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1、地下建筑规程逆 作法技术规程JGJ1652010,福建省建筑设计研究院 曾志攀,逆作法结构设计,本书共分八章，第五章 设计 5.1 设计原则 5.2 围护结构设计 5.3 竖向结构设计 5.4 水平结构设计 5.5 地基基础设计 5.6 节点设计及构造,5.0逆作法一般流程,支护结构与主体结构全面相结合，即围护结构采用“两墙合一”的地下室连续墙，即作为基坑的围护结构又作为地下室的外墙；地下结构的水平梁板体系替代水平支撑；结构的立柱和立柱桩作为竖向支承系统。支护结构与主体结构全面相结合的总计设计方案一般采用逆作法施工，以盆式开挖为例，其一般流程为：首先施工地下连续墙、立柱和工程桩；然后周边留土、
2、基坑中部开挖第一层土；之后进行地下首层结构的施工；开挖第二层土，并施工地下一层结构的梁板；同时可根据工期上的安排接高柱子和墙板施工地上一层结构；开挖第三层土，并施工地下二层结构，同时施工地上二层结构；基坑中部开挖到底并浇筑底板，基坑周边开挖到底并施工底板，同时施工地上三层结构；施工立柱的外包混泥土及其他地下结构，完成地下结构的施工。图5.1为一个三层地下室基坑采用支护结构与主体结构相结合的典型流程。,5.1 设计原则,补充第一章 总则 1.0.1 逆作法设计与施工质量，做到安全适用、技术先进、经济合理 5.1.1宜采用极限状态法，以分项系数的设计表达式进行设计 5.1.2 1 承载能力极限状态
3、： 5.1.2 2 正常使用极限状态：,强条5.1.3：安全等级与重要性系数,5.1.3 地下建筑工程逆作法结构设计应根据结构破坏可能产生的后果，采用不同的安全等级及结构的重要性系数并应符合下列规定：,1 施工期间临时结构的安全等级和重要性系数应符合表5.1.3规定； 2 当支承结构作为永久结构时，其结构安全等级和重要性系数不得小于地下结构安全等级和重要性系数； 3 支承结构安全等级和重要性系数应按施工与使用两个阶段选用较高的结构安全等级和重要性系数；,表5.1.3 临时结构的安全等级和重要性系数,4 当地下逆作结构的部分构件只作为临时结构构件的一部分时，应按临时结构的安全等级及结构的重要性系
4、数取用。当形成最终永久结构的构件时，应按永久结构的安全等级及结构的重要性系数取用。,安全等级与重要性系数,安全等级的划分与重要性系数的确定是对逆作法工程的重要性的认识及计算参数的确定，安全等级的划分的划分是个难度很大的问题，定量说明很难。采用按逆作法基坑支护破坏的后果分为很严重、严重及不严重三种情况分别对应于三个安全等级，其重要性系数的选用与建筑结构设计统一标准相一致。,安全等级与重要性系数-2,表5.1.3 虽然给出了逆作法“临时结构的安全等级和重要性系数”，但是设计者在进行逆作法结构设计时还是很难把握这个安全等级。 建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2009 建筑地基基础工程施工质量
5、验收规范GB50202-2002 这两本规程对基坑工程进行分类，分为一、二、三级，这也是对基坑工程重要性的分类，分类的标准有定量的概念，对逆作法的安全等级分类有重要的参考价值，使用上又与现行的国标是统一的。,给出两国标的分类标准 表 基坑工程类别,5.1.4 逆作法结构设计时的荷载组合,1 抗倾覆及抗滑移时，应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合进行组合，其分项系数应为1.0。 2 当计算围护结构、水平和竖向结构承载力时，上部结构传来的荷载效应、相应的地基反力及这部分结构所直接承受的施工荷载效应应按承载力极限状态下荷载效应的基本组合进行组合，并应采用相应的分项系数。 3 基本组合的荷载分项系数
6、规定,5.1.4 逆作法结构设计时的荷载组合-2,4 裂缝宽度和变形，应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合进行组合。 5围护结构竖向沉降，施工阶段传至基础底面的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的标准组合进行组合。当围护结构作为永久结构使用时，在使用阶段传至基础底面的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合进行组合，不应计入风荷载和地震作用。 6 支撑结构的竖向沉降，传至基础底面的荷载效应应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合进行组合，不应计入风荷载和地震作用，并应按施工与使用不同阶段的荷载分别计算,5.1.4 逆作法结构设计时的荷载组合-3,7 承载力极限状态下荷载效应
7、组合，应符合现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的有关规定。,5.1.5 地下建筑工程逆作法结构设计的荷载应符合下列规定：,1 水平荷载：应包括逆作法施工阶段外围护结构所传递的水压力、主动土压力或静止土压力、坑外地面荷载的侧压力。作为永久结构的构件在使用阶段，应包括外墙结构所传递的水压力，静止土压力、坑外地面荷载的侧压力。 2 竖向荷载：应包括逆作法施工各阶段逆作法结构构件自重及施工荷载，应包括取土、运土时可能作用于逆作法结构上的荷载。作为永久结构在使用阶段的竖向荷载，应包括结构自重、 活荷载 、风荷载和地震作用引起的竖向力，作用于底板的水浮力。,5.1.6 地下建筑工程逆作法结构设计应
8、进行下列计算和验算：,1 承载能力极限状态的计算和验算： 1）围护结构的稳定性计算，包括整体滑动、抗滑移、抗倾覆稳定性； 2）降水设计计算，抗浮、抗隆起验算； 3）围护结构在施工和使用阶段受弯、受剪、受压承载力计算； 4）主体结构兼作围护结构、支撑结构时，结构承载力计算和稳定性验算。,5.1.6 -2,2 正常使用极限状态的计算和验算： 1）主体结构兼作围护结构的沉降验算； 2）竖向支撑结构的沉降计算。 3 支撑体系和围护结构的内力和变形宜采用空间作用的整体分析方法。当施工与使用阶段构件的使用条件变化时，应按最不利情况验算。,5.2 围护结构设计,5.2.1 围护结构可根据受力条件分段按平面问
9、题进行计算： 1）逆作法中地下室楼板可作为围护结构的水平支撑，楼板可视为围护结构不动铰支点； 2）当围护结构兼作地下室外墙时，围护结构与楼板处的支点可视为不动铰支点，墙外侧的土压力宜取静止土压力。 静止土压力系数 （5.2.1） 土的有效内摩擦角（）。,5.2围护结构设计-1,围护（支护）结构的内力与变形分析是基坑工程也是地下建筑逆作法工程设计中的重要内容。目前常用的分析方法主要有平面竖向弹性地基梁法。 也是本规程及基坑规程推荐的常规使用计算方法 分段按平面问题 分析原理： 平面竖向弹性地基梁法假定围护结构为平面应变问题，将围护结构看做一竖向放置的弹性地基梁，开挖面以下土体对围护结构的支撑作用
10、用弹性支座模拟，墙后土体对围护结构的作用用已知的分布力来代替。,5.2 弹性地基梁法的计算简图,图5.2.1 弹性地基梁法的计算简图,5.2 弹性地基梁法的计算简图-a,图5.2.1a 弹性地基梁法的计算简图,5.2围护结构设计-2,上图为一典型基坑开挖过程的计算简图。取围护长度为b的一段作为分析对象，列出弹性地基梁的变形微分方程。 考虑土体的分层（m值不同）及水平支撑（逆作法楼层）的设置等实际情况，需要沿竖向将弹性地基梁划分成若干单元，列出每个单元的微分方程，一般可采用杆系有限元方法求解。划分单元时，尽量考虑土层的分布、地下水位、支撑的位置、基坑的开挖深度等因素。分析多道支撑分层开挖时，根据
11、基坑开挖、支撑情况划分施工工况，按照工况的顺序进行围护（支护）结构的变形和内力计算，计算中需考虑各工况下边界条件、荷载形式等的变化，并取上一工况计算的围护结构的位移作为下一工况的初始值。,5.2围护结构设计-3,平面竖向弹性地基梁法目前已经有很多程序可以求解，国内如同济启明星深基坑支挡结构分析计算软件FRWS、北京理正深基坑支护结构设计软件，北京建研院PKPM的施工技术软件中的深基坑支护结构设计软件等均在基坑围护工程中进行了大量的应用，并取得了相当的工程经验。,5.2围护结构设计-4,荷载 围护结构的水平荷载：水、土压力 土压力采用简单的Rankine土压力理论，相对简单，应用广泛。适用于砂土
12、、黏土及成层土，还能考虑地表超载及有地下水的情况 土压力的类型与判定 按围护结构是否发生位移以及位移的方向与大小，可以将土压力区分为以下三种： 1.静止土压力 如果围护墙静止不动，即位移为零时，土体作用在墙上的土压力称为静止土压力，以Po表示。此时，墙后土体处于弹性平衡状态。例如在深基坑工程中，在基坑开挖之前，作用在墙上的土压力即为静止土压力。此外，有时因围护墙位移很小，不论墙前或墙后，均按静止土压力计算，这种简化是偏安全的。,2.主动土压力 如图5.2.2所示，围护墙在基坑开挖到达坑底设计标高后，位移仍继续增大至某一定值则土体的抗剪强度将自峰值强度降至残余强度，对于粘性土，强度降低十分显著，
13、因此此时的土压力又将增大。,3.被动土压力 在图5.2.2中，墙前坑底以下的土体，因围护墙在墙后主动土压力的推动下，产生向坑内侧的位移，推力越大，则位移越大。推力与土体对围护墙的反力相等，但方向相反。墙前土体所能承受的推力有一个极限。当推力增大达到极限平衡状态时，此时土体的反力称为被动土压力，以Pp表之。 被动土压力是在上述条件下，土体所能承受的最大推力，在图5.2.2中，作用在坑底以下围护墙BC段上的土压力是否会增大至被动土压力，取决于墙后作用的主动土压力的大小。如果基坑开挖较深，而围护墙入土深度又较小，则主动土压力较大，为了平衡，墙前土压力将得以充分发挥，以至BC整段均达到被动土压力。如基
14、坑开挖较浅而围护墙入土深度又相对较大，则作用在BC段的墙前土压力将达不到被动土压力，或者在该段的上半部会达到，而下半段则达不到。,土压力,静止土压力系数,土的有效内摩擦角（）,土压力,主动土压力系数：,土压力,被动土压力系数,荷载：围护外侧土压力的计算,1、主动土压力或静止土压力的分布模式 本规程（建筑基坑支护技术规程以后简称基坑规程）推荐的土压力的分布模式：开挖面以上按三角形分布，开挖面以下按矩形分布，如图5.2.1a所示。 2、土压力计算 1）水土合算和水土分算 水土合算采用土的饱和重度计算水土压力，不再考虑水压力的作用。 水土分算将地下水位以下的水土压力区分为有效土压力和水压力，分别计算
15、后再叠加为总的水土压力。,荷载：围护外侧土压力的计算,2）关于土压力计算是采用水土合算还是水土分算，规程规定了简单的适用条件： 对砂土、碎石土采用水土分算 1）当计算点位于地下水位以上时： （5.2.21） 2）当计算点位于地下水位以下时： （5.2.22） 对黏性土采用水土合算 （5.2.23）,式（5.2.2-2） 水土分算公式推导,（5.2.2-2）,令,水位在基坑面以上wa=1,水面以上土+水面以下土+水位下水,水土分算推导公式（5.2.2-2）的计算简图：,荷载：水压力计算,3、水压力计算 规程简单规定：直接采用静水压力计算。 条文说明：5.2.2：公式（5.2.2-3）是水土合算的
16、表达式，公式（5.2.2-1）与(5.2.2-2）是水土分算的表达式。这里的水土分算公式只适用于静水压力的情况，有渗流水压力不适用此公式。 基坑内、外双侧水位的处理 采用内力计算方法为全量法时，基坑内、外双侧同时存在的水压力不做抵消，直接与土压力结果叠加；,特殊情况下的土压力计算,在实际的基坑工程中，荷载情况千变万化，墙后往往有超载的情况，包括地表作用有均布荷载、作用有一定宽度的条形荷载、三角形荷载、距离围护结构一定距离处有与围护结构平行的条形基础或矩形基础，此外还有基坑上部放坡开挖及基坑外侧有大面积卸土等等。 规程仅列举了a),b)两种特殊荷载的计算方法，其他特殊情况土压力计算可以参考其他规程、地方标准及设计手册。 a)本规程5.2.3.2条：墙后地表作用有均布荷载； （5.2.34）,b)5.2.3.3条：墙后地表作用有一定宽度的条形荷载； （5.2.35）,这里补充一些特殊土压力的计算公式,c)三角形荷载 计算简图：,注意： 1. 1k采用条形附加荷载的计算方法，见公式（5.2.3-5
