基坑支護(hù)三維分析及計(jì)算資料

基坑支護(hù)三維分析及計(jì)算資料第1頁/共83頁2基坑工程的原則1.正確的設(shè)計(jì)理論是工程成功的基礎(chǔ)2.經(jīng)驗(yàn)豐富的施工單位是工程成功的關(guān)鍵3.信息化施工是工程成功的保證（1）監(jiān)測資料是信息化施工的依據(jù)（2）預(yù)測分析是信息化施工的指導(dǎo)（3）經(jīng)驗(yàn)與判斷是信息化施工的決策4.經(jīng)濟(jì)分析5.總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)(巖土工程半理論半經(jīng)驗(yàn))第2頁/共83頁3PKPM基坑支護(hù)三維分析中國建筑科學(xué)研究院PKPM軟件所第3頁/共83頁4基坑支護(hù)三維分析概要

基坑支護(hù)三維分析的優(yōu)點(diǎn)基坑支護(hù)三維分析的理論基礎(chǔ)PKPM基坑三維分析的特點(diǎn)影響基坑三維分析結(jié)果的主要因素基坑支護(hù)三維分析的過程對(duì)象是樁墻、內(nèi)支撐、立柱、錨桿所組成的空間結(jié)構(gòu)體系第4頁/共83頁5基坑支護(hù)三維分析的優(yōu)點(diǎn)在二維分析中，支護(hù)體系被人為地拆成水平面分析（內(nèi)支撐）和豎直面分析（樁、墻），只能作到點(diǎn)上的位移協(xié)調(diào)；基坑支護(hù)體系本質(zhì)上是一空間結(jié)構(gòu)，三維分析具備理論上的先進(jìn)性，可實(shí)現(xiàn)真正的位移協(xié)調(diào)；

得到更符合實(shí)際的內(nèi)力和位移計(jì)算結(jié)果，真正反映支護(hù)體系的空間效應(yīng)；構(gòu)件計(jì)算更合理，可以節(jié)省工程造價(jià)。第5頁/共83頁6基坑支護(hù)三維分析的理論基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)：樁、地下連續(xù)墻，鋼筋砼或鋼支撐梁，錨桿，鋼或砼支撐立柱形成的空間體系。荷載：土、水壓力，地面附加荷載。約束：被動(dòng)區(qū)土體。彈性支點(diǎn)法基本計(jì)算模型

計(jì)算簡圖第6頁/共83頁7PKPM基坑支護(hù)三維分析的荷載土壓力：粘性土由于透水性差，一般水土合算；而無粘性土由于透水性好，一般水土分算。合算與分算的差別演示見黑板。附加荷載：無限寬度均布荷載按荷載大小*Kai傳遞（可以理解為增加等效的土層）；有限寬度局部荷載按應(yīng)力45度擴(kuò)散方法處理，但與上海規(guī)范、浙江規(guī)范、福建規(guī)范有差別。三種水壓力：靜止水壓力，滲流水壓力1、滲流水壓力2(上海規(guī)范特有)，見黑板。第7頁/共83頁8水的工程問題無粘性土中水形成連續(xù)的分布，產(chǎn)生靜水壓力，加大了作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力。改變土的物理力學(xué)性質(zhì)，如邊坡浸水后，土的凝聚力C和內(nèi)摩擦角Fai值降低。降水后導(dǎo)致土粒間有效應(yīng)力加大，土骨架壓縮量增加，引起周邊環(huán)境不均勻沉降。第8頁/共83頁9PKPM基坑支護(hù)三維分析的約束常用的有“m”法，“K”法，“C”法，本質(zhì)上是假定被動(dòng)區(qū)土體彈性約束的剛度曲線不同

“m“法基床系數(shù)圖“K”法基床系數(shù)圖“C”法基床系數(shù)圖

C=mHC=KC=c*sqrt(H)圖中H為從開挖面算起的深度。第9頁/共83頁10PKPM基坑支護(hù)三維分析的特點(diǎn)采用彈性支點(diǎn)法，即m法；三維計(jì)算核心模塊已在PKPM的高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中廣泛運(yùn)用并通過驗(yàn)證；模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際施工過程的分步開挖和分步加撐和支撐拆除；在下一步開挖中考慮上一步所加支點(diǎn)的已有變形，從而得到符合實(shí)際的支點(diǎn)力；計(jì)算結(jié)果可靠合理，前后處理完全圖形化。第10頁/共83頁11影響基坑三維分析結(jié)果的主要因素土壓力模型朗肯土壓力規(guī)程土壓力土抗力模型

m法

k法土的特殊性質(zhì)，如軟土的流變性第11頁/共83頁12基坑支護(hù)三維分析的架構(gòu)體系

第12頁/共83頁13基坑支護(hù)三維分析的過程

前處理劃分節(jié)點(diǎn)和單元，計(jì)算單元上的荷載，歸并截面的幾何類型和材料類型，計(jì)算單元上的約束信息，形成PMSAP數(shù)據(jù)文件；計(jì)算

調(diào)用PKPM成熟的三維計(jì)算模塊PMSAP；

后處理形成各桿件的內(nèi)力、位移圖樁、墻、鋼砼構(gòu)件的配筋計(jì)算等第13頁/共83頁14與國內(nèi)其它基坑軟件的比較(1)PKPM基坑支護(hù)軟件是真三維分析，三維分析模塊的正確性已經(jīng)被多項(xiàng)結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)所驗(yàn)證，而國內(nèi)其它主流軟件的三維分析是擬三維，6個(gè)空間位移中只計(jì)算出了Ux,Uy,，不能反映內(nèi)支撐體系出平面外的穩(wěn)定問題，如下圖所示：第14頁/共83頁15與國內(nèi)其它基坑軟件的比較(2)PKPM在圖形平臺(tái)和三維建模、顯示方面有自己的特點(diǎn)，既直觀形象，又全面方便，可以最大限度地節(jié)省用戶在三維分析方面的投資。第15頁/共83頁16上海101層環(huán)球金融中心基坑第16頁/共83頁17江蘇中成建設(shè)公司基坑第17頁/共83頁18上海世博會(huì)某工程地連墻基坑第18頁/共83頁19浙江臺(tái)州某基坑(支撐梁出基坑邊線)第19頁/共83頁20寧波坤和中心地連墻加內(nèi)支撐基坑第20頁/共83頁21坤和中心實(shí)景第21頁/共83頁22PKPM排樁支護(hù)三維分析例題第22頁/共83頁23排樁體系三維位移圖第23頁/共83頁24排樁最大內(nèi)力,水平位移圖第24頁/共83頁25第

1道內(nèi)支撐彎矩剪力軸力位移圖第25頁/共83頁26第

2道內(nèi)支撐彎矩剪力軸力位移圖第26頁/共83頁27第

3道內(nèi)支撐彎矩剪力軸力位移圖第27頁/共83頁28排樁和三道支撐梁的配筋圖第28頁/共83頁29PKPM地連墻支護(hù)三維分析例題第29頁/共83頁30地連墻體系三維位移圖第30頁/共83頁31地連墻最大內(nèi)力、水平位移圖第31頁/共83頁32地連墻水平等效梁的內(nèi)力、位移圖第32頁/共83頁33第

1道內(nèi)支撐彎矩剪力軸力位移圖第33頁/共83頁34第

2道內(nèi)支撐彎矩剪力軸力位移圖第34頁/共83頁35第

3道內(nèi)支撐彎矩剪力軸力位移圖第35頁/共83頁36某槽段地下連續(xù)墻配筋圖示例第36頁/共83頁37支撐平面圖第37頁/共83頁38PKPM基坑支護(hù)規(guī)范計(jì)算*****中國建筑科學(xué)研究院PKPM軟件所第38頁/共83頁39規(guī)范計(jì)算的架構(gòu)體系第39頁/共83頁40樁(墻)結(jié)構(gòu)嵌固深度計(jì)算-懸壁樁EpEa考慮安全系數(shù)，主動(dòng)區(qū)合力Ea和被動(dòng)區(qū)合力Ep對(duì)樁底取矩平衡,計(jì)算出嵌固深度。第40頁/共83頁41樁(墻)結(jié)構(gòu)嵌固深度計(jì)算-單支點(diǎn)1、假定土壓力強(qiáng)度0點(diǎn)C為彎矩0點(diǎn)。2、對(duì)C點(diǎn)取矩，得支點(diǎn)的支點(diǎn)力3、考慮安全系數(shù)，主動(dòng)區(qū)合力Ea和被動(dòng)區(qū)合力Ep,支點(diǎn)力T1對(duì)樁底取矩平衡,計(jì)算出嵌固深度。EpEaT1第41頁/共83頁42樁(墻)結(jié)構(gòu)嵌固深度計(jì)算-多支點(diǎn)1、假定土壓力強(qiáng)度0點(diǎn)C為彎矩0點(diǎn)。2、對(duì)C點(diǎn)取矩，開挖到第2道支撐底標(biāo)高，得第1道支點(diǎn)的支點(diǎn)力，然后往下開挖到坑底，假定第1道支點(diǎn)的支點(diǎn)力不變，再對(duì)C點(diǎn)取矩，得第2道支點(diǎn)的支點(diǎn)力，以此類推…3、考慮安全系數(shù)，取C點(diǎn)以下至樁底的部分樁為研究對(duì)象，C點(diǎn)以下主動(dòng)區(qū)合力、C點(diǎn)不平衡的剪力、被動(dòng)區(qū)合力對(duì)樁底取矩平衡，計(jì)算出嵌固深度。EpEaT1T2注：此方法即等值梁法，國家規(guī)范中采用過樁墻底的圓弧滑動(dòng)法來計(jì)算嵌固深度，福建規(guī)范中不假定彎矩0點(diǎn)，對(duì)每道支點(diǎn)取矩，不平衡的土壓力就為此道支點(diǎn)受力，然后假定本道支點(diǎn)力不變，計(jì)算下一道支點(diǎn)的力。第42頁/共83頁43樁(墻)結(jié)構(gòu)抗隆起驗(yàn)算一、按墻底地基承載力隆起驗(yàn)算坑外側(cè)土體考慮自重和附加荷載，坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)區(qū)土體考慮自重和凝聚力，按地基極限承載力的原理建立計(jì)算公式。沒有考慮墻底以上土體抗剪強(qiáng)度的影響。Pu=cNc+Ga2*D*Nq>=Ga1(h0+D)+q,h0為坑底，D為嵌固深度二、繞最下一道支撐和樁墻底的圓弧滑動(dòng)隆起驗(yàn)算，考慮了墻底以上土體抗剪強(qiáng)度的影響。第43頁/共83頁44樁(墻)結(jié)構(gòu)抗傾覆驗(yàn)算K=Mrc/MocMrc-抗傾覆力矩，被動(dòng)區(qū)土壓力對(duì)最一下道支點(diǎn)中心O取矩Moc-傾覆力矩，主動(dòng)區(qū)土壓力對(duì)最一下道支點(diǎn)中心O取矩EpEa第44頁/共83頁45樁(墻)結(jié)構(gòu)抗?jié)B流驗(yàn)算K=ic/iic-坑底土的臨界水力坡度,ic=(ds-1)/(1+e)=浮容重/水容重Moc-i-坑底土的滲流水力坡降i=hw/L=坑內(nèi)外水頭差/最短滲徑第45頁/共83頁46樁(墻)結(jié)構(gòu)承壓水驗(yàn)算K=Pcz/PwyPcz-坑底至承壓水頂板間土的自重壓力(kN/m2)Pwy-承壓水頭壓力=承壓水頭高度*10(kN/m2)第46頁/共83頁47SMW工法結(jié)構(gòu)相關(guān)驗(yàn)算(1)常見截面型式型鋼入土深度確定原則1、滿足抗隆起穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算2、擋土墻的內(nèi)力位移不超過允許值3、如果要回收，可順利拔出。水泥土入土深度確定原則1、滿足抗?jié)B流穩(wěn)定、承壓水穩(wěn)定驗(yàn)算2、大于型鋼的入土深度，以包裹型鋼3、坑內(nèi)降水不能影響到坑外環(huán)境，因此要有一定的入土深度型鋼抗拔驗(yàn)算1、型鋼最大抗拔力Pm=0.7*屈服強(qiáng)度*型鋼截面積2、型鋼最大可拔出長度<=最大抗拔力/(2*單元面積摩阻力*型鋼截面周長)第47頁/共83頁48SMW工法結(jié)構(gòu)相關(guān)驗(yàn)算(2)型鋼凈距和水泥土強(qiáng)度驗(yàn)算1、型鋼凈間距的驗(yàn)算(型鋼的凈間距不能過大<=水泥土墻體厚度+型鋼高度+型鋼形心軸與截面形心軸間距離)2、若型鋼連續(xù)布置，僅需驗(yàn)算型鋼翼緣邊的水泥土抗剪強(qiáng)度（要剪斷型鋼比剪斷水泥土困難）3、若型鋼間隔布置，還需驗(yàn)算水泥土搭接處的抗剪強(qiáng)度組合剛度計(jì)算1、若型鋼全位布置，只考慮型鋼本身的剛度Ke=Eh*Ih2、若型鋼半位布置，還考慮水泥土的剛度,即計(jì)算組合截面的剛度Ke=Eh*Ih+Ec*Ic根據(jù)材料力學(xué)原理，先計(jì)算組合截面的形心軸，然后分別計(jì)算兩種材料的不同截面對(duì)此形心軸的慣性矩，與彈模相乘后再相加。型鋼抗彎抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算在計(jì)算出型鋼的內(nèi)力后，用M/W<=型鋼設(shè)計(jì)強(qiáng)度,Q/A<=型鋼抗剪強(qiáng)度來進(jìn)行驗(yàn)算第48頁/共83頁49樁(墻)結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移計(jì)算-等值梁法1、假定土壓力強(qiáng)度0點(diǎn)C為彎矩0點(diǎn)。2、對(duì)C點(diǎn)取矩，開挖到第2道支撐底標(biāo)高，得第1道支點(diǎn)的支點(diǎn)力，然后往下開挖到坑底，假定第1道支點(diǎn)的支點(diǎn)力不變，再對(duì)C點(diǎn)取矩，得第2道支點(diǎn)的支點(diǎn)力，以此類推…3、考慮安全系數(shù)，取C點(diǎn)以下至樁底的部分樁為研究對(duì)象，C點(diǎn)以下主動(dòng)區(qū)合力、C點(diǎn)不平衡的剪力、被動(dòng)區(qū)合力對(duì)樁底取矩平衡，計(jì)算出嵌固深度。EpEaT1T2第49頁/共83頁50樁(墻)結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移計(jì)算-m法有限元方程為：式中[K]pc為樁墻的剛度，[K]sa為內(nèi)支撐和錨桿的剛度，{F}為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的外荷載。{U}為待求的支護(hù)結(jié)構(gòu)位移,{U0}為加支錨時(shí)，樁墻在支錨位置處的已有位移。計(jì)算簡圖如右圖所示：第50頁/共83頁51多種方法的水土壓力圖

第51頁/共83頁52樁(墻)分步開挖的內(nèi)力圖-等值梁法等值梁法不能計(jì)算位移第52頁/共83頁53樁(墻)分步開挖的內(nèi)力圖-m法可計(jì)算位移，結(jié)果更合理第53頁/共83頁54樁(墻)支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿計(jì)算

(1)第54頁/共83頁55樁(墻)支護(hù)結(jié)構(gòu)錨桿計(jì)算

(2)第55頁/共83頁56樁(墻)支護(hù)結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算對(duì)沿周邊均勻配置縱向鋼筋的圓形截面和矩形截面的排樁和地下連續(xù)墻，其正截面受彎承載力按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

非均勻配筋的圓形截面鋼筋混凝土樁，按國家規(guī)程JGJ120-99的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，如圖所示：第56頁/共83頁57樁(墻)支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算樁（墻）結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定分析采用圓弧滑動(dòng)簡單條分法，計(jì)算簡圖如下圖所示。在基坑施工的各個(gè)工況，根據(jù)本工況的基坑開挖深度、樁墻的嵌固深度、土層參數(shù)、支點(diǎn)參數(shù)、及附加荷載等情況計(jì)算任意可能滑動(dòng)面的抗滑力矩和滑動(dòng)力矩，并找出最危險(xiǎn)滑弧，計(jì)算出最危險(xiǎn)滑弧的抗滑力矩、滑動(dòng)力矩以及二者的比值（即基坑邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)），如果整體穩(wěn)定不滿足要求，則調(diào)整上述有關(guān)參數(shù)后重新進(jìn)行計(jì)算，直到滿足為止。

第57頁/共83頁58排樁分步開挖(等值梁法)的計(jì)算書第58頁/共83頁59m法計(jì)算書第59頁/共83頁60錨桿計(jì)算書第60頁/共83頁61樁配筋計(jì)算書第61頁/共83頁62地連墻配筋計(jì)算書第62頁/共83頁63SMW工法計(jì)算第63頁/共83頁64SMW工法計(jì)算書第64頁/共83頁65基坑施工應(yīng)注意的主要問題(1)1)基坑施工前應(yīng)編制基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案，依據(jù)有關(guān)規(guī)定需要專家評(píng)審的，尚應(yīng)具有專家評(píng)審?fù)ㄟ^的書面意見。2)基坑施工前應(yīng)組織有關(guān)單位進(jìn)行基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案技術(shù)交底，明確各工序的技術(shù)要求和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。3)土方開挖應(yīng)按照設(shè)計(jì)工況分層、分段進(jìn)行，嚴(yán)禁超挖。發(fā)生異常情況時(shí)，應(yīng)立即停止挖土，并應(yīng)立即查清原因待采取相應(yīng)措施后，方可繼續(xù)開挖施工。開挖過程中，應(yīng)采取有效措施避免破壞和擾動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)、工程樁和槽底原狀土。當(dāng)采用機(jī)械開挖土方時(shí)，應(yīng)在基坑底預(yù)留150mm～300mm厚的土層，由人工挖掘修整，以保持坑底土體原狀結(jié)構(gòu)。4)基坑開挖完成后，應(yīng)及時(shí)清底驗(yàn)槽，澆注墊層封閉基坑，減少地基土暴露時(shí)間，防止暴曬或雨水浸泡而破壞地基土的原狀結(jié)構(gòu)。第65頁/共83頁66基坑施工應(yīng)注意的主要問題(2)5)做好信息化施工。基坑開挖過程中，應(yīng)對(duì)基坑支結(jié)構(gòu)及周邊建（構(gòu)）筑物進(jìn)行監(jiān)測，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，指導(dǎo)施工，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)通報(bào)相關(guān)單位，以便采取措施，防止事故發(fā)生。6)做好截排水工作?；又車孛鎽?yīng)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內(nèi)；坑壁采取排水措施，有組織地疏導(dǎo)土層中的殘留水；基坑底的滲漏水應(yīng)及時(shí)排出，避免在基坑內(nèi)長期積聚。放坡開挖時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)坡頂、坡面、坡腳采取保護(hù)措施。7)基坑周邊嚴(yán)禁超載。基坑在開挖和使用過程中，基坑周邊行車和堆載應(yīng)嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)荷載允許范圍內(nèi)，嚴(yán)禁超載。8)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)完成后，應(yīng)及時(shí)對(duì)施工肥槽進(jìn)行回填，回填采用分層夯實(shí)，以滿足設(shè)計(jì)密實(shí)度的要求。第66頁/共83頁67土釘墻的局部穩(wěn)定計(jì)算計(jì)算簡圖相關(guān)計(jì)算公式第67頁/共83頁68土釘墻的整體穩(wěn)定計(jì)算相關(guān)計(jì)算公式計(jì)算簡圖第68頁/共83頁69北京萬富大廈基坑（深18m，垂直土釘墻）第69頁/共83頁70廣州某基坑整體失穩(wěn)(2005.7)第70頁/共83頁71土釘墻的整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果第71頁/共83頁72土釘墻的計(jì)算書第72頁/共83頁73土釘墻設(shè)計(jì)方案常見問題(1)1）土釘墻或復(fù)合土釘墻支護(hù)類型應(yīng)用范圍過大。由于現(xiàn)行的基坑支護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)復(fù)合土釘?shù)膽?yīng)用范圍進(jìn)行限制，應(yīng)用范圍越來