深基坑支护结构的设计计算..

2020/2/1712020/2/171深基坑支护工程设计与检测—事故分析、相关规范与工程实例第三部分深基坑支护结构的设计计算中国建筑科学研究院钱力航2009年1月北京2020/2/1722020/2/172深基坑支护结构主要指深基坑的挡土桩或挡土墙与锚杆或内支撑相结合的挡土结构,也包括土钉墙、复合土钉墙等其它形式的支护结构。挡土桩主要指钢筋混凝土预制桩、灌注桩、人工挖孔桩和钢管桩、钢板桩等；挡土墙主要是钢筋混凝土地下连续墙，型钢水泥土连续墙等。2020/2/1732020/2/173第三部分主要内容一深基坑挡土结构的设计内容与步骤二荷载计算（土压力计算）１主动土压力计算２土体水平抗力的计算３关于土压力经验修正的讨论４土压力计算中水土合算与水土分算问题的讨论三支护结构的设计计算（此处支护结构主要指排桩、地下连续墙）１支护结构的受力特征２支护结构的设计计算方法简介３支护结构的设计计算：a经典法：（可用于）1°单层支锚浅埋结构的设计计算及例题2°悬臂结构的设计计算（略）3°单锚深埋结构的设计计算（略）4°多层支锚结构的设计计算（略）b弹性法1°弹性法的基本挠曲方程2°弹性抗力系数的数值解法c弹塑性法工程应用很少（略）四支护结构的稳定性验算1支护结构嵌固稳定性①2支护结构整体滑动稳定性②3基坑底部抗隆起稳定性③4基坑底部抗管涌稳定性④5基坑底部抗渗流稳定性⑤五土钉支护的设计与应用2020/2/174主要参考资料1《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99及部分修订内容2《岩土锚固》，程良奎范景伦韩军许建平3《建筑地基基础设计规范》GB50007-20024《地基与基础》，天津大学西安冶金建筑学院哈尔滨建筑工程学院重庆建筑工程学院，顾晓鲁总成2020/2/1752020/2/1762020/2/176一深基坑支护结构的设计内容与步骤1了解工程环境:邻近建筑(构)物及地下管线的现状及其对变位的敏感程度,测量其至基坑开挖线的距离;2阅读地下室及基础结构图;确定基坑开挖深度及开挖范围;确定电梯井等局部加深的情况;3阅读工程地质报告,了解分析各层土的物理力学性质及地下水情况;4通过综合比较选取最佳支护及地下水处理方案,包括支护结构的各部分尺寸;2020/2/1772020/2/1775确定作用于支护结构上的荷载,即计算水压力、土压力;6计算支护结构的嵌固深度、内力、锚固力、变形量;7整体稳定性验算,抗隆起、抗管涌的措施;86和7须经过试算,调整支护方案及其各部分尺寸;9结构设计,绘制施工图2020/2/1782020/2/178二荷载计算（土压力计算）作用在支护结构上的荷载主要就是土压力.土压力有主动土压力、被动土压力和静止土压力.主动土压力最小,被动土压力最大,静止土压力在两者之间.如果支护结构(墙体)不产生任何移动和转动,这时土体对墙体产生的土压力称为静止土压力.2020/2/1792020/2/179如果墙体在土压力的作用下,发生向基坑内绕墙底转动或移动(图13-2a),静止土压力逐渐减小,直到将墙体挤压到即将离开土体时的极限状态,即主动极限平衡状态,此时土压力达到最小值,称为主动土压力.图13-2产生主动或被动土压力的情况(a)主动土压力；(b)被动土压力2020/2/17102020/2/1710如果墙体在外力的作用下,挤压土体(图13-2b),压力从静止土压力逐渐增大,直到土体即将破坏时的极限状态,即被动极限平衡状态,此时土压力达到最大值,称为被动土压力.图13-2产生主动或被动土压力的情况(a)主动土压力；(b)被动土压力2020/2/17112020/2/1711目前除了这三种特殊平衡状态以外的土压力还无法计算.试验表明,土压力要降低到主动土压力的数值,挡土结构顶部的水平位移需达到该结构挡土高度的1~5‰；而要达到被动土压力的数值,这种位移要大得多,约为挡土高度的2~5%,是达到主动土压力的15~50倍.在实际工程中主动土压力容易达到,被动土压力不一定能达到.表13-1列出了国外有关规范规定达到主动极限状态和被动极限状态所需的变形值.2020/2/17122020/2/1712表13-1发挥主动和被动土压力所需的变位表中：H、D—地面、基坑底至挡土墙底的高度；y—水平位移；h0—挡土高度。2020/2/17132020/2/1713主动土压力计算主动土压力计算一般采用经典土压力理论---厍仑理论和朗肯理论.厍仑理论假定挡土墙是刚性的；墙后填土是无粘性砂土；当挡土墙墙身移动产生主动土压力或被动土压力时，滑动土体是沿着墙背和一个通过墙踵的平面滑动的，假定滑动土体是刚体。朗肯理论和厍仑理论最大的差别是朗肯理论不考虑摩擦力，因此求得的主动土压力偏大，被动土压力偏小，用于设计挡土墙是偏于安全的。而且公式比较简单，所以被广泛采用。2020/2/17142020/2/1714根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，作用在支护结构上的主动土压力（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（朗肯理论）计算（图１３－３）．这次建筑基坑支护技术规程JGJ120修订，土压力仍然采用朗肯理论。2020/2/17152020/2/1715图１３－３主动土压力计算简图2020/2/17162020/2/1716１对于碎石土及砂土（1）当计算点位于地下水位以上时：eajk=σajkKai-2cikKai1/2(13-1)（2）当计算点位于地下水位以下时：eajk=σajkKai-2cikKai1/2++［（zj-hwa）-(mj-hwa)ηwaKai］γw(13-2)2020/2/17172020/2/1717eajk=σajkKai-2cikKai1/2(13-1)eajk=σajkKai-2cikKai1/2＋［（zj-hwa）-(mj-hwa)ηwaKai］γw（13-2）式中σajk---作用于深度zj处的竖向土压力,可按式(13-4)计算;cik---三轴试验确定的第i层土固结不排水(快)剪黏聚力;zj---计算点深度;hwa---基坑外侧水位深度;h---基坑深度;mj---计算参数,当zjh时,取zj,当zj≥h时,取h;ηwa---计算参数,当hwah时,取1,当hwa≥h时,取0;γw---水的重度;Kai---第i层土的主动土压力系数,可按公式(13-9)计算。2020/2/17182020/2/17182对于粉土及黏性土eajk=σajkKai-2cikKai1/2(13-3)当按以上公式计算的土压力小于零时,应取零。3竖向土应力标准值σajk可按下式计算:σajk=σrk+σok+σlk(13-4)(1)计算点深度zj处自重竖向应力σrk:当计算点位于基坑开挖面以上时:σrk=γmjzj(13-5)式中γmj---深度zj以上土的加权平均天然重度2020/2/17192020/2/1719当计算点位于基坑开挖面以下时:σrk=γmjzj(13-6)式中γmj---开挖面以上土的加权平均天然重度(2)当支护结构外侧地面作用均布附加载荷q0时(图13-4),基坑外侧任意深度竖向应力标准值σ0k可按下式计算:σ0k=q0(13-7)2020/2/17202020/2/1720(3)当距支护结构b1外侧,地面作用有宽度为b0的条形均布附加载荷q1时(图13-5),基坑外侧任意深度CD范围内的竖向应力标准值σlk可按下式计算:σlk=q1b1/(b0+2b1)(13-8)2020/2/17212020/2/1721(4)上述基坑外侧附加载荷作用于地表以下一定深度时,将计算值点深度相应下移,其竖向应力也可按上述规定确定。4第I层土的主动土压力系数Kai,应按式(13-9)计算:Kai=tg2(45°-fik/2)(13-9)式中fik-三轴试验确定的第i层土固结不排水(快)剪内磨擦角标准值。2020/2/17222020/2/17225地面不规则时的土压力计算实际工程中经常碰到基坑顶面处地表面形状不规则的情况,如图13-6是三种常见的情况,地表面既不是单一的水平面,也不是单一的斜坡面.此时不能直接用厍仑或朗肯的土压力理论进行计算,但是可以经过简化,再进行计算。图13-6地面不规则时的土压力计算(a)情况一;(b)情况二;(c)情况三2020/2/17232020/2/17图13-6a情况一情况一:先水平后倾斜(图13-6a)分别计算,先延长倾斜面交于墙背C点,AB墙面在水平面填土作用下,其土压力强度分布如图中ABe;CB墙面在倾斜面填土作用下,其土压力强度分布如图中CBf;两个三角形相交于g点,则ABfgA为此情况下的土压力分布图。2020/2/1724图13-6b情况二24情况二:先倾斜后水平(图13-6b)分别计算,先延长水平面与墙背延长线交于A’点,在水平面填土作用下,在A’B墙面上土压力强度分布如图中A’Bf;在倾斜面填土作用下,其土压力强度分布如图中ABe;两个三角形相交于g点,则ABfgA为此情况下的土压力分布图。2020/2/1725图13-6c情况三25情况三:先水平后倾斜又水平(图13-6c)分别计算,先画出在水平面填土作用下的土压力强度分布图ABe,再画斜面填土作用下土压力强度分布图CBe”;Ce”与Ae’相交于g点;再求第二个水平面的土压力三角形A’Be,A’e与Cge”交于f点,则ABefgA为此情况下的土压力分布图。2020/2/17262020/2/1726上述三种情况中,挡土墙脚处的主动土压力强度可按下列公式确定:(13-10)(13-11)(13-12)式中β---地表斜坡面与水平面之间的夹角;z----地表斜坡面延长线与挡土墙交点至墙底面的距离;h’---地表斜坡面延长线与挡土墙交点至地表水平面的距离;h’’---地表斜坡面延长线与挡土墙交点至墙顶面的距离;γ---计算范围内土层天然重度的平均值;f,c--计算范围内土层内磨擦角和黏聚力的平均值;Ka---主动土压力系数,Ka=tg2(45°-f/2)2222coscoscoscoscoscoscosapz''()2aaapKzhcK()2aaapKzhcK2020/2/17272020/2/1727土体水平抗力的计算计算土体水平抗力可有经典理论计算土体的被动土压力和竖向弹性地基梁两种方法。1经典理论计算被动土压力(即水平抗力标准值)根据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，作用在支护结构上的被动土压力（水平荷载标准值epjk应按当地可靠经验确定．当无经验时可按下列规定（朗肯理论）计算（图１3－7）:2020/2/1728图13-7被动土压力计算图282020/2/17292020/2/17291)对于砂土及碎石土，基坑内侧抗力标准值按下式计算：epjk=σpjkKpi-2cikKpi1/2＋（zj-hwp）(1-Kpi)γw(13-13)式中σpjk---作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值,可按式(13-15)计算;Kpi----第层土的被动土压力系数；cik---三轴试验确定的第i层土固结不排水(快)剪黏聚力。2020/2/17302020/2/17302)对于粉土及黏性土，基坑内侧水平抗力标准值宜按下式计算：epjk=σpjkKpi+2cikKpi1/2(13-14)3)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=γmjzj(13-15)式中γmj---深度zj以上土的加权平均天然重度.4)第i层土的被动土压力系数Kpi,应按下式计算:Kpi=tg2(45°+fik/2)(13-16)2020/2/17312020/2/17312竖向弹性地基梁理论计算土体弹性抗力（即水平抗力标准值）从上面的叙述中可以看到，用经典理论计算土体的被动土压力（水平抗力），是无法计算土体变形的，因为土压力计算理论是假定土体处于极限平衡状态的。但是在许多情况下土体是不可能处于极限平衡状态的，或者是允许土体有一定变形的，如基坑支护结构。因此需要寻找一种可以