深基坑支护结构设计及计算(土钉墙排桩地连墙).ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,岩土工程系,*,深基坑工程,xx,交通大学土木工程学院,岩土工程系,2012,年,2,月,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。,半逆作,全逆作,仲盛商业中心基坑（面积,50000m,2,，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,材 料,钢筋混凝土,钢 管,平面布置形式,优 点,（,1,）较土钉支护适于更深的基坑，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。,（,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,降水和开挖引起,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,安全系数,F=,滑面上的极限抵抗力,自重在滑面上产生力,（,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,轴向应力,摩阻力,轴向应力,摩阻力,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（,=90,o,）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（,=90,o,）时，,=1,。,土钉锚固体与土体之间的摩阻力（,kPa,）,建筑基坑（建）,建筑基坑（冶）,北京（同建）,天津（注浆土钉）,湖 北,广 东,填土,1620,1620,2030,1030,淤泥,1016,1016,1520,1016,淤泥质土,1620,2025,1620,1620,2025,黏性土,I,L,1,1830,1830,0.75,I,L,1,3040,3040,3040,2030,2030,3040,0.50,I,L,0.75,4053,4050,4053,3045,3050,4050,0.25,I,L,0.5,5365,5365,00.9,2244,2244,4080,4060,100150,0.75,I,L,0.9,4464,4464,e,合算,被动土压力；合算,分算,所以,（,4,）土层的力学模型仍偏于简单，通过计算得不到土层的变形情况。,（,1,）与荷载,-,结构法相比，考虑了土层及结构变形特性对结构受力变形的影响，并可得到结构的变形。,（,5,）参数,m,对结果影响较大，但通常没有相应的试验值，同时,m,也不是常数（与荷载水平有关），这会对计算结果的准确性和可靠性产生较大的影响。,（,5,）弹性抗力法（增量法）总结,（,2,）可较好地模拟基坑施工过程对支护结构变形及内力的影响。,（,3,）作用在桩（墙）背后的土压力预先确定，在计算过程中保持不变，与支护结构的变形大小无关，这与实际情况是不相符的。,（,6,）算例,成都,xx,电力设计院科研设计楼基坑,1,）概况,支护结构,（人工挖孔桩,+2,道预应力锚索）,预应力锚索结构图,2,）支护结构,350kN,300kN,桩径,1.2m,，桩间距,2.5m,3,）计算模型（理正）,层号,土类名称,层厚,(m),1,杂填土,3.0,2,中砂,2.0,3,卵石,17.0,4,强风化泥岩,2.0,5,中风化泥岩,10.0,层号,土类名称,重度,粘聚力,内摩擦角,m,值,与锚固体摩,(kN/m,3,),(kPa),(,度,),(MN/m,4,),擦阻力,(kPa),1,杂填土,18.0,8.0,10.0,20.0,20.0,2,素填土,19.0,10.0,20.0,20.0,20.0,3,中砂,18.8,3.0,15.0,30.0,50.0,4,卵石,21.0,8.0,40.0,90.0,260.0,5,强风化泥岩,22.0,-,-,70.0,150.0,6,中风化泥岩,23.0,-,-,150.0,300.0,4,）材料计算参数,5,）内力及变形计算结果,2.4.3,有限元法等数值计算方法,（,1,）有限单元法的基本概念,“有限”,是指什么？（以一根梁的计算为例）,P,q,q,容易求解,比较麻烦,用,解析法,求解十分困难,基坑支护结构计算模型，无法用解析法求解。,q,单 元,节点,1,2,3,4,5,6,7,W,1,W,2,W,3,W,8,W,有,无限多个,自由度,已减少到,8,个,自由度,2,3,4,5,6,7,8,1,解决方法：,将结构离散化。,原本复杂的位移曲线已被分段的线性（或,2,次、,3,次）曲线所替代，有利于计算方程的建立。,刚度矩阵,节点挠度,节点荷载,连续体（无限多个自由度）,离散体（有限个自由度）。,（,2,）求解过程,1,）离散化：,2,）利用能量原理建立求解方程,3,）解方程组后的到节点位移,w,。,4,）由节点位移求得各截面的弯矩、剪力等。,（,3,）基坑工程的二维（三维）有限元计算,初始应力场（自重应力）为,0,0,0,开挖前,施做支护结构,计算原理,静止土压力,p,0,开挖后的土压力,p,1,1,开挖后,=,+,u,开挖释放荷载,u,1,开挖引起的土压力变化,p,（墙前为正，墙后为负）,位移场,应力场,土压力,静止土压力,p,0,0,u,0,=0,特 点,（,1,）与前,2,种方法相比，不需对土层、支护结构引入过多假设和作过多的简化（例如，不需预先假设土压力分布模型），因此能更好地模拟支护结构及土层的受力变形情况，并能得到支护结构、土层的全部变形、受力信息。,（,2,）能够模拟各种复杂的基坑支护形式及施工过程，可进行空间、时间效应的分析。,（,3,）土体力学模型及参数的合理性及准确性是计算成败的关键。,所需要的土的材料参数,（,1,）弹性模型：弹性模量、泊松比。,（,2,）弹塑模型：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角。,（,4,）渗透固结问题：除上述参数外，增加渗透系数。,（,3,）其他非线性本构关系（,有上百种,）：相应的参数。,成都地铁,2,号线站东广场站基坑的有限元计算,有限元模型及网格划分,弯矩计算结果,土压力计算结果,水平位移云图,桩间,距,3.2m,时,应用有限元法研究合理的桩间距,桩间,距,2.2m,时,桩间土失稳,2.5,基坑变形计算,（,1,）基坑工程正在由强度控制转向变形控制，基坑变形的确定显得尤为重要。,（,2,）变形问题较强度问题更为复杂。,基坑周围环境类型,基坑变形,基 坑,坑外土体,土 体,水平位移,坑底隆起,支护结构,水平位移,竖向位移,变形类型,计算方法,理论法,经验法,数值计算法,地表及深层沉降,水平变形,2.5.1,支护结构的水平位移,1.,变形特点,（,1,）,悬臂型,：基坑较浅，无横撑时。,（,2,）,抛物线型,：基坑较深，单横撑时。,（,3,）,组合型,：基坑深，多道横撑时。,多道横撑时的水平位移常呈抛物线型，位移最大值一般在基坑底面附近，或稍偏上。（如：软土基坑，位置的平均深度为,0.89H,）,2.,确定方法,弹性支点法,有限元等数值计算方法,经验法估算,2.5.2,基坑开挖产生的地表沉降,1.,地表沉降产生的原因,（,1,）基坑开挖；（,2,）降水。,2.,开挖沉降的形态及影响范围,（,1,）凹槽形；（,2,）三角形。,凹槽形的最大沉降的位置,:,（,0.30.7),H,。,沉降影响范围,:,（,14,）,H,。,3.,利用地层损失法计算地表沉降,（,1,）用弹性支点法等方法计算支护结构的变形曲线。,（,2,）以地表下沉填补因支护结构变形而造成的空隙（即二者面积相等），确定地表下沉曲线。,（,1,）三角形沉降曲线,沉降范围,地表最大沉降,（,2,）指数曲线,沉降范围,地表最大沉降,支护变形所围面积,支护结构的高度,2.5.3,基坑降水产生的地表沉降,1.,降水产生沉降的原因,水位下降后地层中的有效应力增大，并产生沉降。,2.,沉降计算方法,（,1,）简化计算方法,（,2,）有限元法等数值计算方法,上海环球,金融中心,基坑,2.6,基坑的时空效应,1.,时间效应,土的蠕变性：,在应力水平不变的条件下，土的变形随时间逐渐增大。,对基坑的影响：,基坑变形及支护结构所受荷载随时间逐渐增大。,2.,空间效应,基坑形状及尺寸、每步的开挖范围及深度等对基坑受力变形的影响。,3.,考虑时空效应的计算方法,有限元等数值计算方法,：（,1,）按空间问题计算；（,2,）土体采用流变模型。,4.,施工技术要点,(1),控制每步的开挖范围和深度；,(2),及时支护；,(3),量测信息及时反馈。,2.7,利用模型试验确定基坑的受力变形规律,2.7.1,试验原理,以离心机旋转时产生的离心加速度模拟重力加速度，使计算模型的应力状态达到实际土层的应力状态。,2.7.2,实 例,上海自然博物馆基坑,模型率：,140,基坑模型,支护结构水平位移,外 坑,内 坑,3.,施工监测及信息化施工,3.1,基坑监测原理及方法,3.1.1,监测目的,（,1,）保证基坑安全和施工质量，并指导施工。,（,2,）保证周围环境的安全。,（,3,）积累数据和资料，为以后的工程服务。,3.1.2,监测内容,（见下页）,3.1.3,监测原则,（,1,）监测数据真实，可靠。,（,2,）监测结果即使整理，反馈。,（,3,）监测工作尽量不影响正常施工。,支护结构,桩（墙）顶部水平、竖向位移,桩（墙）身水平位移,立柱竖向位移,桩、墙,内撑、锚索,土钉,立柱,位移,内力,基 坑,土 体,地下水位,坑（坡）顶水平及竖向位移,土压力,坑底隆起,孔隙水压力,管线变形,建筑：沉降、倾斜、水平位移、开裂,周围环境,坑外土体,地表沉降,深层沉降及水平位移,地表裂缝,基坑监测,基坑施工监测内容,序号,监测项目,基坑级别,一级,二级,三级,1,围护墙（边坡）顶部水平位移,应测,应测,应测,2,围护墙（边坡）顶部竖向位移,应测,应测,应测,3,深层水平位移,应测,应测,宜测,4,立柱竖向位移,应测,宜测,可测,5,围护墙内力,宜测,可测,可测,6,支撑内力,应测,宜测,可测,7,立柱内力,可测,可测,可测,8,锚杆内力,应测,宜测,可测,9,土钉内力,宜测,可测,可测,10,坑底隆起（回弹）,宜测,可测,可测,11,围护墙侧向土压力,宜测,可测,可测,12,孔隙水压力,宜测,可测,可测,13,地下水位,应测,应测,应测,14,土体分层竖向位移,宜测,可测,可测,15,周边地层竖向位移,应测,应测,宜测,16,周边建筑竖向位移,应测,应测,应测,17,周边建筑倾斜,应测,宜测,可测,18,周边建筑水平位移,应测,宜测,可测,19,周边建筑、地表的裂缝,应测,应测,应测,20,周边管线变形,应测,应测,应测,建筑基坑工程监测技术规范（,GB 50497-2009,）监测项目,3.1.5,监测仪器、元件及方法,（,1,）,桩（墙）顶、坡顶水位移,仪器：全站仪。,3.1.4,测点布置、监测频率,（,2,）,沉降、坑底隆起,仪器：高精度水准仪。,水平位移量测结果,沉降量测结果,（,3,）,桩（墙）身水平位移,元件：测斜管。仪器：测斜仪。,原理,测斜仪,水平位移,导轮距离,倾,斜角变化,测斜管,（,4,）钢筋应力,元件：钢筋计。仪器：振弦式测频仪。,振弦式钢筋计,振弦式元件的测试原理,钢筋应力,标定系数,初始振动频率,当前振动频率,（振弦式压力盒、轴力计、索力计、孔隙水压计等的工作原理均与此相似。）,由钢筋应力整理得到的桩身弯矩分布,（,5,）,支撑内力,元件：轴力计、索力计。仪器：振弦式测频仪。,轴力计,索力计,（,6,）土压力,元件：压力传感器。,仪器：振弦式测频仪。,6.,孔隙水压力,7.,地下水位,元件：孔隙水压计。,元件：水位管。,仪器：水位计。,仪器：振弦式测频仪。,压力盒,孔隙水压计,水位计,3.2,监测结果的反馈及信息化施工,3.2.1,报警值及报警,（,1,）报警值由监测项目的累计变化量和变化速率共同控制。,（,2,）报警值根据土质特征、设计结果及本地经验等因素确定。,3.2.2,信息化施工,3.2.3,利用桩（墙）水平位移的反演其所受荷载,1.,原理,（,1,）桩身水平位移的组成,（,2,）桩身水平位移的表达式,（,3,）由最小二乘法确定土压力、支撑轴力等,m,为测点个数，,u,为实测水平位移值。,（,m,n,，为矛盾方程）,应用最小二乘法，令,取最小值,得到,包括土压力、支撑轴力等待求量,求解后得到支护桩（墙）的土压力、支撑轴力等。,2.,算例,基坑,位移量测结果,荷载反演结果,4,总结及展望,1.,基坑的规模更大，周围的环境更为复杂，对计算、设计、施工等提出更高的要求。,2.,基坑的设计由强度设计转为变形控制，在设计、施工过程中充分、合理地考虑时空效应。,4.,有限元等数值方法是基坑计算分析最合理、有效的手段，可计算分析大型、复杂基坑工程的受力变形、基坑施工对周围环境影响、时空效应等其他方法无法解决的问题。但在力学模式、土的计算模型及材料参数等方面，尚有一些问题没有很好地得到解决。,3.,合理选择支护形式，对设计参数（如桩长、桩径、桩距、支撑位置、内撑或锚索预应力值的大小）进行优化设计。,6.,目前基坑的信息化施工尚有差距。今后现场量测的信息化、自动化水平会得到很大提高。另外，反演分析也会取得较大进展。,5.,特殊土（如膨胀土等）地层中基坑的设计及施工尚未很好的解决。,谢 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