支护结构的受力及变形计算.ppt

11.1概述11.2支护结构的受力及变形计算11.3基坑地面沉降计算11.4支护结构的稳定性验算11.5桩墙支护结构内力计算11.6常见的基坑支护结构11.7基坑降排水,第11章基坑工程,11.1.1基坑支护目的与作用,11.1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。,11.1.2基坑支护工程的主要特点,1）基坑工程大多是临时性的工程，设计与施工重视不足，风险较大。2）建筑趋向高层化，基坑向大而深度方向发展。基坑开挖深度在6～20m很普遍；基坑开挖面积大，这给支撑系统带来较大的难度。3）基坑工程对周围环境影响大。在软弱土层中，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很大影响；场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利；在相邻场地施工中，打桩、降水、挖土及基础浇注混凝土等会相互制约与影响。4）设计与施工难度较大，基坑工程事故频发。一是设计质量不高，方案选择不合理；二是施工管理混乱，施工中随意更改或减少支护，常常造成工程事故；三是监理问题，监理人员思想上麻痹大意。5）基坑工程是一项综合性很强的系统工程。如勘察工程、地下工程、结构工程和测控工程等学科与技术相互交叉，协调发展。6）基坑围护新技术、新方法发展较快，支护结构方案应尽可能实现优化设计。,11.1.3支护结构的类型及适用条件,1.基坑工程分类,1）按开挖深度分。开挖深度H≥5m称为深基坑；H＜5m为浅基坑。2）按开挖方式分。分为放坡开挖和支护开挖两大类。3）按功能用途分。楼宇基坑、地铁站基坑、市政工程基坑、工业地下厂房基坑等。4）按安全等级分。基坑规程将基坑支护结构分为三个安全等级。,5）按支护结构形式分,2.常见基坑支护结构的类型,1）无围护放坡开挖,①支护型将支护墙（排桩）作为主要受力构件的支护形式，如板桩墙、排桩、地下连续墙等。在基坑较浅时可不设支撑，成悬臂式结构；当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚拉系统，形成空间力系。②加固型充分利用加固土体的强度进行支护的结构形式，如水泥土搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和树根桩等。,2）桩墙支护,,桩墙支护结构形式,,桩墙锚杆基坑支护工程,内支撑基坑支护工程,3）重力式支护结构,对于软土地基或松散砂土层，不能直接采用锚杆支护时，可采用水泥土墙，如搅拌桩、旋喷桩、树根桩等形成重力式的挡土结构进行支护。水泥土墙一般适用于基坑深度H≤6m，基坑侧壁安全等级为二、三级的基坑。,5）开槽施工法,4）中央开挖施工法,6）土钉墙支护,7）墙前被动区土体加固法,8）逆作拱墙,9）地下连续墙逆作法,8）沉井法,10）组合型支护,土钉与桩-锚复合支护,,土钉,土层锚杆,钻孔灌注桩,防渗帷幕,,微型桩,土钉,土钉与微型桩组成的复合支护,钢砼管桩,土钉,土钉与微型桩组成的复合支护,,,边坡型式的破坏,某复合土钉支护基坑整体失稳时照片,11.2支护结构的受力及变形计算,11.2.1支护板桩的受力性状,11.2.2支护结构的侧向土压力计算,基坑外侧的主动土压力视为水平荷载，应计算其水平荷载的标准值；基坑内侧的被动土压力视为水平抗力，亦应计算其水平抗力的标准值。,1）悬臂式板桩。插入土体部分视为固定端，上部为自由端。2）浅埋单锚式板桩。板桩顶端或上部有一层支撑或锚拉系统，其下端插入基坑底部，但是插入深度相对较浅。简支梁结构。3）深埋单锚式板桩。与浅埋单锚式板桩不同的是板桩插入基坑底部相对较深，这样插入土体部分视为固定端，上部支锚作用点为活动铰；即看作静不定梁结构。4）多层锚拉式板桩。板桩的支锚层数2层或2层以上，可将插入土体部分视为固定端，上部各个支锚作用点为活动铰；即看作连续梁结构。,1.水平荷载标准值计算,1）对于碎石土、砂土，按水土分算法计算基坑外侧的水平荷载标准值,（11-1）,a）计算简图b）地面均布荷载作用c）局部荷载作用,②当计算点位于地下水位以下时,,（11-2）,,（11-3）,2）对于粉土、粘性土、淤泥及淤泥质土，可按水土合算法计算水平荷载标准值，其公式形式与式（11-1）相同。,3）当按式（11-1）及式（11-2）计算的基坑开挖面以上水平荷载标准值eajk小于零时，应取零。,2.水平抗力标准值计算,1）对于碎石土、砂土，按水土分算法计算基坑内侧水平抗力标准值,图11-7水平荷载标准值计算图,2）对于粉土、粘性土，可按水土合算法计算基坑内侧水平抗力标准值,,3.按Terzaghi-Peck土压力分布模型法计算主动土压力,a）砂土层b）软中硬粘土层c）硬粘土层图11-8土压力模型图（Terzaghi-Peck）,4.基坑底桩前土压力计算取值,11.2.3基坑变形特征,1.支护结构的变形,。,2.基坑周围地表沉降变形,3.基坑失稳,4.基坑管涌和流砂,a）拉锚失效b）支撑压屈c）支挡结构变形过大因支护结构的强度或刚度不足而引起的基坑失稳,a支挡结构底部走动b支挡结构整体滑动c挡土墙倾覆d挡土墙滑动因支护结构地基土的强度不足而引起的基坑失稳,基坑管涌和流砂失稳承压水引起的基坑失稳,11.2.4基坑的变形控制,1.基坑的变形控制标准,建筑地基基础设计规范规定的建筑物地基变形允许值见表7-10。,变形控制内容有①支护结构主体水平位移及其速率；②地表下沉量及下沉速率；③邻建物的沉降及倾斜；④基坑底隆起量及其速率；⑤支锚位移量及其速率；⑥支护结构主体的倾斜等。,2.变形控制设计基本内容,变形控制设计指变形预测分析、动态设计及控制技术等。,11.2.5支护结构的变形计算,支护结构的变形计算方法较多，如竖向弹性地基梁法、弹性地基杆系有限元法、变形反分析法、等值梁法等；竖向弹性地基梁m法比较常用。,,设置于土中的弹性桩,11.3基坑地面沉降计算,11.3.1基坑降水引起的地面沉降,,11.3.2基坑开挖引起的地面沉降,基坑周围地面变形与支挡结构刚度、支锚刚度和周围土质等有关，基坑开挖引起的地面沉降一般采用R.B.Peck模式和土体损失理论来计算。,11.4支护结构的稳定性验算,11.4.1基坑的整体稳定性验算,11.4.2重力式挡墙稳定性验算,对于水泥土墙、土钉墙、加筋土等重力式挡墙，除了进行整体稳定性验算之外，还需按重力式挡土墙的计算方法，验算其抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性等。,采用瑞典的费伦纽斯（W.Fellenius）圆弧滑动面条分法来验算放坡开挖、水泥土挡墙、悬臂式挡墙、支撑（或锚拉）挡墙、地下连续墙等支护结构的整体稳定性。对于设置多道内支撑的支护结构，一般来说其整体稳定性无问题，可不预验算。,11.4.3基坑抗隆起稳定性验算,临界滑动面稳定性验算,2.地基承载力验算,1）太沙基-皮克（Terzaghi-Peck）法,Terzaghi-Peck法,Caquot-Kerisel法,2）柯克和克里西泽尔（Caquot-Kerisel）法,11.4.4基坑管涌验算,,不发生管涌的条件也可写成,或,,,11.4.5有承压水坑底的稳定性验算,为低抗承压水水头压力，坑底不透水层厚度,,,或,若上式计算要求得不到满足，应将支挡结构嵌入到承压水层以下；或者在承压水中设置减压抽水井，以减少承压水层的水头压力。,11.5桩墙支护结构内力计算,11.5.1悬臂式支护结构,1.单排式悬臂支护,,11.5.2单锚式支护结构,1.浅埋式单锚支护结构,,简支梁法计算浅埋式单锚支护结构,2.深埋式单锚支护结构,等值梁法计算深埋式单锚支护结构,11.5.3多层锚拉支护结构,1.支锚结构的间距布置形式和设计计算,（1）等弯矩布置,（2）等反力布置,支锚的等反力布置,（3）等间距布置,,支锚等间距布置计算简图,2.护桩的入土深度计算,盾恩近似法计算图,对于多层支撑（或锚拉）板桩墙的入土深度，可采用盾恩近似法或等值梁法计算。盾恩近似法计算步骤如下,,,11.6常见的基坑支护结构,11.6.1锚杆支护,利用地层提供给锚杆的锚固力来维护排桩墙支护结构物的稳定，控制住基坑或边坡岩土体变形的一种支护方法，称之为锚杆支护。,1.锚杆的结构组成,水泥砂浆锚杆由拉杆、锚固体、非锚固段、腰梁、锚杆头部等组成。,1）拉杆作用是将来自锚杆头部的力传到锚固体中。,2）锚固体。锚固体是锚杆的有效锚固部分，它将将来自拉杆的力通过水泥砂浆结石体与岩土体之间的相互作用，以侧阻力或端阻力（扩大头受压面阻力）形式传给稳固的岩土层中。3）锚杆头部。它是工程构筑物与拉杆的连接部分，起到将来自构筑物的力（如侧土压力）牢固地传给拉杆的作用；锚杆头部一般由台座（或称为锚座）、承压垫板、紧固器等组成。,2．锚杆受力分析,锚固作用安全可靠实现的四个条件是1）拉杆抗拉强度足够，在承受极限荷载时，不产生拉断或过大屈服变形。2）锚固体对拉杆筋的握固力需能承受住锚杆极限拉力的作用。3）锚固段岩土体的抗剪强度或所提供给锚固段砂浆结石体的摩阻力足够。4）锚固的土体在最不利情况下需能保持整体稳定性。,3.土层锚杆的设计计算,2）锚杆的轴向受拉承载力设计值,1）锚杆的布置,3）锚杆的自由段长度,锚杆的自由段长度应超过土体潜在的滑移面1.0m以上，且大于5m。,4）锚杆杆体的截面面积计算,普通钢筋,预应力钢筋,,,5）锚杆水平拉力设计值,宜取锚杆轴向受拉承载力设计值的0.50～0.65倍.,6）锚杆预加力值（锁定值）,4．锚杆的施工要点,施工工艺包括锚孔钻进、拉杆组装与安放、灌注浆液、张拉与锁定等。,一次注浆粗钢筋拉杆的组装关系二次高压注浆粗钢筋拉杆的组装关系1.挡土板；2.支承架；3.拉杆；1.一次注浆管；2.止浆器；3.塑料管；4.拉杆；5.二次注浆管,钢铰线与高强钢丝拉杆的组装关系1.塑料套管；2.钢绞线（或钢丝）；3.架线环；4.钢丝束结；5.注浆管；6.顶帽,土钉墙一般由土钉、面层、泄排水系统等三部分组成。,11.6.2土钉墙,11.6.3水泥土墙,a）壁式（带肋或不带肋）b）格珊式c）拱式常见的水泥墙结构形式,11.6.4逆作拱墙,,11.6.5SMW工法,1.SMW工法原理与应用,a）全位“满堂”；b）全位“1隔1”；c）全位“1隔2”；d）半位“满堂”；e）半位“1隔1”,常州万博北岸城基坑围护工程,常州紫荆公园120观光塔基坑工程（PCMW工法）,11.7基坑降排水,11.7.1明沟排水工程,普通明沟排水法,明沟排水通常是在基坑周边设排水沟或渗渠，在基坑角或每3040m设一直径0.70.8m集水井。,分层明沟排水法,11.7.2井点降水法类型及适用情况,1.轻型井点,真空泵井点设备工作原理图,2、喷射井点,3.电渗井点,电渗井点工作原理示意图1.井点管；2.金属棒；3≤60v直流电源,4、管井井点,11.7.3井点降水工程设计,1.基坑总涌水量的计算,,a）无压完整井b）无压非完整井c）承压完整井d）承压非完整井井点降水计算图示,2）潜水非完整井,,3）承压完整井,1）潜水完整井,4）承压非完整井,,抽水影响半径R,潜水含水层,,承压含水层,,,2.设计单井出水量,,,3．井数、井距的确定,1）井数。,初选井数,2）井距,,11.7.5降水对临近建筑物的影响与预防措施,1）减少基坑周围的静、动荷载。对于轻型井点，尽量采用一级轻型井点降水；对于管井井点降水法应尽量采用潜水泵抽水。2）缩短降水时间，加快基础工程施工进度，提高降水速度。3）防止抽水过程中将土粒或砂粒带出。4）对建筑物地基进行防护，用旋喷桩或注浆加固等，在建筑物周围形成帷幕以保护其地基不受破坏。5）井点管布置在基坑内侧。6）采用井点降水与回灌技术相结合方法。,教学章节目录1、绪论2、土的物理性质及工程分类3、土体中的应力计算4、土的压缩性和地基沉降计算5、土的抗剪强度与地基承载力6、土压力和土坡稳定7、天然地基浅基础8、桩基础9、沉井工程10、地下连续墙工程11、基坑工程,土力学与基础工程试题命题指南根据土力学与基础工程教学大纲，现制定本课程试卷命题指南。一、命题原则1、检查学生对该课程基本概念的掌握情况。2、检查学生对岩土工程材料的变形特性、渗透特性以及强度特性的理解。3、检查学生对浅基础和深基础在建筑物荷载作用下设计计算的能力。,二、命题形式及考分分配1、解释下列基本概念（4题）（12分）2、填空题（10题）（10分）3、单项选择题（10题）（15分）4、多项选择题（6题）（18分）5、计算题（5题）（45分）三、难度比例较易占30；中等难度占40；较难占20；难度大占10,