第5章基坑工程

第5章基坑工程Chapter5Foundationpit东北林业大学土木工程学院SchoolofCivilEngineering,NEFU基本要求：1.了解基坑工程的特点，基坑支护结构的类型、适用条件、设计内容和原则及基坑地下水控制方法。2.熟悉基坑稳定分析、多支点桩墙设计计算方法。3.掌握作用于基坑支护结构上土压力的计算方法，以及悬臂式桩墙、单支点桩墙、水泥土墙和土钉墙的基本计算方法。一、基坑工程具有以下特点：5.1概述①支护结构通常都是临时性结构，一般情况下安全储备相对较小，风险性较大；②由于场地的工程水文地质条件、岩土的工程性质以及周边环境条件的差异性，基坑工程往往具有很强的地域性特征，因此，它的设计和施工必须因地制宜，切忌生搬硬套；③基坑工程是一项综合性很强的系统工程，它不仅涉及结构、岩土、工程地质及环境等多门学科，而且勘察、设计、施工、检测等工作环环相扣，紧密相连；④具有较强的时空效应，支护结构所受荷载（如土压力）及其产生的应力和变形在时间上和空间上具有较强的变异性，在软黏土和复杂体型基坑工程中尤为突出；⑤对周边环境影响较大，基坑开挖、降水势必将引起周边场地土的应力和地下水位发生改变，使土体产生变形，对相邻建（构）筑物和地下管线等产生影响，严重者将危及它们的安全和正常使用，大量土方运输也将对交通和环境卫生产生影响。二、基坑支护结构的类型及适用条件1.放坡开挖及简易支护放坡开挖是指选择合理的坡度进行开挖，适用于地基土质较好、开挖深度不大以及施工现场有足够放坡场所的工程，可独立或与其他支护结构结合使用。2.悬臂式支护结构指设有内撑和锚拉的板桩墙、排桩墙和地下连续墙支护结构。适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程，在软土场地中不宜大于5m，且当地下水位高于基坑底面时，宜采用降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙。3.水泥土墙支护结构适用于深度不宜大于6m的淤泥、淤泥质土等软土地区的基坑支护，水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于150kPa。4.内撑式支护结构内支撑常采用木方、钢筋混凝土或钢管（或型钢）做成。内支撑支护结构适合各种地基土层，但设置的内支撑会占用一定的施工空间。5.拉锚式支护结构土层锚杆因需要土层提供较大的锚固力，适用于深部有较好土层的地层中，一般基坑深度不宜大于12m，不宜用于软黏土地层。6.土钉墙支护结构土钉墙支护结构适用地下水位以上的黏性土、砂土和碎石土等地层，不宜用于淤泥或淤泥质土等软土场地，一般支护深度不宜超过12m。7.其他支护结构其他支护结构形式有双排桩支护结构、连拱式支护结构、逆作拱墙支护结构、加筋水泥土挡墙等支护结构以及各种组合式支护结构。支护结构选型应考虑结构的空间效应和受力特点，采用有利支护结构材料受力性状的型式。软土场地可采用深层搅拌、注浆、间隔或全部加固等方法对局部或整个基坑底土进行加固，或采用降水措施提高基坑内侧被动抗力。三、基坑支护工程设计原则0.9支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重三级1.0支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般二级1.1支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重一级重要性系数γ0破坏后果安全等级基坑侧壁安全等级及重要性系数根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定进行计算和验算：（1）基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容应包括：①根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算；②基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算；③当有锚杆或支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算。（2）对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。（3）地下水控制计算和验算：①抗渗透稳定性验算；②基坑底突涌稳定性验算；③根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算。基坑支护工程设计的基本原则是：①在满足支护结构本身强度、稳定性和变形要求的同时，确保周围环境的安全；②在保证安全可靠的前提下，设计方案应具有较好的技术经济和环境效应；③为基坑支护工程施工和基础施工提供最大限度的施工方便，并保证施工安全。四、作用于支护结构上的荷载及土压力计算1.水平荷载标准值计算对于碎石土及砂土：当计算点位于地下水位以上时：ajkajkaiikai2eKcK当计算点位于地下水位以下时：ajkajkaiikaijwajwawaaiw2eKcKzhmhK对于粉土及黏性土，eajk为ajkajkaiikai2eKcK当按以上规定计算的基坑开挖面以上水平荷载标准值小于零时，应取零（1）支护结构水平荷载标准值eajk应按当地可靠经验确定，当无经验时可按下列规定计算（2）基坑外侧竖向应力标准值σajk计算：σajk=σrk+σ0k+σ1k①计算点深度zj处自重竖向应力σrk：σrk=γmjzj计算点位于基坑开挖面以上时：计算点位于基坑开挖面以下时：σrk=γmhzj开挖面以下为恒值④上述基坑外侧附加荷载作用于地表以下一定深度时，将计算点深度相应下移，其竖向应力也可按上述规定确定。②当支护结构外侧地面作用满布附加荷载q0时σ0k=q0③当距支护结构b1外侧，地表作用有宽度为b0的条形附加荷载q1时σ1k=q1b0/(b0+2b1)2.水平抗力标准值计算基坑内侧水平抗力标准值epjk计算（1）对于砂土及碎石土pjkpjkpiikpijwppiw21eKcKzhK（2）对于粉土及黏性土pjkpjkpiikpi2eKcK作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值可按下式计算：σpjk==γmjzj1.悬臂式桩墙计算1）侧向压力计算一般用朗金理论来计算不同深度z处每延米宽度内的主、被动土压力强度σa，σp2aatan452zzK2pptan452zzK对于黏性土，式中的内摩擦角用等代内摩擦角e代入20°～25°30°～35°40°～45°亚砂土、亚黏土、黏性土15°20°35°淤泥25°30°～35°40°种植土0.8Sr≤1（饱和）0.5Sr≤0.8（很湿）0Sr≤0.5（稍湿）土的潮湿程度土的类别如有地下水或地面水时，根据土的透水性和施工方法来考虑静水压力对板桩的作用。5.2排桩、地下连续墙支护2）悬臂式板桩墙计算①墙身前侧是被动土压力(bcd)，其合力为Ep1，并考虑有一定的安全系数K(一般取K=2)；②在墙身后方为主动土压力(abe)，合力为EA；③在桩下端还作用有被动土压力Ep2，计算时假定作用在桩端b点；④考虑到Ep2的实际作用位置应在桩端以上一段距离，在最后求得板桩的入土深度t后，再适当增加10％~40％。⑤按照板桩上所受土压力计算出的每延米板桩跨间的最大弯矩（剪力为零处），并以此值设计板桩的厚度。悬臂式板桩墙的破坏一般是板桩绕桩底端b点以上的某点o转动。2.单支撑（锚碇式）板桩墙计算1）下端作为简支时的板桩墙计算2aaa11()()()22EhtKhtKht2ppp11//22EtKtKKtK①最小入土深度t：根据平衡条件取∑Mo＝0，则得p0a022()()33htEhhtEh②支撑反力Ts可根据水平力平衡方程求得，取∑H＝0，则sapTEE③此外还应计算每延米宽板桩跨间的最大弯矩，并以此Mmax值设计板桩的厚度。（σ=Mmax/W≤[σ]）（Q=0时M=Mmax）2）下端作为弹性嵌固支承的板桩墙计算①假定Ep2作用在桩底b点处。入土深度t可按计算值适当增加10％～40％；②板桩墙的前侧作用被动土压力Ep1不再考虑安全系数；③由于板桩下端的嵌固点位置不知道，因此，不能用静力平衡条件直接求解板桩的入土深度t；④板桩下部有一挠曲反弯点c，在c点以上板桩有最大正弯矩，c点以下产生最大负弯矩，挠曲反弯点c相当于弯矩零点；在均匀砂土中，当土表面无超载，墙后地下水位较低时反弯点的深度y与内摩擦角的近似关系－0.007h0.08h0.25hy40°30°20°φ⑤确定反弯点c的位置后，已知c点的弯矩等于零，则将板桩分成oc和cb两段，根据平衡条件可求得板桩的入土深度t。1）经验参数法（2）等值梁法①求出土压力零点K的位置aappa()KhKhuKuuKK②由等值梁AKs00k0()()PhuaThuhPahQhuhTs由上段梁∑Mk＝0得到；Qk由上段梁∑Ms＝0得到③由等值梁KG求算板桩入土深度，取∑MG＝02kpa1()6QxKxKhuxx由上式求得x后，板桩的最小入土深度为：t＝u＋1.2x④由等值梁求算最大弯矩Mmax值。计算如图所示，采用等值梁法计算板桩墙的入土深度t，及锚碇拉杆拉力T（基坑开挖深度h＝8m，锚杆位置在地面下1m。）230tan(45)0.3332aK230tan(45)32pK解：0.3338130.333apaKhumKK0KM1911(81)911(811)02323apKKT由94.9TkN得到由等值梁ak2211091132.8422KaPHQKKTkN由等值梁kb，∑Mb=0，21()4.57m6KPaQxKxKhuxxx板桩埋入土中的深度为1.211.24.576.48mux求Mmax：先求剪力为零点，即Mmax所在的位置，之后求得Mmax3.多支撑板桩墙计算（1）等弯矩布置（2）等反力布置图5-20多支撑板桩墙的位移及土压力分布图5-21多支撑板桩墙上土压力的分布图形a)板桩支撑；b)松砂；c)密砂；d)粘土γH6cu；e)粘土γH4cu多支撑板桩墙计算：连续梁法、简支梁法5.3水泥土桩墙支护支护深度一般不大于6m，如果采用加筋水泥土桩墙等复合式水泥土桩墙，则支护深度可达到15m1.水泥土桩墙计算（1）土压力计算对于水泥土桩墙支护结构，作用在其上的土压力通常按朗金土压力理论计算，但也有按梯形土压力分布形式计算的（如图5-23中虚线）。水压力的计算既可按水土压力合算也可水土压力分算。（2）抗倾覆稳定性验算taa/2==WbKEz抗倾覆力矩倾覆力矩（3）抗滑移稳定性验算psatan++==WcbEKE抗滑力滑动力也可根据水泥土桩墙结构基底的摩擦系数进行计算psa+=1.3WEKE（4）墙体厚度计算①当水泥土墙底部位于碎石土或砂土时0aaippjcsd0wdwpwa101.252232hEhEbhhhhhh≥②当水泥土墙底部位于黏性土或粉土中时0aaippjcsd21.2hEhEbhh≥当按上述规定确定的水泥土墙厚度小于0.4h时宜取0.4h（5）正截面承载力验算①压应力验算：0cscs1.25/zMWf≤②拉应力验算：cscs/0.06MWzf≤5.4土钉墙支护1.土钉支护结构参数的确定土钉墙支护结构参数包括土钉的长度、直径、间距、倾角以及支护面层厚度等2.土钉墙支护计算1）土钉抗拉承载力计算单根土钉抗拉承载力计算应符合下式要求：1.25γ0Tjk≤TujTjk=ζeajksxjszj/cosαj对于基坑侧壁安全等级为二级的土钉抗拉承载力设计值Tuj应按试验确定，基坑侧壁安全等级为三级时可按下式计算ujnjsikis1Tdql2）土钉墙整体稳定性验算ikii0iiiknjjjjjik111costancos1/2sintannnmiijcLsswqbTk0i0ii1cos0niswqb≥5.5基坑稳定性分析1.基坑整体稳定性分析ii0iiiis0iiicostansinclqbWKqbWpptdt2aa,ba,dtd2/