《基础工程》第八章-基坑工程第三节

8.4悬臂式围护结构内力分析支护结构的强度破坏支护结构的稳定破坏※破坏形式※支护结构上的设计规定设计依据：《建筑基坑支护技术规程》〔JGJ120-99〕设计状态承载能力极限状态：支护结构到达承载力破坏，锚固系统失效或坡体失稳状态；正常使用极限状态：支护结构和边坡的变形到达结构本身或邻近建筑物的正常使用限值或影响耐久实用性能。平安等级根据建筑基坑工程破坏可能造成的后果，基坑工程划分为三个平安等级。建筑基坑平安等级及重要性系数※基坑设计的主要内容支护体系的方案比较与选型；支护结构的强度、稳定和变形计算；基坑内外土体的稳定性验算；地下水控制设计；施工程序设计；周边环境保护措施；支护结构质量检测和开挖监控工程及报警要求。※基坑设计应具备的资料岩土工程勘察报告；建筑总平面图、地下管线图、地下结构平面和剖面图；土建设计和施工对基坑支护结构的要求；邻近建筑物和地下设施的类型、分布情况和结构质量的检测评价。1.受力特征：※一般悬臂梁是指有固端的悬臂。〔1〕固定端位置不确定，每个截面都发生位移和转角变形。〔2〕嵌入坑底以下局部作用力分布复杂。2.简化计算原那么：〔1〕取某一单元体〔桩〕或单位长度进行内力计算；〔2〕假定构件整体失稳，并对两侧荷载分布进行假设；〔3〕按静定性问题处理。一、悬臂围护结构计算简图3.挡土结构的实际受力：根据实测结果，其实际受力如左图：地面坑底ABCDP1P2P3Edh(a)4.对两侧荷载的假设：〔1〕悬臂桩两测土质均匀，荷载图形有一定规律性。便与应用解析法求解，可以给出三种情况的计算简图：

①对于沙土，c=0，结构下端右侧为三角形分布，如图（a）；②同样为沙土，c=0，但下端右侧为集中力

，如图（b）；③对于粘性土，c≠0，与图（b）相似。坑底地面ABEhd(b)坑底地面ABEdhh0(c)〔2〕悬臂式围护桩处于不同土层或有地下水时：一般不能直接用公式表达，可以试算求解。且认为底部右侧被动土压力为，未知量也只有，。图8-8（a）坑底地面ABEhd图8-8(b)xCe二、内力分析1.确定计算简图及计算参数：2.嵌入深度确实定：整体稳定整体失稳（临界状态）；临界深度最小深度（稳定）。另外要确定降水方案，以确定水压力分布；还要看是否有地面堆载等。计算简图如图8-7、图8-8。计算原理：假定深度“d”，且主动土压力对E点的矩符合下式：先假定一个嵌入深度d,进行试算，直到上式相等时得到的d，即为嵌入深度〔临界深度〕d。思考：为什么在上式中没有体现的作用？图8-8（a）dE坑底地面ABEhd图8-8(b)xCe※有效嵌入深度：现行计算一般将简图简化为图8-8〔b〕的形式，其中c点为主动和被动土压力的等值点〔分界点〕，这样实际埋深应按下式计算：（1）对于图8-7(a)的情况，由求得d值；（2）对于图8-7(b)、(c)的情况，由求得d值。对于土质单一的情况，可以简化为图8-7的形式，且：三、内力及强度计算1.当土层为非均质时，以剪应力为零的点确定最大弯矩的点，假设主、被动土压力分别处于i、j层时，那么：由剪力Q＝0用试算法确定最大弯矩和截面位置，且弯矩为：2.当土层为均质时：①计算简图如图8-7〔a〕、〔b〕的情况，且c=0，由剪力为零确定最大弯矩所处位置，因此：坑底地面ABEhy设：由上式可求得最大弯矩所在截面位置：则最大弯矩为：根据最大弯矩设计支护结构的截面(截面尺寸、配筋等)。②图8-7〔c〕的情形：c≠0坑底地面ABEyhh0(c)由剪力为零确定最大弯矩所处位置，因此：因：那么支护的最大弯矩值：四、位移计算根本假设：先在坑底附近选一基准点O，其上段按悬臂梁计算，下段按弹性地基梁计算，那么：Ahdhph0haEPEaRa(a)计算简图：如〔a〕、〔b〕所示，其分别代表砂性土和粘性土。适用条件：入土较浅、底端自由支承的单锚式挡土结构。一、平衡法(自由端法)8.5单锚式围护结构内力分析

可采用以下方法确定最小入土深度d和水平向每延米所需锚固力Ra变形方式：挡土结构在土压力作用下绕锚固点A转动，且底端向坑内移动，产生“踢脚”。挡土结构维持稳定，应满足以下条件：〔1〕所有水平力之和等于零，即：〔2〕所有水平力对锚固点A的弯矩等于零，即：Ahdhph0haEPEaRa(a)对于图（a）的情况：hahpEPRaEa(b)由：可以求得嵌固深度d。可以求得锚固拉力Ra。由：然后由Ra并求得挡土结构内力。同理，亦可以确定嵌固深度，锚固拉力，以及挡土结构内力。其中：注意：当确定嵌固深度后，还应验算抗滑移、抗倾覆、抗隆起和管涌等。对于图〔b〕所示情况：附图等值梁法基本原理※b点为弯矩反弯点(图b)※假设在b点切开为两段梁，并规定b点为左端梁的简支点，那么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。

※一端固支，一端简支的梁(图a)补充：等值梁概念二、等值梁法1.根本原理：将板桩看成是一端嵌固另一端简支的梁，单支撑挡墙下端为弹性嵌固时，其弯矩分布如下图，如果在弯矩零点位置将梁断开，以简支梁计算梁的内力，那么其弯矩与整梁是一致的。将此断梁称为整梁该段的等值梁。BGhtREaEa2Ah0aDBGCuxΔxt0γ(kp-ka)x对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙，弯矩零点位置与净土压力零点位置很接近，在计算时可以根据净土压力分布首先确定出弯矩零点位置，并在该点处将梁断开，计算两个相连的等值简支梁的弯矩。将这种简化方法称为等值梁法。2.计算步骤①计算净土压力分布根据净土压力分布确定净土压力为0的B点位置，利用下式算出B点距基坑底面的距离u〔c=0，q0=0〕：②计算支撑反力Ra及剪力QB。以B点为力矩中心：

RaABBQBQBGE’phtREaEp′Ea2Ah0aDBGCuxΔxt0γ(kp-ka)x以A点为力矩中心：③计算板桩的入土深度由等值梁BG取G点的力矩平衡方程：可以求得：

板桩的最小入土深度：t0=u+x，考虑一定的富裕可以取：t=(1.1~1.2)t0④求出等值梁的最大弯矩根据最大弯矩处剪力为0的原理，求出等值梁上剪力为0的位置，并求出最大弯矩Mmax。8.6基坑稳定验算一、验算内容

1.验算内容：边坡整体稳定、抗隆起稳定和抗渗流稳定等。2.验算方法：边坡整体稳定主要是采用瑞典圆弧法以及毕肖普法．抗隆起稳定主要采用太沙基公式，该法适于体何土质．抗渗流稳定主要是验算管涌和流砂二、基坑抗隆起稳定验算1.分析目的和意义：保持基坑稳定、控制基坑边形双重意义。2.分析根本要求：用承载力确定抗隆起平安系数。将基坑底作为求极限承载力的基准面，其滑动线形状如图示，在d深处，两侧分别作用：太沙基和普朗特尔抗隆起算法采用极限承载力公式，那么抗隆起平安系数为：Prandtl公式：Terzaghi公式：该方法适用各种土质，但采用公式不同，平安系数会有所不同。另外考虑土体侧面剪应力的影响，平安系数可取小一点儿。另外，还有考虑墙体极限弯矩的抗隆起分析方法等。

1.7基坑常见问题一目前基坑工程中常见问题存在环节：1勘察：不勘察或不准确；破坏模式选择不当。2设计：1〕对地质资料要了解清楚〔包括流砂、管涌、暗沟、洞穴、承压水等等、软土和特殊土分布、产状和特征〕例如上海饱和砂土和地下防空洞，洞穴存在使桩达不到设计长度，砂土易产生流砂，影响周边民房，产生裂缝，常用高压注浆、旋喷桩、灌黄砂、干水泥等措施并加快施工进度。2〕查明周边各类建筑物、地下管线的特征和使用要求；3〕选择适宜围护结构和支撑系统。坑内加固、井字形支撑加脚撑、圆形和椭圆形钢混封闭框架支撑、钢混支撑需要养护，撤除需要爆破，逐渐被钢结构支撑代替。1.7基坑常见问题3施工与管理：施工质量问题、超挖问题、施工管理问题。例如：1〕支撑结构不合理，施工质量差；如：钢管支撑支点数量少、焊接不牢、使用多年的钢管变形大、变薄等。2〕超挖：没做到“开槽支撑、先撑后挖、分层〔段〕开挖、严禁超挖”，不支护就开挖支护结构未到达要求的强度就开挖未分层分段开挖而一挖到底等等3〕多家施工方管理协调不力；4〕层层分包，偷工减料；4监测和应急处理：监测取消、监测减少、数据分析不认真、分析水平不高，不及时分析发现问题并及时反响；应急措施不及时、不果断、不到位。1.7基坑常见问题一目前基坑工程中常见问题：1支护结构选型不当2实际主动土压力值大于设计值，土压力计算模式与地区经验不符合。或者破坏模式比较特殊，应该计算滑坡推力，综合考虑滑坡推力和土压力等1〕雨季、涨潮、地下水管渗漏等使地下水位上升，粘聚力和内摩擦角下降基坑侧土压力增大，引起破坏；2〕场地顶部堆放建筑材料、挖出的土方堆放；超载引起变形和破坏；3〕违规作业：如挖土机离基坑太近，并且反铲挖土，侧压力和变形加大；3防水、排水、降水措施不力：1〕时间跨度大，不做坡顶排水沟和挡水墙，不做坡顶护面和坡面防护，轻者冲刷桩间土，重者结构破坏。2〕高水位地区未做止水帷幕，基坑降水漏斗范围内沉降破坏；3〕周边地下管线年久失修，可能破坏渗漏，没有提前处理；4〕止水帷幕设计未考虑地质条件和不同开挖深度，采用同一长度止水帷幕，并且未穿透砂土层。地下水渗漏，土质下降，侧压力增加地表堆载1.7基坑常见问题4锚杆失效：1〕锚杆位置不当，位置过低或抗力缺乏，引起大的变形；2〕锚杆长度不够，不能阻挡基坑整体滑移；3〕锚固力下降：地面水下渗、水管渗漏、地下水位上升等，使地下水位上升，粘聚力和内摩擦角下降，锚固力下降；4〕地基土的冻胀，锚固力下降；5〕相邻施工的机械振动和挤土效应使孔隙水压力上升，有效应力下降，砂土液化，粘土触变，锚固力下降；6〕锚头锁定失效和腰梁失效，锚固力下降或者丧失；5支撑结构不合理：1〕首道支撑位置太低，引起支护结构顶部变形过大；2〕支撑间距太稀，受力大而产生弯曲变形甚至断裂；3〕支撑支点数少，连接不牢靠，支撑杆件下挠，产生弯曲变形而失去支撑作用；4〕基坑尺寸大，钢管支撑，压弯变形，支护结构位移；1.7基坑常见问题6基坑土体稳定性缺乏：1〕支护结构插入深度不够，Ep不够；2〕饱和粉细砂降水引起管涌河流砂；3〕坑底承压水造成基坑突涌。7淤泥地基触变：1〕饱和淤泥和软土采用捶击法施工挤土桩，造成挤土效应而变形或破坏；2〕饱和淤泥和软土未采用降水，挖土和运土引起扰动，变形和破坏。8设计不合理，平安储藏过小：1〕破坏模式选择不当；因此侧压力计算不准确；2〕为节约过大折减主动土压力，减少配筋，当土质不利时，变形过大或者破坏；3〕设计人员缺乏经验，许多经验措施，如圈梁、护面等忽略，埋下隐患。1.7基坑常见问题9施工管理水平低、施工质量差：1〕未监测、少监测或监测技术落后或者不合理；2〕监测数据分析不够，不能及时预警和采取合理正确的措施；3〕施工时随意变更设计，不按照设计和标准施工；4〕偷工减料，施工质量差，强度达不到要求，止水帷幕不起作用；5〕施工环节协调不力：桩和锚杆强度未达要求就开挖；超挖、一次挖到底等。10勘察结果不准确或未进行基坑勘察，破坏模式判别不准确，参数取值不准确。补充自学材料：基坑常见事故及其预防措施例题2：某单支撑板桩围护结构如图示，试用等值梁法计算板桩长度及板桩内力。1m9.0muEaaq=28kN/m2

c=6kPaφ=20°γ=18kN/m3xx0Ra解：①土压力计算②u的计算③Ra、QB的计算④入土深度t的计算取t=13.0m，板桩长=10+13=23m⑤内力计算求Q=0的位置x0二常见支护方法特点与适用范围5地下连续墙：适用条件：适用于严格止水要求以及各类复杂土层的支护工程；适用于任何周边复杂环境的基坑支护工程。不宜使用条件：悬臂式地下连续墙：周边有严格控制位移的建筑物、构筑物和地下管线等，不宜使用。地下连续墙与锚杆联合使用时：以下情况不宜使用。1〕基坑周边不允许施工锚杆；2〕锚固段只能锚固在淤泥或土质较差的软土层中。

支护结构选型表

武汉绿地中心武汉绿地中心由主楼、裙楼和两栋副楼组成，总建筑面积71万平方米，其中地上52万平方米，地下19万平方米。主楼高606米，地上125层，地下6层。工程建成后将是华中第一、中国第二、世界第三高楼，是武汉市城市新名片。基坑工程实例基坑深度23-30m，基坑面积约36000m2，高速电梯井最大开挖深度40m，采用厚1200mm、深49-58m落底式地连墙加5~6道内支撑。是亚洲最深、最大的基坑工程。2011年7月31日全面开工，至2012年8月30日完成地下连续墙165幅，全长970米，工程桩完成2186根，工程攻克了地连墙“两墙合一”施工要求高、垂直度控制达1/600、单幅地连墙最深57米、单幅最重达86吨钢筋笼一次吊装成功，取得了一系列科研成果，得到中国业界同行的高度认可。2013年9月22日进行第一次底板浇筑施工，意味着地下室土方开挖结束〔开挖总量约100万m³〕。底板浇筑共5块，总面积1.2万平方米，约2个足球场大，共需浇筑3.8万立方米混凝土。其中，主楼底板最厚8米，需一次性浇筑3万立方米混凝土，是国内一次性浇筑成型面积最大的底板。底板浇筑施工完成后，将开始地下室施工，预计2017年全面完工。武汉绿地中心效果图〔正面〕

世纪财富中心基坑支护工程位于大北窑国贸北，嘉里中心与汉威大厦之间。