关宝树地下工程PPT明挖.ppt

刘俊新(西南科技大学土木工程与建筑学院),地下工程,第二篇明挖法修建的地下工程,第一章 明挖法的基本概念及其应用,第一节 概述,1.1 概述 明挖法施工简单、方便，修建于地层表面附近（浅埋）的地下工程多属于明挖法修建的地下工程，这些工程包括地下商场、地下街、地下停车场、城市地铁、人防工程及地下工业建筑等，如图2-1-1和图2-1-2所示。这类工程主体结构的建造，实际上采用的是一种“开敞”式的施工方法，与地面结构的建造方法类似，在主体结构完成后，然后掩土覆盖，恢复地面。,与这种“开敞”式施工修建地下工程相应的是基坑开挖的围护结构工程。除了明挖法需要修建开挖基坑外，城市高层建筑及其他一些工程的兴建，也需要开挖基坑。,第二节 明挖法的施工方法,2.1 明挖法 是指地下结构工程施工时，从地面向下分层、分段依次开挖，直至达到结构要求的尺寸和高程，然后在基坑中进行主体结构施工和防水作业，最后回填恢复地面。实际工程施工中，根据工程地质条件、开挖工程规模、地面环境条件、交通状况等确定。,1.顺筑法 顺筑法的基坑可采用放坡开挖，也可采用支挡下的垂直开挖。主要取决于开挖地层的稳定性和周边环境条件。为了防止坍塌保证施工安全，在基坑开挖深度超过一定限度（自稳垂直深度）时，将基坑边壁开挖成斜坡，以保证土坡的稳定，工程上称为放坡开挖。无支护的放坡开挖，是一种普遍采用的基坑开挖法，开挖深度可深可浅。,在开挖地层不能自稳或周边环境特殊的情况下，如城市中的基坑工程，由于场地邻近周边已有建筑或街道，场地受限，就不能采用放坡开挖，这时基坑侧壁为垂直陡坡，为保证基坑边壁的稳定，必须进行支护，这就是所谓的基坑支挡式开挖。支挡结构的布置和结构形式有许多类型可选择，在下面章节将进一步阐述。图2-1-5为支挡式基坑开挖示意图。,2.逆筑法逆筑法多用于地层软弱、变形大，修建地区地面建筑物密集，地下工程埋置较深的场合。其做法是先沿建筑物外围施设地下连续墙作为基坑的围护结构。从地面开始开挖，在开挖过程中，根据围护结构的支撑强度和变形大小，在适当高程上设置横撑，开挖至结构物顶板高程时，先行浇筑顶板，而后继续进行开挖，直至底板高程，再浇筑建筑物底板和侧墙，完成地下结构工程的整体工程。此工法在顶板浇筑后即可对顶板以上进行覆土回填恢复地面，同时开挖顶板以下土方和修筑结构物其余部分,施工的步骤为：先沿建筑红线施设地下连续墙，作为开挖基坑的围护结构并作为地下室边墙的一部分，同时在基坑内修筑中间支承柱，开挖基坑内土方至第一层地下室底面标高，修筑该层面的梁及部分的板，使修筑的梁和板与地下连续墙连接，形成刚度较大的支撑系统，保证施工的安全；然后在梁间没有浇板的空档内继续开挖，依次向下逐层施工各层地下结构，同时在已完成底面梁板结构的基础上，进行上部结构的施工。,逆筑法适用于以下场合：接近开挖地点有重要建筑物时。有强大土压力和其他水平压力作用，用一般挡土支撑不稳定，而需要强度和刚度都很大的支撑时。开挖深度大，开挖或修筑主体结构需较长时间，特别需要保证施工安全时。因进度上的理由，对于填埋结构，在其顶板完工后即可覆土回填恢复地面，而不需要在主体结构整体完建后再回填。对于高层建筑地下室，可在地面梁板完工后，同时向下继续开挖和修建上部楼层，这样可节省工期，加快速度。,3.分部开挖法 在修建平面面积较大的地下工程，如地下商城、地下大型停车场、大跨度地下隧道等工程时，按常规全面积开挖施工，会因基坑宽度大而支撑结构要求复杂，有时甚至难于保证基坑边壁支撑的稳定，这时可采用分部开挖法进行基坑施工。分部开挖的施工顺序：将基面划分成若干部分（小面积），部分开挖到建基面，这时开挖面积相对较小，因而基坑支护结构相对要求简单。然后修建部分主体建筑，而后再开挖其他部分，依次进行施工，直到整个地下结构完成。,明挖式分部开挖法施工示意图,第三节明挖法的工程应用,3.1 明挖法用于浅埋地下工程施工,常见的浅埋式地下工程有地铁车站、地铁行车通道、城市地下人行通道、地下综合管网工程等，这些浅埋式工程，覆土厚度（埋入土中深度）在5-10 m。一般都采用明挖法施工。在某些情况下，有的埋置深度达十几米甚至二十几米的地下工程，也可以采用明挖法施工。采用明挖法施工的地下工程，一般有三个施工阶段，即开挖基坑，在基坑底建造结构物，然后覆土回填。,3.2 明挖法用于平面尺寸较大的地下工程 某些地下工程，埋深不大，但平面尺寸很大，如一些城市的地下广场、大规模地铁车站、地下商场、地下医院（旅店、指挥所）等，其内部结构也多采用一般的梁板结构，这类工程适宜于采用明挖法施工。对于这类大平面尺寸的地下工程明挖法施工时，常可以采用分部开挖或沟槽开挖法，先在周边开挖到设计标高，建造好外围结构，然后开挖中间部分，再进行内部结构施工及顶板施工和覆土填埋。,3.3 明挖法用于基坑工程 基坑工程是许多工程建设的辅助工程，并且基坑工程也只能采用这种明挖施工方法。如城市高层建筑的基坑工程，由于高层建筑对地基条件的要求，高层建筑的稳定及抗震要求等，通常需要开挖深基坑。按照我国人防规定，城市高层建筑必须有地下室作为人防工程，因此，目前城市高层建筑都有地下若干层，与地面部分构成整体。,3.4 明挖法应用于其他工程 与高层建筑深基坑工程类似，有些工程在施工中需要深基坑作为施工辅助工程，如桥梁工程锚锭基坑工程，需要将锚锭板埋置于很深的地层中，这就需要开挖深基坑。扬州长江大桥锚锭坑采用深井结构，坑深超过m。另外，盾构法施工和顶管法施工的施工井，也是采用从地面垂直向下开挖的明挖法修建的,第二章 明挖法修建的浅埋式地下工程,第一节 概述,一般浅埋地下工程的结构形式通常可归纳为直墙拱形结构、梁板结构和矩形框架结构等三大类型。,1.1 直墙拱形结构 这种形式的浅埋地下结构一般根据其跨度大小，可采用砖石或混凝土预制块砌筑拱顶，当跨度较大时，有时也采用预制或现浇钢筋混凝土拱。如果地下工程要求跨度很大时，也可采用连拱结构。拱形地下结构的侧墙，常用砖石或混凝土预制块砌筑。,2.梁板式结构 这种地下工程在地下水位较低的地层中，或者要求防护等级不高的工程中，顶、底板为现浇钢筋混凝土梁板结构，而围墙和内墙则为砖石砌筑；在地下水位较高或防护等级要求较高的工程中，一般除内墙可用砖石砌筑外，其他则均用钢筋混凝土现浇构筑成箱形闭合框架结构。,3.矩形闭合框架结构 因为明挖法施工浅埋式地下结构如果结构断面为矩形，挖掘断面利用率高，相对比较经济合理，且易于施工，尤其在地铁线路中结构内部空间与车辆形状相似，可以充分利用其内部空间。矩形闭合框架的顶、底板因系水平构件，其中弯矩、剪力均较大，因此一般都用钢筋混凝土浇筑建成。按照使用要求，地下框架可为单跨或多跨结构，单跨矩形闭合框架小于6m，当跨度大于6m时，常根据使用和工艺的要求设计成双跨或多跨。一般城市过街隧道通常为单跨闭合框架，而地铁工程中，根据使用要求及荷载和跨度的要求，常采用双跨或多跨闭合框架。有时为了改善通风条件和节约材料，把中间隔墙上开设小孔或中间隔墙用梁柱代替。,矩形闭合框架示意图,第二节矩形闭合框架结构形式和尺寸,浅埋式地下结构特别是浅埋地铁隧道，一般都是采用钢筋混凝土衬砌，因此这里进行矩形闭合框架的设计与一般地下钢筋混凝土结构设计的原理和方法基本相同。其主要设计内容：结构的断面形式和尺寸的确定。荷载计算。结构内力计算。结构配筋计算。隧道衬砌为箱形框架结构，计算时沿隧道延伸方向取 m宽度为计算单元，做平面应变问题处理。设计时首先应按照使用要求，计算出结构的内部净空尺寸，然后根据结构构件的高宽比、荷载条件并参照已建类似工程结构尺寸，假定断面上各构件的厚度，确定供计算用的结构形状和尺寸。,2.1 矩形闭合框架的设计,1.结构横断面的净空尺寸。建筑接近限界是确定结构净断面尺寸的主要依据。由于接近限界规定了隧道净空间的最小尺寸和形状，在此基础上，考虑线路的曲率半径、超高要求、道床、允许施工误差等影响，最后确定净空断面。具体地说，隧道直线地段，其净空尺寸应能满足各种类型的隧道建筑限界与设备限界之间的距离及设备安装的要求，而曲线地段，应在直线地段限界上进行加宽和加高的修正。,在决定隧道净空尺寸时，还应考虑建筑接近限界和结构内表面的富余空间，隧道内部空间尺寸由下列方法计算得出：,上式中有关计算参见图2-2-6及表2-2-1。,2.框架各构件的厚度的估算 进行结构计算，是以假定框架结构截面尺寸为基础的。框架构件截面尺寸的拟定（假定），应考虑钢筋混凝土的强度，承受的荷载，结构的高宽比及钢筋保护层厚度等因素，在拟定框架截面尺寸时，首先将框架结构分解为基本构件，然后根据各构件的荷载、内力估算出它的厚度，并参照工程经验予以拟定构件的厚度。顶板截面厚度一般假定顶板截面厚度为其跨度的1/81/10，然后概略计算顶板荷载及其弯矩，根据估算进一步修订所假定的顶板截面厚度。底板截面尺寸底板厚度可比顶板厚度增加cm，或者取与顶板相同的厚度。侧墙截面尺寸可参照顶板尺寸假定的基本方法来拟定，考虑施工及防水要求，其厚度最小尺寸应在cm左右。在确定了隧道净空间尺寸及拟定构件截面尺寸后，隧道框架结构的横断面就可确定。,第三节作用在隧道框架结构上的荷载,3.1 浅埋式地下结构荷载的确定方法,1.地面荷载 一般浅埋地下工程通常要考虑地面荷载。这类荷载由地面建筑物、行驶车辆及其他公共设施产生，它与地下结构距地面距离（即埋深）相关，当覆盖厚度超过8m时，其影响就不大了。地面荷载通过覆土层传递到地下结构。,2.垂直土压力 作用在地下框架结构顶面的垂直土压力包括三个部分，地面铺砌体重量，地下水位以上土体和地下水位以下土体重量，如图2-2-8所示。,3.作用在框架结构上的侧向水土压力 在框架结构侧墙上，作用有侧向土压力和水压力，计算时，一般根据土的性质可采用土压力和水压力合算或分算的计算方法。根据朗肯土压力理论，侧向土压力可按下式计算：,4.框架结构底板上的荷载 框架结构底板上的荷载是指承托框架结构的地基对结构底板作用的反力，这种反力是由作用在框架上的所有垂直荷载及结构自重，通过底板传给结构底面上的地基，而地基由此产生向上的反力，反作用于底板上形成的竖直向上的荷载。一般情况下地下结构刚度较大而地基土层相对较松软，地基压力或地基反力的分布并不是均匀的，如图2-2-9所示，为了计算方便，假定地基反力为均匀直线分布，即作为于底板上分布的荷载为。,5.隧道框架结构荷载图 根据以上的荷载计算，可以得到如图2-2-10所示的荷载分布一般示意图。,第四节矩形框架的内力计算,4.1 按矩形闭合框架计算 地铁通道等地下结构，一般纵向很长，横向相对较短。结构所受的荷载沿纵向的大小近似不变。因此，结构可假定属于平面应变问题。计算时沿纵向截取单位长度作为框架来计算。如图2-2-11所示。双跨矩形闭合框架是一种对称结构，在对称荷载作用下弯矩图、轴力图是对称的，而剪力图是反对称的；在反对称荷载作用下，弯矩图和轴力图是反对称的，而剪力图是对称的。利用此原理，取结构的一半进行计算。其计算简图如图2-2-12所示。,2.杆端弯矩计算 矩形闭合框架内力计算，在不考虑线位移的情况下，可采用力矩分配法进行计算。这是一个近似计算方法，这种方法比较简捷，具体计算步骤可归纳如下：,对于两个及两个以上结点的结构，应逐一结点反复计算，直到各结点弯矩平衡。,3.杆端剪力计算 求出各杆端弯矩以后，取出各杆件，利用杆件上的力系平衡，求出各杆端的剪力，如图2-2-13所示，求A端剪力QAB，可对B点取力矩，并令 MB，即,4.截面弯矩和剪力计算 各构件杆端弯矩、剪力求出后，可计算各杆截面上的弯矩和剪力，其计算方法如图2-2-14所示。,4.2 按弹性地基上的框架计算,第五节框架结构构件截面设计,5.1 设计弯矩和设计剪力,1.设计弯矩 用力法或力矩分配法解框架结构时，直接求得的是结点处的内力（即构件轴线相交处的内力），然后利用平衡条件可以求得各杆任意截面处的内力。由图2-2-19a可见，结点弯矩（即计算弯矩）虽然比附近截面的弯矩为大，但其对应的截面高度是侧墙的高度，所以实际不利的截面则是侧墙边缘处的截面，对应这个截面上的弯矩取为设计弯矩。根据隔离体平衡条件，（图2-2-19b），可以按下面公式计算设计弯矩：,2.设计剪力 同上述理由一样，对于剪力，不利截面仍然是位于支座（侧墙）边缘处的截面，如图2-2-20所示，根据隔离体平衡条件，设计剪力按下式计算：,3.设计轴力由静载引起的设计轴力按下式计算：,5.2 截面设计,地下矩形闭合框架结构的构件（顶板、底板和侧墙）均为偏心受压构件，应按偏心受压状态进行截面设计，取其沿隧道长方向1m考虑，在前述内力（弯矩、剪力、轴力等）设计值已求得后，即可根据钢筋混凝土设计规范的有关规定，进行截面设计。根据设计内力，计算偏心受压构件的偏心距：,根据构件偏心受压的情况，采用相应的构件配筋计算公式求得截面配筋率。在进行截面强度验算时，杆件两端的截面设计高度采用hs/，h为构件截面高度（即顶底板或侧墙厚度），s为平行于构件轴线方向的支托长度。同时hs/的值不得超过杆端截面高度h1，即hs/h1，如图2-2-21所示。图2-2-22所示为闭合框架的横截面的配筋示图，它由横向受力钢筋和纵向分布钢筋组成，为了便利施工，也可将钢筋焊制成钢筋网。为改善闭合框架的受力条件，一般在角部设置支托，并设置支托钢筋。,第三章 深基坑工程,第一节 概述,1.1 基坑工程的特点：建筑趋向高层化，基坑向大深度方向发展。基坑开挖面积大，长度和宽度超过百米甚至数百米，给支撑布置带来较大难度。在软弱地层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围建筑物、市政设施和地下管线造成影响。深基坑施工期长，场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定不利。在相邻场地施工中，打桩、降水、挖土及基础浇筑混凝土等工序会相互制约与影响，增加协调工作的难度。,1.2 目前经常采用的主要基坑支护类型及其特点：水泥土搅拌桩围护结构其优点是形成重力式挡土墙，不需要支撑，基坑内挖土方便，搅拌桩施工时无环境污染（无噪声、无振动、无排污）、造价较低、防渗性好，但这种围护结构往往要求基坑周围有一定空间可布置搅拌机，且只宜用于开挖深度不大的基坑工程。排桩围护加内支撑（或土锚）外侧加一排水泥土桩，形成抗渗帷幕，这种排桩支护适用于较深的基坑，但造价较高。,地下连续墙围护加内支撑（或土锚）这种支护结构施工时对周围环境影响小，对土层条件适应性强，墙体抗弯刚度、防渗性能和整体性均较好，可作主体结构一部分，但其造价更高，施工技术要求更高。土钉墙支护基坑周围不具备放坡条件，地下水位较低，邻近无重要建筑或地下管线，基坑外地下空间允许土钉占用时可采用土钉墙支护。随着基坑工程规模的不断加大，基坑支护工程的风险性也增加，而基坑工程涉及岩土力学、水力学、结构力学、钢筋混凝土、钢结构等许多学科的知识，而且实践性很强，基坑工程的设计与施工两者密切相关，因此，只有正确进行基坑工程的设计和施工，才能保证基坑支护结构在施工过程中的安全及邻近建筑的安全，也才能保证主体地下结构施工的顺利进行。,第二节 基坑工程的设计原则与设计内容,2.1 基坑支护结构的设计原则,安全可靠满足支护结构强度、稳定及变形的要求，确保周围环境的安全。经济合理在安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等方面综合确定具有明显技术经济效果的方案。施工便利并保证工期在安全可靠、经济合理的原则下，最大限度地满足方便施工（如合理的支撑布置，便于挖土施工），缩短工期。基坑支护结构应采用分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。,2.2 基坑支护结构的极限状态，可以分为下列两类：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。正常使用极限状态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。基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行计算。基坑侧壁的安全等级及重要性系数0，列于表2-3-1。,2.3 基坑按重要性分为以下3级：（）符合下列情况之一时，属一级基坑工程：支护结构作为主体结构的一部分时；基坑开挖深度大于等于10m时；距基坑边两侧开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需要严加保护时。（）开挖深度小于7m，且周围环境无特别要求时，属三级基坑工程。（）除一级和三级基坑工程以外的，均属二级基坑工程。,2.4 在进行基坑工程设计之前，应收集下列资料：岩土工程勘察报告。邻近建筑物和地下设施的类型及分布图。用地界线及红线图，邻近地下管线图，建筑总平面图，地下结构平剖面图等。,2.5 基坑工程设计内容，一般应包括：支护体系的方案比较和选型。支护结构的强度和变形计算。基坑稳定性验算。围护墙的抗渗计算。降水和挖土方案。监测方案与环境保护要求。基坑支护结构的设计，一般步骤可归纳如下：初拟基坑支护结构支撑系统形式。计算作用在支护结构上的水土压力及其他荷载。确定支护结构的入土深度。支护结构内力、配筋计算、强度和变形验算。施工图设计，编制施工说明。,第三节 支护结构上的荷载,荷载的确定是工程结构设计计算的先决条件，作用于基坑支护结构上的荷载：土压力和水压力。施工荷载，包括施工车辆及场地堆载引起的荷载。基坑影响区范围内建筑物、构筑物引起的荷载。地震荷载（当支护结构作为主体结构组成部分时考虑）。温度影响和混凝土收缩引起的荷载。按挡土墙土压力理论，根据墙体位移情况，土压力分类：静止土压力；主动土压力；被动土压力,3.1 基坑支护结构上的荷载,三种土压力中，被动土压力大于静止土压力，而静止土压力又大于主动土压力主动土压最小。由理论分析和实际实验表明，挡土墙后达到被动土压力所需的位移远大于主动土压力时的位移。,3.2 土压力,1.静止土压力计算 若刚性挡墙保持原来位置静止不动，挡墙后的土处于弹性平衡状态，这时作用在墙上的土压力为静止压力。静止土压力可按下式计算：,3.3 朗肯土压力计算 朗肯土压力理论假定墙背和填土间没有摩擦力，然后按墙身的移动情况根据填土体内任一点处于主动被动极限平衡状态时，最大和最小主应力间的关系，求得主动或被动土压力强度以及主动或被动土压力，由于没有考虑摩擦力，求得的主动土压力值偏大，被动土压力值偏小，用朗肯理论来计算，总体是偏于安全的。,（）主动土压力朗肯主动土压力计算公式如下,由以上计算式（2-3-5）和式（2-3-7）及图2-3-3可见，主动土压力pa沿深度h呈直线分布。作用在墙背上的主动土压力的合力Ea 即为pa分布图形的面积，其作用位置在分布图形的形心处。,对于墙后填土为层状土层的情况，仍可按式（2-3-5）或式（2-3-7）计算主动土压力，但应注意在土层分界面上，由于两层土的抗剪强度指标不同，使土压力分布有突变（见图2-3-4和后文的图2-3-7），其计算方法如下：,如果墙后填土表面作用有连续均匀分布荷载q时，如图2-3-5所示，计算时可以对深度h处的竖向应力增加一个q值，将式（2-3-5）和式（2-3-7）中的h代之以（h q），就能得到填土表面有连续分布荷载（超载）时的主动土压力计算公式。即,（）被动土压力 如图2-3-6所示为一墙背竖直，地表水平的挡土墙如果在外力作用下推向填土，当墙后土体达到极限平衡状态即朗肯被动状态时，在墙背深度h处的被动土压力计算公式为,3.4 库仑土压力计算 库仑土压力理论假定：挡墙是刚性的，墙后填土是无粘性土；墙身向前或向后移动以产生主动土压力或被动土压力时的滑动楔体是沿着墙背和一个通过墙的平面发生滑动；滑动楔体可视为刚体，如图2-3-8所示。,3.5 水压力,作用在挡土结构上的荷载，除了土压力以外，还有地下水位以下的水压力。计算水压力时，水的重度一般取w 10kN/m3，水压力与地下水的补给情况、季节变化、施工开挖期间挡墙的入土深度、排水处理措施等因素相关。如果不考虑影响水压力的上述因素，作用在支护结构上的侧向水压力应按静水压力确定。水压力强度依照物理学中帕斯卡定理按下式计算：,实际基坑支护结构侧向水压力分布有三种形式：,当考虑地下水稳定渗透时，则侧向水压力可采用图2-3-10b或图2-3-10c的分布，图2-3-10b表示由于渗透流的影响，挡土结构底部C点处左右两侧水压力平衡，因此整个水压力分布图形为两部分，以墙背面与基坑内地下水位高程处的B点为界，B点以上，按静水压力三角形分布，B点以下至墙底C点亦为三角形，水压力由大到小按线性减小到零。图2-3-10c表示为考虑地下水位稳定渗流时，水压力分布的另一种形式，与图2-3-10b不同的，一是考虑了挡墙的隔水作用，挡墙底C处仍有水头差；二是考虑了渗流效应，B点高程处的水压力小于静水压力，具体可按下述方法计算：墙背面与基坑内地下水位高程相等处B点的水压力，应由该处的静水压whw减去pw1，,计算地下水位以下水、土压力一般采用“水土分算”（即水、土压力分别计算，然后再相加）和“水土合算”两种方法，对砂性土和粉土，可按水土分算原则进行，即分别计算土压力和水压力，这时，土压力计算公式仍用前述土压力公式，但地下水位以下其他参数采用有效应力强度指标，也可以用总应力强度指标。水压力则按静水压力或稳定渗流水压力计算，然后两者相加即为总的侧压力，如图2-3-11所示。,作用在基坑支护结构上的水土压力分布情况，直接影响支护结构的稳定和结构内力，它是基坑支护结构设计计算的根据。目前水土压力测量主要采用两种方法，一种是直接测量法，即将土压力盒埋设在挡墙与土的接触面上，量测作用在挡墙上的总的水土压力；另一种是间接量测法，即量测支撑上的轴力，然后推导出作用在挡墙上的水土压力。,第四节 无支护（放坡）开挖的基坑工程,无支护式放坡开挖的基坑工程是指不需要采用支护结构的基坑开挖工程，开挖深度可深可浅，主要取决于工程要求和地质条件及周边场地环境条件。根据地下水条件及排水方式可分为无地下水的一般放坡式开挖、明沟排水放坡式开挖及井点排水放坡式开挖等。放坡基坑工程可以为地下结构主体的施工创造最大限度的工作场地，方便现场工程布置，因此在场地环境条件和地质条件允许的情况下，应优先选择放坡开挖。放坡开挖施工过程中，由于开挖等施工活动导致土体原始应力场的平衡状态遭到破坏，当土体抗剪强度不足或附加应力超过极限值时，便会出现基坑边坡失稳，而影响地下结构的正常施工。,4.1 无支护式放坡开挖,放坡基坑边坡设计必须保证基坑边坡具有足够的稳定安全系数。设计要求确定两个基本参数，即基坑开挖深度和坡度，,基坑深度可作为坡高H，其坡度用坡角或高宽比m表示。这两个因素，前者取决于地下主体结构建基面高程，后者m（或）的确定取决于许多因素，包括土体的抗剪强度、地下水位变化、地面超载大小以及施工工序等。放坡基坑设计需要综合考虑工程地质、水文地质条件，周边环境，主体地下结构和施工等各方面影响因素，确定适合的坡高（坑深）和坡角，才能达到基坑工程施工安全、可靠、经济合理。,4.2 放坡开挖基坑的边坡稳定性验算,1.位于无粘性土层放坡开挖基坑的稳定性分析。一坡角为的无粘性土边坡，假定所分析边坡处于同类型均质无渗流土中，由于无粘性土颗粒间无凝聚力，只有摩擦力，分析它的稳定性时，可在边坡面取任意微元体A，设该微元体重量为W，当微元体处于平衡状态时，有,上式说明无粘性土沿边坡面滑动安全系K等于土的内摩擦角正切与边坡坡角正切之比，当土的坡角等于土的内摩擦角时，土坡处于极限平衡状态。因此，土坡稳定的极限角等于砂土的内摩擦角，特称之为自然休止角。从式（2-3-28）还可看出，在无粘性土层中放坡开挖基坑，边坡的稳定性只与坡角有关，而与坡高H无关，只要满足 土坡即处于稳定状态。工程上一般取安全系数K 1.1 1.5。,2.位于粘性土层放坡开挖基坑的稳定性验算粘性土层的边坡由于剪切破坏产生滑移，其破坏面大多是弧形曲面。如图2-3-14所示，为理论分析方便起见，通常近似假定为圆弧面、对数螺旋形弧面等，在工程应用上常常采用圆弧滑动面的假定，并且按平面问题进行分析。以下介绍常用的粘性土坡稳定性分析的几种方法。,（）瑞典条分法,（）简化毕肖普法,（）经验法确定基坑边坡高度和坡度,对于基坑深度较小的放坡式基坑边坡，可不进行稳定性验算，而根据当地经验参照同类土体的稳定坡度值加以确定。当土体较弱而且坡顶无堆积荷载且坡底无地下水时，放坡坡高和坡度可按表2-3-2所列的值选取。,4.3 基坑边坡失稳的防止措施,1.边坡修坡 改变边坡外形，将边坡修缓或修成台阶形（图2-3-16），这种方法的目的是减少基坑的下滑重量，因此，必须结合在坡顶卸载（包括卸土）才更有效果。,2.设置边坡护面 设置边坡混凝土护面，可采用普通混凝土或喷混凝土，控制地表排水渗入边坡内部，从而减少水的因素导致土体软化和孔隙水压力上升的可能性，护面可以作成10cm混凝土层，为增加边坡护面的抗裂强度，内部可配置一定的构造钢筋（如6 300）。,3.边坡坡脚抗滑加固 当基坑开挖深度大，而边坡又因场地限制不能继续放缓时，可以通过对边坡抗滑范围的土层进行加固（图2-3-18),方法有设置抗滑桩或采用旋喷法、分层注浆法、深层搅拌法等加固。,采用抗滑桩加固方法的时候必须注意加固区应穿过滑动面并在滑动面两侧保持一定的范围。一般情况下，对于混凝土抗滑桩，此范围应大于倍桩径。,第五节 排桩式支护结构,5.1 排桩支护结构的形式 柱列式 连续排桩 组合式排桩,排桩式基坑支护结构 悬臂式支护结构当基坑开挖深度不大时，即可利用悬臂作用挡住坑壁土体。单支撑支护结构当基坑开挖深度较大时，不能采用无支撑支护结构，这时可以在支护结构顶部附近设置一支撑（或拉锚）。多支撑支护结构当基坑开挖深度较深时，可设置多道支撑，以减少支护结构的内力。,1.悬臂排桩支护结构的设计计算（）静力平衡法,求解上述四次方程，即可得板桩嵌入深度d点以下深度t值。为安全起见，实际板桩嵌入基坑底面以下的入土深度为 t u 1.2t0（2-3-50）,计算板桩最大弯矩根据最大弯矩的作用点，应是结构断面上剪力为零的点，例如对于均质非粘性土，如图2-3-21所示，当剪力为零的点在基坑底面以下深度为b时，即有,（）Blum法 Blum建议以图2-3-22d代替图2-3-22c，即原来出现的被动土压力以一个集中力 代替并作用于板桩下端C处，如图2-3-24所示。,2.单撑（锚）排桩支护结构计算较浅的基坑，板桩可以不加支撑，靠入土部分的土压力来维持板桩的稳定，如上述的悬臂桩。但基坑开挖较深时，则需要根据开挖深度、板桩的材料和施工要求，设置一道或几道支撑，当基坑特别宽大或者不允许被水平横撑阻挡时，可采用拉锚来代替横撑。,（）单撑浅桩计算,当板桩入土深度较浅，顶端有拉锚或横撑时，可把板桩上端当作简支，下端作自由支撑，将板桩作为单跨简支梁，这时，作用在墙后的土压力为主动土压力，而墙前为被动土压力。,（）单撑深桩计算,作用在板桩上的不仅有土压力，还有由于板桩变形、在土与桩之间相对位移，因而土墙之间产生摩擦，由于桩前破坏，土棱体向上移动而板桩相对土产生向下的摩擦力，此摩擦力阻止破坏棱体的滑动，于是桩前被动土压力因之有所增大，而桩后填土由于土体的破裂而向下移动，使桩对土产生向下的摩擦力，将桩前及桩后的被动土压力分别乘上修正系数，而为了安全起见对主动土压力不予折减，现以k、k分别代表桩前和桩后被动土压力增减系数，则作用在板桩墙上的被动土压力系数，按下列公式计算：,相当梁法计算单撑（描）板桩支护结构的步骤如下：计算板桩上各点处受的主、被动土压力强度，并给出土压力分布图，计算时墙前及墙后被动土压力分别乘以修正系数k和k，如图 所示，暂不管t以下深度的土压力情况。计算板桩墙上土压力强度值等于零点离基坑底面的距离y，在y处墙前被动土压力与墙后主动压力强度相等，即,y的值既已求得，则相当梁的弯矩可按一般简支梁求得，同时也求得作用于深度y处的反力P0 和锚杆拉力（或横撑力）Ra。用下式求板桩墙的最小入土深度t0，即,实际板桩墙下端系位于x深度之下，如图2-3-25c所示，因此，板桩墙的入土深度为,单撑（拉锚）支护结构的最大弯矩发生在剪力Q 处，Q 处近似于深度y处（主动土压力强度相等处），由 M0=可得Mmax，弯矩图可按静力平衡条件求得。实践证明，用相当梁法计算所得的跨中弯矩比实际的大得多，因此在实际使用时用一个经验弯矩折减系数修正所求得的最大弯矩Mmax，该系数在0.6-0.8 之间，一般取0.74，即M（0.6-0.8Mmax，但对锚杆而言，计算结果没有富余的安全度，且由于土压力重分布，锚杆松紧程度不一致，使锚杆受力不均匀，因此实际设计时将锚杆拉力（或横撑力）加大35-40。,3.多撑支护板桩计算（）腰梁间距的布置 等弯矩布置从发挥板桩的最大强度出发，如果能将腰梁布置成使板桩各跨度的最大弯矩相等，且等于板桩的设计抵抗弯矩，则设计出来的板桩墙显然是最经济的，其设计步骤是：先任选一种类型板桩，可知其横截面是W，然后根据梁的设计可抵抗弯矩，按如下公式求解板桩顶部悬臂的允许最大高度h：,板桩实际上是一个承受三角形分布荷载的连续梁，在支承点上可以近似地假定不转动，这样可以求出各支点最大弯矩都等于Mmax时，其他各跨间距，其值表示于图2-3-26a。如果这样算出的腰梁层次过多或过少，则可另选板桩尺寸，即可近似计算作用于腰梁上的均布水平反力Pn，一般可用以下两种近似方法计算其反力Pn。a假定土压力按三角形分布，相邻两跨上的半跨土压力由该支点承担，见图2-3-26b。,b按支座系统的土压力呈梯形分布图计算，腰梁上的均布反力也可以用比较精确的方法计算，如图2-3-27所示。即把板桩当作连续梁，腰梁为其支座，该梁的各支座反力即为作用于腰梁上的均布力。求得作用于腰梁上的均布荷载P后，再根据腰梁上各杆件的连续情况，就可计算梁中的最大弯矩与剪应力，进行腰梁的截面设计。,等反力布置等反力布置是使每层腰梁所受的反力全部相等。用连续梁法解得各跨间距如图2-3-27所示,实际设计板桩支护时，常因施工时各种原因不能按上述要求布置支撑，而是根据具体情况考虑到各方面的因素进行合理布置，然后把板桩当作连续梁，用力矩分配法求算弯矩和反力，具体计算可参照“结构力学”教材中的有关连续梁的内力计算进行。,（）板桩入土深度计算 板桩底端支承情况视其入土深度而定。如果板桩打入坑底的深度大于x，如图2-3-28则可假定板桩入土部分的某一点为固定点，并根据板桩所受的主动土压力和被动土压力求得G点处（即最后一层腰梁的位置）作用在板桩上的弯矩。,4.板桩支护的稳定验算（）基坑底隆起验算,地基稳定验算法图2-3-29b所示为进行地基隆起验算的示意图，假定在坑壁重量为W的土柱作用下，其下的软土地基沿某圆柱面BD弧发生破坏和滑动，失去稳定的地基土绕圆柱面中心轴O转动，则转动力矩为,上述验算公式未考虑土体与板桩间的摩擦力，也未考虑垂直面AB上土的抗剪强度对该面内土体下陷的阻力。,地基强度验算法这种计算方法的示意图如图2-3-30所示，在坑壁土柱作用下，下面的软土地基如果没有板桩式硬层阻碍，其破坏和滑动是沿着圆柱面BD弧及斜面DO弧发生。,如果基坑两侧软土地基的破坏和滑动受到板桩阻碍，则板桩处于受力状态，取坑壁下的扇形土块OBF为自由体，并对O点取矩，测得平衡条件。若作用在板桩侧面的单位面积压力为ph，则得下式：,如果作为悬臂梁的板桩入土部分在荷载pv 作用下发生挠曲破坏，则坑底以下土体也将破坏而隆起。如果板桩下端打入硬土层，则由于硬层的支承作用将使最大挠曲力矩减小，若考虑坑壁土与板桩间的粘着力则pv 也会减少，但这些都会对土体的安全有利。,式中，由于D减小而c不变，则pv 也减少，即ph 也就减小，ph 及pv 因而也都会减小，这对于坑底土体的稳定安全也是不利的。,（）基坑渗透稳定性验算（流沙或管涌验算）,图2-3-32表示由于在基坑内边沟排水出现水头差h，产生由高处和低处的渗流，经过板桩下端土层渗流向上，到达坑底后汇于边沟进入集水井，而泵抽走，因此坑底下的土处于浸没于水中的状态，其有效重度为浮容重，当向上的渗流力或动水压力j 达到能够抵消土粒的有效重度，即时，土粒就处于“浮扬”或“翻腾”状态，要避免这种现象，就应该满足,根据试验结果，流沙现象首先发生在离坑壁大约等于板桩深度一半的范围内，由于板桩是临时结构，为简化计算，可近似地取最短路程，即紧贴板桩位置的线路，来求得最大渗流力,如果坑底以上土层为粗粒硬石层、松散填土或多裂隙土等，在坑壁一侧的水流经此层的水头很少，可忽略不计，则条件式简化为,第六节深层搅拌桩支护结构,6.1 深层搅拌桩的支护结构的设计,1.功能 搅拌桩支挡结构在基坑工程中有两方面的功能，一是维护坑壁土体稳定，二是阻止地下水流入基坑内的防渗作用。,2.搅拌桩支挡结构的设计原则 搅拌桩是由水泥土（或石灰土）经搅拌凝固形成的一种具有一定脆性特性的材料，其抗压强度比抗拉强度高得多，在工程中应充分利用其抗压强度高的优点，因此搅拌桩支挡结构就是这种类似“重力式挡墙”的结构，它利用自身重力，抗压而不抗拉，在进行结构设计时，应综合考虑以下几点：基坑的形状和尺寸，开挖深度。工程所在处的工程地质和水文地质条件：土层分布及其物理力学性质，地下水情况。基坑周围的环境条件及建筑，道路交通和地下管线情况。施工中地面堆载，施工车辆机械的影响。,3.搅拌桩支挡结构设计计算（）搅拌桩的破坏模式,倾覆式如图2-3-34a所示 地基整体破坏如图2-3-34b所示 墙趾外移破坏如图2-3-34c所示,（）搅拌桩的计算根据地质条件和基坑开挖深度，可按经验确定搅拌桩墙的宽度和插入深度为,搅拌桩支护结构的计算内容包括整体稳定、抗倾覆、抗滑移、抗渗及墙体应力验算等，图2-3-35为支挡结构的计算简图。,土压力计算计算中考虑粘性土的内摩擦角和凝聚力c 的影响，为简化计算，对成层分布的土体，将墙底以上各土层的物理力学指标、c、按层厚加权平均计算。,抗倾覆计算如图2-3-35所示，按重力式挡土墙计算墙体绕前趾A的抗倾覆安全系数：,计算墙体自重时，可取其平均重度0 18-19kN/m3。对于软弱地基，为安全起见，可不计墙体自重的抗倾覆作用，即取1/2BW=0安全系数一般取Kd 1.0-1.1，也可根据同类工程经验选取。,抗滑移计算按重力式挡土墙计算墙体沿底面滑动的安全系数，即,由于搅拌成桩时，水泥和墙底土层拌和，0 和c0可取该土层试验指标的上限值，Kc可按同类工程选取，或者应取Kc 1.0-1.2。,墙身应力验算墙体的验算截面处的法向应力和切应力按下式进行：,对于格栅式布置的水泥土挡墙，进行正应力验算时，取水泥土的净截面作为有效计算截面，不计算桩间土的面积，为简化计算可取B（为墙体截面水泥土置换率）作为墙宽计算截面积与惯性矩。墙体切应力应满足如下要求,应力验算截面一般为坑底截面或墙体变截面处，如果应力验算不满足要求，可加大围护结构的厚度。,整体稳定性验算搅拌桩支挡结构多建在软土地基上，墙前、墙后又有显著的地下水位差，墙体的整体稳定计算是设计的一项主要内容。整体稳定性验算时，将滑动土体与搅拌桩支挡结构作为一个整体考虑，采用圆弧滑动法计算，计算简图如图2-3-35所示，稳定安全常数采用总应力法计算，即,一般最危险滑弧在墙底以下0.5-1.0 m位置，当墙底土层很差时，危险滑弧的位置还会深一些。水泥土桩采用格栅布置时，水泥土的置换率对于淤泥不宜小于0.8，淤泥质土不宜小于0.7，一般粘性土和沙土不宜小于0.6。水泥土桩与桩之间的搭接宽度应根据挡土及截水要求确定，考虑截水作用时，桩的有效搭接宽度不宜小于150mm，当不考虑截水作用时，搭接宽度不宜小于100mm,二、深层搅拌桩支护结构的施工简介,1.施工机械,2.施工工艺,桩架定位 预搅下沉 制备水泥浆 喷浆并搅拌 重复搅拌或重复喷浆 移位,3.施工质量控制,成桩施工期的质量检查 施工记录 强度检验 基坑开挖期的检验,第七节深基坑的土层锚杆支护结构和土钉墙结构,7.1 土层锚杆支护结构,1.锚杆的构造及类型 土层锚杆支护结构通常可分为两部分，即挡土结构与土层锚杆系统两部分。,2.土层锚杆的设计,进行土层锚杆设计，应满足如下要求：锚杆（索）本