8深基坑支护虚拟仿真实验Word文件下载.docx
《8深基坑支护虚拟仿真实验Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《8深基坑支护虚拟仿真实验Word文件下载.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基坑北侧停车场在基坑开挖及使用期间严禁使用。
其余部位基坑深度1.5m范围内地上无建筑物、构筑物,地下无管线等。
根据拟建基坑和周围环境情况，需对该基坑进行支护。
基坑支护设计采用护坡桩加锚索形式支护。
实验材料主要采用土层参数、基坑表明荷载、锚杆参数等。
主要设计参数如下表。
根据基坑周围环境情况，同剖面对于的荷载不同，选择其中一种情况进行设计。
三、实验原理
图1为深基坑支护设计程序，在本虚拟仿真实验中，主要原理包括:
（1）根据场地的工程地质资料，土的工程性质，周围环境条件，以及当地工程经验，合理选用深基坑支护结构形式;
（2）选取典型剖面，确定计算剖面的土层计算参数和结构材料参数，对深基坑支护结构进行强度和稳定性验算，分析深基坑开挖和支护过程中的受力和变形状态，提出深基坑预警值;
.
（3）根据信息化施工的要求确定深基坑开挖和支护过程中的监测量和监测方案，布置监测点;
（4）对深基坑开挖和支护全过程进行实时监测，根据监测的地表沉降、支护结构的水平位移等信息,决定是否需要修改设计,对深基坑工程可能发生的事故，提出应急处置措施并指导深基坑的安全施工。
2.4.1场地与深基坑的基本参數
（1）基坑侧壁安全等级、支护结构设计使用年限;
（2）基坑深度、基坑长度和宽度。
基坑附加荷载的类型、位置等;
（3）土层参数:
岩土层类型、岩性、地下水位、厚度、黏聚力、内摩擦角和重度;
（4）护坡桩设计参数:
桩径、桩间距、混凝土标号;
（5）护坡锚索设计参数:
锚索位置、水平倾角、水平间距、竖向间距;
2.4.2计算支护结构上的土压力
图2为作用在支护结构.上的土压力示意图。
（1）对地下水位以上或水土合算的土层（图2所示）
在支护结构外侧第i层:
士中的某点的主动土压力、被动土压力可按下式计算:
（2）水土分算的土层（2所示）
（3）土中某点的竖向应力标准值的计算
（4）附加荷载下结构外侧土中的附加竖向应力的确定（图3所示）。
（5）当支护结构的挡土构件顶部低于地面，其上方采用放坡时，挡土构件顶面以上土层对挡土构件的作用宜按库仑压力理论计算，也可将其视作附加荷载并按下列公式计算土中附加竖向应力标准值。
2.4.3计算支护结构内力计算
2.4.3.1等值梁法
对于下端为弹性支撑的单支撑挡墙其净压力零点位置与弯矩零点位置很接近，因此可在压力零点处将板桩划开作为两个相联的简支梁来计算。
这种简化计算法就称为等值梁法，其计算步骤如下（图5）
（1）根据基抗深度、勘察资料等,计算主动土压力与被动土压力，求出土压力零点B的位置，）计算B点至坑底的距离u值;
（2）由等值梁AB根据平衡方程计算支撑反力Ra及B点剪力QB;
（3）由等值梁BG求算板桩的入土深度;
（4）由等值梁求算最大弯矩Mmax值。
（5）根据图6计算各施工阶段的内力和支撑力
2.4.3.2弹性支点法
图7为弹性抗力法计算图示。
主要步骤包括:
（1）主动土压力计算。
（2）基坑开挖面以下的支护结构受到土体的抗力用弹簧模拟:
P:
bo;
（3）支锚点按刚度系数为k的弹簧模拟;
（4）按上述模式计算出最大弯矩和水平位移;
（5）确定桩的配筋和锚固参数。
2.4.4计算支护结构稳定性分析
（1）基坑整体稳定性（边坡稳定、倾要稳定、滑移稳定）;
（2）支护结构踢脚稳定性;
（3）基坑底抗隆起稳定性;
（4）基坑抗渗稳定性。
2.4.5地表位移监测和支护结构水平位移监测
图中，Fw为支护结构及横向变形包围的面积;
Fs为地面及其沉降曲线包围的面积。
（1）计算支护结构的横向变形曲线;
（2）计算支护结构及横向变形曲线包围的体积Vw;
（3）计算地面沉降影响的距离D:
D=H1tan（45°
-φ/2）
式中，D为地面沉降影响距离;
H1为支护结构的长度;
φ为内摩擦角;
计算基坑边出的地面沉降值:
式中,δav（0）为基坑边缘处地面沉降值;
其期符合同前。
（4）计算沉降影响范围（距离坑边x处）的地面沉降:
（5）施工降水引起的地面沉降:
（6）开挖基坑时基坑周围地面沉降值:
2.4.6深基坑信息化监测
2.4.6.1结构内力监测
（1）维护结构顶部水平位移和垂直位移监测
水平位移监测:
主要使用全站仪及配套棱镜组等进行观测。
垂直位移监测:
参考地表沉降监测。
（2）支撑轴力监测
钢支撑:
采用钢弦式频率轴力计;
混凝土支撑:
采用钢筋计。
（3）维护结构体及坑外深层土体水平位移（测斜）
维护结构体:
一般采用绑扎法固定在钢筋笼上与其一起沉入孔（槽）中，长度基本与钢筋笼等长。
坑外深层士体:
采用地质钻机在地层中钻孔，孔深通常大于维护结构3~5m,孔径略大于所采用的测斜管的外径，然后将测斜管封好底盖逐节放入孔中。
在基坑开挖前，完成测斜数据初始值测定工作，并确定初始值。
（4）基坑隆起
采用回弹标钻孔埋设法，深度应在开挖面以下0.3~0.5m,回弹标上部回填1m高的白灰后再填砂。
位移计采用类似埋设方法，仪器电缆线需要埋管保护。
2.4.6.2环境监测
（1）道路路面、地表沉降监测
一般采用精密水准仪进行监测，测量精度须高于1mm,要求在基坑施工之前一个月埋设好水准点。
硬化路面地表沉降点的布设，可在地表打入钢筋至原下卧层，钢筋与表面硬化路面脱离，空陳处用细砂回填，并加以保护。
（2）地下水位监测
测控埋设地质钻钻孔，孔深根据设计要求确定。
成孔后，放入裹有滤网的水位管。
（3）压力监测
围护结构上的压力监测目的:
验算围护结构的土压力理论分析值及分布规律。
工程上一般采用挂布法埋设压力盒。
先用帆布制作一幅挂布，在挂布上缝有安装压力盒的布袋，布袋位置按设计深度确定;
将挂布绑在钢筋笼外侧，并将带有压力囊的土压力盒放入布袋中，压力囊朝外，导线固定在挂布上引至围护结构顶部;
放置土压力计的挂布随钢筋笼-起吊入槽（孔）内;
混凝土浇筑时，挂布受到流态混凝土侧向推力而与槽壁士体紧密接触。
（4）周边建（构）筑物变形监测
在建筑物的四角、大转弯处、每10~20m处（或每隔2~3根承重柱上）布置沉降监测点。
建筑物倾斜测点可通过在建筑物表面粘贴刻有十字刻度的贴片进行布设。
与地表沉降方法相同。
建筑物倾斜监测通常采用差异沉降法。
沉降和差异沉降导致建筑物产生裂缝。
通过直接观测法和裂缝观测仪进行裂缝宽度测读。
（5）地下管线变形监测
把监测点布设时应把测点加固到地面以上并加盖保护。
同地表位移监测。
2.3.7深基坑工程紧急预案
基坑施工应根据围护结构设计施I图编制降水方案、坊开挖及支撑施工方案，明确施I过程中结构及环境响应的控制目标及控制阈值，通过信息化监测，实施过程控制。
同时根据施工风险做好紧急预案。
2.3.7.1监测方案
（1）确定监测项目与预警值
表1为根据相关规范及设计要求对该基坑进行的监测项目提出报警值。
在基坑施工的全过程，应对基坑支护体系及周围环境安全进行有效的监测，目的是为信息化施工提供参数。
监测的内容包括:
结构内力、位移监测和环境监测，环境监测包括基坑周边土体及重要建筑物位移、变形监测和地下水位变化监测等。
在传统的监测方法基础上，在基坑边坡侧向压力的监测中引入了光纤光栅技术。
通过在基坑边坡土体下埋设光纤光栅传感器，组建成信息化的监测网络，实现了在线、动态、实时监测，及时预警。
本监测位置如下图12所示。
地下水位观察井兼回灌井（深8.0m,供4眼）;
降水井（深19.5m,共48眼），内径400mm,外径700mm;
集水井（深0.5m,共10眼）,内径400mm,外径700mm;
应在水泥土桩施工完成至少3d后进行抽水作业，基坑开挖前应将地下水位降至开挖面以下至到少1.0m;
基坑施工和使用过程应对地下水位进行监测，地下水位变化累计值达到1000mm,变化速率达500mm/d时报警,并采用回灌措施。
护坡桩项位移观测点;
周围建筑物变形及底面沉降观测点;
护坡桩深层位移观测点。
（3）监测数据采集与分析
采用光纤光栅传感技术对基坑工程进行远程实时监测，主要监测支护结构的水平变形和竖向变形、基坑周围土体及重要建筑位移和变形的监测、地下水位监测等。
现场实时监测数据采用GPRS无线传输，其原理图如13所示:
图20~图26为典型测点得到监测曲线。
根据监测曲线和速度对基坑工程的安全性进行评价。
2.4.7.2深基坑工程应急处置
（1）管线及建（构）筑物变形过大的预防及应对措施
1）管线及建（构）筑物出现监测报警值，应即刻停工,采用相应措施后再施工。
管线沉降过大时，应对管线范围内的土体进行加固。
采用双液浆加固。
加固过程中要对建（构）筑物进行监测，及时调整注浆参数。
2）管道漏水。
采用填充注浆进行土体加固，在渗漏部位附近，用水泥浆进行压密注浆。
（2）围护结构变形过大的应对措施
1）对围护结构变形较大的区域如基坑支护结构出现较大的变形或“踢脚”变形时，采用边坡顶卸荷的办法;
如果具备条件也可以采用增加临时支撑等直接抑制变形的措施。
2）针对性化小施I段,以达到减少基坑暴露时间及支撑形成的时间，并优先形成对称支撑。
3）如已经开挖到底，在沿坑边范围内适当加厚混凝土垫层。
提高混凝土标号及惨早强剂,视需要可考虑配筋，混凝土垫层直接抵住地墙。
4）减少基坑一次暴露的面积，且暴露时间不直过长，调整挖土顺序，隆起过大的区域不宜卸荷太早，并优先形成底板。
5）如果士体出现整体或局部土体滑移时，基坑坍場或失稳征兆明显时，必须采取果断回填土、砂或灌水等措施，在最短的时间内迅速将基坑回填到安全面。
（3）基坑隆起的预防及对应措施
回弹、隆起变形，其回弹量的大小与地质条件、基坑面积大小、围护结构插入土体的深度、坑内有无积水、基坑暴露时间、开挖顺序、开挖深度以及开挖方式有关。
1）分段开挖、分段浇筑垫层，以减少基坑暴露时间。
2）发生坑底隆起险情:
挖去坑外-定范围内的土体，从坑外卸荷;
3）坑内堆载或通过加固等措施加深围护结构,达到防止坑外土向内挤压的目的;
4）坑底受到承压水影响造成隆起，适当增加坑内或坑外降水措施，尽量采用坑内降水，以防止降水对周围建筑物的影响;
隆起严重时采用回填土或回灌措施后，再采用上述方法。
（3）基坑渗漏水的预防及对应措施
原因:
围护结构缺陷、水泥搅拌桩搭接不顾、止水帷幕出现部分薄弱部位、止水帷常深度不够等。
1）降水过程密切关注坑外观测井水位，判断止水帷常漏水情况。
对可能渗漏的部位进行封堵,然后在进行土开挖;
2）开挖过程发生渗漏，随挖随堵。
3）当渗漏较为严重时，在坑内向填土封堵水流,在坑外采用注浆（聚氨酯或双液浆）进行封堵
（5）流砂及管涌的应急处理
1）轻微流砂,在基坑开挖后可采用加快垫层浇筑或加厚垫层的方法“压注”流砂;
2）对于较严重的流砂，增加坑内降水措施，使地下水位降至坑底以下0.5~1.0m。
3）管涌发生后，应立即停止开挖并加强基坑监测重点观测坑外水位和地面沉降,开动坑外备用降压井,并坑内降压井的降水。
4）若管涌或渗漏较轻,采用双液浆法坑外堵漏，也可采用坑外增加深井降水，降低地下水位。
（6）地勘孔突涌的应急处理
1）准备好水泵、引流管、软管等应急处理工具。
2）如果发生突涌，应立即在冒水处上方用钢管搭设脚手架，用于引流管、塑料软管固定安装，同时作为抢险平台。
将引流管套上勘探孔管并插入土中，入士1.0m以上。
如承压水为过高，可套上塑料软管继续加高。
尽量不免抽取承压水来降低承压水水位。
冒水控制后，采用双液注浆工艺，采用快硬泥浆，掺加3%的水玻璃将勘探孔封闭。
2.4.8深基坑开挖与支护施I流程及注意事项
布设监测点注意事项:
监测点宜布置在基坑周边的中部、阳角处及有代表性的部位。
土体开挖注意事项:
挖土过程中如出现土体较大位移,应立即停止挖土，分析原因,采取有效措施。
坑开挖的顺序、方法必须与设计工况保持完全一致。
开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖。
严格遵循“分层、分段、对称、限时”的原则。
锚杆钻孔注意事项:
有效设计孔深的超深不得大于50cm.
孔口坐标误差不得大于+10cm。
孔斜误差不得大于3%。
锚杆灌浆注意事项:
水泥砂浆强度不低于30Mpa,砂的粒径宜小于或等于2mm,注浆通过注浆管从孔底自下而.上逆流式注入,灌注至孔口返出新鲜浆液即可。
知识点:
共25个
（1）挡士构件顶部以上放坡时土压力计算
（2）彩基础的土中附加应力计算
（3）主动土压力分布
（4）被动土压力分布
（5）嵌固深度验算
（6）支护桩内力计算
（7）截面配筋验算
（8）锚固力计算
（9）锚杆自由段长度计算
（10）锚杆锚固段长度计算
（11）整体稳定性验算
（12）抗倾覆验算
（13）抗隆起验算
（14）抗管涌验算
（15）承压水验算
（16）基坑开挖前监测布置内容和方法
（17）降水井和观测井的布置
（18）深基坑工程的施工工艺，护坡桩、降水、开挖和支护等的施工要求
（19）依据深基坑施I过程中支护结构变形和地表沉降，判别深基坑的工作状态
（20）管线和建筑物变形过大现象的认识及应急处置方法
（21）围护结构变形过大现象的认识及应急处置方法
（22）基坑隆起现象的认识及应急处置方法
（23）基坑渗漏水现象的认识及应急处置方法
（24）流砂及管涌现象的认识及应急处置方法
（25）地勘孔突涌现象的认识及应急处置方法
四、实验过程及步骤
模块一.深基坑支护设计
深基坑支护设计虚拟实验包括:
工程概况、压力计算护坡桩设计、锚杆设计、基坑稳定性分析等部分。
1.工程概况
工程概况场景描述了支护设计所必需的环境条件与深基坑的基本参数信息，包括:
（2）基坑深度、基坑长度和宽度，基坑附加荷载的类型、位置等;
岩土层类型、岩性、地下水位、度黏聚力、内摩擦角和重度。
具体操作方法如下:
（1）查看基坑尺寸信息，点击右侧工具条上的”基坑尺寸”按钮，从出现的面板上选择相应的查看模式（平面、立体），如下.图，选择相应的施I面可以拉近摄像机具体查看基坑相应施工面上的信息。
（2）从右侧选项卡中选择”施I环境”按钮，可以在出现的面板中选择相应的方式，查看基坑东南西北各侧的环境条件，包括建（构）筑物类型、到基坑的距离等。
（3）选择"
土层信息”，可以查看相关的岩土信息，包括土层类型、厚度、属性参数（重度、摩擦角等）以及地下水等信息。
2..压力计算
本场景主要计算作用在支护结构上的土压力，包括放坡计算、附加荷载、主动压励、被动土压力等4部分的内容。
（1）放坡计算，当支护结构的挡土构件顶部低于地面，其上方采用放坡时，挡土构件顶面以上土层对挡土构件的作用宜按库仑土压力理论计算，也可将其视作附加荷载计算土中附加竖向应力标准值。
利用系统左侧面板上提供的分析原理与计算公式，结合系统3D区域中的相关尺寸、参数与关系的标注，对当前的情形下的放坡进行计算，然后将计算结果输入到界面右下角的输入栏中进行验证，系统提供了自动计算功能（点击”显示答案”按钮系统会显示当前计算的正确结果）。
（3）主动土压力计算，主要计算由基坑外侧土体和附加荷载带来的土压力，具体方法参见放坡计算。
（3）抗隆起验证，根据系统提供的土层属性、基坑参数、护坡桩参数以及安全等级系数等,对基坑的抗隆起安全系数进行验算,并判断满足哪一级安全等级。
（2）周边建（构）筑物变形监测
（3）地下管线变形监测
3.放坡、开挖与降水
这一部分主要完成基坑放坡、第1层土体开挖，整体降水以及相关的监测点布设等内容，包括:
放坡，具体包括第1层土体开挖、土体放坡、铺设钢筋网、喷洒混凝土;
设置止水帷幕:
基坑降水，分为设置地下水位观察井兼回灌井、降水井、集水井，铺设降水设施，完成降水操作等;
打桩，包括钻孔、铺设钢筋笼、设置深层位移监测和土压力监测。
基坑内部的深层位移监测传感器-般采用绑扎法固定在钢筋笼上与其-起沉入孔（槽）中，长度基本与钢筋笼等长。
坑外深层土体:
围护结构上的土压力监测目的:
验算围护结构的土压力理论分析值及分布规律，系统采用挂布法埋设土压力盒的方法。
4.锚杆支护与基坑开挖
系统依次描述了第1层锚杆支护施工、第2层土体的开挖、第2层锚杆支护的施工、开挖至坑底等过程。
其中在第1层锚杆支护施工过程中描述了锚杆内力监测点的布设。
5.筏板基础施工模拟
筏板基础施工阶段主要模拟了基坑施工完成后的后续操作,此部分不是基坑施工的组成部分，主要描述了基坑施工完成后下一步需要学习的相关课程和知识，同时也描述了建筑基坑施工的目的。
模块三、深基坑突发事故与处置
此部分主要描述了基坑施I过程中常见的6种典型事故的现象、处置措施及发生原因等。
虚拟的实验的基本操作过程如下:
进入虚拟实验后，系统自动运行基坑施工场景，“现象模拟”-栏中包含倒计时滚动条，在这个过程中学生可以观察三维场景和UI上的事故现象的变化与进展情况，可以单击“事故处置按钮”,停止事故进展，并在“处置措施”-栏中选择相应的方法进行处置，并在三维场景中查看处置效果。
在“原因分析”-栏中可以查看产生此类事故的原因和条件。
1.管线及建（构）筑物变形过大
管线及建（构）筑物出现监测报警值，应即刻停工,采用相应措施后再施工。
（1）管线沉降过大时，应对管线范围内的土体进行加固。
（2）管道漏水。
2.围护结构变形过大
（1）对围护结构变形较大的区域如基坑支护结构出现较大的变形或“踢脚”变形时，采用边坡顶卸荷的办法;
（2）针对性化小施工段，以达到减少基坑暴露时间及支撑形成的时间，并优先形成对称支撑。
（3）如已经开挖到底，在沿坑边范围内适当加厚混凝土垫层。
提高混凝土标号及惨早强剂，视需要可考虑配筋，混凝土垫层直接抵住地墙。
（4）减少基坑一次暴露的面积，且暴露时间不宜过长，调整挖土顺序，隆起过大的区域不宜卸荷太早，并优先形成底
（5）如果土体出现整体或局部土体滑移时，基坑坍塌或失稳征兆明显时，必须采取果断回填土、砂或灌水等措施，在最短的时间内迅速将基坑回填到安全面。
3.基坑隆起的预防及对应
回弹、隆起变形，其回弹量的大小与地质条件.基坑面积大小围护结构插入土体的深度、坑内有无积水、基坑暴露时间、开挖顺序.开挖深度以及开挖方式有关。
（1）分段开挖、分段浇筑垫层，以减少基坑暴露时间。
（2）发生坑底隆起险情:
挖去坑外-定范围内的土体,从坑外卸荷;
（3）坑内堆载或通过加固等措施加深围护结构，达到防止坑外土向内挤压的目的:
（4）坑底受到承压水影响造成隆起，适当增加坑内或坑外降水措施，尽量采用坑内降水，以防止降水对周围建筑物的影响。
（5）隆起严重时采用回填士或回灌措施后，再采用上述方法。
4.基坑渗漏水的预防及对应措施
基坑渗透漏水围护结构缺陷、水泥搅拌桩搭接不顾止水帷幕出现部分薄弱部位、止水帷募深度不够等。
5.流砂及管涌的应急处理
经微流砂,在基坑开挖后可采用加快垫后层浇筑或加厚垫层的方法“生流砂。
6.地勘孔突涌的应急处理
（1）准备好水泵.引流管、软管等应急处理工具。
（2）如果发生突涌，应立即在冒水处上方用钢管搭设脚手架，用于引流管、塑料软管固定安装，同时作为抢险平台。
将引流管套.上勘探孔管并插入土中，入土1.0m以上。
五、实验总结
升级会员 