地下空間8

1、地下工程施工2.大開挖基坑工程,定義:大開挖基坑工程是指不采用支撐而采用直立或放坡施工進行開挖的基坑工程；由于其費用低，工期短，是首先要考慮的開挖方式。,前提,2．1 豎直開挖,適用于開挖深度不大、無地下水、基坑土質(zhì)條件較好的場地。豎直開挖時坑壁自然穩(wěn)定的最大臨界深度可按下式估算：,,,Ka——主動土壓力系數(shù)；當(dāng)基坑側(cè)壁的頂部地表面與水平面夾角β=0時，Ka=tg2（45º- ）；當(dāng) >0時，采用

2、朗肯主動土壓力系數(shù)， 為坑壁土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值。宜采用1.2~1.5的安全系數(shù)；當(dāng)基坑附近有超載時，應(yīng)重新驗算；當(dāng)坑壁因吸水或失水等原因，一旦形成裂縫時，公式不成立；對黃土及具有裂隙的脹縮性土，該式不適用。,,,,無地下水時直立開槽的允許高度 表2-1,2．2 放坡開挖2．2．1 散坡開挖分類,（1） 無地下水的一般放坡開挖 適用于地下水在開挖深度以下 。（2） 明溝排水放坡開挖適用于地下水為潛水型、涌水量較小、坑

3、壁土及坑底土不會產(chǎn)生流砂、管涌、基坑突涌的場地條件。（3） 井點降水放坡開挖地下水埋深較淺、基坑開挖較深可能產(chǎn)生流砂、管涌、基坑突涌等不良現(xiàn)象時，可采用井點降水放坡開挖。特別注意降水對附近建筑設(shè)施產(chǎn)生的不良影響。,2．2．2 放坡開挖坡度確定con,（1）查表法表（2） Taylor法圖（3）條分法圖,（1）查表法exit,(2). Taylor法exit,邊坡的臨界高度由下式確定：例題.doc,,采用陳惠發(fā)（美，肯塔基州大

4、學(xué)，1980 (3)．條分法exit,,,2.3 基坑邊坡失穩(wěn)的防止措施,（1）邊坡修坡圖2-3 （2）設(shè)置邊坡護面圖2－4（3）邊坡坡腳抗滑加固圖2－5(設(shè)置抗滑樁，旋噴樁，分層注漿法，深層攪拌樁)。con,圖2-3 邊坡修坡,,,,（a）坡頂卸土； （b）坡度減??； (c) 臺階放坡exit,,圖2-4 設(shè)置邊坡護面exit,,圖2-5 基坑邊坡坡腳抗滑加固 exit,2．4 地下水的處理,2．4．1 地下水流的基本

5、性質(zhì)水力坡度:以I表示，I=（H1-H2）/L， I=1時的滲透速度稱為土的滲透系數(shù)K，常用m/d、m/s等表示.動水壓力: （kN/m3）動水壓力F等于或大于土的有效重度時，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，土的抗剪強度等于零，土顆粒將隨著滲流的水一起流動，即所謂“流砂”。,,2．4．2 地下水處理方法,歸結(jié)成兩種：一種是降水；第二種是止水——防水帷幕。降水的方法有集水井降水和井點降水兩類 。井

6、點降水法有輕型井點、噴射井點和電滲井點 、管井井點和深井泵等。,,當(dāng)土的滲透系數(shù)K＜5m/d時，宜用輕型井點和噴射井點；當(dāng)K＝5~20m/d時,除上述方法外,還可選用管井井點；當(dāng)K<0.1m/d時，因土的滲透性很差，可在輕型井點管的內(nèi)圈增設(shè)由鋼管或鋼筋做成的電極，通以直流電，促使地下水加速向井點滲透（這種方法稱為電滲井點法）。,井點降水方法優(yōu)先用參考表 表2-3,,,電滲井點布置

7、示意圖噴射井點工作示意圖,管井井點就是沿開挖的基坑，每隔20~50m設(shè)置一個管井，每個管井單獨用一臺水泵抽水，適用于K=20~200m/d，即地下水量大的土層中，此法可降低地下水位5~10m。,,在城市中由于深基坑降水，總會引起地面沉陷，影響鄰近建筑物和管線。回灌井點方法 可以使地表沉陷減少2/3；因此，采用特定的支護結(jié)構(gòu)，既擋土，又止水，形成防水帷幕為較好選擇，但造價較高。 防水帷幕常用鉆孔壓漿成樁法、地下連續(xù)墻、板樁、

8、深層攪拌樁墻。,3．深基坑工程,概述：大量的深基坑工程伴隨著城市高層建筑的發(fā)展大量出現(xiàn)。國外，圓形基坑的深度已達74m(日本)，直徑最大的達98m(日本)，而非圓形基坑的深度已達到地下９層（法國）。國內(nèi)，上海88層的金茂大廈，基坑平面尺寸為170m×150m，基坑開挖深度達19.5m。上海的匯京廣場，圍護結(jié)構(gòu)與相鄰建筑最近的距離僅40cm。而無支撐基坑的開挖深度也已達到了9m。,,兩個功能：一是擋土；二是止水?；又ёo分

9、兩類：支護型——將支護墻（排樁）作為主要受力構(gòu)件；支護型基坑支護包括板樁墻、排樁、地下連續(xù)墻等。在基坑較淺時可不設(shè)支撐，成懸臂式結(jié)構(gòu)；當(dāng)基坑較深或?qū)χ車孛孀冃螄?yán)格限制時，應(yīng)設(shè)水平或斜向支撐，或錨定系統(tǒng)；形成空間力系是發(fā)展方向。,,加固型——充分利用加固土體的強度。加固型包括水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、注漿和樹根樁等。,基坑側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù),,,3.1 結(jié)構(gòu)方案及選擇3.1.1 結(jié)構(gòu)類型,支護結(jié)構(gòu)類型及其適用范圍

10、 表3-1,圖3－1板樁,圖3-2 組合擋土壁,圖3-3 單排與雙排樁支護結(jié)構(gòu),圖3-4 接頭管接頭的施工程序a) 開挖槽段； b) 吊放接頭管和鋼筋籠； c) 澆筑砼；d) 拔出接頭管； e) 形成接頭,3.1.2 支撐體系,支撐體系是用來支擋圍護墻體，承受墻背側(cè)土層及地面超載在圍護墻上的側(cè)壓力。 支撐體系是由支撐、圍檁、立柱三部分組成。,,,,,3.2 支護結(jié)構(gòu)上的作用3.2.1 土壓

11、力,主動土壓力和被動土壓力的產(chǎn)生，前提條件是支護結(jié)構(gòu)存在位移；當(dāng)支護結(jié)構(gòu)沒有位移時，則土對支護結(jié)構(gòu)的壓力為靜止土壓力。 土壓力的分布與支點的設(shè)置及其數(shù)量都有關(guān)系；懸臂支護樁土壓力的實測值與按朗肯公式計算值的對比，非挖土側(cè)實測土壓力小于朗肯主動土壓力，即計算結(jié)果偏大。,圖3-5 懸臂支護樁土壓力分布,,圖3-6 芝加哥深基坑土壓力實測圖 圖3-7 柏林地道工程土壓力實測圖,,土的內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角φ值可根據(jù)下列規(guī)定適當(dāng)調(diào)整：

12、 在井點降低地下水范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)孛嬗信潘头罎B措施時，φ值可提高20%；在井點降水土體固結(jié)的條件下，可考慮土與支護結(jié)構(gòu)間側(cè)摩阻力影響，將土的內(nèi)聚力c提高20%。,土壓力計算公式exit,主動土壓力：被動土壓力：,,,3.2.2 地面附加荷載傳至n層土底面的豎向荷載qn,（1）地面滿布均布荷載q0時，任何土層底面處：（2）離開擋土結(jié)構(gòu)距離為a時,,,,,,,,,,(3)作用在面積為 與擋土結(jié)構(gòu)平行）的地面荷載

13、，離開擋土結(jié)構(gòu)距離時。,,,,,,3.2.3 水壓力,水壓力，主要根據(jù)土質(zhì)情況確定如何考慮水壓力的問題 。對于粘性土，土壤的透水性較差，此粘性土產(chǎn)生的側(cè)向壓力可采用水土合算的方法，即側(cè)壓力為相應(yīng)深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側(cè)壓力系數(shù)。對于砂性土，采用水土分算，即側(cè)壓力為相應(yīng)深度處豎向土壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)與該深度處水壓力之和。,對比,砂土簡化計算，將水壓力與土壓力分別計算，并把水看作是：主動壓力=靜止壓力=被動壓力=

14、 h,,,,3.3 排樁、地下連續(xù)墻,計算主動土壓力和被動土壓力并確定計算簡圖，確定嵌固深度、內(nèi)力計算；支護樁或墻的截面設(shè)計以及壓頂梁的設(shè)計等。,3.3.1 懸臂式支護結(jié)構(gòu)圖,根據(jù)朗肯-庫倫土壓力理論分層計算主動土壓力和被動土壓力；在此基礎(chǔ)上確定圖3-10所示的計算簡圖。圖 據(jù)此簡圖求出嵌固深度hd;最大彎矩截面位置及最大彎矩值；進行配筋設(shè)計或承載力計算；計算支護結(jié)構(gòu)頂端位移。,懸臂exit,計算簡圖,,據(jù)此求出嵌固深

15、度hd,,,配筋和撓度計算,地質(zhì)條件或其它影響因素較為復(fù)雜時，也可按最大彎矩斷面的配筋貫通全長。配筋應(yīng)滿足下式條件：支護結(jié)構(gòu)頂端的水平位移值,,,y——剪力為零處即D點至基坑底的距離； ——懸臂梁上段結(jié)構(gòu)柔性變形值,,,——下段結(jié)構(gòu)在彎矩Mmax作用下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角,——下段結(jié)構(gòu)在彎矩Mmax作用下在D點產(chǎn)生的水平位移,上段結(jié)構(gòu)柔性變形下段結(jié)構(gòu)在作用下,3.3.2 單層支撐支護結(jié)構(gòu)設(shè)計圖,計算方法是“等值梁法”。等值梁法的

16、關(guān)鍵是如何確定反彎點的位置。對單錨或單撐支護結(jié)構(gòu)，地面以下土壓力為零的位置，即主動土壓力等于被動土壓力的位置，與反彎點位置較接近 。,圖exit,用等值梁法計算單錨、單支支護結(jié)構(gòu)：,圖3-15 單層支點支護結(jié)構(gòu)深度計算簡圖,,（3）支點力TC1 可按下式計算：等值梁法，對反彎點：,（1）計算土壓力 （2）基坑底面以下支護結(jié)構(gòu)設(shè)定彎矩零點位置,（4）,嵌固深度Hd 設(shè)計值可按下式確定:,,,（5）計算內(nèi)力和配筋,單層支撐支護

17、結(jié)構(gòu)的最大彎矩:發(fā)生在剪力0處，應(yīng)根據(jù)土壓力平衡，求得處的位置y,可得Mmax。彎矩圖可按靜力平衡條件求得 可以分段配筋，也可以按最大彎矩斷面通長配筋 .,3.3.3 多層錨拉式支護結(jié)構(gòu)設(shè)計,1)應(yīng)根據(jù)分層挖土深度與每層錨桿設(shè)置的實際施工情況分階段分層計算，這時假定下層挖土不影響上層錨桿計算的水平力； 2)多層布置時，有等彎矩布置和等反力布置兩種模式；3）懸臂式及單支點支護結(jié)構(gòu)嵌固深度設(shè)計不宜小于 ；多支

18、點支護結(jié)構(gòu)嵌固深度設(shè)計值小于0.2 h時，宜取 。,,,抗?jié)B透穩(wěn)定條件:,當(dāng)基坑底為碎石土及砂土、基坑內(nèi)排水且作用有滲透水壓力時，側(cè)向截水的排樁、地下連續(xù)墻除應(yīng)滿足上述規(guī)定外，嵌固深度設(shè)計值尚應(yīng)滿足式抗?jié)B透穩(wěn)定條件:,,注意事項：,1）排樁、地下連續(xù)墻水平荷載計算單位；中心距和單位長度；2）有支撐變形計算按彈性支點法計算，支點剛度系數(shù) 及地基土水平抗力系數(shù)m應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗取值； 3）支撐體系（含具有一定

19、剛度的冠梁）或其與錨桿混合的支撐體系應(yīng)按支撐體系與排樁、地下連續(xù)墻的空間作用協(xié)同分析方法，計 算內(nèi)力和變形。,,3.4 土層錨桿,土層錨桿是一種埋入土層深部的受拉桿件，它一端與構(gòu)筑物相連，另一端錨固在土層中。,3.4.2 錨桿設(shè)計,1）錨桿承載力計算 2）錨桿桿體的截面面積,,,,3）錨桿軸向受拉承載力設(shè)計值,（1）安全等級為一級及缺乏地區(qū)經(jīng)驗的二級基坑側(cè)壁，應(yīng)進行錨桿的基本試驗，受拉抗力分項系數(shù)可取1.3。（2）基坑側(cè)壁安全

20、等級為二級且有鄰近工程經(jīng)驗時 ：,,,（3） 對于塑性指數(shù)大于17的粘性土層中的錨桿應(yīng)進行蠕變試驗。（4）錨桿預(yù)加力值（鎖定值）應(yīng)根據(jù)地層條件及支護結(jié)構(gòu)變形要求確定，宜取為錨桿軸向受拉承載力設(shè)計值的0.50~0.65倍。（5） 自由段計算長度,,,3.6 水泥土墻設(shè)計,又稱攪拌樁擋墻 ，利用一種特殊的攪拌頭或鉆頭，鉆進地基至一定深度后，噴出固化劑，與地基土強行拌和而形成的加固土樁體。Mixed-In-Place Method

21、MIP(美國)Deep Mixing Method (日本)固化劑采用水泥或石灰；適用于加固淤泥質(zhì)土、粘土；國外最大深度60m ，國內(nèi)12－18m；特點：施工無震動、噪音、無廢水泥漿； 坑內(nèi)無需支撐拉錨，優(yōu)良的抗?jié)B特性。支擋高度，國內(nèi)最深9m;,水泥墻的結(jié)構(gòu)形式,擋墻寬度為0.6～0.8開挖深度，樁長為開挖深度的1.8-2.2倍。,,3.6.1 土壓力計算計算主動土壓力和被動土壓力3.6.2 抗傾覆

22、計算3.6.3 抗滑移計算3.6.4 墻身應(yīng)力驗算3.6.5 整體穩(wěn)定計算一般情況下，使墻體強度不成為設(shè)計的控制條件，而以結(jié)構(gòu)和邊坡的整體穩(wěn)定控制設(shè)計。,1.土壓力計算,墻后主動土壓力,,墻前被動土壓力,,2 抗傾覆計算 圖,按重力式擋墻計算墻體繞前趾A的抗傾覆安全系數(shù) ，不小于(1.0～1.1).,,3 抗滑移計算,按重力式擋墻計算墻體沿底面滑動的安全系數(shù)：,,4.墻身應(yīng)力驗算,墻體所驗算截面處的法向應(yīng)力剪應(yīng)力按下

23、式進行 ：,,,5 整體穩(wěn)定計算k>= 1.25,整體穩(wěn)定計算時，將滑動土體與攪拌樁擋墻視為一個整體考慮(常選在墻底下0.5－1.0米處)，采用圓弧滑動法計算圖 ：,,構(gòu)造要求,格柵布置時，水泥土的置換率對于淤泥不宜小于0.8，淤泥質(zhì)土不宜小于0.7，一般粘性土及砂土不宜小于0.6；格柵長寬比不宜大于2 ；樁與樁之間的搭接寬度 ：考慮截水作用時，樁的有效搭接寬度不宜小于150mm；當(dāng)不考慮截水作用時，搭接寬度不宜小于100mm

24、。不能滿足要求時，宜采用基坑內(nèi)側(cè)土體加固或水泥土墻插筋、加混凝土面板及加大嵌固深度等措施。攪拌樁擋墻設(shè)計計算實例（詳見教材),3.7 土釘墻,土釘墻由被加固土體、放置在土中的土釘體和噴射砼面板組成，形成一個以土擋土的重力式擋土墻。 土釘墻自上而下施工，步步為營，土釘墻是靠土釘?shù)南嗷プ饔眯纬蓮?fù)合整體作用。土層錨桿的失效影響較大，不應(yīng)用于沒有臨時自穩(wěn)能力的淤泥、飽和軟弱土層。,圖3-32 土釘墻應(yīng)用領(lǐng)域a) 托換基礎(chǔ);

25、b) 豎井的擋墻; c) 斜面的擋土墻d) 斜面穩(wěn)定; e) 和錨桿并用的斜面防護,1 土釘受拉承載力計算,,受拉承載力,受拉荷載標(biāo)準(zhǔn)值,,,荷載折減系數(shù),,,,2 土釘墻承載力計算,采用簡化圓弧滑動條分法,,,,3 構(gòu) 造,土釘墻墻面坡度不宜大于1：0.1； 噴射混凝土面層宜配置鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑宜為6～10mm，間距宜為150～300mm；噴射混凝土強度等級不宜低于C20，面層厚度不宜小于80mm； 土釘鋼

26、筋宜采用Ⅱ、Ⅲ級鋼筋，鋼筋直徑宜為16～32mm，鉆孔直徑宜為70～120mm；,3.8 SMW,SMW擋土墻是先施工水泥土擋墻，最后按一定的形式在其中插入型鋼（如H鋼），即形成一種勁性復(fù)合圍護結(jié)構(gòu)。：止水好，剛度大，構(gòu)造簡單，型鋼插入深度一般小于攪拌深度，型鋼可回收重復(fù)使用，成本較低。SMW適宜的基坑深度為6～10m，國外開挖深度已達20m。要求型鋼間距不能過大，保證水泥土的強度由受剪，受壓控制。,,（a）全位“滿堂”；（b）

27、全位“1隔1”（c）全位“1隔2”；（d）半位“滿堂”；（e）半位“1隔1”,1型鋼凈間距的確定,保證型鋼間的水泥土在側(cè)向水土壓力作用下不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,,2.水泥土強度校核,,,“連續(xù)”截面剪力,型鋼“間隔”布置,,驗算拱的軸力強度,,,3.9 逆作拱墻,在基坑四周場地都允許起拱的條件下（基坑各邊長L的起拱矢高 ），可以采用閉合的水平拱圈來支擋土壓力以圍護基坑的穩(wěn)定，采用閉合的水平拱圈來支擋土壓力以圍護基坑的

28、穩(wěn)定 ；拱結(jié)構(gòu)是以受壓力為主，能更好地發(fā)揮混凝土抗壓強度高的材料特性，而且拱圈支擋高度只需在坑底以上,,,這個閉合拱圈可以由幾條二次曲線圍成的組合拱圈（曲率不連續(xù)），也可以是一個完整的橢圓或蛋形拱圈（曲率連續(xù)）。安全可靠，每道拱圈分別承受該道拱圈高度內(nèi)的壓力，不相互影響；節(jié)省工期，施工方便；節(jié)省擋土費用，用拱圈支護的費用僅為用擋土樁的40%~60%。而且，基坑越深，經(jīng)濟效益越顯著。,,,1.截面形狀,,2.拱墻計算,逆作拱墻結(jié)構(gòu)

29、型式根據(jù)基坑平面形狀可采用全封閉拱墻，也可采用局部拱墻，拱墻軸線的矢跨比不宜小于1/8，基坑開挖深度h不宜大于12m。當(dāng)基坑開挖深度范圍或基坑底土層為砂土?xí)r，應(yīng)按抗?jié)B透條件驗算土層穩(wěn)定性 ；當(dāng)基底土層為粘性土?xí)r，基坑開挖深度滿足下列抗隆起驗算條件：,,均布荷載作用下，圓形閉合拱墻結(jié)構(gòu)軸向壓力設(shè)計值 應(yīng)按下式計算：,圓拱的外圈半徑； 拱墻分道計算高度 在分道高度范圍內(nèi)的基坑外側(cè)水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值的平

30、均值。,3 構(gòu)造,混凝土強度等級不宜低于C25 ；拱墻截面宜為Z字型，拱壁的上、下端宜加肋梁；當(dāng)基坑較深且一道Z字型拱墻的支護高度不夠時，可由數(shù)道拱墻疊合組成；肋梁，其豎向間距不宜大于2.5m。圓形拱墻壁厚不應(yīng)小于400mm，其他拱墻壁厚不應(yīng)小于500mm。,3.10 逆作法施工,深地下室的常規(guī)施工是通過臨時支護基坑坑壁，開挖至預(yù)定深度后，澆底板并由下而上施工各層地下室結(jié)構(gòu)，待地下室完工后，再逐層進行地上結(jié)構(gòu)的施工。利用地下

31、連續(xù)墻采用逆作法施工較深的多層地下室，成為發(fā)展的方向，這已在國內(nèi)外到得了顯著的效果。,,逆作法施工工藝是先沿建筑物外圍施工地下連續(xù)墻，作為地下室的邊墻或基坑的圍護結(jié)構(gòu)。在建筑物內(nèi)部的澆筑中間支承柱，開挖土方至第一層地下室底面標(biāo)高，澆注梁及部分的板，該層樓蓋即可作為地下連續(xù)墻剛度很大的支撐系統(tǒng)。然后在梁間沒有澆板的空檔內(nèi)，向下逐層施工各層地下室結(jié)構(gòu)。與此同時，在已完成底面梁板結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，做上部結(jié)構(gòu)。地下室封底前，地面上允許施工的層數(shù)

32、要通過計算確定。,日本讀賣新聞社大樓 逆作法施工,地上９層，地下６層，總工期只用了２２個月，比常規(guī)方法縮短了６個月。該工程用2.0m大直徑鉆孔灌注樁作為中間支承柱，Ｌ＝３０m,共用３５根。,逆作法的優(yōu)點：,地下主體結(jié)構(gòu)的梁、板、柱作為擋土墻的橫向支撐；大幅度縮短工期；逆作法只開挖有效范圍內(nèi)的土方量，減少了大量的土方量；安全性好，且基本上不受氣候所左右。,不足：,封閉狀態(tài)下的環(huán)境進行施工，作業(yè)環(huán)境較差；大型機械設(shè)備難于

33、進場； 地下結(jié)構(gòu)中墻柱的混凝土接搭質(zhì)量較難控制 ；控制導(dǎo)柱的垂直度和承載力較難；逆作法側(cè)向剛度較封閉式的小，施工中應(yīng)采取措施，防止一側(cè)連續(xù)墻的過大變形。,立柱,立柱在逆作施工中具有無法取代的重要性，立柱設(shè)計和計算，為逆作法設(shè)計的主要內(nèi)容： 1) 立柱位置的設(shè)置 2）立柱負(fù)擔(dān)荷載的計算3）允許應(yīng)力的決定４）立柱樁的設(shè)計按灌注樁進行。５）上部結(jié)構(gòu)體加固設(shè)計６）立柱的設(shè)計７）柱腳根部插入部分的設(shè)計。,,逆作法施工，以地面層