边坡与基坑支护

1边坡与基坑支护主讲：邹新军副教授GSM：15973169309Email:[e-mail]湖南大学土木工程学院二○○八年秋冬学期参考书目赵明华.《土力学与基础工程》(第2版).武汉理工大学出版社黄求顺，张四平，胡岱文.《边坡工程》.重庆大学出版社陈祖煜.土质边坡稳定分析—原理、方法、程序陈祖煜.岩质边坡稳定分析—原理、方法、程序龚晓南.深基坑工程设计施工手册尉希成，周美玲.支挡结构设计手册(第二版)李海光等.新型支挡结构设计与工程实例余志成，施文华.深基坑支护设计与施工参考书目建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）建筑基坑支护技术规程（JGJ120-99）锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）岩土锚杆（索）技术规程（CECS22∶2005）铁路路基支挡结构物设计规则（TBJ25-90）公路设计手册《路基》（第三篇挡土墙)公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）长沙市挡土墙及基坑支护工程设计、施工及验收规程（DB43/009-1999）学习目的了解边坡与基坑工程的特点了解常用边坡与基坑支挡结构的形式及其特点掌握几种常用支挡结构的设计计算方法熟悉常用支挡结构形式的施工工艺主要内容1概述2常用支挡结构形式及其特点3桩（墙）支护结构设计与计算4土钉墙设计与施工5锚杆挡墙设计与计算6抗滑桩设计与计算7支挡结构地下水控制简介1概述__基本概念山地33％高原26％盆地19％平原12％丘陵10％•山区：包括山地、丘陵、高原，约占总面积的2/3。21概述__基本概念•建筑边坡：建(构)筑物和市政工程开挖或填筑施工所形成的人工边坡和影响建(构)筑物安全或稳定的自然边坡，简称边坡，并以2年使用年限为界分为永久性边坡和临时性边坡。•边坡支护：为保证边坡及其环境的安全，对边坡采取的支挡、加固与防护措施。•建筑基坑：指为进行建筑物（或构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。•基坑工程：指对基坑进行包括土体、降水和开挖在内的一系列勘察、设计、施工和检测等工作。1概述__工程特点综合性工程（多学科、既是土木工程也是环境工程）边坡支护结构多为永久结构，安全储备大基坑支护结构多为临时结构，安全储备小，风险大具有很强的区域性、个案性具有较强的时空效应对周边环境影响较大1概述__边坡稳定性边坡失稳原因•坡体在外荷与自重作用下达到极限平衡状态，当坡体内某点的剪应力与抗剪强度平衡（极限平衡点），且所有极限平衡点连通成面时便形成连续滑动面，从而发生边坡失稳。分析假定•平面应变问题滑动面•已破坏边坡：实测滑动面•未破坏边坡：假定滑动面（平面、圆柱面、对数螺旋曲面、折面等）1概述__边坡稳定性分析分析方法•无万能分析模式，“经验+理论+实测”。•瑞典条分法•毕肖普法(Bishop)•传递系数法(折线法)•詹布法(Janbu)1概述__边坡稳定性瑞典条分法1915PettersonKE提出，FelleniusDW和TaylorDW改进，首先在瑞典应用，故称瑞典法。假定条件•均质材料，服从库仑定律•平面问题•滑面为通过坡脚的圆弧面•不考虑条间力（水平侧压力、竖向摩阻力）图1.1条分法简图1概述__边坡稳定性图1.2流线图图1.3渗透压力简化计算图31概述__边坡稳定性缺陷•圆弧滑动面：仅适用于均质坡体•不能考虑条间力：若考虑则缺n-1个方程；人为假定如传递系数法(条间力合力平行于分条的滑动面且作用于中部)•不能考虑孔隙水压力(超孔压、渗透压)，考虑有两种：精确法：有流网（流速）确定动水压力简化法：近似按静水压，即分条两侧渗透压＝静水压总和；底部渗透压(浮托力)＝分条内地下水的重力，且垂直于滑面毕肖普法(Bishop)—改进条分法考虑条件水平力E，不考虑剪应力。抗滑力下滑力Qi为水平力合力（包括孔压、地震力等）由极限平衡导得1概述__边坡稳定性()/iiiiiTclNfk=+coscossiniiiiiiiSEQWααα=−Δ++tancosiiiiiiiiiclNfEQWkαα+Δ=+−图1.4Bishop法计算简图由竖向力平衡导得由水平力平衡导得隐式，可由迭代法、作图法及克莱法（假定式右边k=1,由此求得左边k即可）1概述__边坡稳定性tancossincossiniiiiiiiiiiiWUcl/kNf/kααααα−−=+[](sec-)tancossiniiiiiiiiiiikclWUfkfkQWαααα++=+∑∑∑传递系数法—折线法适用：山区土层沿岩面滑动假定：•折线型滑动面•条间力平行于该分条的滑动面且作用于分隔面中点1概述__边坡稳定性图1.5传递系数法计算简图由平行滑动面力平衡导得令则若最后一块分条的推力Pn0，则边坡稳定kf为与内摩擦角有关的安全系数，1.25～1.67；kc为与粘聚力有关的安全系数，2.5～5.0。1概述__边坡稳定性1111cos()cos()+cossin(cossin)iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiffcffclPPQWPWUQkkkαααααααα−−−−⎡⎤−=−+−+−−+⎢⎥⎢⎥⎣⎦111sin()cos()-ii-iii-iff--kααψαα−=11sincos(cossin)iiiiiiiiiiiiiiifcfclPWQWUQPkkααααψ−−⎡⎤=+−−−++⎢⎥⎢⎥⎣⎦分别假定kf、kc麻烦，可统一采用，并可试算确定，再返代验算Pn是否等于0。工程中不采用这种强度折减法（抗力分项系数）而采用荷载分项系数，即将条间推力乘以一个大于1.0的系数k向下传递（各分条间的推力即为下滑力），最后一块分条的推力即为边坡的最后下滑力1概述__边坡稳定性()11sincos(cossin)iiiiiiiiiiiiiiiPPkWQWUQfclψαααα−−=++−−−−11i1cos()sin()ii-ii-i--f-ψαααα−=4詹布法(Janbu)法假定•推力E的作用点已知(下三分点)•摩阻力T和推力E之间为一定函数关系1概述__边坡稳定性图1.6Janbu法计算简图以Ni作用点为矩心建立平衡方程得进而导得1概述__边坡稳定性05iiiiiiiTx.TxEhEhQzΔ+ΔΔ+Δ=Δ−ddtanddiiiiiEQThzExxθ⎛⎞⎛⎞=−−⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠岩质边坡破坏形式1概述__边坡稳定性岩石边坡稳定性主要取决于结构面性状岩质边坡分类根据岩体类型、结构面发育特征、主要结构面与坡向关系、岩体完整程度等分为以下三类整体稳定边坡岩体结构比较完整、裂隙不发育且连通性较差、主要结构面或结构面组合棱线倾向与边坡倾向呈大角度斜交的边坡。外倾结构边坡岩体结构比较完整、裂隙不太发育、但主要结构面或结构面组合棱线倾向与边坡倾向基本一致或呈小角度斜交的边坡。碎裂结构边坡岩体裂隙发育、结构已遭受严重破坏，结构面规律性较差且具良好的连通性，岩体性质已很接近于散体结构的边坡。1概述__边坡稳定性岩质边坡的岩体分类岩质边坡的岩体分类51概述__设计施工要求满足支护结构本身要求的同时，确保周围环境的安全保证安全可靠的前提下，具有较好的技术经济和环境效应为施工提供方便周边建筑物的影响（建筑物层数、基础型式、埋深、与边坡或基坑的距离等）地下管线（燃气、供水、电力、通讯、热力等）施工材料、车辆荷载的影响（施工荷载应合理取值、车辆荷载的作用范围）土质条件地下水1概述__设计考虑影响因素考虑因素坍塌后果变形过大后果安全等级边坡规范(GB50330-2002)1概述__选型与安全度取值原则边坡类型边坡高度破坏后果安全等级岩质边坡岩体类型为Ⅰ或Ⅱ类H≤30很严重一级严重二级不严重三级岩体类型为Ⅲ或Ⅳ类15H≤30很严重一级严重二级H≤15很严重一级严重二级不严重三级土质边坡10H≤15很严重一级严重二级H≤10很严重一级严重二级不严重三级基坑规范（JGJ120-99）1概述__选型与安全度取值原则2常用支挡形式重力式挡土结构悬臂式挡墙、扶壁式挡墙、土钉墙、加筋土挡墙、锚碇板挡墙锚杆挡墙结构柱板式、壁板式、桩锚式桩墙支护结构水泥土桩墙、单(双)排桩支护结构、抗滑桩、地下连续墙、逆作拱墙、撑锚支护结构2.1重力式挡土墙特点：靠自重维持平衡，就地取材，施工方便适用：地基土质好、墙高不大(6m)，当地有可用石材材料：砼(C15)、石料(≥MU30)、砂浆(6m时M5，否则M7.5,严寒及地震区M10)(a)俯斜式；(b)直立式；(c)仰斜式；(d)衡重式墙顶墙背墙面墙趾墙踵墙底(a)(b)(c)(d)62.1重力式挡土墙验算内容抗倾覆(γt≥1.6)：实际工程中多为倾覆性破坏，原因在于土压力分布模式(作用点)抗滑移(γs≥1.3)：加大宽度不可取，可设逆坡、突榫整体稳定性：可加大基础埋深基底压力pk≤fa；pkmax≤1.2fa；e≤B/4施工与构造设置伸缩缝(沉降缝)泄水孔(坡面)、排水沟(坡顶、分级台阶、坡底)墙顶设置防护栏2.2悬臂式与扶壁式挡墙原理：依靠墙身重量及底板上填土及地面超载维持平衡特点：厚度小、自重轻，挡土高度大，且经济性好适用：适用于缺乏石料、地基承载力低及地震区，多用于填方区，6m左右用悬臂式；超过6m用扶壁式2.3锚定板挡土墙结构：依由墙面板(高50cm、厚不小于15cm)、钢拉杆(Φ22～32螺纹钢)及锚定板(1m2钢筋砼板)和填料组成，依靠埋置在填料中的锚定板所提供的抗拔力维持挡墙的稳定特点：结构轻、柔性大、占地少、坞工少、造价低适用：适用于填土的轻型支挡结构，有肋柱式和壁板式两种，后者多用于城市交通支挡结构物工程2.4水泥土桩墙支护结构原理：用深层搅拌机在地基深部将水泥和土体强制拌和而成；适合：软土区的浅基坑(H≤6.0m)隔栅式水泥土桩墙2.5排桩与地下连续墙支护结构原理：依靠足够的入土深和结构抗弯能力维持稳定特点：水平位移是深度的五次方，对开挖深度敏感形式：排桩、地下连续墙适用：土质好、开挖深度浅桩（墙）双排桩支护盖梁或盖板后排桩基坑底前排桩2.6撑锚支护结构结构：包括支护桩或墙和内支撑或锚杆；适合：内支撑可适合各种地基土层，但会占用施工空间；锚杆不宜用于软粘土地层中内支撑桩或墙(a)地面拉锚(b)土层拉锚桩或墙桩或墙地面拉锚锚桩锚杆72.7锚杆挡土墙结构：由钢筋砼肋柱、挡土板和锚杆；或由钢筋砼面板及锚杆组成原理：依靠锚固于稳定土层中的锚杆所提供的拉力承受水土压力来保证挡墙的稳定适用：适占地少，施工快，可作为山坡的支挡或地下工程的临时支撑，主要有柱板式或板壁式两种2.8土钉墙支护结构结构：由被加固原位土体、土钉和砼面板组成原理：土钉与土体间的粘结或摩擦力使其与周围土体连成整体，形成类似于重力式挡墙结构适用：适合于地下水位以上的粘性土、砂土和碎石土等，不适合于淤泥或淤泥质土面板土体土钉2.9加筋土挡墙加筋土挡墙结构：由墙面板、墙后填料及埋置于填料内的拉筋组成拉筋：抗拉强度高、柔韧性与抗腐蚀性好，常用：扁钢、钢筋砼、聚丙烯土工带(公路多用)等适用：占地少，地基承载力要求低、用于填土工程；8度防震区和强烈腐蚀环境不宜使用2.10逆作拱墙支护结构原理：将水土压力产生的弯曲拉力转化为沿拱轴线的轴向压力，使拱截面受压而不受弯，同时土也起土拱作用而减小压力特点：施工快，造价低，适用于粘土、砂土和软土区；不适合于饱和软土及淤泥质土，基坑深不宜大于12m3排(墙)支护结构设计计算适用条件•施工场地狭窄、地质条件较差、基坑较深、或对开挖引起的变形控制较严•排桩支护适合于H=(6~10)m的基坑•地下连续墙适合于H10m、对变形控制要求较高的工程计算方法•无锚时：按悬臂式桩(墙)计算•有锚时：按单层支锚桩(墙)计算按多支点桩(墙)计算3.1悬臂桩(墙)计算极限平衡法土压力模式：三角形入土深t：静力平衡条件(∑X＝0、∑M＝0)求解，计算步骤（略）桩墙实际嵌深应适当放大由剪力为零求出最大弯矩点深度，进而求出最大弯矩，再据此配筋(1.1~1.2)ctut=+静力平衡法ep1-ea1zep3-ea3tuhdDEpEp'ep2-ea2y∑Eq0ABCO83.1悬臂桩(墙)计算布鲁姆简