深基坑工程——基坑稳定性分析

1第三章基坑工程稳定性分析主要内容一、基坑工程常见失稳模式分析二、整体滑动稳定性验算三、嵌固深度稳定性验算四、坑底土抗隆起稳定性验算五、基坑渗流稳定性分析23基坑工程常见失稳模式分析基坑工程稳定性分析的主要内容第一节基坑工程常见失稳模式分析一、基坑工程常见失稳模式分析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4•各类支护结构的失稳破坏模式（1）刚性挡土墙基坑嵌固深度不够超载土层强度低（整体滑移破坏）1.土体破坏（强度、渗流、变形）倾覆破坏挡土墙滑移破坏整体滑移破坏5•各类支护结构的失稳破坏模式（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）（坑底土隆起）6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）（2）内支撑基坑7（3）拉锚基坑嵌固深度不够或超挖锚杆长度不够失稳破坏整体失稳破坏82.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压曲破坏剪切破坏压曲破坏压曲破坏拉锚失效9排桩支护基坑失稳破坏10膨胀土基坑失稳破坏11二、基坑工程稳定性分析的主要内容稳定性破坏计算项目：重力式支护结构（水泥土墙、双排桩）倾覆滑移土体整体滑动失稳坑底隆起渗透非重力式支护结构（悬臂支挡、锚拉、内撑结构等）墙后土体整体滑动失稳嵌固稳定性（倾覆）坑底隆起渗透倾覆稳定性验算又称为嵌固稳定性验算或踢脚稳定性验算1213无围护结构的基坑稳定性分析有围护结构的基坑稳定性分析第二节整体滑动稳定性验算砂性土土坡稳定性分析tancostanfTNW抗滑力sinTW下滑力cosNW法向分力一、无围护结构基坑稳定性分析costantansintanWWfT安全系数K=T14costantansintanWWfT安全系数K=T当α=β时，安全系数最小，则工程中一般要求K≥1.25~1.30tantanK15黏性土土坡稳定性分析1.瑞典圆弧滑动整体稳定分析稳定安全系数：滑动面上平均抗剪强度与平均剪应力之比fsF也可定义为：滑动面上最大抗滑力矩与滑动力矩之比。对O点力矩平衡：WdRLFfs16对于外形复杂、0的粘性土土坡，土体分层情况时，要确定滑动土体的重量及其重心位置比较困难，而且抗剪强度的分布不同，一般采用基于极限平衡原理的条分法分析。2.土坡稳定分析条分法极限平衡分析的条分法：滑动土体分为若干垂直土条各土条对滑弧圆心的抗滑力矩和滑动力矩土坡稳定安全系数abcdiβiOCRABH17对于均质土坡，其最危险滑动面通过坡脚最危险滑动面圆心的确定（费伦纽斯近似法）β1β2ROβBA=00需多次试算OBβ1β2βAHE2H4.5H圆心位置由β1，β2（查表得到)确定181920siiiiisfiiFtgNlclFT(costan)siniiiiirsiiclWMKMW底面法向静力平衡:iiiWNcos土条底面孔隙水应力已知时，可用有效应力法进行计算：iiiiiiiiisinWtancos)luW(lcK21二、有围护结构基坑稳定性分析22圆弧滑动整体稳定性系数Ks：对于一级、二级和三级基坑分别不小于1.35、1.30和1.252324当验算结果不能满足整体稳定性要求时，可以采取以下两种方法：一是增加支护结构的嵌固深度和墙体厚度;二是改变支护结构类型，如采取加内支撑的方式。2526悬臂支护结构的嵌固稳定性验算单层锚杆和单层支撑嵌固稳定性验算第三节嵌固深度稳定性验算（抗倾覆）一、悬臂支护结构的嵌固稳定性验算2728二、单层锚杆和单层支撑支挡结构嵌固稳定性验算2930根据《建筑基坑支护技术规程》（2012）：挡土结构的嵌固深度要满足：整体稳定性验算、嵌固深度验算和抗隆起验算；对于悬臂式结构，尚不应小于0.8h；对单点支撑式结构，尚不应小于0.3h；对于多点支撑式结构，尚不应小于0.2h。31例题【例】某二级基坑开挖深度为10m，采用悬臂式支护结构，土层为黏性土，c=20kPa，φ=30°，γ=18kN/m3，试计算支护结构的嵌固深度。323334例题【例】某一级基坑开挖深度为8m，采用排桩加一水平支撑支护结构，内支撑位于地面下3m处，支护桩入土深度ld=7m，土层为黏性土，c=12kPa，φ=15°，γ=19.3kN/m3，无地面施工荷载，桩长范围内无地下水，试计算该基坑的嵌固稳定性（踢脚稳定性）。358m7m3m内撑58902154524522.tan)(tanKa）（712154524522.tan)(tanKp）（kPa....KcKhpaaa71576701225890331921支点计算主动、被动土压力系数主动土压力为0点距地面距离内撑点处的主动土压力为：kPa.....KcKhpaaa713376701225890621-1531922）（桩端主动土压力的合力为：m/kN....ak45894621-15507133E）（367670.Ka31.Kpm...Kcza621767031912220桩端处的主动土压力为：主动土压力的合力距内撑点的距离为：m./).(a547362115315a2kPa..KcKhpppp2313112223坑底基坑底面处的被动土压力为：kPa....KcKhpppp872603112271731924桩端被动土压力的合力为：m/kN..)..(pk2102275087260231E37桩端处的被动土压力为：被动土压力的合力距内撑点的距离为：m..p42958275a24315474589442921022K22.....aEaEaakppke，满足嵌固稳定性要求251K.e嵌固稳定安全系数为：38锚拉式或支撑式支挡结构抗隆起稳定性验算支护结构底面以下有软弱下卧层是抗隆起稳定性验算第四节坑底土抗隆起稳定性验算一、锚拉式或支撑式支挡结构抗隆起稳定性验算《建筑基坑支护技术规程-2012》推荐的Prandtli的地基承载力公式bdmcqdmKq)lh(cNNl012dml2dl01q)lh(dm39cqdmkcNNlp2坑底土的地基极限压力bdmcqdmKq)lh(cNNl012bKdl加权的平均重度；土，取各层土按厚度土的天然重度；对多层挡土构件底面以上分别为基坑外、基坑内—21mm,bK40一、锚拉式或支撑式支挡结构抗隆起稳定性验算当坑底以下为软土时，以最下层支点为转动轴心的圆弧滑动模式按下列公式验算抗隆起稳定性：rK;kPajqj）标准值（土条顶面上的竖向压力第—rKrK41二、支护结构底面以下有软弱下卧层是抗隆起稳定性验算当挡土构件底面以下有软弱下卧层时，抗隆起稳定性验算的部分应包括软弱下卧层，采用Prandtli地基承载力法验算，γm1,γm2应取软弱下卧层顶面以上土的重度，ld应用D替代。D为坑底至下卧层顶面的土层厚度。悬臂式支挡结构可不进行抗隆起稳定性验算。42《建筑地基基础规范2002》中的验算方法43当验算结果不能满足抗隆起稳定要求时，可以采取以下两种方法：一是增加支护结构的嵌固深度和墙体厚度；二是改变基坑底部土体的工程性质，如采取地基处理的方法使基坑内土体的抗剪强度增大。44例题【例】某饱和黏土层中开挖条形基础，拟采用8m长的板状支护，地下水位已降至板状底部，坑侧地面荷载q=10kPa，土层性质c=5kPa，φ=15°，γ=19kN/m3，按《建筑基坑支护技术规程2012》，为满足基底抗隆起稳定性的要求，此基坑的最大开挖深度不能超过多少？（按一级基坑计算）459332452.e)(tanNtanq设基坑的开挖深度为h：46解：9310151.tan/)N(Nqc811081993105933-819012...hq)lh(cNNldmcqdm）（解得：m834.h4731741751261856517m/kN....m48解：1611231.tan/)N(Nqc23105127417161111735618012.....q)lh(cNNlKdmcqdmb满足抗隆起稳定性要求,..Kb81233218m/kNm7352452.e)(tanNtanq49抗突涌稳定性验算抗流土稳定性验算抗管涌稳定性验算第五节基坑渗流稳定性分析基坑底部渗流稳定性分析破坏形式：坑底土体突涌破坏：坑底以下存在承压含水层时，隔水层厚度不足将无法抵抗含水层水压力，导致坑底土体突涌。流砂或流土破坏：砂土等透水性地层中，受基坑内外水头差作用,水力梯度超过临界梯度时,出现流砂或流土。50一、抗突涌稳定性验算whhwwKhD坑底以下有水头高于坑底的承压含水层，且未用截水帷幕隔断其基坑内外的水头联系时，承压水作用下的坑底突涌稳定性验算如下：51hwwKhD加权平均天然重度；对多层土，取土层厚度土层的天然重度；承压含水层顶面至坑底—的土层厚度；承压含水层顶面至坑底—不应小于突涌稳定性安全系数，—D;.KKhh11水的重度；—水头高度承压含水层顶面的压力—ww;h52二、抗流土稳定性验算悬挂式截水帷幕底端位于碎石土、砂土或粉土含水层时，对均质含水层，地下水渗流的流土稳定性验算如下：fwdKhD.l）（180253fwdKhD.l）（1802水的重度。—基坑内外的水头差；—土的浮重度；—厚度；顶面至基坑地面的土层潜水面或承压水含水层—插入深度；截水帷幕在坑度以下的—，分别不应小于级的支护结构，安全等级为一、二、三流土稳定性安全系数，—wdhfhl;.,..KK1D41516154'2'1.5s抗管涌稳定性验算三、抗管涌稳定性验算55当验算结果不能满足土体抗渗稳定要求时，可以采取以下两种方法：一是做截水帷幕，截断含水层，同时将帷幕内的承压水降压；二是在基坑底部进行地基加固，加大土体重度。56例题【例】某基坑底下有承压含水层，已知不透水层的天然重度γ=20kN/m3。如要求基坑底抗突涌稳定系数Kh≥1.1，根据《建筑基坑支护技术规程2012》则基坑的最大开挖深度为多少？57设基坑开挖深度为h：58解：解得：m38.h11102162016.)()h(hDKwwh根据《建筑基坑支护技术规程2012》例题【例】某止水帷幕，上游土中最高水位为0.00m，下游地面水位为-8.00m，已知土的天然重度γ=18kN/m3。为满足流土稳定性要求，试求止水帷幕的合理深度（Kf=1.5）。59设止水帷幕的深度为h：60解：解得：m312.h511088880828021..)h(hD.lKwdf）（根据《建筑基坑支护技术规程2012》例题【例】某二级基坑采用板状作为支护结构，地下水位平地面，坑内用集水池进行排水，试计算板状嵌固深度为3m时，是否满足基坑底抗渗稳定性要求。61设止水帷幕的深度为h：62解：。，满足抗渗稳定性要求51072..Kf0721049480328021..hD.lKwdf）（根据《建筑基坑支护技术规程2012》