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1、地 下 结 构 工 程 第8章 8 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 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 170m 150m 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支撑 成悬臂式结构 n当基坑较
2、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 基坑侧侧壁安全等级级及重要性系数 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 90 8 1 结构方案及选择8 1 1 结构类型 支护结 构类型及其适用范围 表3 1 结 构 形
3、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8 1板桩 图8 2
4、 组合挡土壁 图8 3 单排与双排桩支护结构 图8 4 接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 8 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
5、 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 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 8 2 支护结构上的作用 8 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8 5 悬臂支护桩土压力分布 图8 6 芝加哥深基坑土压力实测图 图8 7 柏
6、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exit n主动土压力 n被动土压力 8 2 2 地面附加荷载传至n层土底 面的竖向荷载qn n 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 8 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
7、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 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 n主动压力 静止压力 被 动压力 h 8 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 8 3 1 悬臂式支护结构 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8 10所示的计算简图 n据此简图求出嵌固深度hd n最大弯
8、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 计算简图 据此求出嵌固深度hd 配筋和挠度计算 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 8 3 2 单层支撑支护结构 设计 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
9、压力的位置 与 反弯点位置较接近 用等值梁法计算 单锚 单支支护结构 图8 15 单层支点支护结构 深度计算简图 n 3 支点力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 8 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
10、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
11、空间作用 协同分析方法 计 算内力和变形 8 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 8 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 50 0 65倍 n 5
12、 自由段计算长度 8 8 SMW nSMW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6 10m 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 8
13、9 逆作拱墙 n在基坑四周场地都允许起拱的条件下 基坑各边 长L的起拱矢高 可以采用闭合的水平 拱圈来支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 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
14、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 8 10 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 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
15、5m n圆形拱墙壁厚不应小于400mm 其他拱墙壁厚不应小于500mm 8 11 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
16、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 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
