地下結構工程之深基坑工程講義.ppt

地下結構工程 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74m 日本 直徑最大的達98m 日本 而非圓形基坑的深度已達到地下 層 法國 國內 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19 5m 上海的匯京廣場 圍護結構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到了9m 兩個功能 一是擋土 二是止水 基坑支護分兩類 支護型 將支護墻 排樁 作為主要受力構件 支護型基坑支護包括板樁墻 排樁 地下連續(xù)墻等 在基坑較淺時可不設支撐 成懸臂式結構 當基坑較深或對周圍地面變形嚴格限制時 應設水平或斜向支撐 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 基坑側壁安全等級及重要性系數(shù) 3 1結構方案及選擇3 1 1結構類型 支護結構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單排與雙排樁支護結構 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墻體 承受墻背側土層及地面超載在圍護墻上的側壓力 支撐體系是由支撐 圍檁 立柱三部分組成 3 2支護結構上的作用3 2 1土壓力 主動土壓力和被動土壓力的產生 前提條件是支護結構存在位移 當支護結構沒有位移時 則土對支護結構的壓力為靜止土壓力 土壓力的分布與支點的設置及其數(shù)量都有關系 懸臂支護樁土壓力的實測值與按朗肯公式計算值的對比 非挖土側實測土壓力小于朗肯主動土壓力 即計算結果偏大 圖3 5懸臂支護樁土壓力分布 圖3 6芝加哥深基坑土壓力實測圖圖3 7柏林地道工程土壓力實測圖 土的內聚力C 內摩擦角 值可根據下列規(guī)定適當調整 在井點降低地下水范圍內 當?shù)孛嬗信潘头罎B措施時 值可提高20 在井點降水土體固結的條件下 可考慮土與支護結構間側摩阻力影響 將土的內聚力c提高20 土壓力計算公式exit 主動土壓力 被動土壓力 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 任何土層底面處 2 離開擋土結構距離為a時 3 作用在面積為與擋土結構平行 的地面荷載 離開擋土結構距離時 3 2 3水壓力 水壓力 主要根據土質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 此粘性土產生的側向壓力可采用水土合算的方法 即側壓力為相應深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側壓力系數(shù) 對于砂性土 采用水土分算 即側壓力為相應深度處豎向土壓力乘以側壓力系數(shù)與該深度處水壓力之和 對比 砂土簡化計算 將水壓力與土壓力分別計算 并把水看作是 主動壓力 靜止壓力 被動壓力 h 3 3排樁 地下連續(xù)墻 計算主動土壓力和被動土壓力并確定計算簡圖 確定嵌固深度 內力計算 支護樁或墻的截面設計以及壓頂梁的設計等 3 3 1懸臂式支護結構圖 根據朗肯 庫倫土壓力理論分層計算主動土壓力和被動土壓力 在此基礎上確定圖3 10所示的計算簡圖 圖據此簡圖求出嵌固深度hd 最大彎矩截面位置及最大彎矩值 進行配筋設計或承載力計算 計算支護結構頂端位移 懸臂exit 計算簡圖 據此求出嵌固深度hd 配筋和撓度計算 地質條件或其它影響因素較為復雜時 也可按最大彎矩斷面的配筋貫通全長 配筋應滿足下式條件 支護結構頂端的水平位移值 y 剪力為零處即D點至基坑底的距離 懸臂梁上段結構柔性變形值 下段結構在彎矩Mmax作用下產生的轉角 下段結構在彎矩Mmax作用下在D點產生的水平位移 上段結構柔性變形下段結構在作用下 3 3 2單層支撐支護結構設計圖 計算方法是 等值梁法 等值梁法的關鍵是如何確定反彎點的位置 對單錨或單撐支護結構 地面以下土壓力為零的位置 即主動土壓力等于被動土壓力的位置 與反彎點位置較接近 圖exit 用等值梁法計算單錨 單支支護結構 圖3 15單層支點支護結構深度計算簡圖 3 支點力TC1可按下式計算 等值梁法 對反彎點 1 計算土壓力 2 基坑底面以下支護結構設定彎矩零點位置 4 嵌固深度Hd設計值可按下式確定 5 計算內力和配筋 單層支撐支護結構的最大彎矩 發(fā)生在剪力0處 應根據土壓力平衡 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 也可以按最大彎矩斷面通長配筋 3 3 3多層錨拉式支護結構設計 1 應根據分層挖土深度與每層錨桿設置的實際施工情況分階段分層計算 這時假定下層挖土不影響上層錨桿計算的水平力 2 多層布置時 有等彎矩布置和等反力布置兩種模式 3 懸臂式及單支點支護結構嵌固深度設計不宜小于 多支點支護結構嵌固深度設計值小于0 2h時 宜取 抗?jié)B透穩(wěn)定條件 當基坑底為碎石土及砂土 基坑內排水且作用有滲透水壓力時 側向截水的排樁 地下連續(xù)墻除應滿足上述規(guī)定外 嵌固深度設計值尚應滿足式抗?jié)B透穩(wěn)定條件 注意事項 1 排樁 地下連續(xù)墻水平荷載計算單位 中心距和單位長度 2 有支撐變形計算按彈性支點法計算 支點剛度系數(shù)及地基土水平抗力系數(shù)m應按地區(qū)經驗取值 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 計算內力和變形 3 4土層錨桿 土層錨桿是一種埋入土層深部的受拉桿件 它一端與構筑物相連 另一端錨固在土層中 3 4 2錨桿設計 1 錨桿承載力計算2 錨桿桿體的截面面積 3 錨桿軸向受拉承載力設計值 1 安全等級為一級及缺乏地區(qū)經驗的二級基坑側壁 應進行錨桿的基本試驗 受拉抗力分項系數(shù)可取1 3 2 基坑側壁安全等級為二級且有鄰近工程經驗時 3 對于塑性指數(shù)大于17的粘性土層中的錨桿應進行蠕變試驗 4 錨桿預加力值 鎖定值 應根據地層條件及支護結構變形要求確定 宜取為錨桿軸向受拉承載力設計值的0 50 0 65倍 5 自由段計算長度 本講要點 重點掌握懸臂式支護結構計算方法和計算要點 重點掌握單錨 單支支護結構計算方法和計算要點 掌握錨桿計算方法 理解多層支撐的計算原則 3 6水泥土墻設計 又稱攪拌樁擋墻 利用一種特殊的攪拌頭或鉆頭 鉆進地基至一定深度后 噴出固化劑 與地基土強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 適用于加固淤泥質土 粘土 國外最大深度60m 國內12 18m 特點 施工無震動 噪音 無廢水泥漿 坑內無需支撐拉錨 優(yōu)良的抗?jié)B特性 支擋高度 國內最深9m 水泥墻的結構形式 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土壓力計算計算主動土壓力和被動土壓力3 6 2抗傾覆計算3 6 3抗滑移計算3 6 4墻身應力驗算3 6 5整體穩(wěn)定計算一般情況下 使墻體強度不成為設計的控制條件 而以結構和邊坡的整體穩(wěn)定控制設計 1 土壓力計算 墻后主動土壓力 墻前被動土壓力 2抗傾覆計算圖 按重力式擋墻計算墻體繞前趾A的抗傾覆安全系數(shù) 不小于 1 0 1 1 3抗滑移計算 按重力式擋墻計算墻體沿底面滑動的安全系數(shù) 4 墻身應力驗算 墻體所驗算截面處的法向應力剪應力按下式進行 5整體穩(wěn)定計算k 1 25 整體穩(wěn)定計算時 將滑動土體與攪拌樁擋墻視為一個整體考慮 常選在墻底下0 5 1 0米處 采用圓弧滑動法計算圖 構造要求 格柵布置時 水泥土的置換率對于淤泥不宜小于0 8 淤泥質土不宜小于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 樁的有效搭接寬度不宜小于150mm 當不考慮截水作用時 搭接寬度不宜小于100mm 不能滿足要求時 宜采用基坑內側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 攪拌樁擋墻設計計算實例 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)南嗷プ饔眯纬蓮秃险w作用 土層錨桿的失效影響較大 不應用于沒有臨時自穩(wěn)能力的淤泥 飽和軟弱土層 圖3 32土釘墻應用領域a 托換基礎 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 1土釘受拉承載力計算 受拉承載力 受拉荷載標準值 荷載折減系數(shù) 2土釘墻承載力計算 采用簡化圓弧滑動條分法 3構造 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 鋼筋直徑宜為6 10mm 間距宜為150 300mm 噴射混凝土強度等級不宜低于C20 面層厚度不宜小于80mm 土釘鋼筋宜采用 級鋼筋 鋼筋直徑宜為16 32mm 鉆孔直徑宜為70 120mm 本講要點 重點掌握水泥土擋墻的設計要點 荷載 強度 穩(wěn)定 傾覆 滑動 整穩(wěn) 土釘墻的設計要點 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 即形成一種勁性復合圍護結構 止水好 剛度大 構造簡單 型鋼插入深度一般小于攪拌深度 型鋼可回收重復使用 成本較低 SMW適宜的基坑深度為6 10m 國外開挖深度已達20m 要求型鋼間距不能過大 保證水泥土的強度由受剪 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向水土壓力作用下不產生彎曲應力 2 水泥土強度校核 連續(xù) 截面剪力 型鋼 間隔 布置 驗算拱的軸力強度 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基坑的穩(wěn)定 采用閉合的水平拱圈來支擋土壓力以圍護基坑的穩(wěn)定 拱結構是以受壓力為主 能更好地發(fā)揮混凝土抗壓強度高的材料特性 而且拱圈支擋高度只需在坑底以上 這個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的壓力 不相互影響 節(jié)省工期 施工方便 節(jié)省擋土費用 用拱圈支護的費用僅為用擋土樁的40 60 而且 基坑越深 經濟效益越顯著 1 截面形狀 2 拱墻計算 逆作拱墻結構型式根據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 當基坑開挖深度范圍或基坑底土層為砂土時 應按抗?jié)B透條件驗算土層穩(wěn)定性 當基底土層為粘性土時 基坑開挖深度滿足下列抗隆起驗算條件 均布荷載作用下 圓形閉合拱墻結構軸向壓力設計值應按下式計算 圓拱的外圈半徑 拱墻分道計算高度在分道高度范圍內的基坑外側水平荷載標準值的平均值 3構造 混凝土強度等級不宜低于C25 拱墻截面宜為Z字型 拱壁的上 下端宜加肋梁 當基坑較深且一道Z字型拱墻的支護高度不夠時 可由數(shù)道拱墻疊合組成 肋梁 其豎向間距不宜大于2 5m 圓形拱墻壁厚不應小于400mm 其他拱墻壁厚不應小于500mm 3 10逆作法施工 深地下室的常規(guī)施工是通過臨時支護基坑坑壁 開挖至預定深度后 澆底板并由下而上施工各層地下室結構 待地下室完工后 再逐層進行地上結構的施工 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結構 在建筑物內部的澆筑中間支承柱 開挖土方至第一層地下室底面標高 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 向下逐層施工各層地下室結構 與此同時 在已完成底面梁板結構的基礎上 做上部結構 地下室封底前 地面上允許施工的層數(shù)要通過計算確定 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 個月 比常規(guī)方法縮短了 個月 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 地下主體結構的梁 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)境進行施工 作業(yè)環(huán)境較差 大型機械設備難于進場 地下結構中墻柱的混凝土接搭質量較難控制 控制導柱的垂直度和承載力較難 逆作法側向剛度較封閉式的小 施工中應采取措施 防止一側連續(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