地下建筑結(jié)構(gòu) 工程實例課件

1、L/O/G/O地下建筑結(jié)構(gòu) 交通運輸工程學(xué)院地下建筑結(jié)構(gòu) 1.1工程概況工程概況 湖北省高級人民法院位于武昌區(qū)首義路新建湖北省高級人民法院二號樓辦公樓。辦公樓高9層,總建筑面7922m2(不含地下室),采用框架結(jié)構(gòu),高38.50m,基坑開挖深度約3.857.05m?？拐鹪O(shè)防分類為丙類,該工程重要性等級為二級,場地等級為三級,地基等級為二級。 基坑大致呈矩形,東西向?qū)?5.50m;南北向長45.00m,基坑開挖面積約1150.oom2,基坑周長約140m。1.工程概況及地質(zhì)情況工程概況及地質(zhì)情況1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件1、工程地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件 本基坑位于三級階地。

2、開挖后,側(cè)壁中上部為填土和一般粘性土,部分坡段下部為老粘性土,部分坡段側(cè)壁下部仍為一般粘性土,坑底接近老粘性土,總體而言,側(cè)壁中上部土質(zhì)條件相對較差,坑底土質(zhì)良好,對整體穩(wěn)定有利。場地內(nèi)地基巖土層劃分為四個層組共六個亞層。2、水文地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件 場地經(jīng)人工整平后相對平坦。場地地下水分為上層滯水及砂土層中空隙承壓水。（1）層雜填土,結(jié)構(gòu)松散,屬中等透水層,含少量上層滯水,但不能形成統(tǒng)一自由水位,受大氣降水及地表徑流補給;(2) 二層三層屬弱透水層,一般起隔水作用。4、5層為粉砂夾粉土、粉質(zhì)粘土,粉砂,屬含水層,為空隙承壓水。地下建筑結(jié)構(gòu)1.31.3環(huán)境條件及力學(xué)性能指標(biāo)環(huán)境條件及力學(xué)性能

3、指標(biāo) 本基坑環(huán)境條件比較嚴(yán)峻,東側(cè)為五層辦公樓,與擬建二號辦公樓相連接,基坑需要緊貼原有基礎(chǔ)開挖,基坑?xùn)|南邊距離份7層住宅5.7m,南邊距離八層住宅9.5m,西邊距離首義路9.5m,北邊距離圍墻僅3m。用地范圍較為狹窄,基坑開挖必須重視環(huán)境保護。為確保施工安全,在基坑施工前進行了詳細(xì)的管線探測,地下室開挖范圍內(nèi)無地下管網(wǎng)分布。地下建筑結(jié)構(gòu) 基坑監(jiān)測由多方面內(nèi)容組成,檢測項目的選擇應(yīng)根據(jù)基坑工程的安全等級、周圍環(huán)境的復(fù)雜程度和實際工作條件等因素而定。周邊建筑物沉降觀測是基坑周圍環(huán)境監(jiān)測其中的一個內(nèi)容。在深基坑開挖過程中,為了掌握臨近建筑物的沉降情況,確保周邊環(huán)境的安全,需進行沉降觀測。2.12.

4、1基坑監(jiān)測方案基坑監(jiān)測方案 本工程沉降水準(zhǔn)觀測,對基坑周邊邊坡土體和建筑物沉降監(jiān)測共布設(shè)10+8個沉降觀測點。其中,在基坑周邊土體共布設(shè)周邊土體共布設(shè)1010個水平位移個水平位移和沉降觀測點,東面兩棟距基坑較近的被測建筑物的首層柱上共為3個沉降觀測點。其中對周邊建筑物進行13次沉降觀測。觀測周期與工程進度密切聯(lián)系,基坑開挖期間,土體擾動對周圍環(huán)境影響較大,沉降速率較大,故保證每隔保證每隔2 2天一次觀測天一次觀測, ,時刻注意環(huán)境動態(tài)時刻注意環(huán)境動態(tài), ,后期施工過程中,根據(jù)實際情況相對減小監(jiān)測頻率。2.2.位移監(jiān)測成果位移監(jiān)測成果地下建筑結(jié)構(gòu)2.22.2沉降觀測成果沉降觀測成果 該工程監(jiān)測工

5、作從2007年11月27日開始,至2008年3月24日結(jié)束。分析中將第一次,累計觀測時間未118天。將沉降監(jiān)測結(jié)果整理見表1。 為了能更直觀看出周圍建筑物沉降隨時間的變化規(guī)律,對表中數(shù)據(jù)進行比較后,選取具有代表性的已有建筑物上M7、M8點和基坑頂面坑邊M4、M8點(見圖1),將各點的沉降觀測數(shù)據(jù),繪制成隨時間的沉降曲線圖如圖1。地下建筑結(jié)構(gòu)表表1周邊建筑物水平位移及沉降監(jiān)測成果匯總表周邊建筑物水平位移及沉降監(jiān)測成果匯總表圖圖1典型沉降觀測點沉降與時間關(guān)系曲線圖典型沉降觀測點沉降與時間關(guān)系曲線圖地下建筑結(jié)構(gòu)圖中: -分別表示第一到五次分步開挖工況。從上圖表可以看出從上圖表可以看出: : 1、東側(cè)

6、已有建筑物位移隨基坑開挖處于不斷增大的趨勢,但隨著基坑開挖支護完成后一段時間,位移趨于穩(wěn)定。 2、監(jiān)測點M7、M8累計沉降量在2.5mm左右,基坑邊M4、M5累計水平位移在2.5mm左右,累計沉降值和水平位移發(fā)展趨勢均在容許范圍內(nèi),且?guī)缀鯖]有差異沉降,不會對基坑邊坡和周邊環(huán)境產(chǎn)生危害。滿足基坑穩(wěn)定和周邊建筑物安全要求。地下建筑結(jié)構(gòu)l l、計算范圍、計算范圍 通過分析該深基坑工程的地質(zhì)條件,周邊環(huán)境及基坑要求,結(jié)合收集的資料,不考慮地下水的影響,對整個基坑的東面進行三維數(shù)值模擬。 基坑?xùn)|面分BC段和CD段兩段:BC段長20m,基坑頂面標(biāo)高-2.8m,基坑底面標(biāo)高-9.4m,開挖深度6.6m,采用

7、預(yù)應(yīng)力錨桿支護結(jié)構(gòu),放坡坡率1:0.3;CD段長25m,基坑頂面標(biāo)高-1.4m,基坑底面標(biāo)高-6.85m,開挖深度5.45m,采用超前鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿支護結(jié)構(gòu),垂直開挖。 本計算模型在基坑寬度方向(x方向)取25m(開挖面后影響區(qū)取15m,開挖基坑內(nèi)影響區(qū)取10m),長度方向(y方向)取65m(兩側(cè)各加寬10m影響區(qū)),深度方向(z方向)取20m。在建立FLAC3D計算模型時,3.3.模型和參數(shù)設(shè)置模型和參數(shù)設(shè)置地下建筑結(jié)構(gòu)將計算模型的基本土層概化為三層,力學(xué)模型采用摩爾一庫侖模型,采用brick原始模型生成網(wǎng)格,單元網(wǎng)格邊長約為lm,模型共有30125個單元(zones),33566個節(jié)

8、點(grid一points)。生成的網(wǎng)格圖見圖2。圖圖2基本幾何模型基本幾何模型 圖圖3無支護開挖模型無支護開挖模型地下建筑結(jié)構(gòu) 通過對各個基坑土體類型在無支護開挖條件下的計算,以及根據(jù)邊坡土體中的位移變形分布判斷邊坡的破壞區(qū)域、破壞路線,進而確定各種土層邊坡的破壞模式。模型的無支護開挖采取按不同深度基坑類型一步開挖到基底的模式,這樣雖然與實際的分步開挖有一定不同,但對邊坡破壞總體趨勢研究是可行的?；訜o支護開挖模型見圖3。2 2、邊界條件、邊界條件 邊界條件分為位移邊界條件和受力邊界條件利用FLAC3D中fish語言程序命令:fix(位移方向)range(位移約束面),可在網(wǎng)格模型中設(shè)定位移

9、邊界條件。 模型除x=0面及基坑頂面為自由面不設(shè)置位移邊界條件外,其余面均采用法向約束。坑底邊界靜止不動,假設(shè)為固定鉸支,限制三個方向的位移;模型x軸及y軸方向兩側(cè)避均施加邊界約束條件,限制該臨空方向的位移;基坑頂面為設(shè)為自由面,不加約束。地下水己進行處理,可不考慮。 利用FLAC3D中fish語言程序命令:apply szz(荷載大小)range(荷載范圍),可在網(wǎng)格模型中定義受力邊界條件。本工程CD段基坑周邊己有建筑物荷載,荷載大小為90KN。地下建筑結(jié)構(gòu) 對基坑放坡開挖BC段,可以采取對開挖土體和基坑圍巖土體分別建模,建模中用到基本單元的八節(jié)點定義方式。然后用null定義開挖土體部分的模

10、塊來模擬,如圖4。 本工程實例中基坑坡率較大,近乎直立開挖,也可直接采取每步開挖支護中,再多次分步開挖得到階梯狀開挖面的方式近似模擬坡面開挖。經(jīng)模擬計算驗證經(jīng)模擬計算驗證, ,該建模方式對基坑開挖支護數(shù)值模擬該建模方式對基坑開挖支護數(shù)值模擬計算結(jié)果影響很小計算結(jié)果影響很小, ,可忽略不計?？珊雎圆挥?。4.4.分步開挖支護計算模型分步開挖支護計算模型圖圖4 坡面開挖建模示意圖坡面開挖建模示意圖地下建筑結(jié)構(gòu) 整個基坑開挖支護模擬嚴(yán)格按照工程施工順序,分層分段開挖與支護。如表2所示,CD段分五步開挖,BC段分四步開挖,因CD段地面標(biāo)高較高,故先開挖CD段第一層土體,然后開挖BC段第一層土體,完成第一

11、步開挖支護后,進行模擬計算,保存計算成果;然后依次進行CD段和BC第二步開挖支護,再次計算;依次類推完成整個基坑開挖支護過程。 CD段單獨完成第五步開挖,該步開挖后無預(yù)應(yīng)力錨桿支護,但因開挖深度不大,且開挖完成后及時進行面層噴錨加固,故能夠滿足穩(wěn)定和變形要求。分步開挖深度及開挖前和每步開挖后的坑底標(biāo)高信息收集于表2中。數(shù)值模擬計算的不平衡率設(shè)為0.00001。表表2 基坑分步開挖深度基坑分步開挖深度地下建筑結(jié)構(gòu)分步開挖與支護計算模型見圖分步開挖與支護計算模型見圖4名至圖名至圖9圖圖4微型鋼管樁超前支護微型鋼管樁超前支護 圖圖5第一步開挖與支護模型圖第一步開挖與支護模型圖圖圖6第二步開挖與支護模

12、型圖第二步開挖與支護模型圖 圖圖7第三步開挖與支護模型第三步開挖與支護模型地下建筑結(jié)構(gòu)圖圖8第四步開挖與支護模型第四步開挖與支護模型 圖圖9第五步開挖完成后模型第五步開挖完成后模型地下建筑結(jié)構(gòu)5.15.1初始地應(yīng)力場的生成初始地應(yīng)力場的生成 基坑開挖前,先進行土體的自然固結(jié)計算,即初始地應(yīng)力場的生成,然后消除固結(jié)過程產(chǎn)生的位移。初始地應(yīng)力場的生成選用分階段彈塑性求解法進行生成。 基本步驟為:生成網(wǎng)格模型-定義模型為摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型-設(shè)置土體強度參數(shù)、在模型上添加所有的物理邊界條件(包括位移邊界條件和受力邊界條件)-并設(shè)置土體密度和重力加速度-輸入sofve elastic命令-軟件按照

13、默認(rèn)設(shè)置自動分階段求解-保存計算結(jié)果至initial.sav文件-自然固結(jié)位移清零。 初始地應(yīng)力場生成的水平位移(x方向)和垂直位移(z方向)結(jié)果如圖10、圖11。5.5.數(shù)值模擬計算數(shù)值模擬計算地下建筑結(jié)構(gòu)圖圖10土體自然固結(jié)土體自然固結(jié)x方向位移方向位移 圖圖11土體自然固結(jié)土體自然固結(jié)z方向位移方向位移地下建筑結(jié)構(gòu)由結(jié)果可以看出由結(jié)果可以看出: :1、x方向初始地應(yīng)力固結(jié)的位移圖中,前后兩面因添加位移約束條件,故使得模擬值與固結(jié)位移值稍有偏差,主要表現(xiàn)在模型局部荷載區(qū)域靠近后側(cè)x方向位移約束處,但總體而言,可以代表場地初始地應(yīng)力場的水平固結(jié)位移分布。2、x方向位移圖表明:土體因承受局部建

14、筑荷載而產(chǎn)生水平位移,最大水平位移出現(xiàn)在荷載下方的土體表面,最大值僅為1.6mm。一般而言,在地面無局部荷載(或荷載沿整個場區(qū)表面均勻分布)且各土層為成平面各向異性體的理想情況下,土體自然固結(jié)不會產(chǎn)生水平方向的位移。故在基坑設(shè)計計算以及數(shù)值模擬分析中均不能忽略周邊建筑物的荷載作用。3、水平位移向外影響范圍約為荷載寬度的一倍,遠(yuǎn)離荷載處水平位移非常小,可不計。模型前后兩個邊界因定義位移邊界條件,故位移值為零。地下建筑結(jié)構(gòu)4、z方向固結(jié)沉降位移圖表明:最大沉降值出現(xiàn)在局部荷載下方土體表面,最大固結(jié)位移約為3.47cm,且荷載對沉降位移的影響范圍不大,邊界土體初始地應(yīng)力沉降固結(jié)位移約為Zcm。5、因

15、受土體自重作用,同一垂直平面內(nèi),土體固結(jié)沉降位移最大值出現(xiàn)在土體頂面,因存在沉降位移的累積,隨著深度增大位移值逐漸變小,在模型底面邊界,因定義邊界約束條件,沉降值為零。地下建筑結(jié)構(gòu)5.25.2無支護開挖位移分析無支護開挖位移分析 通過零模型(null)來模擬基坑開挖,逐層開挖工況可以通過逐層設(shè)置開挖區(qū)材料為零模型來模擬。但是在無支護開挖時,分不開挖模擬和一次性開挖模擬結(jié)果差別不大,故在對無支護開挖的基坑模擬計算直接通過一次性開挖到位后進行運算(solve)?；訜o支護開挖模擬水平、垂直位移及位移速率計算值見圖12、13。地下建筑結(jié)構(gòu)圖圖12無支護開挖模擬水平位移計算無支護開挖模擬水平位移計算

16、圖圖13無支護開挖模擬水平位移速率計算無支護開挖模擬水平位移速率計算圖圖14無支護開挖模擬沉降計算無支護開挖模擬沉降計算 圖圖15無支護開挖模擬沉降速率計算無支護開挖模擬沉降速率計算地下建筑結(jié)構(gòu)從基坑無支護開挖模擬位移等值線圖可以獲得如下信息從基坑無支護開挖模擬位移等值線圖可以獲得如下信息: : 1、若該基坑不進行支護,直接放坡開挖,則基坑最大水平位移為0.532m,發(fā)生在CD段基坑側(cè)壁臨空面,位移方向指向基坑;最大水平位移速率為0.404訓(xùn)耐s,方向指向基坑。 2、基坑最大垂直位移(沉降)也發(fā)生在CD段基坑側(cè)壁臨空面,最大沉降量為0.39lm;最大垂直位移速率為0.307mn/s。周邊建筑物

17、底面將產(chǎn)生較大的沉降差,將影響該建筑的正常使用甚至破壞。 3、分析上圖中的位移及沉降數(shù)據(jù)可以知道,基坑在無支護狀態(tài)基坑在無支護狀態(tài)下開挖時下開挖時, ,將引起基坑壁位移和變形速率都很大將引起基坑壁位移和變形速率都很大, ,不能滿足基坑穩(wěn)不能滿足基坑穩(wěn)定和變形的要求定和變形的要求。在實際工程開挖中,因受各種不確定因素的影響,基坑很可能己經(jīng)發(fā)生坍塌,必須予以支護加固必須予以支護加固, ,確保安全確保安全。地下建筑結(jié)構(gòu) 4、從基坑位移分布圖結(jié)合不平衡力模擬計算結(jié)果知,基坑開挖隱患位于CD段,其主要危險因素為距基坑5.7m遠(yuǎn)的90KN局部建筑荷載。因支護工藝采用小型機械施工,為充分反映周邊建筑物對基坑

18、穩(wěn)定的相互影響,模擬過程中忽略了基坑頂面的施工荷載以及雨水等不確定因素的影響,可知在基坑可知在基坑BCBC段不平衡力很小段不平衡力很小, ,直接開挖產(chǎn)生的位移也可忽略不計。直接開挖產(chǎn)生的位移也可忽略不計。地下建筑結(jié)構(gòu)5.35.3分步開挖水平位移分析分步開挖水平位移分析 對基坑分步開挖進行模擬分析。由于基坑位移控制方向為x和z方向,故水平位移只列出x方向的等值線圖。分步開挖水平位移等值線圖及典型剖面圖見圖16到21。圖圖16第一步開挖支護第一步開挖支護x方向位移等值線圖方向位移等值線圖 圖圖17第二步開挖支護第二步開挖支護x方向位移等值線圖方向位移等值線圖地下建筑結(jié)構(gòu)圖圖18第三步開挖支護第三步

19、開挖支護x方向位移等值線圖方向位移等值線圖圖圖19第四步開挖支護第四步開挖支護x方向位移等值線圖方向位移等值線圖圖圖20第五步開挖支護第五步開挖支護x方向位移等值線圖方向位移等值線圖 圖圖21第五步完成后第五步完成后CD段段x方向位移典型剖面圖方向位移典型剖面圖地下建筑結(jié)構(gòu)圖中左側(cè)表示x方向的位移。下面的數(shù)值為位移大小的變化范圍,從上到下由負(fù)值到正值,負(fù)值代表向基坑內(nèi)側(cè)移動,正值代表背離基坑開挖面。對應(yīng)于右側(cè)圖中同顏色區(qū)域的位移值。從圖示中可以看出:(l)總體趨勢:基坑邊坡同一支護方式同一深度處的水平位移隨開挖的進行而逐步增加,但坡頂?shù)乃轿灰浦饕诘谌介_挖時明顯發(fā)生,第五步開挖開挖后由于基

20、坑的約束解除,而沒有進行支護,基坑邊坡也發(fā)生較明顯位移。但因該步開挖深度較小,隨著土體的平衡,位移不會明顯繼續(xù)發(fā)展。(2)位移影響區(qū):隨著開挖深度的增加,開挖面上的水平位移逐漸增大,開挖面下部一定范圍內(nèi)的土體也產(chǎn)生水平位移,并且隨著開挖的進行,影響區(qū)域越來越大。地下建筑結(jié)構(gòu)(3)BC段坡頂位移:前四次開挖完成后,位移等值線圖上水平位移均為正值,直到第五步開挖完成后,坡頂土體擠壓基本被還原,土體水平位移約為0;與CD段相比較,坑頂總體位移趨勢是相同的,最終位移較小反映了邊坡土體穩(wěn)定性安全系數(shù)大于CD段。(4)CD段最大位移:在第一步開挖完成后,最大水平位移發(fā)生在基坑頂面;隨著深度的增加,水平位移

21、最大值轉(zhuǎn)移到邊坡底附近,整體有向基坑方向傾斜的趨勢;隨著開挖進行,位移最大值不斷向下發(fā)展,水平位移上小下大,開挖面向著基坑滑動的趨勢。(5)BC段最大位移:第一步開挖完成后,最大水平位移也發(fā)生在基坑頂面;隨著深度增加,位移最大值向著邊坡底部附近發(fā)展,第四步開挖至第五步開挖,整個邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài),位移值很小,僅在坡底有1刃n幻n左右的位移值。(6)由于預(yù)應(yīng)力錨桿支護的作用,坡頂?shù)乃轿灰频玫搅艘欢ǖ募s束,使得土體最大水平位移沒有出現(xiàn)在坡頂,而且土體的變形也得到了有效的控制,確保周邊建筑物安全。地下建筑結(jié)構(gòu) 綜上所述綜上所述, ,在深基坑開挖過程中,基坑周邊土體水平位移基坑周邊土體水平位移呈現(xiàn)出上

22、小下大的分布規(guī)律呈現(xiàn)出上小下大的分布規(guī)律, ,有整體滑動的趨勢有整體滑動的趨勢, ,即基坑邊坡即基坑邊坡破壞形式為沿某一滑裂面滑動破壞破壞形式為沿某一滑裂面滑動破壞, ,在預(yù)應(yīng)力錨桿支護設(shè)計中,應(yīng)按照滑面破壞計算方法控制好自由段與錨固段的長度,錨桿的錨固段一定要位于滑裂面之后的穩(wěn)定巖土體,錨桿長度可按從上而下由長到短的布設(shè)原則。地下建筑結(jié)構(gòu)5.45.4分步開挖垂直位移分析分步開挖垂直位移分析 基坑水平位移控制和垂直位移控制一起構(gòu)成基坑位移控制的兩個方面?；娱_挖后,邊坡及周邊土體的不均勻沉降均會影響基坑施工安全和周邊建筑物的穩(wěn)定?；舆吰率┕し€(wěn)定性主要表現(xiàn)在水平位移上,而周邊建筑物安全則要求通

23、過控制基坑周邊土體的不均勻沉降來保證。 基坑在分步開挖支護后,進行平衡計算同樣可以得到垂垂直位移等值線分布圖直位移等值線分布圖,列出每步開挖后z方向的垂直位移等值線分布圖,見圖22到27。地下建筑結(jié)構(gòu)圖圖22第一步開挖支護第一步開挖支護z方向位移等值線圖方向位移等值線圖 圖圖23第二步開挖支護第二步開挖支護z方向位移等值線圖方向位移等值線圖圖圖24第三步開挖支護第三步開挖支護z方向位移等值線圖方向位移等值線圖 圖圖25第四步開挖支護第四步開挖支護z方向位移等值線圖方向位移等值線圖地下建筑結(jié)構(gòu)圖圖26第五步開挖支護第五步開挖支護z方向位移等值線圖方向位移等值線圖 圖圖27開挖支護后開挖支護后CD

24、段段z方向位移典型剖面圖方向位移典型剖面圖地下建筑結(jié)構(gòu) 圖中左側(cè)表示z方向的位移。下面的數(shù)值為位移大小的變化范圍,從上到下由負(fù)值到正值,負(fù)值代表向土體沉降,正值代表土體隆起。對應(yīng)于右側(cè)圖中同顏色區(qū)域的位移值。從圖中可以看出從圖中可以看出: :(l)基坑開挖打破了原始土體的應(yīng)力平衡狀態(tài),致使土體中應(yīng)力重新分布,形成二次應(yīng)力場?；又苓呁馏w發(fā)生沉降,而基坑底部的土體發(fā)生隆起。每開挖一步時,坑壁土體由于應(yīng)力松弛在土體自重及地面荷載作用下產(chǎn)生沉降;基坑底土體由于上層土體重力釋放及基坑壁土體的擠壓,則產(chǎn)生隆起。隨著開挖的進行,坑壁沉降量和坑底隆起均逐漸趨于穩(wěn)定。地下建筑結(jié)構(gòu)(2)第一步開挖時,基坑邊坡頂

25、部土體的沉降量只出現(xiàn)在基坑頂面局部荷載處,隨著開挖深度的增大,沉降區(qū)域逐漸延伸到靠近基坑邊緣處,在第五步開挖表現(xiàn)比較明顯。開挖完成后地面局部荷載處最大沉降量為2.5mm。對周邊建筑將產(chǎn)生約5刃n們n的沉降差,不會影響已有建筑物的穩(wěn)定和正常使用功能。(3)基坑開挖過程中,坑底一直表現(xiàn)為隆起狀態(tài),且隆起量隨開挖進行不斷增大,在第五步開挖完成后,達(dá)到最大隆起量7rn幻。基坑底部靠近開挖面處的土體隆起量較大,在CD段基坑周邊土體下降擠壓下容易發(fā)生屈服。(4)基坑開挖過程中,基坑周邊土體發(fā)生沉降不大,主要沉降和差異沉降在基坑頂面荷載處;在基坑底部主要為隆起,基坑坑底隆起控制也是基坑工程中的重要內(nèi)容。從本質(zhì)上講,基坑坑底隆起主要是由基坑周邊土體沉降對坑內(nèi)土