帷幕底原则上应穿过交互层。 经验表明，高喷帷幕多不可靠，提倡采用多头深搅，或SMW工法。,60,基坑支护设计中的降水计算,一、总抽水量估算 二、单井抽水量及井数 三、全部或部分降水井同时启动后

24、水头下降等值线计算 四、全部或部分降水井同时启动后引起周边地面沉降等值线计算,61,sw=Mswi,hi,Esi,n,i=1,Ms=M1M2 （介于0.15至0.81之间）,M1：与土类有关的系数 对于一般粘性土M1=0.30.5 对于粉质粘土、粉土、粉砂互层M1=0.50.7 对于淤泥、淤泥质土M1=0.70.9,M2：与降水维持时间有关的系数 维持时间在三个月以内时M2=0.50.7；超过三个月M2=0.70.9,降水引起地面沉降的计算,62,降水引起地面沉降的计算的基本原理,静止水位,动水位,含水层,含水层底板,1、计算范围包括整个含水层 2、某一时刻的沉降取决于固结排水过程 3、采用分

25、层综合法，最终沉降值等于有效应力增量除以压缩模量乘以厚度，分层计算求和 4、压缩模量取值应考虑计算分层深度的初始应力，即按压缩曲线对应压力阶段的斜率进行计算,水头下降引起的有效应力增量,63,某工程降水后周边地面沉降等值线图,1、地面沉降不一定离坑边愈远愈小，与土层特性有关 2、降水引起的地面沉降范围远大于支护结构变形影响的范围 3、地面沉降与降水延续时间有关 4、地面沉降究竟是由于排水固结还是侧壁水土流失引起的至今有不同看法,64,开挖方式与施工顺序,一、全面开挖顺作 二、盆形开挖，周边留土 全部顺作 中间顺作，周边逆作 三、逆作,65,盆形开挖与逆作法施工示意,在基坑面积大，不便于设置内支

26、撑的情况下，可采用中心岛法施工，可顺作、逆作，或部分逆作。支护设计应适应各种不同开挖方式。,66,勘察资料方面的问题,1、分层偏于粗略 勘察资料偏重地基基础，针对基坑支护考虑欠周。 对浅部土层的分层 与评价均偏于粗略，即使某土层分布范围很大，厚度很大，也作为一层提 供唯一的综合统计参数，忽略局部变化，而往往这种局部变化正是边坡破 坏点。建议勘察报告按基坑工程要求细分浅部土层；如果不细分，则按一 定变化幅度提供强度参数，并论述土质空间变化的趋势。 2、评价偏于保守 勘察评价偏于保守，审查时一般也不过问。与开挖有关土层强度指标偏 低，可能给支护设计带来重大影响。应如实评价岩土层。 3、对岩层的勘察

27、评价远不能满足基坑支护设计要求 缺少岩层产状、结构面（节理、裂隙）的资料，缺少对岩土界面的分析 论述。涉及基岩时应收集场地地质构造资料，尽可能反映岩层产状、节理 裂隙分布情况，提供岩土界面倾斜方向的地质剖面，对潜在的最不利界面 加以分析。,67,结束语,一、必须有正确的概念，首先要把握概念设计。 “不求计算精确，但求判断正确” 说法很好，建议略加修改： “难求计算精确，力求判断正确” 二、需要计算，但不能唯计算是从。所谓“点击鼠标 挖基坑”是 非专业的认识误区。 三、重视监测，按信息化施工原则对现场进行动态管理。在这 种意义上说，不应机械地强调百分之百按图施工。 四、经验很宝贵，但要正确对待经

28、验。经验应该上升到理论才 能获得公认，才有推广价值。要正确地总结经验。 五、基坑工程涉及多学科，必须掌握多方面的技能。岩土工程 专业、结构专业和施工专业应密切配合，互通互补。,68,介绍一个工程实例（1）,填土,淤泥,淤泥,淤泥质粘土,粉质粘土夹粉土,粉砂,粉细砂,1.7m,0.5m,1.5m,11.2m,3.8m,1.2m,19m,汉口某基坑工程： 一、设4层地下室，开挖深度一般1719m，局部接近20m。 二、处于深厚软土地带，整个侧壁基本都是淤泥或淤泥质土。 三、坑底已经揭露承压水含水层。 四、周边环境复杂，必须确保环境安全。,69,介绍一个工程实例（2）,基坑平面,一期工程,二期工程,70,介绍一个工程实例（2）,