基坑工程中的支护结构荷载.ppt

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1、第2章 支护结构荷载支护结构设计时主要考虑的作用荷载为，支护结构设计时主要考虑的作用荷载为，1 土压力及水压力土压力及水压力：2 地面地面堆积荷载堆积荷载及大型车辆的动、静荷载：及大型车辆的动、静荷载：3 周边周边建建(构构)筑物筑物的作用荷载；的作用荷载；4 施工荷载；施工荷载；5 支护结构作为主体一部分时，上部结构的作用；支护结构作为主体一部分时，上部结构的作用；6 支撑体系的温度应力。支撑体系的温度应力。2.1 土压力理论 不论哪种形式的支护结构，都要承受来自围护墙体后侧填土的不论哪种形式的支护结构，都要承受来自围护墙体后侧填土的侧向压力侧向压力土压力，土压力，它是围护墙体断面和验算其稳

2、定它是围护墙体断面和验算其稳定性的主要荷载性的主要荷载。土压力的。土压力的大小和分布大小和分布，对支护结构体系的，对支护结构体系的内力、变形和稳定性验算内力、变形和稳定性验算有着重要的影响。土压力的大小有着重要的影响。土压力的大小和分布除了与土的性质有关外，还与围护体的位移和分布除了与土的性质有关外，还与围护体的位移方向、位移方向、位移量、土体与围护墙体间的相互作用以及围护墙体量、土体与围护墙体间的相互作用以及围护墙体类型有关。类型有关。3土压力的影响因素土压力的影响因素1.土的性质土的性质2.挡土墙的移动方向挡土墙的移动方向3.挡土墙和土的相对位移量挡土墙和土的相对位移量4.土体与墙之间的摩

3、擦土体与墙之间的摩擦5.挡土墙类型挡土墙类型4 刚性挡土墙刚性挡土墙土压力计算比较简单，其它类型的土压力土压力计算比较简单，其它类型的土压力计算大都以刚性墙为依据计算大都以刚性墙为依据 本章要讨论的中心问题本章要讨论的中心问题刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，刚性挡土墙上的土压力性质及土压力计算，包括土压力的大小、方向、分布及合力作包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点用点5在在影影响响土土压压力力的的诸诸多多因因素素中中,墙墙体体位位移移条条件件是是最最主主要要的的因因素素。墙墙体体位位移移的的方方向向和和相相对对位位移移量量决决定定着着所所产产生生的的土土压压力力的的性性质质和和土土

4、压压力力的大小的大小。土压力类型土压力类型6墙体位移对土压力的影响墙体位移对土压力的影响 挡挡土土墙墙所所受受土土压压力力的的类类型型，首首先先取取决决于于墙墙体体是是否否发发生生位位移移以以及及位位移移的的方方向向。其其中中有有三三种种特特定定情情况况下下的的土土压压力力，即即静静止土压力、主动土压力和被动土压力止土压力、主动土压力和被动土压力。挡挡土土墙墙所所受受土土压压力力的的大大小小并并不不是是一一个个常数，而是随位移量的变化而变化。常数，而是随位移量的变化而变化。7土土压压力的力的类类型型 静止土静止土压压力力 是是指指如如果果挡挡土土墙墙在在侧侧向向土土压压力力作作用用下下，不不向

5、向任任何何方方向向移移动动和和转转动动而而保保持持静静止止状状态态，则则墙墙后后土土体体处处于于弹弹性性平平衡衡状状态态，这这时时作作用用在在挡挡土土墙墙上上的的土土压压力力称称为为静静止止土土压压力力E0。如如建建筑筑物物地地下下室室外外墙墙的的土土压压力力，建建在在岩岩石石地基上的大截面挡土墙。地基上的大截面挡土墙。E08 主主动动土土压压力力 是是指指挡挡土土墙墙在在墙墙后后土土体体压压力力作作用用下下，背背离离填填土土方方向向移移动动或或绕绕墙墙角角转转动动，当当墙墙后后土土体体达达到到极极限限平平衡衡并并出出现现连连续续滑滑动动面面，这这时时作作用用在在挡挡土土墙墙上上的的土土压压力

6、力称称为为主主动动土土压压力力Ea。此此时时土土推推力力达达到到最最小小值值。如如一一般般的挡土墙的挡土墙土土压压力的力的类类型型Ea9 被被动动土土压压力力 是是指指挡挡土土墙墙在在外外力力作作用用下下向向填填土土方方向向移移动动或或转转动动，这这时时作作用用在在挡挡土土墙墙上上的的土土压压力力将将由由静静止止土土压压力力逐逐渐渐增增大大，一一直直到到土土体体达达到到极极限限平平衡衡并并出出现现连连续续滑滑动动面面，墙墙后后土土体体向向上上挤挤出出隆隆起起，这这时时作作用用在在挡挡土土墙墙上上的的土土压压力力称称为为被被动动土压力土压力Ep。如拱桥桥台。如拱桥桥台。Ep土土压压力的力的类类型

7、型10当当 =/H=0 时时（如地下室）（如地下室）E=E01.静止土压力静止土压力112.主动土压力主动土压力墙体墙体外移外移，土压力逐渐土压力逐渐减小减小，当土体当土体破坏破坏，达到，达到极限平衡状态极限平衡状态时所时所对应的土压力对应的土压力(最小最小)123.被动土压力被动土压力墙体墙体内移内移，土压力逐渐土压力逐渐增大增大，当土体当土体破坏破坏，达到达到极限平衡状态极限平衡状态时所对应的土压力时所对应的土压力(最大最大)E桥面桥面拱桥桥台拱桥桥台13 2.3 静止土压力计算静止土压力计算静止土压力静止土压力墙体不发生任何位移墙体不发生任何位移 =0相当于天然地基土的应力相当于天然地基

8、土的应力状态状态（侧限状态）（侧限状态）K0 应力状态应力状态嵌岩的大截面挡土墙嵌岩的大截面挡土墙地下室外墙地下室外墙14一、静止土压力强度 p0vvhp0=hzK0:静止土压力系数静止土压力系数 对于侧限应力状态，理论上：对于侧限应力状态，理论上：K K0 0=/(-/(-)由于土的由于土的 泊松比泊松比 很难确定，很难确定，K0 常用经验公式计算常用经验公式计算p0静止土压力强度静止土压力强度 (kN/m2)15式式中中，为为土土的的有有效效内内摩摩擦擦角角，OCR为为土土的的超超固固结结比比，为为常常数数，通通常常在在0.3-0.5之之间间，有有人人建建议议采采用用0.41，也也有有人人

9、建建议议采采用用0.5，Mayne and Kulhawy(1982)建议建议 。对于超固结粘性土对于超固结粘性土对于无粘性土及正常固结粘性土对于无粘性土及正常固结粘性土16极限平衡状态：极限平衡状态：v v hp0=hzK0状态：状态：f 17HzE0二、静止土压力分布及总静止土压力E0静止土压力呈三角形分布静止土压力呈三角形分布(如上图如上图)，总静止土压力为：，总静止土压力为：E0的作用点在距离墙底的作用点在距离墙底1/3墙高墙高H处。处。(kN/m)182.4 朗肯土压力理论朗肯土压力理论 朗朗肯肯（Rankine）于于1857年年根根据据土土体体中中的的朗朗肯肯主主动动和和被被动动(

10、土土压压力力极极限限平平衡衡)状状态态，提提出出了了无粘性土主动和被动土压力的计算理论。无粘性土主动和被动土压力的计算理论。贝贝尔尔（Bell）于于1915年年在在朗朗肯肯无无粘粘性性土土土土压压力力计计算算理理论论的的基基础础上上，提提出出了了粘粘性性土土土土压压力力的的计算方法。计算方法。19一、朗肯主动和被动状态自重应力作用下，半无限土体内各点的应力自重应力作用下，半无限土体内各点的应力从弹性平衡状态发展为从弹性平衡状态发展为极限平衡状态极限平衡状态的情况。的情况。朗肯主动状态朗肯主动状态 1 3 45+/2pa v=z K0 z f=c+tan 20朗肯被动状态朗肯被动状态 1 3 4

11、5-/2pp v=zK0 z f=c+tan 21二、填土面水平时的朗肯土压力计算条件条件l 墙背光滑墙背光滑l 墙背垂直墙背垂直l 填土表面水平填土表面水平假设假设l 墙后各点均处于墙后各点均处于极限平衡状态极限平衡状态于是：于是：v、h为主应力为主应力，且，且v=zHvhz22（一）主动土压力（一）主动土压力1.无粘性土无粘性土竖向应力为大主应力竖向应力为大主应力水平向应力为小主应力水平向应力为小主应力无粘性土的极限平衡条件无粘性土的极限平衡条件于是：于是：主动土压力强度主动土压力强度z 145+/2pa=3 pa v=z K0 z f=tan 23主动土压力强度主动土压力强度Ka朗肯主动

12、土压力系数朗肯主动土压力系数总主动土压力总主动土压力z 1pa=3 45+/2（一）主动土压力（一）主动土压力1.无粘性土无粘性土Ea的作用点在距离墙底的作用点在距离墙底1/3墙高墙高H处。处。(kN/m)(kN/m2)24（一）主动土压力（一）主动土压力2.粘性土粘性土pa v=z K0 z c f=c+tan 竖向应力为大主应力竖向应力为大主应力水平向应力为小主应力水平向应力为小主应力粘性土的极限平衡条件粘性土的极限平衡条件于是：于是：主动土压力强度主动土压力强度z 145+/2pa=3 25（一）主动土压力（一）主动土压力2.粘性土粘性土主动土压力强度主动土压力强度zz0 zz0 z04

13、5+/2z0z0称为临界深度称为临界深度(高度高度)(kN/m2)26总主动土压力总主动土压力HEaz0(kN/m)Ea的作用点在距离墙底的作用点在距离墙底1/3倍倍(H-z0)处。处。27竖向应力为小主应力竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力水平向应力为大主应力无粘性土的极限平衡条件无粘性土的极限平衡条件于是：于是：被动土压力强度被动土压力强度45-/2 pp=13z（二）被动土压力（二）被动土压力1.无粘性土无粘性土pp v=z K0 z f=tan 28（二）被动土压力（二）被动土压力1.无粘性土无粘性土被动土压力强度被动土压力强度Kp朗肯被动土压力系数朗肯被动土压力系数总被动土压力总

14、被动土压力Ep的作用点在距离墙底的作用点在距离墙底1/3墙高墙高H处。处。(kN/m)(kN/m2)45-/2 pp=13z29（二）被动土压力（二）被动土压力2.粘性土粘性土pp v=z K0 z 45-/2 pp=13z竖向应力为小主应力竖向应力为小主应力水平向应力为大主应力水平向应力为大主应力粘性土的极限平衡条件粘性土的极限平衡条件于是：于是：被动土压力强度被动土压力强度30被动土压力强度被动土压力强度正号正号EpH总被动土压力总被动土压力（二）被动土压力（二）被动土压力2.粘性土粘性土(kN/m)(kN/m2)31Ep1的作用点在距离墙底的作用点在距离墙底1/3墙高墙高H处，处，Ep2

15、的作用点在距离墙底的作用点在距离墙底1/2墙高墙高H处。处。Ep2HEp1（二）被动土压力（二）被动土压力2.粘性土粘性土32u 土压力强度土压力强度：单位面积上的土压力单位面积上的土压力单位：单位：kN/m2或或kPau 总土压力总土压力：单位长度挡土墙上土压力单位长度挡土墙上土压力单位：单位：kN/m，大小、方向、作用点，大小、方向、作用点每延米每延米Ep2.5 土压力参数c、值的讨论 土的粘聚力土的粘聚力C和内摩擦角和内摩擦角田是反映土的抗剪强度性质的指标，通常称为田是反映土的抗剪强度性质的指标，通常称为抗抗剪强度指标剪强度指标，是基坑支护设计与施工中必须认真考虑的重要参数，其取值的正，

16、是基坑支护设计与施工中必须认真考虑的重要参数，其取值的正确与否和合理程度将会在很大程度上确与否和合理程度将会在很大程度上影响基坑工程的安全和经济效益影响基坑工程的安全和经济效益。土的抗剪强度指标有三种标准试验方法：土的抗剪强度指标有三种标准试验方法：1 快剪，即不排水剪切试验快剪，即不排水剪切试验2固结快剪，即固结不排水剪切试验；固结快剪，即固结不排水剪切试验；3 慢剪，即排水剪切试验。慢剪，即排水剪切试验。对于基坑工程，在计算土压力时，一般采用在原位自重压对于基坑工程，在计算土压力时，一般采用在原位自重压力下固结的力下固结的快剪峰值强度快剪峰值强度指标；在验算稳定性时一般也采用指标；在验算稳

17、定性时一般也采用这一指标，但有时也采用快剪指标；当要考虑不同固结程度下这一指标，但有时也采用快剪指标；当要考虑不同固结程度下的有效应力强度时，应采用有效应力指标。同时，由于直剪仪的有效应力强度时，应采用有效应力指标。同时，由于直剪仪得出的强度指标离散性较大，而三轴仅得出的指标相对比较稳得出的强度指标离散性较大，而三轴仅得出的指标相对比较稳定，因此，对于重要的基坑工程一般采用定，因此，对于重要的基坑工程一般采用三轴压缩仅三轴压缩仅测定抗测定抗剪强度指标。剪强度指标。另外，在基坑开挖过程中，由于另外，在基坑开挖过程中，由于坑内卸载坑内卸载(自重应力变化自重应力变化)和和超孔隙水压力超孔隙水压力的变

18、化，坑底和支档结构后侧土体的的变化，坑底和支档结构后侧土体的C、将会随将会随之变化。所以，采用之变化。所以，采用信息化施工法信息化施工法和土性参数的反分析进行支和土性参数的反分析进行支护结构的跟踪设计是十分必要的。护结构的跟踪设计是十分必要的。2.6 超载的处理1 1 坡顶均布荷载坡顶均布荷载：直接按照均布荷载大小考虑。2 2 坡顶局部荷载坡顶局部荷载：应力扩散角应力扩散角为45度，作用范围见图，坡顶局部超载大小为q q0 0，作用宽度为BC宽，即b按照45度扩散原则，FA=FB=a，FA段和E点以下的土体不考虑坡顶局部超载的作用该荷载作用范围为AE段。计算垂直荷载时，大小因为应力扩散，其值变

19、小：q=(q0b)/(b+2a)DABC450450450E坑底坑底q0qbFa例：例：当基坑边壁的局部荷载有一定埋深局部荷载有一定埋深时，如浅基础，上式中q q0 0取取基底附加压力基底附加压力，作用范围相应下移一个基础埋深d。q0abq450450aAF坑底坑底d3 基坑上部放坡上部放坡时，超载的考虑：1 1）从上部边坡坡脚处开始，按照45度扩散至支护结构上，上部边坡视为超载上部边坡视为超载，大小为q0，2 2）BC间不受超载影响，B点标高处计算超载引起的垂直应力时取零 3）A点以下计算超载引起的垂直应力时取q=q0，4）AB之间线性分布。AB之间标高垂直应力为：q=(x/b)q0 式中：

20、x为计算点低于B点的长度，0 xb。q0q0ABCDEF450450bxb上部放坡上部放坡坑底坑底常用地表荷载的处理方法一一 、地表集中荷载折算成均布超载、地表集中荷载折算成均布超载：高大钊：深基坑工程第二版，机械工业出版社，20021 1 繁重的起重机械繁重的起重机械：距离支护结构1.5m内，按照60KPa取值；距离支护结构1.5m3m内，按照40KPa取值；2 2 轻型公路轻型公路：按照5KPa取值；3 3 重型公路重型公路：按照10KPa取值；4 4 铁道铁道：按照20KPa取值；二二 高层建筑高层建筑均布荷载均布荷载取值取值：机械工业部设计研究院：多层与高层建筑结构设计技术规定，199

21、3.9结构类型结构类型墙体材料墙体材料自重自重/KPa框架框架轻质墙轻质墙812砖墙砖墙1014框框-剪剪轻质墙轻质墙1014砖墙砖墙1216剪力墙剪力墙混凝土混凝土1418土压力计算的水土分算与合算方法 在基坑工程中，地下水位以下的土体侧压力计算时一般有两个原则，即：在基坑工程中，地下水位以下的土体侧压力计算时一般有两个原则，即：水土分算的原则和水土合算的原则。水土分算的原则和水土合算的原则。水土分算原则水土分算原则，即分别计算土压力和水压力，两者之和即为总的侧压，即分别计算土压力和水压力，两者之和即为总的侧压力。这一原则适用于土孔隙中存在力。这一原则适用于土孔隙中存在自由的重力水自由的重力

22、水的情况或土的渗透性较的情况或土的渗透性较好的情况，一般适用于砂土、粉性土和粉质粘土。好的情况，一般适用于砂土、粉性土和粉质粘土。水土合算的原则水土合算的原则认为土孔隙中认为土孔隙中不存在不存在自由的重力水，而存在结合自由的重力水，而存在结合水，它不传递静水压力，以土粒与孔隙水共同组成的土体作为对象，直接用水，它不传递静水压力，以土粒与孔隙水共同组成的土体作为对象，直接用土的饱和重度计算侧压力，这一原则适用于不透水的粘土层。土的饱和重度计算侧压力，这一原则适用于不透水的粘土层。1水土分算方法2水土合算方法地下水面以上：地下水面以上：讨 论 采用水土分算还是水土合算方法计算土压力是当前有争议的问

23、题。按照采用水土分算还是水土合算方法计算土压力是当前有争议的问题。按照有效应力原理，土中骨架应力与水压力应分别考虑。根据有效应力原理，土中骨架应力与水压力应分别考虑。根据1995年年岩土工程岩土工程学报学报第第6期魏汝龙论义期魏汝龙论义“总应力法计算土压力总应力法计算土压力”和和2000年年岩土工程学报岩土工程学报第第3期沈珠江论文期沈珠江论文“基于有效固结应力理论的土压力公式基于有效固结应力理论的土压力公式”以及李广信论以及李广信论文文“基坑支护结构上水土压力的分算与合算基坑支护结构上水土压力的分算与合算”，对土压力计算原则的基本认，对土压力计算原则的基本认识是，识是，水土合算方法在计算中缩

24、小了主动状态中的水压力水土合算方法在计算中缩小了主动状态中的水压力而增大了被动状态中的水压力作用，偏于不安全；而增大了被动状态中的水压力作用，偏于不安全；水土分算水土分算方法概念较清楚，符合有效应力原理，但在实际应用小也存在有效指标确定方法概念较清楚，符合有效应力原理，但在实际应用小也存在有效指标确定困难与无法考虑土体在不排水剪切时产生的超静孔压影响等问题。根据魏汝困难与无法考虑土体在不排水剪切时产生的超静孔压影响等问题。根据魏汝龙等的研究，采用总应力指标按水土分算方法进行计算，能够较好地解决这龙等的研究，采用总应力指标按水土分算方法进行计算，能够较好地解决这问题。问题。2.7 规范法计算土压

25、力2.7 基坑开挖支护中的土压力特点与分布规律基坑开挖支护中的土压力特点与分布规律 土压力的大小和分布主要与支护结构水平位移的方向和大小、土的物理力土压力的大小和分布主要与支护结构水平位移的方向和大小、土的物理力学性质、地下水、支撑刚度、支护结构刚度及高度等有关，非常复杂。可按下学性质、地下水、支撑刚度、支护结构刚度及高度等有关，非常复杂。可按下述原则计算：述原则计算：（1）主动土压力称为）主动土压力称为水平荷载标准值水平荷载标准值，被动土压力称为，被动土压力称为水平抗力标准值水平抗力标准值；（2）当计算出的基坑水平荷载标准值为负值时，取为）当计算出的基坑水平荷载标准值为负值时，取为0；（3）

26、土体抗剪强度指标取标准值；）土体抗剪强度指标取标准值；（4）当市政或周围环境对支护结构位移有严格要求时，可按）当市政或周围环境对支护结构位移有严格要求时，可按静止土压力静止土压力取值；取值；（5）一般应按）一般应按Rankine土压力计算；土压力计算；（6）地下水位以下，分水土合算）地下水位以下，分水土合算 和分算；和分算；（7）如果有当地经验，可按经验或者）如果有当地经验，可按经验或者相邻基坑经验相邻基坑经验取值。取值。作用于支护结构的土压力与支撑、锚杆的设置情况，土性的变化及地下水作用于支护结构的土压力与支撑、锚杆的设置情况，土性的变化及地下水等因素有关。虽然土压力并不等因素有关。虽然土压

27、力并不完全完全处于静止或主动土压力极限状态，但通常处于静止或主动土压力极限状态，但通常仍采用静止或主动土压力进行估计，甚至被动区也同样采用被动土压力来估计，仍采用静止或主动土压力进行估计，甚至被动区也同样采用被动土压力来估计，再根据实践的经验加上适当的修正系数。严格地说，在被动区是随着结构的变再根据实践的经验加上适当的修正系数。严格地说，在被动区是随着结构的变形，土压力逐渐由静止土压力向被动土压力发展，但并未达到被动土压力极限形，土压力逐渐由静止土压力向被动土压力发展，但并未达到被动土压力极限状态，否则土体将开始破坏。被动区的土压力通常宜根据结构与土的相互作用状态，否则土体将开始破坏。被动区的

28、土压力通常宜根据结构与土的相互作用来确定，称为土的被动抗力。然而，抗力的总和必须保证小于被动土压力，否来确定，称为土的被动抗力。然而，抗力的总和必须保证小于被动土压力，否则就得增加支撑或锚杆，改变土压力和结构的受力状态，以保证被动区的安全。则就得增加支撑或锚杆，改变土压力和结构的受力状态，以保证被动区的安全。由于由于支护结构上的土压力是随着开挖的进程逐步形成支护结构上的土压力是随着开挖的进程逐步形成，又随着支撑或锚，又随着支撑或锚杆的设置及每步开挖施工参数的差异而产生受力状态的杆的设置及每步开挖施工参数的差异而产生受力状态的改变改变，因此其土压力，因此其土压力的分布与一般挡土墙存在着差异。的分

29、布与一般挡土墙存在着差异。(1)打入板桩；打入板桩；(2)开挖第一深度；开挖第一深度；(3)加支撑加支撑1；(4)开挖第二深度；开挖第二深度；(5)加支撑加支撑2；(6)开挖第三深度开挖第三深度例：板桩打入的土压力变化情况例：板桩打入的土压力变化情况 采用土压力理论公式计算，其土压力沿墙体高度方向线性分布，但由于墙体采用土压力理论公式计算，其土压力沿墙体高度方向线性分布，但由于墙体的位移，实测土压力为曲线分布。的位移，实测土压力为曲线分布。通常通常Rankine 主动土压力计算值比实测值要大主动土压力计算值比实测值要大，且合力点也高；且合力点也高；被动土压力的计算值在墙体上部偏小而在墙体下部明

30、显偏大。被动土压力的计算值在墙体上部偏小而在墙体下部明显偏大。模模型试验与工程实测都表明，土压力计算值与实测值通常有较大差异。型试验与工程实测都表明，土压力计算值与实测值通常有较大差异。实测土压力与理论土压力产生差异的实测土压力与理论土压力产生差异的原因原因是，基是，基坑的开挖使墙体产生了倾斜的位移（沿某一深度处的坑的开挖使墙体产生了倾斜的位移（沿某一深度处的转动），在墙体的倾斜位移下，由于土体具有粘聚性，转动），在墙体的倾斜位移下，由于土体具有粘聚性，使墙体位移与土的变形不协调，在墙体上部的位移会使墙体位移与土的变形不协调，在墙体上部的位移会大于土的水平位移，形成墙体与土间虚空的区段，导大于土的水平位移，形成墙体与土间虚空的区段，导致实际的主动土压力值较计算值小。在坑内挖土一侧致实际的主动土压力值较计算值小。在坑内挖土一侧的嵌固段上，挖土表面的墙体位移最大，使土受到挤的嵌固段上，挖土表面的墙体位移最大，使土受到挤压，会最先达到屈服强度，产生较大的被动土压力，压，会最先达到屈服强度，产生较大的被动土压力，但在墙体的底部，其位移很小，即使在围护结构失稳但在墙体的底部，其位移很小，即使在围护结构失稳的状态下，土压力仍没有达到极限状态的被动土压力的状态下，土压力仍没有达到极限状态的被动土压力值。值。