基坑工程中的支护结构荷.ppt

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， 1 土压力及水压力： 2 地面堆积荷载及大型车辆的动、静荷载： 3 周边建(构)筑物的作用荷载； 4 施工荷载； 5 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。,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侧向压力土压力，它是围护墙体断面和验算其稳定性的主要荷载。土压力的大小和分布，对支护结构体系的内力、变形和稳定性验算有着重要的影响。土压力的大小和分布除了与土的性质有关外，还与围护体的位移方向、位移量、土体与围护墙体间的相互作用以及围护墙体类型有关。,3,土压力的影响因素,土的性质 挡土墙的移动方向 挡土墙和土的相对位移量 土体与墙之间的摩擦 挡土墙类型,4,刚性挡土墙 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 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，包括土压力的大小、方向、分布及合力作用点,5,在影响土压力的诸多因素中,墙体位移条件是最主要的因素。墙体位移的方向和相对位移量决定着所产生的土压力的性质和土压力的大小。,土压力类型,6,墙体位移对土压力的影响,挡土墙所受土压力的类型，首先取决于墙体是否发生位移以及位移的方向。其中有三种特定情况下的土压力，即静止土压力、主动土压力和被动土压力。 挡土墙所受土压力的大小并不是一个常数，而是随位移量的变化而变化。,7,土压力的类型,静止土压力 是指如果挡土墙在侧向土压力作用下，不向任何方向移动和转动而保持静止状态，则墙后土体处于弹性平衡状态，这时作用在挡土墙上的土压力称为静止土压力E0。如建筑物地下室外墙的土压力，建在岩石地基上的大截面挡土墙。,8,主动土压力 是指挡土墙在墙后土体压力作用下，背离填土方向移动或绕墙角转动，当墙后土体达到极限平衡并出现连续滑动面，这时作用在挡土墙上的土压力称为主动土压力Ea。此时土推力达到最小值。如一般的挡土墙,土压力的类型,9,被动土压力 是指挡土墙在外力作用下向填土方向移动或转动，这时作用在挡土墙上的土压力将由静止土压力逐渐增大，一直到土体达到极限平衡并出现连续滑动面，墙后土体向上挤出隆起，这时作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力Ep。如拱桥桥台。,土压力的类型,10,当 =/H=0 时 （如地下室） E=E0,1. 静止土压力,11,2. 主动土压力,墙体外移， 土压力逐渐减小， 当土体破坏，达到极限平衡状态时所对应的土压力 (最小),12,3. 被动土压力,墙体内移， 土压力逐渐增大， 当土体破坏， 达到极限平衡状态 时所对应的土压力 (最大),13,2.3 静止土压力计算,静止土压力 墙体不发生任何位移, =0 相当于天然地基土的应力状态（侧限状态） K0 应力状态,地下室外墙,14,一、静止土压力强度 p0,K0: 静止土压力系数,对于侧限应力状态，理论上：K0= / (1-),由于土的 泊松比 很难确定，K0 常用经验公式计算,p0静止土压力强度 (kN/m2),15,式中， 为土的有效内摩擦角，OCR为土的超固结比，为常数，通常在0.3-0.5之间，有人建议采用0.41，也有人建议采用0.5，Mayne and Kulhawy(1982) 建议 。,对于超固结粘性土,对于无粘性土及正常固结粘性土,16,极限平衡状态：,v, v, h,p0=h,z,K0状态：,17,二、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(如上图)，总静止土压力为：,E0的作用点在距离墙底1/3墙高H处。,(kN/m),18,2.4 朗肯土压力理论,朗肯（Rankine）于1857年根据土体中的朗肯主动和被动(土压力极限平衡)状态，提出了无粘性土主动和被动土压力的计算理论。 贝尔（Bell）于1915年在朗肯无粘性土土压力计算理论的基础上，提出了粘性土土压力的计算方法。,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从弹性平衡状态发展为极限平衡状态的情况。,20,21,二、填土面水平时的朗肯土压力计算,条件 墙背光滑 墙背垂直 填土表面水平 假设 墙后各点均处于极限平衡状态,于是： v、 h为主应力，且v=z,22,（一）主动土压力,1. 无粘性土,竖向应力为大主应力,水平向应力为小主应力,无粘性土的极限平衡条件,于是：主动土压力强度,pa=3,23,主动土压力强度,Ka朗肯主动土压力系数,总主动土压力,（一）主动土压力,1. 无粘性土,Ea的作用点在距离墙底1/3墙高H处。,(kN/m),(kN/m2),24,（一）主动土压力,2. 粘性土,竖向应力为大主应力,水平向应力为小主应力,粘性土的极限平衡条件,于是：主动土压力强度,25,（一）主动土压力,2. 粘性土,主动土压力强度,z0称为临界深度(高度),(kN/m2),26,总主动土压力,(kN/m),Ea的作用点在距离墙底1/3倍(H-z0)处。,27,竖向应力为小主应力,水平向应力为大主应力,无粘性土的极限平衡条件,于是：被动土压力强度,（二）被动土压力,1. 无粘性土,28,（二）被动土压力,1. 无粘性土,被动土压力强度,Kp朗肯被动土压力系数,总被动土压力,Ep的作用点在距离墙底1/3墙高H处。,(kN/m),(kN/m2),29,（二）被动土压力,2. 粘性土,竖向应力为小主应力,水平向应力为大主应力,粘性土的极限平衡条件,于是：被动土压力强度,30,被动土压力强度,正号,总被动土压力,（二）被动土压力,2. 粘性土,(kN/m),(kN/m2),31,Ep1的作用点在距离墙底1/3墙高H处， Ep2的作用点在距离墙底1/2墙高H处。,（二）被动土压力,2. 粘性土,32,土压力强度： 单位面积上的土压力 单位：kN/m2或kPa,2.5 土压力参数c、值的讨论,土的粘聚力C和内摩擦角田是反映土的抗剪强度性质的指标，通常称为抗剪强度指标，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。 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 2固结快剪，即固结不排水剪切试验； 3 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力下固结的快剪峰值强度指标；在验算稳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定，因此，对于重要的基坑工程一般采用三轴压缩仅测定抗剪强度指标。 另外，在基坑开挖过程中，由于坑内卸载(自重应力变化)和超孔隙水压力的变化，坑底和支档结构后侧土体的C、 将会随之变化。所以，采用信息化施工法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。,2.6 超载的处理,1 坡顶均布荷载： 直接按照均布荷载大小考虑。 2 坡顶局部荷载： 应力扩散角为45度，作用范围见图，坡顶局部超载大小为q0，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，其值变小： q= (q0b)/(b+2a),D,例： 当基坑边壁的局部荷载有一定埋深时，如浅基础，上式中q0取基底附加压力，作用范围相应下移一个基础埋深d。,3 基坑上部放坡时，超载的考虑： 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，大小为q0， 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： x为计算点低于B点的长度，0xb。,常用地表荷载的处理方法,一 、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，2002 1 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 轻型公路： 按照5KPa取值； 3 重型公路： 按照10KPa取值； 4 铁道： 按照20KPa取值；,二 高层建筑均布荷载取值： 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，1993.9,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：水土分算的原则和水土合算的原则。 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力。这一原则适用于土孔隙中存在自由的重力水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。 水土合算的原则认为土孔隙中不存在自由的重力水，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：,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1995年岩土工程学报第6期魏汝龙论义“总应力法计算土压力”和2000年岩土工程学报第3期沈珠江论文“基于有效固结应力理论的土压力公式”以及李广信论文“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识是，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；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，能够较好地解决这问题。,2.7 规范法计算土压力,2.7 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： （1）主动土压力称为水平荷载标准值，被动土压力称为水平抗力标准值； （2）当计算出的基坑水平荷载标准值为负值时，取为0； （3）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，可按静止土压力取值； （5）一般应按Rankine土压力计算； （6）地下水位以下，分水土合算 和分算； （7）如果有当地经验，可按经验或者相邻基坑经验取值。,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等因素有关。虽然土压力并不完全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，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。由于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，因此其土压力的分布与一般挡土墙存在着差异。,(1)打入板桩；(2)开挖第一深度；(3)加支撑1；(4)开挖第二深度；(5)加支撑2；(6)开挖第三深度,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，但由于墙体的位移，实测土压力为曲线分布。通常Rankine 主动土压力计算值比实测值要大，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显偏大。模型试验与工程