基坑工程3讲-设计与计算-排桩.ppt

基基 坑坑 工工 程程 设计与计算设计与计算排桩排桩排桩支护可采用排桩支护可采用钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钻孔灌注桩、人工挖孔桩、预制钢筋混凝土板桩或钢板桩钢筋混凝土板桩或钢板桩。图3-5 排桩支护的类型（1）柱列式排桩支护：当边坡土质尚好、地下水位较低）柱列式排桩支护：当边坡土质尚好、地下水位较低时，可利用土拱作用，以稀疏钻孔灌注桩或挖孔桩支时，可利用土拱作用，以稀疏钻孔灌注桩或挖孔桩支挡土坡，如图挡土坡，如图3-5a所示。所示。（2）连续排桩支护（图）连续排桩支护（图3-5b）：在软土中一般不能）：在软土中一般不能形成土拱，支挡结构应该连续排。密排的钻孔桩可互形成土拱，支挡结构应该连续排。密排的钻孔桩可互相搭接，或在桩身混凝土强度尚未形成时，在相邻桩相搭接，或在桩身混凝土强度尚未形成时，在相邻桩之间做一根素混凝土树根桩把钻孔桩排连起来，如图之间做一根素混凝土树根桩把钻孔桩排连起来，如图3-5c所示。也可采用钢板桩、钢筋混凝土板桩，如图所示。也可采用钢板桩、钢筋混凝土板桩，如图3-5d、e所示。所示。（3）组合式排桩支护：在地下水位较高的软土地区，）组合式排桩支护：在地下水位较高的软土地区，可采用钻孔灌注排桩与水泥土桩防渗墙组合的方式，可采用钻孔灌注排桩与水泥土桩防渗墙组合的方式，如图如图3-5f所示。所示。（1）无支撑（悬臂）支护结构：当基坑开）无支撑（悬臂）支护结构：当基坑开挖深度不大，利用悬臂作用挡住墙后土体。挖深度不大，利用悬臂作用挡住墙后土体。（2）单支撑结构：当基坑开挖深度较大时，）单支撑结构：当基坑开挖深度较大时，可以在支护结构顶部附近设置一单支撑可以在支护结构顶部附近设置一单支撑（或拉锚）。（或拉锚）。（3）多支撑结构：当基坑开挖深度较深时，）多支撑结构：当基坑开挖深度较深时，可设置多道支撑，以减少挡墙的压力。可设置多道支撑，以减少挡墙的压力。悬臂式围护结构内力分析（排桩、板桩）悬臂式围护结构内力分析（排桩、板桩）计算简图（均质土）计算简图（均质土）排桩变位排桩变位净土压力分布净土压力分布简化处理后的简化处理后的净土压力分布净土压力分布 静力平衡法静力平衡法当当板板桩桩处处于于平平衡衡状状态态，此此时时所所对对应应的的板板桩桩的的入入土土深深度度即即是是保保证证板板桩桩稳稳定定的的最最小小入入土土深深度度。根根据据板板桩桩的的静静力力平平衡衡条件可以求出该深度。条件可以求出该深度。作作用用在在板板桩桩上上的的水水平平力力之之和和等等于于0，各各力力距距任任一一点点力力矩矩之之和和等等于于0的的静静力力平平衡衡条条件件，建建立静力平衡方程立静力平衡方程t 土压力计算（朗肯土压力理论）土压力计算（朗肯土压力理论）确定板桩入土深度确定板桩入土深度 t 基坑底土压力基坑底土压力thDz1z2pah地面超载地面超载thDz1z2pah 确定净土压力确定净土压力p=0的深度的深度DthDz1z2pah 确定深度确定深度 h+z1及及h+t 处的净土压力处的净土压力 确定最小入土深度确定最小入土深度 t 当当板板桩桩入入土土深深度度达达到到最最小小入入土土深深度度 t 时时，应应满满足足作作用用在在板板桩桩上上的的水水平平力力之之和和等等于于0，各各力力距距任任一一点点力力矩矩之之和和等等于于0的的静静力力平平衡衡条条件件，建建立立静静力力平平衡衡方方程程，可可以以求求得得未未知知量量 z2 及板桩最小入土深度及板桩最小入土深度 t：求解上述联立方程，可以得到未知值求解上述联立方程，可以得到未知值 z2，t（也可以采用试算法计算）（也可以采用试算法计算），为安全起见，计算得到的，为安全起见，计算得到的 t 值还需乘以值还需乘以1.1的安全系数作为设计入土深的安全系数作为设计入土深度，即实际的入土深度度，即实际的入土深度=1.1t。板桩内力计算板桩内力计算 计计算算板板桩桩最最大大弯弯矩矩时时，根根据据在在板板桩桩最最大大弯弯矩矩作作用用点点剪剪力力等等于于0的的原原理理，可可以以确确定定发发生生最最大大弯弯矩矩的的位位置置及及最最大大弯弯矩矩值值。对对于于均均质质无无粘粘性性土土（c=0，q0=0），根根据据图图示示关关系系，当剪力为当剪力为0的点位于基坑底面以下深度的点位于基坑底面以下深度 b 时，则有：时，则有：解出解出b后，即可求得后，即可求得Mmax：hbz1 布鲁姆法（均质土）布鲁姆法（均质土）基基本本原原理理：布布鲁鲁姆姆法法以以一一个个集集中中力力 Ep代代替替板板桩桩底底出出现现的的被被动动土土压压力力，根根据据该该假假定定建建立立静静力力平平衡衡方方程程，求求出出入入土土深度及板桩内力。深度及板桩内力。计算板桩入土深度计算板桩入土深度 t 对板桩底对板桩底C点取力矩，点取力矩，由由Mc=0得到：得到：OhtluEpEpE4E1E2E3PCxxma 在在均均质质土土条条件件下下，净净土土压压力力为为0的的O点点深深度度可可根根据据墙墙前前与与墙墙后后土土压压力力强强度度相相等等的的条条件件算算出出（不不考考虑虑地地下下水水及及顶顶面面均布荷载的影响，均布荷载的影响，c=0，q0=0）：）：代代入入前前式式求求解解方方程程后后可可求求得得未未知知量量x，板板桩桩的的入入土土深深度度按按下式计算：下式计算：t=u+1.2x 为便于计算，建立了一套图表，利用该图表，可用图为便于计算，建立了一套图表，利用该图表，可用图解法确定未知量解法确定未知量 x 值，其顺序如下：值，其顺序如下：u 令中间变量：令中间变量：v 再令：再令：w 根据求出的根据求出的m、n值，查图表确定中间变量值，查图表确定中间变量，从而求得：，从而求得：x=l，t=u+1.2x 内力计算内力计算 最大弯矩发生在剪力最大弯矩发生在剪力Q=0处，如图设处，如图设O点以下点以下xm处的剪处的剪力力Q=0，则有：，则有：最大弯矩：最大弯矩：OhtluEpEpE4E1E2E3PCxxma题题1：某某悬悬臂臂板板桩桩围围护护结结构构如如图图示示，试试用用布布鲁鲁姆姆法法计计算算板板桩桩长度及板桩内力。长度及板桩内力。6mluE3E1E2Paq=10kN/m2 c=0=34=20kN/m3解解：板桩长度板桩长度查表，查表，=0.67，x=l=0.676.57=4.4mt=1.2x+u=1.24.4+0.57=5.85m板桩长板桩长=6+5.85=11.85m，取，取12m。计算最大弯矩计算最大弯矩单支点围护结构内力分析（排桩、板桩）单支点围护结构内力分析（排桩、板桩）顶顶端端支支撑撑的的排排桩桩结结构构，有有支支撑撑的的支支撑撑点点相相当当于于不不能能移移动动的的简简支支点点，埋埋入入地地中中的的部部分分，则则根根据据入入土土深深度度，浅浅时时为为简简支支，深深时时为为嵌嵌固固。在在确确定定板板桩桩的的入入土土深深度度时时，太太浅浅则则踢踢脚脚破破坏坏，较较深深时时则则不不经经济济。比比较较合合理理的的入入土土深深度度为为下下图图所所示示的的第第3种种状状态态所所处处的的入入土土深深度度。一一般般按按该该种种状状态态确确定定板板桩桩的的入土深度入土深度 t。内力计算方法（均质土）内力计算方法（均质土）静静力力平平衡衡法法（埋埋深深较较浅浅，下端铰支，前图下端铰支，前图a计算图式）计算图式）根根据据图图示示所所示示静静力力平平衡衡体体系系，根根据据A点点的的力力矩矩平平衡衡方方程程及及水水平平方方向向的的力力平平衡衡方方程，可以得到两个方程：程，可以得到两个方程：根据上述方程求解出板桩的入土深度根据上述方程求解出板桩的入土深度 t 及反力及反力 R htREpEaAd对支撑对支撑 A 点取力矩平衡方程：点取力矩平衡方程：由水平方向的静力平衡方程：由水平方向的静力平衡方程：根据剪力为根据剪力为 0 的条件，可以求得最大弯矩的位置：的条件，可以求得最大弯矩的位置：板桩截面最大弯矩：板桩截面最大弯矩：等值梁法等值梁法 图中(a)为一超静定梁，其弯矩图如(b)所示。靠近固端的弯矩零点(反弯点)为F。若将此梁从F点处截开，断面处将无弯矩，可以用一自由支座代替，如图(c)所示的简支梁AF；则AF与原梁中AF段的弯矩分布相同，AF梁称为AE梁的等值梁。如何确定反弯点的位置。对单锚或单撑支护结构，地面以下土压力为零的位置，即主动土压力等于被动土压力的位置，与反弯点位置较接近。等值梁法等值梁法 基基本本原原理理：将将板板桩桩看看成成是是一一端端嵌嵌固固另另一一端端简简支支的的梁梁，单单支支撑撑挡挡墙墙下下端端为为弹弹性性嵌嵌固固时时，其其弯弯矩矩分分布布如如图图所所示示，如如果果在在弯弯矩矩零零点点位位置置将将梁梁断断开开，以以简简支支梁梁计计算算梁梁的的内内力力，则则其其弯矩与整梁是一致的。将此断梁称为整梁该段的弯矩与整梁是一致的。将此断梁称为整梁该段的等值梁等值梁。对对于于下下端端为为弹弹性性支支撑撑的的单单支支撑撑挡挡墙墙，弯弯矩矩零零点点位位置置与与净净土土压压力力零零点点位位置置很很接接近近，在在计计算算时时可可以以根根据据净净土土压压力力分分布布首首先先确确定定出出弯弯矩矩零零点点位位置置，并并在在该该点点处处将将梁梁断断开开，计计算算两两个个相相连连的的等等值值简简支支梁梁的的弯弯矩矩。将将这这种种简简化化方方法法称称为为等等值值梁法。梁法。RaABBQBQBGEpBGhtREaEpEa2Ah0aDBGCuxxt0(kp-ka)x对单锚或单撑支护结构，地面以下土压力为零的位置，即主动土压力等于被动土压力的位置，与反弯点位置较接近。计算步骤计算步骤u 计算净土压力分布计算净土压力分布 根根据据净净土土压压力力分分布布确确定定净净土土压压力力为为0的的B点点位位置置，利利用用下式算出下式算出B点距基坑底面的距离点距基坑底面的距离 u（c=0，q0=0）：）：v 计算支撑反力计算支撑反力 计算支撑反力计算支撑反力Ra及剪力及剪力QB。以以B点为力矩中心：点为力矩中心：以以A点为力矩中心：点为力矩中心：w 计算板桩的入土深度计算板桩的入土深度 由等值梁由等值梁BG取取G点的力矩平衡方程点的力矩平衡方程：可以求得：可以求得：板桩的最小入土深度：板桩的最小入土深度：t0=u+x，考虑一定的富裕可以取：考虑一定的富裕可以取：t=(1.11.2)t0 x 求出等值梁的最大弯矩求出等值梁的最大弯矩 根根据据最最大大弯弯矩矩处处剪剪力力为为0的的原原理理，求求出出等等值值梁梁上上剪剪力力为为0的位置，并求出最大弯矩的位置，并求出最大弯矩 Mmax。注意注意：以上两种情况计算出的支撑力（锚杆拉力）为单：以上两种情况计算出的支撑力（锚杆拉力）为单位延米板桩墙上的数值，如支撑（锚杆）间距为位延米板桩墙上的数值，如支撑（锚杆）间距为 a，则，则实际支撑力（锚杆拉力）为实际支撑力（锚杆拉力）为 aR。例题例题：某某单单支支撑撑板板桩桩围围护护结结构构如如图图示示，试试用用等等值值梁梁法法计计算算板板桩长度及板桩内力。桩长度及板桩内力。1m9.0muEaaq=28kN/m2 c=6kPa=20=18kN/m3xx0Ra解解：土压力计算土压力计算 u的计算的计算 Ra、QB的计算的计算 入土深度入土深度 t 的计算的计算取取t=13.0m，板桩长，板桩长=10+13=23m 内力计算内力计算求求Q=0的位置的位置 x0 弹性抗力法（弹性支点法、地基反力法）弹性抗力法（弹性支点法、地基反力法）基基本本原原理理：将将桩桩墙墙看看成成竖竖直直置置于于土土中中的的弹弹性性地地基基梁梁，基基坑坑以以下下土土体体以以连连续续分分布布的的弹弹簧簧来来模模拟拟，基基坑坑底底面面以以下下的的土土体反力与墙体的变形有关。体反力与墙体的变形有关。计算方法计算方法 墙墙后后土土压压力力分分布布：直直接接按按朗朗肯肯土土压压力力理理论论计计算算、矩矩形形分分布的经验土压力模式（我国较多采用）；布的经验土压力模式（我国较多采用）；地地基基抗抗力力分分布布：基基坑坑开开挖挖面面以以下下的的土土抗抗力力分分布布根根据据文文克克尔地基模型计算：尔地基模型计算：ks：地基土的水平基床系数：地基土的水平基床系数EaEaR1RnR1Rn 支支点点按按刚刚度度系系数数 kz的的弹弹簧簧进进行行模模拟拟，建建立立桩桩墙墙的的基基本本挠挠曲微分方程，解方程可以得到支护结构的内力和变形。曲微分方程，解方程可以得到支护结构的内力和变形。【实例1】某基坑采用地下连续墙加内力支撑支护结构，支撑位置在坑顶下2.0m，平面间距3.0m，土层为粘土，=18kN/m3，=100，c=10kPa,计算每根支撑的轴力值。H=8m 68.4h=10m基坑的基坑的稳定定验算算 基坑稳定验算的基本内容基坑稳定验算的基本内容 整体稳定验算（边坡稳定、倾覆稳定、滑移稳定）；整体稳定验算（边坡稳定、倾覆稳定、滑移稳定）；基坑抗隆起稳定；基坑抗隆起稳定；基坑抗渗流稳定。基坑抗渗流稳定。基坑抗隆起稳定基坑抗隆起稳定基基坑坑隆隆起起开开挖挖较较深深软软土土基基坑坑时时，在在坑坑壁壁土土体体自自重重和和坑坑顶顶荷荷载载作用下，坑底作用下，坑底软软土可能受土可能受挤挤在坑底在坑底发发生隆起生隆起现现象；象；基本假定基本假定 参照太沙基、普朗得尔地基承载力理论；参照太沙基、普朗得尔地基承载力理论；支护桩底面的平面作为极限承载力基准面；支护桩底面的平面作为极限承载力基准面；基坑抗隆起安全系数：基坑抗隆起安全系数：建筑地基规范中的验算方法建筑地基规范中的验算方法当当坑坑底底为为一一般般粘粘性性土土时时，可可参参照照Prandtl和和Tarzaghi的的地地基基承承载载力力公公式式，并并将将支支护护桩桩底底面面的的平平面面作作为为求求极极限限承承载载力力的的基基准准面，其滑面，其滑动线动线形状如形状如图图所示。所示。假假设设支支护护结结构构入入土土深深度度为为d，可可按下式按下式计计算抗隆起安全系数：算抗隆起安全系数：式中，式中，d为墙体入土深度；为墙体入土深度；h为基坑开挖深度；为基坑开挖深度；1、2为墙体为墙体外侧及坑底土体重度；外侧及坑底土体重度；q为地面超载；为地面超载；Nc、Nq为地基承载力系为地基承载力系数。数。太沙基太沙基被动区过渡区 承载力系数承载力系数 普朗得尔公式：普朗得尔公式：安全系数：安全系数：Ks1.11.2 太沙基公式：太沙基公式：安全系数：安全系数：Ks1.151.25 建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范推荐公式推荐公式Nc：承载力系数，条形基础取：承载力系数，条形基础取Nc=5.14；0：抗抗剪剪强强度度，由由十十字字板板试试验验或或三三轴轴不不固固结结不不排排水水试试验验确确定；定；t：支护结构入土深度；：支护结构入土深度；其余参数与前述相同。其余参数与前述相同。简简化化计计算方法算方法 假定地基破坏假定地基破坏时发时发生如下生如下图图所示滑所示滑动动面，滑面，滑动动面面圆圆心心在最底在最底层层支撑点支撑点A处处，半径，半径为为x，垂直面上的抗滑阻力不予，垂直面上的抗滑阻力不予考考虑虑，则则滑滑动动力矩力矩为为：稳稳定力矩定力矩为为：Su滑滑动动面面上上不不排排水水抗抗剪剪强强度度，对对于于饱饱和和软软粘粘土土，则则=0，Su=cu。定定义义安全系数安全系数 K=Mr/Md 如基坑如基坑处处土土质质均匀，均匀，则则基坑抗隆起安全系数基坑抗隆起安全系数为为：例例题题：某某基基坑坑深深H=6.2m，地地面面荷荷载载q=20kN/m2，地地基基土土为为均均质质土土=17kN/m3，c=25kPa，底底部部支支撑撑=81.8，按按简简化化计计算算方方法法验验算其抗隆起算其抗隆起稳稳定性。定性。解解：均：均质质土地基，土地基，Su=c=25kPa基坑抗隆起安全系数基坑抗隆起安全系数不能不能满满足抗基坑隆起足抗基坑隆起稳稳定要求。定要求。基坑抗渗流稳定基坑抗渗流稳定 基坑底面抗流砂稳定基坑底面抗流砂稳定适用：粉土、砂土适用：粉土、砂土hwhhd 基坑底面突涌稳定性基坑底面突涌稳定性m：透水层以上土的饱和重度：透水层以上土的饱和重度pw：含水层水压力。：含水层水压力。tht承压水承压水不透水层不透水层 某基坑采用地下连续墙加内力支撑支护结构，支撑位置在坑顶下2.0m，平面间距3.0m，土层为粘土，=18kN/m3，=100，c=10kPa,计算每根支撑的轴力值。基坑深8米。作业基坑深10米。