基坑工程设计计算与信息化监测讲义172页

1、深基坑工程西南交通大学土木工程学院西南交通大学土木工程学院岩土工程系岩土工程系毛坚强 2017年3月1. 基坑工程综述2. 基坑工程设计计算方法3. 施工监测及信息化施工4. 总结及展望1.1 基坑工程的特点1.2 基坑支护结构的分类及方案选择1. 基坑工程综述1.4 其他玄武岩纤维复合材料在基坑工程中的应用1.3 支护结构与主体结构的结合及逆作法施工（1）临时结构：与永久性结构相比，安全储备小，风险较大。（4）综合性岩土工程问题：强度、稳定性、变形、渗流。（2）因地层、土（岩）性质、地下水等的差异，使基坑工程的区域性和个案性较强，这也是大多岩土工程的特点。（3）综合性很强的系统工程：涉及工程

2、地质、岩土、结构、环境。（5）与周边环境关系密切，对其影响较大。1. 基坑工程综述1.1 基坑工程的特点放坡开挖（无支护）及简易支护基坑支护形式土钉墙重力式水泥土墙排 桩地下连续墙1.2.1 按支护结构形式分类1.2 基坑支护结构的分类及方案选择单一型复合型单排桩双排桩悬臂式支撑式（内撑）锚拉式（外锚）支挡式结构围护结构支锚系统水平支撑斜撑（竖向）1.2.2 支护形式的选择 影响因素： 安全等级、基坑深度、土类及地下水条件、环境条件等。1）重力式水泥土墙（刚性挡土结构） （4）计算时作为刚性结构（重力式的）。 （1）多用于软土，深层搅拌法或旋喷法施工。 （2）通常基坑开挖深度7m。 （3）墙宽

3、0.71.0倍的基坑开挖深度，多采用格栅式布置。深层搅拌机 常见的布桩方式 二轴搅拌桩 三轴搅拌桩 高压旋喷桩重力式水泥土墙重力式水泥土墙规程规程（规范）（规范）安全等级安全等级最大开挖深度最大开挖深度(m)(m)土土 质质地下水地下水环境条件环境条件建建 规规二、三二、三7淤泥质土、淤泥淤泥质土、淤泥上上 海海7北北 京京深深 圳圳6淤泥质土、淤泥淤泥质土、淤泥对变形要求不严时对变形要求不严时广广 州州三三7填土、可塑流塑填土、可塑流塑粘性土、粉土、粉粘性土、粉土、粉细砂及松散的中、细砂及松散的中、粗砂粗砂 对变形要求不严时对变形要求不严时成成 都都6 对变形要求不严时对变形要求不严时天天

4、津津重力式水泥土墙的适用范围工程实例卵石层中用高压旋喷桩支护的基坑既有基坑边界空间较小，无法使用旋挖机成桩高压旋喷桩 基坑深度9m 悬臂桩交叉布置 桩径0.5m，间距1m 桩中插入钢筋高压旋喷桩支护成孔2）土钉墙支护结构（c)（b)（a)123245436（1）构造和施工插筋、挂网、注浆喷混凝土（2）优 点）结构轻，柔性大，有良好的延性，抗震性能好，对冻胀的适应性较强。）施工设备简单，所需场地小，方便灵活，施工速度快。）材料用量及工程量小，工程造价低（为其他类型支护的2/34/5）。（3）缺 点）基坑深度有限。）土层变形及沉降不易控制。（4）适用范围（建筑基坑规程） ）地下水位以上、自稳性较好

5、的土层（一般黏性土、弱胶结或较密实的无黏性土）； ）埋深不很大（12m（单一型），非淤泥质土； 6m，淤泥质土）； ）土层变形控制的要求不严格； ）有较宽松的施工场地。（土钉不超出红线外）冻胀引起的土钉受力的变化（实测结果）规程规程（规范）（规范）土钉类型土钉类型影响因素影响因素安全等级安全等级最大开最大开挖深度挖深度(m)土质土质地下水地下水环境条件环境条件建建 规规单一型单一型二、三二、三12非软土非软土 水位以上或降水水位以上或降水潜在滑面内无建筑、潜在滑面内无建筑、无重要管线时无重要管线时+预应力锚预应力锚15非软土非软土 水位以上或降水水位以上或降水+水泥土桩水泥土桩12（6）非软土

6、（软）非软土（软） 降水（碎石土、砂土）降水（碎石土、砂土）+微型桩微型桩12（6）非软土（软）非软土（软） 水位以上或降水水位以上或降水上上 海海隔水帷幕隔水帷幕三三（环保等级（环保等级)5黏性土、粉质黏黏性土、粉质黏土、淤泥质土、土、淤泥质土、粉土、粉砂等粉土、粉砂等北北 京京单一型单一型三三10 水位以上或降水水位以上或降水深深 圳圳单一型单一型二、三二、三12非软土非软土环境宽松时环境宽松时复合型复合型一、二、三一、二、三15非软土非软土周边变形要求不严时周边变形要求不严时广广 州州 二、三二、三 降降 水水成成 都都 非软弱土非软弱土 地下水不丰富地下水不丰富无重要建筑物及地下无重要

7、建筑物及地下管线时管线时天天 津津 非软土非软土土钉墙的适用范围15m成都地铁车站基坑（基坑深度15m，土钉支护）土层变形过大造成的裂缝土钉墙+预应力锚索土钉墙+微型桩+预应力锚索复合型土钉墙3）排桩支护结构桩的类型板桩（钢、钢筋混凝土预制）钢筋混凝土桩（预制、现场灌注）钢筋混凝土-素混凝土咬合桩型钢水泥土搅拌墙（SMW）（1）类 型支锚系统内 撑外 锚预应力锚索（锚杆）水平：单向、双向、桁架式等竖向（立柱）竖向斜撑内 撑外锚斜 撑支护结构围护结构（排桩、地下连续墙）支锚系统（2）排桩的布置形式（3）优 点）较土钉支护适于更深的基坑，能较好地控制土层变形。）较地下连续墙施工工艺简单，成本低，平

8、面布置灵活。（4）缺 点防渗及整体性不如地下连续墙。S dS =dS 8内撑内撑一、二一、二双排双排天天 津津悬臂悬臂较浅时较浅时降水或隔水降水或隔水帷幕帷幕锚拉锚拉较深时较深时内撑内撑双排双排排桩（地下连续墙）的适用范围钢板桩 围护结构排桩类型灌注桩（圆）灌注桩（方）预制桩型钢水泥土搅拌桩（SMW）拔出型钢 内撑形式水平对撑正交平面杆系支撑单 杆八字撑杆桁 架水平斜撑单 杆桁 架环形杆系支撑单 杆桁 架竖向斜撑作用原理环撑、边撑：增大基坑边长方向（环向）的（抗弯）刚度。对撑、斜撑： “减小”基坑沿边长方向的跨度。沿边向支撑预应力：增大支撑力。单杆内撑（地铁车站基坑，深度23m，人工挖孔桩+4

9、道钢管内撑）八字撑杆（旋挖桩+钢筋混凝土内撑+钢管内撑）无撑段长度（跨度）缩短，刚度增大，内力及位移减小。八字撑杆（H型钢）水平对撑（桁架式）水平对撑（八字撑杆）水平对撑（桁架式）水平对撑（桁架式）（1）起到对撑的作用。（2）缩短无撑段的长度。水平斜撑（角撑）设置角撑的目的并不是为加强基坑的内角，由于空间效应，内角处的变形及内力小于跨中。角撑改善了基坑其他位置的受力变形状态。无角撑时基坑的变形水平斜撑（桁架式）正交杆系平面支撑环形杆系支撑（2）杆将围护结构的力传给圆环。（1）圆环具有较高的法向刚度，限制位移。桁架边撑（增大围护结构的抗弯刚度）预应力鱼腹梁工具式组合内支撑（Innovative

10、Prestressed Support System）IPSIPSIPS预应力锚索型 钢增大围护结构的抗弯刚度竖向斜撑筏 基钢管斜撑成都国金中心大厦基坑（最大深度34m） 预应力锚索排桩支护：人工挖孔桩+9道预应力锚索人工挖孔桩+9道预应力锚索承压型囊式扩体锚索承压型囊式扩体锚索成都绿地蜀峰468基坑（多种支锚形式的联合应用）临街，地下管线多临地铁二号线3层钢筋混凝土内撑 1层钢筋混凝土内撑+4道预应力锚索 基坑开挖深度约30m桁架对撑桁架斜撑环型支撑桁架 边撑灌注桩+3层钢筋混凝土内撑 灌注桩（直径1.2m，间距2.2m）地铁车站出入口钢筋混凝土内撑 灌注桩+ 1层钢筋混凝土内撑+4道预应力

11、锚索 4道预应力锚索 1层钢筋混凝土内撑灌注桩（直径1.2m，间距2.2m）环型支撑角撑和边撑对 撑成都绿地蜀峰468基坑立 柱防撞加强 疏排桩+土钉支护 （1）组成排桩（单排或双排）+土钉+（预应力锚杆或内支撑）间距：(26)D（2）原理排桩提供主要的支撑力并控制变形，土钉保证桩间土的稳定性。4）地下连续墙（1）优 点）刚度大，支撑能力强，基坑稳定性好，土层变形小。）墙身防渗性能好，坑内降水对坑外影响小。（2）缺 点）废泥浆处理。 ）粉砂地层中易坍壁。 ）施工技术要求高。iv） 厚度具有固定的模数，不如灌注桩灵活。）可作为地下室的外墙，缩短工期，降低造价。（3）适用条件）深度大的基坑。 ）周

12、围环境对变形控制要求高。 ）围护结构需作为主体结构一部分，且基坑施工阶段具有较高的防水、防渗要求。iv） 逆作法地上、地下同步施工时，多采用地下连续墙。57导墙施工 导墙完成 泥浆池成槽施工 钢筋笼吊装 锁口管起拔 砼浇筑 地下连续墙的施工成都火车北站扩能改造行包房工程基坑深度15.05m连续墙厚度1m，深度32m素混凝土距地铁最小间距10.25m（2层地下室，逆作法施工）5）地下连续墙+逆作内衬 用于悬索桥锚碇基础的施工。先做地下连续墙，再分层逆作内衬，并开挖。地下连续墙+逆作内衬（阳逻长江大桥锚碇基坑，内径70m，开挖深度45m，墙厚1.52.5m）（1）顺作法和逆作法施工（黑色为基坑及其

13、支护结构，蓝色为主体结构） 顺作法：围护结构（地连墙或桩）立柱（桩） 开挖水平内撑 开挖至基 底标高主体结构（地下室底板、边墙、梁板、结构柱）。 逆作法 顺逆结合法1.3 支护结构与主体结构的结合及逆作法施工主楼先顺作，裙楼后逆作裙楼先逆作，主楼后顺作中心顺作，周边逆作 逆作法：围护结构（地连墙或桩）立柱（桩） 首层梁板开挖地下一层梁板 开挖至基 底标高底板（边墙）结构柱。 全逆作法顺作法 半逆作：先地下，后地上全逆作：地上、地下同时施工上、下同步半逆作法先下后上（2）支护结构与主体结构的共用 围护结构（基坑）与地下室边墙（主体） 立柱（基坑）与结构柱（主体） 水平支撑（基坑）与楼板（主体）

14、地连墙或桩（先作）与地下室边墙（后作） 立柱（先作）与地下室楼板（后作） 地连墙（先作）与梁板（后作） 立柱（先作）变为结构柱（后作）（3）后作构件与先作构件的连接 （4）逆作法的应用 后作构件与先作构件之间的连接比较复杂。 目前多在软土地区应用。 适用条件 大面积开挖时，可节省支撑。 基坑周边环境复杂、敏感时，可控制变形。 施工场地紧张时，节省空间。 工期进度要求高时，缩短工期。 优 点 楼板成为横撑，刚楼板度大，节省材料。 地上、地下同时施工，缩短工期。 以首层楼板为施工平台，节省施工空间。 缺 点 技术复杂，对施工要求高。逆作暗挖，作业环境差，影响结构质量。造价：以楼板替代横撑，可节省材

15、料；但逆作法暗挖取土成本较明挖高，后作构件与先作构件之间连结的结构措施复杂，故造价上并无优势。（5）支护结构与主体结构（地下）的结合 围护结构与地下室墙体的结合方式单一墙分离墙复合墙叠合墙 梁（板）与围护结构的连接 “两墙合一”时，地下连续墙与板之间的连接可按板的厚度（刚度）采用刚性连接（预埋钢筋接驳器、预埋钢筋）和铰接（预埋钢筋或剪力连接件）两种方式。 围护结构与地下室外墙相互分开时，从结构受力、构造要求及防水的角度出发，地下室外墙与其相邻梁板需同时浇筑，故外墙与围护结构之间有一定距离。此时需解决两个问题：一是围护结构与梁、板之间传力体系的设置，二是边跨结构二次浇筑接缝止水和传力体系穿外墙处

16、的止水。混凝土型钢组合支撑混凝土型钢组合支撑地下连续墙与底板的连接地下连续墙（桩）与主结构梁之间的换撑 临时立柱转为结构柱 临时支柱是指为满足基坑开挖过程中支护结构受力要求而设置的立柱，多采用角钢格构柱或钢柱，最终作为结构柱的一部分，“一柱一桩（钢立柱）”是常用的方式。当临时立柱需承担更大荷载（常见于上部结构同时施工且楼层较高或局部荷载较大时），也可采用“一柱多桩（临时钢立柱）”的形式，通常其施工较为复杂，经济性较差。柱临时钢立柱临时钢立柱临时钢立柱一柱二桩结构柱一柱一桩（4）工程实例 南昌大学 第二附属医院医疗中心大楼（逆作法）围护结构：钻孔灌注桩施工：全逆作 上海世博500kV地下变电站工

17、程基坑（逆作法） 围护结构：地下连续墙+环向水平支撑; 施工：半逆作 上海世博500kV地下变电站工程基坑 基坑面积50000m2，开挖深度13.3m。 若全顺作，临时支撑工作量大，造价高；全逆作，暗挖工作量大，出土困难。最终采用中心顺作，周边逆作的方法。 上海仲盛商业中心基坑（顺、逆结合法）上海仲盛商业中心基坑1.4 玄武岩纤维复合筋在基坑工程中的应用玄武岩纤维复合筋（Basalt Fiber Reinforced Plastics）是以玄武岩纤维为增强材料，以合成树脂为基体材料，并掺入适量辅助剂，经拉挤工艺和特殊的表面处理形成的一种新型非金属复合材料。玻璃纤维筋玄武岩纤维筋非金属复合材料：

18、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等。性 能玄武岩纤维复合筋HRB335热轧带肋钢筋密度(g/cm3)抗拉强度(MPa)800475弹性模量(MPa)40103200103热膨胀系数(10-6/)91212 （1）密度小、抗拉强度高。（2）不生锈、耐腐蚀。 （3）与水泥混凝土结合性能好。 （4）电绝缘性、非磁性。 （5）可预制形状，可实现连续配筋。 （6）生产过程中不产生有害物质，环保性好。1.4.1 玄武岩纤维复合筋的特性 （8）价格较钢筋低。 （7）脆性材料，可切断。1.4.2 在基坑工程中的应用排桩的主筋预应力锚杆土 钉挂 网抗浮锚杆2. 基坑工程设计计算方法2.4 土钉墙计

19、算2.6 基坑变形计算2.1 基坑设计原则和内容2.2 基坑稳定性分析2.7 基坑的时空效应2.5 排桩、地下连续墙结构计算2.3 土压力计算2.1.1 原 则2.1.2 规划、设计、施工、监测内容（1）满足结构强度、变形、稳定性要求，保证周围环境安全。（2）较好的技术、经济和环境效应。（3）施工方便，安全。（1）建筑场地的水文地质条件勘查及周边环境调查。（2）支护体系方案技术经济比较和选型。（3）结构设计，强度、变形、稳定性检算，土体变形验算。（4）排水、降水设计，对周边环境的影响。（5）施工方案设计。（6）监测方案设计。2.1 基坑设计原则和内容2.1.3 基坑安全等级划分及位移控制影响因

20、素基坑本身周边环境开挖深度土质情况地下水临时或永久支护建（构）筑物、管线等的重要性与基坑之间的距离地表建筑、构筑物各类管线地下结构及设施（1）安全等级划分道 路安全等级类型安全等级类型影响因素影响因素一级基坑一级基坑的的 “绝对绝对”最小最小开开挖挖深度深度（即大于该深度（即大于该深度时必定为一级）时必定为一级）基基 坑坑周边环境周边环境开挖深度开挖深度土质土质地下水地下水临时或永临时或永久支护久支护重要性重要性与基坑距离与基坑距离上上 海海基坑安全等级、基坑安全等级、环境保护等级环境保护等级12m北北 京京基坑侧壁基坑侧壁15m深深 圳圳基坑支护基坑支护12m（且同时满（且同时满足其他条件）

21、足其他条件）广广 州州基坑侧壁基坑侧壁10m成成 都都基坑工程基坑工程12m天天 津津基坑支护设计等基坑支护设计等级、安全等级级、安全等级安全等级划分同安全等级划分同“建规建规”14m（设计甲级）设计甲级）建建 规规基坑支护结构基坑支护结构综合考虑基坑周边环境和地质条件的复杂程度、基坑深度等因素（无定量标准）综合考虑基坑周边环境和地质条件的复杂程度、基坑深度等因素（无定量标准）不同基坑规范（规程）基坑安全等级及划分标准的比较（2）位移控制要求 位移是基坑施工对基坑土层及周边环境产生的影响（力学方面）大小的综合的、直观的反映。因此，控制位移的量值对保证基坑安全及周边环境的安全具有重要的意义。控制

22、指标位移类型水平位移竖向位移（沉降）支护结构水平位移位置顶 部整个深度相对位移（开挖深度）值绝对位移主要反映基坑的安全状态直接影响周围环境的安全影响因素基坑安全（环境保护）等级基坑开挖深度支护结构类型（较单看“顶部”更为合理全面） 不同基坑规范（规程）位移控制标准的比较上上海海成成都都深深圳圳广广 州州上海上海深圳深圳广州广州成都成都位移类型位移类型水平位移水平位移竖向位移（沉降）竖向位移（沉降）水平位移水平位移位置位置支护支护结构结构顶部顶部整个深度整个深度控制指标控制指标绝对位移绝对位移相对位移相对位移影响因素影响因素安全（环保）等安全（环保）等级级基坑深度基坑深度支护类型支护类型 汇总表

23、2.1.3 基坑计算的主要内容基坑稳定性整体稳定性抗隆起稳定性抗倾覆、水平滑移稳定性（重力式支护）抗渗流、承压水稳定性支护结构内 力变 形截面尺寸及配筋（钢筋混凝土）变 形地表沉降坑外土体变形坑底隆起降水和开挖引起降水和排水系统基坑计算嵌固深度（以桩、墙支护结构为例）2.2 基坑的破坏形式及稳定性分析 （1）土体失稳破坏：开挖坡度过陡、土钉长度不够、桩（墙）入土深度偏浅，无法给土体提供足够的阻力，导致整体失稳破坏。 （2）支护结构强度破坏：支护结构强度不够，在土压力作用下发生破坏，进一步导致土体的破坏。 常见诱因降雨或地表水的渗入基坑周边堆载振 动2.2.1 破坏形式 （3）土体渗透破坏：因地

24、下水的渗流导致管涌、流砂，承压水导致突涌等导致基坑土层发生破坏。 各类支护结构的失稳破坏形式隆起破坏（1）土体失稳破坏入土深度不够或超挖入土深度不够锚杆长度不够分区开挖，放坡过陡（超大基坑）（2）支护结构破坏剪切破坏弯曲破坏（3）渗透性破坏坑底突涌管涌破坏涌 砂内撑破坏锚杆破坏排桩支护基坑失稳破坏基坑失稳破坏基坑围护桩折断杭州地铁车站基坑破坏（2008年） 杭州地铁车站基坑破坏（地下连续墙折断） 止水帷幕渗漏，桩间流土地面塌陷基坑发生流土与地面塌陷基坑坑底承压水突涌基 坑粉质黏土中 砂承压含水层uuhz渗透力ig gw自来水管接头漏水（基坑变形过大接头开裂漏水土的强度降低变形增大 ）自来水接头

25、爆管实例水对基坑的影响2.2.2 稳定性分析 要求：桩、墙等的嵌固深度、锚杆（锚索）的锚固长度应足够大，满足稳定性的要求。1）悬臂式2）单支点pkp1eaka1E zKE zpkp2eaka2E zKE z安全系数一级： 1.25二级： 1.2三级： 1.15（1）支挡结构的嵌固深度验算主动土压力合力至底端的距离主动土压力合力至支点的距离 建筑基坑支护技术规程 （JGJ120-2012）主动土压力被动土压力3）双排桩pkpGeakaE aGaKE a被动土压力合力主动土压力合力结构及桩间土自重之和 实例为什么有时安全系数会随嵌固深度的增加而减小？好土差土主动土压力随深度的增大速率较好土中大被动

26、土压力随深度的增大速率较好土中小 （1）当嵌固深度不满足要求时，需加大深度。 （2）但进入差土后，主动土压力随深度的增长速率较好土段中大，而被动土压力随深度的增长速率较好土段中小，导致进入差土后的一定深度时，安全系数反而较仅在好土中时小。2atan (45)2K斜率为主动土压力系数2ptan (45)2K斜率为被动土压力系数pkp1pkp1eaka1aka1()()()()E zE zKE zE z好差好差被动土压随深度的增加较好土中慢主动土压随深度的增加较好土中快（2）整体稳定性验算 （瑞典圆弧滑动法） 条分法的基本概念条分法Bishop法瑞典圆弧滑动法（Fellenius法）普遍条分法（J

27、anbu法）Spencer法Morgenstern-Price法Sarma法RS(costan)sini iiiisiiclWMKMW抗滑安全系数（瑞典法）整体受力条块受力简化后（瑞典法）桩、墙支护的整体稳定性验算（瑞典法）k,vx,s,()costancos()/()sinjjjjjjjjjkkkkijjjjc lq bGu lRsKq bG s,1s,2s,emin(,.,.)iKKKKv0.5sin()tankk下滑力矩抗滑力矩（土体）抗滑力矩（锚杆）kk安全系数一级： 1.35二级： 1.3三级： 1.25孔隙水压力锚杆与滑面的夹角切向分力抗剪强度（切向）增量 影响整体稳定性的因素 （

28、1）桩（墙）锚固深度；滑面不会穿桩（墙）而过。 （2）锚索抗拔承载力以及其预加应力的大小。 桩径（墙厚）、桩间距对稳定性的影响很小。（3）基底隆起稳定性验算m2 dqebm1d0()l NcNKhlqgg安全系数一级： 1.8二级： 1.6三级： 1.42otanqtan (45/ 2)Neeq(1)/ tanNNm1d0()hlqgm 2dlgdl隆起破坏2.3 土压力计算2.3.1 土压力的性质土压力和位移之间的关系（刚性挡土结构） （1）土压力与挡土结构的位移（包括方向和大小）密切相关。当结构背离土体发生位移（主动受力状态）并逐渐加大时，土体所受的约束逐渐减小，故土压力也随之逐渐减小。朝

29、向土体位移（被动受力状态）并逐渐加大时，土压力将逐渐加大。 土压力是土体对支护结构（挡土结构） 约束的响应。因此： （3）土压力还与土的自身性质相关。土性越好，土的自稳能力或抵抗能力就越强，相应的主动土压力就越小，被动土压力就越大。 （2）主动土压力就是主动受力状态且土体处于破坏状态（极限状态）时，保持土体稳定所需的最小支护力。被动土压力就是被动受力状态时，使土体所能提供的最大抵抗力。 影响土压力大小的因素土的性质挡土结构位移的方向和大小挡土结构的刚度Rankine 理论 特殊状态时的土压力静止土压力主动土压力被动土压力（挡土结构位移为0）（土体处于极限状态，与挡土结构位移无关）2.3.2 土

30、压力计算Coulomb理论假设：墙背光滑、墙后土体处于极限状态。土压力：沿高度线性分布。为土体处于极限状态时的土压力，与结构的位移及变形无关。（1）土压理论（2）规范中的土压力计算（基于Rankine理论）建筑基坑支护技术规程 JGJ12020121）地下水位以上或水土合算的土层2a,tan (45/2)1iiK主动土压力系数 主动土压力土重产生的竖向应力外荷载产生的竖向应力akaka,a,2iiipKcK主动土压力被动土压力竖向压力akack, j2p,tan (45/2)1iiK被动土压力系数土重产生的竖向应力pkpkp,p,2iiipKcK竖向压力pkpc 被动土压力2）水土分算的土层

31、主动土压力akakaa,a,a()2iiipu KcKupkpkpp,p,p()2iiipuKcKu 被动土压力外侧水压力内侧水压力（3）土压力计算时的水土分算和水土合算适用于黏性土，如黏土、粉质黏土等。适用于无黏性土，如砂、卵石等。 水土分算：采用浮重度计算主动（被动）土压力，再单独计算静水压力，最后两者叠加作为作用在挡土结构上的土压力。 水土合算：直接采用饱和重度计算主动（被动）土压力。2atan (45/ 2)1K 主动土压力系数2ptan (45/ 2)1K 被动土压力系数由于主动土压力：分算合算被动土压力：合算分算所以 土体的自稳及围护结构与背后土体的分离基 坑冠 梁裂 缝0a2cz

32、Kg土体的自稳高度 土体与桩（墙）变形的不协调，是冠梁-土体之间产生裂缝的可能原因之一。 放坡与未放坡时桩（墙）土压力对比 通过放坡，可减小作用在桩（墙）上的压力。未放坡放 坡（4）实测的土压力分布形式北京医院急诊楼天津无缝钢管总厂PU2铁皮坑上海太阳广场大厦陈塘庄码头（与理论计算结果相差较大）（5）静止土压力的计算砂性土经验公式01 sinK 00.95sinK0(1 sin)KOCR黏性土超固结黏土有效内摩擦角基坑工程技术规范DG-TJ08-61-2010(上海)（6）考虑渗流作用时的水压力计算wh渗透力向下水压力小于静水压力渗透力向上水压力大于静水压力坑底地表桩或墙基坑工程技术规范DG-

33、TJ08-61-2010(上海)渗透力孔隙水压wwhg水的自重孔隙水压 2）实际土压力的大小及分布形式随支护结构的位移及变形而变，分布形式较为复杂，预先给出其分布形式及大小是不合理的。（7）土压力计算小结 3）只有在结构位移足够大时，土体才可能处于极限状态，在目前结构设计由强度控制转向变形控制的情况下，这种状态是很难出现的。 1）朗肯（Rankine）土压理论假设墙背光滑、墙后土体处于极限状态，所求出的土压力为线性分布形式。 4）结构-土之间的摩擦力对土压力有直接影响，可减小主动土压，加大被动土压。 5）经典土压理论对应于平面应变问题。对基坑来说，中间部分较符合，而两端则因空间效应，可能结果会

34、相差较大。 总的来看，按目前土压力模型计算得到的结果常与实际土压力相差较大，由此导致结构内力与变形的计算结果与实测结果相差较大。2.4 土钉墙计算2.4.1 土钉的受力特点（2）不同的滑面形式假设（1）土钉墙的受力主动区：土体通过摩阻力向土钉传递荷载。稳定区：土体通过摩阻力提供承载力。土钉上摩阻力方向直线滑面 对数螺旋线滑面 折线滑面 复合型 （3）土钉与锚杆受力特点的对比预应力锚索（锚杆）土 钉轴向应力摩阻力轴向应力摩阻力 锚索分自由段和锚固段，土钉是全长粘结的。 在锚索的锚固段，锚索的轴力随锚固深度逐渐衰减，摩阻力与拉力反向。 对土钉来说，在主动区，土体向坑内产生位移，通过摩擦力向土钉施加

35、向坑内方向的拉力，因此土钉拉力随深度逐渐增长，直到滑面位置；进入稳定区后，土体为土钉提供摩阻力，拉力逐渐衰减。故土钉的轴力随深度由小到大，再减小，钉-土之间的摩擦力有正有负。滑面位置2.4.2 土钉计算破坏形式：单个土钉从土中拔出。k,tk,jjRKNk,ak,1cosjjjx jz jjNpss 单根土钉所受的拉力（1）单根土钉抗拉承载力（局部稳定性）第 j 根土钉土压力土钉间距土钉与水平面的夹角安全系数一级:（不适用）二级： 1.6三级： 1.4a k ,jpajEajE, x js, z jsaab()jjzhba1aa1()()njjjnjjjhzEhzEaa11nnjjjjjEE轴向

36、拉力调整系数（调整后土钉轴力之和保持不变）0.61.0hj 主动土压力承载力拉力k,sk,1mjji iiRdql 单根土钉的抗拔承载力2ommk11tantan45+2tan2tan2 主动土压力折减系数 1）土压力按基坑侧壁直立（=90o）时计算。非直立时，只有部分土压力需土钉承担，故1。 2）基坑侧壁直立（=90o）时，=1。极限摩阻力hj 滑动面m()/2 ilsk,iq（2）土钉杆体受拉承载力ysjNf Aj土钉滑动面以外穿过的第i层土（3）整体稳定性验算计算方法与预应力锚杆相似。稳定段土钉支护基坑失稳破坏2.4.3 复合型土钉墙（联合支护）土钉墙+预应力锚索（锚杆） （1）与基本型

37、土钉墙相比，可适用于更差的土层和更深的基坑。 （2）与其他类型支护相比，仍保持了土钉墙造价低、工期短 、设备简单、施工方便的特点。土钉墙+隔水帷幕土钉墙+微型桩土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索（锚杆）土钉墙+微型桩+预应力锚索（锚杆）土钉墙+搅拌桩+微型桩土钉墙+隔水帷幕+微型桩+预应力锚索（锚杆） 特 点2.4.4 工程实例 深圳长城盛世家园高层住宅基坑（2002，最大开挖深度21.7m）（1）土层（2）开挖及支护方案土钉墙+预应力锚索土钉墙+预应力锚索土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索土钉墙+隔水帷幕+预应力锚索+微型桩（3）水平位移及沉降监测结果（4）经济效益造价约为桩+预应力锚索方案的2/3，节

38、省500600万元。北侧沉降东侧沉降东侧水平位移南侧水平位移 深圳南山文化中心区水处理站基坑（1）工程概况（2）水平位移及沉降监测结果2.5 排桩、地下连续墙结构计算 （1）结构计算的目的是确定支护结构的内力及变形。从本质上看，实际是一个结构-土（岩）体之间相互作用的问题。 （2）荷载与作用力的区别是：荷载在结构及土体的受力变形过程并不改变，因此是可预先确定的（如自重），而作用的大小则无法预先确定。土压力的大小及分布形式与挡土结构的位移及变形大小密切相关，本质上属于作用。 （3）主动土压力和被动土压力是土体处在特殊状态（极限状态）时所对应的土压力，故可预先确定，以满足设计的要求。但所反映的并不

39、是结构的真实受力状况。 （4）在计算支护结构的受力时，能否合理反映土对结构的作用是计算结果是否合理和准确的关键所在。实际计算中，土体的作用可通过以下方式模拟，即：简化为荷载；简化为相互独立的弹簧；简化为连续的弹性体。 土-支挡结构的相互作用及土压力2.5.1 荷载-结构法 土体与结构之间的相互作用完全以荷载的形式反映。作用在结构上的荷载为主动（被动）土压力，不考虑挡土结构变形所产生的土抗力。荷载(土压力) -结构荷载(土压力)-弹簧(土) -结构初始应力场(开挖释放荷载) 连续体-结构荷载-结构法 计算模型及计算方法分类弹性支点法有限元法、有限差分法hdhEa1Ea2Ea3Ea4Ep1Ep2h

40、a1ha2ha3ha4hp1hp2建筑基坑支护技术规程 JGJ12099中悬臂桩的结构内力计算模型 计算模型与结构的实际受力变形相差较大，在新的“基坑规范”中已取消。计算模型计算方法2.5.2 荷载-弹簧-结构法（弹性支点法）以弹簧模拟土对支护结构的被动作用。sss0pkvp（1）计算模型 2）假定土的抗力与该处的水平位移成正比，即抗力系数水平位移计算模型计算宽度的确定 1）桩（墙）后采用主动土压力，桩前以弹簧模拟土的抗力。初始的土反力（主动土压力） 3）计算宽度（即其中一根桩的土反力的影响宽度）且土抗力的和应小于被动土压力的和：skpkPE圆桩00.9(1.50.5)bd（d1m）00.9(

41、1)bd（d 1m）新规范土压力旧规范土压力新规范s0ps0pK 法：ks不随深度改变，多用于岩层。 m法：ks随深度线性增加，主要用于土层。s()km zh4）土的水平反力系数当结构发生单位水平位移时土所产生的抗力。 抗力系数的各种计算方法土的反力系数的比例系数2b0.2cmv 反映土的刚度的大小（m越大，刚度越大），对支护结构的内力有重要影响。经验公式挡土构件在坑底处的水平位移量（mm），小于10mm时可取为10。（MN/m4） m可通过桩的水平载荷试验等方法确定。基坑开挖深度桩的水平载荷试验0500100015002000250030000200400600800100012001400

42、16001800m值 /MN/m4荷载 /kNm值与荷载的关系（按现场试验结果反算后得到） 试验结果表明，m并不是常数，因此在计算中采用的m实际是对应于某一荷载水平时的m。 水平载荷试验的试验结果（2）锚杆和内支撑对挡土结构作用力的计算即支撑产生单位位移所需要的力。1）锚杆的刚度系数（3）支撑刚度系数的计算hRRR0h()FkvvP支承的刚度系数支点处的水平位移支点初始（安装前）水平位移法向预加应力 按抗拔试验结果确定21aR21()()QQbksss荷 载锚头位移计算宽度锚杆间距预应力锚杆荷 载锚头位移Q2s2Q1s1 按理论方法计算scpaRcfp s3(3)sE E A AbkE AlE

43、 A l s锚杆弹性模量固结体截面积锚杆截面积复合弹性模量自由段长度锚固段长度flsl轴向力spmpc()E AEAAEA固结体的弹性模量固结体aRR0bEAkls2）内支撑的刚度系数水平间距计算宽度支撑不动点调整系数支撑松弛系数弹模及截面积sba支撑长度自由段（4）双排桩的计算模型1）前、后排桩之间的土压力eee0pkvp ep前、后桩水平位移差2）桩间土水平刚度系数seyEksd土的压缩模量前、后桩的净间距3）桩间土初始压力2e0ak(2)ppomtan(45/ 2)ysdh支护结构外侧主动土压力计算系数坑底以上土内摩擦角的加权平均值初始的土反力om45/ 2破坏面用弹簧将前排、后排桩连接

44、，意味着桩之间的作用力是相等的，这与实际并不相符。双排桩支护结构应用实例基坑预应力锚索双排桩基 坑成都黏土（5） 求解方法1）有限单元法的基本概念（以梁的计算为例） 解析法只能计算较为简单的问题 P2(3)6PxwLxEIq23223(10105)120qxwLL xLxxEILq?w 容易求解比较麻烦用解析法求解十分困难基坑支护结构的弹性支点法的计算模型，无法用解析法求解。（采用杆系有限元法求解）q单 元结点1234567W1W2W3W8W有无限多个自由度已减少到8个自由度23456781 通过对计算结构离散化的方法使复杂问题的求解变得可能原本复杂的位移曲线已被分段的线性（或2次、3次）曲线

45、所替代，有利于计算方程的建立。1112111212222212nnnnnnnnkkkwFkkkwFkkkwF刚度矩阵结点挠度及转角结点荷载12nwww连续体（无限多个自由度）离散体（有限个自由度）。 2）求解过程）离散化：）利用能量原理建立求解方程）解方程组后的到结点位移及转角。）由结点位移及转角求得各截面的弯矩、剪力等。（6）算 例1）概况支护结构（人工挖孔桩+2道预应力锚索）预应力锚索结构图2）支护结构350kN300kN桩径1.2m，桩间距2.5m3）计算模型（理正）层号层号土类名称土类名称层厚层厚(m)1杂填土3.02中砂2.03卵石17.04强风化泥岩2.05中风化泥岩10.0层号层

46、号土类名称土类名称重度重度粘聚力粘聚力内摩擦角内摩擦角m值值与锚固体摩与锚固体摩(kN/m3)(kPa)(度度)(MN/m4)擦阻力擦阻力(kPa)1杂填土18.08.010.020.020.02素填土19.010.020.020.020.03中砂18.83.015.030.050.04卵石21.08.040.090.0260.05强风化泥岩22.0-70.0150.06中风化泥岩23.0-150.0300.04）材料计算参数5）内力及变形计算结果弹性支点法经典方法（无法得到支护结构的变形）主动土压力（经典法与弹支法相同）桩前被动土压力与桩后主动土压力叠加后的结果（经典法）桩前土抗力与桩后主动

47、土压力叠加后的结果（弹支法） 4）土层的力学模型仍偏于简单，通过计算得不到土层的变形情况。 1）与荷载-结构法相比，考虑了土层及结构变形特性对结构受力变形的影响，并可得到结构的变形。 5）参数m对结果影响较大，但通常没有相应的试验值，同时m也不是常数（与荷载水平有关），这会对计算结果的准确性和可靠性产生较大的影响。（7）弹性支点法总结 2）可较好地模拟基坑施工过程对支护结构变形及内力的影响。 3）作用在桩（墙）背后的土压力预先确定，在计算过程中保持不变，与支护结构的变形大小无关，这与实际情况是不相符的。初始应力场（自重应力）为000开挖前施做支护结构（1） 计算原理静止土压力p02.5.4 初

48、始应力场（开挖释放荷载）-土体（连续体）-结构计算方法（采用有限元法、有限差分法等）1开挖后=+u开挖释放荷载u1开挖引起的土压力变化 p（墙前为正，墙后为负）位移场10uuuu应力场10 土压力10ppp 静止土压力静止土压力开挖后的土压力p1静止土压力p00u0=0竖向土压力自由面（面上作用力为0）（3）特 点 1）与前2种方法相比，不需对土层、支护结构引入过多假设和作过多的简化（例如，不需预先假设土压力分布模型），因此能更好地模拟支护结构及土层的受力变形情况，并能得到支护结构、土层的全部变形、受力信息。 2）能够模拟各种复杂的基坑支护形式及施工过程，可进行空间、时间效应的分析。 3）土体

49、力学模型及参数的合理性及准确性是计算成败的关键。（2）所需要的土的材料参数1）弹性模型：弹性模量、泊松比。2）弹塑模型：弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角。4）渗透固结问题：除上述参数外，增加渗透系数。3）其他非线性本构关系（有上百种）：相应的参数。（4）算例（地铁车站基坑）有限元模型及网格划分弯矩计算结果土压力计算结果水平位移云图 桩间距3.2m时应用有限元法研究合理的桩间距桩间距2.2m时桩间土失稳2.6 基坑变形计算 （1）基坑工程正在由强度控制转向变形控制，基坑变形的确定显得尤为重要。 （2）变形问题较强度问题更为复杂。（强度对应于极限状态，变形可能对应于非极限状态时的任一个状态。）基

50、坑周围环境类型基坑变形基 坑坑外土体土 体水平位移坑底隆起支护结构水平位移竖向位移 变形类型 变形产生的原因地下连续墙或灌注桩开挖降 水基坑开挖地表及深层沉降水平变形2.6.1地下连续墙或灌注桩开挖引起的地层变形 地下连续墙（灌注桩）的开挖，将导致土层中的自重应力释放（虽然泥浆可提供一部分支护力，但不足以补偿降低的应力），由此导致地层的变形。特别是注意到墙（桩）的开挖深度较基坑的开挖深度还大，故可使土层产生较大量值的位移。沉 降水平位移 大量的量测结果表明，其影响范围可到墙（桩）开挖深度的2倍，变形可达墙（桩）开挖深度的0.05%0.15%，在基坑施工过程中产生的变形中占相当大的比例。（发生在

51、基坑开挖前）2.6.2 基坑开挖产生的变形 开挖所产生的变形与基坑深度、土层软硬、支护结构、施工过程等诸多因素有关。以下是对大量实测数据进行统计分析得到的结果。 （1）基坑最大侧向位移与基坑开挖深度的关系：0.11.2%H （2）地表最大沉降约为基坑最大侧向位移的0.51.5倍。上海地区基坑变形统计结果（部分）2.6.3 支护结构的水平位移1）变形特点（1）悬臂型：基坑较浅，无横撑时。 （2）抛物线型：基坑较深，单横撑时。（3）组合型：基坑深，多道横撑时。 多道横撑时的水平位移常呈抛物线型，位移最大值一般在基坑底面附近，或稍偏上。（如：软土基坑，位置的平均深度为0.89H） 2）确定方法弹性支

52、点法有限元等数值计算方法经验法估算2.6.4 基坑开挖产生的地表沉降1）开挖沉降的形态及影响范围（1）凹槽形；（2）三角形。凹槽形的最大沉降的位置:（0.30.7)H。沉降影响范围:（14）H。2）利用地层损失法计算地表沉降 （1）用弹性支点法等方法计算支护结构的变形曲线。 （2）以地表下沉填补因支护结构变形而造成的空隙（即二者面积相等），确定地表下沉曲线。（1）三角形沉降曲线沉降范围o0gtan(45/ 2)xH wVmax02Sx 地表最大沉降（2）指数曲线沉降范围o0gtan(45/ 2)xH 地表最大沉降wVmax01.60.3Sx w1w21()2支护变形所围面积支护结构的高度3）算例4）影响地层损失法计算精度的主要因素 （1）坑外土层在基坑开挖过程发生变形的过程中，密实程度必然会降低，故“地层损失面积等于变形后桩（墙）所围面积”的假设并不完全合理。 （2）其他因素（沉降曲线的形式、沉降范围）的准确性对计算结果会有重要的影响。2.6.5 基坑降水产生的地表沉降1）降水产生沉降的原因水位下降后地层中的有效应力增大，并产生沉降。2）沉降计算方法（1）简化计算方法（2）有限元法等数值计算方