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1、地下结构工程地下结构工程-深基坑工程 主讲教师主讲教师：穆保岗穆保岗第03章3深基坑工程 n概述：大量的深基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现。n国外，圆形基坑的深度已达74m(日本)，直径最大的达98m(日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下层（法国）。n国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m150m，基坑开挖深度达19.5m。上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m。n两个功能：一是挡土；二是止水。n基坑支护分两类：n支护型将支护墙（排桩）作为主要受力构件；n支护型基坑支护包括板桩墙、排桩、地下连续墙等。n在基坑较浅时可不设
2、支撑，成悬臂式结构；n当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚定系统；形成空间力系是发展方向。n加固型充分利用加固土体的强度。n加固型包括水泥搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和树根桩等。基坑基坑侧侧壁安全等壁安全等级级及重要性系数及重要性系数 安全等级破坏后果 一级支护结构破坏、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1.10二级支护结构破坏、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1.00三级支护结构破坏、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0.903.1 结构方案及选择3.1.1 结构类型支护结构类型及其适用范围 表3-1结
3、构 形 式适 用 范 围排桩结构稀疏排桩土质较好，地下水位低或降水效果好连续排桩土质差，地下水位高或降水效果差框架式排桩单排桩刚度不能满足变形要求组合排桩结构排桩加挡板排桩桩距较大，利用挡板传递土压并有一定防渗作用排桩加水泥搅拌桩以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力，具有较好防涌效果排桩加水泥防渗墙地下水位较高的软土地区排桩或组合排桩加锚杆结构开挖深度较大，排桩或组合排桩结构强度无法满足要求地下连续墙结构与地下室墙体合一，防渗性强，施工场地较小，开挖深度大沉井结构软土地区重力式挡土墙结构具有一定施工空间，软土地区图31板桩 图3-2 组合挡土壁图3-3 单排与双排桩支护结构图3-4 接
4、头管接头的施工程序a)开挖槽段；b)吊放接头管和钢筋笼；c)浇筑砼；d)拔出接头管；e)形成接头3.1.2 支撑体系n支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。n支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成。特 点平面尺寸不大，且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑。它的开挖土方空间较大，但变形控制要求不能很高钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置；支撑受力明确，安全稳定，有利于墙体的变形控制，但开挖土方较为困难多采用钢筋混凝土支撑；中部形成大空间，有利于开挖土方和主体结构施工多采用钢筋混凝土支撑；支撑体系受力条件好；开挖空间大，便于施工开挖面积大、深度小的基坑宜采用；在软弱土层中
5、，不易控制基坑的稳定和变形便于土方开挖和主体结构施工，但仅适用于周边场地具有拉设锚杆的环境和地质条件3.2 支护结构上的作用3.2.1 土压力n主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是支护结构存在位移；n当支护结构没有位移时，则土对支护结构的压力为静止土压力。n土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力，即计算结果偏大。图3-5 悬臂支护桩土压力分布图3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 图3-7 柏林地道工程土压力实测图n土的内聚力C、内摩擦角值可根据下列规定适当调整：n 在井点降低地下水范围内，当地面有排水和
6、防渗措施时，值可提高20%；n在井点降水土体固结的条件下，可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响，将土的内聚力c提高20%。土压力计算公式exitn主动土压力：n被动土压力：3.2.2 地面附加荷载传至n层土底面的竖向荷载qnn（1）地面满布均布荷载q0时，任何土层底面处：n（2）离开挡土结构距离为a时 n(3)作用在面积为 与挡土结构平行）的地面荷载，离开挡土结构距离时。3.2.3 水压力n水压力，主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题。n对于粘性土，土壤的透水性较差，此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法，即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数。n对于砂性土，采用水土分算
7、，即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和。对比n砂土简化计算，将水压力与土压力分别计算，并把水看作是：n主动压力=静止压力=被动压力=h 3.3 排桩、地下连续墙n计算主动土压力和被动土压力n并确定计算简图，确定嵌固深度、内力计算；n支护桩或墙的截面设计以及压顶梁的设计等。3.3.1 悬臂式支护结构图n根据朗肯-库伦土压力理论分层计算主动土压力和被动土压力；n在此基础上确定图3-10所示的计算简图。图 n据此简图求出嵌固深度hd;n最大弯矩截面位置及最大弯矩值；n进行配筋设计或承载力计算；n计算支护结构顶端位移。悬臂exit计算简图 据此求出嵌固深度hd配筋和挠度计算
8、 n地质条件或其它影响因素较为复杂时，也可按最大弯矩断面的配筋贯通全长。n配筋应满足下式条件：n支护结构顶端的水平位移值 y剪力为零处即D点至基坑底的距离；悬臂梁上段结构柔性变形值 下段结构在弯矩Mmax作用下产生的转角下段结构在弯矩Mmax作用下在D点产生的水平位移 上段结构柔性变形下段结构在作用下3.3.2 单层支撑支护结构设计图n计算方法是“等值梁法”。n等值梁法的关键是如何确定反弯点的位置。n对单锚或单撑支护结构，地面以下土压力为零的位置，即主动土压力等于被动土压力的位置，与反弯点位置较接近。图exit用等值梁法计算单锚、单支支护结构：图3-15 单层支点支护结构深度计算简图n（3）支
9、点力TC1 可按下式计算：n等值梁法，对反弯点：（1）计算土压力（2）基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置（4）n嵌固深度Hd 设计值可按下式确定:（5）计算内力和配筋n单层支撑支护结构的最大弯矩:n发生在剪力0处，应根据土压力平衡，求得处的位置y,可得Mmax。n弯矩图可按静力平衡条件求得 n可以分段配筋，也可以按最大弯矩断面通长配筋.3.3.3 多层锚拉式支护结构设计 n1)应根据分层挖土深度与每层锚杆设置的实际施工情况分阶段分层计算，这时假定下层挖土不影响上层锚杆计算的水平力；n2)多层布置时，有等弯矩布置和等反力布置两种模式；n3）悬臂式及单支点支护结构嵌固深度设计不宜小于 ；多支点支
10、护结构嵌固深度设计值小于0.2 h时，宜取 。抗渗透稳定条件:n当基坑底为碎石土及砂土、基坑内排水且作用有渗透水压力时，侧向截水的排桩、地下连续墙除应满足上述规定外，嵌固深度设计值尚应满足式抗渗透稳定条件:注意事项：n1）排桩、地下连续墙水平荷载计算单位；中心距和单位长度；n2）有支撑变形计算按弹性支点法计算，支点刚度系数 及地基土水平抗力系数m应按地区经验取值；n 3）支支撑体系（含具有一定刚度的冠梁）或其与锚杆混合的支撑体系应按支撑体系与排桩、地下连续墙的空间作用协同分析方法，计 算内力和变形。3.4 土层锚杆n土层锚杆是一种埋入土层深部的受拉杆件，它一端与构筑物相连，另一端锚固在土层中。
11、n 3.4.2 锚杆设计 n1）锚杆承载力计算 n2）锚杆杆体的截面面积 3）锚杆轴向受拉承载力设计值 n（1）安全等级为一级及缺乏地区经验的二级基坑侧壁，应进行锚杆的基本试验，受拉抗力分项系数可取1.3。n（2）基坑侧壁安全等级为二级且有邻近工程经验时：n（3）.对于塑性指数大于17的粘性土层中的锚杆应进行蠕变试验。n（4）锚杆预加力值（锁定值）应根据地层条件及支护结构变形要求确定，宜取为锚杆轴向受拉承载力设计值的0.500.65倍。n（5）自由段计算长度本讲要点n重点掌握悬臂式支护结构计算方法和计算要点；n重点掌握单锚、单支支护结构计算方法和计算要点。n掌握锚杆计算方法；n理解多层支撑的计
12、算原则；3.6 水泥土墙设计n又称搅拌桩挡墙，利用一种特殊的搅拌头或钻头，钻进地基至一定深度后，喷出固化剂，与地基土强行拌和而形成的加固土桩体。nMixed-In-Place Method MIP(美国)nDeep Mixing Method(日本)n固化剂采用水泥或石灰；n适用于加固淤泥质土、粘土；n国外最大深度60m，国内1218m；n特点：施工无震动、噪音、无废水泥浆；n 坑内无需支撑拉锚，优良的抗渗特性。n支挡高度，国内最深9m;水泥墙的结构形式n挡墙宽度为0.60.8开挖深度，桩长为开挖深度的1.8-2.2倍。n3.6.1 土压力计算计算主动土压力和被动土压力n3.6.2 抗倾覆计算
13、n3.6.3 抗滑移计算n3.6.4 墙身应力验算n3.6.5 整体稳定计算n一般情况下，使墙体强度不成为设计的控制条件，而以结构和边坡的整体稳定控制设计。1.土压力计算墙后主动土压力 墙前被动土压力 2 抗倾覆计算 图n按重力式挡墙计算墙体绕前趾A的抗倾覆安全系数，不小于(1.01.1).3 抗滑移计算 n按重力式挡墙计算墙体沿底面滑动的安全系数：4.墙身应力验算 n 墙体所验算截面处的法向应力n剪应力按下式进行：5 整体稳定计算k=1.25n整体稳定计算时，将滑动土体与搅拌桩挡墙视为一个整体考虑(常选在墙底下0.51.0米处)，采用圆弧滑动法计算图：构造要求n格栅布置时，水泥土的置换率对于
14、淤泥不宜小于0.8，淤泥质土不宜小于0.7，一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格栅长宽比不宜大于2；n桩与桩之间的搭接宽度：考虑截水作用时，桩的有效搭接宽度不宜小于150mm；当不考虑截水作用时，搭接宽度不宜小于100mm。n不能满足要求时，宜采用基坑内侧土体加固或水泥土墙插筋、加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。n搅拌桩挡墙设计计算实例（详见教材)3.7 土钉墙n土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和喷射砼面板组成，形成一个以土挡土的重力式挡土墙。n土钉墙自上而下施工，步步为营，土钉墙是靠土钉的相互作用形成复合整体作用。n土层锚杆的失效影响较大，不应用于没有临时自稳能力的淤泥、饱和软弱土层。n
15、图3-32 土钉墙应用领域na)托换基础;b)竖井的挡墙;c)斜面的挡土墙nd)斜面稳定;e)和锚杆并用的斜面防护1 土钉受拉承载力计算受拉承载力 受拉荷载标准值 荷载折减系数 2 土钉墙承载力计算n采用简化圆弧滑动条分法 3 构 造 n土钉墙墙面坡度不宜大于1：0.1；n喷射混凝土面层宜配置钢筋网，钢筋直径宜为610mm，间距宜为150300mm；n喷射混凝土强度等级不宜低于C20，面层厚度不宜小于80mm；n 土钉钢筋宜采用、级钢筋，钢筋直径宜为1632mm，钻孔直径宜为70120mm；本讲要点n重点掌握水泥土挡墙的设计要点：n荷载、强度、稳定（倾覆、滑动、整稳）n土钉墙的设计要点：土钉承
16、载力和整稳3.8 SMWnSMW挡土墙是先施工水泥土挡墙，最后按一定的形式在其中插入型钢（如H钢），即形成一种劲性复合围护结构。：n止水好，刚度大，构造简单，型钢插入深度一般小于搅拌深度，型钢可回收重复使用，成本较低。nSMW适宜的基坑深度为610m，国外开挖深度已达20m。n要求型钢间距不能过大，保证水泥土的强度由受剪，受压控制。n（a）全位“满堂”；（b）全位“1隔1”n（c）全位“1隔2”；（d）半位“满堂”；（e）半位“1隔1”1型钢净间距的确定n保证型钢间的水泥土在侧向水土压力作用下不产生弯曲应力 2.水泥土强度校核“连续”截面剪力型钢“间隔”布置 验算拱的轴力强度 3.9 逆作拱墙
17、n在基坑四周场地都允许起拱的条件下（基坑各边长在基坑四周场地都允许起拱的条件下（基坑各边长L的的起拱矢高起拱矢高 ），可以采用），可以采用闭合的水平拱圈来闭合的水平拱圈来支支挡土压力以围护基坑的稳定，采用闭合的水平拱圈来挡土压力以围护基坑的稳定，采用闭合的水平拱圈来支挡土压力以围护基坑的稳定支挡土压力以围护基坑的稳定；n拱结构是以受压力为主，能更好地发挥混凝土抗压强度高的材料特性，而且拱圈支挡高度只需在坑底以上 n这个闭合拱圈可以由几条二次曲线围成的组合拱圈（曲率不连续），也可以是一个完整的椭圆或蛋形拱圈（曲率连续）。n安全可靠，每道拱圈分别承受该道拱圈高度内的压力，不相互影响；n节省工期，施
18、工方便；n节省挡土费用，用拱圈支护的费用仅为用挡土桩的40%60%。而且，基坑越深，经济效益越显著。1.截面形状2.拱墙计算逆作拱墙结构型式根据基坑平面形状可采用全封闭拱墙，也可采用局部拱墙，拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8，基坑开挖深度h不宜大于12m。当基坑开挖深度范围或基坑底土层为砂土时，应按抗渗透条件验算土层稳定性；当基底土层为粘性土时，基坑开挖深度满足下列抗隆起验算条件：均布荷载作用下，圆形闭合拱墙结构轴向压力设计值 应按下式计算：圆拱的外圈半径；拱墙分道计算高度 在分道高度范围内的基坑外侧水平荷载标准值的平均值。3 构造 n混凝土强度等级不宜低于C25；n拱墙截面宜为Z字型，拱壁的上
19、、下端宜加肋梁；n当基坑较深且一道Z字型拱墙的支护高度不够时，可由数道拱墙叠合组成；n肋梁，其竖向间距不宜大于2.5m。n圆形拱墙壁厚不应小于400mm，其他拱墙壁厚不应小于500mm。3.10 逆作法施工n 深地下室的常规施工是通过临时支护基坑坑壁，开挖至预定深度后，浇底板并由下而上施工各层地下室结构，待地下室完工后，再逐层进行地上结构的施工。n利用地下连续墙采用逆作法施工较深的多层地下室，成为发展的方向，这已在国内外到得了显著的效果。n逆作法施工工艺是先沿建筑物外围施工地下连续墙，作为地下室的边墙或基坑的围护结构。n在建筑物内部的浇筑中间支承柱，开挖土方至第一层地下室底面标高，浇注梁及部分
20、的板，该层楼盖即可作为地下连续墙刚度很大的支撑系统。然后在梁间没有浇板的空档内，向下逐层施工各层地下室结构。与此同时，在已完成底面梁板结构的基础上，做上部结构。n地下室封底前，地面上允许施工的层数要通过计算确定。日本读卖新闻社大楼 逆作法施工 地上层，地下层，总工期只用了个月，比常规方法缩短了个月。该工程用2.0m大直径钻孔灌注桩作为中间支承柱，m,共用根。逆作法的优点：n地下主体结构的梁、板、柱作为挡土墙的横向支撑；n大幅度缩短工期；n逆作法只开挖有效范围内的土方量，减少了大量的土方量；n安全性好，且基本上不受气候所左右。不足：n封闭状态下的环境进行施工，作业环境较差；大型机械设备难于进场；
21、n地下结构中墙柱的混凝土接搭质量较难控制；n控制导柱的垂直度和承载力较难；n逆作法侧向刚度较封闭式的小，施工中应采取措施，防止一侧连续墙的过大变形。立柱 n立柱在逆作施工中具有无法取代的重要性，立柱设计和计算，为逆作法设计的主要内容：n1)立柱位置的设置n 2）立柱负担荷载的计算n3）允许应力的决定n）立柱桩的设计按灌注桩进行。n）上部结构体加固设计n）立柱的设计n）柱脚根部插入部分的设计。n 逆作法施工，以地面层的梁板结构是封闭还是敞开分为“封闭式逆作法”和“开敞式逆作法”。n我国第一个按“封闭式逆作法”施工的试点工程是上海基础工程科研楼，地上层，地下层。n另一个为上海电信大楼地下室工程采用了“开敝式逆作法”旋工（该工程地下层，地上17层），在南京夫子庙地下商场也采用过该方法施工。本讲要点n掌握SMW方法的设计要点；n了解逆作拱墙的设计过程；n了解逆作法施工。