基础工程第八章.

第八章基坑工程8.1概述8.2围护结构型式及适用范围8.3支护结构上的荷载8.4悬臂式围护结构内力分析8.5单锚式围护结构内力分析8.6基坑稳定验算§8.1概述1.基坑工程及围护结构的概念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。挡土和截水的结构称为围护结构。基坑工程包括了围护体系的设置和土方开挖两个方面。2.对围护结构的要求(1)保证基坑周围未开挖土体的稳定，满足地下结构施工有足够空间的要求。这就要求围护结构要起挡土的作用。(2)保证基坑周围相邻的建筑物、构筑物和地下管线在地下结构施工期间不受损害。这就要求围护结构能起控制土体变形的作用。(3)保证施工作业面在地下水位以上。这就要求围护结构有截水作用，结合降水、排水等措施，将地下水位降到作业面以下。3.基坑工程的特点(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情况下，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，同一城市不同区域也有差异。因此，设计要因地制宜，不能简单照搬。(4)环境条件要求严格邻近的高大建筑、地下结构、管线，地铁等对基坑的变形限制严格，施工因素复杂多变，气候、季节、周围水体均可产生重大变化。4.基坑工程设计依据(1)岩土工程勘察报告(2)建筑总平面图、工程用地红线图、地下工程的建筑、结构设计图(3)邻近建筑物的平面位置，基础类型及结构图、埋深及荷载，周围道路、地下设施、市政管道及通信工程管线图、基坑周围环境对基坑支护结构系统的设计要求。2014年成都8.2围护结构型式及适用范围放坡开挖及简易支护；悬臂式围护结构；重力式围护结构；内撑式围护结构；拉锚式围护结构；土钉墙围护结构；其他形式围护结构：主要包括门架式围护结构、拱式组合型围护结构、喷锚网围护结构、沉井围护结构、加筋水泥土围护结构、冻结法围护结构等。苏州中心广场超大深基坑工程苏州中心广场项目基坑由一(南区)、二(北区)标段组成，运行中的轨道1#线从一、二标段中间穿过，基坑边线最近距离轨道交通1号线约9.5m，在建的东方之门位于一、二标段中间位置。围护工程二标段项目基坑面积约6.57万m2，地下3-4层，开挖深度约15m至22m(局部深坑达24米)。本工程基坑规模巨大，基坑面积约65721m2，总开挖土方量约70万m3，为超大型超深基坑工程。基坑工程安全等级为一级。大致的工序流程：围护内的灌注桩及三轴搅拌桩(有止水帷幕+槽壁加固的作用)同时施工→→地下连续墙施工→→第一，二，三层支撑围檩顺序施工，穿插土方作业。成槽机导墙锁口管地下连续墙是由许多墙段拼组而成，为保持墙段之间连续施工，接头采用锁口管工艺，即在灌注槽段混凝土前，在槽段的端部预插一根直径和槽宽相等的钢管，即锁口管，待混凝土初凝后将钢管徐徐拔出,使端部形成半凹榫状接状。然后下副地墙钢筋笼的凸口放下衔接，然后浇筑混凝土就两幅地墙就形成一个整体了。钢筋笼准备入槽锁口管的拔升8.3支护结构上的荷载8.3.1土、水压力的计算对一般支护结构，其荷载主要是土压力、水压力。准确地确定支护结构上的荷载需要根据土的抗剪强度指标并通过土压力理论进行计算。土的抗剪强度指标的影响因素十分复杂，从土层天然状态下经过的应力历史，基坑开挖时的应力路径，排水条件，加载、卸载特性，剪胀、剪缩特性，在试验时直接剪切或三轴剪切，计算时采用总应力法还是有效应力法，都会对土压力值产生很大的影响。如饱和软粘土，采用水土分算或是水土合算其侧向荷载可相差约25%~35%，同是这种软土，采用不固结不排水剪或是固结不排水剪其土压力可相差约30%~40%。1.土水压力分算法土水压力分算法是采用有效重度计算土压力，按静水压力计算水压力将两者叠加。叠加的结果就是作用在挡土结构上的总侧压力。计算土压力时采用有效应力法或总应力法。采用有效应力法的计算公式为：aaaw2pHKcKHpppw2pHKcKH采用有效应力法计算上压力，概念明确。在不能获得土的有效强度指标的情况下，也可以采用总应力法进行汁算。2.土水压力分算法asataa2pHKcKpsatpp2pHKcK8.3.2挡土结构位移对土压力的影响挡土结构对土压力的影响主要表现在两个方面，一方面是对主动土压力的分布产生影响，另一方面对土压力的量值产生影响。挡土结构的变形或位移对土压力分布的影响有以下几种情况：1.当挡土结构完全没有位移和变形，主动土压力为静止土压力，呈三角形分布；2.当挡土结构顶部不动，下端向外位移，主动土压力呈抛物线分布；3.当挡土结构上下两端没有发生位移而中部发生向外的变形，主动土压力呈马鞍形分布；4.当挡土结构平行向外移动，主动土压力呈抛物线分布；5.当挡土结构绕下端向外倾斜变形，主动土压力的分布与一般挡土墙一致。1.当挡土结构完全没有位移和变形，主动土压力为静止土压力，呈三角形分布；2.当挡土结构顶部不动，下端向外位移，主动土压力呈抛物线分布；3.当挡土结构上下两端没有发生位移而中部发生向外的变形，主动土压力呈马鞍形分布；4.当挡土结构平行向外移动，主动土压力呈抛物线分布；5.当挡土结构绕下端向外倾斜变形，主动土压力的分布与一般挡土墙一致。8.4悬臂式围护结构内力分析8.4.1悬臂式围护结构内力分析悬臂式围护结构可取某一单元体（如单根桩）或单位长度进行内力分析及配筋或强度计算。悬臂式围护结构上部悬臂挡土，下部嵌入坑底下一定深度作为固定。宏观上看像是一端固定的悬臂梁，实际上二者有根本的不同之处：首先是确定不出固定端位置，因为杆件在两侧高低差土体作用下，每个截面均发生水平向位移和转角变形；其次，嵌入坑底以下部分的作用力分布很复杂，难于确定。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。通常用两种方法来保证排桩嵌固深度具有一定安全储备：第一种方法是规定排桩嵌固深度应使Kt满足一定的要求（Kt=抗倾覆力矩/倾覆力矩），如《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）；第二种方法按抗倾覆力矩与倾覆力矩相等的情况确定临界状态桩长，然后将土压力零点以下桩长乘以一个大于1的系数（经验嵌固系数）予以加长，如《建筑基坑工程技术规程》（YB9258-97）。1.悬臂式支护桩内力分析——以无粘性均质土中的悬臂式支护桩为例支点或旋转点D被动区EaEpE?p开挖面（a）支护桩的变位示意图（b）桩两侧的主动区和被动区（c）土压力的计算简图主动区ABFRaCDEpE?phppbzy-zayp?d方法1悬臂桩的入土深度较大时，可能出现反弯点。假设悬臂桩在主动土压力作用下，绕D点转动，并假设D点以上墙后为主动土压力，墙前为被动土压力，E点以下则相反，墙后为被动土压力，墙前为主动土压力，如图b所示。在计算土压力时，可将计算点以上的土体的作用视作超载。paaKhaK解得（Ⅰ）令开挖面以下板桩受压力为零点到开挖面的距离为a，即为主动土压力与被动土压力相等的位置：apaKahKK（Ⅱ）计算所需各点的土压力值：papapapapyaKhyaKyKKaKhaKyKKpaphyaKyaK（Ⅲ）嵌入深度嵌入深度必须满足静力平衡条件，即作用于结构上的全部水平力平衡条件和绕桩底弯矩总和为零的条件。水平力平衡条件：a22zyRppp解得a2pyRzpp端部弯矩为零条件：a02323zzyzRyyppp将Ra、p及p′的表达式代入上式，可得关于y的四次方程式。方法2假设悬臂式支护桩的土压力分布如图所示。dhDz2z1padKdhKpadhKdK1p1azKzhKadhKp1p2p3对上述计算图形，基坑底土压力为1aphKp0的零点深度D由下式确定apahKDKK1hz深度处的土压力：1p1azKzhK未知hd深度处的土压力：pahdKdK未知数z1（或z2）和d可用使任一点力矩之和等于零和水平力之和等于零两组方程式求解：33ap2pa22ap2pa220KhdKdzKKhdKhdKdzKKhdz2和d可用试算法求得。计算得到的d值需乘以1.1的安全系数作为设计入土深度。方法3H.Blum建议以如下图所示的图形代替。假设悬臂桩在主动土压力作用下，绕嵌固点E转动，并假设点E以上墙后为主动土压力，墙前为被动土压力，E点以下则相反，墙后为被动土压力，墙前为主动土压力，如图b所示。将墙前后土压力叠加，即可得到如图c所示的净土压力分布。EAB（a）支护桩的变位示意图（b）土压力分布图（c）叠加后简化土压力分布图aECEpEPREaEpE′pE′adtxHtxhaABFEAB（a）支护桩的变位示意图（b）土压力分布图（c）叠加后简化土压力分布图aECEpEPREaEpE?pE?adtxHtxhaABF墙后的净主动土压力合力用Ea表示，该合力作用点距地面为ha，墙前底部的净被动土压力合力用Ep表示。C点为净土压力零点，距坑底的距离为x，则CE为墙嵌固深度，用t表示。旋转点E以下部分的土压力通常用一个集中力PR代替。由力矩平衡条件，求得悬臂桩所需的极限嵌固深度。由E0M有：ap03atHhxtEE将2ppa12EKKt代入上式，可得aa3apapa660HxhEEttKKKKaa3apapa660HxhEEttKKKK由此可求得板桩墙的有效嵌固深度。为保证板桩墙的稳定，基坑底面以下的插入深度Dmin应为：min1.1~1.4Dxt板桩墙最大弯矩应在剪力为零处，设剪力零点距土压力零点距离为xm，所以2apam102EKKx由此可求得最大弯矩点距土压力零点C的距离xm为ampa2ExKK而此处的最大弯矩为3pammaxama6KKxMHhxxE【例8-1】某基坑开挖深度h=5.5m，均质土重度γ=19.2kN/m3，内摩擦角φ=18°，粘聚力c=12kPa，地面超载q0=15kPa。采用悬臂式排桩支护，试确定排桩的最小长度和最大弯矩。【解】沿支护结构长度方向取1延米进行计算。主动土压力系数22a18tan45tan450.5322K被动土压力系数22p18tan45tan451.8922K墙顶部土压力为零的临界深度为：ABCEPdhEaz0q0=15kPa00a2212150.94m19.219.20.53qczK基坑开挖底面处土压力强度为ABCEPdhEaz0q0=15kPaaH0aa2qHKcKaH1519.25.50.532120.532aH46.45kN/maH0aa2qHKcKaH1519.25.50.532120.532aH46.45kN/m土压力零点距开挖面的距离为0aappa20.5mqHKcKKxKK墙后土压力a1146.455.50.94105.9kN/m2Ea2146.450.511.6kN/m2Ea1146.455.50.94105.9kN/m2Ea2146.450.511.6kN/m2E墙后土压力合力为aa1a2105.911.6117.5kN/mEEE合力作用点距地表的距离a1a1a2a2aa105.90.945.50.942311.65.5