基坑支护结构的计算

基坑支护结构的计算

支护结构的设计和施工，影响因素众多，不少高层建筑的支护结构费用已超过工程桩基的费用。为此，对待支护结构的设计和施工均应采取极慎重的态度，在保证施工安全的前提下，尽量做到经济合理和便于施工。 一、支护结构承受的荷载

支护结构承受的荷载一般包括

– 土压力 – 水压力

– 墙后地面荷载引起的附加荷载。

1 土压力

⑴主动土压力：

若挡墙在墙后土压力作用下向前位移时随位移增大，墙后土压力渐减小。当位移达某一数值时，土体内出现滑裂面，墙后土达极限平衡状态，此时土压力称为主动土压力，以Ea表示。

⑵静止土压力：

若挡墙在土压力作用下墙本身不发生变形和任何位移（移动或滑动），墙后填土处于弹性平衡状态，则此时作用在挡墙上的土压力成为静止土压力。以E0表示。

(3)被动土压力：

若挡墙在外力作用下墙向墙背向移动，随位移增大，墙所受土的反作用力渐增大，当位移达一定数值时，土体内出现滑裂面，墙后土处被动极限平衡状态，此时土压力称为被动土压力，以Ep表示。

主动土压力计算

• 主动土压力强度 • 无粘性土

粘性土

土压力分布

对于粘性土按计算公式计算时，主动土压力在土层顶部（H=0处）为负值，即

表明出现拉力区，这在实际上是不可能发生的。只计算临界高度以下的主动土压力。

土压力分布

可计算此种情况下的临界高度Zc，进而计算临界高度以下的主动土压力。

被动土压力计算

被动土压力强度 • 无粘性土

粘性土

计算土压力时应注意

• 不同深度处土的内聚力C不是一个常数，它与土的上覆荷重有关，一般随深度的加大而增大，对于暴露时间长的基坑，土的内聚力可由于土体含水量的变化和氧化等因素的影响而减小甚至消失。

• 、C 值是计算侧向土压力的主要参数，但在工程桩打设前后的 、C值是不同的。在粘性土中打设工程桩时，产生挤土现象，孔隙水压力急剧升高，对 、C值产生影响。另外，降低地下水位也会使 、C值产生变化。 水压力

作用于支护结构上的水压力一般按静水压力考虑。有稳态渗流时按三角形分布计算。

在有残余水压力时， 水压力按梯形分布。

水压力和土压力

• 水压力和土压力的分算或合算问题。

• 一般情况下，由于粘性土中水主要是结晶水和结合水，宜合算；也可以依据下述标准判断。

液性指数 :≥1，宜分算； 液性指数 :≤0，宜合算；

液性指数 ：（ 0，1），按最不利计算。

• 在砂性土中土颗粒之间的空隙中充满的是自由水，受重力作用，为静水压力作用，宜分算。 合算时，地下水位以下土的重力密度采用饱和重力密度• ； • 分算时，地下水位以下土的重力密度采用浮重力密度 静水压力，然后相加。

• 水土分算时（注意：水压力所选取的图形）

; 再另外单独计算

墙后地面荷载引起附加荷载

常见有两种情况：

⑴ 墙后有均布荷载ｑ；

⑵ 距离支护结构一定距离有均布荷载ｑ。 ⑴ 墙后有均布荷载ｑ

如墙后堆有土方、材料等地面均布荷载对支护结构引起的附加荷载，可按下式计算：

⑵ 距离支护结构一定

距离有均布荷载ｑ此时压应力传到支护结构上有一空白距离h1 ,在h1之下产生均布的附加应力：

土压力合力的计算

• 深基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。

• 基坑支护结构极限状态可有两类：

– 承载能力极限状态 – 正常使用极限状态

1.承载能力极限状态：

对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏；

2.正常使用极限状态：

支护结构的设计

对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。

基坑侧壁安全等级及重要性系数 安全等破坏后果 级 一级 γ0 支护结构破坏、土体失稳或变形过大对基坑周边环境1.10 及地下结构施工影响严重 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境1.00 及地下结构影响一般 支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境0.90 及地下结构施工影响不严重 二级 三级 支护结构的计算 • 支护结构可分为两类：

– 重力式支护结构（加固型） – 非重力式支护结构（支挡型）

• 重力式包括深层搅拌水泥土桩挡墙、旋喷桩帷幕墙

• 非重力式包括钢板桩、钢筋混凝土预制桩、钻孔灌注桩（排桩）挡墙、地下连续墙等。

二、重力式支护结构计算

深层搅拌水泥土桩挡墙是用特制的进入土深层的深层搅拌机将喷出的水泥浆固化剂与地基土进行原位强制搅拌制成水泥土桩，相互搭接，硬化后即形成具有一定强度的壁状挡墙，既可挡土又可形成隔水帷幕。

旋喷桩帷幕墙是钻孔后，将钻杆从地基土深处逐渐上提，同时利用插入钻杆端部的旋转喷嘴，将水泥浆固化剂喷入地基土中，形成水泥土桩，桩体相连形成帷幕墙。

旋喷桩帷幕墙可用作支护结构挡土，也可用于挡水。

• （一） 原理 重力式支护结构是依靠结构自身重力来维持极限平衡状态的。 • （二） 荷载组合

– 1 土压力；

– 2 重力式结构自重；

– 3 地面超载包括：永久荷载、道路荷载、可变地下水位和施工荷载（施工机械荷载、材料堆放荷载）以及偶然荷载（地震荷载、人防荷载）。 重力式结构计算内容:

• 1 滑动稳定性验算 • 2 倾覆稳定性验算

• 3.土体整体滑动验算 • 4. 坑底隆起验算 • 5. 管涌验算

重力式支护结构计算简图

重力式支护结构主要是深层搅拌水泥土桩墙和旋喷桩帷幕墙，计算简图如图：

重力式支护结构计算（滑动稳定性） 1 滑动稳定性验算

2 倾覆稳定性验算

重力式支护结构（整体滑动验算）

重力式支护结构计算 （基坑隆起）

4. 坑底隆起

开挖面以下墙体能起帮助抵抗地基土隆起的作用，宜假定土体沿墙体底面滑动，认为墙体底面以下为一圆弧，如图所示。产生滑动力的是 和q，抵抗滑动的则为土体抗剪强度。

三、非重力式支护结构计算

• 非重力式支护结构包括钢板桩、钢筋混凝土预制桩、钻孔灌注桩挡墙、地下连续墙等。

• 常有支撑或拉锚

非重力式支护结构挡墙的破坏

悬臂式挡土结构的计算

• 悬臂式挡土结构，对于土的性质、荷载大小等非常敏感，它完全依靠足够的入土深度来保持其稳定性，故其基坑深度一般不大于4ｍ。

• 悬臂式挡土结构，对于土的性质、荷载大小等非常敏感，它完全依靠足够的入土深度来保持其稳定性，故其基坑深度一般不大于4ｍ。 • 计算内容： 1、嵌固深度

2、结构强度计算

嵌固深度计算

支护结构强度计算

• 1、首先寻找最大弯矩作用点。

在哪里？

• 2、计算最大弯矩值（验算）。 如何计算？ 支护结构计算的其它方法

• 1、弹性曲线法

• 2、竖向弹性地基梁法（基床系数法） • 3、有限元法

用等值梁法计算单锚、单支支护结构

等值梁法

用等值梁法计算单锚、单支支护结构

（1）计算土压力

（2）基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置

嵌固深度的计算

计算内力和配筋

求单层支撑支护结构的最大弯矩Mmax :

• 发生在剪力0处，根据剪力为0 求得Mmax处的位置y，进而求得Mmax。 • 弯矩图可按静力平衡条件求得

• 可以分段配筋，也可以按最大弯矩断面通长配筋 . 多锚、多支支护结构的计算

• 按连续梁计算（等值梁法） • 按工况逐一计算 什么是工况？ 四、支护结构的施工 支护结构施工

一. 支护结构的选型 （一） 钢板桩

1.槽钢钢板桩 2. 热轧锁口钢板桩 （二） 钢筋混凝土板桩 （三） 钻孔灌注桩挡墙

（四） H型钢支柱（或钢筋混凝土桩支柱） （五） 地下连续墙

（六） 深层搅拌水泥土桩挡墙 （七） 旋喷桩帷幕墙 钢板桩

1.槽钢钢板桩

由槽钢并排或正反扣搭接组成。

槽钢长6～8m，多用于深度不超过4m的基坑。

顶部宜设一道支撑或拉锚。

钢筋混凝土板桩

钢板桩的施工

（二） 打设前准备工作 1 钢板桩的检验和矫正 2 导架安装

3 沉桩机械的选择

打设钢板桩可用落锤、汽锤、柴油锤和振动锤，前三种皆为冲击打入法，此法可使桩锤的冲击力均匀分布，保护桩顶免受损坏。 （三）钢板桩的打设和拔除 1 打设方式选择

⑴单独打入法 即从板桩墙的一角始，逐块打设，直至工程结束。

⑵屏风式打入法 即将10～20根钢板桩成排插入导架内，呈屏风状，再分批施打。（按屏风排数，分为单屏风、双屏风和全屏风） （三）钢板桩的打设和拔除 2 钢板桩的打设

吊车对准插桩，经纬仪加以控制，分几次打入。 注意位置和方向的精度，每打入1m应测量一次。 3、钢板桩的拔除

拔桩前要研究钢板桩拔除顺序、拔除时间和桩孔处理方法。 拔除宜用振动锤或振动锤与起重机共同拔除。

钻孔灌注桩挡墙施工 • 钻孔灌注桩挡墙施工

钻孔灌注桩施工时无振动，不会危害周围建筑物等，造价低，有优越性。 施工速度慢，宜注意质量。

钻孔灌注桩的间距由计算确定。

钻孔灌注桩用作支护桩时，按钢筋混凝土正截面受弯构件计算配筋。 深层搅拌水泥土桩墙施工 （一）施工机具 1 深层搅拌机 中心管喷浆方式 叶片喷浆方式

前者的输浆方式是水泥浆从两根搅拌轴间的另一根管输出；后者是使水泥浆从叶片的小孔喷出。

2 配套机械（灰浆搅拌机、集料斗、灰浆泵。） （二）施工工艺

定位—预拌下沉—制备水泥浆—提升、喷浆、搅拌—重复上、下搅拌—清洗、移位

深层搅拌水泥土桩墙

（四）提高水泥土桩挡墙支护能力的措施

1. 卸载 挖去顶部一部分以减少主动土压力

2. 加筋 可在墙中压入竹筋等，有助于提高墙体 稳定性。

3. 起拱 将水泥土挡墙作成拱形，在拱脚处设钻孔灌注桩，可提高其支护能力。（拱圈支护？）

4. 挡墙变厚度 对矩形基坑因边角效应，在角部的主动土压力有所减小，故角部可减薄水泥土挡墙的厚度，以节约投资。 五、支护结构的施工监测 一、支护结构监测项目

围护结构的竖向位移与水平位移； 坑周土体位移； 支撑结构轴力；

临近建筑物、道路及地下管网等的变形； 地下水位及孔隙水压力； 基坑底隆起量。

二. 支护结构监测常用仪器

支护结构与周围环境的监测，主要分为应力监测与变形监测。

应力检测主要用机械系统和电器系统的仪器。

变形监测主要用机械系统、电器系统和光学系统的仪器。

（一）变形监测仪器 • • • •

常用的有 经纬仪 水准仪 测斜仪

二. 支护结构监测常用仪器

测斜仪是一种测量仪器轴线与铅直线之间夹角的变化量，进行计算挡墙或土层各点水平位移的仪器。

按工作原理，测斜仪可分为 伺服加速度式 电阻应变片式 差动电阻式 差动电容式 钢弦式

最常用的是伺服加速度式和电阻应变片式。

（二）应力监测仪器

1. 土压力观测仪器— 土压力计（土压力盒） 液压式

气压平衡式 电器式 钢弦式 （二）应力监测仪器 2. 孔隙水压力计

测量孔隙水压力使用最多的是孔隙水压力计，其形式、工作原理均与土压力计相同。

孔隙水压力计宜钻孔埋设，待钻孔至要求深度后，先将孔底填入部分干净的砂，将测头放入，再将测头周围填砂，最后用粘土将上部钻孔封闭。 （二）应力监测仪器 3. 支撑内力测试

支撑内力测试常用的几种方法： 用压力传感器 贴电阻应变片

用千分表位移量测装置 用应力、应变传感器