《基礎工程》第八章-基坑工程第三節(jié)

8.4懸臂式圍護結構內力分析支護結構的強度破壞支護結構的穩(wěn)定破壞※破壞形式※支護結構上的設計規(guī)定設計依據：《建筑基坑支護技術規(guī)程》〔JGJ120-99〕設計狀態(tài)承載能力極限狀態(tài)：支護結構到達承載力破壞，錨固系統(tǒng)失效或坡體失穩(wěn)狀態(tài)；正常使用極限狀態(tài)：支護結構和邊坡的變形到達結構本身或鄰近建筑物的正常使用限值或影響耐久實用性能。平安等級根據建筑基坑工程破壞可能造成的后果，基坑工程劃分為三個平安等級。建筑基坑平安等級及重要性系數(shù)※基坑設計的主要內容支護體系的方案比較與選型；支護結構的強度、穩(wěn)定和變形計算；基坑內外土體的穩(wěn)定性驗算；地下水控制設計；施工程序設計；周邊環(huán)境保護措施；支護結構質量檢測和開挖監(jiān)控工程及報警要求。※基坑設計應具備的資料巖土工程勘察報告；建筑總平面圖、地下管線圖、地下結構平面和剖面圖；土建設計和施工對基坑支護結構的要求；鄰近建筑物和地下設施的類型、分布情況和結構質量的檢測評價。1.受力特征：※一般懸臂梁是指有固端的懸臂?！?〕固定端位置不確定，每個截面都發(fā)生位移和轉角變形?！?〕嵌入坑底以下局部作用力分布復雜。2.簡化計算原那么：〔1〕取某一單元體〔樁〕或單位長度進行內力計算；〔2〕假定構件整體失穩(wěn)，并對兩側荷載分布進行假設；〔3〕按靜定性問題處理。一、懸臂圍護結構計算簡圖3.擋土結構的實際受力：根據實測結果，其實際受力如左圖：地面坑底ABCDP1P2P3Edh(a)4.對兩側荷載的假設：〔1〕懸臂樁兩測土質均勻，荷載圖形有一定規(guī)律性。便與應用解析法求解，可以給出三種情況的計算簡圖：

①對于沙土，c=0，結構下端右側為三角形分布，如圖（a）；②同樣為沙土，c=0，但下端右側為集中力

，如圖（b）；③對于粘性土，c≠0，與圖（b）相似?？拥椎孛鍭BEhd(b)坑底地面ABEdhh0(c)〔2〕懸臂式圍護樁處于不同土層或有地下水時：一般不能直接用公式表達，可以試算求解。且認為底部右側被動土壓力為，未知量也只有，。圖8-8（a）坑底地面ABEhd圖8-8(b)xCe二、內力分析1.確定計算簡圖及計算參數(shù)：2.嵌入深度確實定：整體穩(wěn)定整體失穩(wěn)（臨界狀態(tài)）；臨界深度最小深度（穩(wěn)定）。另外要確定降水方案，以確定水壓力分布；還要看是否有地面堆載等。計算簡圖如圖8-7、圖8-8。計算原理：假定深度“d”，且主動土壓力對E點的矩符合下式：先假定一個嵌入深度d,進行試算，直到上式相等時得到的d，即為嵌入深度〔臨界深度〕d。思考：為什么在上式中沒有體現(xiàn)的作用？圖8-8（a）dE坑底地面ABEhd圖8-8(b)xCe※有效嵌入深度：現(xiàn)行計算一般將簡圖簡化為圖8-8〔b〕的形式，其中c點為主動和被動土壓力的等值點〔分界點〕，這樣實際埋深應按下式計算：（1）對于圖8-7(a)的情況，由求得d值；（2）對于圖8-7(b)、(c)的情況，由求得d值。對于土質單一的情況，可以簡化為圖8-7的形式，且：三、內力及強度計算1.當土層為非均質時，以剪應力為零的點確定最大彎矩的點，假設主、被動土壓力分別處于i、j層時，那么：由剪力Q＝0用試算法確定最大彎矩和截面位置，且彎矩為：2.當土層為均質時：①計算簡圖如圖8-7〔a〕、〔b〕的情況，且c=0，由剪力為零確定最大彎矩所處位置，因此：坑底地面ABEhy設：由上式可求得最大彎矩所在截面位置：則最大彎矩為：根據最大彎矩設計支護結構的截面(截面尺寸、配筋等)。②圖8-7〔c〕的情形：c≠0坑底地面ABEyhh0(c)由剪力為零確定最大彎矩所處位置，因此：因：那么支護的最大彎矩值：四、位移計算根本假設：先在坑底附近選一基準點O，其上段按懸臂梁計算，下段按彈性地基梁計算，那么：Ahdhph0haEPEaRa(a)計算簡圖：如〔a〕、〔b〕所示，其分別代表砂性土和粘性土。適用條件：入土較淺、底端自由支承的單錨式擋土結構。一、平衡法(自由端法)8.5單錨式圍護結構內力分析

可采用以下方法確定最小入土深度d和水平向每延米所需錨固力Ra變形方式：擋土結構在土壓力作用下繞錨固點A轉動，且底端向坑內移動，產生“踢腳”。擋土結構維持穩(wěn)定，應滿足以下條件：〔1〕所有水平力之和等于零，即：〔2〕所有水平力對錨固點A的彎矩等于零，即：Ahdhph0haEPEaRa(a)對于圖（a）的情況：hahpEPRaEa(b)由：可以求得嵌固深度d。可以求得錨固拉力Ra。由：然后由Ra并求得擋土結構內力。同理，亦可以確定嵌固深度，錨固拉力，以及擋土結構內力。其中：注意：當確定嵌固深度后，還應驗算抗滑移、抗傾覆、抗隆起和管涌等。對于圖〔b〕所示情況：附圖等值梁法基本原理※b點為彎矩反彎點(圖b)※假設在b點切開為兩段梁，并規(guī)定b點為左端梁的簡支點，那么ab段內的彎矩保持不變，簡支梁ab稱之為ac梁ab段的等值梁。

※一端固支，一端簡支的梁(圖a)補充：等值梁概念二、等值梁法1.根本原理：將板樁看成是一端嵌固另一端簡支的梁，單支撐擋墻下端為彈性嵌固時，其彎矩分布如下圖，如果在彎矩零點位置將梁斷開，以簡支梁計算梁的內力，那么其彎矩與整梁是一致的。將此斷梁稱為整梁該段的等值梁。BGhtREaEa2Ah0aDBGCuxΔxt0γ(kp-ka)x對于下端為彈性支撐的單支撐擋墻，彎矩零點位置與凈土壓力零點位置很接近，在計算時可以根據凈土壓力分布首先確定出彎矩零點位置，并在該點處將梁斷開，計算兩個相連的等值簡支梁的彎矩。將這種簡化方法稱為等值梁法。2.計算步驟①計算凈土壓力分布根據凈土壓力分布確定凈土壓力為0的B點位置，利用下式算出B點距基坑底面的距離u〔c=0，q0=0〕：②計算支撐反力Ra及剪力QB。以B點為力矩中心：

RaABBQBQBGE’phtREaEp′Ea2Ah0aDBGCuxΔxt0γ(kp-ka)x以A點為力矩中心：③計算板樁的入土深度由等值梁BG取G點的力矩平衡方程：可以求得：

板樁的最小入土深度：t0=u+x，考慮一定的富?？梢匀。簍=(1.1~1.2)t0④求出等值梁的最大彎矩根據最大彎矩處剪力為0的原理，求出等值梁上剪力為0的位置，并求出最大彎矩Mmax。8.6基坑穩(wěn)定驗算一、驗算內容

1.驗算內容：邊坡整體穩(wěn)定、抗隆起穩(wěn)定和抗?jié)B流穩(wěn)定等。2.驗算方法：邊坡整體穩(wěn)定主要是采用瑞典圓弧法以及畢肖普法．抗隆起穩(wěn)定主要采用太沙基公式，該法適于體何土質．抗?jié)B流穩(wěn)定主要是驗算管涌和流砂二、基坑抗隆起穩(wěn)定驗算1.分析目的和意義：保持基坑穩(wěn)定、控制基坑邊形雙重意義。2.分析根本要求：用承載力確定抗隆起平安系數(shù)。將基坑底作為求極限承載力的基準面，其滑動線形狀如圖示，在d深處，兩側分別作用：太沙基和普朗特爾抗隆起算法采用極限承載力公式，那么抗隆起平安系數(shù)為：Prandtl公式：Terzaghi公式：該方法適用各種土質，但采用公式不同，平安系數(shù)會有所不同。另外考慮土體側面剪應力的影響，平安系數(shù)可取小一點兒。另外，還有考慮墻體極限彎矩的抗隆起分析方法等。

1.7基坑常見問題一目前基坑工程中常見問題存在環(huán)節(jié)：1勘察：不勘察或不準確；破壞模式選擇不當。2設計：1〕對地質資料要了解清楚〔包括流砂、管涌、暗溝、洞穴、承壓水等等、軟土和特殊土分布、產狀和特征〕例如上海飽和砂土和地下防空洞，洞穴存在使樁達不到設計長度，砂土易產生流砂，影響周邊民房，產生裂縫，常用高壓注漿、旋噴樁、灌黃砂、干水泥等措施并加快施工進度。2〕查明周邊各類建筑物、地下管線的特征和使用要求；3〕選擇適宜圍護結構和支撐系統(tǒng)?？觾燃庸?、井字形支撐加腳撐、圓形和橢圓形鋼混封閉框架支撐、鋼混支撐需要養(yǎng)護，撤除需要爆破，逐漸被鋼結構支撐代替。1.7基坑常見問題3施工與管理：施工質量問題、超挖問題、施工管理問題。例如：1〕支撐結構不合理，施工質量差；如：鋼管支撐支點數(shù)量少、焊接不牢、使用多年的鋼管變形大、變薄等。2〕超挖：沒做到“開槽支撐、先撐后挖、分層〔段〕開挖、嚴禁超挖”，不支護就開挖支護結構未到達要求的強度就開挖未分層分段開挖而一挖到底等等3〕多家施工方管理協(xié)調不力；4〕層層分包，偷工減料；4監(jiān)測和應急處理：監(jiān)測取消、監(jiān)測減少、數(shù)據分析不認真、分析水平不高，不及時分析發(fā)現(xiàn)問題并及時反響；應急措施不及時、不果斷、不到位。1.7基坑常見問題一目前基坑工程中常見問題：1支護結構選型不當2實際主動土壓力值大于設計值，土壓力計算模式與地區(qū)經驗不符合?；蛘咂茐哪Ｊ奖容^特殊，應該計算滑坡推力，綜合考慮滑坡推力和土壓力等1〕雨季、漲潮、地下水管滲漏等使地下水位上升，粘聚力和內摩擦角下降基坑側土壓力增大，引起破壞；2〕場地頂部堆放建筑材料、挖出的土方堆放；超載引起變形和破壞；3〕違規(guī)作業(yè)：如挖土機離基坑太近，并且反鏟挖土，側壓力和變形加大；3防水、排水、降水措施不力：1〕時間跨度大，不做坡頂排水溝和擋水墻，不做坡頂護面和坡面防護，輕者沖刷樁間土，重者結構破壞。2〕高水位地區(qū)未做止水帷幕，基坑降水漏斗范圍內沉降破壞；3〕周邊地下管線年久失修，可能破壞滲漏，沒有提前處理；4〕止水帷幕設計未考慮地質條件和不同開挖深度，采用同一長度止水帷幕，并且未穿透砂土層。地下水滲漏，土質下降，側壓力增加地表堆載1.7基坑常見問題4錨桿失效：1〕錨桿位置不當，位置過低或抗力缺乏，引起大的變形；2〕錨桿長度不夠，不能阻擋基坑整體滑移；3〕錨固力下降：地面水下滲、水管滲漏、地下水位上升等，使地下水位上升，粘聚力和內摩擦角下降，錨固力下降；4〕地基土的凍脹，錨固力下降；5〕相鄰施工的機械振動和擠土效應使孔隙水壓力上升，有效應力下降，砂土液化，粘土觸變，錨固力下降；6〕錨頭鎖定失效和腰梁失效，錨固力下降或者喪失；5支撐結構不合理：1〕首道支撐位置太低，引起支護結構頂部變形過大；2〕支撐間距太稀，受力大而產生彎曲變形甚至斷裂；3〕支撐支點數(shù)少，連接不牢靠，支撐桿件下?lián)?，產生彎曲變形而失去支撐作用；4〕基坑尺寸大，鋼管支撐，壓彎變形，支護結構位移；1.7基坑常見問題6基坑土體穩(wěn)定性缺乏：1〕支護結構插入深度不夠，Ep不夠；2〕飽和粉細砂降水引起管涌河流砂；3〕坑底承壓水造成基坑突涌。7淤泥地基觸變：1〕飽和淤泥和軟土采用捶擊法施工擠土樁，造成擠土效應而變形或破壞；2〕飽和淤泥和軟土未采用降水，挖土和運土引起擾動，變形和破壞。8設計不合理，平安儲藏過?。?〕破壞模式選擇不當；因此側壓力計算不準確；2〕為節(jié)約過大折減主動土壓力，減少配筋，當土質不利時，變形過大或者破壞；3〕設計人員缺乏經驗，許多經驗措施，如圈梁、護面等忽略，埋下隱患。1.7基坑常見問題9施工管理水平低、施工質量差：1〕未監(jiān)測、少監(jiān)測或監(jiān)測技術落后或者不合理；2〕監(jiān)測數(shù)據分析不夠，不能及時預警和采取合理正確的措施；3〕施工時隨意變更設計，不按照設計和標準施工；4〕偷工減料，施工質量差，強度達不到要求，止水帷幕不起作用；5〕施工環(huán)節(jié)協(xié)調不力：樁和錨桿強度未達要求就開挖；超挖、一次挖到底等。10勘察結果不準確或未進行基坑勘察，破壞模式判別不準確，參數(shù)取值不準確。補充自學材料：基坑常見事故及其預防措施例題2：某單支撐板樁圍護結構如圖示，試用等值梁法計算板樁長度及板樁內力。1m9.0muEaaq=28kN/m2

c=6kPaφ=20°γ=18kN/m3xx0Ra解：①土壓力計算②u的計算③Ra、QB的計算④入土深度t的計算取t=13.0m，板樁長=10+13=23m⑤內力計算求Q=0的位置x0二常見支護方法特點與適用范圍5地下連續(xù)墻：適用條件：適用于嚴格止水要求以及各類復雜土層的支護工程；適用于任何周邊復雜環(huán)境的基坑支護工程。不宜使用條件：懸臂式地下連續(xù)墻：周邊有嚴格控制位移的建筑物、構筑物和地下管線等，不宜使用。地下連續(xù)墻與錨桿聯(lián)合使用時：以下情況不宜使用。1〕基坑周邊不允許施工錨桿；2〕錨固段只能錨固在淤泥或土質較差的軟土層中。

支護結構選型表

武漢綠地中心武漢綠地中心由主樓、裙樓和兩棟副樓組成，總建筑面積71萬平方米，其中地上52萬平方米，地下19萬平方米。主樓高606米，地上125層，地下6層。工程建成后將是華中第一、中國第二、世界第三高樓，是武漢市城市新名片?；庸こ虒嵗由疃?3-30m，基坑面積約36000m2，高速電梯井最大開挖深度40m，采用厚1200mm、深49-58m落底式地連墻加5~6道內支撐。是亞洲最深、最大的基坑工程。2011年7月31日全面開工，至2012年8月30日完成地下連續(xù)墻165幅，全長970米，工程樁完成2186根，工程攻克了地連墻“兩墻合一”施工要求高、垂直度控制達1/600、單幅地連墻最深57米、單幅最重達86噸鋼筋籠一次吊裝成功，取得了一系列科研成果，得到中國業(yè)界同行的高度認可。2013年9月22日進行第一次底板澆筑施工，意味著地下室土方開挖結束〔開挖總量約100萬m3〕。底板澆筑共5塊，總面積1.2萬平方米，約2個足球場大，共需澆筑3.8萬立方米混凝土。其中，主樓底板最厚8米，需一次性澆筑3萬立方米混凝土，是國內一次性澆筑成型面積最大的底板。底板澆筑施工完成后，將開始地下室施工，預計2017年全面完工。武漢綠地中心效果圖〔正面〕

世紀財富中心基坑支護工程位于大北窯國貿北，嘉里中心與漢威大廈之間。