基坑支护结构设计培训讲义课件.ppt

第三章 基坑工程支护设计,3.1 概述3.2 围护结构形式及适用范围3.3 支护结构上的荷载3.4 悬臂式围护结构内力分析3.5 单锚式围护结构内力分析3.6 基坑的稳定验算3.7 土钉墙支护设计3.8 地下连续墙设计,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。,1）按开挖深度分。开挖深度H5m称为深基坑；H5m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。,3.2 围护结构形式及适用范围,基坑侧壁安全等级及重要性系数,3.3 支护结构上的荷载,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,土压力,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。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。,土的内聚力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，将土的内聚力c提高20%。,土压力计算公式,主动土压力：被动土压力：,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。对于砂性土，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。,3.4 悬臂式围护结构内力分析,计算主动土压力和被动土压力并确定计算简图，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。,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。,内力与变形计算常用的方法有：极限平衡法和弹性抗力法两种:,极限平衡法假设基坑外侧土体处于主动极限平衡状态，基坑内侧土体处于被动极限平衡状态,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。,2）假设在C点切开，认为AC段为一简支梁，即等值梁AC。根据平衡方程计算支点反力T和C点剪力P0。3）取板桩墙下段CE为隔离体，可求出有效嵌固深度t而板桩墙在基坑底以下的入土深度D 4）由等值梁AC求算最大弯矩。,计算方法是“等值梁法”。等值梁法的关键是如何确定反弯点的位置。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。,3.6 多道支撑（锚杆）挡土桩墙计算,多道（层）支撑（锚杆）挡土桩的计算方法很多，有等值梁法；二分之一分担法；逐层开挖支撑支承力不变法；弹性地基梁法（m法）；有限元计算法等。3.6.1 等值梁法一、计算步骤 多道支撑等值梁法计算原理与单道相同，但须计算固端弯矩，求出弯矩后尚须进行分配，最后计算各支点反力。,二、工程实例计算,北京京城大厦为超高层建筑，地上52层，地下4层，建筑面积110270m2，地面以上高183.53m，基础深23.76m(设计按23.5m计算)，采用进口488mm30mmH型钢桩挡土，桩中间距1.1m，三层锚杆拉结。地质资料如下图所示。,对各土层进行加权平均后得：重度=19kN/m3，内摩擦角=300，粘聚力c=10kPa。23m以下为砂卵石，p=350 430，潜水位在23 30m深的圆砾石中，深10m，地面荷载按10kN/m2计算。（一）计算土压力系数取=(2/3)p=25o，则：Ka=tan2(45o-/2)=tan230o=0.33,（二）计算土压力零点(近似零弯矩点)距基坑坑底的距离y eaH1=qKa=100.33=33kPa eaH2=HKa=1923.5 0.33=147.3kPa eaH=eaH1+eaH1=33+147.3=150.6 kPa(Kp Ka)=19(11.8 0.33)=217.9kN/m3 0.69m,（三）绘制基坑支护简图,图3-33 基坑支护简图 图3-34 连续梁计算简图,（四）求各支点的荷载集度（没有考虑c!）qA=qKa=100.33=3.3kN/m2qB=qKa+3.3+1950.33=34.6kN/m2 同理可求：qC=78.5kN/m2qD=116.2kN/m2qE=150.6kN/m2（五）分段计算连续梁各固定端的弯矩1.AB段AB段为悬臂梁MAB=0MBA=3.35(5/2)+(1/2)(34.6-3.3)5(5/3)=171.7kNm,2.BC段梁 梁BC段的受力如下图所示，B支点荷载q1=qB=34.6kN，C支点荷载q2=qC=78.5kN，由结构力学可求得：269.4 kNm,3.CD段梁 CD段梁的受力如下图所示，两端均为固支，将原梯形分布荷载看成一矩形荷载q1=qC=78.5kN和一三角形荷载q2=qD-qC=116.2-78.5=37.7kN的叠加，由结构力学可求得：280.7 kNm 303.4 kNm,4.DEF段梁 DEF 段梁如下图所示，D 端固定，F 点为零弯矩点，简支。将原多边形分布荷载看成一个矩形分布荷载和两个三角形分布荷载的叠加。,q1=qD=116.2kN，q2=150.6-116.2=34.4kN，q3=150.6kN。查得：将a=5.5m，b=0.69m，l=6.19m，q1=116.2kN，q2=34.4kN，q3=150.6kN代入上式，可以计算得到：MDF=-637 kNm,（六）弯矩分配,1.背景知识 由结构力学知：以上各式中：MIg是固定端I上的不平衡弯矩；MIk 为会交于固定端I的第k根杆上的分配弯矩；MkIC为会交于固定端I的第k根杆上另一端的弯矩，称为传递弯矩；Ik为会交于固定端I的第k根杆上的弯矩分配系数；CI k称为传递系数；SIk称为劲度系数。在等截面杆件的情况下，各杆的劲度系数和传递系数如下：远端为固定支座时：SIk=4iIk，CIk=1/2=0.5,远端为铰支座时：SIk=3iIk，CIk=0 其中iIk=EI/lIk，并称为杆件的线刚度。在前面的分段计算中得到的固定端C、D的弯矩不能相互平衡，需要继续用刚刚介绍的弯矩分配法来平衡支点C、D的弯矩。2.求分配系数 固端C：SCB=3iCB=(3/7)EI，SCD=4iCD=(4/6)EI=(2/3)EI，S C I=SCB+SCD=(23/21)EI=0.391 CD=1-CB=1-0.391=0.609,固端D 与固端C类似，可求得：DC=0.58，DF=0.423.分配弯矩 由于D点的不平衡力矩MDg=MDC+MDF=303.4 637=-333.6 kNm，C点的不平衡力矩MCg=MCB+MCD=269.4-280.4=-11 kNm。显然应当：首先对D支点进行弯矩分配 MDC=-DC MDg=-0.58(-333.6)=+193.5 kNm MDF=-DF MDg=-0.42(-333.6)=+140.1 kNm 由于C点是固支，MDC 将对其产生传递弯矩：MCDC=CDCMDC=0.5 193.5=96.8kNm 而F点是简支，MDF 不会对其产生传递弯矩。,再对C支点进行弯矩分配 MCg=MCg+MCDC=(-11)+96.8=86.8 kNm 与其相应的分配弯矩和传递弯矩分别为：MCB=0.39186.8=-33.9 kNm，MCD=0.60986.8=-52.7 kNm MDCC=(1/2)(-52.7)=-26.4 kNm 此时，C点达到了基本平衡，D点又有了新的不平衡弯矩 MDg=MDCC=-26.4 kNm，不过已经小于原先的不平衡弯矩。按照完全相同的步骤，继续依次在结点C和D消去不平衡弯矩，则不平衡弯矩将越来越小。经过若干次同样的计算以后，到传递力矩小到可以忽略不计时，便可停止进行。此时，挡土桩墙已非常接近其真实平衡状态。,上述各次计算结果可以用下表清晰表达：表3-4 B C D F,-33.4,通过以上计算，得到各支点的弯矩为：MB=-171.8 kNmMC=-232.6 kNmMD=-485 kNmMF=0,（七）求各支点反力 根据连续梁各支点的弯矩平衡，并参照下图，可以容易求得各支点反力。,参照图（a），根据MA=0求RB RB=94.8kN同样，参照图（b），可以求得：RB=114.5 kNRC=281.4kN参照图（c），可以求得：RC=153.6kNRD=430.5kNDF段受力比较复杂，计算时应当小心。参照图（d）,根据MF=0，可以列出下式：RD=476kN根据MD=0，可以列出下式：RF=388kN,各支点反力为：209.3kN 435kN 906.5kN RF=388kN,3.6.2 二分之一分担法,二分之一分担法是多支撑连续梁的一种简化计算方法，计算较为简便。Terzaghi和Peck根据对柏林和芝加哥等地铁工程基坑挡土结构支撑受力的测定，以包络图为基础，用二分之一分担法将支撑轴力转化为土压力，提出了图3-12所示的土压力分布。反之，如土压力分布已知（设计计算时必须确定土压力分布），则可以用二分之一分担法来计算多道支撑的受力。这种方法不考虑支撑桩、墙的变形，求支撑所受的反力时，直接将土压力、水压力平均分配给每一道支撑，然后求出正负弯矩、最大弯矩，以确定挡土桩的截面及配筋。显然，这种计算简单方便。计算简图如图3-40所示。,如要计算反力R2，只要求出(l1+l2/2)至（l1+l2+l3/2）之内的总土压力，因此计算很方便。,（a）弯矩图（b）轴力图,图3-40 二分之一分担法计算简图,3.6.3 逐层开挖支撑(锚杆)支承力不变法,多层支护的施工是先施工挡土桩或挡土墙，然后开挖第一层土，挖到第一层支撑或锚杆点以下若干距离，进行第一层支撑或锚杆施工。然后再挖第二层土，挖到第二层支撑（锚杆）支点下若干距离，进行第二层支撑或锚杆施工。如此循序作业，直至挖到坑底为止。一、方法介绍该计算方法假设每层支撑或锚杆安装后，其受力和变形均不因下阶段开挖及支撑设置而改变。,（一）计算的假定,支撑荷载不变 每层支撑（锚杆）受力后不因下阶段开挖及支撑（锚杆）设置而改变其数值，所以钢支撑需加轴力，锚杆需加预应力。支撑位移不变 下层开挖和支撑对上层支撑变形的影响甚小，可以不予考虑。比如第二层支撑完成后，进行第三层土方开挖和第三道支撑时，就认为第二层支撑变形不再变化。对支护桩墙来讲，每层支撑安设后可以看作简单铰支座。根据以上假定，上层支撑（锚杆）设计，要考虑的挖土深度应当直到下层支撑（锚杆）施工时的开挖深度。并且应当考虑到坑底下的零弯点，即近似土压力零点。,（二）计算方法及步骤,1.求各道支撑的支撑力RI求第一道支撑的水平力RB，见图3-42中的右下图。基坑开挖到B点以下若干距离（满足支撑或锚杆施工的距离），但未作第一层（B点）支撑或锚杆时，必须考虑悬臂桩（AC段）的要求，如弯矩、位移等。在设计和施工,图3-42 计算简图,第一层（B点）支撑时，要考虑它必须满足第二阶段挖土所产生的水平力，直到第二道（C点）支撑未完工之前。算法是：先用前述公式求出C点下零弯点O 距临时坑底的距离 y；然后求出O点以上总的主动土压力Ea（包括主动土压力、水压力），此时C点尚未支撑或未作锚杆，B支撑以下部分的土压力将由RB及RO 承受。从O点取矩可以求出RB。EA=RO+RB，即一部分主动土压力由被动土压承担。(2)求第二道（C点）支撑（锚杆）的支撑力RC 同样，在求第二道（C点）支撑的支撑力RC时，要先求出第三道支撑（D点）下的零弯点O(土压力零点)，再求出第三阶段挖土结束但第三道（D点）支撑（锚杆）尚未完成时的各种水平力。从O 点取矩可以求出RC。以下各道支撑的支撑力RI求解方法与以上相同。,2.求各断面的弯矩将桩视为连续梁，各道支撑为支点，连续梁上各支点的支撑力已经通过上述计算得到，从而可以求出各断面的弯矩，找出其中的最大值作为核算强度依据。,3.6.4 弹性地基梁法*,一、简介目前在支挡结构设计中应用较多的仍然是等值梁法和弹性地基梁法。等值梁法基于极限平衡状态理论，假定支挡结构前、后受极限状态的主、被动土压力作用，不能反映支挡结构的变形情况，无法预估开挖对周围建筑物的影响，故一般只能用于校核支护结构内力。弹性地基梁法则能够考虑支挡结构的平衡条件和结构与土的变形协调，并可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素的影响，如挡墙两侧土压力的变化，支撑数量随开挖深度的增加，支撑预加轴力和支撑架设前的挡墙位移对挡墙内力、变形的影响等，同时从支挡结构的水平位移也可以初步估计开挖对邻近建筑的影响程度，因而它已经成为一种重要的基坑支挡工程设计方法，展现了广阔的应用前景。,2.弹性抗力法,弹性抗力法也称为土抗力法或侧向弹性地基反力法，将支护桩作为竖直放置的弹性地基梁，支撑简化为与支撑刚度有关的二力杆弹簧；土对支护桩的抗力(地基反力)用弹簧来模拟(文克尔假定)，地基反力的大小与支护桩的变形成正比。其计算简图如图所示。,弹性地基梁法中土对支挡结构的抗力（地基反力）用弹簧来模拟，地基反力的大小与挡墙的变形有关，即地基反力由水平地基反力系数（机床系数）同该深度挡墙变形的乘积确定。地基反力系数有多种分布，不同的分布形式就形成了不同的分析与计算方法。图3-48给出地基反力系数的五种分布图示。,图3-48 地基反力系数沿深度的分布,上述五种分布图示都可以用下面的通式来表达：（3-27）式中：z为地面或开挖面以下深度；k为比例系数；n为指数，反映地基反力系数随深度而变化的情况；A0为地面或开挖面处土的地基反力系数，一般取为零。根据n的取值，人们将图3-48(a)、(b)、(d)分布模式的计算方法分别称为张氏法(n=0)、C法(n=0.5)和K法(n=2)。在图3-48(c)中，n=1，Kh=k z(3-28)此式表明水平地基反力系数沿深度按线性规律增大，由于我国以往应用此种分布图示时，用m表示比例系数，即Kh=m z，故通称m法（中国交通部标准JTJ024-85）。,采用m法时土对支挡结构的水平地基反力 f 可写成如下的形式：f=mzy(3-28)式中：y为计算点处挡墙的水平位移。水平地基反力系数Kh和比例系数m的取值原则上宜由现场试验确定，也可参照当地类似工程的实践经验。国内不少基坑工程手册或规范也都根据铁路、港口工程技术规范给出了相应土类Kh和m的大致范围，当无现场试验资料或当地经验时可参照下面的表3-6和表3-7选用。,表3-6 不同土的水平地基反力比例系数m,表3-7 不同土的水平地基反力系数Kh,对于上图所示的支护结构的计算模式，微分方程将有下面两种具体形式：,(1)在基坑开挖面以上(0zH)：,(2)在基坑开挖面以下(zH)：,式中：z支护结构顶至计算点的距离(m)；,bs载荷计算宽度(m)，地下连续墙和水泥土墙取单位宽度，排桩取桩中心距；y计算点水平位移(m)。,弹性地基杆系有限元法一般步骤如下：,(1)将桩、墙沿竖向划分为n个单元，则有n+1个节点个数。(2)计算桩、墙单元的刚度矩阵,，并组装梁的总刚度矩阵,(3)计算支撑(或拉锚)刚度矩阵,(4)计算地基刚度矩阵,(5)组装支护结构总刚度矩阵,(6)计算总的荷载向量,(7)高斯法解总平衡方程，得位移向量,(8)将,回代总平衡方程，求出各节点处桩、墙内力及支撑力,(或拉锚力)。,配筋和挠度计算,地质条件或其它影响因素较为复杂时，也可按最大弯矩断面的配筋贯通全长。配筋应满足下式条件：支护结构顶端的水平位移值,3.钢筋混凝土护坡桩配筋计算,1)按钢筋混凝土受弯构件计算当截面内纵向钢筋数量不少于6根时，钢筋混凝土受弯构件配筋计算公式为:,式中：A圆形截面积；As全部纵向钢筋的截面面积；r圆形截面的半径；rs纵向钢筋重心所在圆周的半径；fc轴心抗压强度设计值；fy钢筋抗拉强度设计值；,对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2,的比值；,纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值，,=1.25,，当,0.625时，取,=0；,混凝土构件受压区应力图的应力值取为轴心抗压强度设计 值fc乘以系数,，当混凝土强度等级不超过C50时,当混凝土强度等级为C80时,M护坡桩弯矩设计值。,=1，,=0.94，,其间按线性内插法确定；,以上方程组可通过试算求解；另外可按以下方法计算(,按经验估算As求系数K=fyAs/fcA由第二式或查表2-1求,把,带入第一式左边求承载力(记为Mc)，若Mc小于弯矩设计值，,=1)：,则重设As，重复以上步骤，直至Mc大于弯矩设计值，则得护,坡桩配筋As。,2)钢筋混凝土护坡桩配筋计算99规程方法简介,截面受拉区内纵向钢筋不少于三根的圆形截面的情况，沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩，其正截面受弯承载力可按99规程以下公式计算。,配置局部均匀配筋和集中配筋的圆形截面,式中：,对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2,的比值，应满足下列要求：,；另外应满足,1/3.5，否则第二式应按下式计算：,矩形截面的相对界限受压区高度，rs纵向钢筋所在圆周的半径；r圆形截面的半径；,对应于周边均匀受拉钢筋的圆心角(rad)与2,的比值；,值宜在l/6l/3之间选取，通常可取定值0.25；,对应于周边均匀受压钢筋的圆心角(rad)与2,的比值，,0.5,A构件截面面积；Asr、Asr均匀配置在圆心角,、,Asc、Asc集中配置在圆心角,、,面积范围内的纵向受拉、受压钢筋截面面积；ysc、ysc纵向受拉、受压钢筋截面面积Asr、Asr的重心至圆心的距离；fy普通钢筋的抗拉强度设计值；fcm混凝土弯曲抗压强度设计值；,宜取,受拉、受压钢筋截面面积；,内沿周边的纵向,的混凝土弓形,注意事项：,1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；中心距和单位长度；2）有支撑变形计算按弹性支点法计算,支点刚度系数 及地基土水平抗力系数m应按地区经验取值；3）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，计 算内力和变形。,5 支护结构的设计步骤,设计内容包括：桩径、桩距、入土深度、桩身配筋、圈梁配筋、变形计算、稳定性验算等。步骤如下：桩径、桩距：按照经验取值。桩径D0.6m；有地下水时，桩中心距（1.21.5）D，砂土和软土取小值。粘性土取大值；无地下水、降水或者土质较好时，桩中心距（22.5）D；对于确定的按经验配筋的桩，其抗弯弯矩可计算，为Mc，根据每米单宽土压力可计算出桩身最大弯矩及设计值M，则桩中心距可取Mc/M。,排桩支护经验参数,一般当基坑深度h12m时，灌注桩直径D=0.60.8m或稍大；h12m时，灌注桩直径D=0.81.2m。,支撑参数经验值（锚杆层数可参照支撑道数）,锚杆位置要低于基坑边壁中相邻建筑物的浅基础底部。,嵌固深度hdoh广州地区悬臂桩和单支点排桩嵌固深度经验系数表,6、桩墙式支护结构的施工,1）桩墙式支护结构的构造要求,(1)现浇钢筋混凝土支护结构的混凝土强度等级不得低于C20。(2)桩墙式支护结构的顶部应设圈梁，如图所示，其宽度应大于桩、墙的厚度。桩、墙顶嵌入圈梁的深度不宜小于50mm；桩、墙内竖向钢筋锚入圈梁内的长度宜按受拉锚固要求确定。(3)支撑和腰梁，如图所示的纵向钢筋直径不宜小于16mm；箍筋直径不应小于8mm。（4）圈梁配筋 圈梁高度一般为桩直径的0.50.8倍，且0.4m；宽度桩 的直径。桩的主筋锚固于圈梁，锚固长度不小于30倍主筋直径。焊接接头分散布置，同一截面接头数不得超过钢筋数的一半。圈梁配筋一般采用构造配筋，一般符合最小配筋率要求，经验值为0.50.8）As。As为桩身主筋配筋总面积。当圈梁兼作腰梁时，按照腰梁受力，以最大弯矩按照钢筋混凝土梁计算配筋。,钢板桩施工流程：,测量放线,安装导架,钢板桩打设,挖土、监测、基础施工,钢板桩拔除,石灰线,地表插钢筋或木桩,对中“十字”架，吊线坠测垂直度要求半径尽量相等，误差在允许范围内,2）灌注桩挡土结构施工概述,灌注桩挡土结构主要有钻(冲)孔灌注桩、人工挖孔灌注桩，布置形式可分为密排、疏排、双排，如图所示，疏排桩、双排桩可与止水帷幕结合使用。,挖孔桩施工支护流程：施工准备之后：,放线定桩位和高程,第一节土方开挖、外运,支护壁模板、放附加钢筋,浇灌第一节护壁混凝土,检查桩位（中心）轴线,安装电葫芦（卷扬机）,安装吊桶、照明、活动盖板、水泵、通风机等,开挖吊运第二节土方,拆第一节、安装第二节支护壁模板、放钢筋,假设垂直运输架,逐层循环作业至设计深度,浇灌第二节护壁混凝土,检查桩位（中心）轴线,检查验收,制作钢筋笼,吊放钢筋笼,浇灌桩身砼,移位,桩身砼养护,破桩,圈梁施工养护,开挖、监测、封底、基础施工,移位,破桩,混凝土养护,圈梁施工和养护,第一步开挖,第1层锚杆施工、养护、桩间土护壁、排水管安放,腰梁、施加预应力、锁定,分层开挖、分层施工锚杆、腰梁等直至坑底,锚杆和浆液制作,封底、基础施工,开挖桩间土、修坡,钢筋网片安装固定,钢筋网片隐检,埋设厚度标志,钢筋网片加工,喷射混凝土拌合料准备,混凝土喷射作业,喷射混凝土养护,验收,桩间土层渗水处理,桩间网喷护壁施工工艺流程,7、内支撑的施工,支撑在坑内土面挖槽安装。当要在支撑顶面开行挖土机械 时，支撑顶面低于坑内土面25cm左右，并架设通道板。一般在混凝土强度达到80%设计强度后，开挖支撑以下的土方。支撑穿越工程结构时，应设止水结构。钢支撑施加预压力时，应注意对相临支撑的影响。支撑长度超过30m，一般要在支撑两端同时加压。预压力宜为30%60%支撑轴力。支撑的拆除，可用大锤、机械，甚至爆破。,3.6 基坑的稳定性分析,基坑工程的稳定性主要表现为以下几种形式：,(1)整体稳定性；(2)倾覆及滑移稳定性；(3)基坑底隆起稳定性；(4)渗流稳定性。,对无支护结构的基坑，验算方法见土力学教材。对有支护结构的基坑，需计算圆弧切桩与圆弧通过桩尖时的基坑整体稳定性，圆弧切桩时需考虑切桩阻力产生的抗滑作用，即每延米中桩产生的抗滑力矩Mp，可按下式计算。,有支护结构的基坑整体稳定性验算,1.整体稳定性验算,大量工程实践经验表明，整体稳定破坏大体是以圆弧滑动破坏面的形式出现，条分法是整体稳定分析最常使用的方法。最危险的滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩与滑动力矩应符合下式要求：MR/MS1.2式中：MR抗滑力矩 MS滑动力矩。,(2-42),式中：Mp每延米中的桩产生的抗滑力矩(kNm/m)；,桩与滑弧切点至圆心连线与垂线的夹角；Mc每根桩身的抗弯弯矩(kNm/单桩)；hi切桩滑弧面至坡面的深度(m)；hi范围内土的重度(kN/m3)；Kp、Ka土的被动与主动土压力系数；d桩径(m)；d两桩间的净距(m)。,对于地下连续墙、重力式支护结构d+d1.0m。,3.7 支护桩墙稳定验算,支护桩墙除需保证结构本身稳定外，还要保证开挖基坑后不会出现坑底隆起和管涌等现象。,按照剪切破坏验算地基的稳定性,图3-72 地基隆起验算(a)坑底隆起现象；(b)计算简图,基坑壁后土体在重量W的作用下，其下的软土地基沿某圆柱面发生破坏和滑动，绕中心轴O转动。此时：,3.7.1坑底隆起验算 在开挖软粘土基坑时，如桩背后的土柱重量超过基坑底面下地基承载力时，地基平衡状态受到破坏，就会发生坑壁土流动，坑顶下陷、坑底隆起的现象。,转动力矩为：(3-49)抵抗滑动的力矩为：(3-50)要保证坑底不发生隆起，则要求：Mr/M0=K 1.2(3-51)当土层匀质时Mr=x 2式中 地基土的不排水抗剪强度。在饱和软土中=0，=c，Mr=c x 2。上述验算方法中，没有考虑垂直面上土的抗剪强度对土体下陷的阻力，所以偏于安全，算出的桩的入土深度是较深的?。,【验算举例】上海花园饭店基坑深6.2m，三道支撑，地面荷载20kN/m2。参数为：=17kN/m3，7m以下c值为c2=25kPa，值比较小，从安全考虑可以忽略，设计板桩深入坑底11.8m，试验算其安全系数。滑动力矩M0为：,图3-73 稳定验算简图(),M0=(20+176.2)11.82/2=8730kNm,2.倾覆及滑移稳定性验算,重力式支护结构的倾覆和滑移稳定性验算的计算简图如图所示:,重力式支护结构倾覆及滑移稳定验算计算简图,式中：Ka抗倾覆安全系数，Ka1.3；ba主动土压力合力点至墙底的距离(m)；bp被动土压力合力点至墙底的距离(m)；W重力式支护体的重力(kN/m)；B重力式支护体的宽度(m)；Ea主动土压力(kN/m)；Ep被动土压力(kN/m)。,抗滑移稳定性按下式验算：,式中：Kh抗滑移安全系数，Kh1.2；墙底与土之间的摩擦系数，当无试验资料时，可取：对淤泥质土 0.20.50，黏性土 0.250.4，砂土0.40.50。,(2-45),(2-47),式中：Ep、bp分别为被动侧土压力的合力及合力对支护结构 底端的力臂；Ea、ba分别为主动侧土压力的合力及合力对支护结构底 端的力臂。,桩墙式悬臂支护结构的水平推移和抗整体倾覆稳定验算应满足下列条件，如图所示。,3.基坑底隆起稳定性验算,1.6,式中：Nc承载力系数，条形基础时Nc=5.14；0抗剪强度，由十字板试验或三轴不固结不排水 试验确定(kPa)；土的重度(kN/m3)；t支护结构入土深度(m)；h基坑开挖深度(m)；q地面荷载(kPa)。以上公式依据Terzaghi地基承载力公式而来：pu=tNq+cNc+1/2bN，,=0时，Nc=5.14，Nq=1，N=0。,4.渗流稳定性验算,1)流土(或流砂)稳定性验算,渗流力(或动水压力)可由流网计算，也可按以下简化方法计算，如图所示。,流土(或流砂)稳定性验算,试验证明，流土(或流砂)首先发生在离坑壁大约为挡土结构嵌入深度一半的范围内(hd/2)，近似地按紧贴挡土结构的最短路线来计算最大渗流力，则渗流力(或动水压力)j(可另外考虑安全系数)为,式中：,坑内外水头差(m)；hd挡土结构入土深(m)；w水的重度(kN/m3)。上式表明了要避免发生流土(或流砂)的挡土结构最小嵌入深度。,2)突涌稳定性验算,按下式验算:,突涌稳定性验算,1.1,式中：m透水层以上土的饱和重度(kN/m3)；t+t透水层顶面距基坑底面的深度(m)；Pw含水层水压力(kPa)。,注意事项：,1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；中心距和单位长度；2）有支撑变形计算按弹性支点法计算,支点刚度系数 及地基土水平抗力系数m应按地区经验取值；3）支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，计算内力和变形。,3.7 水泥土挡墙设计,常见水泥土墙截面形式,二.水泥土挡墙支护设计,包括：抗倾覆、滑动、整体稳定、抗渗、墙体应力、位移等经验数据：宽度b=（0.60.8）h；插入深度hd=（0.81.2）hJGJ120-2012水泥土墙整体稳定性验算,确定入土深度hd：圆弧简单条分法确定入土深度；入土深度同时要满足抗渗要求。当按照整体稳定性要求和抗渗要求确定的入土深度小于0.4h时，取0.4h。,壁式水泥土挡土墙,格珊式水泥土挡土墙,倾覆破坏：墙体宽度、深度不足；地面堆载过大、车辆频繁行使等可引起。,地基整体破坏：基坑开挖深度大，基底土质软弱时，地面堆载过大、车辆频繁行使等可引起地基土与挡土墙一起滑动。伴随地面大量下陷、坑底隆起、主体桩基础位移等。,墙趾外移破坏：墙体插入深度不足，坑底土质太软或流砂、管涌等削弱，可引起。,另外：墙体应力破坏：拉裂或压屈,嵌固深度,四.墙体厚度,当水泥土墙底部位于碎石土或砂土时墙体厚度设计值宜按下式确定，如图所示。,(a)砂土及碎石土,(b)粉土及黏性土,b,当水泥土墙底部位于粘性土或粉土时墙体厚度设计值宜按下式确定：,b,式中：,水泥土墙底以上基坑外侧水平荷载标准值合力之和；ha合力,作用点至水泥土墙底的距离；,水泥土墙底以上基坑内侧水平抗力标准值的合力之和；,hp合力,作用点至水泥土墙底的距离；,水泥土墙体平均重度；,水的重度；hwa基坑外侧水位深度；hwp基坑内侧水位深度。,前者为抗倾覆稳定条件，后者为经验公式。当按上述规定确定的水泥土墙厚度小于0.4h时宜取0.4h。,2)拉应力验算,上式中自重荷载分项系数、基坑重要性系数取1，水泥土抗拉强度设计值等于0.06抗压强度设计值。,五.正截面承载力1)压应力验算,六.重力式水泥土挡墙的施工,常用的水泥土挡墙支护结构的布置形式如图所示。可以通过在未结硬的墙体中插入钢管、钢筋、型钢、木棒、竹筋等方法来提高水泥土挡墙支护结构的刚度(抗弯强度)，有时也可用砂、碎石等置换格栅式结构中的土，以增加结构的稳定性。,水泥土挡墙支护结构的常用布置形式,(a)壁式(b)格栅式(c)拱式(d)设置型钢式(e)填料式,1）水泥土搅拌桩,水泥土搅拌法是利用水泥为固化剂，通过特制的机械(型号有多种，SJB系列深层搅拌机如图所示，另配套灰浆泵、桩架等)，在地基深处就地将原位土和固化剂(浆液或粉体)强制搅拌，形成水泥土桩。,SJB系列深层搅拌机,1输浆管 2外壳 3出水口 4进水口 5电动机 6导向滑块 7减速器 8搅拌轴 9中心管 10横向系统 11球形阀 12搅拌头,水泥土搅拌桩施工步骤由于湿法和干法的施工设备不同而略有差异。其主要步骤应为(1)搅拌机械就位、调平；(2)预搅下沉至设计加固深度；(3)边喷浆(粉)、边搅拌提升直至预定的停浆(灰)面；(4)重复搅拌下沉至设计加固深度；(5)根据设计要求，喷浆(粉)或仅搅拌提升直至预定的停浆(灰)面；(6)关闭搅拌机械。,2.高压喷射注浆桩,高压水泥浆(或其他硬化剂)的通常压力为15MPa以上，通过喷射头上一或两个直径约2mm的横向喷嘴向土中喷射，使水泥浆与土搅拌混合，形成桩体。,高压喷射注浆桩施工工艺流程(a)单管法(b)二重管法(c)三重管法,单管法、二重管法的喷射管(a)单管法(b)二重管法,七.水泥土挡墙的构造要求 进行水泥土挡墙设计应满足如下构造要求：A、水泥土挡墙采用格栅式设计布置时，水泥土桩置换率对淤泥不小于0.8，淤泥质土不小于0.7，其他土质条件不小于0.6；格栅长宽比不宜小于2；B、水泥土桩与桩之间的搭接宽度应根据挡土及截水要求确定，考虑截水作用时，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。当变形不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固或水泥土墙插筋加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。,