基坑工程设计计算与信息化监测课件.ppt

深基坑工程,1,1.基坑工程综述,2.基坑工程设计计算方法,3.施工监测及信息化施工,4.总结及展望,2,1.1 基坑工程的特点,1.2 基坑支护结构的分类及方案选择,1.基坑工程综述,1.4 其他玄武岩纤维复合材料在基坑工程中的应用,1.3 支护结构与主体结构的结合及逆作法施工,3,（1）临时结构：与永久性结构相比，安全储备小，风险较大。,（4）综合性岩土工程问题：强度、稳定性、变形、渗流。,（2）因地层、土（岩）性质、地下水等的差异，使基坑工程的区域性和个案性较强，这也是大多岩土工程的特点。,（3）综合性很强的系统工程：涉及工程地质、岩土、结构、环境。,（5）与周边环境关系密切，对其影响较大。,1.基坑工程综述,1.1 基坑工程的特点,4,放坡开挖（无支护）及简易支护,基坑支护形式,土钉墙,重力式水泥土墙,排 桩,地下连续墙,1.2.1 按支护结构形式分类,1.2 基坑支护结构的分类及方案选择,支挡式结构,围护结构,支锚系统,1.2.2 支护形式的选择,影响因素：,安全等级、基坑深度、土类及地下水条件、环境条件等。,5,1）重力式水泥土墙（刚性挡土结构）,（4）计算时作为刚性结构（重力式的）。,（1）多用于软土，深层搅拌法或旋喷法施工。,（2）通常基坑开挖深度7m。,（3）墙宽0.71.0倍的基坑开挖深度，多采用格栅式布置。,深层搅拌机,6,常见的布桩方式,二轴搅拌桩,三轴搅拌桩,高压旋喷桩,7,重力式水泥土墙的适用范围,8,工程实例卵石层中用高压旋喷桩支护的基坑,既有基坑边界,空间较小，无法使用旋挖机成桩,高压旋喷桩,9,基坑深度9m,悬臂桩交叉布置,桩径0.5m，间距1m,桩中插入钢筋,高压旋喷桩支护,10,成孔,2）土钉墙支护结构,（1）构造和施工,插筋、挂网、注浆,喷混凝土,11,（2）优 点,）结构轻，柔性大，有良好的延性，抗震性能好，对冻胀的适应性较强。,）施工设备简单，所需场地小，方便灵活，施工速度快。,）材料用量及工程量小，工程造价低（为其他类型支护的2/34/5）。,（3）缺 点,）基坑深度有限。,）土层变形及沉降不易控制。,（4）适用范围（建筑基坑规程）,）地下水位以上、自稳性较好的土层（一般黏性土、弱胶结或较密实的无黏性土）；）埋深不很大（12m（单一型），非淤泥质土；6m，淤泥质土）；）土层变形控制的要求不严格；）有较宽松的施工场地。（土钉不超出红线外）,冻胀引起的土钉受力的变化（实测结果）,12,土钉墙的适用范围,13,15m,成都地铁车站基坑（基坑深度15m，土钉支护）,14,15,土层变形过大造成的裂缝,16,土钉墙+预应力锚索,土钉墙+微型桩+预应力锚索,复合型土钉墙,17,3）排桩支护结构,桩的类型,板桩（钢、钢筋混凝土预制）,钢筋混凝土桩（预制、现场灌注）,钢筋混凝土-素混凝土咬合桩,型钢水泥土搅拌墙（SMW）,（1）类 型,支锚系统,内 撑,外 锚,预应力锚索（锚杆）,水平：单向、双向、桁架式等,竖向（立柱）,竖向斜撑,内 撑,外锚,斜 撑,支护结构,围护结构（排桩、地下连续墙）,支锚系统,18,（2）排桩的布置形式,（3）优 点,）较土钉支护适于更深的基坑，能较好地控制土层变形。,）较地下连续墙施工工艺简单，成本低，平面布置灵活。,（4）缺 点,防渗及整体性不如地下连续墙。,S d,S=d,S d,（5）排桩（地下连续墙）的适用范围,（6）各类支锚形式,单排桩,双排桩,19,排桩（地下连续墙）的适用范围,20,钢板桩,围护结构排桩类型,21,灌注桩（圆）,灌注桩（方）,22,预制桩,23,型钢水泥土搅拌桩（SMW）,拔出型钢,24,内撑形式,水平对撑,正交平面杆系支撑,水平斜撑,环形杆系支撑,竖向斜撑,作用原理,环撑、边撑：增大基坑边长方向（环向）的（抗弯）刚度。,对撑、斜撑：“减小”基坑沿边长方向的跨度。,沿边向支撑,预应力：增大支撑力。,25,单杆内撑（地铁车站基坑，深度23m，人工挖孔桩+4道钢管内撑）,26,八字撑杆（旋挖桩+钢筋混凝土内撑+钢管内撑）,无撑段长度（跨度）缩短，刚度增大，内力及位移减小。,27,八字撑杆（H型钢）,28,水平对撑（桁架式）,水平对撑（八字撑杆）,29,水平对撑（桁架式）,30,水平对撑（桁架式）,31,（1）起到对撑的作用。,（2）缩短无撑段的长度。,水平斜撑（角撑）,设置角撑的目的并不是为加强基坑的内角，由于空间效应，内角处的变形及内力小于跨中。角撑改善了基坑其他位置的受力变形状态。,无角撑时基坑的变形,32,水平斜撑（桁架式）,33,正交杆系平面支撑,34,环形杆系支撑,（2）杆将围护结构的力传给圆环。,（1）圆环具有较高的法向刚度，限制位移。,35,桁架边撑（增大围护结构的抗弯刚度）,36,预应力鱼腹梁工具式组合内支撑（Innovative Prestressed Support System）,IPS,IPS,IPS,预应力锚索,型 钢,增大围护结构的抗弯刚度,37,竖向斜撑,筏 基,38,钢管斜撑,39,成都国金中心大厦基坑（最大深度34m）,预应力锚索,40,41,排桩支护：人工挖孔桩+9道预应力锚索,42,43,人工挖孔桩+9道预应力锚索,44,45,承压型囊式扩体锚索,46,承压型囊式扩体锚索,47,成都绿地蜀峰468基坑（多种支锚形式的联合应用）,临街，地下管线多,临地铁二号线,3层钢筋混凝土内撑,1层钢筋混凝土内撑+4道预应力锚索,基坑开挖深度约30m,桁架对撑,桁架斜撑,环型支撑,桁架 边撑,48,灌注桩+3层钢筋混凝土内撑,灌注桩（直径1.2m，间距2.2m）,地铁车站,出入口,钢筋混凝土内撑,49,灌注桩+1层钢筋混凝土内撑+4道预应力锚索,4道预应力锚索,1层钢筋混凝土内撑,灌注桩（直径1.2m，间距2.2m）,50,环型支撑,51,角撑和边撑,52,对 撑,53,成都绿地蜀峰468基坑,立 柱,防撞加强,54,疏排桩+土钉支护,（1）组成,排桩（单排或双排）+土钉+（预应力锚杆或内支撑）,间距：(26)D,（2）原理,排桩提供主要的支撑力并控制变形，土钉保证桩间土的稳定性。,55,4）地下连续墙,（1）优 点,）刚度大，支撑能力强，基坑稳定性好，土层变形小。,）墙身防渗性能好，坑内降水对坑外影响小。,（2）缺 点,）废泥浆处理。）粉砂地层中易坍壁。）施工技术要求高。iv）厚度具有固定的模数，不如灌注桩灵活。,）可作为地下室的外墙，缩短工期，降低造价。,（3）适用条件,）深度大的基坑。）周围环境对变形控制要求高。）围护结构需作为主体结构一部分，且基坑施工阶段具有较高的防水、防渗要求。iv）逆作法地上、地下同步施工时，多采用地下连续墙。,56,57,导墙施工,导墙完成,泥浆池,成槽施工,钢筋笼吊装,锁口管起拔,砼浇筑,地下连续墙的施工,成都火车北站扩能改造行包房工程,基坑深度15.05m,连续墙厚度1m，深度32m,素混凝土,距地铁最小间距10.25m,（2层地下室，逆作法施工）,58,5）地下连续墙+逆作内衬,用于悬索桥锚碇基础的施工。先做地下连续墙，再分层逆作内衬，并开挖。,59,地下连续墙+逆作内衬（阳逻长江大桥锚碇基坑，内径70m，开挖深度45m，墙厚1.52.5m）,60,（1）顺作法和逆作法施工（黑色为基坑及其支护结构，蓝色为主体结构）,顺作法：围护结构（地连墙或桩）立柱（桩）开挖水平内撑 开挖至基 底标高主体结构（地下室底板、边墙、梁板、结构柱）。,逆作法,顺逆结合法,1.3 支护结构与主体结构的结合及逆作法施工,主楼先顺作，裙楼后逆作,裙楼先逆作，主楼后顺作,中心顺作，周边逆作,逆作法：围护结构（地连墙或桩）立柱（桩）首层梁板开挖地下一层梁板 开挖至基 底标高底板（边墙）结构柱。,全逆作法,顺作法,半逆作：先地下，后地上,全逆作：地上、地下同时施工,上、下同步,半逆作法,先下,后上,61,（2）支护结构与主体结构的共用,围护结构（基坑）与地下室边墙（主体）,立柱（基坑）与结构柱（主体）,水平支撑（基坑）与楼板（主体）,地连墙或桩（先作）与地下室边墙（后作）,立柱（先作）与地下室楼板（后作）,地连墙（先作）与梁板（后作）,立柱（先作）变为结构柱（后作）,（3）后作构件与先作构件的连接,62,（4）逆作法的应用,后作构件与先作构件之间的连接比较复杂。,目前多在软土地区应用。,适用条件,大面积开挖时，可节省支撑。,基坑周边环境复杂、敏感时，可控制变形。,施工场地紧张时，节省空间。,工期进度要求高时，缩短工期。,优 点,楼板成为横撑，刚楼板度大，节省材料。,地上、地下同时施工，缩短工期。,以首层楼板为施工平台，节省施工空间。,缺 点,技术复杂，对施工要求高。,逆作暗挖，作业环境差，影响结构质量。,造价：以楼板替代横撑，可节省材料；但逆作法暗挖取土成本较明挖高，后作构件与先作构件之间连结的结构措施复杂，故造价上并无优势。,63,（5）支护结构与主体结构（地下）的结合,围护结构与地下室墙体的结合方式,单一墙,分离墙,复合墙,叠合墙,梁（板）与围护结构的连接,“两墙合一”时，地下连续墙与板之间的连接可按板的厚度（刚度）采用刚性连接（预埋钢筋接驳器、预埋钢筋）和铰接（预埋钢筋或剪力连接件）两种方式。,围护结构与地下室外墙相互分开时，从结构受力、构造要求及防水的角度出发，地下室外墙与其相邻梁板需同时浇筑，故外墙与围护结构之间有一定距离。此时需解决两个问题：一是围护结构与梁、板之间传力体系的设置，二是边跨结构二次浇筑接缝止水和传力体系穿外墙处的止水。,64,混凝土型钢组合支撑,混凝土型钢组合支撑,地下连续墙与底板的连接,地下连续墙（桩）与主结构梁之间的换撑,65,临时立柱转为结构柱,临时支柱是指为满足基坑开挖过程中支护结构受力要求而设置的立柱，多采用角钢格构柱或钢柱，最终作为结构柱的一部分，“一柱一桩（钢立柱）”是常用的方式。当临时立柱需承担更大荷载（常见于上部结构同时施工且楼层较高或局部荷载较大时），也可采用“一柱多桩（临时钢立柱）”的形式，通常其施工较为复杂，经济性较差。,柱,临时钢立柱,临时钢立柱,临时钢立柱,一柱二桩,结构柱,一柱一桩,66,（4）工程实例,南昌大学 第二附属医院医疗中心大楼（逆作法）,围护结构：钻孔灌注桩施工：全逆作,67,68,上海世博500kV地下变电站工程基坑（逆作法）,围护结构：地下连续墙+环向水平支撑;施工：半逆作,69,70,上海世博500kV地下变电站工程基坑,71,基坑面积50000m2，开挖深度13.3m。,若全顺作，临时支撑工作量大，造价高；全逆作，暗挖工作量大，出土困难。最终采用中心顺作，周边逆作的方法。,上海仲盛商业中心基坑（顺、逆结合法）,72,上海仲盛商业中心基坑,73,1.4 玄武岩纤维复合筋在基坑工程中的应用,玄武岩纤维复合筋（Basalt Fiber Reinforced Plastics）是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型非金属复合材料。,玻璃纤维筋,玄武岩纤维筋,非金属复合材料：碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。,74,（1）密度小、抗拉强度高。,（2）不生锈、耐腐蚀。,（3）与水泥混凝土结合性能好。,（4）电绝缘性、非磁性。,（5）可预制形状，可实现连续配筋。,（6）生产过程中不产生有害物质，环保性好。,1.4.1 玄武岩纤维复合筋的特性,（8）价格较钢筋低。,（7）脆性材料，可切断。,75,1.4.2 在基坑工程中的应用,排桩的主筋,预应力锚杆,土 钉,挂 网,抗浮锚杆,76,2.基坑工程设计计算方法,2.4 土钉墙计算,2.6 基坑变形计算,2.1 基坑设计原则和内容,2.2 基坑稳定性分析,2.7 基坑的时空效应,2.5 排桩、地下连续墙结构计算,2.3 土压力计算,77,2.1.1 原 则,2.1.2 规划、设计、施工、监测内容,（1）满足结构强度、变形、稳定性要求，保证周围环境安全。,（2）较好的技术、经济和环境效应。,（3）施工方便，安全。,（1）建筑场地的水文地质条件勘查及周边环境调查。,（2）支护体系方案技术经济比较和选型。,（3）结构设计，强度、变形、稳定性检算，土体变形验算。,（4）排水、降水设计，对周边环境的影响。,（5）施工方案设计。,（6）监测方案设计。,2.1 基坑设计原则和内容,78,2.1.3 基坑安全等级划分及位移控制,影响因素,基坑本身,周边环境,开挖深度,土质情况,地下水,临时或永久支护,建（构）筑物、管线等的重要性,与基坑之间的距离,地表建筑、构筑物,各类管线,地下结构及设施,（1）安全等级划分,道 路,79,不同基坑规范（规程）基坑安全等级及划分标准的比较,80,（2）位移控制要求,位移是基坑施工对基坑土层及周边环境产生的影响（力学方面）大小的综合的、直观的反映。因此，控制位移的量值对保证基坑安全及周边环境的安全具有重要的意义。,控制指标,位移类型,水平位移,竖向位移（沉降）,支护结构水平位移位置,顶 部,整个深度,相对位移（开挖深度）值,绝对位移,影响因素,基坑安全（环境保护）等级,基坑开挖深度,支护结构类型,（较单看“顶部”更为合理全面）,81,不同基坑规范（规程）位移控制标准的比较,上海,成都,深圳,广 州,汇总表,82,2.1.3 基坑计算的主要内容,基坑稳定性,整体稳定性,抗隆起稳定性,抗倾覆、水平滑移稳定性（重力式支护）,抗渗流、承压水稳定性,支护结构,内 力,变 形,截面尺寸及配筋（钢筋混凝土）,变 形,地表沉降,坑外土体变形,坑底隆起,降水和排水系统,基坑计算,嵌固深度,（以桩、墙支护结构为例）,83,2.2 基坑的破坏形式及稳定性分析,（1）土体失稳破坏：开挖坡度过陡、土钉长度不够、桩（墙）入土深度偏浅，无法给土体提供足够的阻力，导致整体失稳破坏。,（2）支护结构强度破坏：支护结构强度不够，在土压力作用下发生破坏，进一步导致土体的破坏。,常见诱因,降雨或地表水的渗入,基坑周边堆载,振 动,2.2.1 破坏形式,（3）土体渗透破坏：因地下水的渗流导致管涌、流砂，承压水导致突涌等导致基坑土层发生破坏。,84,各类支护结构的失稳破坏形式,隆起破坏,（1）土体失稳破坏,入土深度不够或超挖,入土深度不够,锚杆长度不够,分区开挖，放坡过陡（超大基坑）,85,（2）支护结构破坏,剪切破坏,弯曲破坏,（3）渗透性破坏,坑底突涌,管涌破坏,涌 砂,内撑破坏,锚杆破坏,86,排桩支护基坑失稳破坏,87,基坑失稳破坏,88,基坑围护桩折断,89,杭州地铁车站基坑破坏（2008年）,90,杭州地铁车站基坑破坏（地下连续墙折断）,91,止水帷幕渗漏，桩间流土,地面塌陷,基坑发生流土与地面塌陷,92,基坑坑底承压水突涌,渗透力igw,93,自来水管接头漏水（基坑变形过大接头开裂漏水土的强度降低变形增大）,自来水接头爆管,实例水对基坑的影响,94,2.2.2 稳定性分析,要求：桩、墙等的嵌固深度、锚杆（锚索）的锚固长度应足够大，满足稳定性的要求。,1）悬臂式,2）单支点,安全系数,（1）支挡结构的嵌固深度验算,主动土压力合力至底端的距离,主动土压力合力至支点的距离,建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）,主动土压力,被动土压力,95,3）双排桩,被动土压力合力,主动土压力合力,结构及桩间土自重之和,96,实例为什么有时安全系数会随嵌固深度的增加而减小？,主动土压力随深度的增大速率较好土中大,被动土压力随深度的增大速率较好土中小,（1）当嵌固深度不满足要求时，需加大深度。,（2）但进入差土后，主动土压力随深度的增长速率较好土段中大，而被动土压力随深度的增长速率较好土段中小，导致进入差土后的一定深度时，安全系数反而较仅在好土中时小。,斜率为主动土压力系数,斜率为被动土压力系数,被动土压随深度的增加较好土中慢,主动土压随深度的增加较好土中快,97,（2）整体稳定性验算,（瑞典圆弧滑动法）,条分法的基本概念,条分法,Bishop法,瑞典圆弧滑动法（Fellenius法）,普遍条分法（Janbu法）,Spencer法,Morgenstern-Price法,Sarma法,抗滑安全系数（瑞典法）,整体受力,条块受力,简化后（瑞典法）,98,桩、墙支护的整体稳定性验算（瑞典法）,下滑力矩,抗滑力矩（土体）,抗滑力矩（锚杆）,安全系数,孔隙水压力,锚杆与滑面的夹角,切向分力,抗剪强度（切向）增量,影响整体稳定性的因素,（1）桩（墙）锚固深度；滑面不会穿桩（墙）而过。（2）锚索抗拔承载力以及其预加应力的大小。,桩径（墙厚）、桩间距对稳定性的影响很小。,99,（3）基底隆起稳定性验算,隆起破坏,100,2.3 土压力计算,2.3.1 土压力的性质,土压力和位移之间的关系（刚性挡土结构）,（1）土压力与挡土结构的位移（包括方向和大小）密切相关。当结构背离土体发生位移（主动受力状态）并逐渐加大时，土体所受的约束逐渐减小，故土压力也随之逐渐减小。朝向土体位移（被动受力状态）并逐渐加大时，土压力将逐渐加大。,土压力是土体对支护结构（挡土结构）约束的响应。因此：,（3）土压力还与土的自身性质相关。土性越好，土的自稳能力或抵抗能力就越强，相应的主动土压力就越小，被动土压力就越大。,（2）主动土压力就是主动受力状态且土体处于破坏状态（极限状态）时，保持土体稳定所需的最小支护力。被动土压力就是被动受力状态时，使土体所能提供的最大抵抗力。,101,影响土压力大小的因素,土的性质,挡土结构位移的方向和大小,挡土结构的刚度,Rankine 理论,特殊状态时的土压力,静止土压力,主动土压力,被动土压力,（挡土结构位移为0）,（土体处于极限状态，与挡土结构位移无关）,2.3.2 土压力计算,Coulomb理论,假设：墙背光滑、墙后土体处于极限状态。,土压力：沿高度线性分布。为土体处于极限状态时的土压力，与结构的位移及变形无关。,（1）土压理论,102,（2）规范中的土压力计算（基于Rankine理论）,建筑基坑支护技术规程 JGJ1202012,1）地下水位以上或水土合算的土层,主动土压力系数,主动土压力,土重产生的竖向应力,外荷载产生的竖向应力,主动土压力,被动土压力,竖向压力,被动土压力系数,土重产生的竖向应力,竖向压力,被动土压力,2）水土分算的土层,主动土压力,被动土压力,外侧水压力,内侧水压力,103,（3）土压力计算时的水土分算和水土合算,适用于黏性土，如黏土、粉质黏土等。,适用于无黏性土，如砂、卵石等。,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。,水土合算：直接采用饱和重度计算主动（被动）土压力。,主动土压力系数,被动土压力系数,由于,主动土压力：分算合算,被动土压力：合算分算,所以,104,土体的自稳及围护结构与背后土体的分离,基 坑,冠 梁,裂 缝,土体的自稳高度,土体与桩（墙）变形的不协调，是冠梁-土体之间产生裂缝的可能原因之一。,105,放坡与未放坡时桩（墙）土压力对比,通过放坡，可减小作用在桩（墙）上的压力。,106,（4）实测的土压力分布形式,北京医院急诊楼,天津无缝钢管总厂PU2铁皮坑,上海太阳广场大厦,陈塘庄码头,（与理论计算结果相差较大）,107,（5）静止土压力的计算,砂性土,经验公式,黏性土,超固结黏土,有效内摩擦角,基坑工程技术规范DG-TJ08-61-2010(上海),（6）考虑渗流作用时的水压力计算,渗透力向下水压力小于静水压力,渗透力向上水压力大于静水压力,基坑工程技术规范DG-TJ08-61-2010(上海),渗透力,孔隙水压,水的自重,孔隙水压,108,2）实际土压力的大小及分布形式随支护结构的位移及变形而变，分布形式较为复杂，预先给出其分布形式及大小是不合理的。,（7）土压力计算小结,3）只有在结构位移足够大时，土体才可能处于极限状态，在目前结构设计由强度控制转向变形控制的情况下，这种状态是很难出现的。,1）朗肯（Rankine）土压理论假设墙背光滑、墙后土体处于极限状态，所求出的土压力为线性分布形式。,4）结构-土之间的摩擦力对土压力有直接影响，可减小主动土压，加大被动土压。,5）经典土压理论对应于平面应变问题。对基坑来说，中间部分较符合，而两端则因空间效应，可能结果会相差较大。,总的来看，按目前土压力模型计算得到的结果常与实际土压力相差较大，由此导致结构内力与变形的计算结果与实测结果相差较大。,109,2.4 土钉墙计算,2.4.1 土钉的受力特点,（2）不同的滑面形式假设,（1）土钉墙的受力,主动区：土体通过摩阻力向土钉传递荷载。,稳定区：土体通过摩阻力提供承载力。,土钉上摩阻力方向,110,（3）土钉与锚杆受力特点的对比,预应力锚索（锚杆）,土 钉,锚索分自由段和锚固段，土钉是全长粘结的。,在锚索的锚固段，锚索的轴力随锚固深度逐渐衰减，摩阻力与拉力反向。,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。,滑面位置,111,2.4.2 土钉计算,破坏形式：单个土钉从土中拔出。,单根土钉所受的拉力,（1）单根土钉抗拉承载力（局部稳定性）,第 j 根土钉,土压力,土钉间距,土钉与水平面的夹角,安全系数,轴向拉力调整系数,（调整后土钉轴力之和保持不变）,0.61.0,h,主动土压力,承载力,拉力,112,单根土钉的抗拔承载力,主动土压力折减系数,1）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。,2）基坑侧壁直立（=90o）时，=1。,极限摩阻力,h,滑动面,（2）土钉杆体受拉承载力,j土钉滑动面以外穿过的第i层土,（3）整体稳定性验算,计算方法与预应力锚杆相似。,稳定段,113,土钉支护基坑失稳破坏,114,2.4.3 复合型土钉墙（联合支护）,土钉墙+预应力锚索（锚杆）,（1）与基本型土钉墙相比，可适用于更差的土层和更深的基坑。,（2）与其他类型支护相比，仍保持了土钉墙造价低、工期短、设备简单、施工方便的特点。,土钉墙+隔水帷幕,土钉墙+微型桩,土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索（锚杆）,土钉墙+微型桩+预应力锚索（锚杆）,土钉墙+搅拌桩+微型桩,土钉墙+隔水帷幕+微型桩+预应力锚索（锚杆）,特 点,115,2.4.4 工程实例,深圳长城盛世家园高层住宅基坑（2002，最大开挖深度21.7m）,116,（1）土层,117,（2）开挖及支护方案,土钉墙+预应力锚索,土钉墙+预应力锚索,土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索,土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索+微型桩,118,（3）水平位移及沉降监测结果,（4）经济效益,造价约为桩+预应力锚索方案的2/3，节省500600万元。,北侧沉降,东侧沉降,东侧水平位移,南侧水平位移,119,深圳南山文化中心区水处理站基坑,（1）工程概况,120,（2）水平位移及沉降监测结果,121,2.5 排桩、地下连续墙结构计算,（1）结构计算的目的是确定支护结构的内力及变形。从本质上看，实际是一个结构-土（岩）体之间相互作用的问题。,（2）荷载与作用力的区别是：荷载在结构及土体的受力变形过程并不改变，因此是可预先确定的（如自重），而作用的大小则无法预先确定。土压力的大小及分布形式与挡土结构的位移及变形大小密切相关，本质上属于作用。,（3）主动土压力和被动土压力是土体处在特殊状态（极限状态）时所对应的土压力，故可预先确定，以满足设计的要求。但所反映的并不是结构的真实受力状况。,（4）在计算支护结构的受力时，能否合理反映土对结构的作用是计算结果是否合理和准确的关键所在。实际计算中，土体的作用可通过以下方式模拟，即：简化为荷载；简化为相互独立的弹簧；简化为连续的弹性体。,土-支挡结构的相互作用及土压力,122,2.5.1 荷载-结构法,土体与结构之间的相互作用完全以荷载的形式反映。作用在结构上的荷载为主动（被动）土压力，不考虑挡土结构变形所产生的土抗力。,荷载(土压力)-结构,荷载(土压力)-弹簧(土)-结构,初始应力场(开挖释放荷载)连续体-结构,荷载-结构法,计算模型及计算方法分类,弹性支点法,有限元法、有限差分法,建筑基坑支护技术规程 JGJ12099中悬臂桩的结构内力计算模型,计算模型与结构的实际受力变形相差较大，在新的“基坑规范”中已取消。,计算模型,计算方法,123,2.5.2 荷载-弹簧-结构法（弹性支点法）,以弹簧模拟土对支护结构的被动作用。,（1）计算模型,2）假定土的抗力与该处的水平位移成正比，即,抗力系数,水平位移,计算模型,计算宽度的确定,1）桩（墙）后采用主动土压力，桩前以弹簧模拟土的抗力。,初始的土反力（主动土压力）,3）计算宽度（即其中一根桩的土反力的影响宽度）,且土抗力的和应小于被动土压力的和：,新规范土压力,旧规范土压力,新规范,124,K 法：ks不随深度改变，多用于岩层。,m法：ks随深度线性增加，主要用于土层。,4）土的水平反力系数,当结构发生单位水平位移时土所产生的抗力。,抗力系数的各种计算方法,土的反力系数的比例系数,反映土的刚度的大小（m越大，刚度越大），对支护结构的内力有重要影响。,经验公式,挡土构件在坑底处的水平位移量（mm），小于10mm时可取为10。,（MN/m4）,m可通过桩的水平载荷试验等方法确定。,基坑开挖深度,125,桩的水平载荷试验,126,m值与荷载的关系（按现场试验结果反算后得到）,试验结果表明，m并不是常数，因此在计算中采用的m实际是对应于某一荷载水平时的m。,水平载荷试验的试验结果,127,（2）锚杆和内支撑对挡土结构作用力的计算,即支撑产生单位位移所需要的力。,1）锚杆的刚度系数,（3）支撑刚度系数的计算,支承的刚度系数,支点处的水平位移,支点初始（安装前）水平位移,法向预加应力,按抗拔试验结果确定,荷 载,锚头位移,计算宽度,锚杆间距,预应力锚杆,128,按理论方法计算,锚杆弹性模量,固结体截面积,锚杆截面积,复合弹性模量,自由段长度,锚固段长度,轴向力,固结体的弹性模量,固结体,2）内支撑的刚度系数,水平间距,计算宽度,支撑不动点调整系数,支撑松弛系数,弹模及截面积,s,ba,支撑长度,自由段,129,（4）双排桩的计算模型,1）前、后排桩之间的土压力,前、后桩水平位移差,2）桩间土水平刚度系数,土的压缩模量,前、后桩的净间距,3）桩间土初始压力,支护结构外侧主动土压力,计算系数,坑底以上土内摩擦角的加权平均值,初始的土反力,破坏面,用弹簧将前排、后排桩连接，意味着桩之间的作用力是相等的，这与实际并不相符。,130,双排桩支护结构应用实例,基 坑,成都黏土,131,（5）求解方法,1）有限单元法的基本概念（以梁的计算为例）,解析法只能计算较为简单的问题,容易求解,比较麻烦,用解析法求解十分困难,基坑支护结构的弹性支点法的计算模型，无法用解析法求解。,（采用杆系有限元法求解）,132,单 元,结点,W,有无限多个自由度,已减少到8个自由度,通过对计算结构离散化的方法使复杂问题的求解变得可能,原本复杂的位移曲线已被分段的线性（或2次、3次）曲线所替代，有利于计算方程的建立。,133,刚度矩阵,结点挠度及转角,结点荷载,连续体（无限多个自由度）,离散体（有限个自由度）。,2）求解过程,）离散化：,）利用能量原理建立求解方程,）解方程组后的到结点位移及转角。,）由结点位移及转角求得各截面的弯矩、剪力等。,134,（6）算 例,1）概况,135,136,支护结构（人工挖孔桩+2道预应力锚索）,预应力锚索结构图,2）支护结构,350kN,300kN,桩径1.2m，桩间距2.5m,137,3）计算模型（理正）,138,4）材料计算参数,139,5）内力及变形计算结果,弹性支点法,经典方法（无法得到支护结构的变形）,主动土压力（经典法与弹支法相同）,桩前被动土压力与桩后主动土压力叠加后的结果（经典法）,桩前土抗力与桩后主动土压力叠加后的结果（弹支法）,140,4）土层的力学模型仍偏于简单，通过计算得不到土层的变形情况。,1）与荷载-结构法相比，考虑了土层及结构变形特性对结构受力变形的影响，并可得到结构的变形。,5）参数m对结果影响较大，但通常没有相应的试验值，同时m也不是常数（与荷载水平有关），这会对计算结果的准确性和可靠性产生较大的影响。,（7）弹性支点法总结,2）可较好地模拟基坑施工过程对支护结构变形及内力的影响。,3）作用在桩（墙）背后的土压力预先确定，在计算过程中保持不变，与支护结构的变形大小无关，这与实际情况是不相符的。,141,初始应力场（自重应力）为0,0,0,开挖前,施做支护结构,（1）计算原理,静止土压力p0,2.5.4 初始应力场（开挖释放荷载）-土体（连续体）-结构计算方法,（采用有限元法、有限差分法等）,142,1,开挖后,=,+,u,开挖释放荷载,u1,开挖引起的土压力变化p（墙前为正，墙后为负）,位移场,应力场,土压力,静止土压力,静止土压力,开挖后的土压力p1,自由面（面上作用力为0）,143,（3）特 点,1）与前2种方法相比，不需对土层、支护结构引入过多假设和作过多的简化（例如，不需预先假设土压力分布模型），因此能更好地模拟支护结构及土层的受力变形情况，并能得到支护结构、土层的全部变形、受力信息。,2）能够模拟各种复杂的基坑支护形式及施工过程，可进行空间、时间效应的分析。,3）土体力学模型及参数的合理性及准确性是计算成败的关键。,（2）所需要的土的材料参数,1）弹性模型：弹性模量、泊松比。,2）弹塑模型：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角。,4）渗透固结问题：除上述参数外，增加渗透系数。,3）其他非线性本构关系（有上百种）：相应的参数。,144,（4）算例（地铁车站基坑）,有限元模型及网格划分,145,弯矩计算结果,土压力计算结果,146,水平位移云图,桩间距3.2m时,应用有限元法研究合理的桩间距,桩间距2.2m时,桩间土失稳,147,2.6 基坑变形计算,（1）基坑工程正在由强度控制转向变形控制，基坑变形的确定显得尤为重要。,（2）变形问题较强度问题更为复杂。（强度对应于极限状态，变形可能对应于非极限状态时的任一个状态。）,基坑周围环境类型,148,基坑变形,基 坑,坑外土体,变形类型,变形产生的原因,地下连续墙或灌注桩开挖,降 水,基坑开挖,149,2.6.1地下连续墙或灌注桩开挖引起的地层变形,地下连续墙（灌注桩）的开挖，将导致土层中的自重应力释放（虽然泥浆可提供一部分支护力，但不足以补偿降低的应力），由此导致地层的变形。特别是注意到墙（桩）的开挖深度较基坑的开挖深度还大，故可使土层产生较大量值的位移。,沉 降,水平位移,大量的量测结果表明，其影响范围可到墙（桩）开挖深度的2倍，变形可达墙（桩）开挖深度的0.05%0.15%，在基坑施工过程中产生的变形中占相当大的比例。（发生在基坑开挖前）,150,2.6.2 基坑开挖产生的变形,开挖所产生的变形与基坑深度、土层软硬、支护结构、施工过程等诸多因素有关。以下是对大量实测数据进行统计分析得到的结果。,（1）基坑最大侧向位移与基坑开挖深度的关系：0.11.2%H,（2）地表最大沉降约为基坑最大侧向位移的0.51.5倍。,上海地区基坑变形统计结果（部分）,151,2.6.3 支护结构的水平位移,1）变形特点,（1）悬臂型：基坑较浅，无横撑时。,（2）抛物线型：基坑较深，单横撑时。,（3）组合型：基坑深，多道横撑时。,多道横撑时的水平位移常呈抛物线型，位移最大值一般在基坑底面附近，或稍偏上。（如：软土基坑，位置的平均深度为0.89H）,2）确定方法,弹性支点法,有限元等数值计算方法,经验法估算,152,2.6.4 基坑开挖产生的地表沉降,1）开挖沉降的形态及影响范围,（1）凹槽形；（2）三角形。,凹槽形的最大沉降的位置:（0.30.7)H。,沉降影响范围:（14）H。,2）利用地层损失法计算地表沉降,（1）用弹性支点法等方法计算支护结构的变形曲线。,（2）以地表下沉填补因支护结构变形而造成的空隙（即二者面积相等），确定地表下沉曲线。,153,（1）三角形沉降曲线,沉降范围,地表最大沉降,（2）指数曲线,沉降范围,地表最大沉降,支护变形所围面积,支护结构的高度,154,3）算例,4）影响地层损失法计算精度的主要因素,（1）坑外土层在基坑开挖过程发生变形的过程中，密实程度必然会降低，故“地层损失面积等于变形后桩（墙）所围面积”的假设并不完全合理。,（2）其他因素（沉降曲线的形式、沉降范围）的准确性对计算结果会有重要的影响。,155,2.6.5 基坑降水产生的地表沉降,1）降水产生沉降的原因,水位下降后地层中的有效应力增大，并产生沉降。,2）沉降计算方法,（1）简化计算方法,（2）有限元法等数值计算方法,上海环球金融中心基坑,156,2.7 基坑的时空效应,（1）时间效应,土的蠕变性：在应力水平不变的条件下，土的变形随时间逐渐增大。,对基坑的影响：基坑变形及支护结构所受荷载随时间逐渐增大。,（2）空间效应,基坑形状及尺寸、每步的开挖范围及深度等对基坑受力变形的影响。,（3）考虑时空效应的计算方法,有限元等数值计算方法：1）按空间问题计算；2）土体采用流变模型。,（4）施工技术要点,1)控制每步的开挖范围和深度；2)及时支护；3)量测信息及时反馈。,157,3.施工监测及信息化施工,3.1 基坑监测原理及方法,3.1.1 监测目的,（1）保证基坑安全和施工质量，并指导施工。,（2）保证周围环境的安全。,（3）积累数据和资料，为以后的工程服务。,3.1.2 监测内容,（见下页）,3.1.3 监测原则,（1）监测数据真实，可靠。,（2）监测结果即使整理，反馈。,（3）监测工作尽量不影响正常施工。,158,支护结构,基 坑,土 体,周围环境,坑外土体,基坑监测,基坑施工监测内容,159,建筑基坑工程监测技术规范（GB 50497-2009）监测项目,160,3.1.5 监测仪器、元件及方法,（1）桩（墙）顶、坡顶水位移,仪器：全站仪。,3.1.4 测点布置、监测频率,（2）沉降、坑底隆起,仪器：高精度水准仪。,161,水平位移量测结果,沉降量测结果,162,（3）桩（墙）身水平位移,元件：测斜管。仪器：测斜仪。,原理,测斜仪,水平位移,导轮距离,倾斜角变化,163,测斜管,164,（4）钢筋应力,元件：钢筋计。仪器：振弦式测频仪。,振弦式钢筋计,振弦式元件的测试原理,钢筋应力,标定系数,初始振动频率,当前振动频率,（振弦式压力盒、轴力计、索力计、孔隙水压计等的工作原理均与此相似。）,165,由钢筋应力整理得到的桩身弯矩分布,166,（5）支撑内力,元件：轴力计、索力计。仪器：振弦式测频仪。,轴力计,索力计,167,（6）土压力,元件：压力传感器。仪器：振弦式测频仪。,（7）孔隙水压力,（8）地下水位,元件：孔隙水压计。,元件：水位管。仪器：水位计。,仪器：振弦式测频仪。,压力盒,孔隙水压计,水位计,168,3.2 监测结果的反馈及信息化施工,3.2.1 报警值及报警,（1）报警值由监测项目的累计变化量和变化速率共同控制。,（2）报警值根据土质特征、设计结果及本地经验等因素确定。,3.2.2 信息化施工,169,4.总结及展望,（1）基坑的规模更大，周围的环境更为复杂，对计算、设计、施工等提出更高的要求。,（2）基坑的设计由强度控制转为变形控制。在设计、施工过程中充分、合理地考虑时空效应。,（3）随着施工场地的越来越紧张，基坑规模的加大，逆作法将得到越来越多的应用。另外，无水平支撑的支护技术将会得到发展。,（4）对现有的各类支护形式，应进行合理的选择，并对设计参数（如桩长、桩径、桩距、支撑位置、内撑或锚索预应力值的大小）进行优化设计。,170,（7）目前基坑的信息化施工尚有差距。今后现场量测的信息化、自动化水平会得到很大提高。,（6）将进一步解决特殊土（如膨胀土等）地层中基坑的设计及施工技术中存在的问题。,（5）有限元等数值方