基坑围护结构..

1、1909地下建筑结构第12章基坑围护结构杨志江yyteach中国矿业大学力建学院岩土工程研究所本章内容n概述基坑工程的设计内容自动化监测技术在深基坑工程的应用Q基坑围护结构内力计算基坑稳定性验算0变形计算12.1概述80年代末，成为城市建设 的新趋势之一。在建筑物稠密 的城市中心，深基坑的开挖成 为岩土工程的一个重要课题。基坑围护体系，是一个土体、 支护结构相互共同作用的有机 体，由于周围建筑物及地下管 道等因素的制约，对支护结构 的安全性有了更高的要求。不仅要能保证基坑的稳定性及坑内作业的安全、方便，而且要使坑底和 坑外的土体位移控制在一定范围内，确保邻近建筑物及市政设施正常使用。12.L1

2、基坑围护结构的分类桩（墙）式围护体系重力式围护体系12.L1基坑围护结构的分类12.L1基坑围护结构的分类桩（墙）式围护体系巳桩（墙）式围护体系支撑或锚杆结构围护墙结构防水帷幕根据围护墙材料根据支撑方式内支撑体系柱列式钻孔灌注桩钢筋混凝土地下连续墙土层锚杆体系12.1.1基坑围护结构的分类地下连续墙上海地铁新客站车站的长度为202米，净宽22.6米，基坑开挖深度12. 4米， 地下墙深为20. 5米，壁厚65厘米，支撑采用直径580毫米钢支撐两道，分别设在- 3. 60米和-910米处，支撑水平间距3米。基坑施工时在墙外辅以轻型井点降水， 车站结构分两层，上层为站厅，下层为站台，底板下设倒滤层

3、，以减少底板反力。 在基坑施工过程中，进行了原位量测，量测的内容有地下墙的侧压力、地下墙的 变位、地下墙的内力、支撑轴力、基坑隆起、墙外地层变位及孔隙水压、底板反 力及钢筋应力等。延安东路隧道暗埋段106号地下墙基坑工程，平面呈Y型，地处闹市区，邻近 建筑物离基坑最近的仅6. 4米。基坑跨度20米，基坑开挖深度最深12米，地下墙 深度2022米，墙厚65厘米。基坑开挖时，采用4道支撑，分别设在T.0米、- 3.5米、-6.0米、-8.5米处。基坑开挖中，对墙体位移、支撑轴力和地表沉降监 测，结果表明，第一道支撑轴力最小，第二道支撑轴力为640千牛，第三、四道 支撑轴力为750千牛，墙体水平变位

4、最大值为5厘米，约为开挖深度的0. 5%,地表 沉降最大值为12厘米，约为开挖深度的0.1-0. 2%左右，安全系数高。钻孔灌注桩钻孔灌注桩作为围护结构承受水土压力，是深基坑开挖常用的一种围护形式，根据不同的地质条件和开挖深度可做成悬臂式挡墙、 单撑式挡墙、多层支撑式挡墙等。它的排列形式有一字形相接排列、间隔排列、交错相接排列、搭接排列、或是混合排列，常见的排列 方式是一字板间隔排列，并在桩后采用水泥土搅拌桩、旋喷桩、树 根桩等阻水。这样的结构形式较为经济，阻水效果较好。大部分开挖深度 在712米左右的深基坑，采用钻孔灌注桩挡土，水泥土搅拌桩阻 水，普遍获得成功。重力式围护体系重力式围护体系一

5、般是指不用支撑及锚杆的自立 式墙体结构，厚度相对较大，主要借助其自重、墙底 与地基之间的摩擦力以及墙体在开挖面以下收到的土 体被动抗力来平衡墙后的水压力和维持边坡稳定。在 基坑工程中，重力式围护体系的墙体在开挖面以下往 往需要有一定的埋入深度。12.1.1基坑围护结构的分类重力式搅拌桩挡墙在软粘土地基中开挖深度为57米左右的基坑，应用深层搅拌法形成的水泥 土桩挡墙，可以较充分利用水泥土的强度，并可利用水泥土防渗性能，同时作为 防渗帷幕。因此，具有较好的经济效益和社会效益。水泥土重力式挡墙一般做成 格栅形式，按重力式挡墙计算。广泛用于开挖深度7米以内的深基坑围护结构、 管道沟支护结构、河道支护结

6、构、地下人行道等。8090年代，水泥土搅拌桩支挡结构得到了广泛应用和进一步发展，已有数百 项工程采用这一技术。由于施工时无振动、无噪音、无污染、开挖基坑一般不需要 井点降水，也不需要支撑和拉锚，基坑内整洁干燥，有利文明施工。基坑周围地基 变形小，对周围环境影响小，因此受到普遍欢迎。12.1.1基坑围护结构的分类重力式搅拌桩挡墙1981年，宝钢纬三路P-5污水处理站是上海地区利用深层搅拌法作为 挡土结构的先导。1983年，上海市人防科研所、同济大学地下工程系等单 位在市科委的支持下，提出了 “水泥土搅拌桩侧向支护应用技术研究“的 课题，结合四平路地下车库深基坑开挖进行试验研究。该基坑的实际开挖面

7、积为86米X49米，开挖深度5. 75米，局部深度 6. 75米。经过对水泥搅拌桩的物理力学特性、影响水泥土抗压强度的各种 因素（水泥掺入比、水泥标号、龄期及养护条件等）,对水泥土的无侧限 抗压强度、抗剪强度、渗透系数等进行了试验研究，获得了许多第一手资 料，经过实际开挖，顺利完成了研究任务。得出结论为：在场地容许下，开挖深度不大于7.0米的基坑，在满足 支护体和机械操作所需要的场地面积条件下，不论何种土质条件，只要 精心设计（包括支护结构设计和材料配合比设计）,严格施工，确保施 工质量，采用水泥土搅拌桩进行边坡支护都是可以取得成功的。12.1.2基坑围护结构设计的特点外力的不确定性作用在支护

8、结构上的外力往往随着环境条件、施工方法和施工步骤等 因素的变化而变化变形的不确定性变形控制是支护结构设计的关键厂围护墙体的刚度支撑（或锚杆）体系的布置产生变形的原因构件的截面特性 地基土的性质 地下水的变化潜蚀和管涌 施工质量J现场管理水平土性的不确定性地层分布的非均质性和土性的变异性。一些偶然变化所引起的不确定因素施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地 下管线的发现以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素都会影 响基坑工程的正常施工和使用。122基坑工程的设计内容建筑基坑围护结构的设计一般包括以下内容环境调查及基坑安全等级的确定围护结构选型围护结构设计计算围护结构

9、稳定性验算井点降水节点设计土方开挖方案监测要求1221环境调查及基坑安全等级的确定安全等级破坏结果很严重二严重三i不严重基坑围护 结构设计 所需要的 基本资料基坑工程围护设计中，首先应根据基坑的深度、 地质条件以及周边环境条件确定基坑的安全等级工程水文地质资料场地环境条件资料所建工程的地下室结构、基础桩基图纸与施工条件有关的资料（如实验资料）1222围护结构的选择和布置围护墙体和支撑结构所用材料的型式及布置方式主体工程特点场地条件环境保护要求岩土工程勘察资料土方开挖方法地区工程经验）应根据1222围护结构的选择和布置围护墙体和支撑结构布置遵循的原则基坑围护结构的构件（包括围护墙、隔 水帷幕和锚

10、杆）在一般情况下不应超出 工程用地范围，否则应事先征得政府主 管部门或相邻地块业主的同意基坑围护结构构件不能影响主体工程结 构构件的正常施工有条件时基坑平面形状尽可能采用受力 性能较好的圆形、正多边形和矩形1223围护结构设计计算通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形，据以验算截 面承载力和基坑位移。计算模型的假设条件必须符合支护结构的具体情况，所采用 的有关参数应根据工程的具体条件和地区的工作经验确定。由于支护结构受力的内力计算和变形计算随着施工的进展而 不断变化，因此设计计算必须按不同施工阶段的特征分别进 行验算，同时应考虑前一种工况对后面各种工况内力和变形 的影响。12.2.4围护结构

11、稳定性验算("基坑边坡总体稳定性验算(2) 围护墙体抗倾覆稳定验算(3) 围护墙底面抗滑移验算(4) 基坑围护墙前抗隆起稳定验算(5) 抗竖向渗流验算基坑周围地面沉降及其影响范围的估计1225节点设计在基坑工程中，经常发生由于支护结构局部节点构造不合 理或由于施工不注意而导致基坑过大变形，甚至危及整体安全， 因此，必须充分重视节点设计这一环节。合理的节点构造应符合的条件方便施工节点构造与设计计算模型中 的假设条件一致节点构造应起到防止构件局 部失稳的作用尽可能减少节点自身的变形量1226其他土工问题井点降水土方开挖监测12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用随着我国现代化建设的飞速发

12、展，城市地下空间的开 发利用越来越多，基坑设计和施工水平也得到了较大的提 高。鉴于深基坑工程的复杂性和不确定性，迄今为止深基坑 工程还没有成熟的理论基础和合理的计算模式，复杂的地 质条件又给选择支护结构方案和合理设计参数的选择带来 一定的困难。在目前深基坑工程中，施工方案的不合理性和施工经验的不足，是导致深基坑工程失效的重要原因。岩土工程 量测已成为深基坑施工中必不可少的手段。在深基坑工程 施工中，对基坑周边进行监测是控制施工进度预防事故发生 的一个有效手段。随着岩土工程信息化施工的进一步应用, 监测方法将越来越广泛地得到重视。就目前我们所采用的 监测仪器和手段来看，如果和国际上目前较流行的方

13、法比较, 还存在自动化程度不高的缺点。1=手工操作，自动化程度不高人为因素干扰大，监测数据的可靠性难保证传人量的主现受天气气候的影响，如遇大风暴雨等恶劣环 境，监测可能受到影响，有时甚至无法进行无法实现实时监测、实时预报，当前所监 测的数据，需要拿回处理之后，才能知道 结果无法实现1天24小时连续观测基坑监测的目的(1) 为施工提供及时的反馈信息基坑开挖施工是分层分段进行的，通过将施工监测结果与预估值作比 较，可验证原开挖施工方案的正确性，或根据分析结果调整施工参数, 必要时采取附加施工措施，以达到信息化施工的目的。(2) 作为设计与施工的重要补充手段基坑工程设计与施工方案是设计人员对实体进行

14、物理抽象，采取数学 分析方法进行定量预测计算，加之以长期工程实践经验而确定的，在 很大程度上反映了基坑的实际情况。但由于各个场地的地质条件不同, 施工工艺和周边环境存在差异，具体项目之间千差万别，设计计算未 曾计入各种复杂因素，因此必须依据监测结果进行局部修改或完善。基坑监测的目的(3) 作为施工开挖方案修改的依据根据监测结果来判断原施工方案是否安全和适当，必要时对其进行调 整，如减少日出土量、改变开挖顺序或采取加固排险措施等，可以说 监测数据是基坑提髙施工安全度的至关重要的定量化依据。(4) 积累经验以提高基坑工程设计和施工水平就目前的技术水平而言，基坑工程的设计和施工，对通常采用的力学 分

15、析、数值计算和室内试验，总是在不同程度上对客观事物进行了简 化或近似处理，而现场监测技术则客观真实地反映了工程结构和环境 相互关系。通过对监测数据的分析，可以为今后积累相关经验。基坑监测的目的(5) 监测数据也是解决法律纠纷的有力证据在建筑物和地下管网密布的城市内进行基坑施工，不可避免地对周边 环境造成影响，由此引起的法律纠纷屡见不鲜，一份完整的监测报告 能为客观公正解决这些问题提供依据12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用基坑监测的基本内容针对基坑侧壁的安全等级，不同规范对基坑监测项目有不同的规定。 一般监测内容由设计单位根据具体情况选定。基坑监测的基本要求监测工作必须有计划地进行；监测数

16、据必须真实可靠和及时; 埋设在结构中的监测元件应尽量减少对结构正常受力的影响， 埋设水土压力检测元件、测斜管和分层沉降管时应注意回填土与岩 石介质匹配；采取多种方法，实行多项内容的监测方案；预先 设定报警制度，报警值包括变形和内力深基坑安全监测技术及其应 用12.4基坑围护结构的内力计算12.4.1围护结构的计算模型及计算原则基坑工程的计算模型包括:结构模型、水土压力模型、稳 定性分析模型等。对于围护结构的计算一般采用考虑桩（墙）土共同作用的 弹性地基上的杆系或框架模型，根据施工过程中发生的实 际工况分步进行计算，同时考虑施工工况引起结构的先期 位移值以及支撑变形的影响或采用荷载增量法进行计算

17、， 即所谓的“先变形、后支撑”的原则。计算工况包括开挖阶段到内部结构回筑阶段各工况的内力 组合，最终的位移及内力值是各阶段的累计值。12.4.2桩（墙）内力的计算分析方法（一）弹性地基杆系有限单元法弹性地基杆系有限单元法是当前基坑工程设计的最常用方法：1. 结构理想化2. 结构离散化3. 挡土结构的节点应满足变形协调条件4. 单元所受荷载和单元节点位移之间的关系5. 根据静力平衡条件，作用在结构节点的外荷载必须与单元内荷载 相平衡。12.4.2 » （墙）内力的计算分析方法（二）挡土结构的有限元分析以往采用的古典法以及山肩邦男法、弹性法等计算方法不能有效地计入基坑开挖时挡土结构及支撑

18、轴力的变化过程O有限单元法作为一种计算方法具有灵活、多样、限制少、易于 模拟等优点而在挡土结构分析中广为采用。在使用有限元对挡土结构分析时，可有效地计入基坑开挖过程 中的多种因素，例如作用在挡土结构上被动侧和主动侧的水土 压力的变化，支撑随开挖深度的增加其架设数量的变化、支撑 架设前的挡土结构位移以及架设后支撑轴力也会随后次开挖过 程而逐渐得到调整，支撑预加轴力对挡土结构内力变化的影响, 以及空间作用下挡土结构的空间效应问题等。12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算基坑 失稳 的表现 形式整体失稳破坏承载力不足导致的破坏基底滑移破坏基底潜蚀、管涌12.4.1边坡稳定渗流12.4.2基坑隆

19、起稳定KX支撑结构破坏12.4.3整体稳定性验算|被动土压力丧失 12.4.4坑底抗渗流稳定性验釁12.4.5承压水的影响1262抗倾覆、滑移12.5基坑稳定性验算边坡稳定由于设计不合理坡度太陡，或雨水、12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算边坡渗水导致土体抗剪强度降低，引起基坑边土体整体滑坡。重力式挡土墙基坑的失稳模式j丿1、由于墙体的入土深度不足，或由于墙底存在软弱土层,土体抗剪强度不够等原因，导致墙体随附近土体整体滑移破坏。12.5基坑稳定性验算重力式挡土墙基坑的失稳模式j丿2、由于基坑外挤土施工如坑外施工挤土桩或者坑外超载 作用如基坑边堆载、重型施工机械行走等引起墙后土体压 力增

20、加，导致墙体向坑内倾覆。12.5基坑稳定性验算重力式挡土墙基坑的失稳模式j丿3、当坑内土体强度较低或坑外超载时，导致墙底变形过 大或整体刚性移动。内撑式挡土墙基坑的失稳模式j丿1、因为坑底土体压缩模量低，坑外超载等原因，致使围 护墙踢脚产生很大的变形。12.5基坑稳定性验算内撑式挡土墙基坑的失稳模式j丿2、在含水地层（特别是有砂层、粉砂层或者其他透水性较好的地层），由于围护结构的止水设施失效，致使大量 的水夹带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会造成支护还可 能先在墙后形成空穴而后突然发生地面塌陷。渥应空宣培坏向堆芮増陪一網坯唸12.5基坑稳定性验算内撑式挡土墙基坑的失稳模式j丿3、由于基坑底部土体

21、的抗剪强度较低，致使坑底土体随 围护墙踢脚向坑内移动，产生隆起破坏。7/AJ内撑式挡土墙基坑的失稳模式j丿4、在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不 合理或超挖，承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层, 发生坑底突涌破坏。内撑式挡土墙基坑的失稳模式j丿5、在砂层或者粉砂地层中开挖基坑时，降水设计不合理 或井点降水失效后导致水位上升，产生管涌，严重时会导 致基坑失稳。12.5基坑稳定性验算内撑式挡土墙基坑的失稳模式j丿6、在超大基坑，特别是长条形基坑（如地铁站、明挖法施工隧道等）内分区放坡挖土，由于放坡较陡，降雨或其 他原因导致滑坡，冲毁基坑内先期施工的支撑及立柱，导 致基坑破坏。拉锚基坑

22、的失稳模式1、由于围护墙插入深度不够，或基坑底部超挖，导致基坑踢脚破坏。12.5基坑稳定性验算拉锚基坑的失稳模式2、由于设计锚杆太短，锚杆和围护墙均在滑裂面以内,与土体一起呈整体滑移，致使基坑整体滑移破坏。=112.5基坑稳定性验算12.5.1边坡稳定安全系数定义啧12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算砂性土K =01.15tana考虑水力影响1 tan1十人tanayjbhQsina12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算粘性土条分法12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算212.5基坑稳定性验算12.5.2基坑隆起稳定基本假设:1、滑动中心位于最下道支撑和墙的交点;2、滑动面

23、为过墙底的圆弧;3、水平土压力计算:7T (P、42jE212.5基坑稳定性验算3712.5基坑稳定性验算【12.5.2基坑隆起稳定滑动力矩：OAMG： Msi =3»'2（了尽+ g）OBCA：dMS2 = D,2 cos2 aydh =cos2 ayd（D'sin tz） =D'3 cos3f2sin3 a、SJ：cosSDf32/ sin«-3712.5基坑稳定性验算/212.5基坑稳定性验算12.5.2基坑隆起稳定BCE与BEF重力矩平衡抵消o抗滑力矩:AM：EMr=D垃Ka tan(p+c/ 丿 ACE: dMK2 = Dfrds = Df

24、2vd0= £)"(/+yD sin 0)KJan 0 + c d971Mr? = JJD,2 &、+ yDsin 0)Ka tan(p + cdO二 nJ71tan 0 + c/212.5基坑稳定性验算【12.5.2基坑隆起稳定/ (Dr sinsin «) Kx tan(p + c (19BCE与BEF重力矩平衡抵消o 抗滑力矩：EF: JMr3 = Dfrds = Df2rd9= Dr212.5基坑稳定性验算M R3 D,2 y(Dsin&-DsiDf yDrcos a sin ana/ 、71 -a< 212.5基坑稳定性验算12.5

25、.2基坑隆起稳定滑动力矩：MS=MS+MS2抗滑力矩:Mr = M R + M R2 + M R3建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)1.6建筑基坑工程技术规范(YB925897)地基承载力模式取1.4圆弧滑动模式取1.3上海市基坑工程设计规程(DBJ08-61-97)根据基坑等级一、二、三级分别取2.5、2.0. 1.7上海市地基基础设计规范(DGJ08-11-1999)212.5基坑稳定性验算12.5.2基坑隆起稳定:地基承载力假设Terzaghi-Peck 法（粘性土） ptl = yh+qs“?R = 5JSh 饱和软土中：Su = cK = >1.1 1.2512.

26、5基坑稳定性验算212.5基坑稳定性验算12.5.2基坑隆起稳定:地基承载力假设同济大学法（考虑C、（P）0=y°（H + D）+ q R = ybDNd+cNc汕叫+cN°7a（H + D）+ qni.i 1.252Pitan©墙底按光滑处理N（ = exp（/rKp tan 叭墙底按粗糙处理 （3 兀 cp、（n cpexptancos + U 2丿212.5基坑稳定性验算1253抗倾覆匂=杠厂2c尻 =qK ep产泪Kp。冲七凭 "亠二亠My 凭rtan 0 k/«W / z/-/77Z /*H扣竝+孰 +加(w+M)K = -乙 &am

27、p;> 1.212.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算丄77Z /25.4抗滑移丨匂=杠厂2c尻=处ep产泪心。冲七凭r 2c c -Knh =-yg Y tan cp Ka12.5基坑稳定性验算L s J JIL叫|r|1 11 11r12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算WUm+Bq+Epi+E>1.212.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算12.5.5基坑底抗渗流稳定<“hh + 2t_yfh + 2tZw h12.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算基坑抗渗流及抗承压水稳定性指标表55建筑地基基础设计规范(GB50007-2002

28、)1. 1建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)1. 1-1. 2上海市基坑工程设计规程(DBJ08-61-97)抗渗流取1.53.0 ,抗承压水収1.05上海市地基基础设计规范(DGJ08-11-1999)抗渗流取2.0 ,抗承压水取1.0312.5基坑稳定性验算12.5基坑稳定性验算12.5.5基坑底抗渗流稳定<“承压水头稳定性Pcz：坑底至含水层顶板土自重pwy:含水层水头压力z/ z/zzX Z Z ZIl 粘上建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)1.1建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)1. 1-1. 2上海市基坑工程设计规程(DBJ08-61-97)抗渗

29、流取1.53.0 ,抗承压水IR 1.05匕海市地基基础设计规范(DGJ08-11-1999)抗渗流取2. 0 ,抗承压水取1. 05基坑抗渗流及抗承压水稳定性扌H标表5512.6基坑变形计算12.6.1围护墙体变形围护墙体变形形态I竦盼进入硬±层 产生齟位穆水平位移(b)世継型位移12.6.1围护墙体变形最大变形点的位置开挖深JSH (m)H(m)(a) 一般深度基坑(b) 20m以上超深基坑12.6基坑变形计算12.6.2坑底隆起变形<“在开挖深度不大时，坑底为弹性隆起，其特征为坑底中 部隆起最高，当开挖达到一定深度且基坑较宽时，出现塑性 隆起，隆起量也逐渐由中部最大转变为

30、两边大中间小的形式, 但对于较窄的基坑或长条形基坑，仍是中间大，两边小分布。12.6基坑变形计算12.6基坑变形计算12.6基坑变形计算012.6基坑变形计算12.6.2坑底隆起变形I100隆起沿深度分布W上海地铁2号线 杨高南路车站 基坑实测。3-FJ012.6基坑变形计算12.6.3地表沉降三角形地表沉降：主要发生在悬臂开挖或围护结构变形较大 的情况下：凹槽形地表沉降：主要发生在有较大的入土深度或墙底入土 在刚性较大的地层内，墙体的变位类同于梁的变位，此时地 表沉降的最大值不是在墙旁，而是位于离墙一定距离的位置。(b)三角W12.6.3地表沉降凹槽形地表沉降：最大沉降值的发生 位置根据统计的情况一般介于 0