《地下建筑结构-第12章基坑工程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下建筑结构-第12章基坑工程.ppt（200页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、 深圳大学地地 下下 建建 筑筑 结结 构构 第12章12.1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。大量出现。n国外，圆形基坑的深度已达国外，圆形基坑的深度已达74m(74m(日本日本)，直径最大的达直径最大的达98m(98m(日本日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下层，而非圆形基坑的深度已达到地下层（法（法国）国）。n国内，上海国内，上海8888层层的的金茂大厦金茂大厦，基坑平面尺寸为，基坑平面尺寸为170m150m170m150m，基坑开挖深度达，基坑开挖深度达19.5m19.5m。上海的汇京广场，。上海的汇京广
2、场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm40cm。而无支撑基。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了坑的开挖深度也已达到了9m9m。n设计与施工工况紧密相关，必须保证围护结构设计与施工工况紧密相关，必须保证围护结构在施工全过程中各工况条件下的安全，同时还在施工全过程中各工况条件下的安全，同时还要控制要控制围护结构及其周围土体的变形，围护结构及其周围土体的变形，以保证以保证周围环境周围环境(相邻建筑及地下公共设施等相邻建筑及地下公共设施等)的安全。的安全。在安全前提下，在安全前提下，设计要合理，又能节约造价、设计要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工期。方便施工、缩短工
3、期。要提高基坑工程的设计要提高基坑工程的设计与施工水平，必须正确选择土压力计算方法和与施工水平，必须正确选择土压力计算方法和参数，选择合理的围护结构体系，同时还要具参数，选择合理的围护结构体系，同时还要具有丰富的设计和施工经验。有丰富的设计和施工经验。12.1.1 基坑围护结构的分类基坑围护结构的分类分类：分类：桩桩(墙墙)式围护体系；式围护体系；重力式围护体系重力式围护体系 n桩桩(墙墙)式围护体系式围护体系一般有围护墙结构、支撑一般有围护墙结构、支撑(或锚杆或锚杆)结构以及防水帐幕等部分组成。结构以及防水帐幕等部分组成。n根据围护墙材料根据围护墙材料，桩，桩(墙墙)式围护体系又可分为钢筋混
4、式围护体系又可分为钢筋混凝土地下连续墙、柱列式钻孔灌注桩、钢板桩和钢筋凝土地下连续墙、柱列式钻孔灌注桩、钢板桩和钢筋混凝土板桩等形式。混凝土板桩等形式。n根据对围护墙的支撑方式根据对围护墙的支撑方式，又可以分为内支撑体系和，又可以分为内支撑体系和土层锚杆体系两类。土层锚杆体系两类。n原理：原理：桩桩(墙墙)式围护体系的墙体厚度相对较小，通常式围护体系的墙体厚度相对较小，通常是借助墙体在开挖面以下的插入深度和设置在开挖面是借助墙体在开挖面以下的插入深度和设置在开挖面以上的支撑或锚杆系统来平衡墙后的水、土压力和维以上的支撑或锚杆系统来平衡墙后的水、土压力和维持边坡稳定。对于开挖深度不大的基坑，经过
5、验算也持边坡稳定。对于开挖深度不大的基坑，经过验算也可采用无支撑、无锚杆的悬臂式桩可采用无支撑、无锚杆的悬臂式桩(墙墙)式围护体系。式围护体系。n重力式围护体系重力式围护体系一般是指不用支撑及锚杆的自立式墙一般是指不用支撑及锚杆的自立式墙体结构，厚度相对较大，主要借助体结构，厚度相对较大，主要借助其自重、墙底与地其自重、墙底与地基之间的摩擦力以及墙体在开挖面以下受到的土体被基之间的摩擦力以及墙体在开挖面以下受到的土体被动抗力来平衡墙后的水压力和维持边坡稳定动抗力来平衡墙后的水压力和维持边坡稳定。n在基坑工程中，重力式围护体系的墙体在开挖面以下在基坑工程中，重力式围护体系的墙体在开挖面以下往往需
6、要有一定的埋入深度。目前，在我国各地常用往往需要有一定的埋入深度。目前，在我国各地常用的水泥土围护体系以及地下连续墙一般都归在重力式的水泥土围护体系以及地下连续墙一般都归在重力式围护体系中，其受力性能类似于悬臂式的桩围护体系中，其受力性能类似于悬臂式的桩(墙墙)式围式围护结构，但在板式围护结构中一般不计墙体自重及墙护结构，但在板式围护结构中一般不计墙体自重及墙底摩阻力对墙体稳定的影响。底摩阻力对墙体稳定的影响。类类型型支支护护方式方式支支护护形式及特点形式及特点边边坡支坡支护结护结构构土土钉墙钉墙支支护护适用于硬土地适用于硬土地层层或或软软土浅基坑，土浅基坑，饱饱和含水地和含水地层层采采用复合
7、土用复合土钉钉支支护结护结构，特点是造价低廉构，特点是造价低廉钢丝钢丝网网护护坡坡适用于岩石及硬土适用于岩石及硬土边边坡或坡或软软土土临时边临时边坡坡护护坡坡桩桩支支护护采用抗滑采用抗滑桩桩支支护护重力式支重力式支护结护结构构水泥土水泥土搅搅拌拌桩桩重力式重力式挡挡土土墙墙适用于深度适用于深度较较小（小（软软弱地弱地层层中小于中小于7米）的基坑米）的基坑刚刚架重力式架重力式挡挡土土墙墙利用两排或以上利用两排或以上刚刚性性挡挡土土墙结墙结构构连连接形成一定接形成一定宽宽度的重力度的重力坝坝，可以减小重力，可以减小重力坝宽坝宽度及位移度及位移沉井式重力沉井式重力挡挡土土结结构构适用于深水适用于深水
8、环环境的境的挡挡土土结结构构混合重力式混合重力式挡挡土土墙墙在不同重力在不同重力坝结坝结构中插入构中插入劲劲性材料或性材料或刚刚性性桩桩，以，以减少重力减少重力坝坝位移位移支（支（锚锚）撑式支）撑式支护结护结构构锚锚杆或杆或锚锚碇式支碇式支护结护结构构自自钻钻式式锚锚杆，可回收杆，可回收锚锚杆，杆，预应预应力力锚锚杆，非杆，非预应预应力力锚锚杆杆内支撑支内支撑支护结护结构构井字形井字形对对撑，撑，边边桁架支撑，桁架支撑，圆环圆环支撑支撑中心中心岛岛支支护结护结构构全中心全中心岛岛全部采用中心全部采用中心岛结岛结构构进进行支行支护护半中心半中心岛岛首首层层或浅或浅层层开挖采用内支撑，以下开挖采用
9、内支撑，以下则则采用中心采用中心岛岛支支护护，可以减少中心，可以减少中心岛边岛边坡高度及其放置坡高度及其放置时间时间以以及减少基坑的位移。及减少基坑的位移。逆作法支逆作法支护结护结构构全逆作法全逆作法利用先施工的主体利用先施工的主体结结构楼板作支撑，从上往下逐构楼板作支撑，从上往下逐层层施工施工半逆作法半逆作法首首层层土方开挖采用土方开挖采用顺顺做法支做法支护护，深，深层层采用逆作法采用逆作法支支护护，其特点是加快浅，其特点是加快浅层层土方开挖速度土方开挖速度中心中心岛岛、逆作混、逆作混合支合支护结护结构构采用中心采用中心岛岛施工中心部位主体施工中心部位主体结结构，基坑周构，基坑周边边采采取逆
10、作支取逆作支护护施工，可以减少全逆作法的施工困施工，可以减少全逆作法的施工困难难。盖挖法支盖挖法支护结护结构构对对地面交通地面交通环环境影响小，境影响小，时间时间短，特短，特别别适用于地适用于地面面环环境控制境控制严严格的城市地面道路下的基坑工程。格的城市地面道路下的基坑工程。12.1.2 基坑围护结构设计的特点基坑围护结构设计的特点n 1.1.外力的不确定性外力的不确定性。外力往往随着环境条件、施。外力往往随着环境条件、施工方法和施工步骤等因素的变化而改变；工方法和施工步骤等因素的变化而改变；n2.2.变形的不确定性变形的不确定性。围护墙体的刚度、支撑。围护墙体的刚度、支撑(或锚或锚杆杆)体
11、系的布置和构件的截面特性、地基土的性质、体系的布置和构件的截面特性、地基土的性质、地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管理水平等等都是产生变形的原因。理水平等等都是产生变形的原因。n 3.3.土性的不确定性土性的不确定性。地基土的非均质性。地基土的非均质性(成层成层)和和地基土的特性不是常量地基土的特性不是常量n 4.4.一些偶然变化所引起的不确定因素一些偶然变化所引起的不确定因素。施工场地。施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等碍物或地下管线的
12、发现以及周围环境的改变等等12.2 基坑工程的设计内容 12.2.1 环境调查及基坑安全等级环境调查及基坑安全等级 基坑工程围护设计，首先应根据基坑的基坑工程围护设计，首先应根据基坑的深度、地质深度、地质条件以及周边环境条件条件以及周边环境条件确定基坑的安全等级，才能确定基坑的安全等级，才能开始设计。开始设计。进行基坑工程设计前，基坑围护结构设计所需的基进行基坑工程设计前，基坑围护结构设计所需的基本资料主要有：本资料主要有：(1)(1)工程水文地质资料；工程水文地质资料；(2)(2)场地环境条件资料，包括建筑红线，周边地下场地环境条件资料，包括建筑红线，周边地下管线的种类、埋深、使用年限以及场
13、地内地下人防管线的种类、埋深、使用年限以及场地内地下人防等地下障碍物等；等地下障碍物等；(3)(3)所建工程的地下室结构、基础桩基图纸等；所建工程的地下室结构、基础桩基图纸等；(4)(4)与施工条件有关的资料，如对于地下连续墙设与施工条件有关的资料，如对于地下连续墙设计时还应根据不同的安全等级提供有关实验资料。计时还应根据不同的安全等级提供有关实验资料。n对于围护结构应该与其它建筑设计一样，要求对于围护结构应该与其它建筑设计一样，要求在规定的时间内和规定的条件下完成各项预定在规定的时间内和规定的条件下完成各项预定功能，即：功能，即：n(1)(1)能承受在正常施工和正常使用时可能出现能承受在正常
14、施工和正常使用时可能出现的各种功能；的各种功能；n(2)(2)在正常情况下，具有良好的工作性能；在正常情况下，具有良好的工作性能；n(3)(3)在偶然的不利因素发生时和发生后，围护在偶然的不利因素发生时和发生后，围护结构仍能保持整体稳定。结构仍能保持整体稳定。n 1.1.当围护结构仅仅作为地下主体工程施工所需要的当围护结构仅仅作为地下主体工程施工所需要的临时性措施时，其使用时间不长，一般不超过临时性措施时，其使用时间不长，一般不超过2 2年。年。而一般建筑结构所规定的设计基准期通常为而一般建筑结构所规定的设计基准期通常为5050年，设年，设计基准期的长短父系到对结构材料的耐久性要求和对计基准期
15、的长短父系到对结构材料的耐久性要求和对发生偶然事件的概率统计等方面的问题。在地震区通发生偶然事件的概率统计等方面的问题。在地震区通常可不考虑地震力对围护结构的作用。常可不考虑地震力对围护结构的作用。n 2.2.基坑围护结构的理论研究目前尚不完备，满意的基坑围护结构的理论研究目前尚不完备，满意的工程实测资料很少，因此还没有条件能够像建筑结构工程实测资料很少，因此还没有条件能够像建筑结构那样通过对材料性能、荷载作用及结构效应等方面统那样通过对材料性能、荷载作用及结构效应等方面统计分析得出结构可靠性的概率指标。计分析得出结构可靠性的概率指标。n建筑基坑工程技术规范建筑基坑工程技术规范(YB92589
16、7)(YB925897)根据结构破坏可能根据结构破坏可能产生的后果严重程度产生的后果严重程度,把基坑划分为不同的安全等级见表把基坑划分为不同的安全等级见表12-312-3n还根据工程性质、水文地质条件、基坑开挖深度及规模还根据工程性质、水文地质条件、基坑开挖深度及规模把基坑划分为复杂、中等和简单三种等级把基坑划分为复杂、中等和简单三种等级,见表见表12-412-412.2.2 围护结构的选择和布置 n 包括围护墙体和支撑包括围护墙体和支撑(或锚杆或锚杆)结构两个体系所用材结构两个体系所用材料和型式的选择及布置方式。应该根据料和型式的选择及布置方式。应该根据工程规模、工程规模、主体工程特点、场地
17、条件、环境保护要求、岩土工主体工程特点、场地条件、环境保护要求、岩土工程勘察资料、土方开挖方法以及地区工程经验等因程勘察资料、土方开挖方法以及地区工程经验等因素，素，经综合分析比较、在确保安全可靠的前提下，经综合分析比较、在确保安全可靠的前提下，选择切实可行、经济合理的方案。选择切实可行、经济合理的方案。n围护墙体和支撑结构的布置应遵循以下原则：围护墙体和支撑结构的布置应遵循以下原则：n(1)(1)基坑围护结构的构件基坑围护结构的构件(包括围护墙、隔水帷幕和锚包括围护墙、隔水帷幕和锚杆杆)在一般情况下不应超出工程用地范围，否则应事在一般情况下不应超出工程用地范围，否则应事先征得政府主管部门或相
18、邻地块业主的同意；先征得政府主管部门或相邻地块业主的同意；n(2)(2)基坑围护结构构件不能影响主体工程结构构件的基坑围护结构构件不能影响主体工程结构构件的正常施工；正常施工；n(3)(3)有条件时基坑平面形状尽可能采用受力性能较好有条件时基坑平面形状尽可能采用受力性能较好的圆形、正多边形和矩形的圆形、正多边形和矩形 12.2.3 围护结构设计计算围护结构设计计算n通过设计计算确定围护结构构件的内力通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形，用于验算截面承载力和基坑位和变形，用于验算截面承载力和基坑位移。移。n要求：要求：计算模型计算模型 有关参数有关参数 考虑前段工况考虑前段工况基坑可能的破坏
19、模式建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)(GB50007-2002)将基坑的将基坑的失稳形态归纳为两类：失稳形态归纳为两类：一、因基坑土体强度不足、地下水渗流作用而造成基一、因基坑土体强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑坑失稳，包括基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑底土隆起；地层因承压水作用，管涌、渗漏等等。底土隆起；地层因承压水作用，管涌、渗漏等等。二、因支护结构二、因支护结构(包括桩、墙、支撑系统等包括桩、墙、支撑系统等)的强度、的强度、刚度或稳定性不足引起支护系统破坏而造成基坑倒刚度或稳定性不足引起支护系统破坏而造成基
20、坑倒塌、破坏。塌、破坏。基坑的第一类失稳形态基坑的第一类失稳形态（1 1）放坡开挖基坑）放坡开挖基坑 由于设计不合理坡度太陡，或雨水、管道渗漏等原由于设计不合理坡度太陡，或雨水、管道渗漏等原因造成边坡渗水导致土体抗剪强度降低，引起基坑边因造成边坡渗水导致土体抗剪强度降低，引起基坑边土体整体滑坡土体整体滑坡（2）刚性挡土墙基坑na.a.由于墙体的入土深度不足，或由于墙底存在软弱由于墙体的入土深度不足，或由于墙底存在软弱土层，土体抗剪强度不够等原因，导致墙体随附近土土层，土体抗剪强度不够等原因，导致墙体随附近土体整体滑移破坏体整体滑移破坏nb.b.由于基坑外挤土施工如坑外施工挤土桩或者坑外由于基坑
21、外挤土施工如坑外施工挤土桩或者坑外超载作用如基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙超载作用如基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土体压力增加，导致墙体向坑内倾覆后土体压力增加，导致墙体向坑内倾覆nc.c.当坑内土体强度较低或坑外超载时，导致墙底变当坑内土体强度较低或坑外超载时，导致墙底变形过大或整体刚性移动形过大或整体刚性移动（3）内支撑基坑 na.a.因为坑底土体压缩模量低，坑外超载等原因，致使围护墙因为坑底土体压缩模量低，坑外超载等原因，致使围护墙踢脚产生很大的变形踢脚产生很大的变形nb.b.在含水地层（特别是有砂层、粉砂层或者其他透水性较好在含水地层（特别是有砂层、粉砂层或者其他透水性较
22、好的地层），由于围护结构的止水设施失效，致使大量的水夹的地层），由于围护结构的止水设施失效，致使大量的水夹带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会造成支护结构失稳和地带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会造成支护结构失稳和地面塌陷面塌陷nc.c.由于基坑底部土体抗剪强度较弱，产生坑底隆起破坏由于基坑底部土体抗剪强度较弱，产生坑底隆起破坏nd.d.在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不合理在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不合理或者坑底超挖，承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层，或者坑底超挖，承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层，发生坑底突涌破坏发生坑底突涌破坏n e.e.在砂层或者粉砂地层
23、中开挖基坑时，降水设计不合理或在砂层或者粉砂地层中开挖基坑时，降水设计不合理或者井点降水失效后，产生管涌，严重时会导致基坑失稳；者井点降水失效后，产生管涌，严重时会导致基坑失稳；nf.f.在超大基坑，特别是长条形基坑（如地铁站、明挖法施工在超大基坑，特别是长条形基坑（如地铁站、明挖法施工隧道等）内分区放坡挖土，由于放坡较陡、降水等导致滑坡，隧道等）内分区放坡挖土，由于放坡较陡、降水等导致滑坡，冲毁坑内支撑或立柱，导致基坑破坏冲毁坑内支撑或立柱，导致基坑破坏（4）拉锚基坑na.a.由于围护墙插入深度不够，或基坑坑底超挖，导致由于围护墙插入深度不够，或基坑坑底超挖，导致基坑踢脚破坏基坑踢脚破坏nb
24、.b.由于设计锚杆太短，锚杆和围护墙均在滑裂面以内，由于设计锚杆太短，锚杆和围护墙均在滑裂面以内，与土体一起呈整体滑移，致使基坑整体滑移破坏与土体一起呈整体滑移，致使基坑整体滑移破坏2.基坑第二类失稳形态根据破坏类型主要表现为以下几种n（1 1）围护墙破坏）围护墙破坏 n破坏模式主要是由于设计或施工不当造成墙体强度不破坏模式主要是由于设计或施工不当造成墙体强度不足引起墙体剪切破坏或折断，导致基坑整体破坏。足引起墙体剪切破坏或折断，导致基坑整体破坏。（2）支撑或者拉锚破坏 n该类破坏主要是因为设计支撑或拉锚强度不足，该类破坏主要是因为设计支撑或拉锚强度不足，造成支撑或拉锚破坏，导致基坑失稳造成支
25、撑或拉锚破坏，导致基坑失稳（3）墙后土体变形过大引起的破坏 n该类破坏主要是因为围护墙刚度较小，造成墙后土体该类破坏主要是因为围护墙刚度较小，造成墙后土体产生过大变形，危及基坑周边既有构筑物，或者使锚产生过大变形，危及基坑周边既有构筑物，或者使锚杆变位，或产生附加应力，危及基坑安全杆变位，或产生附加应力，危及基坑安全12.2.4 围护结构稳定性验算 n(1)(1)基坑边坡总体稳定验算。防止因为围护墙插入深度不基坑边坡总体稳定验算。防止因为围护墙插入深度不够，使基坑边坡沿着墙底地基中某一滑动面产生整体滑够，使基坑边坡沿着墙底地基中某一滑动面产生整体滑动。动。n(2)(2)围护墙体抗倾覆稳定验算。
26、防止开挖面以下地基水平围护墙体抗倾覆稳定验算。防止开挖面以下地基水平抗力不足，使墙体产生绕前趾倾倒。抗力不足，使墙体产生绕前趾倾倒。n(3)(3)围护墙底面抗滑移验算。防止墙体底面与地基接触面围护墙底面抗滑移验算。防止墙体底面与地基接触面上的抗剪强度不足，使墙体底面产生滑移。上的抗剪强度不足，使墙体底面产生滑移。n(4)(4)基坑围护墙前抗隆起稳定验算。防止围护墙底部地基基坑围护墙前抗隆起稳定验算。防止围护墙底部地基强度不足，产生向基坑内涌土。强度不足，产生向基坑内涌土。n(5)(5)抗竖向渗流验算。在地下水较高的地区，在基坑内外抗竖向渗流验算。在地下水较高的地区，在基坑内外水头差或者坑底以下
27、可能存在的承压水头作用下，防止水头差或者坑底以下可能存在的承压水头作用下，防止由于地下水竖向渗流使开挖面以下地基土的被动抗力和由于地下水竖向渗流使开挖面以下地基土的被动抗力和地基承载力失效。地基承载力失效。n(6)(6)基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。12.2.5 节点设计合理的节点构造应符合以下条件：合理的节点构造应符合以下条件：n(1)(1)方便施工；方便施工；n(2)(2)节点构造与设计计算模型中的假设条件一致；节点构造与设计计算模型中的假设条件一致；n(3)(3)节点构造应起到防止构件局部失稳的作用节点构造应起到防止构件局部失稳的作用n(4)(4
28、)尽可能减少节点自身的变形量：尽可能减少节点自身的变形量：n(5)(5)与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要有良好的节点延性。有良好的节点延性。12.2.6 其他土工问题 n(1)(1)井点降水井点降水n (2)(2)土方开挖土方开挖n (3)(3)监测监测 12.3 基坑围护结构的内力计算 n12.3.1 12.3.1 围护结构的计算模型及计算原则围护结构的计算模型及计算原则计算模型涉及：计算模型涉及：n结构模型，结构模型，n水土压力模型、水土压力模型、n稳定性分析模型等稳定性分析模型等 n对于围护结构的计算一般采用对于围护结构的计算一般采用考
29、虑桩（墙）土考虑桩（墙）土共同作用的弹性地基上的杆系或框架模型共同作用的弹性地基上的杆系或框架模型，根，根据施工过程中发生的实际据施工过程中发生的实际工况分步工况分步进行计算，进行计算，同时考虑施工工况引起的结构的先期位移值以同时考虑施工工况引起的结构的先期位移值以及支撑的变形的影响或采用荷载增量法进行计及支撑的变形的影响或采用荷载增量法进行计算，即所谓的算，即所谓的“先变形、后支撑先变形、后支撑”的原则。计的原则。计算工况包括开挖阶段到内部结构回筑阶段各工算工况包括开挖阶段到内部结构回筑阶段各工况的内力组合，况的内力组合，最终的位移及内力值是各阶段最终的位移及内力值是各阶段之累计值。之累计值
30、。12.3.2 桩桩(墙墙)内力的计算分析方法内力的计算分析方法 n弹性地基杆系有限单元法弹性地基杆系有限单元法n1.1.结构理想化结构理想化 n2.2.结构离散化结构离散化 n3.3.挡土结构的节点应满足变形协调条件挡土结构的节点应满足变形协调条件 n4.4.单元所受荷载和单元节点位移之间的单元所受荷载和单元节点位移之间的关系，以单元的劲度矩阵来确定关系，以单元的劲度矩阵来确定 n5.5.根据静力平衡条件根据静力平衡条件 n对于弹性地基梁单元，其劲度矩阵有两种假定对于弹性地基梁单元，其劲度矩阵有两种假定 n(1)在弹性地基梁单元的每一节点处，各设置在弹性地基梁单元的每一节点处，各设置一附加弹
31、性支承杆件，其刚度为：一附加弹性支承杆件，其刚度为：n(2)采用采用Winkler弹性地基梁单元，其弹性曲弹性地基梁单元，其弹性曲线的微分方程式为：线的微分方程式为：n大多数情况下，围护结构支撑体系在平面上的布置并大多数情况下，围护结构支撑体系在平面上的布置并非呈平面对称状态，平面上各支撑的内力、变形各不非呈平面对称状态，平面上各支撑的内力、变形各不相同，需要按相同，需要按平面框架平面框架进行设计计算。因此实际上，进行设计计算。因此实际上，在这种情况下支护体系是一个三维空间受力体系。为在这种情况下支护体系是一个三维空间受力体系。为简化设计计算工作量，实际设计往往将其简化为简化设计计算工作量，实
32、际设计往往将其简化为独立独立的平面支撑系统的平面支撑系统进行计算。进行计算。n在工程中将围护结构中的支撑体系在结构上设计成一在工程中将围护结构中的支撑体系在结构上设计成一个水平的封闭框架，可以提高它的整体刚度，当支撑个水平的封闭框架，可以提高它的整体刚度，当支撑是一种临时结构时，只需要满足施工阶段的各项技术是一种临时结构时，只需要满足施工阶段的各项技术参数和工况要求即可，因此在设计中可以将结构的几参数和工况要求即可，因此在设计中可以将结构的几何布置，尽可能地优化，选择受力性能良好的几何形何布置，尽可能地优化，选择受力性能良好的几何形式式 12.3.3 支撑体系平面框架的计算 力学模型和结构分析
33、方法 n基坑围护结构一般由基坑围护结构一般由围护体围护体系和支撑体系系和支撑体系两部分组成，两部分组成，严格地讲，封闭支撑体系与严格地讲，封闭支撑体系与挡土结构共同组成一空间结挡土结构共同组成一空间结构体系，二者共同承受土体构体系，二者共同承受土体的约束及荷载的作用，因此的约束及荷载的作用，因此支撑体系的水平位移包括两支撑体系的水平位移包括两部分部分:第一部分是荷载作用第一部分是荷载作用下，支撑体系的变形；第二下，支撑体系的变形；第二部分是刚体位移部分是刚体位移(包括刚体包括刚体平移及转动平移及转动)n内支撑系统由水平支撑和竖向支承两部内支撑系统由水平支撑和竖向支承两部分组成，深基坑开挖中采用
34、内支撑系统分组成，深基坑开挖中采用内支撑系统的围护方式已得到广泛的应用，特别对的围护方式已得到广泛的应用，特别对于软土地区基坑面积大、开挖深度深的于软土地区基坑面积大、开挖深度深的情况，内支撑系统由于具有无需占用基情况，内支撑系统由于具有无需占用基坑外侧地下空间资源、可提高整个围护坑外侧地下空间资源、可提高整个围护体系的整体强度和刚度以及可有效控制体系的整体强度和刚度以及可有效控制基坑变形的特点而得到了大量的应用基坑变形的特点而得到了大量的应用内支撑体系的构成n围檩、水平支撑、钢立柱和立柱桩围檩、水平支撑、钢立柱和立柱桩是内支撑体系的基本构件，是内支撑体系的基本构件，典型的内支撑系统示意图见下
35、图典型的内支撑系统示意图见下图.围檩是协调支撑和围护墙结构间受力与变形的重要受力构件，其可围檩是协调支撑和围护墙结构间受力与变形的重要受力构件，其可加强围护墙的整体性，并将其所受的水平力传递给支撑构件，加强围护墙的整体性，并将其所受的水平力传递给支撑构件，因此要求具有较好的自身刚度和较小的垂直位移。首道支撑的因此要求具有较好的自身刚度和较小的垂直位移。首道支撑的围檩应尽量兼作为围护墙的圈梁，必要时可将围护墙墙顶标高围檩应尽量兼作为围护墙的圈梁，必要时可将围护墙墙顶标高落低，如首道支撑体系的围檩不能兼作为圈梁时，应另外设置落低，如首道支撑体系的围檩不能兼作为圈梁时，应另外设置围护墙顶圈梁。圈梁作
36、用可将离散的钻孔灌注围护桩、地下连围护墙顶圈梁。圈梁作用可将离散的钻孔灌注围护桩、地下连续墙等围护墙连接起来，加强了围护墙的整体性，对减少围护续墙等围护墙连接起来，加强了围护墙的整体性，对减少围护墙顶部位移有利。墙顶部位移有利。水平支撑是平衡围护墙外侧水平作用力的主要构件，要求传力直接、水平支撑是平衡围护墙外侧水平作用力的主要构件，要求传力直接、平面刚度好而且分布均匀。平面刚度好而且分布均匀。钢立柱及立柱桩的作用是保证水平支撑的纵向稳定，加强支撑体系钢立柱及立柱桩的作用是保证水平支撑的纵向稳定，加强支撑体系的空间刚度和承受水平支撑传来的竖向荷载，要求具有较好自的空间刚度和承受水平支撑传来的竖向
37、荷载，要求具有较好自身刚度和较小垂直位移。身刚度和较小垂直位移。支撑体系n支撑体系常用型式有单层或多层平面支撑体支撑体系常用型式有单层或多层平面支撑体系和竖向斜撑体系，在实际工程中，根据具系和竖向斜撑体系，在实际工程中，根据具体情况也可以采用类似的其他形式。体情况也可以采用类似的其他形式。n平面支撑体系可以直接平衡支撑两端围护墙平面支撑体系可以直接平衡支撑两端围护墙上所收到的侧压力，其构造简单，受力明确，上所收到的侧压力，其构造简单，受力明确，使用范围广。但当支撑长度较大时，应考虑使用范围广。但当支撑长度较大时，应考虑支撑自身的支撑自身的弹性压缩以及温度应力弹性压缩以及温度应力等因素对等因素对
38、基坑位移的影响。基坑位移的影响。竖向斜撑体系竖向斜撑体系n竖向斜撑体系的作用是将围护墙所受的水平力通过斜竖向斜撑体系的作用是将围护墙所受的水平力通过斜撑传到基坑中部先浇筑好的斜撑基础上。其施工流程撑传到基坑中部先浇筑好的斜撑基础上。其施工流程是：围护墙完成后，先对基坑中部的土方采用放坡开是：围护墙完成后，先对基坑中部的土方采用放坡开挖，其后完成中部的斜撑基础，并安装斜撑，在斜撑挖，其后完成中部的斜撑基础，并安装斜撑，在斜撑的支挡作用下，再挖除基坑周边留下的土坡，并完成的支挡作用下，再挖除基坑周边留下的土坡，并完成基坑周边的主体结构。对于平面尺寸较大，形状不很基坑周边的主体结构。对于平面尺寸较大
39、，形状不很规则的基坑，采用斜支撑体系施工比较方便，也可大规则的基坑，采用斜支撑体系施工比较方便，也可大幅节省支撑材料。但墙体位移受到基坑周边土坡变形、幅节省支撑材料。但墙体位移受到基坑周边土坡变形、斜撑弹性压缩以及斜撑基础变形等多种因素的影响，斜撑弹性压缩以及斜撑基础变形等多种因素的影响，在设计计算时应给予合理考虑。此外，土方施工和支在设计计算时应给予合理考虑。此外，土方施工和支撑安装应保证对称性。撑安装应保证对称性。竖向斜撑体系竖向斜撑体系 支撑系统的设计 n支撑系统的设计应包含支撑材料的选择、支撑系统的设计应包含支撑材料的选择、结构体系的布置、支撑结构内力和变形结构体系的布置、支撑结构内力
40、和变形计算、支撑构件的强度和稳定性计算、计算、支撑构件的强度和稳定性计算、支撑构件的节点设计以及支撑结构的安支撑构件的节点设计以及支撑结构的安装和拆除装和拆除n水平支撑系统中内支撑与围檩必须形成稳定的水平支撑系统中内支撑与围檩必须形成稳定的结构体系，有可靠的连接，满足承载力、变形结构体系，有可靠的连接，满足承载力、变形和稳定性要求。和稳定性要求。n支撑系统的平面布置形式众多，从技术上，同支撑系统的平面布置形式众多，从技术上，同样的基坑工程采用多种支撑平面布置形式均是样的基坑工程采用多种支撑平面布置形式均是可行的，但可行的，但科学、合理的支撑布置形式应是兼科学、合理的支撑布置形式应是兼顾了基坑工
41、程特点、主体地下结构布置以及周顾了基坑工程特点、主体地下结构布置以及周边环境的保护要求和经济性等综合因素的和谐边环境的保护要求和经济性等综合因素的和谐统一。统一。水平支撑系统平面布置原则 n长条形基坑长条形基坑工程中，可设置以工程中，可设置以短边方向的对短边方向的对撑体系撑体系，两端可设置，两端可设置水平角撑体系水平角撑体系。n短边方向的对撑体系可根据基坑短边的长度、短边方向的对撑体系可根据基坑短边的长度、土方开挖、工期等要求采用钢支撑或者混凝土方开挖、工期等要求采用钢支撑或者混凝土支撑，两端的土支撑，两端的角撑角撑体系从基坑工程的稳定体系从基坑工程的稳定性以及控制变形角度上，宜采用性以及控制
42、变形角度上，宜采用混凝土支撑混凝土支撑的形式。的形式。n上海浦东恒大小区基坑工程，基坑形状呈狭长上海浦东恒大小区基坑工程，基坑形状呈狭长的手枪状，基坑东西方向长度较长约为的手枪状，基坑东西方向长度较长约为240m240m，西侧南北方向长度约为西侧南北方向长度约为43m43m，东侧南北方向长，东侧南北方向长度约为度约为83m83m。综合考虑工程周边环境、基坑面。综合考虑工程周边环境、基坑面积及形状、基坑开挖深度以及工期等因素，支积及形状、基坑开挖深度以及工期等因素，支撑系统采用了钢和混凝土组合支撑的形式，东撑系统采用了钢和混凝土组合支撑的形式，东侧基坑角撑结合对撑的混凝土支撑形式，西侧侧基坑角撑
43、结合对撑的混凝土支撑形式，西侧基坑采用角部混凝土支撑，短边设置钢支撑对基坑采用角部混凝土支撑，短边设置钢支撑对撑的形式。撑的形式。恒大小区东侧混凝土支撑实景 恒大小区西侧钢支撑实景 n当基坑周边紧邻保护要求较高建（构）筑物、当基坑周边紧邻保护要求较高建（构）筑物、地铁车站或隧道，对基坑工程的变形控制要求地铁车站或隧道，对基坑工程的变形控制要求较为严格时，或者基坑面积较小、两个方向的较为严格时，或者基坑面积较小、两个方向的平面尺寸大致时，或者基坑形状不规则，其他平面尺寸大致时，或者基坑形状不规则，其他形式的支撑布置有较大难度时，宜采用相互正形式的支撑布置有较大难度时，宜采用相互正交的对撑布置方式
44、。该布置型式的支撑系统具交的对撑布置方式。该布置型式的支撑系统具有支撑刚度大、传力直接以及受力清楚的特点，有支撑刚度大、传力直接以及受力清楚的特点，适合在变形控制要求高的基坑工程中应用。适合在变形控制要求高的基坑工程中应用。n上海解放日报新闻业务楼基坑地处上海市黄浦上海解放日报新闻业务楼基坑地处上海市黄浦区中心位置，基坑形状呈不规则矩形，基坑面区中心位置，基坑形状呈不规则矩形，基坑面积较小约为积较小约为2300m22300m2，开挖深度约为，开挖深度约为12m12m，基坑，基坑东侧紧邻一高层建筑物，根据本基坑的面积、东侧紧邻一高层建筑物，根据本基坑的面积、形状以及周围的环境特点，采用了抗侧刚度
45、大、形状以及周围的环境特点，采用了抗侧刚度大、可适应不规则形状的十字正交布置形式的钢筋可适应不规则形状的十字正交布置形式的钢筋混凝土支撑形式。混凝土支撑形式。n当基坑面积较大，平面形状不规则时，同时在当基坑面积较大，平面形状不规则时，同时在支撑平面中需要留设较大作业空间时，宜采用支撑平面中需要留设较大作业空间时，宜采用角部设置角撑、长边设置沿短边方向的对撑结角部设置角撑、长边设置沿短边方向的对撑结合边桁架的支撑体系。该类型支撑体系由于具合边桁架的支撑体系。该类型支撑体系由于具有较好的控制变形能力、大面积无支撑的出土有较好的控制变形能力、大面积无支撑的出土作业面以及可适应各种形状的基坑工程，同时
46、作业面以及可适应各种形状的基坑工程，同时由于支撑系统中对撑、各榀对撑之间具有较强由于支撑系统中对撑、各榀对撑之间具有较强的受力上的独立性，易于实现土方上的流水化的受力上的独立性，易于实现土方上的流水化施工，此外还具有较好的经济性，因此几乎成施工，此外还具有较好的经济性，因此几乎成为上海等软土地区首选的支撑平面布置形式，为上海等软土地区首选的支撑平面布置形式，近年来得到极为广泛的应用。近年来得到极为广泛的应用。n上海虹桥综合交通枢纽工程东交通中心、磁悬上海虹桥综合交通枢纽工程东交通中心、磁悬浮基坑工程面积巨大，地下二层区域长约浮基坑工程面积巨大，地下二层区域长约404m404m，宽约，宽约777
47、7136m136m，基坑开挖深度约，基坑开挖深度约181825m25m，基坑形状呈不规则长方形。根据基坑形状的特基坑形状呈不规则长方形。根据基坑形状的特点，采用了两端角撑中部对撑的支撑布置形式，点，采用了两端角撑中部对撑的支撑布置形式，该布置形式的支撑为流水化施工支撑和土方开该布置形式的支撑为流水化施工支撑和土方开挖创造了条件，从而大大加快了基坑工程的施挖创造了条件，从而大大加快了基坑工程的施工速度和缩短了施工工期。工速度和缩短了施工工期。上海虹桥综合交通枢纽基坑上海虹桥综合交通枢纽基坑支撑实景支撑实景 n基坑平面为规则的方形、圆形或者平面基坑平面为规则的方形、圆形或者平面虽不规则但基坑两个方
48、向的平面尺寸大虽不规则但基坑两个方向的平面尺寸大致相等，或者是为了完全避让塔楼框架致相等，或者是为了完全避让塔楼框架柱、剪力墙等竖向结构以方便施工、加柱、剪力墙等竖向结构以方便施工、加快塔楼施工工期，尤其是当塔楼竖向结快塔楼施工工期，尤其是当塔楼竖向结构采用劲性构件时，临时支撑平面应错构采用劲性构件时，临时支撑平面应错开塔楼竖向结构，以利于塔楼竖向结构开塔楼竖向结构，以利于塔楼竖向结构的施工，可采用单圆环形支撑甚至多圆的施工，可采用单圆环形支撑甚至多圆环形支撑布置方式。环形支撑布置方式。n天津响螺湾中钢大厦项目位于天津市响螺湾地区，基天津响螺湾中钢大厦项目位于天津市响螺湾地区，基坑开挖深度达到
49、坑开挖深度达到1822m1822m，基坑面积达到，基坑面积达到2 2万万m2m2，是当地，是当地规模最大的基坑工程之一。根据围护结构受力计算的规模最大的基坑工程之一。根据围护结构受力计算的需要，本工程内部需设置四道钢筋混凝土支撑体系。需要，本工程内部需设置四道钢筋混凝土支撑体系。由于平面形状不规则，采用较为传统的角撑、对撑结由于平面形状不规则，采用较为传统的角撑、对撑结合边桁架布置，需要设置大量穿越基坑内部的杆件，合边桁架布置，需要设置大量穿越基坑内部的杆件，不利于土方的开挖和地下室结构的的施工。因此结合不利于土方的开挖和地下室结构的的施工。因此结合本工程的平面形状和塔楼的分布位置，采用双半圆
50、环本工程的平面形状和塔楼的分布位置，采用双半圆环的支撑平面布置体系。双半圆环支撑形式的采用，基的支撑平面布置体系。双半圆环支撑形式的采用，基本上避开了整个塔楼区域的所有竖向构件，基坑开挖本上避开了整个塔楼区域的所有竖向构件，基坑开挖到底后，完成基础底板施工后，两个主要的地面建筑到底后，完成基础底板施工后，两个主要的地面建筑即可在不拆撑的情况下向上施工主体结构，加快整体即可在不拆撑的情况下向上施工主体结构，加快整体工期进度。工期进度。天津响螺湾中钢大厦基坑天津响螺湾中钢大厦基坑支撑平面示意图支撑平面示意图 n新华明珠深基坑支护工程采用组合结构环形内支撑的基新华明珠深基坑支护工程采用组合结构环形内