深基坑工程经典讲义.ppt
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1、深基坑工程,1.基坑工程综述,2.基坑工程设计计算方法,3.施工监测及信息化施工,4.总结及展望,(1)临时结构:安全储备小,风险较大。,(4)综合性岩土工程问题:强度、稳定性、变形、渗流。,(2)区域性和个案性较强。,(3)综合性很强的系统工程:工程地质、岩土、结构、环境。,(5)设计与施工需考虑时空效应。,(6)与周边环境关系密切,对其影响较大。,1.基坑工程综述,1.1 基坑工程的特点,1.2.1 按与主体结构施工的关系(建筑基坑),顺作法,逆作法,顺逆结合法,1.2 基坑的分类及方案选择,主楼先顺作,裙楼后逆作,裙楼先逆作,主楼后顺作,中心顺作,周边逆作,逆作法,优 点:(1)楼板成为
2、横撑,刚度大,省材料。(2)地上、地下同时施工,缩短工期。(3)以首层楼板为施工平台,节省施工空间。,缺 点:(1)技术复杂,对施工要求高。(2)逆作暗挖,作业环境差,影响结构质量。(3)与主体结构关联度大,受主体结构进度的制约。,仲盛商业中心基坑(面积50000m2,深度13.3m,中心顺作,周边逆作),逆作法适用条件:(1)大面积开挖,可节省支撑。(2)基坑周边环境复杂、敏感,可控制变形。(3)施工场地紧张,节省空间。(4)工期进度要求高,缩短工期。,顺逆结合实例,放坡开挖(无支护)及简易支护,基坑支护形式,土钉墙,水泥土墙,排 桩,地下连续墙,逆作拱墙,1.2.2 按支护结构形式分类,地
3、下连续墙+逆作内衬,1.土钉墙支护结构,优 点,(1)结构轻,柔性大,有良好的延性,抗震性能好。,(2)施工设备简单,所需场地小,方便灵活,施工速度快。,(3)材料用量及工程量小,工程造价低(为其他类型支护的2/34/5)。,缺 点,(1)基坑深度有限。,(2)土层变形及沉降不易控制。,适用范围,(1)地下水位以下、自稳性较好(一般黏性土、弱胶结或较密实的无黏性土)的土层;(2)埋深不很大(12m);(3)土层变形控制的要求不严格;(4)有较宽松的施工场地。(土钉不超出红线外),分 类,基本型和复合型。,15m,成都地铁车站基坑(基坑深度15m,土钉支护),土层变形过大造成的裂缝,2.水泥土重
4、力式围护墙,(4)计算时作为刚性结构(重力式的)。,(1)多用于软土,深层搅拌法或旋喷法施工。,(2)通常基坑开挖深度7m。,(3)墙宽0.71.0倍的基坑开挖深度,多采用格栅式布置。,型钢水泥土搅拌墙,水泥土中插入型钢,提高墙的强度。(SMW工法),3.排桩支护结构,桩的类型,板桩(钢、钢筋混凝土预制),钢筋混凝土桩(预制、现场灌注),钢筋混凝土-素混凝土咬合桩,型钢水泥土搅拌墙(SMW),排桩支护结构=桩+支撑,类 型(材料和施工方法),支撑形式,内 撑,外 锚,预应力锚索(锚杆),锚拉桩等,水平:单向、双向、桁架式,竖向(立柱),竖向斜撑,平面布置形式,优 点,(1)较土钉支护适于更深的
5、基坑,能较好地控制土层变形。,(2)较地下连续墙施工工艺简单,成本低,平面布置灵活。,缺 点,防渗及整体性不如地下连续墙。,排桩支护(地铁车站基坑,深度23m,人工挖孔桩+4道钢管内撑),排桩支护(旋挖桩+钢筋混凝土内撑+钢管内撑),双向钢管内撑的基坑,成都国金中心大厦基坑(最大深度34m),排桩支护:人工挖孔桩+9道预应力锚索,型钢水泥土搅拌桩,拔出型钢,桁架式内撑,4.地下连续墙,优 点,(1)刚度大,支撑能力强,基坑稳定性好,土层变形小。,(2)墙身防渗性能好,坑内降水对坑外影响小。,缺 点,(1)废泥浆处理。(2)粉砂地层中易坍壁。(3)施工技术要求高。,(3)可作为地下室的外墙,缩短
6、工期,降低造价。,形 式,5.地下连续墙+逆作内衬,用于悬索桥锚碇基础的施工。先做地下连续墙,再分层逆作内衬,并开挖。,地下连续墙+逆作内衬(阳逻长江大桥锚碇基坑,内径70m,开挖深度45m,墙厚1.52.5m),2.基坑工程设计计算方法,2.3 土钉墙计算,2.5 基坑变形计算,2.1 基坑设计原则和内容,2.2 基坑稳定性分析,2.7 利用模型试验确定基坑的受力变形规律,2.6 基坑的时空效应,2.4 排桩、地下连续墙结构计算,1.原 则,2.规划、设计、施工、监测内容,(1)满足结构强度、变形、稳定性要求,保证周围环境安全。,(2)较好的技术、经济和环境效应。,(3)施工方便,安全。,(
7、1)建筑场地的水文地质条件勘查及周边环境调查。,(2)支护体系方案技术经济比较和选型。,(3)结构设计,强度、变形、稳定性检算,土体变形验算。,(4)排水、降水设计,对周边环境的影响。,(5)施工方案设计。,(6)监测方案设计。,2.1 基坑设计原则和内容,3.基坑计算的主要内容,基坑稳定性,整体稳定性,抗隆起稳定性,抗倾覆、水平滑移稳定性(重力式支护),抗渗流、承压水稳定性,支护结构,内 力,变 形,截面尺寸及配筋(钢筋混凝土),变 形,地表沉降,坑外土体变形,坑底隆起,降水和排水系统,基坑计算,嵌固深度,(以桩、墙支护结构为例),2.2 基坑稳定性分析,两类失稳形式,(1)开挖坡度过陡、土
8、钉长度不够、桩(墙)入土深度偏浅,无法给土体提供足够的阻力,导致整体失稳破坏。,(2)支护结构强度不够,在土压力作用下发生破坏,进一步导致土体的破坏。,诱 因,降雨或水的渗入,基坑周边堆载,振 动,各类支护结构的失稳破坏形式,(1)刚性挡土墙基坑,入土深度不够,超 载,土层强度低,(2)内支撑基坑,超 载,土软,涌 砂,土层强度低,隆起破坏,1.土体破坏(强度、渗流、变形),承压水,突涌破坏,管涌破坏,降水设计不合理或设备失效,失稳破坏,分区开挖,放坡过陡(超大基坑),(3)拉锚基坑,入土深度不够或超挖,锚杆长度不够,失稳破坏,失稳破坏,2.围护结构破坏,(1)围护墙(桩)破坏,剪切破坏,弯曲
9、破坏,(2)内撑或拉锚破坏,(3)墙(桩)后体变形过大导致支护结构破坏,排桩支护基坑失稳破坏,膨胀土基坑失稳破坏,2.2.1 整体稳定性分析,(1)条分法,假 设:土层是刚性的,计算时只考虑力的传递,无法考虑变形。,特 点:计算相对简单,但条-条之间力的传递方式过于简化。,瑞典圆弧滑动法,简化Bishop法,力平衡法,Janbu法,Spencer法,Morgenstern-Price法,条分法,圆弧滑裂面,任意形状滑裂面,(2)极限分析法,假 设:土体是刚塑性的,应用严格的塑形理论建立计算方程。,特 点:较条分法合理,但计算过程比较复杂。,(3)强度折减法,方 法:土体是弹塑性的,计算时不断降
10、低土的强度参数值,使基坑失稳破坏,降低的倍数即为其安全系数。,失稳判断准则:,(1)塑性区贯通。(2)计算不收敛。(3)坡体位移发生突变。,通常结合有限元、有限差分法计算。,2.3 土钉墙计算,2.3.1 土钉的受力特点,(2)土钉与锚杆,(1)土钉墙的受力,预应力锚索(锚杆),土 钉,2.3.2 土钉计算,破坏形式:单个土钉从土中拔出。,单根土钉所受的拉力,(1)单根土钉抗拉承载力,由该土钉承担的土压力,单根土钉的抗拔承载力,荷载折减系数,1)土压力按基坑侧壁直立(=90o)时计算。非直立时,只有部分土压力需土钉承担,故1。,2)基坑侧壁直立(=90o)时,=1。,土钉锚固体与土体之间的摩阻
11、力(kPa),(2)土钉墙整体稳定性,破坏形式:土体滑动,与土钉分离。,下滑力矩,抗滑力矩(土体),抗滑力矩(土钉),单根土钉的抗拔承载力,土钉传至滑动土体的作用力,土钉支护基坑失稳破坏,2.3.3 复合型土钉墙(联合支护),土钉墙+预应力锚索(锚杆),(1)与基本型土钉墙相比,可适用于更差的土层和更深的基坑。,(2)与其他类型支护相比,仍保持了土钉墙造价低、工期短、设备简单、施工方便的特点。,土钉墙+隔水帷幕,土钉墙+微型桩,土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索(锚杆),土钉墙+微型桩+预应力锚索(锚杆),土钉墙+搅拌桩+微型桩,土钉墙+隔水帷幕+微型桩+预应力锚索(锚杆),特 点,2.3.4 工程
12、实例,深圳长城盛世家园高层住宅基坑(2002,最大开挖深度21.7m),(1)土层,(2)开挖及支护方案,土钉墙+预应力锚索,土钉墙+预应力锚索,土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索,土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索,(3)水平位移及沉降监测结果,(4)经济效益,造价约为桩+预应力锚索方案的2/3,节省500600万元。,北侧沉降,东侧沉降,东侧水平位移,南侧水平位移,深圳南山文化中心区水处理站基坑,(1)工程概况,(2)水平位移及沉降监测结果,2.4 排桩、地下连续墙结构计算,2.4.1 荷载-结构法,土体与结构之间的相互作用完全以荷载的形式反映。,(1)荷 载(土压力),采用极限状态即主动或被动土压力
13、(按Rankine土压理论计算)。或采用被修正后的主动、被动土压分布形式,如建筑基坑规程(JGJ 120-99):假设桩(墙)后主动土压力在坑底以下的土层中不再直接随深度的增加而变化。,荷载(土压力)-结构,荷载(土压力)-弹簧(土)-结构,初始应力场-土体-结构,荷载-结构法,计算模型及计算方法分类,弹性地基法,有限元法、有限差分法,1)影响土压力大小及分布形式的因素,a.土的类型及状态;,b.挡土结构位移的方向和大小;,c.挡土结构的刚度。,土压力和位移之间的关系,2)设计计算中的土压力假设,a.土体处于极限状态时的土压力:主动土压力和被动土压力;,b.线性分布(Rankine 土压理论)
14、;,c.与挡土结构的位移及刚度无关。,3)规范中的土压力模式,建筑基坑工程技术规范 YB 9258-97,建筑基坑支护技术规程 JGJ12099,土压力分布形式与经典的朗肯土压力相同,坑底以下的主动土压分布进行了修正,(在“理正深基坑支护”软件土压力计算模式中,“一般”就是指传统的朗肯土压计算模型,“规程”则是指修正的计算模型。),4)开挖过程中土压力分布形式的一般规律,5)实测的土压力分布形式,北京医院急诊楼,天津无缝钢管总厂PU2铁皮坑,上海太阳广场大厦,陈塘庄码头,a.土压力的大小及分布形式随支护结构的位移及变形而变,分布形式较为复杂,预先给出其分布形式及大小是不合理的。,6)结 论,b
15、.规范中的土压力对应于土体处于极限状态(即结构位移足够大时)的土压力,在目前结构设计由强度控制转向变形控制的情况下,这种状态是很难出现的。,(2)计算原理及方法,通过引入假设,将原本较为复杂的问题简化为静定问题进行计算。,悬臂桩,单撑桩(浅桩,深桩),多撑桩,1)悬臂桩,a.确定嵌固深度,建筑基坑支护技术规程 JGJ12099,b.计算桩身最大弯矩,最大弯矩位置(剪力为0的截面),(桩底应该有一被动土压力,否则无法满足水平力平衡条件),2)单撑桩,计算方法以等值梁法为基础。,建筑基坑支护技术规程 JGJ12099,等值梁法计算简图,嵌固深度较大时,有3个未知数:支撑力、入土深度、桩底作用力,为
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