地下工程施工与管理-基坑支档开挖.pptx

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支挡基坑开挖,地下工程施工与管理,西南交通大学土木学院2006年8月,第二章基坑支档开挖,井点,纵梁,横撑,支档结构,地下水面,地下工程,支挡基坑开挖,第二章基坑支档开挖,上海地铁2号线河南路站施工现场,支挡基坑开挖,一、基坑支挡开挖分类,简易支撑,桩板支撑,预制砼支撑,钢档板支撑钢管档板支撑,木板纵梁I、H钢挡板,柱列式,壁式,灌注桩,地下连续墙,稳定液固化墙,搅拌水泥土墙,支挡结构,预制方式,现浇方式,支挡基坑开挖,二、支挡结构形式简介

（1）,支挡基坑开挖,1、简易支挡一般用于局部开挖、短时期、小规模。

方法：

一边自稳开挖，一边用木挡板和纵梁控制地层坍塌。

特点：

刚性小、易变形、透水。

二、支挡结构形式简介

（2）,2、桩板支挡以I、H型钢为主桩，间距12m。

方法：

机械打入地层中、或钻孔修筑；随着开挖在主桩间插入挡板。

用于良好地层的浅层开挖。

特点：

刚性小、透水、插入基底部分是不连续的,支挡基坑开挖,二、支挡结构形式简介（3）,3、钢挡板支挡采用U、Z、H等型状的钢挡板。

方法：

一边在接头处接合，一边连续机械打入地层中，或钻孔修筑、压入等方法形成连续壁。

特点：

隔水性好、插入基底部分是连续的，可用于软弱地层施工，施工噪声大。

支挡基坑开挖,二、支挡结构形式简介（4）,4、钢管挡板支挡在钢管侧部设接头，一边与接头接合，一边连续打入地层中，形成连续地中壁的方法。

一般要开挖定为沟，宽度为1.2m，深度为1.21.8m。

特点：

不透水、插入基底部分是连续的，刚性大于钢板，适合于软弱地层大规模开挖，为提高刚性，可向钢管内灌入混凝土或砂浆等。

打入地层噪声大。

支挡基坑开挖,二、支挡结构形式简介（5）,5、柱列式地下连续墙是用钻孔机械钻孔，在其中放入钢筋笼、H、I等型钢，并灌注砂浆，形成地下连续墙。

该方法修筑的支挡结构刚性大、震动小、噪声低，适用于城市中修筑地下工程。

支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算

（1）,支挡基坑开挖,1、设计内容与原则内容：

围护结构、支撑系统、挖土方案、换撑措施、降水方案、地基加固等。

是互相关联的。

原则：

安全经济可靠实用简便,三、支挡结构的设计与计算

（2）,支挡基坑开挖,前期工作：

1）了解工程环境、熟悉工程设计意图2）了解施工条件，研究工程地质及工程水文情况设计与规划：

3）围护结构形式及支撑体系的规划制定（根据工程需要和开挖深度，初拟入土深度、结构形式和尺寸）地层中水、土压力，地面超载，反力系数k的确定（砂性土：

水、土分算；黏性土：

水土合算）围护结构入土深度的决定稳定性分析（整体、隆起、涌管、底鼓、槽壁的稳定性验算）修正围护结构的形式（包括增加支撑、入土深度、地基加固、降水等）,三、支挡结构的设计与计算（3）,围护结构计算：

7）内力计算、强度验算变位计算允许值？

编制施工用图：

9）施工图设计施工说明细部设计施工12）施工交底,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（4）,3、荷载计算1）土压力与围护结构的变位关系,静止土压,开挖后的静土压,支撑变位,变形后的土压,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（5）,2）粘土地层产生的侧压力渗透系数小，地下水溶于土中，计算时采用水土合算，一般采用朗金土压力公式：

主动土压力：

（kPa）,Pbrihitg2（450-i/2）-2citg（450-i/2）被动土压力：

Pprihitg2（450+i/2）-2citg（450+i/2）,（kPa）,ri-各土层的天然容重（KN/m3）hi-各土层的厚度（m）ci、i-各土层的粘聚力（kPa）,内摩擦角（0）,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（6）,3）砂性土地层产生的侧压力渗透系数大，将水土分开计算，土压力采用朗金土压力计算；水压力采用全水压力计算。

土压力：

Pbrihitg2（450-i/2）-2citg（450-i/2）（kPa）ri-地下水以上土层用天然容重；地下水以下用浮容重；（KN/m3）hi-各土层的厚度（m）ci、i-各土层的粘聚力（kPa）,内摩擦角（0）水压力：

（1）作用于围护结构上的净水压力，墙底处水压力为零。

支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（7）,

（2）渗透情况下的水压力,UC,j,i,H,d,UC=2（H+i-j）（d-i）/（2d+H-i-j）rwrw水的容重,j,i,H,d,Uc,Ucrw（H+d-j）,rw（d+i）,UC=2（H+d-j）（d-i）/（2d+H-i-j）rw（图中实线为稳定的水压）,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（8）,4）地面超载引起的侧压力

（1）均布荷载产生的侧压力,

（2）集中荷载产生的侧压力m0.4时h（1.77V/H2）m2n2/（m2+n2）2m0.4时h（0.28V/H2）n2/（0.16+n2）2,q,h,hqtg2（450-i/2）,（kPa）,H,Z,h,V,集中荷载,X=mH,支挡基坑开挖,Z=nH,三、支挡结构的设计与计算（9）,（3）线荷载产生的侧压力m0.4时h（4/q/H）（m2n）/（m2+n2）2,m0.4时h（q/H）0.203n/（0.16+n2）2,H,Z,h,q,线荷载,X=mH,支挡基坑开挖,Z=nH,三、支挡结构的设计与计算（10）,5）、地层反力系数的确定单道及多道支撑的围护结构，内力计算一般采用竖向弹性地基梁方法。

即：

x=kxx基坑开挖面以下土层的水平抗力x等于该点地层反力系数kx与该点水平位移x的乘积。

kx一般采用三种不同形式：

常数法,支挡基坑开挖,m法,k法,三、支挡结构的设计与计算（11）,支挡基坑开挖,常数法假定地层反力系数沿深度方向均匀分布，是我国学者张有龄30年代提出的；偏于安全。

m法假定kx随深度呈正比增加。

k法假定第一横向位移点以下为常数，以上呈正比增加。

地层反力系数kx值,三、支挡结构的设计与计算（12）,6）围护结构稳定性分析入土深度的确定为保证基坑的稳定性，支挡结构必须深入到基底以下某一深度，这段长度称为入土深度。

为了节省工程造价，在保证安全的前提下，应尽量减少入土深度。

入土深度不够，出现的工程问题主要有：

整体失稳、隆起失稳、管涌失稳、底鼓失稳等。

不透水层,支撑强度刚度不够,支挡基坑开挖,整体滑动失稳,踢脚引起隆起失稳,管涌失稳,承压水引起底鼓失稳,三、支挡结构的设计与计算（13）,讨论：

对于第一种情况，只要保证支撑强度和刚度。

按抗基坑整体滑动失稳的稳定条件，确定入土深度有关边坡稳定计算方法，土力学中已介绍，不再复述。

主要介绍绕某点的整体失稳验算方法：

在整体失稳时，坑底被动侧产生被动土压力，则：

安全系数为：

a,求P时，不计上部土压力。

Pp,支撑点,支挡基坑开挖,F=（PpLp）/（PaLa）（1.051.2）LpD,La,Pa,三、支挡结构的设计与计算（14）,（3）根据基坑隆起的稳定性条件确定入土深度产生隆起失稳，取决于地质条件，入土深度，结构形状等。

经验公式、方法较多，只介绍考虑C、的抗隆起法：

同时考虑C、时，参考Prandtl、Terzaghi的地基承载力公式，有下列抗隆起安全系数经验公式：

Ks=（r2DNg+CNc）/r1（H+D）+q1.72.5,D-入土深度（m）H-开挖深度（m）r1-坑外各层天然容重点加权平均值（kN/m2）r2-坑底下各层天然容重点加权平均值（kN/m2）C-坑底下的内聚力（kN/m2）,q,-地面荷载（kN/m2）,Ng、NC-地基承载系数,B,H,D,r2D,r1（H+D）+q,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（15）,支挡基坑开挖,用Pranddtl:

Nq=tg2（450+/2）tgNC=（Ng-1）1/tg用Terzghi:

Ng=e（3/4/2）tg/cos（450+/2）NC=（Ng-1）1/tg要求：

K1.72.5本方法可适用于各类土质条件。

三、支挡结构的设计与计算（16）,降低动水坡度，因此，增大入土深度对防止管涌是有利的。

目前使用较多的是如下经验式：

流线,支挡基坑开挖,（4）根据抗管涌的稳定条件确定入土深度当基坑面以下的土为松软的砂土层时，没有向上的渗透水压，由此产生的动水坡度大于砂土层的极限动水坡度时，砂土颗粒就处于冒出状态，基坑底面丧失稳定，这种现象称为管涌。

增大入土深度，即增加流线长度，hw,D,砂性土,三、支挡结构的设计与计算（17）,支挡基坑开挖,当符合下列条件时，基坑稳定，不会发生管涌。

KsiicKs=1.52.0i动水坡度i=hw/Lhw-坑内外水头差（m）L-产生水头损失的最短流线长度（m）,Lhw+2Dic=（Gs-1）/（1+e）,-极限动水坡度e-土的孔隙水,Gs-土颗粒密度,三、支挡结构的设计与计算（18）,抗底鼓稳定性分析当土重不足以抵挡下部水压时，基底隆起，墙体会失稳。

稳定性验算按下列规则进行：

a.考虑上覆土重量与滞水层水压的平衡。

当安全系数1.05时，不会产生隆起。

b.不满足时，可考虑上覆土重量与支护结构摩擦力与滞水层的平衡。

摩擦力一般由工程条件确定。

土作用于支挡结构上的正压力采用主动土压力。

偏于安全c.若还不满足，应采用其它工程措施防止失稳。

如：

用隔水挡墙隔断滞水层、用深井点降水、用抗拔桩等。

有压水,支挡基坑开挖,滞水层,不透水层,底鼓,三、支挡结构的设计与计算（19）,4、支挡结构的计算方法

（1）计算工况,二道支撑,一道支撑,一道支撑,一道支撑,底板混凝土,底板混凝土,顶板混凝土,支挡基坑开挖,开挖至第一支撑点,开挖至第二支撑点,开挖至基底,底板浇注、折第二支撑,顶板浇注、完毕,三、支挡结构的设计与计算（20）,支挡基坑开挖,计算方法有四大分类古典方法：

假想梁法、1/2分割法、太沙基法等特点：

土压力已知，不考虑墙体变位和支撑变形。

2）支撑轴力、墙体弯距、变位不随开挖过程而变化方法山肩帮男法特点：

土压力已知，考虑围护结构变位，不考虑支撑变形3）支撑轴力、墙体弯距、变位随开挖过程而变化的方法弹性法、弹塑性法、塑性法、叠加法特点：

土压力已知，考虑围护结构变位，不考虑支撑变形4）共同变形理论森重龙马法等特点：

土压力随墙体变位而变化，考虑围护结构变位，考虑支撑变形介绍几种常用的方法。

其它参考有关专著。

三、支挡结构的设计与计算（21）,（3）假想梁法（又称等值梁法）假定：

挡墙在基底以下有一假想铰，假想铰将挡墙分为二段假想梁，上部为简支梁，下部为一超静定结构，可求挡墙内力。

该方法关键问题为假想点的位置，一般有三种方法。

假定为被动土压力的合力点；假定为主、被动土压,力相等的点；c.采用工程经验建议值。

假想铰位置,假想铰位置,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（22）,支挡基坑开挖,工程建议值,三、支挡结构的设计与计算（23）,跨中那部分水土压力。

则：

每道支撑就等于所分担的水土压图面积，在支撑轴力确定后，不难求出围护结构的内力。

L1一支撑L2/2,L2/2二支撑L3/2,3,L/2,（4）1/2分割法假定：

每道支撑承受跨中到水土压力图,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（24）,（5）太沙基法假定：

挡墙受力后，在每道横支撑交点以及基底处形成塑性铰。

注意：

（第一道横支撑除外）由此挡墙成为静定的连续梁。

可计算内力。

一支撑,二支撑,水土压力,支挡基坑开挖,三、支挡结构的设计与计算（25）,（6）弹性法：

基本点：

a.考虑支撑弹性变位。

支撑刚度K=EA/SL,A支撑截面积（m2）E支撑弹模（KN/m2）L支撑长度的一半（m）S支撑间距（m）,主动侧土压力已知，（开挖面以上为三角形分布，以下为矩形）基底下被动土压抗力，符合ky（扣除主动三角形土压力后）挡墙结构作为有限长弹性体，墙底可以自由、铰结、固定。

根据计算图示，可计算出围护结构内力。

支撑弹簧,土体弹簧,KY,支挡基坑开挖,四、支挡结构的施工

（1）,支挡基坑开挖,1、桩板支挡施工基本方法：

以I、H型钢为主桩，一般采用50#、55#和60#的大型型钢，按设计位（一般桩间距12m）。

基坑开