现代施工技术(3)----深基坑支护技术

深基坑支护技术1支护结构的形式支护结构挡墙支撑或拉锚钢板桩（槽钢钢板桩、热轧锁口钢板桩）钢筋混凝土板桩钻孔灌注桩挡墙挡墙地下连续墙深层搅拌水泥土桩挡墙旋喷桩帷幕墙钢结构支撑支撑钢筋混凝土支撑钢结构支撑：钢管支撑型钢支撑钢筋混凝土支撑：对撑、角撑、桁架式支撑；圆形、拱形、椭圆形钢管支撑构造钢筋混凝土支撑支护结构事故2支护结构计算2.1支护结构的破坏形式与计算内容支护结构的破坏形式1）非重力式支护结构的破坏形式强度破坏：A.拉锚破坏或支撑压曲；B.支护墙底部走动；C.支护墙的平面变形过大或弯曲破坏。稳定破坏：D.墙后土体整体滑动失稳；E.挡墙倾覆；F.坑底隆起；G.管涌。2）重力式支护结构的破坏形式强度破坏：水泥土抗剪强度不足，产生剪切破坏。需验算最大剪应力处的墙身应力。稳定破坏：A.倾覆；B.滑移；C.土体整体滑动失稳；D.坑底隆起；E.管涌2.2非重力式支护结构的计算（1）支护结构的荷载计算①土压力A.土为砂砾，内聚力C=0B.土不为纯砂砾，内聚力C≠0)245(ctg2)245(Htgp)245(ctg2)245(Htgp2p2a)245(ctg2)245(Htgp)245(ctg2)245(Htgp2p2a使用上述公式在特殊情况下的修正方法：对于粘性土，采用前述公式计算主动土压力在顶部为负值，该情况实际上是不可能发生的。修正方法有：计算总压力时不计上部的负压力：只计算临界高度以下的主动土压力：22c2)245(cHtg2)245(tgH21Ea)245(tgc2H)245(tg)HH(pc2ca其中忽略土的内聚力c值，提高土的内摩擦角值所采用的等代摩擦角法。)()245(Htgp)245(Htgp2p2a为等代内摩擦角其中②水压力A受静水压力作用，水压力呈三角形分布；B有残余水压力作用，水压力呈梯形分布。③地面附加荷载A墙后均布荷载B墙后一定距离有均布荷载C墙后有集中荷载（2）支护结构的强度计算方法；等值梁法、弹性曲线法、基床系数法、有限元法。①等值梁法)245(qtge22)245(tglh)245(qtge112)tg)245(tg(lh22用等值梁法计算单锚板桩的方法及步骤：A.计算作用于板桩上的土压力强度，并绘出土压力分布图。计算土压力强度时，对板桩前后的被动土压力乘以修正系数K、K′。作用在板桩墙上的被动土压力系数为：)245(tgKK)245(KtgKpp板桩墙后板桩墙前B.计算板桩墙上土压力强度等于零的点离挖土面的距离y式中Pb—挖土面处板桩墙后的主动土压力强度值；—修正后的被动土压力系数；Ka—主动土压力系数；—土的重力密度。C.按简支梁计算等值梁的最大弯矩Mmax和两个支点的反力。D.计算板桩墙的最小入土深度：实际埋深为：t=(1.1~1.2)t0pK)KK(P6ytap00)KK(Pyapb采用等值梁法计算时，还可按坑底以下土体的内摩擦角来确定正负弯矩转折点。f=30°y=0.08H′f=35°y=0.03H′f=40°y=0H′=H+q/g式中H—基坑深度（m）q—支护墙后的地面荷载（KN/m2)；g—土的重力密度（KN/m3)②弹性曲线法用弹性曲线法计算支护结构，可用解析法或图解法求解。下面介绍图解法。A.假定支护结构的入土深度；B.分段（按高度0.5~1.0m为一段)计算土压力强度；C.计算各段梯形土压力的合力；D.取一定的极矩h按照静力学的索线多边形原理绘制力多边形；0tE.绘制索线多边形，在索线多边形上，最后一根索线与闭合线的交点，若恰好在土压力强度图上代表最后一个集中力的小梯形面积的底边线上，则表明假定的入土深度是合适的，否则，需改变值重新计算。F.支护结构任一截面处的弯矩M，等于极矩h与索多边形图上相应坐标y的乘积，其最大弯矩为：G.土压力强度分布图确定后，如为单锚结构，对支护结构的底点取矩，则可求得拉锚的内力，从而选择拉锚的截面。0t0tmaxmaxyM③基床系数法（竖向弹性地基梁法）采用wenkler模型计算，适用于多支撑结构。按照wenkler假定，墙体上各点受到的反力与其变形成正比，即式中P—墙体上的反力；K—基床系数；W—墙体变位。对于受侧压力的等截面墙体，有：式中q(x)—沿墙长度方向单位宽度的截面惯性矩；K—墙体弹性模量；J—墙体单位宽度的抗弯模量通过边界条件和连续条件，可计算支撑的轴力及变形。WKP)x(KW)x(qdx)x(WdEJ44④有限元法空间三维有限元法，能较准确全面地模拟基坑开挖情况，计算复杂。平面有限元法，多用于重力式支护结构计算。杆件有限元法，多用于非重力式支护结构计算。式中E—地基上梁的弹性模量；J—地基上梁的抗弯刚度；q—外荷载；y—挠度；K—地基反力模量。KydxydEJ44多支撑（锚杆）支护结构的计算方法：弹性曲线法、竖向弹性地基梁法、有限元法。近似计算法：①确定支撑布置A等弯矩布置：将支撑布置成使板桩各跨度的最大弯矩相等，且等于板桩的允许抵抗弯矩。计算步骤：a.选定板桩，得到截面抵抗矩W；b.由截面抵抗矩，求得板桩悬臂部分的最大允许跨度h；式中f—板桩抗弯强度设计值；g—板桩墙后土的重力密度；Ka—主动土压力系数。c.按连续梁计算各跨跨度。3aKfW6hB.等反力布置：各层腰梁（围檩）和支撑所承受的力相等。计算步骤：a.求各支撑点的反力。将板桩看作承受三角形荷载的连续梁，解之得到各跨的跨度，顶部承受0.15R，其余各处反力皆等于R。b.根据各支座反力，可进行挡墙截面计算。)15.01n(2hKR2a②确定土压力分布形式③计算支撑反力（等弯矩布置）按二分之一分割法或下方分担法计算。④计算入土深度由：面积GNOF=2面积EFM得解方程即可得到入土深度。0EGHKxHKx)KK(aa2ap（3）支护结构的稳定计算支护结构的稳定性破坏，包括墙后土体整体滑动失稳、坑底隆起和管涌。①整体滑动失稳一般情况下不会发生整体滑动失稳。②坑底隆起A计及墙体极限弯矩的坑底抗隆起验算滑动面AB、BC、CE上各段土的抗剪强度滑动力矩抗滑力矩式中D—支护结构挡墙的入土深度（m）；H—基坑开挖深度（m）；q—地面超载（KN/m2）；g、c、f—分别为土体的重度（KN/m3)、内聚力（KN/m2）和内摩擦角（°），有几层不同性质土时，可采用加权平均值。ctgKcossinDtgsinDctgKcossin)sinDq(tgsin)sinDq(ctgK)qz(ctga23zaf2fzaz2sD)qH(21M)qH()DHD(c)D34Dq4(tgD32Dq21D)qH2H(tgKMDdDdDdzM232f32f2ah40z40zH0zr抗隆起安全系数一般情况：Ks为1.2~1.3；在需要严格控制地面沉降时：Ks为1.5~2.0；本方法的适用条件：a).D/H≥0.4；b).中等强度和较软弱的粘性土层中。srsMMKB.考虑挡土墙抵抗弯矩的验算基坑稳定的Terzaghi-Peck法为保证基坑稳定，需要墙体入土部分af前面提供的分布反力ph如果求得的Ph接近作用在af面上的静止土压力值，表明基坑不会失稳；如果求得的Ph接近被动土压力值，基坑会失稳。本方法的适用条件：a)适用于狭窄基坑，对宽大基坑不适用；b）仅适用于粘性土。22uhBM4cBcH2)qH(BM4cppC.同时考虑c、f的抗隆起安全系数将支护结构底平面作为极限承载力的基准面，如产生滑动，其滑动曲线形状如图。其验算方法适用于各种土层。抗隆起安全系数：Nc、Nq—地基承载力系数用Prandtl公式计算地基承载力系数用Tersaghi公式计算地基承载力系数q)DH(cNDNKcqstg1)1N(Ne)245(tgNqctg2qtg1)1N(N)245cos(tg)243(e21Nqc2qD.Caguot基坑稳定验算法基坑稳定入土深度式中D—基坑稳定入土深度（m）；g1、g2—非开挖侧土的重度、开挖侧基坑底以下土的重度（KN/m3）；h—基坑开挖深度（m）；q—地面超载（KN/m2）；f—土的内摩擦角（°）；Kp—被动土压力系数。1tgp21eKqhD③管涌验算当地下水的向上渗流力（动水压力）时，土粒则处于浮动状态，于坑底产生管涌现象。不发生管涌的条件：式中t—挡墙的入土深度；K—抗管涌安全系数，取1.5~2.0；—地下水位至坑底的距离；—地下水的重力密度；—坑底下土的浮重力密度。当土为松散填土、多裂隙土层等透水性好的土层时，其不产生管涌的条件为：j2hhKtwhw2hKtw（4）基坑周围土体变形计算基坑周围土体变形与支护结构横向变形、施工降低底下水位有关。若开挖基坑时支护结构的支撑（拉锚）加设及时或施加预顶（拉）力，则支护结构横向变形较小，基坑周围地面沉降也较小；若开挖基坑时，支撑（拉锚）加设不及时、顶部无支撑（拉锚）或坑边有较大地面荷载等，则支护结构横向变形较大，对周围地面沉降的影响亦大。一般情况下，周围地面沉降与支护结构的横向变形成正比。当基坑刚开挖，土体中尚存在较高的孔隙水压力时，两者的关系为：当基坑开挖经过一段时间，孔隙水压力消散后，两者的关系为：式中Fw—支护结构及其横向变形曲线包围的面积；Fs—地面及其沉降曲线包围的面积。50.0FFws85.0FFws基坑周围土体沉降变形的估算方法①Peck.E.B教授估算法a)计算支护结构的横向变形曲线；b)以积分方法求解支护结构及其横向变形曲线包围的体积Vw；c)按下式计算地面沉降影响的距离D式中D—地面沉降影响距离；Ht—支护结构长度；f—土的内摩擦角。d)按下式计算基坑边处的地面沉降值：e)按下式计算沉降影响范围内（距离坑边x处）的地面沉降：)245(tgHDtDV4w)o(s2)o(s)x(sDx因施工降水而引起的地面沉降值，按下式计算：式中—施工降水引起的地面沉降值；—第i层土的压缩模量；—距离基坑边x处第i层土内孔隙水压力变化量；—第i层土的厚度。开挖深基坑时基坑周围地面沉降值：式中—由于支护结构横向变形和施工降水引起的地面沉降值。in1ii)x(sui)x(suhuE)x(susuiEi)x(uih)x(su)o(s)x(s)x(s②指数函数估算方法最大沉陷所在位置：其中max)/1ln(12Dxm)1e/4(D2)1e/4(Dm4)mD2e/D4(mD2D4222222DVmw2.2.3重力式支护结构的计算深层搅拌水泥土桩挡墙、旋喷桩帷幕墙。1）滑动稳定性验算式中Kh—抗滑动稳定安全系数，Kh≥1.2；当基坑边长小于20m时，可取Kh≥1.0；W—墙体自重（KN/m）；m—基底墙体与土的摩擦系数；EP—被动土压力合力（KN/m）；EA—主动土压力合力（KN/m）；2）倾覆稳定性验算式中Kq—抗