地下結(jié)構(gòu)工程之深基坑工程講義.ppt

地下結(jié)構(gòu)工程 深基坑工程 第03章 3 深基坑工程 概述 大量的深基坑工程伴隨著城市高層建筑的發(fā)展大量出現(xiàn) 國外 圓形基坑的深度已達(dá)74m 日本 直徑最大的達(dá)98m 日本 而非圓形基坑的深度已達(dá)到地下 層 法國 國內(nèi) 上海88層的金茂大廈 基坑平面尺寸為170m 150m 基坑開挖深度達(dá)19 5m 上海的匯京廣場 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與相鄰建筑最近的距離僅40cm 而無支撐基坑的開挖深度也已達(dá)到了9m 兩個(gè)功能 一是擋土 二是止水 基坑支護(hù)分兩類 支護(hù)型 將支護(hù)墻 排樁 作為主要受力構(gòu)件 支護(hù)型基坑支護(hù)包括板樁墻 排樁 地下連續(xù)墻等 在基坑較淺時(shí)可不設(shè)支撐 成懸臂式結(jié)構(gòu) 當(dāng)基坑較深或?qū)χ車孛孀冃螄?yán)格限制時(shí) 應(yīng)設(shè)水平或斜向支撐 或錨定系統(tǒng) 形成空間力系是發(fā)展方向 加固型 充分利用加固土體的強(qiáng)度 加固型包括水泥攪拌樁 高壓旋噴樁 注漿和樹根樁等 基坑側(cè)壁安全等級(jí)及重要性系數(shù) 3 1結(jié)構(gòu)方案及選擇3 1 1結(jié)構(gòu)類型 支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及其適用范圍表3 1 圖3 1板樁 圖3 2組合擋土壁 圖3 3單排與雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu) 圖3 4接頭管接頭的施工程序a 開挖槽段 b 吊放接頭管和鋼筋籠 c 澆筑砼 d 拔出接頭管 e 形成接頭 3 1 2支撐體系 支撐體系是用來支擋圍護(hù)墻體 承受墻背側(cè)土層及地面超載在圍護(hù)墻上的側(cè)壓力 支撐體系是由支撐 圍檁 立柱三部分組成 3 2支護(hù)結(jié)構(gòu)上的作用3 2 1土壓力 主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力的產(chǎn)生 前提條件是支護(hù)結(jié)構(gòu)存在位移 當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有位移時(shí) 則土對支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力為靜止土壓力 土壓力的分布與支點(diǎn)的設(shè)置及其數(shù)量都有關(guān)系 懸臂支護(hù)樁土壓力的實(shí)測值與按朗肯公式計(jì)算值的對比 非挖土側(cè)實(shí)測土壓力小于朗肯主動(dòng)土壓力 即計(jì)算結(jié)果偏大 圖3 5懸臂支護(hù)樁土壓力分布 圖3 6芝加哥深基坑土壓力實(shí)測圖圖3 7柏林地道工程土壓力實(shí)測圖 土的內(nèi)聚力C 內(nèi)摩擦角 值可根據(jù)下列規(guī)定適當(dāng)調(diào)整 在井點(diǎn)降低地下水范圍內(nèi) 當(dāng)?shù)孛嬗信潘头罎B措施時(shí) 值可提高20 在井點(diǎn)降水土體固結(jié)的條件下 可考慮土與支護(hù)結(jié)構(gòu)間側(cè)摩阻力影響 將土的內(nèi)聚力c提高20 土壓力計(jì)算公式exit 主動(dòng)土壓力 被動(dòng)土壓力 3 2 2地面附加荷載傳至n層土底面的豎向荷載qn 1 地面滿布均布荷載q0時(shí) 任何土層底面處 2 離開擋土結(jié)構(gòu)距離為a時(shí) 3 作用在面積為與擋土結(jié)構(gòu)平行 的地面荷載 離開擋土結(jié)構(gòu)距離時(shí) 3 2 3水壓力 水壓力 主要根據(jù)土質(zhì)情況確定如何考慮水壓力的問題 對于粘性土 土壤的透水性較差 此粘性土產(chǎn)生的側(cè)向壓力可采用水土合算的方法 即側(cè)壓力為相應(yīng)深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側(cè)壓力系數(shù) 對于砂性土 采用水土分算 即側(cè)壓力為相應(yīng)深度處豎向土壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)與該深度處水壓力之和 對比 砂土簡化計(jì)算 將水壓力與土壓力分別計(jì)算 并把水看作是 主動(dòng)壓力 靜止壓力 被動(dòng)壓力 h 3 3排樁 地下連續(xù)墻 計(jì)算主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力并確定計(jì)算簡圖 確定嵌固深度 內(nèi)力計(jì)算 支護(hù)樁或墻的截面設(shè)計(jì)以及壓頂梁的設(shè)計(jì)等 3 3 1懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)朗肯 庫倫土壓力理論分層計(jì)算主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力 在此基礎(chǔ)上確定圖3 10所示的計(jì)算簡圖 圖據(jù)此簡圖求出嵌固深度hd 最大彎矩截面位置及最大彎矩值 進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)或承載力計(jì)算 計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)頂端位移 懸臂exit 計(jì)算簡圖 據(jù)此求出嵌固深度hd 配筋和撓度計(jì)算 地質(zhì)條件或其它影響因素較為復(fù)雜時(shí) 也可按最大彎矩?cái)嗝娴呐浣钬炌ㄈL 配筋應(yīng)滿足下式條件 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂端的水平位移值 y 剪力為零處即D點(diǎn)至基坑底的距離 懸臂梁上段結(jié)構(gòu)柔性變形值 下段結(jié)構(gòu)在彎矩Mmax作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角 下段結(jié)構(gòu)在彎矩Mmax作用下在D點(diǎn)產(chǎn)生的水平位移 上段結(jié)構(gòu)柔性變形下段結(jié)構(gòu)在作用下 3 3 2單層支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 計(jì)算方法是 等值梁法 等值梁法的關(guān)鍵是如何確定反彎點(diǎn)的位置 對單錨或單撐支護(hù)結(jié)構(gòu) 地面以下土壓力為零的位置 即主動(dòng)土壓力等于被動(dòng)土壓力的位置 與反彎點(diǎn)位置較接近 圖exit 用等值梁法計(jì)算單錨 單支支護(hù)結(jié)構(gòu) 圖3 15單層支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)深度計(jì)算簡圖 3 支點(diǎn)力TC1可按下式計(jì)算 等值梁法 對反彎點(diǎn) 1 計(jì)算土壓力 2 基坑底面以下支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)定彎矩零點(diǎn)位置 4 嵌固深度Hd設(shè)計(jì)值可按下式確定 5 計(jì)算內(nèi)力和配筋 單層支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大彎矩 發(fā)生在剪力0處 應(yīng)根據(jù)土壓力平衡 求得處的位置y 可得Mmax 彎矩圖可按靜力平衡條件求得可以分段配筋 也可以按最大彎矩?cái)嗝嫱ㄩL配筋 3 3 3多層錨拉式支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 應(yīng)根據(jù)分層挖土深度與每層錨桿設(shè)置的實(shí)際施工情況分階段分層計(jì)算 這時(shí)假定下層挖土不影響上層錨桿計(jì)算的水平力 2 多層布置時(shí) 有等彎矩布置和等反力布置兩種模式 3 懸臂式及單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度設(shè)計(jì)不宜小于 多支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度設(shè)計(jì)值小于0 2h時(shí) 宜取 抗?jié)B透穩(wěn)定條件 當(dāng)基坑底為碎石土及砂土 基坑內(nèi)排水且作用有滲透水壓力時(shí) 側(cè)向截水的排樁 地下連續(xù)墻除應(yīng)滿足上述規(guī)定外 嵌固深度設(shè)計(jì)值尚應(yīng)滿足式抗?jié)B透穩(wěn)定條件 注意事項(xiàng) 1 排樁 地下連續(xù)墻水平荷載計(jì)算單位 中心距和單位長度 2 有支撐變形計(jì)算按彈性支點(diǎn)法計(jì)算 支點(diǎn)剛度系數(shù)及地基土水平抗力系數(shù)m應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值 3 支撐體系 含具有一定剛度的冠梁 或其與錨桿混合的支撐體系應(yīng)按支撐體系與排樁 地下連續(xù)墻的空間作用協(xié)同分析方法 計(jì)算內(nèi)力和變形 3 4土層錨桿 土層錨桿是一種埋入土層深部的受拉桿件 它一端與構(gòu)筑物相連 另一端錨固在土層中 3 4 2錨桿設(shè)計(jì) 1 錨桿承載力計(jì)算2 錨桿桿體的截面面積 3 錨桿軸向受拉承載力設(shè)計(jì)值 1 安全等級(jí)為一級(jí)及缺乏地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的二級(jí)基坑側(cè)壁 應(yīng)進(jìn)行錨桿的基本試驗(yàn) 受拉抗力分項(xiàng)系數(shù)可取1 3 2 基坑側(cè)壁安全等級(jí)為二級(jí)且有鄰近工程經(jīng)驗(yàn)時(shí) 3 對于塑性指數(shù)大于17的粘性土層中的錨桿應(yīng)進(jìn)行蠕變試驗(yàn) 4 錨桿預(yù)加力值 鎖定值 應(yīng)根據(jù)地層條件及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求確定 宜取為錨桿軸向受拉承載力設(shè)計(jì)值的0 50 0 65倍 5 自由段計(jì)算長度 本講要點(diǎn) 重點(diǎn)掌握懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和計(jì)算要點(diǎn) 重點(diǎn)掌握單錨 單支支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和計(jì)算要點(diǎn) 掌握錨桿計(jì)算方法 理解多層支撐的計(jì)算原則 3 6水泥土墻設(shè)計(jì) 又稱攪拌樁擋墻 利用一種特殊的攪拌頭或鉆頭 鉆進(jìn)地基至一定深度后 噴出固化劑 與地基土強(qiáng)行拌和而形成的加固土樁體 Mixed In PlaceMethodMIP 美國 DeepMixingMethod 日本 固化劑采用水泥或石灰 適用于加固淤泥質(zhì)土 粘土 國外最大深度60m 國內(nèi)12 18m 特點(diǎn) 施工無震動(dòng) 噪音 無廢水泥漿 坑內(nèi)無需支撐拉錨 優(yōu)良的抗?jié)B特性 支擋高度 國內(nèi)最深9m 水泥墻的結(jié)構(gòu)形式 擋墻寬度為0 6 0 8開挖深度 樁長為開挖深度的1 8 2 2倍 3 6 1土壓力計(jì)算計(jì)算主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力3 6 2抗傾覆計(jì)算3 6 3抗滑移計(jì)算3 6 4墻身應(yīng)力驗(yàn)算3 6 5整體穩(wěn)定計(jì)算一般情況下 使墻體強(qiáng)度不成為設(shè)計(jì)的控制條件 而以結(jié)構(gòu)和邊坡的整體穩(wěn)定控制設(shè)計(jì) 1 土壓力計(jì)算 墻后主動(dòng)土壓力 墻前被動(dòng)土壓力 2抗傾覆計(jì)算圖 按重力式擋墻計(jì)算墻體繞前趾A的抗傾覆安全系數(shù) 不小于 1 0 1 1 3抗滑移計(jì)算 按重力式擋墻計(jì)算墻體沿底面滑動(dòng)的安全系數(shù) 4 墻身應(yīng)力驗(yàn)算 墻體所驗(yàn)算截面處的法向應(yīng)力剪應(yīng)力按下式進(jìn)行 5整體穩(wěn)定計(jì)算k 1 25 整體穩(wěn)定計(jì)算時(shí) 將滑動(dòng)土體與攪拌樁擋墻視為一個(gè)整體考慮 常選在墻底下0 5 1 0米處 采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算圖 構(gòu)造要求 格柵布置時(shí) 水泥土的置換率對于淤泥不宜小于0 8 淤泥質(zhì)土不宜小于0 7 一般粘性土及砂土不宜小于0 6 格柵長寬比不宜大于2 樁與樁之間的搭接寬度 考慮截水作用時(shí) 樁的有效搭接寬度不宜小于150mm 當(dāng)不考慮截水作用時(shí) 搭接寬度不宜小于100mm 不能滿足要求時(shí) 宜采用基坑內(nèi)側(cè)土體加固或水泥土墻插筋 加混凝土面板及加大嵌固深度等措施 攪拌樁擋墻設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例 詳見教材 3 7土釘墻 土釘墻由被加固土體 放置在土中的土釘體和噴射砼面板組成 形成一個(gè)以土擋土的重力式擋土墻 土釘墻自上而下施工 步步為營 土釘墻是靠土釘?shù)南嗷プ饔眯纬蓮?fù)合整體作用 土層錨桿的失效影響較大 不應(yīng)用于沒有臨時(shí)自穩(wěn)能力的淤泥 飽和軟弱土層 圖3 32土釘墻應(yīng)用領(lǐng)域a 托換基礎(chǔ) b 豎井的擋墻 c 斜面的擋土墻d 斜面穩(wěn)定 e 和錨桿并用的斜面防護(hù) 1土釘受拉承載力計(jì)算 受拉承載力 受拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值 荷載折減系數(shù) 2土釘墻承載力計(jì)算 采用簡化圓弧滑動(dòng)條分法 3構(gòu)造 土釘墻墻面坡度不宜大于1 0 1 噴射混凝土面層宜配置鋼筋網(wǎng) 鋼筋直徑宜為6 10mm 間距宜為150 300mm 噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C20 面層厚度不宜小于80mm 土釘鋼筋宜采用 級(jí)鋼筋 鋼筋直徑宜為16 32mm 鉆孔直徑宜為70 120mm 本講要點(diǎn) 重點(diǎn)掌握水泥土擋墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 荷載 強(qiáng)度 穩(wěn)定 傾覆 滑動(dòng) 整穩(wěn) 土釘墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 土釘承載力和整穩(wěn) 3 8SMW SMW擋土墻是先施工水泥土擋墻 最后按一定的形式在其中插入型鋼 如H鋼 即形成一種勁性復(fù)合圍護(hù)結(jié)構(gòu) 止水好 剛度大 構(gòu)造簡單 型鋼插入深度一般小于攪拌深度 型鋼可回收重復(fù)使用 成本較低 SMW適宜的基坑深度為6 10m 國外開挖深度已達(dá)20m 要求型鋼間距不能過大 保證水泥土的強(qiáng)度由受剪 受壓控制 a 全位 滿堂 b 全位 1隔1 c 全位 1隔2 d 半位 滿堂 e 半位 1隔1 1型鋼凈間距的確定 保證型鋼間的水泥土在側(cè)向水土壓力作用下不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力 2 水泥土強(qiáng)度校核 連續(xù) 截面剪力 型鋼 間隔 布置 驗(yàn)算拱的軸力強(qiáng)度 3 9逆作拱墻 在基坑四周場地都允許起拱的條件下 基坑各邊長L的起拱矢高 可以采用閉合的水平拱圈來支擋土壓力以圍護(hù)基坑的穩(wěn)定 采用閉合的水平拱圈來支擋土壓力以圍護(hù)基坑的穩(wěn)定 拱結(jié)構(gòu)是以受壓力為主 能更好地發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的材料特性 而且拱圈支擋高度只需在坑底以上 這個(gè)閉合拱圈可以由幾條二次曲線圍成的組合拱圈 曲率不連續(xù) 也可以是一個(gè)完整的橢圓或蛋形拱圈 曲率連續(xù) 安全可靠 每道拱圈分別承受該道拱圈高度內(nèi)的壓力 不相互影響 節(jié)省工期 施工方便 節(jié)省擋土費(fèi)用 用拱圈支護(hù)的費(fèi)用僅為用擋土樁的40 60 而且 基坑越深 經(jīng)濟(jì)效益越顯著 1 截面形狀 2 拱墻計(jì)算 逆作拱墻結(jié)構(gòu)型式根據(jù)基坑平面形狀可采用全封閉拱墻 也可采用局部拱墻 拱墻軸線的矢跨比不宜小于1 8 基坑開挖深度h不宜大于12m 當(dāng)基坑開挖深度范圍或基坑底土層為砂土?xí)r 應(yīng)按抗?jié)B透條件驗(yàn)算土層穩(wěn)定性 當(dāng)基底土層為粘性土?xí)r 基坑開挖深度滿足下列抗隆起驗(yàn)算條件 均布荷載作用下 圓形閉合拱墻結(jié)構(gòu)軸向壓力設(shè)計(jì)值應(yīng)按下式計(jì)算 圓拱的外圈半徑 拱墻分道計(jì)算高度在分道高度范圍內(nèi)的基坑外側(cè)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值的平均值 3構(gòu)造 混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜低于C25 拱墻截面宜為Z字型 拱壁的上 下端宜加肋梁 當(dāng)基坑較深且一道Z字型拱墻的支護(hù)高度不夠時(shí) 可由數(shù)道拱墻疊合組成 肋梁 其豎向間距不宜大于2 5m 圓形拱墻壁厚不應(yīng)小于400mm 其他拱墻壁厚不應(yīng)小于500mm 3 10逆作法施工 深地下室的常規(guī)施工是通過臨時(shí)支護(hù)基坑坑壁 開挖至預(yù)定深度后 澆底板并由下而上施工各層地下室結(jié)構(gòu) 待地下室完工后 再逐層進(jìn)行地上結(jié)構(gòu)的施工 利用地下連續(xù)墻采用逆作法施工較深的多層地下室 成為發(fā)展的方向 這已在國內(nèi)外到得了顯著的效果 逆作法施工工藝是先沿建筑物外圍施工地下連續(xù)墻 作為地下室的邊墻或基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu) 在建筑物內(nèi)部的澆筑中間支承柱 開挖土方至第一層地下室底面標(biāo)高 澆注梁及部分的板 該層樓蓋即可作為地下連續(xù)墻剛度很大的支撐系統(tǒng) 然后在梁間沒有澆板的空檔內(nèi) 向下逐層施工各層地下室結(jié)構(gòu) 與此同時(shí) 在已完成底面梁板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上 做上部結(jié)構(gòu) 地下室封底前 地面上允許施工的層數(shù)要通過計(jì)算確定 日本讀賣新聞社大樓逆作法施工 地上 層 地下 層 總工期只用了 個(gè)月 比常規(guī)方法縮短了 個(gè)月 該工程用2 0m大直徑鉆孔灌注樁作為中間支承柱 m 共用 根 逆作法的優(yōu)點(diǎn) 地下主體結(jié)構(gòu)的梁 板 柱作為擋土墻的橫向支撐 大幅度縮短工期 逆作法只開挖有效范圍內(nèi)的土方量 減少了大量的土方量 安全性好 且基本上不受氣候所左右 不足 封閉狀態(tài)下的環(huán)境進(jìn)行施工 作業(yè)環(huán)境較差 大型機(jī)械設(shè)備難于進(jìn)場 地下結(jié)構(gòu)中墻柱的混凝土接搭質(zhì)量較難控制 控制導(dǎo)柱的垂直度和承載力較難 逆作法側(cè)向剛度較封閉式的小 施工中應(yīng)采取措施 防止一側(cè)連續(xù)墻的過大變形 立柱 立柱在逆作施工中具有無法取代的重要性 立柱設(shè)