地下建筑结构-工程实例课件.ppt

1、L/O/G/O地下建筑结构 交通运输工程学院地下建筑结构 1.1工程概况工程概况 湖北省高级人民法院位于武昌区首义路新建湖北省高级人民法院二号楼办公楼。办公楼高9层,总建筑面7922m2(不含地下室),采用框架结构,高38.50m,基坑开挖深度约3.857.05m。抗震设防分类为丙类,该工程重要性等级为二级,场地等级为三级,地基等级为二级。 基坑大致呈矩形,东西向宽25.50m;南北向长45.00m,基坑开挖面积约1150.oom2,基坑周长约140m。1.工程概况及地质情况工程概况及地质情况1.2工程地质及水文地质条件工程地质及水文地质条件1、工程地质条件、工程地质条件 本基坑位于三级阶地。

2、开挖后,侧壁中上部为填土和一般粘性土,部分坡段下部为老粘性土,部分坡段侧壁下部仍为一般粘性土,坑底接近老粘性土,总体而言,侧壁中上部土质条件相对较差,坑底土质良好,对整体稳定有利。场地内地基岩土层划分为四个层组共六个亚层。2、水文地质条件、水文地质条件 场地经人工整平后相对平坦。场地地下水分为上层滞水及砂土层中空隙承压水。（1）层杂填土,结构松散,属中等透水层,含少量上层滞水,但不能形成统一自由水位,受大气降水及地表径流补给;(2) 二层三层属弱透水层,一般起隔水作用。4、5层为粉砂夹粉土、粉质粘土,粉砂,属含水层,为空隙承压水。地下建筑结构1.31.3环境条件及力学性能指标环境条件及力学性能

3、指标 本基坑环境条件比较严峻,东侧为五层办公楼,与拟建二号办公楼相连接,基坑需要紧贴原有基础开挖,基坑东南边距离份7层住宅5.7m,南边距离八层住宅9.5m,西边距离首义路9.5m,北边距离围墙仅3m。用地范围较为狭窄,基坑开挖必须重视环境保护。为确保施工安全,在基坑施工前进行了详细的管线探测,地下室开挖范围内无地下管网分布。地下建筑结构 基坑监测由多方面内容组成,检测项目的选择应根据基坑工程的安全等级、周围环境的复杂程度和实际工作条件等因素而定。周边建筑物沉降观测是基坑周围环境监测其中的一个内容。在深基坑开挖过程中,为了掌握临近建筑物的沉降情况,确保周边环境的安全,需进行沉降观测。2.12.

4、1基坑监测方案基坑监测方案 本工程沉降水准观测,对基坑周边边坡土体和建筑物沉降监测共布设10+8个沉降观测点。其中,在基坑周边土体共布设周边土体共布设1010个水平位移个水平位移和沉降观测点,东面两栋距基坑较近的被测建筑物的首层柱上共为3个沉降观测点。其中对周边建筑物进行13次沉降观测。观测周期与工程进度密切联系,基坑开挖期间,土体扰动对周围环境影响较大,沉降速率较大,故保证每隔保证每隔2 2天一次观测天一次观测, ,时刻注意环境动态时刻注意环境动态, ,后期施工过程中,根据实际情况相对减小监测频率。2.2.位移监测成果位移监测成果地下建筑结构2.22.2沉降观测成果沉降观测成果 该工程监测工

5、作从2007年11月27日开始,至2008年3月24日结束。分析中将第一次,累计观测时间未118天。将沉降监测结果整理见表1。 为了能更直观看出周围建筑物沉降随时间的变化规律,对表中数据进行比较后,选取具有代表性的已有建筑物上M7、M8点和基坑顶面坑边M4、M8点(见图1),将各点的沉降观测数据,绘制成随时间的沉降曲线图如图1。地下建筑结构表表1周边建筑物水平位移及沉降监测成果汇总表周边建筑物水平位移及沉降监测成果汇总表图图1典型沉降观测点沉降与时间关系曲线图典型沉降观测点沉降与时间关系曲线图地下建筑结构图中: -分别表示第一到五次分步开挖工况。从上图表可以看出从上图表可以看出: : 1、东侧

6、已有建筑物位移随基坑开挖处于不断增大的趋势,但随着基坑开挖支护完成后一段时间,位移趋于稳定。 2、监测点M7、M8累计沉降量在2.5mm左右,基坑边M4、M5累计水平位移在2.5mm左右,累计沉降值和水平位移发展趋势均在容许范围内,且几乎没有差异沉降,不会对基坑边坡和周边环境产生危害。满足基坑稳定和周边建筑物安全要求。地下建筑结构l l、计算范围、计算范围 通过分析该深基坑工程的地质条件,周边环境及基坑要求,结合收集的资料,不考虑地下水的影响,对整个基坑的东面进行三维数值模拟。 基坑东面分BC段和CD段两段:BC段长20m,基坑顶面标高-2.8m,基坑底面标高-9.4m,开挖深度6.6m,采用

7、预应力锚杆支护结构,放坡坡率1:0.3;CD段长25m,基坑顶面标高-1.4m,基坑底面标高-6.85m,开挖深度5.45m,采用超前钢管桩复合预应力锚杆支护结构,垂直开挖。 本计算模型在基坑宽度方向(x方向)取25m(开挖面后影响区取15m,开挖基坑内影响区取10m),长度方向(y方向)取65m(两侧各加宽10m影响区),深度方向(z方向)取20m。在建立FLAC3D计算模型时,3.3.模型和参数设置模型和参数设置地下建筑结构将计算模型的基本土层概化为三层,力学模型采用摩尔一库仑模型,采用brick原始模型生成网格,单元网格边长约为lm,模型共有30125个单元(zones),33566个节

8、点(grid一points)。生成的网格图见图2。图图2基本几何模型基本几何模型 图图3无支护开挖模型无支护开挖模型地下建筑结构 通过对各个基坑土体类型在无支护开挖条件下的计算,以及根据边坡土体中的位移变形分布判断边坡的破坏区域、破坏路线,进而确定各种土层边坡的破坏模式。模型的无支护开挖采取按不同深度基坑类型一步开挖到基底的模式,这样虽然与实际的分步开挖有一定不同,但对边坡破坏总体趋势研究是可行的。基坑无支护开挖模型见图3。2 2、边界条件、边界条件 边界条件分为位移边界条件和受力边界条件利用FLAC3D中fish语言程序命令:fix(位移方向)range(位移约束面),可在网格模型中设定位移

9、边界条件。 模型除x=0面及基坑顶面为自由面不设置位移边界条件外,其余面均采用法向约束。坑底边界静止不动,假设为固定铰支,限制三个方向的位移;模型x轴及y轴方向两侧避均施加边界约束条件,限制该临空方向的位移;基坑顶面为设为自由面,不加约束。地下水己进行处理,可不考虑。 利用FLAC3D中fish语言程序命令:apply szz(荷载大小)range(荷载范围),可在网格模型中定义受力边界条件。本工程CD段基坑周边己有建筑物荷载,荷载大小为90KN。地下建筑结构 对基坑放坡开挖BC段,可以采取对开挖土体和基坑围岩土体分别建模,建模中用到基本单元的八节点定义方式。然后用null定义开挖土体部分的模

10、块来模拟,如图4。 本工程实例中基坑坡率较大,近乎直立开挖,也可直接采取每步开挖支护中,再多次分步开挖得到阶梯状开挖面的方式近似模拟坡面开挖。经模拟计算验证经模拟计算验证, ,该建模方式对基坑开挖支护数值模拟该建模方式对基坑开挖支护数值模拟计算结果影响很小计算结果影响很小, ,可忽略不计。可忽略不计。4.4.分步开挖支护计算模型分步开挖支护计算模型图图4 坡面开挖建模示意图坡面开挖建模示意图地下建筑结构 整个基坑开挖支护模拟严格按照工程施工顺序,分层分段开挖与支护。如表2所示,CD段分五步开挖,BC段分四步开挖,因CD段地面标高较高,故先开挖CD段第一层土体,然后开挖BC段第一层土体,完成第一

11、步开挖支护后,进行模拟计算,保存计算成果;然后依次进行CD段和BC第二步开挖支护,再次计算;依次类推完成整个基坑开挖支护过程。 CD段单独完成第五步开挖,该步开挖后无预应力锚杆支护,但因开挖深度不大,且开挖完成后及时进行面层喷锚加固,故能够满足稳定和变形要求。分步开挖深度及开挖前和每步开挖后的坑底标高信息收集于表2中。数值模拟计算的不平衡率设为0.00001。表表2 基坑分步开挖深度基坑分步开挖深度地下建筑结构分步开挖与支护计算模型见图分步开挖与支护计算模型见图4名至图名至图9图图4微型钢管桩超前支护微型钢管桩超前支护 图图5第一步开挖与支护模型图第一步开挖与支护模型图图图6第二步开挖与支护模

12、型图第二步开挖与支护模型图 图图7第三步开挖与支护模型第三步开挖与支护模型地下建筑结构图图8第四步开挖与支护模型第四步开挖与支护模型 图图9第五步开挖完成后模型第五步开挖完成后模型地下建筑结构5.15.1初始地应力场的生成初始地应力场的生成 基坑开挖前,先进行土体的自然固结计算,即初始地应力场的生成,然后消除固结过程产生的位移。初始地应力场的生成选用分阶段弹塑性求解法进行生成。 基本步骤为:生成网格模型-定义模型为摩尔-库伦弹塑性本构模型-设置土体强度参数、在模型上添加所有的物理边界条件(包括位移边界条件和受力边界条件)-并设置土体密度和重力加速度-输入sofve elastic命令-软件按照

13、默认设置自动分阶段求解-保存计算结果至initial.sav文件-自然固结位移清零。 初始地应力场生成的水平位移(x方向)和垂直位移(z方向)结果如图10、图11。5.5.数值模拟计算数值模拟计算地下建筑结构图图10土体自然固结土体自然固结x方向位移方向位移 图图11土体自然固结土体自然固结z方向位移方向位移地下建筑结构由结果可以看出由结果可以看出: :1、x方向初始地应力固结的位移图中,前后两面因添加位移约束条件,故使得模拟值与固结位移值稍有偏差,主要表现在模型局部荷载区域靠近后侧x方向位移约束处,但总体而言,可以代表场地初始地应力场的水平固结位移分布。2、x方向位移图表明:土体因承受局部建

14、筑荷载而产生水平位移,最大水平位移出现在荷载下方的土体表面,最大值仅为1.6mm。一般而言,在地面无局部荷载(或荷载沿整个场区表面均匀分布)且各土层为成平面各向异性体的理想情况下,土体自然固结不会产生水平方向的位移。故在基坑设计计算以及数值模拟分析中均不能忽略周边建筑物的荷载作用。3、水平位移向外影响范围约为荷载宽度的一倍,远离荷载处水平位移非常小,可不计。模型前后两个边界因定义位移边界条件,故位移值为零。地下建筑结构4、z方向固结沉降位移图表明:最大沉降值出现在局部荷载下方土体表面,最大固结位移约为3.47cm,且荷载对沉降位移的影响范围不大,边界土体初始地应力沉降固结位移约为Zcm。5、因

15、受土体自重作用,同一垂直平面内,土体固结沉降位移最大值出现在土体顶面,因存在沉降位移的累积,随着深度增大位移值逐渐变小,在模型底面边界,因定义边界约束条件,沉降值为零。地下建筑结构5.25.2无支护开挖位移分析无支护开挖位移分析 通过零模型(null)来模拟基坑开挖,逐层开挖工况可以通过逐层设置开挖区材料为零模型来模拟。但是在无支护开挖时,分不开挖模拟和一次性开挖模拟结果差别不大,故在对无支护开挖的基坑模拟计算直接通过一次性开挖到位后进行运算(solve)。基坑无支护开挖模拟水平、垂直位移及位移速率计算值见图12、13。地下建筑结构图图12无支护开挖模拟水平位移计算无支护开挖模拟水平位移计算

16、图图13无支护开挖模拟水平位移速率计算无支护开挖模拟水平位移速率计算图图14无支护开挖模拟沉降计算无支护开挖模拟沉降计算 图图15无支护开挖模拟沉降速率计算无支护开挖模拟沉降速率计算地下建筑结构从基坑无支护开挖模拟位移等值线图可以获得如下信息从基坑无支护开挖模拟位移等值线图可以获得如下信息: : 1、若该基坑不进行支护,直接放坡开挖,则基坑最大水平位移为0.532m,发生在CD段基坑侧壁临空面,位移方向指向基坑;最大水平位移速率为0.404训耐s,方向指向基坑。 2、基坑最大垂直位移(沉降)也发生在CD段基坑侧壁临空面,最大沉降量为0.39lm;最大垂直位移速率为0.307mn/s。周边建筑物

17、底面将产生较大的沉降差,将影响该建筑的正常使用甚至破坏。 3、分析上图中的位移及沉降数据可以知道,基坑在无支护状态基坑在无支护状态下开挖时下开挖时, ,将引起基坑壁位移和变形速率都很大将引起基坑壁位移和变形速率都很大, ,不能满足基坑稳不能满足基坑稳定和变形的要求定和变形的要求。在实际工程开挖中,因受各种不确定因素的影响,基坑很可能己经发生坍塌,必须予以支护加固必须予以支护加固, ,确保安全确保安全。地下建筑结构 4、从基坑位移分布图结合不平衡力模拟计算结果知,基坑开挖隐患位于CD段,其主要危险因素为距基坑5.7m远的90KN局部建筑荷载。因支护工艺采用小型机械施工,为充分反映周边建筑物对基坑

18、稳定的相互影响,模拟过程中忽略了基坑顶面的施工荷载以及雨水等不确定因素的影响,可知在基坑可知在基坑BCBC段不平衡力很小段不平衡力很小, ,直接开挖产生的位移也可忽略不计。直接开挖产生的位移也可忽略不计。地下建筑结构5.35.3分步开挖水平位移分析分步开挖水平位移分析 对基坑分步开挖进行模拟分析。由于基坑位移控制方向为x和z方向,故水平位移只列出x方向的等值线图。分步开挖水平位移等值线图及典型剖面图见图16到21。图图16第一步开挖支护第一步开挖支护x方向位移等值线图方向位移等值线图 图图17第二步开挖支护第二步开挖支护x方向位移等值线图方向位移等值线图地下建筑结构图图18第三步开挖支护第三步

19、开挖支护x方向位移等值线图方向位移等值线图图图19第四步开挖支护第四步开挖支护x方向位移等值线图方向位移等值线图图图20第五步开挖支护第五步开挖支护x方向位移等值线图方向位移等值线图 图图21第五步完成后第五步完成后CD段段x方向位移典型剖面图方向位移典型剖面图地下建筑结构图中左侧表示x方向的位移。下面的数值为位移大小的变化范围,从上到下由负值到正值,负值代表向基坑内侧移动,正值代表背离基坑开挖面。对应于右侧图中同颜色区域的位移值。从图示中可以看出:(l)总体趋势:基坑边坡同一支护方式同一深度处的水平位移随开挖的进行而逐步增加,但坡顶的水平位移主要在第三步开挖时明显发生,第五步开挖开挖后由于基

20、坑的约束解除,而没有进行支护,基坑边坡也发生较明显位移。但因该步开挖深度较小,随着土体的平衡,位移不会明显继续发展。(2)位移影响区:随着开挖深度的增加,开挖面上的水平位移逐渐增大,开挖面下部一定范围内的土体也产生水平位移,并且随着开挖的进行,影响区域越来越大。地下建筑结构(3)BC段坡顶位移:前四次开挖完成后,位移等值线图上水平位移均为正值,直到第五步开挖完成后,坡顶土体挤压基本被还原,土体水平位移约为0;与CD段相比较,坑顶总体位移趋势是相同的,最终位移较小反映了边坡土体稳定性安全系数大于CD段。(4)CD段最大位移:在第一步开挖完成后,最大水平位移发生在基坑顶面;随着深度的增加,水平位移

21、最大值转移到边坡底附近,整体有向基坑方向倾斜的趋势;随着开挖进行,位移最大值不断向下发展,水平位移上小下大,开挖面向着基坑滑动的趋势。(5)BC段最大位移:第一步开挖完成后,最大水平位移也发生在基坑顶面;随着深度增加,位移最大值向着边坡底部附近发展,第四步开挖至第五步开挖,整个边坡处于稳定状态,位移值很小,仅在坡底有1刃n幻n左右的位移值。(6)由于预应力锚杆支护的作用,坡顶的水平位移得到了一定的约束,使得土体最大水平位移没有出现在坡顶,而且土体的变形也得到了有效的控制,确保周边建筑物安全。地下建筑结构 综上所述综上所述, ,在深基坑开挖过程中,基坑周边土体水平位移基坑周边土体水平位移呈现出上

22、小下大的分布规律呈现出上小下大的分布规律, ,有整体滑动的趋势有整体滑动的趋势, ,即基坑边坡即基坑边坡破坏形式为沿某一滑裂面滑动破坏破坏形式为沿某一滑裂面滑动破坏, ,在预应力锚杆支护设计中,应按照滑面破坏计算方法控制好自由段与锚固段的长度,锚杆的锚固段一定要位于滑裂面之后的稳定岩土体,锚杆长度可按从上而下由长到短的布设原则。地下建筑结构5.45.4分步开挖垂直位移分析分步开挖垂直位移分析 基坑水平位移控制和垂直位移控制一起构成基坑位移控制的两个方面。基坑开挖后,边坡及周边土体的不均匀沉降均会影响基坑施工安全和周边建筑物的稳定。基坑边坡施工稳定性主要表现在水平位移上,而周边建筑物安全则要求通

23、过控制基坑周边土体的不均匀沉降来保证。 基坑在分步开挖支护后,进行平衡计算同样可以得到垂垂直位移等值线分布图直位移等值线分布图,列出每步开挖后z方向的垂直位移等值线分布图,见图22到27。地下建筑结构图图22第一步开挖支护第一步开挖支护z方向位移等值线图方向位移等值线图 图图23第二步开挖支护第二步开挖支护z方向位移等值线图方向位移等值线图图图24第三步开挖支护第三步开挖支护z方向位移等值线图方向位移等值线图 图图25第四步开挖支护第四步开挖支护z方向位移等值线图方向位移等值线图地下建筑结构图图26第五步开挖支护第五步开挖支护z方向位移等值线图方向位移等值线图 图图27开挖支护后开挖支护后CD

24、段段z方向位移典型剖面图方向位移典型剖面图地下建筑结构 图中左侧表示z方向的位移。下面的数值为位移大小的变化范围,从上到下由负值到正值,负值代表向土体沉降,正值代表土体隆起。对应于右侧图中同颜色区域的位移值。从图中可以看出从图中可以看出: :(l)基坑开挖打破了原始土体的应力平衡状态,致使土体中应力重新分布,形成二次应力场。基坑周边土体发生沉降,而基坑底部的土体发生隆起。每开挖一步时,坑壁土体由于应力松弛在土体自重及地面荷载作用下产生沉降;基坑底土体由于上层土体重力释放及基坑壁土体的挤压,则产生隆起。随着开挖的进行,坑壁沉降量和坑底隆起均逐渐趋于稳定。地下建筑结构(2)第一步开挖时,基坑边坡顶

25、部土体的沉降量只出现在基坑顶面局部荷载处,随着开挖深度的增大,沉降区域逐渐延伸到靠近基坑边缘处,在第五步开挖表现比较明显。开挖完成后地面局部荷载处最大沉降量为2.5mm。对周边建筑将产生约5刃n们n的沉降差,不会影响已有建筑物的稳定和正常使用功能。(3)基坑开挖过程中,坑底一直表现为隆起状态,且隆起量随开挖进行不断增大,在第五步开挖完成后,达到最大隆起量7rn幻。基坑底部靠近开挖面处的土体隆起量较大,在CD段基坑周边土体下降挤压下容易发生屈服。(4)基坑开挖过程中,基坑周边土体发生沉降不大,主要沉降和差异沉降在基坑顶面荷载处;在基坑底部主要为隆起,基坑坑底隆起控制也是基坑工程中的重要内容。从本

26、质上讲,基坑坑底隆起主要是由基坑周边土体沉降对坑内土体的挤压作用导致的,少量隆起是基坑开挖使坑内土体应力释放而产生的回弹,因此只要支护结构严格控制基坑周边沉降量,基坑底及时进行垫层等施工,基坑坑底隆起就可以控制在一定的范围内。地下建筑结构5.55.5模拟结果分析模拟结果分析1 1、模型选取的合理性、模型选取的合理性 为全面研究基坑坑底下层土体位移的变化情况以及坡后土体位移的变化规律,将模型进行三维延伸,模拟结果验证了边界选择的合理性,受力及位移影响范围均在选定模型范围内。另外,在开挖过程中,基坑开挖深度以下的土体存在水平方向位移和垂直沉降,但在接近于模型下边界处位移变化为零;坡后土体在2H处水

27、平位移和垂直位移也降至为零。因此可以说明选择的计算范围是科学的,模型的计算结果也是符合实际的。2 2、基坑支护的稳定性、基坑支护的稳定性 最大水平位移产。值和最大水平位移与开挖深度H的比值(产H/H)喻是决定深基坑支护工程是否稳定的两个主要影响参数,当(产H/H)%O小于3.6%o范围内就是正常的。本工程数值模拟结果中,坡顶最大水平位移为5mm.经计算本文分析得到的结果在这个范围之内。地下建筑结构 3、基坑顶面周边建筑所产生的永久荷载边界条件大小对整个基坑的稳定和变形都有很大影响。同时,基坑支护方案的可靠性与否又直接影响周边建筑物的安全和正常使用功能要求。故在基坑开挖支护工程的数值模拟技术中,需准确定量基坑顶面的受力边界条件。本工程因均选用小型施工机械,故数值模拟忽略了基坑顶面施工荷载和不稳定因素(降雨等)的影响,故对不平衡力和位移模拟算结果偏小。从模拟结果来看,基坑模拟得出的位移很小,完全可以满足稳定和变形要求。 4、BC段支护可以进行优化设计,节约工程成本。对不平衡力和位移的模拟计算结果分析,位移变形值在BC段支护后非常小,即使在考虑基坑顶面施工及降雨等因素的情况下,也仍无明显位移,从经济角度看,可以对基坑支护方案进行优化,使得基坑支护工程在安全、可行的同时,尽量减少工程成本,节约工程材料。地下建筑结构