地下建筑结构- 第12章 基坑工程.ppt

,深圳大学,地 下 建 筑 结 构,第12章,12.1深基坑工程,概述：大量的深基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现。国外，圆形基坑的深度已达74m(日本)，直径最大的达98m(日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下层（法国）。国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m150m，基坑开挖深度达19.5m。上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m。,设计与施工工况紧密相关，必须保证围护结构在施工全过程中各工况条件下的安全，同时还要控制围护结构及其周围土体的变形，以保证周围环境(相邻建筑及地下公共设施等)的安全。在安全前提下，设计要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工期。要提高基坑工程的设计与施工水平，必须正确选择土压力计算方法和参数，选择合理的围护结构体系，同时还要具有丰富的设计和施工经验。,12.1.1 基坑围护结构的分类,分类：桩(墙)式围护体系；重力式围护体系,桩(墙)式围护体系一般有围护墙结构、支撑(或锚杆)结构以及防水帐幕等部分组成。根据围护墙材料，桩(墙)式围护体系又可分为钢筋混凝土地下连续墙、柱列式钻孔灌注桩、钢板桩和钢筋混凝土板桩等形式。根据对围护墙的支撑方式，又可以分为内支撑体系和土层锚杆体系两类。原理：桩(墙)式围护体系的墙体厚度相对较小，通常是借助墙体在开挖面以下的插入深度和设置在开挖面以上的支撑或锚杆系统来平衡墙后的水、土压力和维持边坡稳定。对于开挖深度不大的基坑，经过验算也可采用无支撑、无锚杆的悬臂式桩(墙)式围护体系。,重力式围护体系一般是指不用支撑及锚杆的自立式墙体结构，厚度相对较大，主要借助其自重、墙底与地基之间的摩擦力以及墙体在开挖面以下受到的土体被动抗力来平衡墙后的水压力和维持边坡稳定。在基坑工程中，重力式围护体系的墙体在开挖面以下往往需要有一定的埋入深度。目前，在我国各地常用的水泥土围护体系以及地下连续墙一般都归在重力式围护体系中，其受力性能类似于悬臂式的桩(墙)式围护结构，但在板式围护结构中一般不计墙体自重及墙底摩阻力对墙体稳定的影响。,12.1.2 基坑围护结构设计的特点,1.外力的不确定性。外力往往随着环境条件、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变；2.变形的不确定性。围护墙体的刚度、支撑(或锚杆)体系的布置和构件的截面特性、地基土的性质、地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管理水平等等都是产生变形的原因。3.土性的不确定性。地基土的非均质性(成层)和地基土的特性不是常量 4.一些偶然变化所引起的不确定因素。施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等,12.2 基坑工程的设计内容,12.2.1 环境调查及基坑安全等级,基坑工程围护设计，首先应根据基坑的深度、地质条件以及周边环境条件确定基坑的安全等级，才能开始设计。进行基坑工程设计前，基坑围护结构设计所需的基本资料主要有：(1)工程水文地质资料；(2)场地环境条件资料，包括建筑红线，周边地下管线的种类、埋深、使用年限以及场地内地下人防等地下障碍物等；(3)所建工程的地下室结构、基础桩基图纸等；(4)与施工条件有关的资料，如对于地下连续墙设计时还应根据不同的安全等级提供有关实验资料。,对于围护结构应该与其它建筑设计一样，要求在规定的时间内和规定的条件下完成各项预定功能，即：(1)能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种功能；(2)在正常情况下，具有良好的工作性能；(3)在偶然的不利因素发生时和发生后，围护结构仍能保持整体稳定。,1.当围护结构仅仅作为地下主体工程施工所需要的临时性措施时，其使用时间不长，一般不超过2年。而一般建筑结构所规定的设计基准期通常为50年，设计基准期的长短父系到对结构材料的耐久性要求和对发生偶然事件的概率统计等方面的问题。在地震区通常可不考虑地震力对围护结构的作用。2.基坑围护结构的理论研究目前尚不完备，满意的工程实测资料很少，因此还没有条件能够像建筑结构那样通过对材料性能、荷载作用及结构效应等方面统计分析得出结构可靠性的概率指标。,建筑基坑工程技术规范(YB925897)根据结构破坏可能产生的后果严重程度,把基坑划分为不同的安全等级见表12-3还根据工程性质、水文地质条件、基坑开挖深度及规模把基坑划分为复杂、中等和简单三种等级,见表12-4,12.2.2 围护结构的选择和布置,包括围护墙体和支撑(或锚杆)结构两个体系所用材料和型式的选择及布置方式。应该根据工程规模、主体工程特点、场地条件、环境保护要求、岩土工程勘察资料、土方开挖方法以及地区工程经验等因素，经综合分析比较、在确保安全可靠的前提下，选择切实可行、经济合理的方案。,围护墙体和支撑结构的布置应遵循以下原则：(1)基坑围护结构的构件(包括围护墙、隔水帷幕和锚杆)在一般情况下不应超出工程用地范围，否则应事先征得政府主管部门或相邻地块业主的同意；(2)基坑围护结构构件不能影响主体工程结构构件的正常施工；(3)有条件时基坑平面形状尽可能采用受力性能较好的圆形、正多边形和矩形,12.2.3 围护结构设计计算,通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形，用于验算截面承载力和基坑位移。要求：计算模型 有关参数 考虑前段工况,基坑可能的破坏模式,建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)将基坑的失稳形态归纳为两类：一、因基坑土体强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑底土隆起；地层因承压水作用，管涌、渗漏等等。二、因支护结构(包括桩、墙、支撑系统等)的强度、刚度或稳定性不足引起支护系统破坏而造成基坑倒塌、破坏。,基坑的第一类失稳形态,（1）放坡开挖基坑 由于设计不合理坡度太陡，或雨水、管道渗漏等原因造成边坡渗水导致土体抗剪强度降低，引起基坑边土体整体滑坡,（2）刚性挡土墙基坑,a.由于墙体的入土深度不足，或由于墙底存在软弱土层，土体抗剪强度不够等原因，导致墙体随附近土体整体滑移破坏b.由于基坑外挤土施工如坑外施工挤土桩或者坑外超载作用如基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土体压力增加，导致墙体向坑内倾覆c.当坑内土体强度较低或坑外超载时，导致墙底变形过大或整体刚性移动,（3）内支撑基坑,a.因为坑底土体压缩模量低，坑外超载等原因，致使围护墙踢脚产生很大的变形b.在含水地层（特别是有砂层、粉砂层或者其他透水性较好的地层），由于围护结构的止水设施失效，致使大量的水夹带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会造成支护结构失稳和地面塌陷c.由于基坑底部土体抗剪强度较弱，产生坑底隆起破坏d.在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不合理或者坑底超挖，承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层，发生坑底突涌破坏 e.在砂层或者粉砂地层中开挖基坑时，降水设计不合理或者井点降水失效后，产生管涌，严重时会导致基坑失稳；f.在超大基坑，特别是长条形基坑（如地铁站、明挖法施工隧道等）内分区放坡挖土，由于放坡较陡、降水等导致滑坡，冲毁坑内支撑或立柱，导致基坑破坏,（4）拉锚基坑,a.由于围护墙插入深度不够，或基坑坑底超挖，导致基坑踢脚破坏b.由于设计锚杆太短，锚杆和围护墙均在滑裂面以内，与土体一起呈整体滑移，致使基坑整体滑移破坏,2.基坑第二类失稳形态根据破坏类型主要表现为以下几种,（1）围护墙破坏 破坏模式主要是由于设计或施工不当造成墙体强度不足引起墙体剪切破坏或折断，导致基坑整体破坏。,（2）支撑或者拉锚破坏,该类破坏主要是因为设计支撑或拉锚强度不足，造成支撑或拉锚破坏，导致基坑失稳,（3）墙后土体变形过大引起的破坏,该类破坏主要是因为围护墙刚度较小，造成墙后土体产生过大变形，危及基坑周边既有构筑物，或者使锚杆变位，或产生附加应力，危及基坑安全,12.2.4 围护结构稳定性验算,(1)基坑边坡总体稳定验算。防止因为围护墙插入深度不够，使基坑边坡沿着墙底地基中某一滑动面产生整体滑动。(2)围护墙体抗倾覆稳定验算。防止开挖面以下地基水平抗力不足，使墙体产生绕前趾倾倒。(3)围护墙底面抗滑移验算。防止墙体底面与地基接触面上的抗剪强度不足，使墙体底面产生滑移。(4)基坑围护墙前抗隆起稳定验算。防止围护墙底部地基强度不足，产生向基坑内涌土。(5)抗竖向渗流验算。在地下水较高的地区，在基坑内外水头差或者坑底以下可能存在的承压水头作用下，防止由于地下水竖向渗流使开挖面以下地基土的被动抗力和地基承载力失效。(6)基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。,12.2.5 节点设计,合理的节点构造应符合以下条件：(1)方便施工；(2)节点构造与设计计算模型中的假设条件一致；(3)节点构造应起到防止构件局部失稳的作用(4)尽可能减少节点自身的变形量：(5)与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要有良好的节点延性。,12.2.6 其他土工问题,(1)井点降水(2)土方开挖(3)监测,12.3 基坑围护结构的内力计算,12.3.1 围护结构的计算模型及计算原则计算模型涉及：结构模型，水土压力模型、稳定性分析模型等,对于围护结构的计算一般采用考虑桩（墙）土共同作用的弹性地基上的杆系或框架模型，根据施工过程中发生的实际工况分步进行计算，同时考虑施工工况引起的结构的先期位移值以及支撑的变形的影响或采用荷载增量法进行计算，即所谓的“先变形、后支撑”的原则。计算工况包括开挖阶段到内部结构回筑阶段各工况的内力组合，最终的位移及内力值是各阶段之累计值。,12.3.2 桩(墙)内力的计算分析方法,弹性地基杆系有限单元法1.结构理想化 2.结构离散化 3.挡土结构的节点应满足变形协调条件 4.单元所受荷载和单元节点位移之间的关系，以单元的劲度矩阵来确定 5.根据静力平衡条件,对于弹性地基梁单元，其劲度矩阵有两种假定(1)在弹性地基梁单元的每一节点处，各设置一附加弹性支承杆件，其刚度为：(2)采用Winkler弹性地基梁单元，其弹性曲线的微分方程式为：,大多数情况下，围护结构支撑体系在平面上的布置并非呈平面对称状态，平面上各支撑的内力、变形各不相同，需要按平面框架进行设计计算。因此实际上，在这种情况下支护体系是一个三维空间受力体系。为简化设计计算工作量，实际设计往往将其简化为独立的平面支撑系统进行计算。在工程中将围护结构中的支撑体系在结构上设计成一个水平的封闭框架，可以提高它的整体刚度，当支撑是一种临时结构时，只需要满足施工阶段的各项技术参数和工况要求即可，因此在设计中可以将结构的几何布置，尽可能地优化，选择受力性能良好的几何形式,12.3.3 支撑体系平面框架的计算,力学模型和结构分析方法,基坑围护结构一般由围护体系和支撑体系两部分组成，严格地讲，封闭支撑体系与挡土结构共同组成一空间结构体系，二者共同承受土体的约束及荷载的作用，因此支撑体系的水平位移包括两部分:第一部分是荷载作用下，支撑体系的变形；第二部分是刚体位移(包括刚体平移及转动),内支撑系统由水平支撑和竖向支承两部分组成，深基坑开挖中采用内支撑系统的围护方式已得到广泛的应用，特别对于软土地区基坑面积大、开挖深度深的情况，内支撑系统由于具有无需占用基坑外侧地下空间资源、可提高整个围护体系的整体强度和刚度以及可有效控制基坑变形的特点而得到了大量的应用,内支撑体系的构成,围檩、水平支撑、钢立柱和立柱桩是内支撑体系的基本构件，典型的内支撑系统示意图见下图.围檩是协调支撑和围护墙结构间受力与变形的重要受力构件，其可加强围护墙的整体性，并将其所受的水平力传递给支撑构件，因此要求具有较好的自身刚度和较小的垂直位移。首道支撑的围檩应尽量兼作为围护墙的圈梁，必要时可将围护墙墙顶标高落低，如首道支撑体系的围檩不能兼作为圈梁时，应另外设置围护墙顶圈梁。圈梁作用可将离散的钻孔灌注围护桩、地下连续墙等围护墙连接起来，加强了围护墙的整体性，对减少围护墙顶部位移有利。水平支撑是平衡围护墙外侧水平作用力的主要构件，要求传力直接、平面刚度好而且分布均匀。钢立柱及立柱桩的作用是保证水平支撑的纵向稳定，加强支撑体系的空间刚度和承受水平支撑传来的竖向荷载，要求具有较好自身刚度和较小垂直位移。,支撑体系,支撑体系常用型式有单层或多层平面支撑体系和竖向斜撑体系，在实际工程中，根据具体情况也可以采用类似的其他形式。平面支撑体系可以直接平衡支撑两端围护墙上所收到的侧压力，其构造简单，受力明确，使用范围广。但当支撑长度较大时，应考虑支撑自身的弹性压缩以及温度应力等因素对基坑位移的影响。,竖向斜撑体系,竖向斜撑体系的作用是将围护墙所受的水平力通过斜撑传到基坑中部先浇筑好的斜撑基础上。其施工流程是：围护墙完成后，先对基坑中部的土方采用放坡开挖，其后完成中部的斜撑基础，并安装斜撑，在斜撑的支挡作用下，再挖除基坑周边留下的土坡，并完成基坑周边的主体结构。对于平面尺寸较大，形状不很规则的基坑，采用斜支撑体系施工比较方便，也可大幅节省支撑材料。但墙体位移受到基坑周边土坡变形、斜撑弹性压缩以及斜撑基础变形等多种因素的影响，在设计计算时应给予合理考虑。此外，土方施工和支撑安装应保证对称性。,支撑系统的设计,支撑系统的设计应包含支撑材料的选择、结构体系的布置、支撑结构内力和变形计算、支撑构件的强度和稳定性计算、支撑构件的节点设计以及支撑结构的安装和拆除,水平支撑系统中内支撑与围檩必须形成稳定的结构体系，有可靠的连接，满足承载力、变形和稳定性要求。支撑系统的平面布置形式众多，从技术上，同样的基坑工程采用多种支撑平面布置形式均是可行的，但科学、合理的支撑布置形式应是兼顾了基坑工程特点、主体地下结构布置以及周边环境的保护要求和经济性等综合因素的和谐统一。,水平支撑系统平面布置原则,长条形基坑工程中，可设置以短边方向的对撑体系，两端可设置水平角撑体系。短边方向的对撑体系可根据基坑短边的长度、土方开挖、工期等要求采用钢支撑或者混凝土支撑，两端的角撑体系从基坑工程的稳定性以及控制变形角度上，宜采用混凝土支撑的形式。,上海浦东恒大小区基坑工程，基坑形状呈狭长的手枪状，基坑东西方向长度较长约为240m，西侧南北方向长度约为43m，东侧南北方向长度约为83m。综合考虑工程周边环境、基坑面积及形状、基坑开挖深度以及工期等因素，支撑系统采用了钢和混凝土组合支撑的形式，东侧基坑角撑结合对撑的混凝土支撑形式，西侧基坑采用角部混凝土支撑，短边设置钢支撑对撑的形式。,当基坑周边紧邻保护要求较高建（构）筑物、地铁车站或隧道，对基坑工程的变形控制要求较为严格时，或者基坑面积较小、两个方向的平面尺寸大致时，或者基坑形状不规则，其他形式的支撑布置有较大难度时，宜采用相互正交的对撑布置方式。该布置型式的支撑系统具有支撑刚度大、传力直接以及受力清楚的特点，适合在变形控制要求高的基坑工程中应用。,上海解放日报新闻业务楼基坑地处上海市黄浦区中心位置，基坑形状呈不规则矩形，基坑面积较小约为2300m2，开挖深度约为12m，基坑东侧紧邻一高层建筑物，根据本基坑的面积、形状以及周围的环境特点，采用了抗侧刚度大、可适应不规则形状的十字正交布置形式的钢筋混凝土支撑形式。,当基坑面积较大，平面形状不规则时，同时在支撑平面中需要留设较大作业空间时，宜采用角部设置角撑、长边设置沿短边方向的对撑结合边桁架的支撑体系。该类型支撑体系由于具有较好的控制变形能力、大面积无支撑的出土作业面以及可适应各种形状的基坑工程，同时由于支撑系统中对撑、各榀对撑之间具有较强的受力上的独立性，易于实现土方上的流水化施工，此外还具有较好的经济性，因此几乎成为上海等软土地区首选的支撑平面布置形式，近年来得到极为广泛的应用。,上海虹桥综合交通枢纽工程东交通中心、磁悬浮基坑工程面积巨大，地下二层区域长约404m，宽约77136m，基坑开挖深度约1825m，基坑形状呈不规则长方形。根据基坑形状的特点，采用了两端角撑中部对撑的支撑布置形式，该布置形式的支撑为流水化施工支撑和土方开挖创造了条件，从而大大加快了基坑工程的施工速度和缩短了施工工期。,基坑平面为规则的方形、圆形或者平面虽不规则但基坑两个方向的平面尺寸大致相等，或者是为了完全避让塔楼框架柱、剪力墙等竖向结构以方便施工、加快塔楼施工工期，尤其是当塔楼竖向结构采用劲性构件时，临时支撑平面应错开塔楼竖向结构，以利于塔楼竖向结构的施工，可采用单圆环形支撑甚至多圆环形支撑布置方式。,天津响螺湾中钢大厦项目位于天津市响螺湾地区，基坑开挖深度达到1822m，基坑面积达到2万m2，是当地规模最大的基坑工程之一。根据围护结构受力计算的需要，本工程内部需设置四道钢筋混凝土支撑体系。由于平面形状不规则，采用较为传统的角撑、对撑结合边桁架布置，需要设置大量穿越基坑内部的杆件，不利于土方的开挖和地下室结构的的施工。因此结合本工程的平面形状和塔楼的分布位置，采用双半圆环的支撑平面布置体系。双半圆环支撑形式的采用，基本上避开了整个塔楼区域的所有竖向构件，基坑开挖到底后，完成基础底板施工后，两个主要的地面建筑即可在不拆撑的情况下向上施工主体结构，加快整体工期进度。,天津响螺湾中钢大厦基坑支撑平面示意图,新华明珠深基坑支护工程采用组合结构环形内支撑的基坑工程实景，该基坑支撑采用钢筋混凝土大圆环，圆环直径68m，其余杆件均采用钢结构，实施效果良好。,阳角处理,基坑平面有向坑内折角（阳角）时，阳角处的内力比较复杂，是应力集中的部分，稍有疏忽，最容易在该部分出现问题。阳角的处理应从多方面进行考虑，首先基坑平面的设计应尽量避免出现阳角，当不可避免时，需作特别的加强，如在阳角的两个方向上设置支撑点，或者可根据实际情况将该位置的支撑杆件设置现浇板，通过增设现浇板增强该区域的支撑刚度，控制该位置的变形。无足够的经验可借鉴时，最好对阳角处的坑外地基进行加固，提高坑外土体的强度，以减少围护墙体的侧向水土压力。,12.4 基坑稳定性验算,主要是计算基坑在外荷载作用下是否会丧失稳定(简称失稳)，基坑失稳的表现形式是多种多样的，主要有：(1)整体失稳破坏；(2)承载力不足导致的破坏；(3)基底滑动破坏；(4)基底潜蚀、管涌；(5)渗流；(6)支挡结构破坏；(7)被动土压力丧失等,12.4.1 边坡稳定,所谓边坡稳定是指防止基坑边坡上的部分土体脱离整体而沿着某一个面向下滑动所需要的安全度。在放坡开挖的基坑中需要控制边坡稳定在没有支护结构的基坑中、当地基深部存在软弱土层时，也需要防止在围护墙底以下可能产生的深层滑动面。,边坡稳定的安全系数可定义为：,砂性土的边坡稳定,砂性土中边坡稳定只取决于坡角的大小，而与坡的高度或土体的重量无关。,粘性土边坡的稳定,在粘性上中，边坡失稳时的滑动面近似于圆弧，滑动体绕某个中心向下带旋转性的滑动，在这种情况下的边坡稳定通常采用条分法分析。条分法的基本假定是：(a)边坡失稳时、滑动体沿着一个近似于圆筒形的滑动面下滑。但当地基有软弱夹层时，可按实际可能发生的非圆弧滑动面验算。(b)考虑平面问题。在实际工程中，可根据地基情况、边坡形状和地面荷载基本相同的原则，把边坡分成几个区段，在每个区段中选取有代表性的断面作为计算断面。边坡滑动面可以有很多个，其中最可能产生滑动的危险面要通过试算才能确定。具体步骤可参阅有关手册。,12.4.2 基坑抗隆起稳定,随着深基坑逐步向下开挖，坑内外的压力差不断增大，就有可能会发生基坑坑底隆起现象。特别在软粘土地基中开挖时很容易发生基坑底土向上隆起现象。由于坑内外地基土体的压力差、使墙背土向基坑内推移，造成坑内土体向上隆起，坑外地面下沉的变形现象，控制这种现象发生的验算大致根据两种假定，即滑动面假定和地基极限承载力假定提出的计算方法。,圆弧滑动抗隆起稳定验算,滑动面假定,Terzaghi-Peck方法,如图12-11，在开挖面以下，假定一个圆弧滑动面。根据在滑动面上土的抗剪强度对滑动圆弧中心的力矩与墙背开挖面标高以上土体重量（包括地面荷载)对滑动中心的力矩平衡条件，计算隆起的安全度。转动中心的位置通常认为可定在基坑最下一道支撑与围护墙的交点处,考虑插入基坑开挖面以下的墙体对抗隆起的作用，隆起滑动力矩 和抗隆起力矩，可分别按下式计算：,式中：,则抗隆起安全系数：,地基极限承载力假定,如图12-12，当开挖面以下形成滑动面时，由于墙后土体下沉，使墙后土在竖直面上的抗剪强度得以发挥，减少了在开挖面标高上墙后土的垂直压力，其值可按下式估算：,相应的垂直分布力为,在饱和软土中土的抗剪强度,地基极限承载力为,抗隆起的安全系数：,12.4.3 整体稳定性验算,坑底抗渗流稳定验算,地下水在岩土体孔隙中的运动称为渗流。地下水渗流按随时间变化规律可分为稳定流和非稳定流。稳定流为运动参数如流速、流向和水位等不随时间变化的地下水流动。反之，非稳定流。绝对意义上的稳定流并不存在，常把变化微小的渗流按稳定流进行分析。地下水渗流按运动形态可分为层流和紊流。层流指在渗流的过程中水的质点的运动是有秩序、互不混杂的。反之，称为紊流。层流服从达西定律，紊流服从Chezy 公式。,潜蚀,在黄土和岩溶等地区，渗透水流在较大的水力坡度下容易发生潜蚀。当土层的不均匀系数即d60/d10 10 时，易产生潜蚀；两种互相接触的土层，当两者的渗透系数之比k1/k22 时，易产生潜蚀；当水力坡度i5 时，水流呈紊流状态，即产生潜蚀。潜蚀的防治措施有加固土层如灌浆、人工降低地下水的水力坡度和设置反滤层等,流砂,流砂是指土体中松散颗粒被地下水饱和后，由于水头差的存在动水压力即会使这些松散颗粒产生悬浮流动的现象。克服流砂常采取如下措施：进行人工降水，使地下水水位降至可能产生流砂的地层以下；设置止水帷幕如板桩或冻结法用来阻止或延长地下水的渗径等,管涌,管涌是地基土在动水作用下形成细小的渗流通道，土颗粒不断流失而引起地基变形和失稳的现象。发生管涌的条件为：土中粗细颗粒粒径比D/d 10；土体的不均匀系数d60/d10 10；两种互相接触的土层渗透系数之比k1/k2 23；渗流梯度大于土体的临界梯度。,抗渗流稳定计算,任一点总水头H等于该点位置水头Z与该点水柱高度h之和,一点孔隙水压力u等于该点测压管水柱高度h与水的重度rw的乘积,渗流场存在水头损失，不同于静水状态,（a）H=0，无渗流,（b）H 0，有渗流,取c点为位置水头零点,rwhc,取粘土块进行分析,rwhc,渗流有水头损失,考虑安全系数,突涌,突涌是指在基坑底部存在承压水时开挖基坑时将减小含水层上覆不透水层的厚度，当它减小到临界值时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板的现象。其表现形式为：基坑顶裂，形成网状或树枝状裂缝，地下水从裂缝中涌出，并带出下部的土颗粒；基坑底部发生流砂，从而造成边坡失稳；基坑发生类似“沸腾”的喷水现象，使基坑积水，地基土扰动。,计算过程,因为：,所以：,k安全系数，取K1.43。,承压水属于静水状态,考虑安全系数,对粘土块受力分析：,防治管涌的措施有：增加基坑维护结构的入土深度以延长地下水的流线降低水力梯度；人工降低地下水位，改变地下渗流方向；在水流溢出处设置反滤层等。流砂和管涌的区别是：流砂发生在土体表面渗流逸出处，不发生于土体内部，而管涌既可发生在渗流逸出处，也可发生于土体内部,12.5 基坑工程的变形计算,尤其在建筑群中间，基坑设计的强度和稳定性仅是必要条件，很多场合主要控制条件是变形。基坑的变形计算比较复杂，而且不够成熟。有关基坑变形控制的要求可参见建筑基坑工程技术规范(YB92597)中的规定。基坑变形计算包括基坑坑底隆起或回弹计算及基坑围护墙外地层变形估算。,基坑变形受到的影响因素较多，在变形的计算中必须对这些影响加以考虑。基坑的变形计算理论能否较好地反映实际情况受到很多因素的制约，除围护体系本身及周围土体特性外，较多地受施工因素的影响，计算参数难以准确确定，每一个计算理论都有其适用范围，故计算中必须充分考虑到这一点。,基坑隆起或回弹变形既是基坑工程安全的重要指标，也是控制后建主体结构回弹再压缩变形的关键数据；基坑围护墙外地层变形是基坑工程环境保护的重要指标，也是评价基坑围护结构设计方案是否达到基坑安全等级要求的重要指标，基坑设计根据该指标提出周围环境的具体保护措施。,对于基坑变形的估算方法分为理论、经验算法和数值计算方法。理论、经验算法来自于对基坑变形机理的理论研究和多年来国内外基坑工程实测数据的统计。理论、经验方法适合于对基坑的变形做出快速估计并为基坑设计与施工中的变形控制提供理论和实测依据.,实用计算法：,基坑开挖时土体隆起量按下式计算,基坑再加荷沉降变形,12.5.2 基坑围护墙外土体沉降估算,基坑围护结构的变形形状同围护结构的形式、刚度、施工方法等都有着密切关系。Clough and Orourke(1990)将内支撑和锚拉系统的开挖所引致的围护结构变形型式归为三类，第一类为悬臂式位移；第二类为抛物线型位移；第三种为上述两种型态的组合。,当基坑开挖较浅，还未设支撑时，不论对刚性墙体(如水泥土搅拌桩墙，旋喷桩桩墙等)还是柔性墙体(如钢板桩，地下连续墙等)，均表现为墙顶位移最大，向基坑方向水平位移，呈悬臂式位移分布，随着基坑开挖深度的增加，刚性墙体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移。而一般柔性墙如果设支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内突出，即抛物线型位移,理论上有多道内支撑体系的基坑，其墙体变形都应为第三类组合型位移形式。但在实际工程中，深基坑的第一道支撑都接近与地表，同时大多数的测斜数据都是在第一道支撑施工完成后才开始测量，因此实测的测斜曲线其悬臂部分的位移较小，都接近于抛物线形位移。,对于墙趾进入硬土或风化岩层的围护结构，围护结构底部基本没有位移，而对于墙趾位于软土中的围护结构，当插入深度较小时，墙趾出现较大变形，呈现出“踢脚”形态。,墙体竖向变位,在实际工程中，墙体竖向变位量测往往被忽视，事实上由于基坑开挖土体自重应力的释放，致使墙体有所上升。但影响墙体竖向变形的影响因素较多，支撑、楼板的重量施加又会使墙体下沉。当围护墙底下因清孔不净有沉渣时，围护墙在开挖中会下沉，地面也下沉。因此在实际工程中出现墙体的隆起和下沉都是有可能的。围护结构的不均匀下沉会产生较大的危害，实际工程中就出现过地下墙不均匀下沉造成冠梁拉裂等情况。而围护结构同立柱的差异沉降又会使内支撑偏心而产生次生应力,坑底隆起变形,在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高(图7-3(a)，当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中部最大转变为两边大中间小的形式,12.5.2 基坑围护墙外土体沉降估算,经验计算方法首先结合工程经验假定坑外地表沉降曲线，然后根据地层损失相等的概念，即假定地表沉降槽的面积等于挡土墙水平变形与挡墙围成的面积相等。这样，只要计算得到墙体的变形，即可推算坑外地表的沉降曲线。,根据工程实践经验，地表沉降的两种典型的曲线形状如图7-5所示。三角形地表沉降情况主要发生在悬臂开挖或围护结构变形较大的情况下。凹槽形地表沉降情况主要发生在有较大的入土深度或墙底入土在刚性较大的地层内，墙体的变位类同于梁的变位，此时地表沉降最大值不是在墙的边缘，而是在距离墙一定距离的位置上。,（a）三角形（b）指数曲线（c）抛物线,三角形沉降曲线一般发生在围护墙位移较大的情况,地表沉降范围为：,围护墙的高度；,墙体所穿越土层的平均内摩擦角。,沉陷面积与墙体的侧移面积相等，可得：,指数曲线,习题,1.已知基坑开挖深度h=5m，基坑宽度较大，深宽比忽略不计。支护结构入土深度t=5m，坑侧地面荷载q=20kPa，土的重度18kN/m3,粘聚力c=10kPa，内摩擦角为零，不考虑地下水的影响。如果取承载力系数Nc=5.14，Nd=1，试计算抗隆起的安全系数k（侯学渊方法）。,习题2,习题2,习题3,习题4,某二级基坑场地中上层土为粘土，厚度为8m，重度为19kN/m2,其下为粗砂层，粗砂层中承压水水位位于地表下2.0m处，如保证基坑坑底抗渗流稳定性，基坑深度不宜大于多少米？（安全系数取1.1）,两个功能：一是挡土；二是止水。基坑支护分两类：支护型将支护墙（排桩）作为主要受力构件；支护型基坑支护包括板桩墙、排桩、地下连续墙等。在基坑较浅时可不设支撑，成悬臂式结构；当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚定系统；形成空间力系是发展方向。,加固型充分利用加固土体的强度。加固型包括水泥搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和树根桩等。,基坑侧壁安全等级及重要性系数,3.1 结构方案及选择3.1.1 结构类型,支护结构类型及其适用范围 表3-1,图31板桩,图3-2 组合挡土壁,图3-3 单排与双排桩支护结构,图3-4 接头管接头的施工程序a)开挖槽段；b)吊放接头管和钢筋笼；c)浇筑砼；d)拔出接头管；e)形成接头,3.1.2 支撑体系,支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成。,3.2 支护结构上的作用3.2.1 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。,图3-5 悬臂支护桩土压力分布,图3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 图3-7 柏林地道工程土压力实测图,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exit,主动土压力：被动土压力：,3.2.2 地面附加荷载传至n层土底面的竖向荷载qn,（1）地面满布均布荷载q0时，任何土层底面处：（2）离开挡土结构距离为a时,(3)作用在面积为 与挡土结构平行）的地面荷载，离开挡土结构距离时。,3.2.3 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。,对比,砂土简化计算，将水压力与土压力分别计算，并把水看作是：主动压力=静止压力=被动压力=h,3.3 排桩、地下连续墙,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。,3.3.1 悬臂式支护结构图,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3-10所示的计算简图。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。,悬臂exit,计算简图,据此求出嵌固深度hd,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,y剪力为零处即D点至基坑底的距离；悬臂梁上段结构柔性变形值,下段结构在弯矩Mmax作用下产生的转角,下段结构在弯矩Mmax作用下在D点产生的水平位移,上段结构柔性变形下段结构在作用下,3.3.2 单层支撑支护结构设计图,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。,图exit,用等值梁法计算单锚、单支支护结构：,图3-15 单层支点支护结构深度计算简图,（3）支点力TC1 可按下式计算：等值梁法，对反弯点：,（1）计算土压力（2）基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置,（4）,嵌固深度Hd 设计值可按下式确定:,（5）计算内力和配筋,单层支撑支护结构的最大弯矩:发生在剪力0处，应根据土压力平衡，求得处的位置y,可得Mmax。弯矩图可按静力平衡条件求得 可以分段配筋，也可以按最大弯矩断面通长配筋.,3.3.3 多层锚拉式支护结构设计,1)应根据分层挖土深度与每层锚杆设置的实际施工情况分阶段分层计算，这时假定下层挖土不影响上层锚杆计算的水平力；2)多层布置时，有等弯矩布置和等反力布置两种模式；3）悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计不宜小于；多支点支护结构嵌固深度设计值小于0.2 h时，宜取。,抗渗透稳定条件:,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、地下连续墙除应满足上述规定外，嵌固深度设计值尚应满足式抗渗透稳定条件:,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。,3.4 土层锚杆,土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中。,3.4.2 锚杆设计,1）锚杆承载力计算 2）锚杆杆体的截面面积,3）锚杆轴向受拉承载力设计值,（1）安全等级为一级及缺乏地区经验的二级基坑侧壁，应进行锚杆的基本试验，受拉抗力分项系数可取1.3。（2）基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经验时：,（3）.对于塑性指数大于17的粘性土层中的锚杆应进行蠕变试验。（4）锚杆预加力值（锁定值）应根据地层条件及支护结构变形要求确定，宜取为锚杆轴向受拉承载力设计值的0.500.65倍。（5）自由段计算长度,本讲要点,重点掌握悬臂式支护结构计算方法和计算要点；重点掌握单锚、单支支护结构计算方法和计算要点。掌握锚杆计算方法；理解多层支撑的计算原则；,3.6 水泥土墙设计,又称搅拌桩挡墙，利用一种特殊的搅拌头或钻头，钻进地基至一定深度后，喷出固化剂，与地基土强行拌和而形成的加固土桩体。Mixed-In-Place Method MIP(美国)Deep Mixing Method(日本)固化剂采用水泥或石灰；适用于加固淤泥质土、粘土；国外最大深度60m，国内1218m；特点：施工无震动、噪音、无废水泥浆；坑内无需支撑拉锚，优良的抗渗特性。支挡高度，国内最深9m;,水泥墙的结构形式,挡墙宽度为0.60.8开挖深度，桩长为开挖深度的倍。,3.6.1 土压力计算计算主动土压力和被动土压力3.6.2 抗倾覆计算3.6.3 抗滑移计算3.6.4 墙身应力验算3.6.5 整体稳定计算一般情况下，使墙体强度不成为设计的控制条件，而以结构和边坡的整体稳定控制设计。,1.土压力计算,墙后主动土压力,墙前被动土压力,2 抗倾覆计算 图,按重力式挡墙计算墙体绕前趾A的抗倾覆安全系数，不小于(1.01.1).,3 抗滑移计算,按重力式挡墙计算墙体沿底面滑动的安全系数：,4.墙身应力验算,墙体所验算截面处的法向应力剪应力按下式进行：,5 整体稳定计算k=1.25,整体稳定计算时，将滑动土体与搅拌桩挡墙视为一个整体考虑(常选在墙底下0.51.0米处)，采用圆弧滑动法计算图：,构造要求,格栅布置时，水泥土的置换率对于淤泥不宜小于0.8，淤泥质土不宜小于0.7，一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格栅长宽比不宜大于2；桩与桩之间的搭接宽度：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。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。搅拌桩挡墙设计计算实例（详见教材),3.7 土钉墙,土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成，形成一个以土挡土的重力式挡土墙。土钉墙自上而下施工，步步为营，土钉墙是靠土钉的相互作用形成复合整体作用。土层锚杆的失效影响较大，不应用于没有临时自稳能力的淤泥、饱和软弱土层。,图3-32 土钉墙应用领域a)托换基础;b)竖井的挡墙;c)斜面的挡土墙d)斜面稳定;e)和锚杆并用的斜面防护,1 土钉受拉承载力计算,受拉承载力,受拉荷载标准值,荷载折减系数,2 土钉墙承载力计算,采用简化圆弧滑动条分法,3 构