地下建筑結(jié)構(gòu)工程實(shí)例ppt課件

1、地下建筑構(gòu)造 交通運(yùn)輸工程學(xué)院.地下建筑構(gòu)造 1.1工程概略 湖北省高級(jí)人民法院位于武昌區(qū)首義路新建湖北省高級(jí)人民法院二號(hào)樓辦公樓。辦公樓高9層,總建筑面7922m2(不含地下室),采用框架構(gòu)造,高38.50m,基坑開挖深度約3.857.05m。抗震設(shè)防分類為丙類,該工程重要性等級(jí)為二級(jí),場(chǎng)地等級(jí)為三級(jí),地基等級(jí)為二級(jí)。 基坑大致呈矩形,東西向?qū)?5.50m;南北向長(zhǎng)45.00m,基坑開挖面積約1150.oom2,基坑周長(zhǎng)約140m。1.工程概略及地質(zhì)情況.1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件1、工程地質(zhì)條件 本基坑位于三級(jí)階地。開挖后,側(cè)壁中上部為填土和普通粘性土,部分坡段下部為老粘性土,部分坡段側(cè)

2、壁下部仍為普通粘性土,坑底接近老粘性土,總體而言,側(cè)壁中上部土質(zhì)條件相對(duì)較差,坑底土質(zhì)良好,對(duì)整體穩(wěn)定有利。場(chǎng)地內(nèi)地基巖土層劃分為四個(gè)層組共六個(gè)亞層。2、水文地質(zhì)條件 場(chǎng)地經(jīng)人工整平后相對(duì)平坦。場(chǎng)地地下水分為上層滯水及砂土層中空隙承壓水。1層雜填土,構(gòu)造松散,屬中等透水層,含少量上層滯水,但不能構(gòu)成一致自在水位,受大氣降水及地表徑流補(bǔ)給;(2) 二層三層屬弱透水層,普通起隔水作用。4、5層為粉砂夾粉土、粉質(zhì)粘土,粉砂,屬含水層,為空隙承壓水。地下建筑構(gòu)造.1.3環(huán)境條件及力學(xué)性能目的 本基坑環(huán)境條件比較嚴(yán)峻,東側(cè)為五層辦公樓,與擬建二號(hào)辦公樓相銜接,基坑需求緊貼原有根底開挖,基坑?xùn)|南邊間隔份7

3、層住宅5.7m,南邊間隔八層住宅9.5m,西邊間隔首義路9.5m,北邊間隔圍墻僅3m。用地范圍較為狹窄,基坑開挖必需注重環(huán)境維護(hù)。為確保施工平安,在基坑施工前進(jìn)展了詳細(xì)的管線探測(cè),地下室開挖范圍內(nèi)無地下管網(wǎng)分布。地下建筑構(gòu)造. 基坑監(jiān)測(cè)由多方面內(nèi)容組成,檢測(cè)工程的選擇應(yīng)根據(jù)基坑工程的平安等級(jí)、周圍環(huán)境的復(fù)雜程度和實(shí)踐任務(wù)條件等要素而定。周邊建筑物沉降觀測(cè)是基坑周圍環(huán)境監(jiān)測(cè)其中的一個(gè)內(nèi)容。在深基坑開挖過程中,為了掌握臨近建筑物的沉降情況,確保周邊環(huán)境的平安,需進(jìn)展沉降觀測(cè)。2.1基坑監(jiān)測(cè)方案 本工程沉降水準(zhǔn)觀測(cè),對(duì)基坑周邊邊坡土體和建筑物沉降監(jiān)測(cè)共布設(shè)10+8個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。其中,在基坑周邊土體共

4、布設(shè)10個(gè)程度位移和沉降觀測(cè)點(diǎn),東面兩棟距基坑較近的被測(cè)建筑物的首層柱上共為3個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。其中對(duì)周邊建筑物進(jìn)展13次沉降觀測(cè)。觀測(cè)周期與工程進(jìn)度親密聯(lián)絡(luò),基坑開挖期間,土體擾動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境影響較大,沉降速率較大,故保證每隔2天一次觀測(cè),時(shí)辰留意環(huán)境動(dòng)態(tài),后期施工過程中,根據(jù)實(shí)踐情況相對(duì)減小監(jiān)測(cè)頻率。2.位移監(jiān)測(cè)成果地下建筑構(gòu)造.2.2沉降觀測(cè)成果 該工程監(jiān)測(cè)任務(wù)從2007年11月27日開場(chǎng),至2021年3月24日終了。分析中將第一次,累計(jì)觀測(cè)時(shí)間未118天。將沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果整理見表1。 為了能更直觀看出周圍建筑物沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律,對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)展比較后,選取具有代表性的已有建筑物上M7、M8點(diǎn)

5、和基坑頂面坑邊M4、M8點(diǎn)(見圖1),將各點(diǎn)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù),繪制成隨時(shí)間的沉降曲線圖如圖1。地下建筑構(gòu)造.表1周邊建筑物程度位移及沉降監(jiān)測(cè)成果匯總表圖1典型沉降觀測(cè)點(diǎn)沉降與時(shí)間關(guān)系曲線圖地下建筑構(gòu)造.圖中: -分別表示第一到五次分步開挖工況。從上圖表可以看出: 1、東側(cè)已有建筑物位移隨基坑開挖處于不斷增大的趨勢(shì),但隨著基坑開挖支護(hù)完成后一段時(shí)間,位移趨于穩(wěn)定。 2、監(jiān)測(cè)點(diǎn)M7、M8累計(jì)沉降量在2.5mm左右,基坑邊M4、M5累計(jì)程度位移在2.5mm左右,累計(jì)沉降值和程度位移開展趨勢(shì)均在允許范圍內(nèi),且?guī)缀鯖]有差別沉降,不會(huì)對(duì)基坑邊坡和周邊環(huán)境產(chǎn)生危害。滿足基坑穩(wěn)定和周邊建筑物平安要求。地下建筑構(gòu)

6、造.l、計(jì)算范圍 經(jīng)過分析該深基坑工程的地質(zhì)條件,周邊環(huán)境及基坑要求,結(jié)合搜集的資料,不思索地下水的影響,對(duì)整個(gè)基坑的東面進(jìn)展三維數(shù)值模擬。 基坑?xùn)|面分BC段和CD段兩段:BC段長(zhǎng)20m,基坑頂面標(biāo)高-2.8m,基坑底面標(biāo)高-9.4m,開挖深度6.6m,采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)構(gòu)造,放坡坡率1:0.3;CD段長(zhǎng)25m,基坑頂面標(biāo)高-1.4m,基坑底面標(biāo)高-6.85m,開挖深度5.45m,采用超前鋼管樁復(fù)合預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)構(gòu)造,垂直開挖。 本計(jì)算模型在基坑寬度方向(x方向)取25m(開挖面后影響區(qū)取15m,開挖基坑內(nèi)影響區(qū)取10m),長(zhǎng)度方向(y方向)取65m(兩側(cè)各加寬10m影響區(qū)),深度方向(z方向

7、)取20m。在建立FLAC3D計(jì)算模型時(shí),3.模型和參數(shù)設(shè)置地下建筑構(gòu)造.將計(jì)算模型的基外鄉(xiāng)層概化為三層,力學(xué)模型采用摩爾一庫侖模型,采用brick原始模型生成網(wǎng)格,單元網(wǎng)格邊長(zhǎng)約為lm,模型共有30125個(gè)單元(zones),33566個(gè)節(jié)點(diǎn)(grid一points)。生成的網(wǎng)格圖見圖2。圖2根本幾何模型 圖3無支護(hù)開挖模型地下建筑構(gòu)造. 經(jīng)過對(duì)各個(gè)基坑土體類型在無支護(hù)開挖條件下的計(jì)算,以及根據(jù)邊坡土體中的位移變形分布判別邊坡的破壞區(qū)域、破壞道路,進(jìn)而確定各種土層邊坡的破壞方式。模型的無支護(hù)開挖采取按不同深度基坑類型一步開挖到基底的方式,這樣雖然與實(shí)踐的分步開挖有一定不同,但對(duì)邊坡破壞總體趨

8、勢(shì)研討是可行的?；訜o支護(hù)開挖模型見圖3。2、邊境條件 邊境條件分為位移邊境條件和受力邊境條件利用FLAC3D中fish言語程序命令:fix(位移方向)range(位移約束面),可在網(wǎng)格模型中設(shè)定位移邊境條件。 模型除x=0面及基坑頂面為自在面不設(shè)置位移邊境條件外,其他面均采用法向約束?？拥走吘踌o止不動(dòng),假設(shè)為固定鉸支,限制三個(gè)方向的位移;模型x軸及y軸方向兩側(cè)避均施加邊境約束條件,限制該臨空方向的位移;基坑頂面為設(shè)為自在面,不加約束。地下水己進(jìn)展處置,可不思索。 利用FLAC3D中fish言語程序命令:apply szz(荷載大小)range(荷載范圍),可在網(wǎng)格模型中定義受力邊境條件。本工

9、程CD段基坑周邊己有建筑物荷載,荷載大小為90KN。地下建筑構(gòu)造. 對(duì)基坑放坡開挖BC段,可以采取對(duì)開挖土體和基坑圍巖土體分別建模,建模中用到根本單元的八節(jié)點(diǎn)定義方式。然后用null定義開挖土體部分的模塊來模擬,如圖4。 本工程實(shí)例中基坑坡率較大,近乎直立開挖,也可直接采取每步開挖支護(hù)中,再多次分步開挖得到階梯狀開挖面的方式近似模擬坡面開挖。經(jīng)模擬計(jì)算驗(yàn)證,該建模方式對(duì)基坑開挖支護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果影響很小,可忽略不計(jì)。4.分步開挖支護(hù)計(jì)算模型圖4 坡面開挖建模表示圖地下建筑構(gòu)造. 整個(gè)基坑開挖支護(hù)模擬嚴(yán)厲按照工程施工順序,分層分段開挖與支護(hù)。如表2所示,CD段分五步開挖,BC段分四步開挖,因C

10、D段地面標(biāo)高較高,故先開挖CD段第一層土體,然后開挖BC段第一層土體,完成第一步開挖支護(hù)后,進(jìn)展模擬計(jì)算,保管計(jì)算成果;然后依次進(jìn)展CD段和BC第二步開挖支護(hù),再次計(jì)算;依次類推完成整個(gè)基坑開挖支護(hù)過程。 CD段單獨(dú)完成第五步開挖,該步開挖后無預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù),但因開挖深度不大,且開挖完成后及時(shí)進(jìn)展面層噴錨加固,故可以滿足穩(wěn)定和變形要求。分步開挖深度及開挖前和每步開挖后的坑底標(biāo)高信息搜集于表2中。數(shù)值模擬計(jì)算的不平衡率設(shè)為0.00001。表2 基坑分步開挖深度地下建筑構(gòu)造.分步開挖與支護(hù)計(jì)算模型見圖4名至圖9圖4微型鋼管樁超前支護(hù) 圖5第一步開挖與支護(hù)模型圖圖6第二步開挖與支護(hù)模型圖 圖7第三步

11、開挖與支護(hù)模型地下建筑構(gòu)造.圖8第四步開挖與支護(hù)模型 圖9第五步開挖完成后模型地下建筑構(gòu)造.5.1初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成 基坑開挖前,先進(jìn)展土體的自然固結(jié)計(jì)算,即初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成,然后消除固結(jié)過程產(chǎn)生的位移。初始地應(yīng)力場(chǎng)的生成選用分階段彈塑性求解法進(jìn)展生成。 根本步驟為:生成網(wǎng)格模型-定義模型為摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型-設(shè)置土體強(qiáng)度參數(shù)、在模型上添加一切的物理邊境條件(包括位移邊境條件和受力邊境條件)-并設(shè)置土體密度和重力加速度-輸入sofve elastic命令-軟件按照默許設(shè)置自動(dòng)分階段求解-保管計(jì)算結(jié)果至initial.sav文件-自然固結(jié)位移清零。 初始地應(yīng)力場(chǎng)生成的程度位移(x方向)和

12、垂直位移(z方向)結(jié)果如圖10、圖11。5.數(shù)值模擬計(jì)算地下建筑構(gòu)造.圖10土體自然固結(jié)x方向位移 圖11土體自然固結(jié)z方向位移地下建筑構(gòu)造.由結(jié)果可以看出:1、x方向初始地應(yīng)力固結(jié)的位移圖中,前后兩面因添加位移約束條件,故使得模擬值與固結(jié)位移值稍有偏向,主要表如今模型部分荷載區(qū)域接近后側(cè)x方向位移約束處,但總體而言,可以代表場(chǎng)地初始地應(yīng)力場(chǎng)的程度固結(jié)位移分布。2、x方向位移圖闡明:土體因接受部分建筑荷載而產(chǎn)生程度位移,最大程度位移出如今荷載下方的土體外表,最大值僅為1.6mm。普通而言,在地面無部分荷載(或荷載沿整個(gè)場(chǎng)區(qū)外表均勻分布)且各土層為成平面各向異性體的理想情況下,土體自然固結(jié)不會(huì)產(chǎn)

13、生程度方向的位移。故在基坑設(shè)計(jì)計(jì)算以及數(shù)值模擬分析中均不能忽略周邊建筑物的荷載作用。3、程度位移向外影響范圍約為荷載寬度的一倍,遠(yuǎn)離荷載處程度位移非常小,可不計(jì)。模型前后兩個(gè)邊境因定義位移邊境條件,故位移值為零。地下建筑構(gòu)造.4、z方向固結(jié)沉降位移圖闡明:最大沉降值出如今部分荷載下方土體外表,最大固結(jié)位移約為3.47cm,且荷載對(duì)沉降位移的影響范圍不大,邊境土體初始地應(yīng)力沉降固結(jié)位移約為Zcm。5、因受土體自重作用,同一垂直平面內(nèi),土體固結(jié)沉降位移最大值出如今土體頂面,因存在沉降位移的累積,隨著深度增大位移值逐漸變小,在模型底面邊境,因定義邊境約束條件,沉降值為零。地下建筑構(gòu)造.5.2無支護(hù)開

14、挖位移分析 經(jīng)過零模型(null)來模擬基坑開挖,逐層開挖工況可以經(jīng)過逐層設(shè)置開挖區(qū)資料為零模型來模擬。但是在無支護(hù)開挖時(shí),分不開挖模擬和一次性開挖模擬結(jié)果差別不大,故在對(duì)無支護(hù)開挖的基坑模擬計(jì)算直接經(jīng)過一次性開挖到位后進(jìn)展運(yùn)算(solve)?；訜o支護(hù)開挖模擬程度、垂直位移及位移速率計(jì)算值見圖12、13。地下建筑構(gòu)造.圖12無支護(hù)開挖模擬程度位移計(jì)算 圖13無支護(hù)開挖模擬程度位移速率計(jì)算圖14無支護(hù)開挖模擬沉降計(jì)算 圖15無支護(hù)開挖模擬沉降速率計(jì)算地下建筑構(gòu)造.從基坑無支護(hù)開挖模擬位移等值線圖可以獲得如下信息: 1、假設(shè)該基坑不進(jìn)展支護(hù),直接放坡開挖,那么基坑最大程度位移為0.532m,發(fā)生

15、在CD段基坑側(cè)壁臨空面,位移方向指向基坑;最大程度位移速率為0.404訓(xùn)耐s,方向指向基坑。 2、基坑最大垂直位移(沉降)也發(fā)生在CD段基坑側(cè)壁臨空面,最大沉降量為0.39lm;最大垂直位移速率為0.307mn/s。周邊建筑物底面將產(chǎn)生較大的沉降差,將影響該建筑的正常運(yùn)用甚至破壞。 3、分析上圖中的位移及沉降數(shù)據(jù)可以知道,基坑在無支護(hù)形狀下開挖時(shí),將引起基坑壁位移和變形速率都很大,不能滿足基坑穩(wěn)定和變形的要求。在實(shí)踐工程開挖中,因受各種不確定要素的影響,基坑很能夠己經(jīng)發(fā)生坍塌,必需予以支護(hù)加固,確保平安。地下建筑構(gòu)造. 4、從基坑位移分布圖結(jié)合不平衡力模擬計(jì)算結(jié)果知,基坑開挖隱患位于CD段,其

16、主要危險(xiǎn)要素為距基坑5.7m遠(yuǎn)的90KN部分建筑荷載。因支護(hù)工藝采用小型機(jī)械施工,為充分反映周邊建筑物對(duì)基坑穩(wěn)定的相互影響,模擬過程中忽略了基坑頂面的施工荷載以及雨水等不確定要素的影響,可知在基坑BC段不平衡力很小,直接開挖產(chǎn)生的位移也可忽略不計(jì)。地下建筑構(gòu)造.5.3分步開挖程度位移分析 對(duì)基坑分步開挖進(jìn)展模擬分析。由于基坑位移控制方向?yàn)閤和z方向,故程度位移只列出x方向的等值線圖。分步開挖程度位移等值線圖及典型剖面圖見圖16到21。圖16第一步開挖支護(hù)x方向位移等值線圖 圖17第二步開挖支護(hù)x方向位移等值線圖地下建筑構(gòu)造.圖18第三步開挖支護(hù)x方向位移等值線圖圖19第四步開挖支護(hù)x方向位移等

17、值線圖圖20第五步開挖支護(hù)x方向位移等值線圖 圖21第五步完成后CD段x方向位移典型剖面圖地下建筑構(gòu)造.圖中左側(cè)表示x方向的位移。下面的數(shù)值為位移大小的變化范圍,從上到下由負(fù)值到正值,負(fù)值代表向基坑內(nèi)側(cè)挪動(dòng),正值代表背叛基坑開挖面。對(duì)應(yīng)于右側(cè)圖中同顏色區(qū)域的位移值。從圖示中可以看出:(l)總體趨勢(shì):基坑邊坡同一支護(hù)方式同一深度處的程度位移隨開挖的進(jìn)展而逐漸添加,但坡頂?shù)某潭任灰浦饕诘谌介_挖時(shí)明顯發(fā)生,第五步開挖開挖后由于基坑的約束解除,而沒有進(jìn)展支護(hù),基坑邊坡也發(fā)生較明顯位移。但因該步開挖深度較小,隨著土體的平衡,位移不會(huì)明顯繼續(xù)開展。(2)位移影響區(qū):隨著開挖深度的添加,開挖面上的程度位

18、移逐漸增大,開挖面下部一定范圍內(nèi)的土體也產(chǎn)生程度位移,并且隨著開挖的進(jìn)展,影響區(qū)域越來越大。地下建筑構(gòu)造.(3)BC段坡頂位移:前四次開挖完成后,位移等值線圖上程度位移均為正值,直到第五步開挖完成后,坡頂土體擠壓根本被復(fù)原,土體程度位移約為0;與CD段相比較,坑頂總體位移趨勢(shì)是一樣的,最終位移較小反映了邊坡土體穩(wěn)定性平安系數(shù)大于CD段。(4)CD段最大位移:在第一步開挖完成后,最大程度位移發(fā)生在基坑頂面;隨著深度的添加,程度位移最大值轉(zhuǎn)移到邊坡底附近,整體有向基坑方向傾斜的趨勢(shì);隨著開挖進(jìn)展,位移最大值不斷向下開展,程度位移上小下大,開挖面向著基坑滑動(dòng)的趨勢(shì)。(5)BC段最大位移:第一步開挖完

19、成后,最大程度位移也發(fā)生在基坑頂面;隨著深度添加,位移最大值向著邊坡底部附近開展,第四步開挖至第五步開挖,整個(gè)邊坡處于穩(wěn)定形狀,位移值很小,僅在坡底有1刃n幻n左右的位移值。(6)由于預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)的作用,坡頂?shù)某潭任灰频玫搅艘欢ǖ募s束,使得土體最大程度位移沒有出如今坡頂,而且土體的變形也得到了有效的控制,確保周邊建筑物平安。地下建筑構(gòu)造. 綜上所述,在深基坑開挖過程中,基坑周邊土體程度位移呈現(xiàn)出上小下大的分布規(guī)律,有整體滑動(dòng)的趨勢(shì),即基坑邊坡破壞方式為沿某一滑裂面滑動(dòng)破壞,在預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中,應(yīng)按照滑面破壞計(jì)算方法控制好自在段與錨固段的長(zhǎng)度,錨桿的錨固段一定要位于滑裂面之后的穩(wěn)定巖土體,

20、錨桿長(zhǎng)度可按從上而下由長(zhǎng)到短的布設(shè)原那么。地下建筑構(gòu)造.5.4分步開挖垂直位移分析 基坑程度位移控制和垂直位移控制一同構(gòu)成基坑位移控制的兩個(gè)方面。基坑開挖后,邊坡及周邊土體的不均勻沉降均會(huì)影響基坑施工平安和周邊建筑物的穩(wěn)定?；舆吰率┕し€(wěn)定性主要表如今程度位移上,而周邊建筑物平安那么要求經(jīng)過控制基坑周邊土體的不均勻沉降來保證。 基坑在分步開挖支護(hù)后,進(jìn)展平衡計(jì)算同樣可以得到垂直位移等值線分布圖,列出每步開挖后z方向的垂直位移等值線分布圖,見圖22到27。地下建筑構(gòu)造.圖22第一步開挖支護(hù)z方向位移等值線圖 圖23第二步開挖支護(hù)z方向位移等值線圖圖24第三步開挖支護(hù)z方向位移等值線圖 圖25第四

21、步開挖支護(hù)z方向位移等值線圖地下建筑構(gòu)造.圖26第五步開挖支護(hù)z方向位移等值線圖 圖27開挖支護(hù)后CD段z方向位移典型剖面圖地下建筑構(gòu)造. 圖中左側(cè)表示z方向的位移。下面的數(shù)值為位移大小的變化范圍,從上到下由負(fù)值到正值,負(fù)值代表向土體沉降,正值代表土體隆起。對(duì)應(yīng)于右側(cè)圖中同顏色區(qū)域的位移值。從圖中可以看出:(l)基坑開挖突破了原始土體的應(yīng)力平衡形狀,致使土體中應(yīng)力重新分布,構(gòu)成二次應(yīng)力場(chǎng)?；又苓呁馏w發(fā)生沉降,而基坑底部的土體發(fā)生隆起。每開挖一步時(shí),坑壁土體由于應(yīng)力松弛在土體自重及地面荷載作用下產(chǎn)生沉降;基坑底土體由于上層土體重力釋放及基坑壁土體的擠壓,那么產(chǎn)生隆起。隨著開挖的進(jìn)展,坑壁沉降量

22、和坑底隆起均逐漸趨于穩(wěn)定。地下建筑構(gòu)造.(2)第一步開挖時(shí),基坑邊坡頂部土體的沉降量只出如今基坑頂面部分荷載處,隨著開挖深度的增大,沉降區(qū)域逐漸延伸到接近基坑邊緣處,在第五步開挖表現(xiàn)比較明顯。開挖完成后地面部分荷載處最大沉降量為2.5mm。對(duì)周邊建筑將產(chǎn)生約5刃n們n的沉降差,不會(huì)影響已有建筑物的穩(wěn)定和正常運(yùn)用功能。(3)基坑開挖過程中,坑底不斷表現(xiàn)為隆起形狀,且隆起量隨開挖進(jìn)展不斷增大,在第五步開挖完成后,到達(dá)最大隆起量7rn幻?；拥撞拷咏_挖面處的土體隆起量較大,在CD段基坑周邊土體下降擠壓下容易發(fā)生屈服。(4)基坑開挖過程中,基坑周邊土體發(fā)生沉降不大,主要沉降和差別沉降在基坑頂面荷載處;在基坑底部主要為隆起,基坑坑底隆起控制也是基坑工程中的重要內(nèi)容。從本質(zhì)上講,基坑坑底隆起主要是由基坑周邊土體沉降對(duì)坑內(nèi)土體的擠壓作用導(dǎo)致的,少量隆起是基坑開挖使坑內(nèi)土體應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的回彈,因此只需支護(hù)構(gòu)造嚴(yán)厲控制基坑周邊沉降量,基坑底及時(shí)進(jìn)展