深基坑工程毛坚强新课件

深基坑工程西南交通大学土木工程学院西南交通大学土木工程学院岩土工程系岩土工程系毛坚强 2012年2月1.基坑工程综述2.基坑工程设计计算方法3.施工监测及信息化施工4.总结及展望（1）临时结构：安全储备小，风险较大。（4）综合性岩土工程问题：强度、稳定性、变形、渗流。（2）区域性和个案性较强。（3）综合性很强的系统工程：工程地质、岩土、结构、环境。（5）设计与施工需考虑时空效应。（6）与周边环境关系密切，对其影响较大。1.基坑工程综述1.1 基坑工程的特点1.2.1 按与主体结构施工的关系（建筑基坑）顺作法逆作法顺逆结合法1.2 基坑的分类及方案选择主楼先顺作，裙楼后逆作裙楼先逆作，主楼后顺作中心顺作，周边逆作 逆作法 优 点：（1）楼板成为横撑，刚度大，省材料。（2）地上、地下同时施工，缩短工期。（3）以首层楼板为施工平台，节省施工空间。缺 点：（1）技术复杂，对施工要求高。（2）逆作暗挖，作业环境差，影响结构质量。（3）与主体结构关联度大，受主体结构进度的制约。半逆作全逆作仲盛商业中心基坑（面积50000m2，深度13.3m，中心顺作，周边逆作）逆作法适用条件：（1）大面积开挖，可节省支撑。（2）基坑周边环境复杂、敏感，可控制变形。（3）施工场地紧张，节省空间。（4）工期进度要求高，缩短工期。顺逆结合实例放坡开挖（无支护）及简易支护基坑支护形式土钉墙水泥土墙排 桩地下连续墙逆作拱墙1.2.2 按支护结构形式分类地下连续墙+逆作内衬1.土钉墙支护结构 优 点（1）结构轻，柔性大，有良好的延性，抗震性能好。（2）施工设备简单，所需场地小，方便灵活，施工速度快。（3）材料用量及工程量小，工程造价低（为其他类型支护的2/34/5）。缺 点（1）基坑深度有限。（2）土层变形及沉降不易控制。适用范围 （1）地下水位以下、自稳性较好（一般黏性土、弱胶结或较密实的无黏性土）的土层；（2）埋深不很大（12m）；（3）土层变形控制的要求不严格；（4）有较宽松的施工场地。（土钉不超出红线外）分 类基本型和复合型。15m成都地铁车站基坑（基坑深度15m，土钉支护）土层变形过大造成的裂缝2.水泥土重力式围护墙（4）计算时作为刚性结构（重力式的）。（1）多用于软土，深层搅拌法或旋喷法施工。（2）通常基坑开挖深度7m。（3）墙宽0.71.0倍的基坑开挖深度，多采用格栅式布置。型钢水泥土搅拌墙水泥土中插入型钢，提高墙的强度。（SMW工法）3.排桩支护结构桩的类型板桩（钢、钢筋混凝土预制）钢筋混凝土桩（预制、现场灌注）钢筋混凝土-素混凝土咬合桩型钢水泥土搅拌墙（SMW）排桩支护结构=桩+支撑 类 型（材料和施工方法）支撑形式 内 撑外 锚预应力锚索（锚杆）锚拉桩等水平：单向、双向、桁架式竖向（立柱）竖向斜撑材 料 钢筋混凝土 钢 管 平面布置形式 优 点（1）较土钉支护适于更深的基坑，能较好地控制土层变形。（2）较地下连续墙施工工艺简单，成本低，平面布置灵活。缺 点防渗及整体性不如地下连续墙。排桩支护（地铁车站基坑，深度23m，人工挖孔桩+4道钢管内撑）排桩支护（旋挖桩+钢筋混凝土内撑+钢管内撑）双向钢管内撑的基坑成都国金中心大厦基坑（最大深度34m）排桩支护：人工挖孔桩+9道预应力锚索型钢水泥土搅拌桩拔出型钢桁架式内撑4.地下连续墙 优 点（1）刚度大，支撑能力强，基坑稳定性好，土层变形小。（2）墙身防渗性能好，坑内降水对坑外影响小。缺 点（1）废泥浆处理。（2）粉砂地层中易坍壁。（3）施工技术要求高。（3）可作为地下室的外墙，缩短工期，降低造价。形 式5.地下连续墙+逆作内衬 用于悬索桥锚碇基础的施工。先做地下连续墙，再分层逆作内衬，并开挖。地下连续墙+逆作内衬（阳逻长江大桥锚碇基坑，内径70m，开挖深度45m，墙厚1.52.5m）2.基坑工程设计计算方法2.3 土钉墙计算2.5 基坑变形计算2.1 基坑设计原则和内容2.2 基坑稳定性分析2.7 利用模型试验确定基坑的受力变形规律2.6 基坑的时空效应2.4 排桩、地下连续墙结构计算1.原 则2.规划、设计、施工、监测内容（1）满足结构强度、变形、稳定性要求，保证周围环境安全。（2）较好的技术、经济和环境效应。（3）施工方便，安全。（1）建筑场地的水文地质条件勘查及周边环境调查。（2）支护体系方案技术经济比较和选型。（3）结构设计，强度、变形、稳定性检算，土体变形验算。（4）排水、降水设计，对周边环境的影响。（5）施工方案设计。（6）监测方案设计。2.1 基坑设计原则和内容3.基坑计算的主要内容基坑稳定性整体稳定性抗隆起稳定性抗倾覆、水平滑移稳定性（重力式支护）抗渗流、承压水稳定性支护结构内 力变 形截面尺寸及配筋（钢筋混凝土）变 形地表沉降坑外土体变形坑底隆起降水和开挖引起降水和排水系统基坑计算嵌固深度（以桩、墙支护结构为例）2.2 基坑稳定性分析 两类失稳形式 （1）开挖坡度过陡、土钉长度不够、桩（墙）入土深度偏浅，无法给土体提供足够的阻力，导致整体失稳破坏。（2）支护结构强度不够，在土压力作用下发生破坏，进一步导致土体的破坏。诱 因降雨或水的渗入基坑周边堆载振 动 各类支护结构的失稳破坏形式（1）刚性挡土墙基坑入土深度不够超 载土层强度低（2）内支撑基坑超 载土软涌 砂土层强度低隆起破坏1.土体破坏（强度、渗流、变形）承压水突涌破坏管涌破坏降水设计不合理或设备失效失稳破坏分区开挖，放坡过陡（超大基坑）（3）拉锚基坑入土深度不够或超挖锚杆长度不够失稳破坏失稳破坏2.围护结构破坏（1）围护墙（桩）破坏剪切破坏弯曲破坏（2）内撑或拉锚破坏（3）墙（桩）后体变形过大导致支护结构破坏排桩支护基坑失稳破坏膨胀土基坑失稳破坏2.2.1 整体稳定性分析（1）条分法假 设：土层是刚性的，计算时只考虑力的传递，无法考虑变形。特 点：计算相对简单，但条-条之间力的传递方式过于简化。瑞典圆弧滑动法简化Bishop法力平衡法Janbu法Spencer法Morgenstern-Price法条分法圆弧滑裂面任意形状滑裂面安全系数F=滑面上的极限抵抗力自重在滑面上产生力（2）极限分析法假 设：土体是刚塑性的，应用严格的塑形理论建立计算方程。特 点：较条分法合理，但计算过程比较复杂。（3）强度折减法方 法：土体是弹塑性的，计算时不断降低土的强度参数值，使基坑失稳破坏，降低的倍数即为其安全系数。失稳判断准则：（1）塑性区贯通。（2）计算不收敛。（3）坡体位移发生突变。通常结合有限元、有限差分法计算。2.3 土钉墙计算2.3.1 土钉的受力特点（2）土钉与锚杆（1）土钉墙的受力预应力锚索（锚杆）土 钉轴向应力摩阻力轴向应力摩阻力2.3.2 土钉计算破坏形式：单个土钉从土中拔出。单根土钉所受的拉力（1）单根土钉抗拉承载力由该土钉承担的土压力 单根土钉的抗拔承载力荷载折减系数 1）土压力按基坑侧壁直立（=90o）时计算。非直立时，只有部分土压力需土钉承担，故1。2）基坑侧壁直立（=90o）时，=1。土钉锚固体与土体之间的摩阻力（kPa）建筑基坑（建）建筑基坑（冶）北京（同建）天津（注浆土钉）湖 北广 东填土1620162020301030淤泥1016101615201016淤泥质土 16202025162016202025黏性土IL1183018300.75IL13040304030402030203030400.50IL0.75 4053405040533045305040500.25IL0.55365536500.922442244408040601001500.75IL0.944644464e合算被动土压力；合算分算所以 （4）土层的力学模型仍偏于简单，通过计算得不到土层的变形情况。（1）与荷载-结构法相比，考虑了土层及结构变形特性对结构受力变形的影响，并可得到结构的变形。（5）参数m对结果影响较大，但通常没有相应的试验值，同时m也不是常数（与荷载水平有关），这会对计算结果的准确性和可靠性产生较大的影响。（5）弹性抗力法（增量法）总结 （2）可较好地模拟基坑施工过程对支护结构变形及内力的影响。（3）作用在桩（墙）背后的土压力预先确定，在计算过程中保持不变，与支护结构的变形大小无关，这与实际情况是不相符的。（6）算例成都西南电力设计院科研设计楼基坑1）概况支护结构（人工挖孔桩+2道预应力锚索）预应力锚索结构图2）支护结构350kN300kN桩径1.2m，桩间距2.5m3）计算模型（理正）层号号土土类名称名称层厚厚(m)1杂填土3.02中砂2.03卵石17.04强风化泥岩2.05中风化泥岩10.0层号层号土类名称土类名称重度重度粘聚力粘聚力内摩擦角内摩擦角m值值与锚固体摩与锚固体摩(kN/m3)(kPa)(度度)(MN/m4)擦阻力擦阻力(kPa)1杂填土18.08.010.020.020.02素填土19.010.020.020.020.03中砂18.83.015.030.050.04卵石21.08.040.090.0260.05强风化泥岩22.0-70.0150.06中风化泥岩23.0-150.0300.04）材料计算参数5）内力及变形计算结果2.4.3 有限元法等数值计算方法（1）有限单元法的基本概念“有限”是指什么？（以一根梁的计算为例）Pqq容易求解比较麻烦用解析法求解十分困难基坑支护结构计算模型，无法用解析法求解。q单 元节点1234567W1W2W3W8W有无限多个自由度已减少到8个自由度23456781解决方法：将结构离散化。原本复杂的位移曲线已被分段的线性（或2次、3次）曲线所替代，有利于计算方程的建立。刚度矩阵节点挠度节点荷载连续体（无限多个自由度）离散体（有限个自由度）。（2）求解过程1）离散化：2）利用能量原理建立求解方程3）解方程组后的到节点位移w。4）由节点位移求得各截面的弯矩、剪力等。（3）基坑工程的二维（三维）有限元计算初始应力场（自重应力）为000开挖前施做支护结构 计算原理静止土压力p0开挖后的土压力p11开挖后=+u开挖释放荷载u1开挖引起的土压力变化 p（墙前为正，墙后为负）位移场应力场土压力静止土压力p00u0=0 特 点 （1）与前2种方法相比，不需对土层、支护结构引入过多假设和作过多的简化（例如，不需预先假设土压力分布模型），因此能更好地模拟支护结构及土层的受力变形情况，并能得到支护结构、土层的全部变形、受力信息。（2）能够模拟各种复杂的基坑支护形式及施工过程，可进行空间、时间效应的分析。（3）土体力学模型及参数的合理性及准确性是计算成败的关键。所需要的土的材料参数（1）弹性模型：弹性模量、泊松比。（2）弹塑模型：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角。（4）渗透固结问题：除上述参数外，增加渗透系数。（3）其他非线性本构关系（有上百种）：相应的参数。成都地铁2号线站东广场站基坑的有限元计算有限元模型及网格划分弯矩计算结果土压力计算结果水平位移云图 桩间距3.2m时应用有限元法研究合理的桩间距桩间距2.2m时桩间土失稳2.5 基坑变形计算 （1）基坑工程正在由强度控制转向变形控制，基坑变形的确定显得尤为重要。（2）变形问题较强度问题更为复杂。基坑周围环境类型基坑变形基 坑坑外土体土 体水平位移坑底隆起支护结构水平位移竖向位移 变形类型 计算方法理论法经验法数值计算法地表及深层沉降水平变形2.5.1 支护结构的水平位移1.变形特点（1）悬臂型：基坑较浅，无横撑时。（2）抛物线型：基坑较深，单横撑时。（3）组合型：基坑深，多道横撑时。多道横撑时的水平位移常呈抛物线型，位移最大值一般在基坑底面附近，或稍偏上。（如：软土基坑，位置的平均深度为0.89H）2.确定方法弹性支点法有限元等数值计算方法经验法估算2.5.2 基坑开挖产生的地表沉降1.地表沉降产生的原因（1）基坑开挖；（2）降水。2.开挖沉降的形态及影响范围（1）凹槽形；（2）三角形。凹槽形的最大沉降的位置:（0.30.7)H。沉降影响范围:（14）H。3.利用地层损失法计算地表沉降（1）用弹性支点法等方法计算支护结构的变形曲线。（2）以地表下沉填补因支护结构变形而造成的空隙（即二者面积相等），确定地表下沉曲线。（1）三角形沉降曲线沉降范围地表最大沉降（2）指数曲线沉降范围地表最大沉降支护变形所围面积支护结构的高度2.5.3 基坑降水产生的地表沉降1.降水产生沉降的原因水位下降后地层中的有效应力增大，并产生沉降。2.沉降计算方法（1）简化计算方法（2）有限元法等数值计算方法上海环球金融中心基坑2.6 基坑的时空效应1.时间效应土的蠕变性：在应力水平不变的条件下，土的变形随时间逐渐增大。对基坑的影响：基坑变形及支护结构所受荷载随时间逐渐增大。2.空间效应基坑形状及尺寸、每步的开挖范围及深度等对基坑受力变形的影响。3.考虑时空效应的计算方法有限元等数值计算方法：（1）按空间问题计算；（2）土体采用流变模型。4.施工技术要点(1)控制每步的开挖范围和深度；(2)及时支护；(3)量测信息及时反馈。2.7 利用模型试验确定基坑的受力变形规律2.7.1 试验原理 以离心机旋转时产生的离心加速度模拟重力加速度，使计算模型的应力状态达到实际土层的应力状态。2.7.2 实 例上海自然博物馆基坑模型率：140 基坑模型支护结构水平位移外 坑内 坑3.施工监测及信息化施工3.1 基坑监测原理及方法3.1.1 监测目的（1）保证基坑安全和施工质量，并指导施工。（2）保证周围环境的安全。（3）积累数据和资料，为以后的工程服务。3.1.2 监测内容（见下页）3.1.3 监测原则（1）监测数据真实，可靠。（2）监测结果即使整理，反馈。（3）监测工作尽量不影响正常施工。支护结构桩（墙）顶部水平、竖向位移桩（墙）身水平位移立柱竖向位移桩、墙内撑、锚索土钉立柱位移内力基 坑土 体地下水位坑（坡）顶水平及竖向位移土压力坑底隆起孔隙水压力管线变形建筑：沉降、倾斜、水平位移、开裂周围环境坑外土体地表沉降深层沉降及水平位移地表裂缝基坑监测 基坑施工监测内容序号监测项目基坑级别一级二级三级1围护墙（边坡）顶部水平位移应测应测应测2围护墙（边坡）顶部竖向位移应测应测应测3深层水平位移应测应测宜测4立柱竖向位移应测宜测可测5围护墙内力宜测可测可测6支撑内力应测宜测可测7立柱内力可测可测可测8锚杆内力应测宜测可测9土钉内力宜测可测可测10坑底隆起（回弹）宜测可测可测11围护墙侧向土压力宜测可测可测12孔隙水压力宜测可测可测13地下水位应测应测应测14土体分层竖向位移宜测可测可测15周边地层竖向位移应测应测宜测16周边建筑竖向位移应测应测应测17周边建筑倾斜应测宜测可测18周边建筑水平位移应测宜测可测19周边建筑、地表的裂缝应测应测应测20周边管线变形应测应测应测建筑基坑工程监测技术规范（GB 50497-2009）监测项目3.1.5 监测仪器、元件及方法（1）桩（墙）顶、坡顶水位移仪器：全站仪。3.1.4 测点布置、监测频率（2）沉降、坑底隆起仪器：高精度水准仪。水平位移量测结果沉降量测结果（3）桩（墙）身水平位移元件：测斜管。仪器：测斜仪。原理测斜仪水平位移导轮距离倾斜角变化测斜管（4）钢筋应力元件：钢筋计。仪器：振弦式测频仪。振弦式钢筋计 振弦式元件的测试原理钢筋应力标定系数初始振动频率当前振动频率 （振弦式压力盒、轴力计、索力计、孔隙水压计等的工作原理均与此相似。）由钢筋应力整理得到的桩身弯矩分布（5）支撑内力元件：轴力计、索力计。仪器：振弦式测频仪。轴力计索力计（6）土压力元件：压力传感器。仪器：振弦式测频仪。6.孔隙水压力7.地下水位元件：孔隙水压计。元件：水位管。仪器：水位计。仪器：振弦式测频仪。压力盒孔隙水压计水位计3.2 监测结果的反馈及信息化施工3.2.1 报警值及报警（1）报警值由监测项目的累计变化量和变化速率共同控制。（2）报警值根据土质特征、设计结果及本地经验等因素确定。3.2.2 信息化施工3.2.3 利用桩（墙）水平位移的反演其所受荷载1.原理（1）桩身水平位移的组成（2）桩身水平位移的表达式（3）由最小二乘法确定土压力、支撑轴力等m为测点个数，u 为实测水平位移值。（mn，为矛盾方程）应用最小二乘法，令取最小值得到包括土压力、支撑轴力等待求量求解后得到支护桩（墙）的土压力、支撑轴力等。2.算例基坑位移量测结果荷载反演结果4 总结及展望 1.基坑的规模更大，周围的环境更为复杂，对计算、设计、施工等提出更高的要求。2.基坑的设计由强度设计转为变形控制，在设计、施工过程中充分、合理地考虑时空效应。4.有限元等数值方法是基坑计算分析最合理、有效的手段，可计算分析大型、复杂基坑工程的受力变形、基坑施工对周围环境影响、时空效应等其他方法无法解决的问题。但在力学模式、土的计算模型及材料参数等方面，尚有一些问题没有很好地得到解决。3.合理选择支护形式，对设计参数（如桩长、桩径、桩距、支撑位置、内撑或锚索预应力值的大小）进行优化设计。6.目前基坑的信息化施工尚有差距。今后现场量测的信息化、自动化水平会得到很大提高。另外，反演分析也会取得较大进展。5.特殊土（如膨胀土等）地层中基坑的设计及施工尚未很好的解决。谢 谢！