建筑工程施工方案验算技能培训 基坑支护工程

会计学1建筑工程施工方案验算技能培训建筑工程施工方案验算技能培训 基坑支基坑支护工程护工程支护工程第1页/共78页maxMAR第2页/共78页土压力的计算1基槽和管沟板式支护计算 2挡土板桩支护计算 3计算内容重力式挡土墙分析与计算 4第3页/共78页 1土压力的计算第4页/共78页00HK00K图1-1 静止土压力的分布 （1-1）第5页/共78页计算土压力的方法很多，最常用的是朗肯土压力理论。1）朗肯土压力计算公式的适用条件： 1. 墙背垂直且光滑 2. 挡土墙后填土表面水平 图1-2 朗肯主动土压力分布（a）主动土压力图式 （b）无粘性土压力分布 （c）粘性土压力分布（2）朗肯土压力理论第6页/共78页2）深度H处朗肯主动土压力计算公式为： 无粘性土 （1-2） 粘性土 （1-3） 式中 沿深度方向的主动土压力分布强度（kPa）； Ka朗肯主动土压力系数， 墙后填土重度（kN/m3）； c 填土的粘聚力（kPa）； 填土的内摩擦角（）； H 计算点离填土表面的距离（m）。HaaK2aaaKHc Ka20tan452aK第7页/共78页第8页/共78页 无粘性土的主动土压力计算: （1-4） 通过三角形形心，即作用在离墙底H/3处，方向水平。 粘性土的主动土压力计算 由于粘性土能够产生负向的侧向压力 ，所以墙后土压力是这两部分叠加的结果。 令 （1-5） （1-6） 212aaEH KaE2ac K0z20aaaKc K221222aaacEH KcHK 主动土压力Ea 通过三角形压力分布图abc的形心，即作用在离墙底（Hz0）/3处，方向水平。第9页/共78页3）被动土压力计算 图1-3 朗肯被动土压力分布（a） 被动土压力图式 （b）无粘性土 （c）粘性土被动土压力应力的计算公式为：无粘性土 （1-7）粘性土 p=zKp 2c （1-8）HppK PK第10页/共78页作用在墙背上的总的被动土压力大小可按梯形分布图的面积计算，即 无粘性土 （1-9） 粘性土 （1-10） 为被动土压力系数，其它符号意义同主动土压力。21E2pPH K20tan452pK 被动土压力Ep的作用方向垂直于墙背, 作用点位于三角形或梯形压力分布图的形心上，形心位置可通过一次取矩求得。21E22pPpH KcHK第11页/共78页 在推导库仑土压力计算公式时，假设墙后填土是理想的散体，即填土只有内摩擦角 而无粘聚力c，因此，从理论上说，库仑理论只适用于无粘性填土。但在实际工程中，墙后填土常采用粘性土，其粘聚力c对土压力的大小及其分布规律有重大影响。为了考虑粘性土的粘聚力c对土压力的数值的影响，建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）6.2.3-1推荐的公式采用平面滑裂面假定，得到主土压力的计算公式为： （1-11） H 挡土墙高度； 墙后填土的重度； Ka主动土压力系数，按下式计算。212aaEH K（3）建筑地基基础规范计算方法第12页/共78页具体参数的意义见该规范。第13页/共78页qh（1-12）式中 填土的重度 （kN/m3 ）。 然后以（Hh）为墙高，以H为墙背，按填土面无超载的情况计算土压力，此时墙背某深处的主、被动土压力强度为： （4）几种特殊情况下土压力的计算第14页/共78页图1-4 填土面有均布荷载的土压力计算 第15页/共78页以无粘性土（c = 0）为例，则填土面A点处的主动土压力强度为：墙底B点处的主动土压力强度为：()2aaaKhHc K（1-13）（1-14）h=qAaaaKK()aBaKhH （1-16）（1-15） 由式（1-15）、（1-16）可看出，作用在墙背面的土压力由两部分组成：一部分由均布荷载q引起，是常数，其分布与深度H无关；另一部分由土重引起，与深度H成正比。总土压力Ea即为图1-4所示的梯形ABCD的面积，其作用点在梯形的形心，可通过一次静矩求得。H2pppKc K第16页/共78页2）填土面上有局部均布荷载 当墙顶土面上建有建筑物、道路时，在墙顶地面上形成局部均布荷载q。这里采用的是一种近似方法。这时有两种荷载分布情况：第一种情况是距墙顶z处有连续均布荷载qkN/m2作用，如图1-5a所示。其主动土压力的计算，可从荷载起点O引OC直线与水平线成 角，交墙背于C点。设C点以上不考虑均布荷载的作用，其主动土压力只是由于填土的自重所引起，土压力分布如图1-5a所示。C点以下考虑均布荷载的作用，由此所引起的主动土压力强度分布图形如acde所示。作用在墙背上总主动土压力为图形ABcde面积，计算方法同前。图15 局部均布荷载作用下主动土压力计算简图0452第17页/共78页第二种情况是距墙顶 处作用 宽的均布荷载q，如图1-5b所示，其主动土压力计算可从O点引OC与水平线交于C点，先设荷载是连续分布求出主动土压力强度分布图形如ABCeg。再从局部均布荷载另一端点引直线与水平线成 角，并交墙背于D点，因只有点左侧才有连续均布荷载，右侧并不存在均布荷载，所以主动土压力强度分布图形应在ABceg中减去adfg，图1-5b中ABcefda图形面积即为作用在墙背上的总主动土压力。04521ll由规范建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）附录B，B.0.2条，距支护结构顶端 l 处作用有宽度 l1 的均布荷载时，附加侧向土压力标准值可按下式计算：式中， ehk附加侧向土压力系数标准值（KN/m2); Ka主动土压力系数； ql局部均布荷载标准值（ KN/m2）。附加侧向压力分 布见图B.0.2所示。ehkalKq第18页/共78页3）墙后填土有地下水 在挡土墙背后的填土中，常会遇到全部或部分被水淹没的情况，此时作用于墙背的土压力将有所不同。墙除受到土压力作用外，还受到水压力的作用。 计算土压力时，地下水位以上采用天然重度，地下水位以下采用浮重度计算，土压力按前述方法计算。 水对墙背产生的侧压力，取侧压力系数为1。静水压力作用方向与墙背垂直。图1-6中，静水压力按下式计算：2212wwEh（1-17）第19页/共78页从图1-6中可看出，填土中有水存在时，使主动土压力Ea减少了，但增加了静水压力，故作用于墙背的压力（包括土压力和水压力）增大了。 图1-6 填土中有地下水的土压力计算 第20页/共78页土压力的计算1基槽和管沟板式支护计算 2挡土板桩支护计算 3计算内容重力式挡土墙分析与计算 4第21页/共78页 基槽和管沟的支护有两种形式连续水平板式支护和连续垂直板式 支护。无论哪种支撑形式，在计算时，均需先计算支护结构所受到的主动土压力。 主动土压力计算 计算简图如图1-7a所示，水平挡土板与梁的作用相同，承受土的水平压力的作用，设土与挡土板间的摩擦力不计，则深度h处的主动土压力强度Pa （kN/m2）为： 式中 坑壁土的平均重度（ ） （kN/m3）； h 基坑（槽）深度（m） ； 坑壁土的平均内摩擦角（ ）（） 245tan2ahp321332211hhhhhh321332211hhhhhh（1-18） 2基槽和管沟板式支护计算 第22页/共78页图1-7 连续水平板式支撑（a）水平挡土板受力情况；（b）双层横撑立柱受力情况1水平挡土板；2立柱；3横撑木第23页/共78页 连续水平板式支撑的构造为：挡土板水平连续放置，不留间隙，然后两侧同时对称立竖楞木（立柱），上、下各顶一根横撑木，端头加木楔顶紧。这种支撑适于较松散的干土或天然湿度的粘土类土、地下水很少，深度为35m的基坑（槽）和管沟支撑。 连续水平板式支护计算的主要内容有：主动土压力 计算、挡土板的计算、立柱的计算和横撑的计算。（1）连续水平板式支护计算第24页/共78页1）挡土板的计算 挡土板的计算主要是通过计算挡土板所受最大弯矩，确定板厚。 挡土板厚度按受力最大的下面一块板计算。设深度h处的挡土板宽度为b，则主动土压力作用在该挡土板上的荷载q1 = pab。 将挡土板视作简支梁，如立柱间距为L时，则挡土板承受的最大弯矩为： 所需木挡板的截面矩W为： 式中 fm木材的抗弯强度设计值（N/mm2）。需用木挡板的厚度d为：88221maxbLpLqMamfMWmaxbWd6（1-20）（1-21）（1-19）第25页/共78页图1-7 连续水平板式支撑（a）水平挡土板受力情况；（b）双层横撑立柱受力情况1水平挡土板；2立柱；3横撑木 b挡土板的宽第26页/共78页2）立柱计算 当坑（槽）壁设两层横撑木立柱，立柱为承受三角形荷载的连续梁，按简支梁计算，并按控制跨设计其尺寸.如图1-7所示。由于立柱承受三角形荷载作用，参考相关静力计算手册，分别求出下端支点反力、上端支点反力和最大弯矩。 最大弯矩为： 当坑（槽）壁设多层横撑木（图1-8a），虽然为多跨连续梁，但简化为单跨简支梁进行计算，计算时可将各跨间梯形分布荷载简化为均布荷载qi（等于其平均值），如图中虚线所示，然后取其控制跨度求其最大弯矩： 立柱的抗弯强度验算为： mfWMmax（1-24）（1-23）（1-22）2max10.064aMp l2max3 318Mq l第27页/共78页 q3=PaL23242l3l1l23DCBA1pahq3q2q1RLb 图1-8多层横撑的立柱计算简图 （a）多层横撑支撑情况； （b）立柱承受荷载情况 1水平挡土板；2立柱；3横撑木；4木楔 支点反力可按承受相邻两跨度上各半跨的荷载计算，如图1-8b中间支点C的反力为：22233lqlqR第28页/共78页3）横撑木的计算 横撑受压，在计算时，主要验算其抗压强度，和稳定性。横撑木为承受支点反力的中心受压杆件，可按下式计算需用截面积： 式中 A0 横撑木的截面积（mm2）； R 横撑木承受的支点最大反力（N）； fc 木材顺纹抗压及承压强度设计值（N/mm2）； 横撑木的轴心受压稳定系数。 值可按木结构设计规范(GB50005-2003)5.1.4条取值：cfRA0（1-25）第29页/共78页【例】 管道沟槽深2 m，上层1 m为填土，重度1 = 17kN/m3，内摩擦角1=22，1m以下为褐黄色粘土，重度2=18.4 kN/m3，内摩擦角2=23。用连续水平板式支撑，试选择木支撑截面。木材为杉木，横撑木实际长度为l0=2.5m，木材抗弯强度设计值f m=10 N/mm2，木材顺纹抗压强度设计值f c = 10N/mm2。确定立柱的间距，并验算横撑木的稳定性。【解】 土的重度平均值，内摩擦角平均值:3N/m7 .17214 .18117内摩擦角平均值: 在沟底2m深处土的水平压力 :5 .222123122ap222kN/m8 .1525 .2245tan27 .17245tanhpa第30页/共78页水平挡土板选用75mm200mm，在2m深处的土压力作用于该木板上的荷载: 木板的截面矩为：W = 187.5 cm3，抗弯强度值 f m=10 N/mm2，所能承受的最大弯矩为：21kN/m16. 32 . 08 .15bpqa33max187.5 1010 101875MN m215.8 231.6/aqpLKN m立柱间距L按公式（1-19）求出： ,取2m。立柱下支点处主动土压力荷载 q2： mqML18. 281max立柱选用截面为15cm15cm方木，截面矩W =562.5cm3，立木fm=10 N/mm2，则立柱所能承受的弯矩，max5625MN m第31页/共78页 由式（1-23）可得横撑木间距 max13256251.670.06420.0642 31.6 10Mlmq2 131.6 1.515.833aq lRKN 为便于支撑，取1.5m，上端悬臂0.3m，下端悬臂0.2m，如图1-9a所示。 立木在三角形荷载作用下，下端支点反力： 上端支点反力：横撑木按中心受压构件计算。横撑木，fc=10N/mm2，横撑木实际长度l=l0=2.5m，初步选定截面为1010cm方木, 所以长细比:2 17.96bq lRKN912 .8610. 029. 05 . 20il第32页/共78页由木结构设计规范(GB50005-2003)5.1.4条得：横撑木轴心受压力N：36. 0652 .861165112200.36 100 100 103600036kN15.8kNcaNA fNR图1-9a 管道沟槽连续水平板式支撑1水平挡土板；2立柱；3横撑木第33页/共78页 连续垂直板式支撑的构造为：挡土板垂直放置，连续或留适当间隙，然后每侧上、下各水平顶一根方木（横垫木），再用横撑木顶紧。这种支撑适用于土质较松散或湿度很高的土、地下水较少，深度可不限的基坑（槽）和管沟支撑。 采用连续垂直板式支撑挡土时，其横垫木和横撑木的布置和计算有等距和不等距（等弯矩）两种方式 。前者挡土板按最下面受土压力最大的板跨进行计算，需要厚度大不够经济；后者板厚按等弯矩受力计算，较为合理，也是实际常用布置方式。横撑不等距布置计算 横垫木和横撑木的间距为不等距支设，随基槽、管沟深度而变化，（如图1-9b所示）随土压力增大而加密，使各跨间承受弯矩相等 。 设土压力Ea1平均分布在高度h1上，并假定垂直挡土板各跨均为简支，则h1跨单位长度的弯矩为： 2a11186mE hdMf（2）连续垂直板式支护计算第34页/共78页图1-9b 连续垂直板式不等距横支撑计算简图1垂直挡土板；2横垫木；3横撑木第35页/共78页将 代入上式得： 22110.5 tan (45)2aEh23211 tan (45)1626mdhf)245(tan67. 22231mfdh（1-26）（1-27）式中 d 垂直挡土板的厚度（cm）； 土的平均重度，取18kN/m3； 将f m、值代入（1-27）式得：21320.53tan (45)2dh（m）（1-28）第36页/共78页8888332211nanaaahEhEhEhE )(212212211hhhhhh)()(22123213hhhhhh)()(21121nnnhhh 解之得 h2=0.62h1 h3=0.52h1 h4=0.46h1 h5=0.44h1 h6=0.39h1 （1-29）第37页/共78页土压力的计算1基槽和管沟板式支护计算 2挡土板桩支护计算 3计算内容重力式挡土墙分析与计算 4第38页/共78页 3挡土板桩支护计算 第39页/共78页（1）悬臂式板桩计算第40页/共78页 图1-10 布鲁姆计算简图 （a）作用荷载图； （b）弯矩图第41页/共78页0cM 03pxP lxaE2.22ppapaxEKKxKKx3660papaPP laxxKKKK （1-30）（1-31）（1-32）第42页/共78页式中 P主动土压力、水压力的合力，kN； a P合力距地面距离，m； l l=hu； u 土压力零点距坑底的距离。b 板桩入土深度 ：u可根据净土压力零点处板桩墙前被动土压力强度与墙后主动土压力强度相等的关系求得，即得从（1-32）求得x的值，则板桩的入土深度为：而为安全起见，板桩入土深度定为：paK uKhuapaK huKKtux（1-33）（1-34）（1-35）1.2tux第43页/共78页 图1-11 布鲁姆计算曲线第44页/共78页xl323661papaPaPlKKlKK26paPmlKK布鲁姆曾作出如图1-11所示的计算曲线,可根据此计算曲线求得x。 令： 带入式（1-32）得再令 ， 将上式化简得：36paaPnlKK31mn 因为m和n只与荷载和板桩长度有关，所以比较容易确定。m和n确定后，可以从图（1-11）中将求得的m和n连一直线并延长即可求得值。则： 1.21.2tuxul（1-36）（1-38）（1-37）第45页/共78页202pamPKKx2mpaPxKK3max.6pammKKxMP lxa（1-39）（1-41）（1-40）第46页/共78页 d 选择或计算桩截面 悬臂式板桩的计算同连续水平板式支护计算，在求出最大弯矩 之后，应用公式：计算。maxM maxMfW第47页/共78页 根据板桩入土深度与基坑深度比值的大小，单锚板桩变形也不同，特别是土中部分。由此，将单锚板桩分成自由支承单锚板桩和嵌固支承单锚板桩。 自由支承单锚板桩与嵌固支承单锚板桩的计算步骤和计算内容基本相同。分述如下：1）自由支承单锚板桩的计算 板桩的上端为简支、下端为自由支承，桩前、桩后的土压力均为直线分布（如图1-12所示）。计算步骤： a 计算作用于板桩上的主动土压力和被动土压力 b 由静力平衡条件计算入土深度t及锚杆拉力RA 。（2）单锚板桩计算第48页/共78页 图1-12 自由支承的单锚板桩计算简图 （a）土压力分布图； （b）实际土压力分布图第49页/共78页0AMa22033pEEHthHthK0pAaEREK0X 21()2aaEHtK212ppEt K（1-43）（1-42）第50页/共78页p1a1()CCK hK hhaC1paK hhKK图1-14 嵌固支承板桩等值梁计算简图 （1-44）第51页/共78页0X 0M 0DM22C00p00a0112323Rhh Khh Kh)(60apCKKRh（1-46）（1-45）012 . 1 hhhCd （1-47）第52页/共78页公式1-45中运用了关于反弯点的假设，目前对于反弯点的假设主要有以下三种（根据图1-14）：假定反弯点位于土压力强度为零那一点（即图中的C 点）；假定为桩与基地相交那一点（即图中的B 点）；假定反弯点位于基地以下y处，其中y的确定与土体的标准灌入 度N有关，对于多道支撑可按简明深基坑设计施工手册 表6.4-2确定。砂质土砂质土粘性土粘性土反弯点反弯点 位置位置N20.4hT1N152N100.3hT115N3010N200.2hT1N30N200.1hT1反弯点的位置最常用的假设为第一种，这也是1-45所用的假设。第53页/共78页maxM2atan (45)0.492K2ptan (45)2.042Ka1pa0.49 82.52m2.040.49CK hhKK第54页/共78页kN94.460)52. 28(1749. 021)(21221CaahhKEkN11.11052. 21704. 22121221CpPhKE （2）求解TC1 ，RC 将板桩在C点截断，利用 ， ，计算等值梁AC的支座反力RC和支撑或锚杆反力TC1 即 0X 0MkNTThhEhhThECCCpdCCp11452.103194.46052.1052. 2311 .110)(31)(3111111apCCEERT1kN8 .2361141 .1109 .4601CpaCTEER9 .4601 .1101CCRT即第55页/共78页m34. 7)49. 004. 2(178 .2366)(60apCKKRhm32.1134. 72 . 152. 22 . 101hhhCd图1-15第56页/共78页（3）确定选用钢板桩类型由式2112aCyKT3max116aCMyKT y122 1145.23817 0.49CaTymmK求得板桩顶端y处的剪力为零，y为：15.23 17 0.49 114 5.236所以板桩所受最大弯矩为：589/KN m m设采用拉森型钢板桩， ，取折减系数0.7.334200 10/Wmmm第57页/共78页6maxmax3589/100.7 4200 10MKN m mW2200.3/ 205N mmfMPa计算许用截面板桩之后，可根据相应的产品说明书选用钢板桩。第58页/共78页(3)多支撑（锚）板桩计算 当基坑比较深、土质较差时，单支点支护结构不能满足基坑支挡的强度和稳定性要求时，可以采用多层支撑的多支点支护结构。支撑层数及位置应根据土质。基坑深度、支护结构、支撑结构和施工要求等因素确定。 （多支撑锚板桩的计算方法有：等值梁法、二分之一分担法、逐层开挖支撑（或拉锚）力不变法、弹性法和有限元法等 。可参考相关书籍，本节略）第59页/共78页图1-16第60页/共78页2()22OVxxMGqhr()Mxxd2rMx=cr1.2OVMKM21.2cKqrhrM第61页/共78页（5 ）锚桩埋设参数计算 a 拉锚长度计算 拉锚一端固定在板桩上部的围檩上，另一端固定到锚锭、锚座板上。 板墙单位长度的拉描反力，通过板墙部分的计算已可求得，则根据锚布置的间距，即可求得每一拉锚的轴力。对于拉锚则应计算其长度，拉锚长度应保证锚锭或锚座板位于它本身引起的被动土楔滑移线、板桩位移引起的主动土楔沿移线和静土楔沿移线之外，如图1-19所示的阴影区内。 拉锚的最小长度按下列两式计算，取其中大值：)245tan()245tan()(1121hhhLLLC（1-66）第62页/共78页图1-19 拉锚长度计算图tan 90oLh式中 L 拉锚最小长度； h 基坑深度;（1-67）第63页/共78页hCl对自由支承板桩，取板桩入土深度；对嵌固支承板桩，取 基坑底至反弯点的距离；hl 锚锭底端至地面的距离； b 锚桩埋深计算 锚桩埋设深度可按图1-20计算。取 ，则即化简后得 0X0122p22KKtKtTaAAapTEEaKKKTtpA2（1-69）（1-68）（1-70）第64页/共78页图1-20 锚杆拉结短桩受力图式中 t 锚桩埋设深度； K 安全系数，一般取1.5；其他符号意义同前。第65页/共78页【例】高层建筑箱形基础，深9m，周围有建筑物及道路，不能放坡开挖基坑，采用顶部有拉结灌注桩支护。地面部分地区要行走履带式吊车，土的平均内摩擦角，平均重度=18kN/m3，无地下水（图1-21），求灌注桩需埋置深度，计算所求得的TA=209.1kN，试求锚桩需埋置深度、锚接点的位置。 图1-21计算简图 第66页/共78页【解】已知Ka0.33，Kp3.0，18kN/m3,由式（1-70）得因此，锚桩埋置深度为3.7m。锚杆拉结作用点距地面距离为： 处。由式（1-71）得拉锚长度：计算桩的入土深度，根据 ，求出Ka = 0.33，Kp= 3.00。则m7 . 3)33. 05 . 10 . 3(181 .20922pAaKKKTtm5 . 27 . 33232t（1-71）tan 909 tan6015.6ooLhm 3011. 0paKK第67页/共78页 地面荷载：履带吊车在桩1.53.5 m时，可按40kN/m2计算，可求出： 25. 091840hp 查灌注桩设计表得： = 0.473 则得hd = h = 0.4739 = 4.25 m。)245tan()245tan()(1121hhhLLLC故拉锚的最小长度取15.6m。式中的hc1取灌注桩的入土深度hd。0094.25 tan 453.7tan 452214.0615.6mm第68页/共78页土压力的计算1基槽和管沟板式支护计算 2挡土板桩支护计算 3计算内容重力式挡土墙分析与计算 4第69页/共78页土压力的计算1基槽和管沟板式支护计算 2挡土板桩支护计算 3计算内容重力式挡土墙分析与计算 4第70页/共78页 6重力式挡土墙分析与计算 第71页/共78页第72页/共78页3 . 1)(tatannsGEEGK0cosGGn0sinGGt)sin(0aatEE)cos(0aanEE第73页/共78页图1-25挡土墙抗滑稳定验算示意 第74页/共78页6 . 10faxfaztzExEGxK)sin(aaxEE)cos(aazEEcotzbxf0tanbzzf第75页/共78页 图1-26挡土墙抗倾覆稳定验算示意第76页/共78页第77页/共78页