地下结构工程：第3章 深基坑工程概述

1、第3章 深基坑工程概述支护结构上的作用支护结构方案及选择基坑支护结构设计原则概述Underground Structure Engineering Chapter 3基坑工程地下水的作用与处理基坑支护结构的设计原则：（1）安全可靠；（确保基坑施工及周围环境的安全）（2）经济合理；（符合造价、工期及环保等方面的经济技术要求）（3）便利施工。（具有施工的可能性和方便性）3.1 深基坑工程概述 概述：大量的深基坑工程伴随着城市高层建筑的发展大量出现。国外，圆形基坑的深度已达74m(日本)，直径最大的达98m(日本)，而非圆形基坑的深度已达到地下层（法国）。国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为1

2、70m150m，基坑开挖深度达19.5m。上海的汇京广场，围护结构与相邻建筑最近的距离仅40cm。而无支撑基坑的开挖深度也已达到了9m。 Underground Structure Engineering Chapter 3目前深基坑支护存在的主要问题支护结构设计中土体的物理力学参数选择不当基坑土体的取样代表的局限性基坑开挖存在的空间效应考虑不周支护结构设计计算与实际受力不符Underground Structure Engineering Chapter 33.2基坑支护结构设计原则3.2.1支护结构的极限状态根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定进行计算和验

3、算： 1）基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容应包括：2）对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。 3）地下水控制计算和验算：抗渗透稳定性验算；基坑底突涌稳定性验算；根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算； 2008年苏州某基坑事故承载力变形上海某基坑坑底内发生承压水突涌水湖南浯溪水电站二期基坑出现管涌 水挖断市政给水管网承压水管涌承压水管涌处理建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012对基坑侧壁的安全等级：基坑侧壁安全等级及重要性系数安全等级破坏后果一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工

4、影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重0.90Underground Structure Engineering Chapter 3建筑地基基础工程施工质量验收规范GB50202-2002对基坑分级和变形监控值的规定： 以便于支护结构的施工控制该规范将基坑分为三个等级，并规定了三个等级的基坑变形监控值。控制项目： 围护结构墙顶位移监控值；（3、6、8cm）围护结构墙体最大位移监控值；（5、8、10cm）地面最大沉降监控值。 （3、6、10cm）3.2.2 基坑支

5、护结构设计的勘察要求在主体建筑地基的初步勘察阶段和详细勘察阶段，应根据岩土工程条件，进行勘察和室内试验，提出基坑支护的建议方案。Underground Structure Engineering Chapter 33.2.3土的抗剪强度指标规定各类稳定性验算时，土的抗剪强度指标类别应符合下列规定：1)对地下水位以上的各类土，土压力计算、土的滑动稳定性验算时，对黏性土、黏质粉土，土的抗剪强度指标应采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、cu或直剪固结快剪强度指标ccq、cq；对砂质粉土、砂土、碎石土，土的抗剪强度指标应采用有效应力强度指标c、。2)对地下水位以下的粘黏性土、粘黏质粉土，可采用土压力

6、、水压力合算方法，土压力计算、土的滑动稳定性验算可采用总应力法；此时，对正常固结和超固结土，土的抗剪强度指标应采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、cu或直剪固结快剪强度指标ccq、cq，对欠固结土，宜采用有效自重压力下预固结的三轴不固结不排水抗剪强度指标cuu、uu；3）对地下水位以下的砂质粉土、砂土和碎石土，应采用土压力、水压力分算方法。土压力计算、土的滑动稳定性验算应采用有效应力法；此时，土的抗剪强度指标应采用有效应力强度指标c、，对砂质粉土，缺少有效应力强度指标时，也可采用三轴固结不排水抗剪强度指标ccu、cu或直剪固结快剪强度指标ccq、cq代替，；对砂土和碎石土，有效应力强度指标可

7、根据标准贯入试验实测击数和水下休止角等物理力学指标取值；3.3支护方案及选择3.3.1支护形式及使用条件两个功能：一是挡土；二是止水。基坑支护分两类：支护型将支护墙（排桩）作为主要受力构件；支护型基坑支护包括板桩墙、排桩、地下连续墙等。在基坑较浅时可不设支撑，成悬臂式结构；当基坑较深或对周围地面变形严格限制时，应设水平或斜向支撑，或锚锭系统；形成空间力系是发展方向。Underground Structure Engineering Chapter 3加固型充分利用加固土体的强度。加固型包括水泥搅拌桩、高压旋喷桩、注浆和树根桩等。 不用或少用钢材. 4600/280Underground Str

8、ucture Engineering Chapter 3结构类型适用条件安全等级基坑深度、环境条件、土类和地下水条件支挡式结构锚拉式结构一级二级三级适用于较深的基坑1 排桩适用于可采用降水或截水帷幕的基坑2 地下连续墙宜同时用作主体地下结构外墙，可同时用于截水3 锚杆不宜用在软土层和高水位的碎石土、砂土层中4 当邻近基坑有建筑物地下室、地下构筑物等，锚杆的有效锚固长度不足时，不应采用锚杆5 当锚杆施工会造成基坑周边建（构）筑物的损害或违反城市地下空间规划等规定时，不应采用锚杆支撑式结构适用于较深的基坑悬臂式结构适用于较浅的基坑双排桩当锚拉式、支撑式和悬臂式结构不适用时，可考虑采用双排桩支护结构

9、与主体结构结合的逆作法适用于基坑周边环境条件很复杂的深基坑土钉墙单一土钉墙二级三级适用于地下水位以上或经降水的非软土基坑，且基坑深度不宜大于12m当基坑潜在滑动面内有建筑物、重要地下管线时，不宜采用土钉墙预应力锚杆复合土钉墙适用于地下水位以上或经降水的非软土基坑，且基坑深度不宜大于15m；水泥土桩垂直复合土钉墙用于非软土基坑时，基坑深度不宜大于12m；用于淤泥质土基坑时，基坑深度不宜大于6m；不宜用在高水位的碎石土、砂土、粉土层中微型桩垂直复合土钉墙适用于地下水位以上或经降水的基坑，用于非软土基坑时，基坑深度不宜大于12m；用于淤泥质土基坑时，基坑深度不宜大于6m重力式水泥土墙二级三级适用于淤

10、泥质土、淤泥基坑，且基坑深度不宜大于7m放坡三级1 施工场地应满足放坡条件2 可与上述支护结构形式结合支护结构类型及其适用范围 表3-1结 构 形 式适 用 范 围排桩结构稀疏排桩土质较好，地下水位低或降水效果好连续排桩土质差，地下水位高或降水效果差框架式排桩单排桩刚度不能满足变形要求组合排桩结构排桩加挡板排桩桩距较大，利用挡板传递土压并有一定防渗作用排桩加水泥搅拌桩以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力，具有较好防涌效果排桩加水泥防渗墙地下水位较高的软土地区排桩或组合排桩加锚杆结构开挖深度较大，排桩或组合排桩结构强度无法满足要求地下连续墙结构与地下室墙体合一，防渗性强，施工场地较小，开

11、挖深度大沉井结构软土地区重力式挡土墙结构具有一定施工空间，软土地区图31板桩 评价: 工期短 回收率低 钢结构造价高静力压桩移机过程 Underground Structure Engineering Chapter 3管桩防护基坑，基坑深7m，紧邻公路-开挖后防护管桩 连接钢筋焊接，防止侧移防护效果:虽然管桩有点侧移，没有影响施工由于土质为淤泥质粘土，井点降水后开挖，还是出现了局部 滑坡-井点被冲倒 图3-2 组合挡土壁缺乏阻水抗渗功能，在地下水较大的基坑应用，会造成桩间土大量流失，桩背土体被掏空，影响支护土体的稳定高压喷射桩钻孔灌注桩灌注桩与高压喷射桩组合支护挡土灌注桩与水泥土桩组合支护1

12、-挡土灌注桩；2-水泥土桩挡土灌注桩支护形式 ()间隔式；(b)双排式；(c)连续式1-挡土灌注桩；2-连续梁；3-前排桩；4-后排桩图3-3 单排与双排桩支护结构图3-4 接头管接头的施工程序a) 开挖槽段； b) 吊放接头管和钢筋笼； c) 浇筑砼；d) 拔出接头管； e) 形成接头(动画)国家大剧院基坑支护工程成槽施工 筋笼下放钢筋笼下放3.3.2 支撑体系支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及地面超载在围护墙上的侧压力。 支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成。 Underground Structure Engineering Chapter 3 内撑式围护结构 结构特征：由挡

13、土结构与支撑结构两部分组成； 支撑材料：挡土材料有钢筋混凝土桩、地下连续墙，支撑材料有钢筋混凝土梁、钢管、型钢等； 受力特征：水平支撑、斜支撑，单层支撑、多层支撑； 适用条件：各种土层和基坑深度。内撑式围护结构 拉锚式围护结构 结构特征：由挡土结构与锚固系统两部分组成； 支撑材料：可采用内撑式结构相同的材料外，还可以采用钢板桩等； 受力特征：由挡土结构与锚固系统共同承担土压力； 适用条件：砂土或粘性土地基。拉锚式围护结构肖村桥车站基坑支护照片特 点平面尺寸不大，且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑。它的开挖土方空间较大，但变形控制要求不能很高钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置；支撑受力明确，安全稳定

14、，有利于墙体的变形控制，但开挖土方较为困难多采用钢筋混凝土支撑；中部形成大空间，有利于开挖土方和主体结构施工多采用钢筋混凝土支撑；支撑体系受力条件好；开挖空间大，便于施工开挖面积大、深度小的基坑宜采用；在软弱土层中，不易控制基坑的稳定和变形便于土方开挖和主体结构施工，但仅适用于周边场地具有拉设锚杆的环境和地质条件Underground Structure Engineering Chapter 3钢管撑的应用-南京地铁中心 钢管对撑 区间基坑支护工程杭州地铁车站钢支撑及混凝土支撑杭州地铁车站基坑支护钢管撑的施工过程未开挖前钢支撑、立柱施工完毕未开挖前开挖后的鸟瞰图钢管撑-工期短 造价高 重复利

15、用围檩角上做成阶梯形，并预埋钢板每个支撑的两端均为一端固定，一端可伸缩，本图为安装前的可伸缩端安装完成的可伸缩端，中间打入钢楔进行加固安装完成的固定端两层钢管撑（造价高）首层钢砼，二层钢管撑比较合理圆环基坑 受力合理 作业空间大 ，施工要求高 需空间分析似乎过于保守的空间桁架撑 （爆破）上海某工地基础阶段的平面布置图，可以看见基础支撑已经开始施工，围护形式采用的是钻孔灌注桩，水泥搅拌桩止水钻孔灌注桩+支撑压顶梁基坑总深度为7.6M左右，设置一道围护支撑，围护支撑中心标高为2.55m，开挖深度3.20m。3.4 支护结构上的作用 3.4.1 土压力主动土压力和被动土压力的产生，前提条件是支护结构

16、存在位移；当支护结构没有位移时，则土对支护结构的压力为静止土压力。 土压力的分布与支点的设置及其数量都有关系；悬臂支护桩土压力的实测值与按朗肯公式计算值的对比，非挖土侧实测土压力小于朗肯主动土压力，即计算结果偏大。 Underground Structure Engineering Chapter 3图3-5 悬臂支护桩土压力分布Underground Structure Engineering Chapter 3 = H土压力EEpE0Ea- H15%15%o3.4.1.2规程规定的荷载和抗力计算方法图3-6 芝加哥深基坑土压力实测图 图3-7 柏林地道工程土压力实测图Underground

17、 Structure Engineering Chapter 3土的内聚力C、内摩擦角值可根据下列规定适当调整： 在井点降低地下水范围内，当地面有排水和防渗措施时，值可提高20%；在井点降水土体固结的条件下，可考虑土与支护结构间侧摩阻力影响，将土的内聚力c提高20%。Underground Structure Engineering Chapter 3分层土土压力计算分层计算3.4.2 水压力水压力，主要根据土质情况确定如何考虑水压力的问题 。对于粘性土，土壤的透水性较差，此粘性土产生的侧向压力可采用水土合算的方法，即侧压力为相应深度处竖向土压力与水压力之和乘以侧压力系数。对于砂性土，采用水土

18、分算，即侧压力为相应深度处竖向土压力乘以侧压力系数与该深度处水压力之和。Underground Structure Engineering Chapter 3水、土压力分算方法 对于透水性比较大的砂性土和粉土，分别计算作用在围护结构上的土压力（按朗肯土压力理论计算）和水压力（按静水压力计算），然后叠加作用在围护结构上。 对比砂土简化计算，将水压力与土压力分别计算，并把水看作是：主动压力=静止压力=被动压力= h 水、土压力合算方法 对于透水性比较差的粘性土地基，采用水、土压力合算的方法计算作用于围护结构上的侧向压力。3.5 基坑工程地下水的作用与处理3.5.1地下水的基本性质潜水和承压水储存于

19、地下水位以下的饱水带中，是基坑开挖时工程降水的主要对象。潜水则是指位于饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水，无压水。承压水是指充满于两个隔水层之间的含水层中的水，具有承压性。地下水在土中的流动称为渗流。两点间的水头差与渗透过程长度之比，称为水力坡度，并以I表示，I=（H1-H2）/L,则水力坡度I=1时的渗透速度称为渗透系数K，常用m/d，m/s等表示。Underground Structure Engineering Chapter 3动水压力: （kN/m3）动水压力F等于或大于土的有效重度时，土颗粒处于悬浮状态，土的抗剪强度等于零，土颗粒将随着渗流的水一起流动，即所谓“流砂”基坑在开

20、挖过程中受到周围土体、地表荷载和坑底承压水的浮托力等各种荷载的作用，往往产生一定的变形和位移，当位移和变形超过基坑支护的承受能力时，基坑就会产生破坏。基坑破坏形式特征边坡失稳基坑地面荷载超过设计允许值；产生流砂、管涌、滑坡坑底隆起基坑维护深度或刚度不足，承载力太小；由土体内应力重分布或是由承压水引起突涌坑内承压水水头大于上覆坑底土体自重；地下水涌入坑内，坑外地表大幅沉陷围护结构破坏设计支护结构或安全系数选取不当；结构施工质量差，且补救措施不当表3-7 常见的基坑破坏形式和特征3.5.2 地下水处理方法归结成两种：一种是降水；第二种是止水防水帷幕。降水的方法有集水井降水和井点降水两类 。井点降水法有轻型井点、喷射井点和电渗井点 、管井井点和深井泵等。集水井降水 图 井点降水的作用当土的渗透系数K5cm/d时，宜用轻型井点和喷射井点；当K520cm/d时,除上述方法外,还可选用管井井点；当K20深井泵、喷射井点深井泵各种井点的适用范围降水类型适用范围土的渗透系数(cm/s)可能降低的水位深度(m)一级轻型井点10-2l0-536多级轻型井点10-2l0-5612喷射井点