03 第二章基坑工程

•第2章基坑工程•教学内容：•基坑工程设计•基坑工程施工•基坑工程监测湖北工业大学土木与建筑学院•要求：•了解基坑工程的概念及现状、特点、设计内容、设计依据、设计计算方法，•掌握基坑工程的概况、设计、监测方法。•第一节基坑工程概述•一、基坑工程概念及现状•定义：基坑工程是为保护基坑施工、地下结构•的安全和周边环境不受损害而采取的支护、基坑•土体加固、地下水控制、开挖等工程的总称，包•括勘察、设计、施工、监测、试验等。•国内外基坑工程事故很多，导致基坑工程事故•的主要原因如下:•(1)设计理论不完善；•(2)设计者方案不当、计算错误；•(3)设计、施工人员经验不足。•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。•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、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。湖北工业大学土木与建筑学院•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:•(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。•湖北工业大学土木与建筑学院•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监测。•第二节基坑工程设计•一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。•例基坑深8m，坑外地下水在地面下1m，坑内地•下水在坑底面，坑边满布地面超载q=10kN/m2。地•下水位以上γ=18kN/m3，不固结不排水抗剪强度指•标c=10kPa、ϕ=8°；地下水位以下sat=18.5kN/m3•，不固结不排水抗剪强度指标c=12kPa、•ϕ=15°，锚杆位于地面下3m。用等值梁法求桩的•设计嵌入深度D、Mmax。•解(1)采用水土合算法的荷载。•坑外地下水位以上主动土压力：•令eaik＝（Σγjhj)Kai-2ciKai1/2)•=18h0tan2(45°-8/2)-2×10tan(45°-8/2)•=13.6h0-17.4=0，•得h0=1.3m1m；湖北工业大学土木与建筑学院•设临界深度在坑外地下水位以下x(m)，则•(18×1＋18.5x)tan2(45°－15/2)-2×12tan(45°-15/2)=10.6+10.9x-18.4=0•x=0.7m湖北工业大学土木与建筑学院•地面下深度z1.7m处土所产生的主动土压力•eaik＝•(Σγjhj)Kai-2ciKai1/2)•=[18×1.0•+18.5(z−1)]•tan2(45-15/2)•-2×12tan(45-15/2)•=10.9z－18.7湖北工业大学土木与建筑学院•地面超载所产生的主动土压力：•坑外深度1.0m以上:•qKai•=10tan2(45-8/2)•=7.6kPa；•坑外深度1.0m下:•qKai•=10×tan2(45-15/2)•=5.9kPa。•坑内坑底下深度y处被动土压力：•epik＝(Σγjhj+q）Kpi+2ciKpi1/2•=(18.5y)tan2(450+15/2)+2×12tan(450+15/2)•=31.4y+31.3kPa湖北工业大学土木与建筑学院•(2)求反弯点位置(设反弯点在坑内坑底下深度y0处)•31.4y0+31.3=10.9z―18.7+5.9，•z=y0+8(有图示几何关系得出），•解得：y0=2.1m。湖北工业大学土木与建筑学院湖北工业大学土木与建筑学院•(3)由简支梁得锚杆水平力标准值Ha1k、简支梁•另一支座反力标准值Pd1k如下(实质：所有力对•反弯点的合弯距等于零）。•(2.1+8―3)Ha1k+1/2×(31.4×2.1)×2.1×1/3×2.1+31.3×2.1×1/2×2.1•=1/2×(10.9×2.1+68.5)×(2.1+8―1―0.7)×1/3×(2.1+8―1―0.7)+7.6×1×(8―0.5+2.1)+5.9×(7+2.1)×1/2×(7+2.1)•得出方程：7.1Ha1k+117.5=1074.7+73.0+244.3•解得：Ha1k=179.5kN/m湖北工业大学土木与建筑学院•（计算实质：所有的水平合力为零）•Pd1k=1/2×(10.9×2.1+68.5)×(2.1+8―1―0.7)+7.6×1+5.9×(7+2.1)―1/2×(31.4×2.1)×2.1―31.3×2.1―186.0(P35倒数第4行书本上错，应为179.5)=130.7kN/m•(4)求桩的设计嵌入深度D。(实质：Pdlk和挡土桩前土压力合力对桩底的弯距为0）•设反弯点距挡土桩底tn，tn=y―2.1；挡土桩前土压力合力作用点距挡土桩底b=tn/3，则[(31.4y+31.3)－(10.9y+68.5)]tn/2×tn/3=Pd1ktn•即：20.5tn2+5.8tn－942.0=0•tn=6.6mD=ξDmin=1.3×(2.1+6.6)=11.3m湖北工业大学土木与建筑学院•(5)求桩的设计弯矩Mmax。•反弯点位置不变，荷载采用设计值。•求锚杆水平力设计值Ha1:(永久荷载分项系数应取1.2，可变荷载分项系数应取1.4；(2.1+8―3)Ha1+1/2×(31.4×2.1)×1.2×2.1×1/3×2.1+31.3×2.1×1/2×2.1×1.2•=1/2×(10.9×2.1+68.5)×1.2×(2.1+8―1―0.7)×1/3×(2.1+8―1―0.7)+7.6×1.4×1×(8―0.5+2.1)+5.9×1.4×(7+2.1)×1/2×(7+2.1)•Ha1=224.3kN/m•设剪力为0的点距地面x1(m)，8x11.7：湖北工业大学土木与建筑学院•Ha1=1/2×(10.9x1－18.7)×1.2×(x1－1－0.7)+7.6×1.4×1+5.9×1.4×(x1－1)•6.54x12－14.08x1－210.62=0•解得：x1=6.9m湖北工业大学土木与建筑学院•Mmax=Ha1×(x1－3)－1/2×(10.9x1－18.7)×1.2×(x1－1－0.7)×1/3×(x1－1－0.7)－7.6×1.4×1×(x1－0.5)－5.9×1.4×(x1－1)×1/2(x1－1)=357.3(kN·m/m)湖北工业大学土木与建筑学院•1.极限平衡法•定义：•假设基坑外侧土体处于主动极限平衡状•态，基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；•常用的方法：•静力平衡法；•等值梁法；•湖北工业大学土木与建筑学院•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。湖北工业大学土木与建筑学院•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；湖北工业大学土木与建筑学院•接上1)静力平衡法计算悬臂式支护结构•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；•湖北工业大学土木与建筑学院•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•深度范围外侧•的主动区及在•插入深度区内•的被动区：湖北工业大学土木与建筑学院•计算极限嵌固深度•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ΣH＝0，•ΣMc＝0的条件，•求得悬臂桩所需的•极限嵌固深度；湖北工业大学土木与建筑学院•支护桩的设计长度L•L=h+x+Kt•h：基坑深度•X：坑底至桩•上土压力为•零点的距离；•t：桩上土•压力为零点至•桩脚C点的距离•K：经验•系数K＝1.2。湖北工业大学土木与建筑学院计算简图桩身各截面的内力，最大弯矩湖北工业大学土木与建筑学院•2)静力平衡法计算锚撑挡土结构•适合条件：•挡土结构入土深度较小或坡脚土体较软弱时，可视挡土结构下端为自由端；•计算内容：•用静力平衡法计算插入深度、内力湖北工业大学土木与建筑学院湖北工业大学土木与建筑学院•锚杆水平分力计算：•Haj=Eaj−Epj−•Haj：第j层锚杆•水平分力设计值；•Hai：第i层锚杆•水平分力设计值；•Eaj：挡墙后主•动土压力合力设•计值•Epj：坡脚地面以•下挡墙前被动土•压力合力设计值11jiaiH湖北工业大学土木与建筑学院•计算最小入土深度Dmin：•EpKb-EaKan-•=0（实质：所有的•力对HanK作用点•的弯距和为零）•（注意：书中公式•an丢了）•EaK：挡墙后主动土•压力合力标准值•EpK：挡墙前被动土•压力合力标准值；•Hai：第i层锚杆水平•合力标准值；•an：EaK作用点到HanK作用点的距离(m)；•b：EpK作用点到HanK作用点的距离(m)；•an：HaiK作用点到HanK作用点的距离(m)aHainiai1湖北工业大学土木与建筑学院•计算立柱入土深度：•D=ξDmin•D——立柱入土深度(m)；•ξ——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)。湖北工业大学土木与建筑学院•3)等值梁法计算锚撑挡土结构•适合条件：•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；•湖北工业大学土木与建筑学院接上页等值梁法计算锚撑挡土结构•类型：单支点支护桩；•多支点支护桩湖北工业大学土木与建筑学院单支点支护桩；湖北工业大学土木与建筑学院多支点支护桩计算简图湖北工业大学土木与建筑学院在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；湖北工业大学土木与建筑学院•反弯点的位置：•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；湖北工业大学土木与建筑学院•等值梁法计算单支点支护桩的步骤：•第一步：•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；湖北工业大学土木与建筑学院接上页等