.,常見基坑圍護結構,.,本章內容,1,2,3,4,5,概述基坑工程的設計內容基坑圍護結構的內力計算,基坑穩定性驗算基坑工程的變形計算,6,常見圍護結構及其構造設計,.,概述：大量的基坑工程伴隨著城市高層建筑的發展大量出現。國外，圓形基坑的深度已達74m(日本)，直徑最大的達98m(日本)，而非圓形基坑的深度已達到地下層（法國）。國內，上海88層的金茂大廈，基坑平面尺寸為170m150m，基坑開挖深度達到19.5m。上海的匯京廣場，圍護結構與相鄰建筑最近的距離僅40cm。而無支撐基坑的開挖深度也已達到了9m。,1.概述,.,.,1.概述,1、基坑支護的目的（1）確保基坑開挖和基礎結構施工安全、順利；（2）確保基坑臨近建筑物或地下管道正常使用；（3）防止地面出現塌陷、坑底管涌發生。2、基坑支護的作用擋土、擋水、控制邊坡變形。3、基坑工程的基本技術要求（1）安全可靠性；（2）經濟合理性；（3）施工便利性和工期保證性。,.,1.概述,基坑工程具有以下特點：l）建筑趨向高層化，基坑向大課度方向發展；2）基坑開挖畫積大，長度與寬度有的達數百米，給支撐系絞帶來較大的難度；3）在軟弱的上層中，基坑開挖會產生較大的位移和沉降，對周圍建筑物、市政設施和地下管線造成影響；深基坑施工工期長、場地狹窄，降雨、重物堆放等對墓坑穩定性不利；5在相鄰場地的施工中，打樁、降水、挖土及基礎澆注混凝土等工序會相互制約與影響，增加協調工作的難度。,.,基坑圍護結構通常分兩類：樁墻式圍護體系將支護墻（排樁）作為主要受力構件；樁墻式圍護體系包括板樁墻、排樁、地下連續墻等。重力式圍護體系充分利用圍護結構的重力。如重力式水泥土擋墻。,1.概述,.,（1）無圍護放坡開挖；,（2）樁墻支護：它由樁墻結構及支護結構兩部分組成，樁墻結構有鋼板樁、板樁墻、灌注樁排、地下連續墻；支護結構類型有內支撐式、外拉錨桿式、地面錨定式、無錨式等。（3）重力式支護結構：軟土地基可用深攪樁、旋噴樁、樹根樁等形成重力式的擋土結構。,1.概述,.,（5）開槽施工法：與中央開挖施工法施工正好相反，先在坑內周邊挖槽，用內支撐板樁墻法修筑周邊的基礎工程，形成一道重力式擋土墻，再挖除擋土墻內的全部土體，構筑中央部分的基礎工程。（6）墻前被動區土體加固法：對于軟土地基深大基坑，為控制擋墻側向位移，降低護樁的入土深度，在基坑開挖前用深攪樁、旋噴法對墻前土體進行加固，加固深度36m，寬度59m。,（4）中央開挖施工法：先施工基坑四周排樁，樁內放坡開挖后施工中央部分基礎工程，待完工后再挖除排樁內側土體，邊挖邊用支撐桿將支護排樁與中央部分基礎工程支撐起來，最后再施工周邊基礎工程。,1.概述,.,（7）逆作法；（8）沉井法；（9）土釘墻支護；（10）組合型支護。兩種以上的支護方法組合起來使用，既能保證支護結構的安全又降低成本。如上部放坡，下部樁墻錨桿支護；錨桿與土釘組合；深攪樁與灌注樁排組合；深攪樁中打入H鋼樁組合支護等。,1.概述,.,.,結構類型,支護結構類型及其適用范圍表3-1,.,板樁,1.概述,.,組合擋土壁,1.概述,.,單排與雙排樁支護結構,1.概述,.,支撐體系,.,1.概述,.,1.概述,.,1.概述,.,1.概述,.,1.概述,12.1.2基坑圍護結構設計的特點1.外力的不確定性；2.變形的不確定性；3.土性的不確定性；4.一些偶然變化所引起的不確定因素。,.,2.基坑工程的設計內容,基坑工程的設計內容包括：環境調查及基坑安全等級的確定，圍護結構選型，圍護結構設計計算，節點設計，井點降水、土方開挖方案以及監測要求等。,.,2.基坑工程的設計內容,.,2.基坑工程的設計內容,基坑圍護結構設計所需的基本資料主要有：工程水文地質資料；場地環境資料；所建工程的地下室結構、基礎樁基圖紙等；與施工條件有關的資料。,.,基坑圍護結構安全等級及重要性系數,2.基坑工程的設計內容,.,2.基坑工程的設計內容,圍護結構的選擇和布置圍護結構的選擇的原則：基坑圍護結構的構件在一般情況下不應超出工程用地范圍；基坑圍護結構的構件不能影響主體工程結構構件的正常施工；盡可能采用受力性能較好的圓形、正多邊形和矩形。,.,2.基坑工程的設計內容,.,2.基坑工程的設計內容,圍護結構設計計算通過設計計算確定圍護結構構件的內力和變形，據以驗算截面承載力和基坑位移。設計計算必須按不同施工階段的特征分別進行驗算，同時應考慮前一種工況對后面各種工況內力和變形的影響。,.,2.基坑工程的設計內容,圍護結構穩定性驗算基坑邊坡總體穩定演算；圍護墻體抗傾覆穩定驗算；圍護墻底面抗滑移驗算；基坑圍護墻前抗隆起穩定驗算；抗豎向滲流驗算；基坑周圍地面沉降及其影響范圍的估計。均與圍護墻的插入土深度有關。,.,2.基坑工程的設計內容,節點設計合理的節點構造應符合以下條件：方便施工；節點構造與設計計算模型中的假設條件一致；節點構造應起到防止構件局部失穩的作用；盡可能減少節點自身的變形量；與整體穩定相關的節點應設置多道防線，同時要具有良好的節點延性。,.,2.基坑工程的設計內容,其他土工問題井點降水井點降水的作用是：1）通過降低地下水位消除基坑坡面及坑底的滲水，改善施工作業條件；2）增加邊坡穩定性，防止坡面和基底的土粒流失，以避免流砂現象；3）降低水位，防止坑底隆起與破壞；4）改善基坑的砂土特性，加速土的固結。降水的方法有集水明排和井點降水兩類。,.,.,2.基坑工程的設計內容,土方開挖其中最重要的要求是每階段的開挖深度與相應設計工況的計算模型一致。強調先支撐后開挖的原則。監測內容有以下幾個方面：圍護結構主要構件的內力和變形基坑周圍土體的變形，邊坡穩定及地下水的變化和空隙水壓力的測定等；對周圍環境中需要保護的對象進行專門內容的觀察和測定。,.,3基坑圍護結構的內力計算,深基坑支護結構內力計算是個古老的傳統課題，同時又是一個綜合性的。它既涉及土力學中典型的強度與穩定問題，又包含了變形問題，同時還涉及到土與支護結構的共同作用問題。地基反力系數是一個必須首先確定的參數。主要由地質條件決定，與承力面積和深度也有關系，其值最好通過試驗求得。計算模型見表12-6,.,3基坑圍護結構的內力計算,計算原則：一般考慮樁土共同作用的彈性地基梁上的桿系或框架模型，根據施工過程中發生的實際工況分布進行計算，同時考慮施工工況引起結構的先期位移值以及支撐變形的影響或采用荷載增量法進行計算，即所謂“先變形，后支撐”的原則。,.,3基坑圍護結構的內力計算,計算模型：樁土共同作用模型水平支點力計算支護結構的嵌固深度分析,.,3基坑圍護結構的內力計算,樁（墻）內力的計算分析方法（一）彈性地基桿系有限單元法常用方法，一般過程如下：結構理想化：根據其結構受力特性，理想化為桿系單元；結構離散化：按豎向劃分成有限元單元。擋土結構的節點應滿足變形協調條件；單元所受荷載和單元節點位移之間的關系，以單元的勁度矩陣確定。根據靜力平衡條件列出平衡方程求解。,.,3基坑圍護結構的內力計算,（二）擋土結構的有限元法廣泛應用。這里介紹“彈性桿系有限元法”支撐體系平面框架計算在工程中將圍護結構中的支撐體系在結構上設計成一個水平的封閉框架。,.,3基坑圍護結構的內力計算,作用在基坑結構上的荷載作用于支護結構上的荷載主要有：l）土壓力；2）水壓力；3）影響區范圍內建筑物、結構物荷載；4）施工荷載：汽車、吊車及場地堆載等；5）若支護作為主體結構的一部分時，應考慮地震力；6）溫度影響和混凝土收縮引起的附加荷載,.,主動土壓力和被動土壓力的產生，前提條件是支護結構存在位移；當支護結構沒有位移時，則土對支護結構的壓力為靜止土壓力。土壓力的分布與支點的設置及其數量都有關系；懸臂支護樁土壓力的實測值與按朗肯公式計算值的對比，非挖土側實測土壓力小于朗肯主動土壓力，即計算結果偏大。,3基坑圍護結構的內力計算,.,3基坑圍護結構的內力計算,.,圖3-5懸臂支護樁土壓力分布,3基坑圍護結構的內力計算,.,圖3-6芝加哥深基坑土壓力實測圖圖3-7柏林地道工程土壓力實測圖,3基坑圍護結構的內力計算,.,基坑底樁前土壓力計算取值基坑底樁前土抗力常采用的是Rankine公式計算，由于計算出來的被動土壓力是以極限狀態為前提的，當被動土壓力達到理論計算值時，其圍護結構的變形位移將很大，一般達到坑深或樁墻高度的5%，這么大的變形位移是基坑支護結構所不能允許的。因此，對于基坑支護被動土壓力計算中，一般取其折減系數=0.30.5。護樁與土體間的摩擦作用樁墻支護結構在土壓力作用下發生變形變位時，護樁和土體之間有相對位移而產生摩擦力，摩擦力將使樁墻后的主、被動土壓力減小；相反確使樁墻前面的被動土壓力增大。為此進行支護結構設計時應考慮樁墻與土體的摩擦作用，即將墻前、后的被動土壓力乘以修正系數.,3基坑圍護結構的內力計算,.,但為慎重起見對主動土壓力可不進行折減。一般使墻前被動土壓力增大的修正系數可取K=1.52.8；使墻后被動土壓力減小的修正系數可取K=1.00.35。修正系數與土的內摩擦角有關，值越大，修正系數K越大,而K越小。實際工程設計計算中，為簡化起見，既不進行被動土壓力理論計算值的折減，也不進行因摩擦作用而使墻前被動土壓力增大的修正。,3基坑圍護結構的內力計算,.,土的內聚力C、內摩擦角值可根據下列規定適當調整：在井點降低地下水范圍內，當地面有排水和防滲措施時，值可提高20%；在井點降水土體固結的條件下，可考慮土與支護結構間側摩阻力影響，將土的內聚力c提高20%。,3基坑圍護結構的內力計算,.,主動土壓力：被動土壓力：,3基坑圍護結構的內力計算,.,地面附加荷載傳至n層土底面的豎向荷載qn,（1）地面滿布均布荷載q0時，任何土層底面處：（2）離開擋土結構距離為a時,3基坑圍護結構的內力計算,.,(3)作用在面積為與擋土結構平行）的地面荷載，離開擋土結構距離時。,3基坑圍護結構的內力計算,.,水壓力,水壓力，主要根據土質情況確定如何考慮水壓力的問題。對于粘性土，土壤的透水性較差，此粘性土產生的側向壓力可采用水土合算的方法，即側壓力為相應深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側壓力系數。對于砂性土，采用水土分算，即側壓力為相應深度處豎向土壓力乘以側壓力系數與該深度處水壓力之和。,3基坑圍護結構的內力計算,.,對比,砂土簡化計算，將水壓力與土壓力分別計算，并把水看作是：主動壓力=靜止壓力=被動壓力=h,3基坑圍護結構的內力計算,.,地下水無滲流時的水壓力,3基坑圍護結構的內力計算,.,地下水有穩態滲流時的近似水壓力,3基坑圍護結構的內力計算,.,3基坑圍護結構的內力計算,.,4基坑穩定性驗算,在實際工程中，僅進行內力分析是不夠的，還需要進行基坑穩定性驗算。常見的基坑失穩的表現形式有：整體失穩破壞；承載力不足導致的破壞；基底滑動破壞；基底潛蝕、管涌；滲流；支擋結構破壞；被動土壓力喪失等。,.,4基坑穩定性驗算,.,4基坑穩定性驗算,.,4基坑穩定性驗算,邊坡穩定指防止基坑邊坡上的部分土體脫離整體而沿著某一個面向下滑動所需要的安全度。在放坡開挖的基坑中、沒有支護結構的基坑中、地基深處存在軟弱土層時都需要控制邊坡穩定。,.,1.砂性土的邊坡穩定：基坑抗滑安全系數考慮動水壓力時：2.粘性土的邊坡穩定邊坡的滑動面近似于圓弧，通常采用條分法。具體計算過程見“土力學”。,4基坑穩定性驗算,.,基坑抗隆起穩定：（一）圓弧滑動抗隆起穩定驗算地基土達到極限平衡時的滑動面形狀在軟土中可能很接近圓弧。,4基坑穩定性驗算,滑動力矩：,.,4基坑穩定性驗算,滑動力矩：,.,基坑抗隆起穩定：（二）地基極限承載力驗算。由于墻后土體下沉，使墻后土在豎直面上的抗剪強度得以發揮，從而檢驗D值是否合適：,4基坑穩定性驗算,.,4基坑穩定性驗算,.,整體穩定性驗算：基坑的整體失穩是指邊坡土體與支護結構一起失去穩定并在土體中產生滑裂面的情況。,4基坑穩定性驗算,.,基坑的整體失穩在下列情況常常發生，因而要進行驗算。自然放坡的邊坡(見前面邊坡穩定性驗算)。重力式擋土支護。錨桿支護體系。土釘支護體系。驗算方法都是檢驗滑動面上的滑動力矩與抗滑力矩的平衡情況，只是由于擋墻或錨桿的存在限制了滑動面的位置，從面產生不同類型支護結構驗算方面的少許差別。,4基坑穩定性驗算,.,重力式支護結構整體穩定核算驗算方法及搜索最危險滑動面的方法按上面自然放坡情況，采用相同的方法，只是滑動面通過擋墻的邊角。另一種假設是假定滑動面可以通過墻身，這時應在抗滑力矩中加入墻身抗剪力所產生的力矩，,4基坑穩定性驗算,.,錨桿支護結構的整體穩定驗算。錨桿支護基坑的整體失穩可有二種情況。(1)破壞面通過錨桿尾端，形成一個近于圓弧的滑面。(2)錨桿被滑動面切過，土體內形成折線構成的破壞面。,4基坑穩定性驗算,.,驗算方法按Kranz提出的代替墻法，假定滑動面由垂線dc與斜線bc組成，c點是錨桿錨固段的中點。dc代替墻。,4基坑穩定性驗算,.,土釘墻的整體穩定校核：土釘墻的穩定分析對其設計極為重要，方法大體上分為極限平衡法與有限元法二類，但以前者用的多，極限平衡法中的各法在滑動面形狀及土釘力的假定方面又各不相同。,4基坑穩定性驗算,.,坑底抗滲流穩定驗算進行基坑降水時，由于基坑外水位差，導致基坑外的地下水繞過圍護墻的下端向基坑內滲流。從而形成管涌或流砂。抗滲流穩定驗算的基本原則是使基坑內土體的有效壓力大于地下水向上的滲流壓力。,4基坑穩定性驗算,.,教材圖12-14是Terzaghipeck方法的計算簡圖。（12-19）由此推得：考慮到平均超靜水頭ha是個變化值，進行簡化處理后得到：(12-22)式中：k應取大于1.2；h1取開挖面以上至透水性良好的土層底面之間得距離。,4基坑穩定性驗算,.,承壓水的影響如果坑底粘性土下面存在超靜水壓力，有可能使開挖面上抬，或者形成管涌現象，從而導致基坑外得周圍地面下沉。為此，需要坑底黏土有一定的厚度t。通過圖12-15可算得：引入安全系數后有：式中K安全系數，取K1.43,4基坑穩定性驗算,.,12.5.1基坑坑底隆起計算坑底隆起的原因大致有：土方開挖后土的卸荷回彈產生的隆起；坑外土向境內的塑性流動產生的降起；承壓水頂起隔水層產生的隆起等。坑底土好時，以回彈產生的隆起為主；土質較軟時塑流引起的隆起為主。卸荷回彈可以用再壓縮模量計算，僅多數情況下因實際回彈與塑流的隆起常不可分，又因支護深入基坑以下，有抑制卸荷回彈的作用等原因，計算值必將與實測值有些差異。,5基坑工程的變形計算,.,（一）實用計算方法（二）同濟大學模型試驗經驗公式（12-27）由已知基底容許隆起量時求墻體入土深度：（12-28）,5基坑工程的變形計算,.,上表是上海地區基坑回彈的實測與計算的比較。內表列結果可見回彈值與開挖深度H之比小于1。實測值與計算值的差異也不算太大。可以推知坑底比較穩定，土處于彈件變形階段。,5基坑工程的變形計算,.,基坑圍護墻外土體沉降估算一般采用由基坑擋土墻的水平位移推算的方法。,5基坑工程的變形計算,.,經驗計算方法首先結合工程經驗假定坑外地表沉降曲線，然后根據地層損失相等的概念，即假定地表沉陷槽的面積等于擋土墻水平變形與擋墻圍成的面積相等。三角形沉降曲線式中：SW:墻體側位移2.指數曲線最大沉降量：,5基坑工程的變形計算,.,土層錨桿,土層錨桿是一種埋入土層深部的受拉桿件，它一端與構筑物相連，另一端錨固在土層中。,6常見圍護結構構造設計,.,錨桿設計,1）錨桿承載力計算2）錨桿桿體的截面面積,6常見圍護結構構造設計,.,3）錨桿軸向受拉承載力設計值,（1）安全等級為一級及缺乏地區經驗的二級基坑側壁，應進行錨桿的基本試驗，受拉抗力分項系數可取1.3。（2）基坑側壁安全等級為二級且有鄰近工程經驗時：,6常見圍護結構構造設計,.,（3）.對于塑性指數大于17的粘性土層中的錨桿應進行蠕變試驗。（4）錨桿預加力值（鎖定值）應根據地層條件及支護結構變形要求確定，宜取為錨桿軸向受拉承載力設計值的0.500.65倍。（5）自由段計算長度,6常見圍護結構構造設計,.,6常見圍護結構構造設計,45+k/2,.,土釘墻,土釘墻由被加固土體、放置在土中的土釘體和噴射砼面板組成，形成一個以土擋土的重力式擋土墻。土釘墻自上而下施工，步步為營，土釘墻是靠土釘的相互作用形成復合整體作用。土層錨桿的失效影響較大，不應用于沒有臨時自穩能力的淤泥、飽和軟弱土層。,6常見圍護結構構造設計,.,圖土釘墻應用領域a)托換基礎;b)豎井的擋墻;c)斜面的擋土墻d)斜面穩定;e)和錨桿并用的斜面防護,6常見圍護結構構造設計,.,1土釘受拉承載力計算,受拉承載力,受拉荷載標準值,荷載折減系數,6常見圍護結構構造設計,.,2土釘墻承載力計算,采用簡化圓弧滑動條分法,6常見圍護結構構造設計,.,3構造,土釘墻墻面坡度不宜大于1：0.1；噴射混凝土面層宜配置鋼筋網，鋼筋直徑宜為610mm，間距宜為150300mm；噴射混凝土強度等級不宜低于C20，面層厚度不宜小于80mm；土釘鋼筋宜采用、級鋼筋，鋼筋直徑宜為1632mm，鉆孔直徑宜為70120mm；,6常見圍護結構構造設計,.,水泥土墻設計,又稱攪拌樁擋墻，利用一種特殊的攪拌頭或鉆頭，鉆進地基至一定深度后，噴出固化劑，與地基土強行拌和而形成的加固土樁體。Mixed-In-PlaceMethodMIP(美國)DeepMixingMethod(日本)固化劑采用水泥或石灰；適用于加固淤泥質土、粘土；國外最大深度60m，國內1218m；特點：施工無震動、噪音、無廢水泥漿；坑內無需支撐拉錨，優良的抗滲特性。支擋高度，國內最深9m;,6常見圍護結構構造設計,.,水泥墻的結構形式,擋墻寬度為0.60.8開挖深度，樁長為開挖深度的1.8-2.2倍。,6常見圍護結構構造設計,.,3.6.1土壓力計算計算主動土壓力和被動土壓力3.6.2抗傾覆計算3.6.3抗滑移計算3.6.4墻身應力驗算3.6.5整體穩定計算一般情況下，使墻體強度不成為設計的控制條件，而以結構和邊坡的整體穩定控制設計。,6常見圍護結構構造設計,.,1.土壓力計