常见基坑围护结构设计

常见基坑围护结构本章内容12345概述基坑工程的设计内容基坑围护结构的内力计算基坑稳定性验算基坑工程的变形计算6常见围护结构及其构造设计•概述：大量的基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现。•国外，圆形基坑的深度已达74m(日本)，直径最大的达98m(日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下９层（法国）。•国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m×150m，基坑开挖深度达到19.5m。上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m。1.概述1.概述1、基坑支护的目的（1）确保基坑开挖和基础结构施工安全、顺利；（2）确保基坑临近建筑物或地下管道正常使用；（3）防止地面出现塌陷、坑底管涌发生。2、基坑支护的作用挡土、挡水、控制边坡变形。3、基坑工程的基本技术要求（1）安全可靠性；（2）经济合理性；（3）施工便利性和工期保证性。1.概述基坑工程具有以下特点：l）建筑趋向高层化，基坑向大课度方向发展；2）基坑开挖画积大，长度与宽度有的达数百米，给支撑系绞带来较大的难度；3）在软弱的上层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施和地下管线造成影响；深基坑施工工期长、场地狭窄，降雨、重物堆放等对墓坑稳定性不利；5｝在相邻场地的施工中，打桩、降水、挖土及基础浇注混凝土等工序会相互制约与影响，增加协调工作的难度。•基坑围护结构通常分两类：桩墙式围护体系——将支护墙（排桩）作为主要受力构件；•桩墙式围护体系包括板桩墙、排桩、地下连续墙等。重力式围护体系——充分利用围护结构的重力。如重力式水泥土挡墙。1.概述（1）无围护放坡开挖；（2）桩墙支护：它由桩墙结构及支护结构两部分组成，桩墙结构有钢板桩、板桩墙、灌注桩排、地下连续墙；支护结构类型有内支撑式、外拉锚杆式、地面锚定式、无锚式等。（3）重力式支护结构：软土地基可用深搅桩、旋喷桩、树根桩等形成重力式的挡土结构。1.概述（5）开槽施工法：与中央开挖施工法施工正好相反，先在坑内周边挖槽，用内支撑板桩墙法修筑周边的基础工程，形成一道重力式挡土墙，再挖除挡土墙内的全部土体，构筑中央部分的基础工程。（6）墙前被动区土体加固法：对于软土地基深大基坑，为控制挡墙侧向位移，降低护桩的入土深度，在基坑开挖前用深搅桩、旋喷法对墙前土体进行加固，加固深度3～6m，宽度5～9m。（4）中央开挖施工法：先施工基坑四周排桩，桩内放坡开挖后施工中央部分基础工程，待完工后再挖除排桩内侧土体，边挖边用支撑杆将支护排桩与中央部分基础工程支撑起来，最后再施工周边基础工程。1.概述（7）逆作法；（8）沉井法；（9）土钉墙支护；（10）组合型支护。两种以上的支护方法组合起来使用，既能保证支护结构的安全又降低成本。如上部放坡，下部桩墙锚杆支护；锚杆与土钉组合；深搅桩与灌注桩排组合；深搅桩中打入H钢桩组合支护等。1.概述结构类型支护结构类型及其适用范围表3-1结构形式适用范围排桩结构稀疏排桩土质较好，地下水位低或降水效果好连续排桩土质差，地下水位高或降水效果差框架式排桩单排桩刚度不能满足变形要求组合排桩结构排桩加挡板排桩桩距较大，利用挡板传递土压并有一定防渗作用排桩加水泥搅拌桩以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力，具有较好防涌效果排桩加水泥防渗墙地下水位较高的软土地区排桩或组合排桩加锚杆结构开挖深度较大，排桩或组合排桩结构强度无法满足要求地下连续墙结构与地下室墙体合一，防渗性强，施工场地较小，开挖深度大沉井结构软土地区重力式挡土墙结构具有一定施工空间，软土地区板桩1.概述组合挡土壁1.概述单排与双排桩支护结构1.概述特点平面尺寸不大，且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑。它的开挖土方空间较大，但变形控制要求不能很高钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置；支撑受力明确，安全稳定，有利于墙体的变形控制，但开挖土方较为困难多采用钢筋混凝土支撑；中部形成大空间，有利于开挖土方和主体结构施工多采用钢筋混凝土支撑；支撑体系受力条件好；开挖空间大，便于施工开挖面积大、深度小的基坑宜采用；在软弱土层中，不易控制基坑的稳定和变形便于土方开挖和主体结构施工，但仅适用于周边场地具有拉设锚杆的环境和地质条件支撑体系1.概述1.概述1.概述1.概述1.概述•12.1.2基坑围护结构设计的特点•1.外力的不确定性；•2.变形的不确定性；•3.土性的不确定性；•4.一些偶然变化所引起的不确定因素。2.基坑工程的设计内容•基坑工程的设计内容•包括：环境调查及基坑安全等级的确定，围护结构选型，围护结构设计计算，节点设计，井点降水、土方开挖方案以及监测要求等。2.基坑工程的设计内容2.基坑工程的设计内容•基坑围护结构设计所需的基本资料主要有：•工程水文地质资料；•场地环境资料；•所建工程的地下室结构、基础桩基图纸等；•与施工条件有关的资料。基坑围护结构安全等级及重要性系数0安全等级破坏后果一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.902.基坑工程的设计内容2.基坑工程的设计内容围护结构的选择和布置•围护结构的选择的原则：•基坑围护结构的构件在一般情况下不应超出工程用地范围；•基坑围护结构的构件不能影响主体工程结构构件的正常施工；•尽可能采用受力性能较好的圆形、正多边形和矩形。2.基坑工程的设计内容结构型式适用条件排桩或地下连续墙1.适于基坑侧壁安全等级一、二、三级；2.悬臂式结构在软土场地中不宜大于5m；3.当地下水位高于基坑底面时，宜采用降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙。水泥土墙1.基坑侧壁安全等级宜为二、三级；2.水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于150kPa；3.基坑深度不宜大于6m。土钉墙1.基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地；2.基坑深度不宜大于12m；3.当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施。逆作拱墙1.基坑侧壁安全等级宜为二、三级；2.淤泥和淤泥质土场地不宜采用；3.拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8；4.基坑深度不宜大于12m；5.地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施。放坡1.基坑侧壁安全等级宜为三级；2.施工场地应满足放坡条件；3.可独立或与上述其他结构结合使用；4.当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施。2.基坑工程的设计内容围护结构设计计算•通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形，据以验算截面承载力和基坑位移。•设计计算必须按不同施工阶段的特征分别进行验算，同时应考虑前一种工况对后面各种工况内力和变形的影响。2.基坑工程的设计内容•围护结构稳定性验算•基坑边坡总体稳定演算；•围护墙体抗倾覆稳定验算；•围护墙底面抗滑移验算；•基坑围护墙前抗隆起稳定验算；•抗竖向渗流验算；•基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。均与围护墙的插入土深度有关。2.基坑工程的设计内容•节点设计•合理的节点构造应符合以下条件：•方便施工；•节点构造与设计计算模型中的假设条件一致；•节点构造应起到防止构件局部失稳的作用；•尽可能减少节点自身的变形量；•与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要具有良好的节点延性。2.基坑工程的设计内容•其他土工问题•井点降水•井点降水的作用是：•1）通过降低地下水位消除基坑坡面及坑底的渗水，改善施工作业条件；•2）增加边坡稳定性，防止坡面和基底的土粒流失，以避免流砂现象；•3）降低水位，防止坑底隆起与破坏；•4）改善基坑的砂土特性，加速土的固结。•降水的方法有集水明排和井点降水两类。2.基坑工程的设计内容土方开挖•其中最重要的要求是每阶段的开挖深度与相应设计工况的计算模型一致。•强调先支撑后开挖的原则。•监测•内容有以下几个方面：•围护结构主要构件的内力和变形•基坑周围土体的变形，边坡稳定及地下水的变化和空隙水压力的测定等；•对周围环境中需要保护的对象进行专门内容的观察和测定。3基坑围护结构的内力计算•深基坑支护结构内力计算是个古老的传统课题，同时又是一个综合性的。它既涉及土力学中典型的强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用问题。•地基反力系数是一个必须首先确定的参数。主要由地质条件决定，与承力面积和深度也有关系，其值最好通过试验求得。•计算模型见表12-63基坑围护结构的内力计算•计算原则：•一般考虑桩土共同作用的弹性地基梁上的杆系或框架模型，根据施工过程中发生的实际工况分布进行计算，同时考虑施工工况引起结构的先期位移值以及支撑变形的影响或采用荷载增量法进行计算，即所谓“先变形，后支撑”的原则。3基坑围护结构的内力计算•计算模型：•桩土共同作用模型•水平支点力计算•支护结构的嵌固深度分析3基坑围护结构的内力计算桩（墙）内力的计算分析方法•（一）弹性地基杆系有限单元法•常用方法，一般过程如下：结构理想化：根据其结构受力特性，理想化为杆系单元；结构离散化：按竖向划分成有限元单元。挡土结构的节点应满足变形协调条件；单元所受荷载和单元节点位移之间的关系，以单元的劲度矩阵确定。根据静力平衡条件列出平衡方程求解。3基坑围护结构的内力计算•（二）挡土结构的有限元法•广泛应用。这里介绍“弹性杆系有限元法”支撑体系平面框架计算•在工程中将围护结构中的支撑体系在结构上设计成一个水平的封闭框架。3基坑围护结构的内力计算作用在基坑结构上的荷载–作用于支护结构上的荷载主要有：–l）土压力；–2）水压力；–3）影响区范围内建筑物、结构物荷载；–4）施工荷载：汽车、吊车及场地堆载等；–5）若支护作为主体结构的一部分时，应考虑地震力；–6）温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载•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。3基坑围护结构的内力计算3基坑围护结构的内力计算图3-5悬臂支护桩土压力分布3基坑围护结构的内力计算图3-6芝加哥深基坑土压力实测图图3-7柏林地道工程土压力实测图3基坑围护结构的内力计算基坑底桩前土压力计算取值基坑底桩前土抗力常采用的是Rankine公式计算，由于计算出来的被动土压力是以极限状态为前提的，当被动土压力达到理论计算值时，其围护结构的变形位移将很大，一般达到坑深或桩墙高度的5%，这么大的变形位移是基坑支护结构所不能允许的。因此，对于基坑支护被动土压力计算中，一般取其折减系数η=0.3～0.5。护桩与土体间的摩擦作用桩墙支护结构在土压力作用下发生变形变位时，护桩和土体之间有相对位移而产生摩擦力，摩擦力将使桩墙后的主、被动土压力减小；相反确使桩墙前面的被动土压力增大。为此进行支护结构设计时应考虑桩墙与土体的摩擦作用，即将墙前、后的被动土压力乘以修正系数.3基坑围护结构的内力计算但为慎重起见对主动土压力可不进行折减。一般使墙前被动土压力增大的修正系数可取K=1.5～2.8；使墙后被动土压力减小的修正系数可取Kˊ=1.0～0.35。修正系数与土的内摩擦角φ有关，φ值越大，修正系数K越大,而Kˊ越小。实际工程设计计算中，为简化起见，既不进行被动土压力理论计算值的折减，也不进行因摩擦作用而使墙前被动土压力增大的修正。3基坑围护结构的内力计算•土的内聚力C、内摩擦角φ值可根据下列规定适当调整：•在井点降低地下水范围内，当地面有排水和防渗措施时，φ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%。3基坑围护结构的内力计算•主动土压力：•被动土压力：)245(2)245()(21nnnniiinantgctghqe)245(2)245()(12ninnniinpntgctghqe3基坑围护结构的内力计算地面附加荷载传至n