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第12章基坑围护结构,地下建筑结构,杨志江yyteach中国矿业大学力建学院岩土工程研究所,本章内容,1,2,3,概述基坑工程的设计内容自动化监测技术在深基坑工程的应用基坑围护结构内力计算基坑稳定性验算变形计算,4,5,6,12.1概述,不仅要能保证基坑的稳定性及坑内作业的安全、方便，而且要使坑底和坑外的土体位移控制在一定范围内，确保邻近建筑物及市政设施正常使用。,80年代末，成为城市建设的新趋势之一。在建筑物稠密的城市中心，深基坑的开挖成为岩土工程的一个重要课题。,基坑围护体系，是一个土体、支护结构相互共同作用的有机体，由于周围建筑物及地下管道等因素的制约，对支护结构的安全性有了更高的要求。,12.1.1基坑围护结构的分类,桩（墙）式围护体系,组成,围护墙结构,支撑或锚杆结构,防水帷幕,钢筋混凝土地下连续墙,根据围护墙材料,柱列式钻孔灌注桩,桩（墙）式围护体系,重力式围护体系,桩（墙）式围护体系,钢板桩,钢筋混凝土板桩,内支撑体系,根据支撑方式,土层锚杆体系,12.1.1基坑围护结构的分类,地下连续墙,上海地铁新客站车站的长度为202米，净宽22.6米，基坑开挖深度12.4米，地下墙深为20.5米，壁厚65厘米，支撑采用直径580毫米钢支撑两道，分别设在-3.60米和-9.10米处，支撑水平间距3米。基坑施工时在墙外辅以轻型井点降水，车站结构分两层，上层为站厅，下层为站台，底板下设倒滤层，以减少底板反力。在基坑施工过程中，进行了原位量测，量测的内容有地下墙的侧压力、地下墙的变位、地下墙的内力、支撑轴力、基坑隆起、墙外地层变位及孔隙水压、底板反力及钢筋应力等。,延安东路隧道暗埋段106号地下墙基坑工程，平面呈Y型，地处闹市区，邻近建筑物离基坑最近的仅6.4米。基坑跨度20米，基坑开挖深度最深12米，地下墙深度2022米，墙厚65厘米。基坑开挖时，采用4道支撑，分别设在-1.0米、-3.5米、-6.0米、-8.5米处。基坑开挖中，对墙体位移、支撑轴力和地表沉降监测，结果表明，第一道支撑轴力最小，第二道支撑轴力为640千牛，第三、四道支撑轴力为750千牛，墙体水平变位最大值为5厘米，约为开挖深度的0.5%，地表沉降最大值为12厘米，约为开挖深度的0.10.2%左右，安全系数高。,12.1.1基坑围护结构的分类,钻孔灌注桩,钻孔灌注桩作为围护结构承受水土压力，是深基坑开挖常用的一种围护形式，根据不同的地质条件和开挖深度可做成悬臂式挡墙、单撑式挡墙、多层支撑式挡墙等。它的排列形式有一字形相接排列、间隔排列、交错相接排列、搭接排列、或是混合排列，常见的排列方式是一字板间隔排列，并在桩后采用水泥土搅拌桩、旋喷桩、树根桩等阻水。,这样的结构形式较为经济，阻水效果较好。大部分开挖深度在712米左右的深基坑，采用钻孔灌注桩挡土，水泥土搅拌桩阻水，普遍获得成功。,12.1.1基坑围护结构的分类,重力式围护体系,重力式围护体系一般是指不用支撑及锚杆的自立式墙体结构，厚度相对较大，主要借助其自重、墙底与地基之间的摩擦力以及墙体在开挖面以下收到的土体被动抗力来平衡墙后的水压力和维持边坡稳定。在基坑工程中，重力式围护体系的墙体在开挖面以下往往需要有一定的埋入深度。,12.1.1基坑围护结构的分类,重力式搅拌桩挡墙,在软粘土地基中开挖深度为57米左右的基坑，应用深层搅拌法形成的水泥土桩挡墙，可以较充分利用水泥土的强度，并可利用水泥土防渗性能，同时作为防渗帷幕。因此，具有较好的经济效益和社会效益。水泥土重力式挡墙一般做成格栅形式，按重力式挡墙计算。广泛用于开挖深度7米以内的深基坑围护结构、管道沟支护结构、河道支护结构、地下人行道等。,8090年代，水泥土搅拌桩支挡结构得到了广泛应用和进一步发展，已有数百项工程采用这一技术。由于施工时无振动、无噪音、无污染、开挖基坑一般不需要井点降水，也不需要支撑和拉锚，基坑内整洁干燥，有利文明施工。基坑周围地基变形小，对周围环境影响小，因此受到普遍欢迎。,12.1.1基坑围护结构的分类,重力式搅拌桩挡墙,1981年，宝钢纬三路P-5污水处理站是上海地区利用深层搅拌法作为挡土结构的先导。1983年，上海市人防科研所、同济大学地下工程系等单位在市科委的支持下，提出了“水泥土搅拌桩侧向支护应用技术研究”的课题，结合四平路地下车库深基坑开挖进行试验研究。,该基坑的实际开挖面积为86米49米，开挖深度5.75米，局部深度6.75米。经过对水泥搅拌桩的物理力学特性、影响水泥土抗压强度的各种因素（水泥掺入比、水泥标号、龄期及养护条件等），对水泥土的无侧限抗压强度、抗剪强度、渗透系数等进行了试验研究，获得了许多第一手资料，经过实际开挖，顺利完成了研究任务。,得出结论为：在场地容许下，开挖深度不大于7.0米的基坑，在满足支护体和机械操作所需要的场地面积条件下，不论何种土质条件，只要精心设计（包括支护结构设计和材料配合比设计），严格施工，确保施工质量，采用水泥土搅拌桩进行边坡支护都是可以取得成功的。,12.1.2基坑围护结构设计的特点,外力的不确定性,作用在支护结构上的外力往往随着环境条件、施工方法和施工步骤等因素的变化而变化,变形的不确定性,变形控制是支护结构设计的关键,产生变形的原因,围护墙体的刚度,支撑（或锚杆）体系的布置,构件的截面特性,地基土的性质,地下水的变化,潜蚀和管涌,施工质量,现场管理水平,12.1.2基坑围护结构设计的特点,土性的不确定性,地层分布的非均质性和土性的变异性。,一些偶然变化所引起的不确定因素,施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素都会影响基坑工程的正常施工和使用。,12.2基坑工程的设计内容,环境调查及基坑安全等级的确定,围护结构选型,围护结构设计计算,围护结构稳定性验算,节点设计,井点降水,土方开挖方案,监测要求,建筑基坑围护结构的设计一般包括以下内容,12.2.1环境调查及基坑安全等级的确定,工程水文地质资料,基坑工程围护设计中，首先应根据基坑的深度、地质条件以及周边环境条件确定基坑的安全等级,基坑围护结构设计所需要的基本资料,场地环境条件资料,所建工程的地下室结构、基础桩基图纸,与施工条件有关的资料（如实验资料）,12.2.2围护结构的选择和布置,工程规模,围护墙体和支撑结构所用材料的型式及布置方式,主体工程特点,场地条件,环境保护要求,应根据,岩土工程勘察资料,土方开挖方法,地区工程经验,12.2.2围护结构的选择和布置,基坑围护结构的构件（包括围护墙、隔水帷幕和锚杆）在一般情况下不应超出工程用地范围，否则应事先征得政府主管部门或相邻地块业主的同意,围护墙体和支撑结构的布置遵循的原则,基坑围护结构构件不能影响主体工程结构构件的正常施工,有条件时基坑平面形状尽可能采用受力性能较好的圆形、正多边形和矩形,12.2.3围护结构设计计算,通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形，据以验算截面承载力和基坑位移。,计算模型的假设条件必须符合支护结构的具体情况，所采用的有关参数应根据工程的具体条件和地区的工作经验确定。,由于支护结构受力的内力计算和变形计算随着施工的进展而不断变化，因此设计计算必须按不同施工阶段的特征分别进行验算，同时应考虑前一种工况对后面各种工况内力和变形的影响。,12.2.4围护结构稳定性验算,(1)基坑边坡总体稳定性验算,(2)围护墙体抗倾覆稳定验算,(3)围护墙底面抗滑移验算,(4)基坑围护墙前抗隆起稳定验算,(5)抗竖向渗流验算,(6)基坑周围地面沉降及其影响范围的估计,12.2.5节点设计,在基坑工程中，经常发生由于支护结构局部节点构造不合理或由于施工不注意而导致基坑过大变形，甚至危及整体安全，因此，必须充分重视节点设计这一环节。,方便施工,合理的节点构造应符合的条件,节点构造与设计计算模型中的假设条件一致,节点构造应起到防止构件局部失稳的作用,尽可能减少节点自身的变形量,与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要有良好的节点延性,12.2.6其他土工问题,井点降水,土方开挖,监测,12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用,随着我国现代化建设的飞速发展，城市地下空间的开发利用越来越多，基坑设计和施工水平也得到了较大的提高。鉴于深基坑工程的复杂性和不确定性,迄今为止深基坑工程还没有成熟的理论基础和合理的计算模式，复杂的地质条件又给选择支护结构方案和合理设计参数的选择带来一定的困难。,在目前深基坑工程中，施工方案的不合理性和施工经验的不足，是导致深基坑工程失效的重要原因。岩土工程量测已成为深基坑施工中必不可少的手段。在深基坑工程施工中,对基坑周边进行监测是控制施工进度预防事故发生的一个有效手段。随着岩土工程信息化施工的进一步应用,监测方法将越来越广泛地得到重视。就目前我们所采用的监测仪器和手段来看,如果和国际上目前较流行的方法比较,还存在自动化程度不高的缺点。,12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用,手工操作,自动化程度不高,传统的人工测量方法的缺点主要体现在,人为因素干扰大,监测数据的可靠性难保证,受天气气候的影响,如遇大风暴雨等恶劣环境,监测可能受到影响,有时甚至无法进行,无法实现1天24小时连续观测,无法实现实时监测、实时预报,当前所监测的数据,需要拿回处理之后,才能知道结果,12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用,基坑监测的目的,基坑开挖施工是分层分段进行的，通过将施工监测结果与预估值作比较，可验证原开挖施工方案的正确性，或根据分析结果调整施工参数，必要时采取附加施工措施，以达到信息化施工的目的。,(2)作为设计与施工的重要补充手段,(1)为施工提供及时的反馈信息,基坑工程设计与施工方案是设计人员对实体进行物理抽象，采取数学分析方法进行定量预测计算，加之以长期工程实践经验而确定的，在很大程度上反映了基坑的实际情况。但由于各个场地的地质条件不同，施工工艺和周边环境存在差异，具体项目之间千差万别，设计计算未曾计入各种复杂因素，因此必须依据监测结果进行局部修改或完善。,12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用,基坑监测的目的,根据监测结果来判断原施工方案是否安全和适当，必要时对其进行调整，如减少日出土量、改变开挖顺序或采取加固排险措施等，可以说监测数据是基坑提高施工安全度的至关重要的定量化依据。,(4)积累经验以提高基坑工程设计和施工水平,(3)作为施工开挖方案修改的依据,就目前的技术水平而言，基坑工程的设计和施工，对通常采用的力学分析、数值计算和室内试验，总是在不同程度上对客观事物进行了简化或近似处理，而现场监测技术则客观真实地反映了工程结构和环境相互关系。通过对监测数据的分析，可以为今后积累相关经验。,12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用,基坑监测的目的,在建筑物和地下管网密布的城市内进行基坑施工，不可避免地对周边环境造成影响，由此引起的法律纠纷屡见不鲜，一份完整的监测报告能为客观公正解决这些问题提供依据,（5）监测数据也是解决法律纠纷的有力证据,12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用,基坑监测的基本内容,针对基坑侧壁的安全等级，不同规范对基坑监测项目有不同的规定。一般监测内容由设计单位根据具体情况选定。,基坑监测的基本要求,监测工作必须有计划地进行；监测数据必须真实可靠和及时；埋设在结构中的监测元件应尽量减少对结构正常受力的影响，埋设水土压力检测元件、测斜管和分层沉降管时应注意回填土与岩石介质匹配；采取多种方法，实行多项内容的监测方案；预先设定报警制度，报警值包括变形和内力深基坑安全监测技术及其应用,12.4基坑围护结构的内力计算,12.4.1围护结构的计算模型及计算原则,基坑工程的计算模型包括:结构模型、水土压力模型、稳定性分析模型等。,对于围护结构的计算一般采用考虑桩（墙）土共同作用的弹性地基上的杆系或框架模型，根据施工过程中发生的实际工况分步进行计算，同时考虑施工工况引起结构的先期位移值以及支撑变形的影响或采用荷载增量法进行计算，即所谓的“先变形、后支撑”的原则。,计算工况包括开挖阶段到内部结构回筑阶段各工况的内力组合，最终的位移及内力值是各阶段的累计值。,12.4基坑围护结构的内力计算,12.4.2桩（墙）内力的计算分析方法,弹性地基杆系有限单元法是当前基坑工程设计的最常用方法：,（一）弹性地基杆系有限单元法,1.结构理想化,2.结构离散化,3.挡土结构的节点应满足变形协调条件,4.单元所受荷载和单元节点位移之间的关系,5.根据静力平衡条件，作用在结构节点的外荷载必须与单元内荷载相平衡。,12.4基坑围护结构的内力计算,12.4.2桩（墙）内力的计算分析方法,以往采用的古典法以及山肩邦男法、弹性法等计算方法不能有效地计入基坑开挖时挡土结构及支撑轴力的变化过程。,（二）挡土结构的有限元分析,有限单元法作为一种计算方法具有灵活、多样、限制少、易于模拟等优点而在挡土结构分析中广为采用。,在使用有限元对挡土结构分析时，可有效地计入基坑开挖过程中的多种因素，例如作用在挡土结构上被动侧和主动侧的水土压力的变化，支撑随开挖深度的增加其架设数量的变化、支撑架设前的挡土结构位移以及架设后支撑轴力也会随后次开挖过程而逐渐得到调整，支撑预加轴力对挡土结构内力变化的影响，以及空间作用下挡土结构的空间效应问题等。,12.5基坑稳定性验算,整体失稳破坏,基坑失稳的表现形式,承载力不足导致的破坏,基底滑移破坏,基底潜蚀、管涌,渗流,支撑结构破坏,被动土压力丧失,12.4.1边坡稳定,12.4.2基坑隆起稳定,12.4.3整体稳定性验算,12.4.4坑底抗渗流稳定性验算,12.4.5承压水的影响,12.6.2抗倾覆、滑移,12.5基坑稳定性验算,边坡稳定,由于设计不合理坡度太陡，或雨水、管道渗漏等原因造成边坡渗水导致土体抗剪强度降低，引起基坑边土体整体滑坡。,12.5基坑稳定性验算,重力式挡土墙基坑的失稳模式,1、由于墙体的入土深度不足，或由于墙底存在软弱土层，土体抗剪强度不够等原因，导致墙体随附近土体整体滑移破坏。,12.5基坑稳定性验算,2、由于基坑外挤土施工如坑外施工挤土桩或者坑外超载作用如基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土体压力增加，导致墙体向坑内倾覆。,重力式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,3、当坑内土体强度较低或坑外超载时，导致墙底变形过大或整体刚性移动。,重力式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,1、因为坑底土体压缩模量低，坑外超载等原因，致使围护墙踢脚产生很大的变形。,内撑式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,2、在含水地层（特别是有砂层、粉砂层或者其他透水性较好的地层），由于围护结构的止水设施失效，致使大量的水夹带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会造成支护还可能先在墙后形成空穴而后突然发生地面塌陷。,内撑式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,3、由于基坑底部土体的抗剪强度较低，致使坑底土体随围护墙踢脚向坑内移动，产生隆起破坏。,内撑式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,4、在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不合理或超挖，承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层，发生坑底突涌破坏。,内撑式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,5、在砂层或者粉砂地层中开挖基坑时，降水设计不合理或井点降水失效后导致水位上升，产生管涌，严重时会导致基坑失稳。,内撑式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,6、在超大基坑，特别是长条形基坑（如地铁站、明挖法施工隧道等）内分区放坡挖土，由于放坡较陡，降雨或其他原因导致滑坡，冲毁基坑内先期施工的支撑及立柱，导致基坑破坏。,内撑式挡土墙基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,1、由于围护墙插入深度不够，或基坑底部超挖，导致基坑踢脚破坏。,拉锚基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,2、由于设计锚杆太短，锚杆和围护墙均在滑裂面以内，与土体一起呈整体滑移，致使基坑整体滑移破坏。,拉锚基坑的失稳模式,12.5基坑稳定性验算,12.5.1边坡稳定,砂性土,考虑水力影响,粘性土,条分法,安全系数定义：,12.5基坑稳定性验算,12.5.2基坑隆起稳定,圆弧滑动面假设,基本假设：1、滑动中心位于最下道支撑和墙的交点；2、滑动面为过墙底的圆弧；3、水平土压力计算：,12.5基坑稳定性验算,12.5.2基坑隆起稳定,圆弧滑动面假设,滑动力矩：,OAMG：,OBCA：,12.5基坑稳定性验算,12.5.2基坑隆起稳定,圆弧滑动面假设,BCE与BEF重力矩平衡抵消。,抗滑力矩：,AM：,ACE：,12.5基坑稳定性验算,12.5.2基坑隆起稳定,圆弧滑动面假设,BCE与BEF重力矩平衡抵消。,抗滑力矩：,EF：,12.5基坑稳定性验算,12.5.2基坑隆起稳定,圆弧滑动面假设,滑动力矩：,抗滑力矩：,12.5基坑稳定性验算,12.5.2基坑隆起稳定,地基承载力假设,Terzaghi-Peck法(粘性土),饱和软土中：,12.5基坑稳定性验算,12.5.2基坑隆起稳定,地基承载力假设,同济大学法(考虑c、),墙底按光滑处理,墙底按粗糙处理,12.5基坑稳定性验算,12.5.3抗倾覆,12.5基坑稳定性验算,12.5.4抗滑移,12.5基坑稳定性验算,12.5.5基坑底抗渗流稳定,12.5基坑稳定性验算,12.5.5基坑底抗渗流稳定,承压水头稳定性,pcz：坑底至含水层顶板土自重,pwy：含水层水头压力,12.6基坑变形计算,12.6.1围护墙体变形,围护墙体变形形态,12.6基坑变形计算,12.6.1围护墙体变形,最大变形点的位置,12.6基坑变形计算,12.6.2坑底隆起变形,在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高，当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中部最大转变为两边大中间小的形式，但对于较窄的基坑或长条形基坑，仍是中间大，两边小分布。,12.6基坑变形计算,12.6.2坑底隆起变形,隆起沿深度分布,上海地铁2号线杨高南路车站基坑实测。,12.6基坑变形计算,12.6.3地表沉降,三角形地表沉降：主要发生在悬臂开挖或围护结构变形较大的情况下：凹槽形地表沉降：主要发生在有较大的入土深度或墙底入土在刚性较大的地层内，墙体的变位类同于梁的变位，此时地表沉降的最大值不是在墙旁，而是位于离墙一定距离的位置。,地表沉降影响范围：14开挖深度。,12.6基坑变形计算,12.6.3地表沉降,凹槽形地表沉降：最大沉降值的发生位置根据统计的情况一般介于0.40.7开挖深度之间。,上海地铁182个基坑实测,12.6基坑变形计算,12.6.4空间效应,特点：1、角隅效应：角部沉降小于中心。2、基坑平面尺寸越小，角隅效应越明显；3、开挖深度越大，角隅效应越明显，角部与中部变形比越小，纵向沉降曲线在角部瞬间越大。4、基坑长度与开挖深度比值越小，空间效应越明显。,12.6基坑变形计算,12.6.5基坑底隆起变形计算,日本规范公式,同济大学模型试验经验公式,有限元,同济大学残余应力计算方法,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,1三角形沉降曲线,沉陷面积=墙变位面积,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,2指数沉降曲线,正态分布曲线,沉降槽曲线：,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,2指数沉降曲线,沉降槽曲线的特征：,时，斜率最大,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,2指数沉降曲线,墙后沉降曲线分解：三角形+指数,+,=,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,2指数沉降曲线,三角形：,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,2指数沉降曲线,指数：,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,2指数沉降曲线,12.6基坑变形计算,12.6.6基坑围护墙外土体沉降估算,2指数沉降曲线,经验获取,求解,谢谢,
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