深基坑工程设计与计算.ppt

中铁第四勘察设计院集团有限公司中铁第四勘察设计院集团有限公司中铁第四勘察设计院集团有限公司中铁第四勘察设计院集团有限公司深基坑工程设计与计算深基坑工程设计与计算一、深基坑总体方案二、设计控制原则三、围护结构选型与设计 四、连接与节点构造五、深基坑计算六、基坑监测七、施工方案八、对周边环境影响分析及加固一、深基坑总体方案一、深基坑总体方案一、深基坑总体方案一、深基坑总体方案 深基坑工程总体方案主要有顺作法和逆作法两种基本形式，在同一个基坑中也可组合使用。顺作法一般在基坑周边设置板式支护结构，在坑内设置几道临时水平内支撑体系，分层开挖并架设支撑直至坑底，浇筑混凝土底板后，由下而上逐层施工各层地下结构并拆除支撑。逆作法利用先施工的地下连续墙和中间支撑柱承受荷载，从地面逐层下挖，同时从上到下完成地下室的梁、板结构，利用上一层的结构梁板作为下一层开挖时的支撑。逆作法可分为全逆作法。半逆作法、部分逆作法等多种形式。逆作法设计要点：(1)逆作法的梁板重量较常规顺作法的支撑重量要大得多，因此立柱和立柱桩的承载能力需很大；(2)逆作法的连续墙、立柱桩均为永久结构，需结合主体梁板柱进行设计和预留预埋。二、设计控制原则二、设计控制原则二、设计控制原则二、设计控制原则一级基坑主要控制指标如下：(1)地面最大沉降量0.1%H；(2)围护结构最大水平位移0.14%H；(3)KL1.8；二级基坑主要控制指标：(1)地面最大沉降量0.2%H；(2)围护结构最大水平位移0.3%H；(3)KL1.6；三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计基坑围护型式主要有：(1)放坡+土钉：H10m；(2)水泥土搅拌墙：H5m；(3)钢板桩：环境影响较大；(4)SMW工法桩；(5)钻孔灌注桩、咬合桩；(6)地下连续墙；围护体结合混凝土支撑、钢支撑、锚杆体系即形成基坑围护。1 1、基坑围护的主要型式、基坑围护的主要型式围护型式的选择主要根据基坑深度来确定，但同时必须考虑到周边环境条件等因素。施工机械净距、净高要求：（1）工法桩：施工机械较大，一般需侧墙外5m净距，净高20m以上；（2）旋喷桩：施工机械很小，一般无净距、净高限制；（3）咬合桩：侧墙外净距2m即可，净高11m以上即可施工；（4）钻孔桩+止水帷幕：侧墙外净距需3m以上，净高10m左右即可施工；（5）连续墙：侧墙一侧净距一般需12m方可吊装钢筋笼（条件较苛刻时可局部放宽该要求），侧墙另一侧外净距一般需3m。2 2、围护型式选择要点、围护型式选择要点放坡开挖：(1)场地周边开阔，开挖深度较浅时采用；(2)苏州地层一般5m深以内基坑可采用一级放坡，8m以上需采用两级放坡；(3)由于放坡锚杆会侵入周边道路影响管线，且难以清除，现苏州园区已不允许采用放坡+锚杆支护。三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计支撑布置型式一般有：1）对撑结合角撑；2）对撑结合角撑、边桁架：适用性较强；3）环撑：要求整个支撑体系同时形成刚度；4）抛撑：适用于深度不大，但面积较大的基坑；3 3、支撑布置选型、支撑布置选型三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计支撑布置原则：1）第一道支撑中心距地面一般11.5m；2）最下一道支撑中心距基底一般34m；3）混凝土支撑竖向间距一般46m，钢支撑35m，从上到下间距应逐渐减小；4）支撑距其下方楼板净距应在500mm以上；5）对于粉土粉砂层较厚的地层范围，宜适当减小支撑距离；6）混凝土支撑水平间距一般89m，钢支撑3m左右；3 3、支撑布置选型、支撑布置选型三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计坑中坑一般围护型式有：1）加固+放坡；2）悬臂式支护；3）板式支护+内支撑；4 4、坑中坑围护、坑中坑围护三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计三、围护结构选型与设计1 1、连续墙与主体结构连接、连续墙与主体结构连接地下室楼板与连续墙连接示意图（单一墙）地下室楼板与连续墙连接示意图（单一墙）地下室底板与连续墙连接示意图（单一墙）地下室底板与连续墙连接示意图（单一墙）四、连接与节点构造四、连接与节点构造四、连接与节点构造四、连接与节点构造按连续墙的功能划分，其型式有：1）复合墙：连续墙与混凝土内墙之间采用防水层隔离，内墙在使用阶段仅承受水压力；2）叠合墙：主体内墙（一般400-600厚）与连续墙贴合凿毛，界面抗剪能力约0.7MPa；且主体底板钢筋需锚入连续墙，其它楼板钢筋锚入主体内墙；3）单一墙：连续墙单独作为主体内墙，一般在连续墙内预留环梁插筋，主体底板钢筋直接锚入连续墙；混凝土围檩与连续墙连接平面示意图四、连接与节点构造四、连接与节点构造四、连接与节点构造四、连接与节点构造2 2、围檩与连续墙连接、围檩与连续墙连接深基坑围檩一般特点：1）基坑一般设有角撑，围檩需承受水平剪力；2）围檩自重较大；3 3、连续墙接头构造：、连续墙接头构造：连续墙接头常用的有：1）锁口管接头：用于周边环境一般的基坑工程；2）型钢接头：用于城区、周边环境复杂的基坑工程；四、连接与节点构造四、连接与节点构造四、连接与节点构造四、连接与节点构造五、深基坑计算五、深基坑计算五、深基坑计算五、深基坑计算l按基坑工程设计规程进行抗隆起、抗倾覆、抗渗流、抗承压水验算，初步确定围护墙的嵌入深度；当按照地铁车站技术要求验算坑底抗隆起时，固结快剪指标C、值应乘以0.70.85的折减系数；l基坑围护墙的内力计算采用竖向弹性地基梁法；l施工期间地面超载一般按20kPa考虑；l施工阶段土压力取主动土压力，粘性土按水土合算，砂性土按水土分算考虑，分别按各层土的C、固结快剪试验指标计算；l使用阶段土压力取静止土压力，各土层均按水土分算；使用阶段的荷载增量为静止土压力与主动土压力的差值，该荷载增量所产生的内力与施工阶段最终的内力叠加即为使用阶段内力；l支撑体系计算将支撑与围檩作为整体，按平面受力的框架进行内力、变形分析。1、设计计算条件五、深基坑计算五、深基坑计算五、深基坑计算五、深基坑计算2、断面计算（单元计算）在理正深基坑软件单元计算模块中，依次输入基本信息、土层信息、支锚信息后即可进行计算；然后进行围护墙（桩）的分段配筋。两个问题：1）、计算文件的编辑；2）、支锚刚度的取值：K=2aEA/L/S，此为单宽支锚刚度，支撑水平间距相应应取为1m。五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算 在理正深基坑软件整体计算模块中，依次进行：方案设计：输入地下室及支撑信息；网线布置：导入基坑边线及支撑轴线；支护布置：定义分区支护数据；内撑布置：布置各层支撑，输出布置图；结果查询：内力、变形结果；构件归并：对构件进行分别设计和配筋；工程量统计：计算工程量3、整体计算 四、围护结构计算基坑整体计算模型 五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算平面支撑体系计算方法：1）在理正深基坑软件中可直接得到结构的变形和内力；2）一般的计算也可以通过断面计算得到各道支撑的单位内力后，在SAP84中建立支撑、围檩体系的平面模型，对围檩施加支撑内力。4、平面支撑体系计算 五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算五、围护结构设计计算构件计算方法：1）围护墙、桩按受弯构件计算承载力，连续墙还需验算裂缝，外侧裂缝宽度0.2mm，内侧0.3mm；2）支撑按照压弯构件计算，弯矩包括平面内的弯矩和自重、栈桥荷载产生的竖向弯矩；3）钢立柱一般采用格构式，按压弯构件进行强度计算和稳定性验算；4）立柱桩承载力的计算：老规范：竖向极限承载力标准值Quk=u*（qsik*Li）；（qsik为第i层土的极限侧阻力标准值）；竖向承载力设计值R=Quk/1.67；要求竖向荷载设计值NR。新规范：单桩极限承载力标准值Quk=u*（qsik*Li）；单桩竖向承载力特征值Ra=Quk/2；要求竖向荷载标准值NkRa。即N5mm/d连续2d以上25mm2围护墙深层水平位移(基坑北侧)3mm/d连续2d以上20mm3立柱桩顶沉降20mm4坑外水位下降500mm/d1000mm5地下管线变形（沉降）2mm/d20mm；相邻两测点差8mm6临近建筑物沉降3mm/d连续2d以上15mm；附加倾斜17支撑轴力实测轴力超过支撑允许承载力70%时一般当监测值达到设计值的50%时，需进行预警；80%时报警。若监测值达到上表中界限须及时报警，应引起各有关方面重视，及时处理，同时根据具体情况加密监测。监测频率与报警值：监测频率与报警值：六、基坑监测六、基坑监测六、基坑监测六、基坑监测七、施工方案七、施工方案七、施工方案七、施工方案 深大基坑一般需根据基坑的形状、支撑布置及周边环境保护要求进行分区分块，将超大基坑分成若干个区域，依次进行流水开挖，以达到减小基坑变形、保护周边环境、加快施工的目的。设计一般只提出施工方案，在总包单位进场后将对施工方案另行深化设计。根据国家规范及苏州地铁1号线的有关要求，并参照邻近地区规范，围护结构设计主要环境保护控制指标如下：三、支护方案设计(1)地铁结构绝对沉降量及水平位移量20mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)；(2)基坑施工期间，地铁结构沉降量及水平位移量10mm；(3)区间隧道隧道变形曲线的曲率半径R15,000m；相对变曲12500；(1)(4)由建筑物荷载及注浆等施工因素而引起的地铁结构外壁附加荷载20kPa；(2)(5)由于打桩振动、爆炸产生的震动引起的峰值速度2.5cm/s；(6)由降水等施工因素引起的坑外地下水位变化速率500mm/天，累计值1000mm；(7)地表沉降不大于0.10%H（一级控制标准）；(1)(8)管线位移控制在20mm以内。八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固1 1、环境保护控制指标、环境保护控制指标八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固 基坑周边分布有建构筑物、地下室、地铁车站、区间隧道或重要管线时，一般要求采用数值计算对基坑周边保护对象的沉降及变形进行分析。一般先采用断面计算的方法得到初步的变形结果，再进一步采用三维有限元进行整体分析计算。计算软件一般有Midas-GTS、Plaxis、Flac等。简单的断面计算一般采用Midas-GTS和Plaxis进行。地铁结构水平变位云图地铁结构竖向变位云图2 2、对环境影响的断面计算、对环境影响的断面计算 地铁-基坑-围护3D模型（开挖结束）八、周边环境保护3 3、三维整体数值计算、三维整体数值计算基坑围护连续墙变位云图基坑围护连续墙水平变位云图（X向，t=8）u最大变位量为29.7mm，发生在东侧坑中坑附近的连续墙中下部。基坑围护连续墙水平变位云图（Y向，t=8）u最大变位量为23.5mm，发生在南侧连续墙的中下部。八、周边环境保护地铁区间主体结构变位云图地铁站主体结构水平变位云图（Y向，t=8）u区间底板最大水平变位为6.3mm，向南；顶板最大水平变位为1.9mm，向北。地铁站主体结构竖向变位云图（Z向，t=8）u区间结构最大上隆量为2.8mm，最大下沉量为1.0mm。八、周边环境保护基坑、地铁区间整体变位过程八、周边环境保护八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固八、对周边环境影响的数值分析与加固 为减小基坑在开挖过程中的侧向变形及坑外沉降对周边环境的影响，一般可采用如下措施：(1)坑内加固：增大基坑开挖过程中开挖面以下土体的弹簧刚度，减小变形；一般加固深度为第二道支撑以下，搅拌桩水泥掺量不大于16%，其上采用10%12%水泥掺量的搅拌桩进行补强；(2)坑外加固：搅拌桩、旋喷桩、注浆等，增大基坑外土体的C、值，减小变形；(3)适当加密支撑间距，少设置大面积的角撑；(4)控制施工荷载的影响，一般地铁车站及区间隧道上方荷载均不允许大于20kpa；(5)采取措施减少时空效应影响，如栈桥下进行留土处理，减少变形。保护要求严格时，可从基坑内分出一条宽约20m的狭长基坑最后施工，采用钢支撑以加快开挖速度，从而达到保护周边环境的要求；(1)逆作法施工可减小基坑施工过程中的变形。4 4、周边环境保护措施、周边环境保护措施