第二章基坑工程--基坑围护结构计算

第2部分基坑支挡结构计算上海浦东绿洲中环中心8.2围护结构型式及适用范围围护结构型式及分类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土袋短桩基坑简易支护土袋或块石支护短桩支护放坡开挖及简易支护•边坡高度与坡度控制岩土类别状态及风化程度允许坡高允许坡度微风化121：0.10~1：0.20硬质岩石中等风化101：0.20~1：0.35强风化81：0.35~1：0.50微风化81：0.35~1：0.50软质岩石中等风化81：0.50~1：0.75强风化81：0.75~1：1.001：1.00基坑顶面无载重砂土中密以上51：1.25基坑顶面有静载1：1.50基坑顶面有动载1：0.75基坑顶面无载重粉土稍湿51：1.00基坑顶面有静载1：1.25基坑顶面有动载边坡允许坡度值岩土类别状态及风化程度允许坡高允许坡度坚硬51：0.33基坑顶面无载重1：0.50基坑顶面有静载粉质粘土1：0.75基坑顶面有动载硬塑51：1.00~1：1.25基坑顶面无载重可塑41：1.25~1：1.50基坑顶面无载重坚硬51：0.33~1：0.75粘土硬塑51：1.00~1：1.25可塑41：1.25~1：1.50杂填土中密、密实的建筑垃圾土51：0.75~1：1.00边坡允许坡度值（续）•边坡稳定性验算需要进行边坡稳定性验算的情况有以下几种：S坡顶有堆载；S边坡高度与坡度超出上表所列允许值；S存在软弱结构面的倾斜地层；S岩层和主要结构层面的倾斜方向与边坡的开挖面倾斜方向一致，且两者走向的夹角小于45°。•土质边坡的稳定分析可用圆弧滑动法进行分析。•岩质边坡宜按由软弱夹层或结构面控制的可能滑动面进行验算。悬臂式围护结构•结构特征：无支撑的悬臂围护结构；•支撑材料：钢筋混凝土排桩、钢板桩、木板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙、SMW工法桩等；•受力特征：利用支撑入土的嵌固作用及结构的自身的抗弯刚度挡土及控制变形；•适用条件：土质较好，开挖深度较小的基坑。重力式围护结构•结构特征：常用水泥土桩构成重力式挡土构造；•支撑材料：水泥搅拌桩、注浆；•受力特征：利用墙体或格构自身的稳定挡土与止水；•适用条件：宽度较大，开挖较浅，周围场地较宽，对变形要求不高的基坑。重力式水泥土墙断面图平面图内撑式围护结构•结构特征：由挡土结构与支撑结构两部分组成；•支撑材料：挡土材料有钢筋混凝土桩、地下连续墙，支撑材料有钢筋混凝土梁、钢管、型钢等；•受力特征：水平支撑、斜支撑，单层支撑、多层支撑；•适用条件：各种土层和基坑深度。内撑式围护结构拉锚式围护结构•结构特征：由挡土结构与锚固系统两部分组成；•支撑材料：可采用内撑式结构相同的材料外，还可以采用钢板桩等；•受力特征：由挡土结构与锚固系统共同承担土压力；•适用条件：砂土或粘性土地基。拉锚式围护结构土钉墙围护结构•结构特征：由土钉与喷锚混凝土面板两部分组成；•支撑材料：由土钉及钢筋混凝土面板构成支撑；•受力特征：由土钉构成支撑体系，喷锚混凝土面板构成挡土体系；•适用条件：地下水位以上或降水后的粘土、粉土、杂填土及非松散砂土、碎石土。水泥搅拌桩钢筋混凝土桩连拱式支护结构平面图钻孔灌注桩高压喷射桩灌注桩与高压喷射桩组合支护型钢深层搅拌桩SMW工法桩组合支护3.1支护结构上的荷载水、土压力计算•水、土压力分算方法对于透水性比较大的砂性土和粉土，分别计算作用在围护结构上的土压力（按朗肯土压力理论计算）和水压力（按静水压力计算），然后叠加作用在围护结构上。或：pppwa'HK'p2c'K'pwH'HK'a2c'K'aH2cHpppawaaKpwH'HK'p2c'HKK•水、土压力合算方法对于透水性比较差的粘性土地基，采用水、土压力合算的方法计算作用于围护结构上的侧向压力。各项参数的定义见《土力学》教材相关说明。aapppsatHKp2cKpsatHKa2cK挡土结构位移对土压力的影响一般的围护结构自身刚度不大，在侧向压力作用下产生较大的相对位移时，对土压力的分布与大小产生影响。一般有以下几种情况：•挡土构造不发生位移墙后主动土压力为静止土压力，土压力分布为三角形分布。HH/2•挡土构造顶部不动，底部向外位移无论位移达到多大，都不能使填土内发生主动破坏，压力为曲线分布，总压力作用点位移墙底以上H/2处。•挡土构造平行向外移动位移的大小未达到足以使填土发生主动破坏时，压力为曲线分布，当位移超过某一值后填土将发生主动破坏，应力成直线分布。•挡土构造上下两端不动，中部发生向外位移墙后主动土压力为马鞍形分布。•挡土构造下端不动，上端向外位移无论位移多少，作用在墙背上的压力都按直线分布。当墙上端的移动达到一定数值后，墙后填土会发生主动破坏，此时作用在墙上的土压力称为主动土压力。8.4支护结构上的设计规定设计依据：《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）设计状态•承载能力极限状态：支护结构达到承载力破坏，锚固系统失效或坡体失稳状态；•正常使用极限状态：支护结构和边坡的变形达到结构本身或邻近建筑物的正常使用限值或影响耐久实用性能。安全等级根据建筑基坑工程破坏可能造成的后果，基坑工程划分为三个安全等级。安全等级破坏后果重要性系数γ0支护结构破坏或土体失稳或过大变一级形对基坑周围环境和地下结构施工1.10影响很严重支护结构破坏或土体失稳或过大变二级形对基坑周围环境影响一般，但对1.00地下结构施工影响严重支护结构破坏或土体失稳或过大变三级形对基坑周围环境及地下结构施工0.90影响不严重建筑基坑安全等级及重要性系数基坑设计的主要内容•支护体系的方案比较与选型；•支护结构的强度、稳定和变形计算；•基坑内外土体的稳定性验算；•地下水控制设计；•施工程序设计；•周边环境保护措施；•支护结构质量检测和开挖监控项目及报警要求。基坑设计应具备的资料•岩土工程勘察报告；•建筑总平面图、地下管线图、地下结构平面和剖面图；•土建设计和施工对基坑支护结构的要求；•邻近建筑物和地下设施的类型、分布情况和结构质量的检测评价。8.5悬臂式围护结构内力分析（排桩、板桩）计算简图（均质土）排桩变位净土压力分布简化处理后的净土压力分布静力平衡法•基本原理：随着板桩的入土深度的变化，作用在板桩两侧的净土压力分布也随之发生变化，当作用在板桩两侧的净土压力相等时，板桩处于平衡状态，此时所对应的板桩的入土深度即是保证板桩稳定的最小入土深度。根据板桩的静力平衡条件可以求出该深度。t•土压力计算（朗肯土压力理论）•确定板桩入土深度tS基坑底土压力epneani1n(qnihi)Kp2cKpn(qnihi)Ka2cKai1thDz1z2pahphttppapapz1pz1haaaaaph2cK)hK2cK(或：phhqKa0地面超载thDz1z2pahtpppahtpapz1pz1hS确定净土压力p=0的深度Dq0)(c0,DD,(c0,q0)D0apK2c(KpKa),a0DKp2c,(c0,q00)paKpKa)0KpKahKa(KK)hqKaDKaKphq0Ka2c(KK)hKa2c(DKaKphKa2cKaDKp2cDKphKaDKatDz1z2hpahphttppapz1pz1hpaS确定深度h+z1及h+t处的净土压力11ppappapq0zptaappz1pq00)(c0,2cka])Ka2cKa]q00)(c0,2cK]2cppphtzhhtpz1ha2ck[tkpt(htq0)kKp[(z1hpaz1Kp2ckp[tka2cka]pa(ht)kp2cz1KK[(z1h)KS确定最小入土深度t当板桩入土深度达到最小入土深度t时，应满足作用在板桩上的水平力之和等于0，各力距任一点力矩之和等于0的静力平衡条件，建立静力平衡方程，可以求得未知量z2及板桩最小入土深度t：z22t32Ka(ht)Kptz2(KpKa)(h2t)0(KpKa)(h2t)K(ht)3Kap求解上述联立方程，可以得到未知值z2，t（也可以采用试算法计算），为安全起见，计算得到的t值还需乘以1.1的安全系数作为设计入土深度，即实际的入土深度=1.1t。•板桩内力计算计算板桩最大弯矩时，根据在板桩最大弯矩作用点剪力等于0的原理，可以确定发生最大弯矩的位置及最大弯矩值。对于均质无粘性土（c=0，q0=0），根据图示关系，当剪力为0的点位于基坑底面以下深度b时，则有：解出b后，即可求得Mmax：hbz122bap22K0K(hb)3363232Mmax[(hb)KabKp]hb(hb)2bb2KaKp布鲁姆法（均质土）•基本原理：布鲁姆法以一个集中力Ep’代替板桩底出现的被动土压力，根据该假定建立静力平衡方程，求出入土深度及板桩内力。•计算板桩入土深度t对板桩底C点取力矩，由ΣMc=0得到：OhtlE’p(KpKa)xEpE4E2E1E3uCxxmaΣP0x6P0x3appp6P(la)(KK)x2P(lxa)E(KpKa)(KpKa)x22x3E(KpKa)x在均质土条件下，净土压力为0的O点深度可根据墙前与墙后土压力强度相等的条件算出（不考虑地下水及顶面均布荷载的影响，c=0，q0=0）：Kahlhu(KpKa)ukp(uh)Kau代入前式求解方程后可求得未知量x，板桩的入土深度按下式计算：t=u+1.2x为便于计算，建立了一套图表，利用该图表，可用图解法确定未知量x值，其顺序如下：0令中间变量：x/lapap6aP6Pl3(KK)(1)l2(KK)3O根据求出的m、n值，查图表确定中间变量ξ，从而求得：x=ξ·l，t=u+1.2x326aP,n6P4再令：ml(KpKa)l(KpKa)m(1)n3•内力计算最大弯矩发生在剪力Q=0处，如图设O点以下xm处的剪力Q=0，则有：最大弯矩：m2Px(KpKa)P(KK)x202pammMP(lxmaxa)(KK)x36pamOhtluE’p(KpKa)xEpE4E2E1E3ΣPCxxma例题1：某悬臂板桩围护结构如图示，试用布鲁姆法计算板桩长度及板桩内力。6mluE3E1E2aΣPq=10kN/m2c=0φ=34°γ=20kN/m3解：①板桩长度pea1ea2PE1E2E32.8360.5(36.792.83)60.536.790.57129.35kN/m3.5370.283(610/20)0.2830.57m(kp-ka)uk(hqu)u(hq/)kaqka100.2832.83kPa(qh)ka(10206)0.28336.79kPa2kptan(45/2)3.5372katan(45-/2)0.283,apap0.17206.573(3.5370.283)6aPn0.28206.572(3.5370.283)64.08129.35129.356129.356Pm4.08m2.83630.5(36.792.83)62/36a0.536.790.57(61/30.57)l3(kk)l2(kk)查表，ξ=0.67，x=ξl=0.67×6.57=4.4mt=1.2x+u=1.2×4.4+0.57=5.85m板桩长=6+5.