作用于支护结构的荷载.ppt

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1、深基坑工程 王志斌 湖南科技大学城市地下工程系 深 基 坑 工 程 2011年 8月 深基坑工程 第二章 作用于支护结构的荷载 一、荷载分类 荷载分类 永久荷载：土体自重、土压力 可变荷载：汽车、吊车、堆载 偶然荷载：地震力、爆炸力、撞击力 1.荷载分类 深基坑工程 2.作用于支护结构上的荷载 作用于支护 结构的荷载 土压力 建筑物、结构物荷载 支护结构为主体一部分，考虑地震力 水压力 施工荷载 温度引起的附加荷载 3.基坑设计基本要求 （ 1）承载能力极限状态：支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变 形导致支护结构和周边环境破坏。 （ 2）正常使用极限状态：支护结构的变形妨碍地下结构施工

2、，或者影响周 边环境的正常使用功能。 支护结构均应进行承载能力极限状态的设计计算，一级基坑和对变形有 限定的二级基坑，还要进行支护结构和周边环境的变形计算。 深基坑工程 二、土压力 建筑物 填土 挡土墙 地下室 地下室 外墙 桥台 道路 挡土墙 深基坑工程 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

3、 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%。 深基坑工程 1.静止土压力 z z 0 x Kz 1z z 0 1 0 xy K K z z 地下室 外墙 00Kz 静止土压力强度 （ kN/m2) )10( 0 K （经验公式） 0 1 s inK 静止土压力合力大小 H 0KH P0 00 1 2P K H H 2 00 1 2P K H (kN/m) H/3 三角形形心处，距底面 H/3处 或查表 0 K0 静止土压力系数 作用点位置 深基坑工程 2.主动土压

4、力（无粘性土） z z aaKz z H aKH Pa H/3 墙体移动方向（离开土体） Ka 主动土压力系数 ， KaK0 1 2aaP K H H 212aaP K H 三角形形心处，距底面 H/3处 方向 水平 作用点位置 主动土压力合力大小 深基坑工程 3.被动土压力（无粘性土） z z ppKz z H pKH Pp H/3 墙体移动方向（挤压土体） Kp 被动土压力系数。 KaK0Kp 1 2ppP K H H 21 2ppP K H 三角形形心处，距底面 H/3处 方向 水平 作用点位置 被动土压力合力大小 深基坑工程 4.主动土压力、被动土压力、静止土压力关系 土压力 P 位移

5、 a p Pa P0 Pp PaP0Pp 深基坑工程 5.朗肯土压力理论 假设： 墙背垂直、光滑、 墙后填土水平。 f vvK0vaK vpK 深基坑工程 2 13 ta n 45 2 ta n 4522c 2 0( ) t a n 45 2 t a n 4522a z p c 2 31 ta n 45 2 ta n 4522c 主动土压力强度 0( ) 2a a az p K c K 主动土压力系数 2t a n 45 2aK 2 0( ) t a n 45 2 t a n 4522p z p c 被动土压力强度 0( ) 2p p pz p K c K 被动土压力系数 2ta n 4 5

6、2pK 极限平衡条件 （ 1）主动土压力 深基坑工程 ,c H p0 A B A点 2ta n ( 4 5 )2aK 0 2Aa a ap K C K B点 0( ) 2Ba a ap H K C K 如果 p0 = 0 A点 2AaaCK B点 2Ba a aH K C K 0a 位于 2 a Cz K 如果 C = 0(无粘性土） A点 0AaapK B点 0()Baap H K Pa Pa 土压力合力 Pa 压力图形面积 （三角形或梯形） P0 = 0时 22122 2a a a CP H K C H K 均质土 深基坑工程 成层土 P0 B C 1 1 1,C 2 2 2,C H1 H

7、2 0 1 1 12Aa a ap K C K 2 11 ta n ( 4 5 )2aK 2 22 ta n ( 45 )2aK 0 1 1 1 1 1)2Ba a ap H K C K 上 （ 0 1 1 2 2 2)2Ba a ap H K C K 下 （ 0 1 1 2 2 2 2 2)2Ca a ap H H K C K （ A 主动土压力合力？ 深基坑工程 墙后填土有地下水 B C , , ,C H1 H2 A 2ta n ( 4 5 ) 2aK 2AaaCK 1 2Ba a aH K C K 12( ) 2Ca a aH H K C K z0 0 2 a Cz K 土压力合力 压力

8、图形面积 水压力合力 Ca 2wH 21 2wwPH 排水口 深基坑工程 已知条件如图 求：作用在墙上的主动土压力 Pa 0.54 20 20 kN /mp 6m 31 6 k N /m 21 0 k N /mC 20 4.2 Pa 1.82 例 题 深基坑工程 解： 49.0)22045(t a n)245(t a n 22 aK aaAa KCKp 20 k P a2.449.010249.020 aaBa KCKHp 2)( 0 k P a84.4249.010249.0)61620( 0 处 02)( 0 aa KCKzp a aa K KpKCz 02 m54.049.016 49.

9、02049.0102 mkNP a /95.116)54.06(84.4221 主动土压力合力 Pa 作用点： m82.1)54.06(31 方 向：水平 例 题 深基坑工程 （ 2）被动土压力 ,c H p0 A B A点 2t a n ( 45 ) 2pK 0 2Ap p pp K C K B点 0( ) 2Bp p pp H K C K 如果 p0= 0 A点 2 AppCK B点 2 Bp p pH K C K 如果 C = 0(无粘性土） A点 0ApppK B点 0()Bppp H K Pp Pp 土压力合力 Pp 土压力方向 水平 土压力作用点 土压力分布图形形心 压力图形面积

10、（三角形或梯形） 深基坑工程 6.库伦土压力 （ 1）思路： （ 2）假定 把墙后达到极限平衡 的滑动土楔体视为刚体， 从滑动土楔体的静力平衡 条件得出土压力理论。 （ 1）填土无粘性 (C=0) （ 2）滑动面为一通过墙踵的平面 深基坑工程 （ 3）主动土压力 Pa （属平面应变问题，取 1m长分析） A B C 破坏面与水平面的夹角 W P 墙土间摩擦角， 也称为外摩擦角 土的内摩擦角 填土坡角 W 土楔体自重 W，大小、方向 已知 R R 破坏面 BC上的反力 R，大小 未知 ， 方向 已知 P 土压力 P，大小 未知 ，方向 已知 90 墙背倾角 深基坑工程 W R P 由正弦定理 s

11、 in ( ) s in ( 1 8 0 ( ) ) PW )s i n ( )s i n ( WP A B C W P R A B CW 12 BC AD D 2 2 c o s ( ) c o s ( ) 2 c o s s i n ( ) HW H s i n ( 9 0 ) c o s ( )B C A B s i n ( ) c o s s i n ( ) H A D A B c os( ) c os( )c osH 由正弦定理 深基坑工程 W R P s in ( ) s in ( )PW A B C W P R D 2 2 c o s ( ) c o s ( ) 2 c o s

12、s i n ( ) HW 2 2 c o s ( ) c o s ( ) s i n ( ) 2 c o s s i n ( ) s i n ( ) HP 即 2 ( , , , , )2HPf 其中 是 假设的滑动面与水平面的夹角 H 深基坑工程 2 2 c o s ( ) c o s ( ) s i n ( ) 2 c o s s i n ( ) s i n ( ) HP 求极值， 令 0ddP 求出破坏角 cr 代入上式 得 22 2 2 c o s ( ) 2 s in ( ) s in ( ) c o s c o s ( ) 1 c o s ( ) c o s ( ) a HP 即

13、21 2aaP H K 土压力强度 aaadP zK dz （沿墙高）三角形分布 ( , , , )aKf 深基坑工程 （ 2）被动土压力 Pp A B C W P R A B C W P R W P R 22 2 2 c o s ( ) 2 s in ( ) s in ( ) c o s c o s ( ) 1 c o s ( ) c o s ( ) p HP 得 若 0 , 0 , 0 221 tan ( 45 ) 22pPH 与朗肯公式相同 深基坑工程 朗肯土压力理论： 根据半无限弹性体的极限平衡条件求出土压力 因此，假定墙背垂直、光滑、墙后填土水平 因不计墙土间摩阻力，求得的 Pa偏大

14、，这在挡土 墙设计中是偏于安全的，求得的 Pp偏小，这在桥台 设计中也是偏于安全的。 深基坑工程 库仑土压力理论： 根据墙后土楔体的极限平衡条件求出土压力 因此，墙背可以不垂直、不光滑、墙后填土不水平 但因假定破坏面是平面，与实际的曲面有出入。 通常，计算主动土压力误差在 210%，满足工程所需 的精度要求；但被动土压力计算结果误差较大。 并且，上面的公式只适用于无粘性土。 深基坑工程 三、特殊情况下土压力的计算 1、地面局部荷载 （ 1）集中荷载 按布辛奈斯克解： 0.5 2 23 2 ( 1 2 ) c o s 3 s in c o s 2 1 c o sh Q Z Spangler修正解

15、 ： 22 2 2 2 3 2 2 2 3 2 1.77 ( 0.4) () 0.28 ( 0.4) ( 0.16 ) c os ( 1.1 ) h h hh Q m n m H m n Qn m Hn 深基坑工程 （ 2）线荷载 按布辛奈斯克解： 2 2 2 2 2 ()h q m n H m n 实测修正解 ： 2 2 2 2 2 2 2 3 4 ( 0 .4 ) () 0.28 ( 0 .4 ) ( 0 .1 6 ) h h q m n m H m n Qn m Hn 深基坑工程 近似解： Aa Pp E P K E P K 深基坑工程 （ 3）条形荷载 按太沙基公式修正解： 2 ( s

16、 i n c os 2 ) h q H 朗肯近似解 ： 深基坑工程 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 on qq ah n i i 1 0nq 1 n i i ha 1 non i i bqq b a h 深基坑工程 (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。 ah n i i 1 0nq ah n i i 1 0 1 1 21 21 )2)( q hbhab bb q n i n i ii n 221 b(bb 深基坑工程 四、水压力 水压力，主要 根据土质情况 确

17、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。 深基坑工程 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 = wh 2 0 1 1 2 0 1 1 2 ( ) ( 45 ) 2 2 ( 45 ) 2 ( ) 2 a w aw e q h H h tg c tg h q h H h K a c K h 深基坑工程 悬臂支护桩土压力分布 深基坑工程 芝加哥深基坑土压力实测图 柏林地道工程土压力实测图