巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程

第七章基坑工程

buildingfoundationpit2023/10/71巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程本章內(nèi)容7.1概述7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算2023/10/72巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述一、基坑工程的概念基坑工程是指為挖除主體工程地下結(jié)構(gòu)所在空間的土方而需要的設(shè)施和施工作業(yè)，一般情況下包括基坑支護(hù)、降水、土方開挖和施工監(jiān)測等工程內(nèi)容。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人們對(duì)三維立體化空間的需求不斷增長，一方面城市高層建筑成為發(fā)展趨勢，建筑基坑越挖越深；另一方面，地下空間的開發(fā)利用也已成為發(fā)展方向之一。地鐵、地下商城、地下油庫和地下停車場等大型建筑物不斷增多?；庸こ桃呀?jīng)成為城市巖土工程的主要內(nèi)容之一。已出現(xiàn)了30多米埋深的地下室，各種深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，施工工藝不斷產(chǎn)生?；娱_挖與城市建設(shè)密集、地下管線眾多、建設(shè)場地狹小，周圍環(huán)境要求高等不利因素的矛盾突出，提出了許多新的問題。2023/10/73巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述二、基坑工程研究的主要內(nèi)容1.基坑支護(hù)方面①支護(hù)結(jié)構(gòu)形式②支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算③支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)④支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性驗(yàn)算2.基坑降水方面①降水方法的選擇②降水方法的設(shè)計(jì)計(jì)算③降水設(shè)計(jì)④降水方案驗(yàn)算（預(yù)測）⑤降水施工⑥降水系統(tǒng)的安裝與運(yùn)行2023/10/74巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述3.土方開挖①土方開挖方案的制定②土方開挖機(jī)械的選擇③土方施工4.基坑工程監(jiān)測與控制①監(jiān)測方法的選擇②監(jiān)測的內(nèi)容③監(jiān)測的儀器及精度要求5.基坑工程環(huán)境效應(yīng)與對(duì)策①地面沉降問題②建筑物、管線變形破壞問題2023/10/75巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述三、深基坑支護(hù)工程特點(diǎn)

1.與自然地質(zhì)及環(huán)境條件密切相關(guān)

2.與主體結(jié)構(gòu)地下室的施工密切相關(guān)，施工操作性和工期要求較高。

3.技術(shù)綜合性強(qiáng)巖土工程知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)；建筑結(jié)構(gòu)和力學(xué)知識(shí)；施工經(jīng)驗(yàn)；工程所在地的施工條件。4.設(shè)計(jì)與施工完全依賴，密不可分。2023/10/76巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述四、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型1.按結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)劃分類別特點(diǎn)常用方法及優(yōu)缺點(diǎn)被動(dòng)受力支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)依靠自身的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度被動(dòng)地承受土壓力，限制土體變形，從而保持邊坡的安全穩(wěn)定。常用的方法有多種類型的樁，支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地下連續(xù)墻等。一般是傳統(tǒng)的支護(hù)方法，在工程中采用率較高，但這種方法造價(jià)高、工期長、施工難度大，其局限性日漸突出。目前基坑支護(hù)主要是采用這種支護(hù)類型。主動(dòng)受力支護(hù)結(jié)構(gòu)是通過不同的途徑和方法提高土體的強(qiáng)度，使支護(hù)材料與土體形成共同作用體系，從而達(dá)到支護(hù)安全穩(wěn)定的目的。常用的方法有土釘支護(hù)技術(shù)，樹根樁技術(shù)及黏土地區(qū)的攪拌樁技術(shù)等。該支護(hù)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前國內(nèi)外較為流行的方法，其最大的特點(diǎn)在于其安全度較高，施工簡單方便，工期較短，造價(jià)低，噪聲污染小，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)支護(hù)方法的許多缺點(diǎn)，因此深受巖土工程界青睞，特別是最近幾年發(fā)展比較快，其中土釘技術(shù)是比較廣泛應(yīng)用的方法之一。組合結(jié)構(gòu)形式據(jù)土體力學(xué)性質(zhì)，將前兩類支護(hù)方法同時(shí)應(yīng)用于同一個(gè)基坑工程中。表現(xiàn)出具有兩種支護(hù)方法的優(yōu)點(diǎn)，在許多工程中得到了成功的應(yīng)用，表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢和潛力。2023/10/77巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述2、按開挖方式分類2023/10/78巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述3按支護(hù)結(jié)構(gòu)分類2023/10/79巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述五、選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本依據(jù)

1.基坑的形狀、平面尺寸、開挖深度和基礎(chǔ)施工要求；

2.基坑結(jié)構(gòu)所承受的各種荷載及變形等參數(shù)要求。側(cè)荷載、垂直荷載、風(fēng)、地面超載、塔吊、坡道等；

3.水文地質(zhì)、工程地質(zhì)條件：含水層、隔水層的分布，土的建筑性能，如膨脹土、收縮土、崩解土、土的水理性質(zhì)、強(qiáng)度。滯留水，可打完引出?，F(xiàn)要求基坑支護(hù)中畫流網(wǎng)圖。目前的基坑出現(xiàn)問題不僅是設(shè)計(jì)上的。如勘察基坑應(yīng)在45°+φ/2的范圍內(nèi)，但現(xiàn)在只限制在基坑內(nèi)；

4.基坑一定范圍內(nèi)的環(huán)境問題：上、下水，煤氣、預(yù)埋管道，原有地下建筑物（地道等），附近建筑物的基礎(chǔ)類型，交通流量等；

5.工期和造價(jià)；

6.場地相同單元上基坑成功及失敗教訓(xùn)。2023/10/710巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述選擇支護(hù)類型方案流程：目前國內(nèi)基坑支護(hù)類型比較多，但常用的支護(hù)類型方案主要可歸納為五種，如按其造價(jià)，選擇流程如左圖。2023/10/711巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.1概述2023/10/712巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式

7.2.1支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性狀（1）懸臂式板樁：插入土體部分視為固定端，上部為自由端；即看作懸臂梁結(jié)構(gòu)。（2）淺埋單錨式板樁：插入土體部分視為固定鉸，上部錨拉作用點(diǎn)為活動(dòng)鉸；即看作簡支梁結(jié)構(gòu)。（3）深埋單錨式板樁：插入土體部分視為固定端，上部錨拉作用點(diǎn)為活動(dòng)鉸；即看作靜不定梁結(jié)構(gòu)。（4）多層錨拉式板樁：插入土體部分視為固定端，上部各個(gè)錨拉作用點(diǎn)為活動(dòng)鉸；即看作連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。2023/10/713巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式7.2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向土壓力計(jì)算一、側(cè)土壓力的判定作用在坑底以下支護(hù)BC段上的土壓力是否會(huì)曾至被動(dòng)土壓力，取決于墻后作用的主動(dòng)土壓力大小。如果基坑開挖較深，而支護(hù)入土深度又較小，則主動(dòng)土壓力較大，為了平衡，墻前土壓力將得以充分發(fā)揮，以至BC整段均達(dá)到被動(dòng)土壓力。如基坑開挖較淺而圍護(hù)墻入土深度又相對(duì)較大，則作用在BC段的墻前土壓力將達(dá)不到被動(dòng)土壓力，或者在該段的上半部會(huì)達(dá)到而下半段則達(dá)不到。2023/10/714巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式產(chǎn)生主動(dòng)或被動(dòng)土壓力所需的墻頂位移表土類應(yīng)力狀態(tài)位移形式所需位移砂土主動(dòng)平移或繞基底轉(zhuǎn)動(dòng)0.001H被動(dòng)平移0.05H被動(dòng)繞基底轉(zhuǎn)動(dòng)0.1H粘土主動(dòng)平移或繞基底轉(zhuǎn)動(dòng)0.004H被動(dòng)－－墻位移與土壓力的關(guān)系圖剛性擋上墻上的土壓力是否達(dá)到主動(dòng)或被動(dòng)極限平衡狀態(tài)，可參考下表所示的墻頂位移來判定。2023/10/715巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程二、支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)向土壓力計(jì)算關(guān)于基坑樁墻側(cè)向土壓力計(jì)算模式很多，主要采用的有以下兩大類：（1）以Rankine、Coulomb等理論公式計(jì)算的土壓力；使用時(shí)應(yīng)注意地基土的c、φ的取值。計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮地面荷載、地面不規(guī)則幾何形狀等對(duì)樁墻側(cè)土壓力的影響。土壓力與水壓力可分開計(jì)算，也可合并計(jì)算；合并計(jì)算時(shí)地下水以下土的重度取飽和含水重度，降水后土層按稍濕狀態(tài)考慮。對(duì)于粘性土，可忽略粘聚力，適當(dāng)增加內(nèi)摩擦角來計(jì)算。（2）由土壓力計(jì)等測定換算的實(shí)測值為基礎(chǔ)的土壓力分布模型(圖示法)或側(cè)壓系數(shù)法，圖示法中采用較多的是Terzaghi-Peck所建議的土壓力分布模型法。7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式2023/10/716巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式三、規(guī)范方法（一）水平荷載的標(biāo)準(zhǔn)值

1.對(duì)于碎石土和砂土

砂土層軟-中硬土層硬黏土層土壓力計(jì)算圖（Terzaghi-Peck所建議的模型法）2023/10/717巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式(1)計(jì)算點(diǎn)位于地下水位以上時(shí)

(2)計(jì)算點(diǎn)位于地下水位以下時(shí)

式中：——第i層土主動(dòng)土壓力系數(shù)；

——作用于深度zj處豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值kN；

——計(jì)算點(diǎn)深度m；

——計(jì)算參數(shù)，當(dāng)，?。划?dāng)，?。?/p>

——基坑外側(cè)水位深度m；

——計(jì)算系數(shù)，當(dāng)時(shí)，取1；當(dāng)時(shí)，取0；

——水的重度kN/m3。2023/10/718巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式基坑支護(hù)水平荷載計(jì)算示意圖2023/10/719巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式2.對(duì)于粉土及黏性土當(dāng)按以上規(guī)定計(jì)算的基坑開挖面以上水平荷載標(biāo)淮值小于零時(shí)，應(yīng)取零。3.基坑外側(cè)豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值σajk計(jì)算

σajk=σrk+σ0k+σ1k

（1）計(jì)算點(diǎn)深度zj處自重應(yīng)力σrk(a)計(jì)算點(diǎn)位于基坑開挖面以上時(shí)

σrk=γmjzj式中γmj——深度zj以上土的加權(quán)平均重度；(b)位于開挖面以下

σrk=γhmh

式中：γhm——開挖面以上土的加權(quán)平均重度

2023/10/720巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程（2）當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)地面滿布附加荷載q0

時(shí)(見圖)，基坑外側(cè)任意深度附加豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值σ0k可按下式確定：

σ0k=q0式中q0——地面均布荷載(kN/m2)。

（3）當(dāng)距支護(hù)結(jié)構(gòu)b1外側(cè)，地表作用有寬度b0的條形附加荷載q1時(shí)，見圖?；油鈧?cè)深度CD范圍內(nèi)的附加豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值σ1k按下列式確定：

σ1k=q1b0/b0+2b1

（4）上述基坑外側(cè)附加荷載作用于地表以下一定深度時(shí)，將計(jì)算點(diǎn)深度相應(yīng)下移，其豎向應(yīng)力也可按上述規(guī)定確定。

7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式2023/10/721巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式

2023/10/722巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式（二）水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算：參照附圖水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算圖1.對(duì)砂土及碎石土，基坑內(nèi)側(cè)抗力標(biāo)準(zhǔn)值：

epjk=σpjkKpi+2cik√Kpi+(zj-hwp)(1-Kpi)γw

式中σpjk——作用于基坑底面以下深度zj處的豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；

Kpi——第i層土的被動(dòng)土壓力系數(shù)。2.對(duì)粉土及粘性土，基坑內(nèi)側(cè)水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值：

epjk=σpjkKpi+2cjk√Kpi3.作用于基坑底面以下深度zj處的豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值

σpjk=γmjzj式中γmj——深度zj以上土的加權(quán)平均天然重度(kN/m3)。

2023/10/723巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式7.2.3支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞形式1.支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞形式：

(1)支錨結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞；(2)板樁底部向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)；

(3)板樁彎曲破壞；(4)整體圓弧滑動(dòng)；(5)隆起、管涌。2023/10/724巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.2支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與破壞形式2.支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題（1）確保錨桿（支撐）的強(qiáng)度與穩(wěn)定；（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)（墻）的入土深度應(yīng)滿足要求；（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)（墻）截面尺寸、間距、抗彎強(qiáng)度夠用；（4）基坑底穩(wěn)定驗(yàn)算滿足要求。2023/10/725巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程支護(hù)板樁或樁排式擋墻是一種柔性結(jié)構(gòu)，因而允許有限的變形。主動(dòng)土壓力在0.001～0.004倍坑深的微小位移時(shí)即能發(fā)生；被動(dòng)土壓力需很大位移量（5％）才能產(chǎn)生，往往是板樁不允許的，所以被動(dòng)土壓力不能全部采用。有的只取計(jì)算結(jié)果的30％。7.3.1懸臂式板樁設(shè)計(jì)計(jì)算無支撐或錨定，完全依靠入土深度保持穩(wěn)定，適用于深度不大（＜6m）的基坑支護(hù)等臨時(shí)工程。懸臂式板樁主要是求算其入土深度和最大彎矩。7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算2023/10/726巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程

1.臂式排樁、地下連續(xù)墻嵌固深度計(jì)算參照附圖所示。嵌固深度設(shè)計(jì)值hd按下列規(guī)定確定：

hp∑Epj-1.2γ0ha∑Eai≥0式中∑Epj——樁、墻底以上基坑內(nèi)側(cè)各土層水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值epjk的合力之和；

hp——合力Epj作用點(diǎn)至樁、墻底的距離；∑Eai——樁、墻基坑底以上外側(cè)各土層水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值eajk的合力之和；ha——合力Eai作用點(diǎn)至樁、墻底距離；

γ0——建筑基坑側(cè)壁重要性系數(shù)，按安全等級(jí)，一級(jí)γ0=1；二級(jí)γ0=1.0，三級(jí)γ0=0.9。7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算2023/10/727巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算2.求最大彎矩Mmax作用點(diǎn),該點(diǎn)處結(jié)構(gòu)內(nèi)剪力為零，列方程求解或試算。3.求最大彎矩Mmax4.求板樁截面尺寸最大彎矩/允許彎曲應(yīng)力＝截面橫量（鋼板樁）鋼筋混凝土樁(試算)2023/10/728巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算(1)對(duì)于鋼板樁或鋼管樁截面橫量(2)鋼筋混凝土樁(試算)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10－89）σw-為鋼材的允許彎曲應(yīng)力2023/10/729巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算式中：M－彎矩設(shè)計(jì)值，N·mm；A－樁截面積，mm2；As－縱向鋼筋全截面積，mm2；r－樁截面圓半徑，mm；rs－鋼筋分布半徑，mm；α－反映受壓混凝土面積的角，即弓形面積對(duì)應(yīng)圓心角除以2π的值；αt－受拉鋼筋面積與縱鋼筋全面積的比值；fcm－混凝土彎曲抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，查表。樁直徑或邊長＜300mm時(shí)，乘以0.8折減，N/mm2；fy－鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。2023/10/730巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算為簡化計(jì)算，取則得計(jì)算步驟：

1.假定鉆孔樁直徑及其配筋情況，由（4）和（3）求出α與αt。

2.再由（1）式求出鉆孔樁的彎矩設(shè)計(jì)值，與板樁計(jì)算彎矩值相比K＝1.5～2。2023/10/731巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算7.3.2單錨式板樁的計(jì)算一、墻的變形與土壓力分布?jí)敳吭O(shè)有橫向支撐式拉錨，受力后有兩種可能變形：(a)“自由支座”情況(簡支梁)(b)“固定支座”情況(等值梁)2023/10/732巖土工程設(shè)計(jì)-基坑工程7.3支護(hù)板樁的設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)板樁插入土中的深度t較小時(shí)，其撓曲變形如圖（a）所示，板樁下不出現(xiàn)反彎點(diǎn)，可將板樁底端視作“自由支座”，，保證板樁的穩(wěn)定，不產(chǎn)生過大位移。當(dāng)t較大時(shí)，板樁撓曲變形為另一種情況（b），出現(xiàn)反彎點(diǎn)0，將其視為“固定支座”，用等值梁法計(jì)算。二、“自由支座”情況——視