PKPM基坑支护三维及计算

1前言基坑支护结构的设计计算原理和依据(讲课重点，包括三维计算和规范计算两大部分，结合国家规范来讲)。PKPM基坑软件以及和国内基坑软件的对比。交流和讨论。2基坑工程的原则1.正确的设计理论是工程成功的基础2.经验丰富的施工单位是工程成功的关键3.信息化施工是工程成功的保证（1）监测资料是信息化施工的依据（2）预测分析是信息化施工的指导（3）经验与判断是信息化施工的决策4.经济分析5.总结经验教训(岩土工程半理论半经验)3PKPM基坑支护三维分析中国建筑科学研究院PKPM软件所4基坑支护三维分析概要

基坑支护三维分析的优点基坑支护三维分析的理论基础PKPM基坑三维分析的特点影响基坑三维分析结果的主要因素基坑支护三维分析的过程对象是桩墙、内支撑、立柱、锚杆所组成的空间结构体系5基坑支护三维分析的优点在二维分析中，支护体系被人为地拆成水平面分析（内支撑）和竖直面分析（桩、墙），只能作到点上的位移协调；基坑支护体系本质上是一空间结构，三维分析具备理论上的先进性，可实现真正的位移协调；

得到更符合实际的内力和位移计算结果，真正反映支护体系的空间效应；构件计算更合理，可以节省工程造价。6基坑支护三维分析的理论基础结构：桩、地下连续墙，钢筋砼或钢支撑梁，锚杆，钢或砼支撑立柱形成的空间体系。荷载：土、水压力，地面附加荷载。约束：被动区土体。弹性支点法基本计算模型

计算简图7PKPM基坑支护三维分析的荷载土压力：粘性土由于透水性差，一般水土合算；而无粘性土由于透水性好，一般水土分算。合算与分算的差别演示见黑板。附加荷载：无限宽度均布荷载按荷载大小*Kai传递（可以理解为增加等效的土层）；有限宽度局部荷载按应力45度扩散方法处理，但与上海规范、浙江规范、福建规范有差别。三种水压力：静止水压力，渗流水压力1、渗流水压力2(上海规范特有)，见黑板。8水的工程问题无粘性土中水形成连续的分布，产生静水压力，加大了作用在支护结构上的侧压力。改变土的物理力学性质，如边坡浸水后，土的凝聚力C和内摩擦角Fai值降低。降水后导致土粒间有效应力加大，土骨架压缩量增加，引起周边环境不均匀沉降。9PKPM基坑支护三维分析的约束常用的有“m”法，“K”法，“C”法，本质上是假定被动区土体弹性约束的刚度曲线不同

“m“法基床系数图“K”法基床系数图“C”法基床系数图

C=mHC=KC=c*sqrt(H)图中H为从开挖面算起的深度。10PKPM基坑支护三维分析的特点采用弹性支点法，即m法；三维计算核心模块已在PKPM的高层建筑结构计算中广泛运用并通过验证；模拟支护结构实际施工过程的分步开挖和分步加撑和支撑拆除；在下一步开挖中考虑上一步所加支点的已有变形，从而得到符合实际的支点力；计算结果可靠合理，前后处理完全图形化。11影响基坑三维分析结果的主要因素土压力模型朗肯土压力规程土压力土抗力模型

m法

k法土的特殊性质，如软土的流变性12基坑支护三维分析的架构体系

13基坑支护三维分析的过程

前处理划分节点和单元，计算单元上的荷载，归并截面的几何类型和材料类型，计算单元上的约束信息，形成PMSAP数据文件；计算

调用PKPM成熟的三维计算模块PMSAP；

后处理形成各杆件的内力、位移图桩、墙、钢砼构件的配筋计算等14与国内其它基坑软件的比较(1)PKPM基坑支护软件是真三维分析，三维分析模块的正确性已经被多项结构工程的设计所验证，而国内其它主流软件的三维分析是拟三维，6个空间位移中只计算出了Ux,Uy,，不能反映内支撑体系出平面外的稳定问题，如下图所示：15与国内其它基坑软件的比较(2)PKPM在图形平台和三维建模、显示方面有自己的特点，既直观形象，又全面方便，可以最大限度地节省用户在三维分析方面的投资。16上海101层环球金融中心基坑17江苏中成建设公司基坑18上海世博会某工程地连墙基坑19浙江台州某基坑(支撑梁出基坑边线)20宁波坤和中心地连墙加内支撑基坑21坤和中心实景22PKPM排桩支护三维分析例题23排桩体系三维位移图24排桩最大内力,水平位移图25第

1道内支撑弯矩剪力轴力位移图26第

2道内支撑弯矩剪力轴力位移图27第

3道内支撑弯矩剪力轴力位移图28排桩和三道支撑梁的配筋图29PKPM地连墙支护三维分析例题30地连墙体系三维位移图31地连墙最大内力、水平位移图32地连墙水平等效梁的内力、位移图33第

1道内支撑弯矩剪力轴力位移图34第

2道内支撑弯矩剪力轴力位移图35第

3道内支撑弯矩剪力轴力位移图36某槽段地下连续墙配筋图示例37支撑平面图38PKPM基坑支护规范计算*****中国建筑科学研究院PKPM软件所39规范计算的架构体系40桩(墙)结构嵌固深度计算-悬壁桩EpEa考虑安全系数，主动区合力Ea和被动区合力Ep对桩底取矩平衡,计算出嵌固深度。41桩(墙)结构嵌固深度计算-单支点1、假定土压力强度0点C为弯矩0点。2、对C点取矩，得支点的支点力3、考虑安全系数，主动区合力Ea和被动区合力Ep,支点力T1对桩底取矩平衡,计算出嵌固深度。EpEaT142桩(墙)结构嵌固深度计算-多支点1、假定土压力强度0点C为弯矩0点。2、对C点取矩，开挖到第2道支撑底标高，得第1道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第1道支点的支点力不变，再对C点取矩，得第2道支点的支点力，以此类推…3、考虑安全系数，取C点以下至桩底的部分桩为研究对象，C点以下主动区合力、C点不平衡的剪力、被动区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。EpEaT1T2注：此方法即等值梁法，国家规范中采用过桩墙底的圆弧滑动法来计算嵌固深度，福建规范中不假定弯矩0点，对每道支点取矩，不平衡的土压力就为此道支点受力，然后假定本道支点力不变，计算下一道支点的力。43桩(墙)结构抗隆起验算一、按墙底地基承载力隆起验算坑外侧土体考虑自重和附加荷载，坑内侧被动区土体考虑自重和凝聚力，按地基极限承载力的原理建立计算公式。没有考虑墙底以上土体抗剪强度的影响。Pu=cNc+Ga2*D*Nq>=Ga1(h0+D)+q,h0为坑底，D为嵌固深度二、绕最下一道支撑和桩墙底的圆弧滑动隆起验算，考虑了墙底以上土体抗剪强度的影响。44桩(墙)结构抗倾覆验算K=Mrc/MocMrc-抗倾覆力矩，被动区土压力对最一下道支点中心O取矩Moc-倾覆力矩，主动区土压力对最一下道支点中心O取矩EpEa45桩(墙)结构抗渗流验算K=ic/iic-坑底土的临界水力坡度,ic=(ds-1)/(1+e)=浮容重/水容重Moc-i-坑底土的渗流水力坡降i=hw/L=坑内外水头差/最短渗径46桩(墙)结构承压水验算K=Pcz/PwyPcz-坑底至承压水顶板间土的自重压力(kN/m2)Pwy-承压水头压力=承压水头高度*10(kN/m2)47SMW工法结构相关验算(1)常见截面型式型钢入土深度确定原则1、满足抗隆起稳定、抗倾覆稳定验算2、挡土墙的内力位移不超过允许值3、如果要回收，可顺利拔出。水泥土入土深度确定原则1、满足抗渗流稳定、承压水稳定验算2、大于型钢的入土深度，以包裹型钢3、坑内降水不能影响到坑外环境，因此要有一定的入土深度型钢抗拔验算1、型钢最大抗拔力Pm=0.7*屈服强度*型钢截面积2、型钢最大可拔出长度<=最大抗拔力/(2*单元面积摩阻力*型钢截面周长)48SMW工法结构相关验算(2)型钢净距和水泥土强度验算1、型钢净间距的验算(型钢的净间距不能过大<=水泥土墙体厚度+型钢高度+型钢形心轴与截面形心轴间距离)2、若型钢连续布置，仅需验算型钢翼缘边的水泥土抗剪强度（要剪断型钢比剪断水泥土困难）3、若型钢间隔布置，还需验算水泥土搭接处的抗剪强度组合刚度计算1、若型钢全位布置，只考虑型钢本身的刚度Ke=Eh*Ih2、若型钢半位布置，还考虑水泥土的刚度,即计算组合截面的刚度Ke=Eh*Ih+Ec*Ic根据材料力学原理，先计算组合截面的形心轴，然后分别计算两种材料的不同截面对此形心轴的惯性矩，与弹模相乘后再相加。型钢抗弯抗剪强度验算在计算出型钢的内力后，用M/W<=型钢设计强度,Q/A<=型钢抗剪强度来进行验算49桩(墙)结构内力位移计算-等值梁法1、假定土压力强度0点C为弯矩0点。2、对C点取矩，开挖到第2道支撑底标高，得第1道支点的支点力，然后往下开挖到坑底，假定第1道支点的支点力不变，再对C点取矩，得第2道支点的支点力，以此类推…3、考虑安全系数，取C点以下至桩底的部分桩为研究对象，C点以下主动区合力、C点不平衡的剪力、被动区合力对桩底取矩平衡，计算出嵌固深度。EpEaT1T250桩(墙)结构内力位移计算-m法有限元方程为：式中[K]pc为桩墙的刚度，[K]sa为内支撑和锚杆的刚度，{F}为作用在支护结构上的外荷载。{U}为待求的支护结构位移,{U0}为加支锚时，桩墙在支锚位置处的已有位移。计算简图如右图所示：51多种方法的水土压力图

52桩(墙)分步开挖的内力图-等值梁法等值梁法不能计算位移53桩(墙)分步开挖的内力图-m法可计算位移，结果更合理54桩(墙)支护结构锚杆计算

(1)55桩(墙)支护结构锚杆计算

(2)56桩(墙)支护结构配筋计算对沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面和矩形截面的排桩和地下连续墙，其正截面受弯承载力按现行国家标准《混凝土结构设计规范》的有关规定进行计算。

非均匀配筋的圆形截面钢筋混凝土桩，按国家规程JGJ120-99的有关规定进行计算，如图所示：57桩(墙)支护结构整体稳定计算桩（墙）结构的整体稳定分析采用圆弧滑动简单条分法，计算简图如下图所示。在基坑施工的各个工况，根据本工况的基坑开挖深度、桩墙的嵌固深度、土层参数、支点参数、及附加荷载等情况计算任意可能滑动面的抗滑力矩和滑动力矩，并找出最危险滑弧，计算出最危险滑弧的抗滑力矩、滑动力矩以及二者的比值（即基坑边坡的整体稳定安全系数），如果整体稳定不满足要求，则调整上述有关参数后重新进行计算，直到满足为止。

58排桩分步开挖(等值梁法)的计算书59m法计算书60锚杆计算书61桩配筋计算书62地连墙配筋计算书63SMW工法计算64SMW工法计算书65基坑施工应注意的主要问题(1)1)基坑施工前应编制基坑支护设计方案，依据有关规定需要专家评审的，尚应具有专家评审通过的书面意见。2)基坑施工前应组织有关单位进行基坑支护设计方案技术交底，明确各工序的技术要求和质量标准。3)土方开挖应按照设计工况分层、分段进行，严禁超挖。发生异常情况时，应立即停止挖土，并应立即查清原因待采取相应措施后，方可继续开挖施工。开挖过程中，应采取有效措施避免破坏和扰动支护结构、工程桩和槽底原状土。当采用机械开挖土方时，应在基坑底预留150mm～300mm厚的土层，由人工挖掘修整，以保持坑底土体原状结构。4)基坑开挖完成后，应及时清底验槽，浇注垫层封闭基坑，减少地基土暴露时间，防止暴晒或雨水浸泡而破坏地基土的原状结构。66基坑施工应注意的主要问题(2)5)做好信息化施工。基坑开挖过程中，应对基坑支结构及周边建（构）筑物进行监测，并对监测数据进行分析，指导施工，发现异常情况及时通报相关单位，以便采取措施，防止事故发生。6)做好截排水工作。基坑周围地面应采取硬化和截排水措施，防止雨水、生活用水等地面水流入坑内；坑壁采取排水措施，有组织地疏导土层中的残留水；基坑底的渗漏水应及时排出，避免在基坑内长期积聚。放坡开挖时，应及时对坡顶、坡面、坡脚采取保护措施。7)基坑周边严禁超载。基坑在开挖和使用过程中，基坑周边行车和堆载应严格控制在设计荷载允许范围内，严禁超载。8)基础结构完成后，应及时对施工肥槽进行回填，回填采用分层夯实，以满足设计密实度的要求。67土钉墙的局部稳定计算计算简图相关计算公式68土钉墙的整体稳定计算相关计算公式计算简图69北京万富大厦基坑（深18m，垂直土钉墙）70广州某基坑整体失稳(2005.7)71土钉墙的整体稳定计算结果72土钉墙的计算书73土钉墙设计方案常见问题(1)1）