基坑方程-支护、监测.ppt

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1、二 支护结构的类型 支护结构由挡土结构、锚撑结构组成。 1. 基坑支护结构的分类 1) 桩、墙式支护结构 桩、墙式支护结构常采用钢板桩、钢筋混凝土板桩、柱列式灌注桩、地下连续墙等。,2) 实体重力式支护结构 实体重力式支护结构常采用水泥土搅拌桩挡墙、高压旋喷桩挡墙、土钉墙等。此类支护结构截面尺寸较大，依靠实体墙身的重力起挡土作用，按重力式挡土墙的设计原则计算。,2. 常用的支护结构形 1) 挡土结构的常用形式,三 、基坑工程特点 1. 综合性强 基坑工程涉及工程地质、土力学、渗流理论、结构工程、施工技术和监测设计等； 2. 临时性和风险性大 一般，基坑支护是临时措施，支护结构的安全储备较小，风

2、险大；,3. 地区性 各地区基坑工程的地质条件不同； 4. 环境条件要求严格 地质、施工因素复杂多变，气候、季节、周围水体均可产生重大变化。 四 基坑工程设计内容 1. 基坑支护结构设计的极限状态 基坑支护结构设计应满足两种极限状态的要求。,1) 承载能力极限状态 基坑工程的承载能力极限状态要求不出现以下各种状况。 (1) 支护结构的结构性破坏挡土结构、锚撑结构折断、压屈失稳，锚杆的断裂等 (2) 基坑内外土体失稳基坑内外土体整体滑动，坑底隆起，结构倾倒或踢脚等破坏形式。 (3) 止水帷幕失效坑内出现管涌、流土或流砂。,2) 正常使用极限状态 基坑的正常使用极限状态，要求不出现以下各种状况。

3、(1) 基坑变形影响基坑正常施工、工程桩产生破坏或变位；影响相邻地下结构、相邻建筑、管线、道路等正常使用。 (2) 影响正常使用的外观或变形。 (3) 因地下水抽降而导致过大的地面沉降。,2. 基坑支护结构的设计内容 (1) 支护结构体系的选型及地下水控制方式。 (2) 支护结构的强度和变形计算。 (3) 基坑内外土体稳定性计算。 (4) 基坑降水、止水帷幕设计。 (5) 基坑施工监测设计及应急措施的制定。 (6) 施工期可能出现的不利工况验算。,以上设计内容，可以分成三个部分： 支护结构的强度变形和基坑内外土体稳定性设计； 对基坑地下水的控制设计； 施工监测，包括对支护结构的监测和周边环境的

4、监测。,第二节 基坑工程设计 2.3.1 支护结构设计的荷载及其组合 (1) 土压力。 (2) 水压力(静水压力、渗流压力、承压水压力)。 (3) 基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力。 (4) 温度应力。 (5) 临水支护结构的波浪作用力和水流退落时的渗透力。 (6) 作为永久结构时的相关荷载。其中，对一般支护结构，其荷载主要是土压力、水压力。,1. 土压力与水压力 1) 静止土压力 静止土压力标准值，可按下式计算： e 0ik（ j hj + q ） K0i 式中： e 0ik 计算点处的静止土压力标准值 (kN/m2)； j 计算点以上第j 层土的重度(kN/m3) ，地下水位以上取

5、天然重度，地下水位以下取浮重度； hj计算点以上第j 层土的厚度(m)； q地面的均布荷载(kN/m2)； K0i计算点处的静止土压力系数，宜由试验确定。,2) 主动土压力和被动土压力 可按朗肯公式或库仑公式；坑边有超载情况下土压力的计算，以及朗肯公式、库仑公式参见土力学教材。 3) 水土分算法 按朗肯理论计算主动与被动土压力强度时，按下式计算：,4) 水土合算法 eaikj hj+q）Kai-2ciKai1/2 epikj hj+q）Kpi+2ciKpi1/2 式中：eaik、epik计算点处的主动、被动土压力标准值(kN/m2)，当eaik0 时eaik =0； q地面均布荷载(kN/m2

6、)； j 计算点以上第j 层土的重度(kN/m3) ， hj第j 层土的厚度(m)； w 水的重度(kN/m3)； Kai、Kpi计算点处的朗肯主动、被动土压力系数，Kai=tan2(45i/2)，Kpi=tan2(45+i/2)； ci、i计算点处土的总应力抗剪强度指标,5) 渗流作用对土压力的影响 在基坑内外存在地下水位差，墙后土体的渗流作用，应通过流网分析计算，计算过程比较繁琐; 其综合作用为：坑外主动区总的水、土压力值减小，这对支护结构的受力来说是有利的；坑内被动区总的水、土压力值仍为减小，这对基坑的稳定性是不利的。,1. 极限平衡法 极限平衡法假设基坑外侧土体处于主动极限平衡状态，基

7、坑内侧土体处于被动极限平衡状态，桩在水、土压力等侧向荷载作用下满足平衡条件。常用的有：静力平衡法和等值梁法。静力平衡法和等值梁法分别适用于特定条件；另外，静力平衡法和等值梁法计算支 护结构内力时假设：(1) 施工自上而下；(2) 上部锚杆内力在开挖下部土时不变；(3) 立柱在锚杆处为不动点。,1) 静力平衡法计算悬臂式支护结构 悬臂式支护桩主要靠插入土内深度形成嵌固端，以平衡上部土压力、水压力及地面荷载形成的侧压力。 静力平衡法假设支护桩在侧向荷载作用下可以产生向坑内移动的足够的位移，使基坑内外两侧的土体达到极限平衡状态。悬臂桩在主动土压力作用下，绕支护桩上某一点转动，形成在基坑开挖深度范围外

8、侧的主动区及在插入深度区内的被动区，如图2.5 所示,对上述计算图形，H.Blum 建议以图2.6 的图形代替。在插入深度达到旋转点以下部分的作用以一个单力Rc 代替，在满足绕桩脚C 点H 0， c M 0 的条件，求得悬臂桩所需的极限嵌固深度。 支护桩的设计长度L 按下式计算： L=h+x+Kt (2-7) 式中：h基坑深度； x坑底至桩上土压力为零点的距离； K经验系数，H.Blum 建议K1.2。,由图2.6 所示的计算简图即可求得桩身各截面的内力，最大弯矩的位置在基坑底面以下，可根据剪力为零的条件确定。 2) 静力平衡法计算锚撑挡土结构 挡土结构入土深度较小或坡脚土体较软弱时，可视挡土

9、结构下端为自由端，用静力平衡法计算插入深度、内力(如图2.7 所示)。,立柱入土深度可按下式计算： D= Dmin (2-10) 式中：D立柱入土深度(m)； 增大系数，对一、二、三级边坡分别为1.5、1.4、1.3； Dmin挡墙最低一排锚杆设置后，开挖高度为边坡高度时立柱的最小入土深度(m)。 立柱的内力可根据锚固力和作用于支护结构上侧压力按常规方法计算。,3) 等值梁法计算锚撑挡土结构 挡土结构入土深度较大或为岩层或坡脚土体较坚硬时，可视立柱下端为固定端，用等值梁法计算插入深度、内力。 对单支点支护桩，如图2.8(d)所示，在BC 段中弯矩图的反弯点D 处切断，并在D 处设置支点形成AD

10、 梁，则AD 梁的弯矩将保持不变。因此AD 梁即为AC 梁上AD 段的等值梁。,反弯点的位置通常与基坑底面下土压力等于零的位置相近，因此应用等值梁法计算时常以土压力为零的位置代替，如图2.8(b)、图2.8(c)所示。 等值梁法计算单支点支护桩的步骤如下。,如图2.8(b)、图2.8 (c)所示，先求得土压力为零点的D 点的位置，得等值梁AD，求得简支梁AD 的支座反力TA 及Pd。将DC 段视为一简支梁，下部嵌固作用以一个单力Rc 代替，由图2.8(b)按Pd 对C 点的力矩等于DC 段上作用的土压力对C 点的力矩的条件求得x 值，临界插入深度t0 即可求得。 对多支点支护桩的等值梁法计算(

11、如图2.9 所示)，原理同等值梁法计算单支点支护桩。,1.3.3 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。,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 (2-42) 式中：MR抗滑力矩； MS滑动力矩。,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

12、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(如图2.16 所示)，可按下式计算。,对于地下连续墙、重力式支护结构d+d1.0m。 当滑动弧面切于锚杆时，应计入弧外锚杆抗拉力对圆心产生的抗滑力矩。 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2.17 所示。,。, 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。 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2.18所示。,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

13、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。,湖北工业大学土木与建筑学院,桩墙式锚撑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2.19所示。,3. 基坑底隆起稳定性验算 对饱和软黏土，抗隆起稳定性的验算是基坑设计的一个主要内容。基坑底土隆起，将会导致支护桩后地面下沉，影响环境安全和正常使用。隆起稳定性验算的方法很多。可按地基规范推荐的以下条件进行验算(如图2.20 所示)：,4. 渗流稳定性验算 当渗流力(或动水压力)大于土的浮重度时，土粒则处于流动状态，即流土(或流砂)。当 坑底土上部为不透水层，坑底下部某深度处有承压水层时，应进行承压水对坑底土产生

14、突涌稳定性验算，如图2.22 所示。,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2.21 所示。 2) 突涌稳定性验算 按下式验算，如图2.22 所示。,1.3.4 内支撑的内力与截面计算 内支撑结构的常用形式有平面支撑体系和竖向斜撑体系。 一般情况下应优先采用平面支撑体系，对于开挖深度不大、基坑平面尺度较大或形状比较复杂的基坑也可以采用竖向斜撑体系。,一般情况下，平面支撑体系应由腰梁、水平支撑和立柱三部分构件组成。竖向斜撑体系通常由斜撑、腰梁和斜撑基础等构件组成；当斜撑长度大于15m 时，宜在斜撑中部设置立柱。 1. 作用在支撑系统上的荷载

15、及内力分析 1) 荷载 作用在支撑结构上的水平力包括由水、土压力和坑外地面荷载引起的支护桩对腰梁的侧压力; 作用在支撑结构上的竖向荷载应包括结构自重和支撑上可能产生的施工活荷载。,2) 内力分析方法 (1) 形状比较规则的基坑，并采用相互正交体系时，可采取以下简化计算方法： 在水平荷载作用下，现浇混凝土腰梁的内力与变形可按多跨连续梁计算。 (2) 平面形状较为复杂平面支撑体系，宜按平面框架模型计算。,2. 支撑系统构件截面设计 1) 腰梁 腰梁的截面承载力计算，一般情况下可按水平方向的受弯构件计算。 2) 支撑 支撑截面设计应按偏心受压构件计算。,3) 立柱 立柱的截面设计应按偏心受压构件计算

16、，开挖面以下立柱的竖向承载力可按单桩竖向和水平承载力验算。,4) 竖向斜撑 竖向斜撑体系应验算以下内容。 (1) 预留土坡的稳定性验算。 (2) 斜撑截面承载力，近似按轴心受压构件验算，受压计算长度(不设立柱时)取支撑全长。 (3) 围檩截面承载力验算，同水平支撑体系的围檩验算方法。 (4) 斜撑基础验算，按天然地基上的浅基础的设计方法验算其竖向承载力。 (5) 基础压杆可近似按轴心受压构件验算截面承载力。,1.5 基坑工程监测 1.5.1 概述 1. 基坑工程监测的目的、必要性 检验实际与理论(或预测)的符合性，判断工程的安全性；优化设计(包括参数、理论)， 指导后续工程。 2. 基坑工程监

17、测项目与方法概述,1.6 基坑工程试验 1.6.1 锚杆试验 常用的锚杆试验有基本试验(测锚固体与岩土层粘结强度)、验收试验(检验施工是否符合设计)、蠕变试验(测量软土中锚杆随时间推移而应力下降、变形加大的量值)，其他,锚杆试验尚有：群锚效应试验(锚杆间距很小小于10D 或1m 时做，D钻孔直径)、抗震耐力试验、常规性试验(如材料强度、锚头试验等)。锚杆试验在锚固体灌浆强度达到设计强 度的90%后进行。本书介绍前三种试验。,需多次替换，故应选择使用行程较大者。试验时必须确认变位量测装置在不受拉力影响范 围。由于试验时所加的拉力很大，要考虑材料不均、压力计误差等不确定因素而造成拉杆 断裂，预先做

18、好防备或安全的措施。,1. 基本试验 基本试验主要目的是确定锚固体与岩土层间粘结强度特征值、锚杆设计参数和施工工艺；在以下情况必须做：采用新工艺、新材料或新技术的锚杆，无锚固工程经验的岩土层内的锚杆，一级边坡工程的锚杆。 1) 试验设备 试验设备主要有加载装置、量测装置及反力装置三部分。 加载装置一般采用穿心式液压千斤顶，如粗钢筋用YC-60 千斤顶，单根钢绞线和75钢丝束张拉用YC20D 千斤顶、以及YCDl20、YCQ100 型千斤顶等。油泵可采用A6-400型高压油泵以及与YCQ 配套用双油路2B4/500 型电动超高压油泵等。千斤顶与高压油泵在锚杆外端施加压力。千,斤顶或油泵的容量应为计划最大设计荷载的120%以上，并以能确保足够的行程者为佳。 千斤顶的反力设置在横梁上，钢梁支点设在山坡面上或为拉拔试验专用的挡墙上。拉力量测一般可用连接于油泵的压力表或用荷载盒(自动控制油压的装置)量测；变位量测可用电测位移计、百分表、挠度计等。由于土锚的变位量测有时会相当大，用百分表。,