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文档简介
深基坑工程桩锚支护设计
计算理论及应用
1第1章绪论
第2章桩锚支护设计计算理论与分析
第3章桩锚支护工程的降水设计与监测技术
第4章深基坑支护工程实例第5章总结与展望2第1章绪论
1.1深基坑支护方法的分类及特点
(1)基坑围护体系是临时结构,具有较大的风险性(2)基坑工程具有很强的区域性
(3)基坑工程具有很强的特性
(4)基坑工程具有很强的综合性
(5)基坑工程和土压力具有很强的相关性(6)基坑工程具有较强的时空效应
(7)基坑工程是系统工程(8)基坑工程的周边环境较复杂(9)基坑围护方法多
3
近几年来,高层建筑与市政建设处于大发展时期,由于设计与施工队伍对当地的基坑施工特点不够熟悉,因而发生了一些事故。为避免这些事故的发生,应从如下几方面进行总结,并改进这些方面的工作。
(1)设计方面(2)施工方面(3)监测方面
基坑支护设计中的主要问题是稳定性和变形问题,现在对支护结构的稳定性计算的常规方法一般是按弹性地基梁理论,采用等值梁法或连续梁法。其缺陷和不足是:①土体是各向异性、非均质、非连续的介质,不完全是弹性体。②深基坑开挖是一个卸荷过程,基坑开挖后边界条件改变,亦即稳定性分析未考虑应力路径变化对土体强度及变形性质的影响。③特别是对于软土,基坑开挖后支护结构的稳定性应考虑软土长期流变的影响。④对于不同的土类别,采用同一种稳定分析计算方法,不尽合理。⑤仅考虑了支护结构本身的稳定性,而往往忽略了支护结构与边坡上体作为一个整体的整体边坡稳定性。⑥深基坑变形破坏类型的划分一般是按倾覆、整体滑移,强度破坏、踢脚底鼓、管涌、变形过大、地面开裂沉陷等来划分,这是否缺乏科学性和系统性。5第2章桩锚支护设计计算理论与分析
2.1深基坑边坡的变形破坏模式
当基坑坑壁采用桩(墙)锚、桩(墙)撑式支护结构时,深基坑可能发生三种形式的变形破坏:⑴支护桩(墙)入土深度不足,支护桩(墙)下部出现“踢脚”⑵锚杆的锚固力或支撑力不足,使锚杆拉出或使支撑“压屈”;⑶支护桩(墙)强度不足出现剪断破坏。当基坑坑壁采用喷锚(土钉墙)支护时,基坑可能发生以下三种形式的变形破坏:⑴锚杆或土钉长度不足,基坑边坡土体沿朗肯主动破裂面发生变形破坏;⑵个别锚杆或土钉的抗拔力不足,被从土体内拉出;⑶锚杆(土钉)与面层钢筋联接不牢固,与面层钢筋拉脱。
62.2支护结构选型
武汉地区深基坑支护结构的主要型式如下:
1)放坡开挖2)悬臂桩3)水泥土重力式挡土墙
4)桩锚式支护结构5)内支撑式支护结构
6)喷锚支护(土钉墙)7)综合措施
2.3土层锚杆的内力计算
锚杆的承载力式中:Qu__锚杆极限承载力;rb__锚杆锚固体半径;La—锚杆锚固段长度;τu锚杆周围土体的抗剪强度72.4支护结构水平荷载与抗力计算
2.4.1超载作用下支护结构水平荷载与抗力计算模式图2-1水平荷载与抗力计算模式92.4.2支护结构水平荷载标准值
图2-2水平荷载标准值计算简图102.4.3支护结构水平抗力标准值计算
图2-5水平抗力标准值计算简图112.5.2多支点支护结构计算计算简图图2-8支点力图2-9嵌固深度hd计算简图13图2-11多支点支护结
构内力计算简图图2-12逐层开挖支撑(拉锚)力不变等值梁法计算简图142.5.3结构内力及截面承载力计算
5)排桩及支撑体系混凝土结构的承载力应按下列规定计算:(1)正截面受弯及斜截面受剪承载力计算以及纵向钢筋、箍筋的构造要求,应符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GBJ10的有关规定;(2)圆形截面正截面受弯承载力应按下列规定计算:沿截面受拉区和受压区周边配置局部均匀纵向钢筋或集中纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土桩(图2-14),其正截面受弯承载力可按下列公式计算:15总结基坑支护结构设计计算思路如下:
(1)若设计某一段,则应己知该段各土层的厚度、γ、c、φ、K、及q0、q1、b0、b1,选取该段重要性系数γ0,设定该段桩长初值为h+hd,若桩长不满足下列要求,则应加大桩长,直至满足为止;
(2)由式(2-4)~(2-7)计算基坑外侧竖向应力标准值;
(3)由2.4.2节的公式计算支护结构水平荷载标准值;
(4)由式(2-11)计算作用于基坑底面以下深度处的竖向应力标准值;
(5)由2.4.3节的公式计算基坑内侧水平抗力标准值;
(6)对悬臂式支挡结构,按式(2-14)确定悬臂式支护结构嵌入深度设计值hd,若满足,则可确定桩长;若不满足要求,则应加大桩长,直至满足为止;
(7)由式(2-15)验算抗渗透稳定条件;
(8)由式(2-16、17)计算支挡结构弯矩计算值及剪力计算值;
(9)由式(2-34、35)计算支挡结构截面弯矩设计值及截面剪力设计值;(10)由式(2-37~43)进行支挡结构截面尺寸(如直径)及配筋等设计;
17(11)对单层支点支护结构,先按式(2-18)确定基坑底面以下支护结构设定弯矩零点位置至基坑底面的距离;
(12)由式(2-19)计算支点力;
(13)由式(2-20)确定嵌固深度设计值;
(14)由式(2-25)计算支点支护结构弯矩计算值及剪力计算值;
(15)按上面第(9)、(10)步进行单层支点支护结构截面尺寸及配筋等设计;
(16)对多层支点支护结构,先按式(2-21)、(2-22)确定嵌固深度计算值;
(17)由式(2-24)计算嵌固深度设计值;
(18)按弹性支点法计算多支点支护结构支点力计算值;或按逐层开挖支撑力不变等值梁法由式(2-27、29、31)计算支点力计算值;
(19)由式(2-25)计算多层支点支护结构弯矩计算值及剪力计算值;
(20)由式(2-25)计算支点结构第层支点力设计值;
(21)按上面第(9)、(10)步进行多层支点支护结构截面尺寸及配筋等设计;
(22)由2.5.4节的公式和规定进行锚杆承载力计算,确定锚杆杆体的截面面积,确定锚杆轴向受拉承载力设计值,计算锚杆自由段长度,进行锚杆长度、间距、倾角等设计;对于内支撑结构,应进行强度验算、稳定性及细长比验算等。
18第三章桩锚支护工程的降水设计与监测技术
3.1深基坑工程降水设计
降水基本理论
设计基坑降水系统需要选用渗流公式确定井的数目、间距、深度、直径以及井的出水量等。选用渗流公式时,要根据基坑的深度,考虑场地的水文地质条件,即地下水的类型、补给源及井的结构等。根据地下水有无压力,水井分为无压井和承压井。当水井布置在具有潜水自由面的含水层中时,称为无压井;当水井布置在承压含水层中时,称为承压井。当水井底部达到不透水层时称为完整井,否则称为非完整井。各类井的涌水量计算方法都不同。1857年,法国水力学家Dupuit首先研究出地下水涌水的理论。这些理论虽与实际情况有出入,但直到现在还广泛地被应用着。他研究了完整承压井和完整潜水井的涌水情况,并作了如下假定:①含水层为均质和各向同性;②水流为层流;③流动条件为稳定流或非稳定流;④水井出水量不随时间变化;
193.2桩锚支护工程的监测技术
工程监测的目的及重要性主要表现在:
(1)将监测获取的数据与理论计算值比较以判断原施工参数取值是否合理,以便调整下一步施工参数,做好信息化施工。
(2)将监测结果信息反馈优化设计,使之更符合实际,使支护结构设计更加经济、安全。
(3)积累基坑工程施工、设计优化的实际资料,指导今后设计施工。
深基坑支护工程监测技术主要包括以下几个方面:
1)支护结构的监测(1)水平位移监测。根据基坑大小,一般每间隔6-8m布设一个监测点,在关键部位适当加密布点。考虑到施工场地狭窄、测点常被阻挡的实际情况,可用位移收敛计、经纬仪、伸缩计等多种方法进行监测。(2)倾斜监测。根据支护结构受力及周边环境等因素,在关键的地点钻孔布设测斜管,用高精度测斜仪定期进行监测,也可在基坑开挖过程中在支护结构侧面用经纬仪观测,以掌握支护结构在各开挖施工阶段的倾斜变化情况,及时提供支护结构深度—水平位移—时间的变化曲线及分析计算结果。(3)沉降监测。可按常规方法用DSI型精密水准仪对支护结构的关键部位进行监测。212)周边环境的监测
3)确定监测周期及频率
4)设定预警值
5)监测结果的分析与评价
6)险情预报
7)提出合理化措施
(1)在支护结构水平位移速率和累计位移较大时,分别增设钢管水平角支撑、加密支撑、及时安装支撑构件、跳槽开挖、停止超挖、先支撑后开边支撑边开挖、在挡土结构的背后挖土卸荷或加设树根桩等。
(2)对较复杂的周边环境,为保证支护结构的位移较小,对锚杆施加足够的预应力,或在水平钢管支撑安设时用千斤顶施加预应力顶紧支护结构。
(3)对邻近较重要的建筑物及地下煤气管道等进行灌浆加固等措施。对渗漏、管涌等要引流堵漏,压密注浆水堵漏,降水堵漏,钢丝网水泥砂浆护壁等。对周边地面浇注混凝土薄层,增设排水通道,对周边土体裂缝及时用水泥砂浆封闭,以防地表水往下渗流。
(4)对变更设计、施工方案的分析评价和建议。22第四章深基坑支护工程实例
4.1工程概况
武汉RDR国际广场主体工程为3栋塔楼,其中2栋28层,1栋24层,裙楼6层,地下二层。总建筑面积67405m2,地下总建筑面积8296m2,基坑占地面积约5000m2,平面形状近似矩形。本工程设计正负零标高约相当于绝对标高21.20m,基础承台垫层底标高为-10.70m至-9.20m,电梯井局部基础承台垫层底标高为-11.40m。基坑周边实际最大开挖深度为9.9-8.4m。
该场地周边现有建(构)筑物、地下管网、道路等具体情况如下:北侧:基坑北侧紧邻江大路,坑壁距道路边线最近处7.0m,且有电信沟、煤气管道、排水管道。东侧:基坑东侧紧邻黄孝河路,坑壁距道路边线8.5m,且有电信沟、煤气管道、排水管道,距黄孝河排水箱涵12m。南侧:南侧基坑边线距武汉市交通委员会武汉交通信息中心约11m;西侧:为规划道路,距拟建建筑物边线约25-30m外有两栋8-9的砼结构住宅楼。234.2深基坑支护方案的选择支护方案比选的原则是:首先根据地层、开挖深度、周边环境的不同详细对基坑支护分段,然后对每一段按由简单到复杂、由低价到高价的先后顺序进行试算、比较,同时兼顾工期及其它工程条件,最后选择最佳的方案。综合考虑本基坑工程的各项条件,经过充分的比较、论证、试算后,确定本基坑工程支护方案的总体思路如下:以排桩+预应力锚杆作为主要支护手段,辅助坡顶减载、坑内坡脚留设反压土体、外设加强桩、止水帷幕、坑内深井降水等手段,确保支护体系的完善。对已施工的支护桩充分利用,原支护桩不能满足要求时,采取加锚或加桩等措施予以补强。本工程拟采用坑内深井降水、坑壁深层搅拌止水、坑内明排相结合的地下水处理措施。深井降水不可避免的会引起场地周边地面一定的沉降量,但根据多年来在武汉市从事深基坑工程方面的经验,可以通过以下两个方面来将其负面影响降低到最小程度:⑴优化设计⑵合理安排抽水时间254.3支护设计
由于场地内各段土层厚度有一定的变化,故分段概化为5种地层剖面分别计算。现将DE段和FG段概化地层图示如下:2629图4.74-4(DE)剖面桩锚设计计算结果30图4.74-4(DE)剖面桩锚设计计算结果
图4.74-4(DE)剖面桩锚设计计算结果31
图4.8支护桩大样图32图4.9桩锚支护结构立面图33放坡喷锚设计
桩顶平均放坡深度按2.4-3.0m计算。该段坡面设计坡率为1:0.5,坡脚设0.5-2.5m宽平台(见表4.3)。设计锚杆2排,锚杆长度为4.5m-9.0,锚杆直径110mm,水平间距1.3-1.5m,垂直间距1.0-1.3m,主筋为1Φ20。34
35图4.13基坑抗隆起分析图4.12DE段桩顶放坡喷锚支护36
喷锚面层设计
喷面采用喷射砼,砼设计强度为C20,厚度8cm-10cm,配比为水泥:砂:石子=1:2:1.5,水灰比为0.4~0.5,采用标号不低于32.5Mpa的普通硅酸盐水泥、粒径不大于2.5mm的中细砂和粒径小于5mm的瓜米石。钢筋网规格为Φ6.5@200×200,加强筋为Φ16圆钢。将各排锚杆、加强筋焊成网络,以增加面层刚度。上下段钢筋网搭接长度应大于20cm。图4.15基坑喷锚支护大样图374.4基坑降水设计为使本基坑既经济安全又尽量减少基坑降水可能的环境影响,结合场地地质条件,对本基坑采用减压降水法。基坑降水设计时需要有一定的安全系数,对本基坑取1.0-2.0米水头的安全系数。则本基坑降水设计时需要将场内的承压水水头降低至标高9.00米(大开挖部分)-8.0米(电梯井部分),即降水设计时考虑将场内承压水水头降低10.0米-11.0米。此为本基坑降水设计目标由于降水井所抽取的地下水主要为砂层中的地下水,根据该层颗粒特征、含水层渗透性能及经济分析,基坑内降水井单井抽水量设计为80T/h,由此可知所需的降水井数目为: 17000t/dn=──────────≈9口 80t/h×24h/d
9口降水井在基坑中的布置见下图:
3839基坑降水后地面沉降预测等值线图404.5基坑监测方案设计
监测的目的是根据现场监测数据与设计值(或预测值)进行比较,如超过某个限值就采取工程措施,防止支护结构破坏和环境事故的发生。用监测数据指导现场施工,进行信息化施工,使施工组织设计得以优化。
监测项目包括:⑴基坑边坡土体和支护桩水平位移;⑵基坑边坡土体和支护桩沉降变形;⑶周边道路、管网、建筑物沉降变形;⑷基坑边坡深层土体位移;⑸裂缝监测。
监测要求如下:基坑开挖前布设基准点、基坑周边道路管网沉降点,并进行基点联测和沉降点基础数据观测。并布设好测斜孔,基坑开挖前进行初始值监测。基坑开挖第一层土之前每3天观测一次,开挖以下土层应每
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