基坑讲课内容1-二维计算.ppt

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1、基坑支护理论及软件基坑支护理论及软件 陈 伟中国建筑科学研究院PKPM软件所1力学回顾l理论力学研究的对象是刚体，静力学，运动学和动力学l材料力学研究的是单根杆件，五种外力，拉压剪扭弯，两种内力，正应力和剪应力并考虑杆件的位移和变形l结构力学研究的是变形体系的内力位移静定结构，超静定结构，力法，位移法，力矩分配法有限单元法FEM（矩阵位移法）l结构的构成要素：结构的骨架本身，荷载、约束l结构的计算要素：强度、刚度、稳定性l荷载的传递，百川归海l结构计算的本质：在荷载传递的过程中，分析清楚结构的构成要素、计算此结构整体及各组成构件的强度、刚度、稳定性2基坑工程的原则l1.正确的设计理论是工程成功

2、的基础l2.经验丰富的施工单位是工程成功的关键l3.信息化施工是工程成功的保证l（1）监测资料是信息化施工的依据l（2）预测分析是信息化施工的指导l（3）经验与判断是信息化施工的决策l4.经济分析l5.总结经验教训(岩土工程 半理论半经验)3基坑施工应注意的主要问题(1)l1)基坑施工前应编制基坑支护设计方案，依据有关规定需要专家评审的，尚应具有专家评审通过的书面意见。l2)基坑施工前应组织有关单位进行基坑支护设计方案技术交底，明确各工序的技术要求和质量标准。l3)土方开挖应按照设计工况分层、分段进行，严禁超挖。发生异常情况时，应立即停止挖土，并应立即查清原因待采取相应措施后，方可继续开挖施工

3、。开挖过程中，应采取有效措施避免破坏和扰动支护结构、工程桩和槽底原状土。当采用机械开挖土方时，应在基坑底预留150mm300mm厚的土层，由人工挖掘修整，以保持坑底土体原状结构。l4)基坑开挖完成后，应及时清底验槽，浇注垫层封闭基坑，减少地基土暴露时间，防止暴晒或雨水浸泡而破坏地基土的原状结构。4基坑施工应注意的主要问题(2)l5)做好信息化施工。基坑开挖过程中，应对基坑支结构及周边建（构）筑物进行监测，并对监测数据进行分析，指导施工，发现异常情况及时通报相关单位，以便采取措施，防止事故发生。l6)做好截排水工作。基坑周围地面应采取硬化和截排水措施，防止雨水、生活用水等地面水流入坑内；坑壁采取

4、排水措施，有组织地疏导土层中的残留水；基坑底的渗漏水应及时排出，避免在基坑内长期积聚。放坡开挖时，应及时对坡顶、坡面、坡脚采取保护措施。l7)基坑周边严禁超载。基坑在开挖和使用过程中，基坑周边行车和堆载应严格控制在设计荷载允许范围内，严禁超载。l8)基础结构完成后，应及时对施工肥槽进行回填，回填采用分层夯实，以满足设计密实度的要求。5水的工程问题l无粘性土中水形成连续的分布，产生静水压力，加大了作用在支护结构上的侧压力。l改变土的物理力学性质，如边坡浸水后，土的凝聚力C和内摩擦角Fai值降低。l降水后导致土粒间有效应力加大，土骨架压缩量增加，引起周边环境不均匀沉降。6二维规范计算的架构体系7软

5、件涵盖的标准规范l国家行业标准建筑基坑支护技术规程(JGJ120-99)l浙江省标准建筑基坑工程技术规程(J10036-2000)l上海市标准上海基坑工程设计规程(DBJ08-61-97)l深圳市标准深圳地区建筑深基坑支护技术规程(SJG05-96)l广东省标准建筑基坑支护工程技术规程（DBJ/T15-20-97)l福建省标准建筑地基基础技术规范 l北京市标准建筑基坑支护技术规程(DB11/489-2007)8桩(墙)结构嵌固深度计算-悬壁桩EpEpEaEa考虑安全系数考虑安全系数，主动区合力主动区合力EaEa和被动区合力和被动区合力EpEp对桩底取矩平衡对桩底取矩平衡,计算计算出嵌固深度。出

6、嵌固深度。9桩(墙)结构嵌固深度计算-单支点1 1、假定土压力强度、假定土压力强度0 0点点C C为弯矩为弯矩0 0点。点。2 2、对、对C C点取矩，得支点的支点力点取矩，得支点的支点力3 3、考虑安全系数、考虑安全系数，主动区合力主动区合力EaEa和被动区合力和被动区合力Ep,Ep,支点力支点力T1T1对桩底取矩平衡对桩底取矩平衡,计算计算 出嵌固深度。出嵌固深度。EpEpEaEaT1T110桩(墙)结构嵌固深度计算-多支点1 1、假定土压力强度、假定土压力强度0 0点点C C为弯矩为弯矩0 0点。点。2 2、对、对C C点取矩，开挖到第点取矩，开挖到第2 2道支撑底标高，得第道支撑底标高

7、，得第1 1道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第1 1道支点道支点 的支点力不变，再对的支点力不变，再对C C点取矩，得第点取矩，得第2 2道支点的支点力，以此类推道支点的支点力，以此类推3 3、考虑安全系数、考虑安全系数，取，取C C点以下至桩底的部分桩为研究对象，点以下至桩底的部分桩为研究对象，C C点以下点以下主动区合力、主动区合力、C C点不平衡的剪力、被动点不平衡的剪力、被动 区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。EpEpEaEaT1T1T2T2注：此方法即等值梁法，注：此方法即等值梁法，国家规范中

8、采用过桩墙国家规范中采用过桩墙底的圆弧滑动法来计算底的圆弧滑动法来计算嵌固深度，福建规范中嵌固深度，福建规范中不假定弯矩不假定弯矩0 0点，对每点，对每道支点取矩，不平衡的道支点取矩，不平衡的土压力就为此道支点受土压力就为此道支点受力，然后假定本道支点力，然后假定本道支点力不变，计算下一道支力不变，计算下一道支点的力。点的力。11桩(墙)结构抗隆起验算一、按墙底地基承载力隆起验算一、按墙底地基承载力隆起验算 坑外侧土体考虑自重和附加荷载，坑内侧被动区土体考虑自重和凝聚力，坑外侧土体考虑自重和附加荷载，坑内侧被动区土体考虑自重和凝聚力，按地基极限承载力的原理建立计算公式。没有考虑墙底以上土体抗剪

9、强度的影按地基极限承载力的原理建立计算公式。没有考虑墙底以上土体抗剪强度的影响。响。Pu=cNc+Ga2*D*Nq=Ga1(h0+D)+q,h0Pu=cNc+Ga2*D*Nq=Ga1(h0+D)+q,h0为坑底，为坑底，D D为嵌固深度为嵌固深度二、绕最下一道支撑和桩墙底的圆弧滑动隆起验算，考虑了墙底以上土体抗剪二、绕最下一道支撑和桩墙底的圆弧滑动隆起验算，考虑了墙底以上土体抗剪强度的影响。强度的影响。12桩(墙)结构抗倾覆验算K=Mrc/MocK=Mrc/MocMrc-Mrc-抗倾覆力矩，被动区土压力对最一下道支点中心抗倾覆力矩，被动区土压力对最一下道支点中心OO取矩取矩Moc-Moc-倾覆

10、力矩，最下一道支撑以下的主动区土压力对最一下倾覆力矩，最下一道支撑以下的主动区土压力对最一下 道支点中心道支点中心OO取矩取矩EpEpEaEa13桩(墙)结构抗渗流验算K=ic/iK=ic/iic-ic-坑底土的临界水力坡度坑底土的临界水力坡度,ic=(ds-1)/(1+e)=,ic=(ds-1)/(1+e)=浮容重浮容重/水容重水容重Moc-i-Moc-i-坑底土的渗流水力坡降坑底土的渗流水力坡降 i=hw/L=i=hw/L=坑内外水头差坑内外水头差/最短渗径最短渗径14桩(墙)结构承压水验算K=Pcz/PwyK=Pcz/PwyPcz-Pcz-坑底至承压水顶板间土的自重压力坑底至承压水顶板间

11、土的自重压力(kN/m2)(kN/m2)Pwy-Pwy-承压水头压力承压水头压力=承压水头高度承压水头高度*10(kN/m2)*10(kN/m2)15桩(墙)支护结构整体稳定计算桩（墙）结构的整体稳定分析采用圆弧滑动简单条分法，计算简图如下图桩（墙）结构的整体稳定分析采用圆弧滑动简单条分法，计算简图如下图所示。在基坑施工的各个工况，根据本工况的基坑开挖深度、桩墙的嵌固所示。在基坑施工的各个工况，根据本工况的基坑开挖深度、桩墙的嵌固深度、土层参数、支点参数、及附加荷载等情况计算任意可能滑动面的抗深度、土层参数、支点参数、及附加荷载等情况计算任意可能滑动面的抗滑力矩和滑动力矩，并找出最危险滑弧，计

12、算出最危险滑弧的抗滑力矩、滑力矩和滑动力矩，并找出最危险滑弧，计算出最危险滑弧的抗滑力矩、滑动力矩以及二者的比值（即基坑边坡的整体稳定安全系数），如果整体滑动力矩以及二者的比值（即基坑边坡的整体稳定安全系数），如果整体稳定不满足要求，则调整上述有关参数后重新进行计算，直到满足为止。稳定不满足要求，则调整上述有关参数后重新进行计算，直到满足为止。16桩墙体系结构计算的理论基础l结构：桩、地下连续墙，钢筋砼或钢支撑梁，锚杆，钢或砼支撑立柱形成的空间体系。l荷载：土、水压力，地面附加荷载。l约束：被动区土体。弹性支点法基本计算模型 计算简图17桩墙体系计算的荷载l土压力：粘性土由于透水性差，一般水土

13、合算；而无粘性土由于透水性好，一般水土分算。合算与分算的差别演示见黑板。l附加荷载：无限宽度均布荷载按荷载大小*Kai传递（可以理解为增加等效的土层 ）；有限宽度局部荷载按应力45度扩散方法处理，但与上海规范、浙江规范、福建规范有差别。l三种水压力：静止水压力，渗流水压力1、渗流水压力2(上海规范特有)，见黑板。18桩墙体系计算的约束l常用的有“m”法，“K”法，“C”法，本质上是假定被动区土体弹性约束的刚度曲线不同l l“m“法基床系数图 “K”法基床系数图 “C”法基床系数图l C=mH C=K C=c*sqrt(H)l图中H为从开挖面算起的深度。19PKPM基坑软件桩墙计算的特点l采用弹

14、性支点法，即m法和K法；l模拟支护结构实际施工过程的分步开挖和分步加撑和支撑拆除；l在下一步开挖中考虑上一步所加支点的已有变形，从而得到符合实际的支点力；l计算结果可靠合理，前后处理完全图形化。20影响桩墙体系计算结果的主要因素l土压力模型 朗肯土压力 规程土压力l土抗力模型 m法 k法l土的特殊性质，如软土的流变性21与国际著名分析软件的比较l国际上的结构分析程序以ANSYS为典型代表，但ANSYS是通用的有限元分析模块，并没有针对基坑的特点作专门的处理，因此在建模上没有本课题软件直观、方便；在计算上没有考虑基坑分层开挖、分步加撑、灵活拆撑等特点；在计算结果的后处理上没有与规范的内容衔接，因

15、此并没有比本软件更适合于实际基坑工程的设计计算。22桩(墙)分步开挖的内力图-等值梁法等值梁法不能计算位移等值梁法不能计算位移23桩(墙)分步开挖的内力图-m法可计算位移，结果更合理可计算位移，结果更合理24桩(墙)结构内力位移计算-等值梁法1 1、假定土压力强度、假定土压力强度0 0点点C C为弯矩为弯矩0 0点。点。2 2、对、对C C点取矩，开挖到第点取矩，开挖到第2 2道支撑底标高，得第道支撑底标高，得第1 1道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第1 1道支点道支点 的支点力不变，再对的支点力不变，再对C C点取矩，得第点取矩，得第2 2道

16、支点的支点力，以此类推道支点的支点力，以此类推3 3、考虑安全系数、考虑安全系数，取，取C C点以下至桩底的部分桩为研究对象，点以下至桩底的部分桩为研究对象，C C点以下点以下主动区合力、主动区合力、C C点不平衡的剪力、被动点不平衡的剪力、被动 区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。EpEpEaEaT1T1T2T225桩(墙)结构内力位移计算-m法有限元方程为：有限元方程为：式中Kpc为桩墙的刚度，Ksa为内支撑和锚杆的刚度，F为作用在支护结构上的外荷载。U为待求的支护结构位移,U0为加支锚时，桩墙在支锚位置处的已有位移。计算简图如右图所示：计算简图如右

17、图所示：26多种方法的水土压力图 27桩(墙)支护结构锚杆计算(1)28桩(墙)支护结构锚杆计算(2)注意注意：预应力锚杆和普通锚杆的受力是不同步的，因此预应力值应严格控制。：预应力锚杆和普通锚杆的受力是不同步的，因此预应力值应严格控制。29桩(墙)支护结构配筋计算l对沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面和矩形截面的排桩和地下连续墙，其正截面受弯承载力按现行国家标准混凝土结构设计规范的有关规定进行计算。l非均匀配筋的圆形截面钢筋混凝土桩，按国家规程JGJ120-99的有关规定进行计算，如图所示：30桩墙计算界面 31排桩分步开挖(等值梁法)的计算书32m法计算书33锚杆计算书34桩配筋计算书35地

18、连墙配筋计算书36桩墙计算中的难点l1)冠梁(压顶梁)的刚度计算；l2)内支撑体系的刚度计算，需要空间三维计算;l3)地下连续墙的横向刚度；l4)土拱效应。（水平方向刚柔结合的挡土结构，柔性挡土结构受力少于传统方法，刚性挡土结构受力多于传统方法）37SMW工法结构相关验算(1)常见截面型式常见截面型式型钢入土深度确定原则型钢入土深度确定原则1 1、满足抗隆起稳定、抗倾覆稳定验算、满足抗隆起稳定、抗倾覆稳定验算2 2、挡土墙的内力位移不超过允许值、挡土墙的内力位移不超过允许值3 3、如果要回收，可顺利拔出。、如果要回收，可顺利拔出。水泥土入土深度确定原则水泥土入土深度确定原则1 1、满足抗渗流稳

19、定、承压水稳定验算、满足抗渗流稳定、承压水稳定验算2 2、大于型钢的入土深度，以包裹型钢、大于型钢的入土深度，以包裹型钢3 3、坑内降水不能影响到坑外环境，因此、坑内降水不能影响到坑外环境，因此 要有一定的入土深度要有一定的入土深度型钢抗拔验算型钢抗拔验算1 1、型钢最大抗拔力、型钢最大抗拔力Pm=0.7*Pm=0.7*屈服强度屈服强度*型钢截面积型钢截面积2 2、型钢最大可拔出长度、型钢最大可拔出长度=最大抗拔力最大抗拔力/(2*/(2*单元面积摩阻力单元面积摩阻力*型钢截面周长型钢截面周长)38SMW工法结构相关验算(2)型钢净距和水泥土强度验算型钢净距和水泥土强度验算1 1、型钢净间距的

20、验算、型钢净间距的验算(型钢的净间距不能过大型钢的净间距不能过大=水泥土墙体厚度水泥土墙体厚度+型钢高度型钢高度+型钢形心轴型钢形心轴 与截面形心轴间距离与截面形心轴间距离)2 2、若型钢连续布置，仅需验算型钢翼缘边的水泥土抗剪强度（要剪断型钢比剪断水泥土、若型钢连续布置，仅需验算型钢翼缘边的水泥土抗剪强度（要剪断型钢比剪断水泥土 困难）困难）3 3、若型钢间隔布置，还需验算水泥土搭接处的抗剪强度、若型钢间隔布置，还需验算水泥土搭接处的抗剪强度组合刚度计算组合刚度计算1 1、若型钢全位布置，只考虑型钢本身的刚度、若型钢全位布置，只考虑型钢本身的刚度 Ke=Eh*Ih Ke=Eh*Ih2 2、若

21、型钢半位布置，还考虑水泥土的刚度、若型钢半位布置，还考虑水泥土的刚度,即计算组合截面的刚度即计算组合截面的刚度 Ke=Eh*Ih+Ec*Ic Ke=Eh*Ih+Ec*Ic 根据材料力根据材料力学原理，先计算组合截面的形心轴，然后分别计算两种材料的不同截面对此形心轴的惯性矩，与弹模学原理，先计算组合截面的形心轴，然后分别计算两种材料的不同截面对此形心轴的惯性矩，与弹模相乘后再相加。相乘后再相加。型钢抗弯抗剪强度验算型钢抗弯抗剪强度验算在计算出型钢的内力后，用在计算出型钢的内力后，用 M/W=M/W=型钢设计强度型钢设计强度,Q/A=,Q/A6mm，网眼小于200 200mm。l2)加强钢筋数量不

22、少于2根，直径不少于16mm。l3)为保护基坑边的重要建筑物，可采取局部加强。局部加强设计的位置应在边坡中部，加强段应采用预应力锚杆（索），锚杆（索）排数不宜小于两排并应设置超前花管或锚管。49土钉墙和锚喷的局部稳定计算计算简图计算简图相关计算公式相关计算公式50土钉墙和锚喷的整体稳定计算相关计算公式相关计算公式计算简图计算简图51土钉墙的地基承载力验算多用于软土地基上的土钉墙。(1)单独地基承载力验算：(fk+f)/2W式中：fk-地基承载力标准值；f-坑底地基承载力（经深度修正）w=h+q,q-地面超载(2)当地基承载力不能满足要求时，基坑侧壁应打入竖向增强体，并满足下式要求：(fk+f)

23、/2+Q/l W式中：l-坡底至基坑底角距离,l=hctg(+)/2);Q-单位宽度竖向增强体竖向总承载力；h-基坑开挖深度；-坡面角；-坑底以上土的加权容重。52土钉墙的抗滑动稳定性验算 1.50 Ea A c+W tan式中：W-土钉墙的自重(kN);Ea-作用于土钉墙的主动土压力(kN)；A-土钉墙基底面积，取宽度与计算墙长的乘积(m2)；c、-土钉墙底部土体粘聚力(kPa)与内摩擦角()。53土钉墙的倾覆验算(1)1.40 Ea ha 1/2(b0+b)W式中：W-土钉墙的自重(kN);Ea-作用于土钉墙的主动土压力(kN)；b0-土钉墙后倾距离(m)；b-土钉墙宽度(m)；ha-主动

24、土压力至土钉墙底部的力臂(m)。54土钉墙的倾覆验算(2)55土钉墙计算中的难点1)1)地表位移及沉降；地表位移及沉降；2)2)喷射混凝土面层的计算。喷射混凝土面层的计算。56北京万富大厦基坑（深18m，垂直土钉墙）57土钉墙计算界面 58土钉墙的整体稳定计算结果59土钉墙的计算书60土钉墙设计方案常见问题(1)l1）土钉墙或复合土钉墙支护类型应用范围过大。由于现行的基坑支护技术标准中没有对复合土钉的应用范围进行限制，应用范围越来越大，应用的基坑越来越深。但事实证明，土钉墙或复合土钉墙支护应用于基坑深度大、地下水丰富，并且在冬季施工时，常常发生事故。l2）面板的构造不尽合理，存在安全隐患。现行

25、的基坑支护技术标准中没有规定土钉与面板的连接方式，现场常用的L型弯头焊接做法，一些事故现场的照片证明，该种连接并不可靠，存在安全隐患，需要进一步改进。l 61土钉墙设计方案常见问题(2)l3）基坑监测方案不细，针对性不强。基坑监测方案是实现信息化施工的重要保证，基坑施工过程中不可预见的因素很多，设计方案也可能存在缺陷，通过实施监测，及时发问题，采取加固措施，避免基坑事故的发生。但是，相当多的设计方案中，基坑监测内容都是原则性的，可操作性差，有的甚至连基坑变形的控制值和预警值都不设定。62水泥土墙的计算公式-国家规程嵌固深度计算原则嵌固深度计算原则1 1、按圆弧滑动稳定计算、按圆弧滑动稳定计算2 2、满足抗渗稳定、满足抗渗稳定3 3、Hd=0.4*Hd=0.4*基坑深度基坑深度墙体厚度计算公式墙体厚度计算公式墙体正截面承载力验算公式墙体正截面承载力验算公式63水泥土墙的计算公式-其它方法还有抗倾覆验算还有抗倾覆验算地基承载力验算地基承载力验算正截面承载力验算等正截面承载力验算等64水泥土墙计算界面 65水泥土墙的计算书66钻孔的地质剖面图67各种材料的统计结果输出到Excel68施工图生成具体的施工图从图库中选择施工图种类69提供施工方案模板方案可导入Word用模板生成方案70谢 谢!Thank You!71