基坑围护结构

第12章基坑围护结构地下建筑结构杨志江yyteach@126.com中国矿业大学力建学院岩土工程研究所本章内容123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基坑围护结构内力计算基坑稳定性验算变形计算45612.1概述

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。

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。12.1.1基坑围护结构的分类桩（墙）式围护体系组成围护墙结构支撑或锚杆结构防水帷幕钢筋混凝土地下连续墙根据围护墙材料柱列式钻孔灌注桩桩（墙）式围护体系重力式围护体系桩（墙）式围护体系钢板桩钢筋混凝土板桩内支撑体系根据支撑方式土层锚杆体系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毫米钢支撑两道，分别设在-3.60米和-9.10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，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20～22米，墙厚65厘米。基坑开挖时，采用4道支撑，分别设在-1.0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，墙体水平变位最大值为5厘米，约为开挖深度的0.5%，地表沉降最大值为1～2厘米，约为开挖深度的0.1～0.2%左右，安全系数高。12.1.1基坑围护结构的分类

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7～12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。12.1.1基坑围护结构的分类重力式围护体系

重力式围护体系一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5～7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、河道支护结构、地下人行道等。80～90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积为86米×49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产生变形的原因

围护墙体的刚度支撑（或锚杆）体系的布置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现场管理水平12.1.2基坑围护护结构设设计的特特点土性的不不确定性性地层分布布的非均均质性和和土性的的变异性性。一些偶然然变化所所引起的的不确定定因素施工场地地内土压压力分布布的意外外变化、、事先没没有掌握握的地下下障碍物物或地下下管线的的发现以以及周围围环境的的改变等等等，这这些事前前未曾预预料的因因素都会会影响基基坑工程程的正常常施工和和使用。。12.2基坑工程程的设计计内容环境调查查及基坑坑安全等等级的确确定围护结构构选型围护结构构设计计计算围护结构构稳定性性验算节点设计计井点降水水土方开挖挖方案监测要求求建筑基坑坑围护结结构的设设计一般般包括以以下内容容12.2.1环境调查查及基坑坑安全等等级的确确定工程水文文地质资资料基坑工程程围护设设计中，，首先应应根据基基坑的深深度、地质条件件以及周周边环境境条件确确定基坑坑的安全全等级安全等级破坏结果一很严重二严重三不严重基坑围护护结构设计计所需要的的基本资料料场地环境境条件资资料所建工程程的地下下室结构构、基础础桩基图图纸与施工条条件有关关的资料料（如实实验资料料）12.2.2围护结构构的选择择和布置置工程规模模围护墙体体和支撑结构构所用材料料的型式及布置方式式主体工程程特点场地条件件环境保护护要求应根据岩土工程程勘察资资料土方开挖挖方法地区工程程经验12.2.2围护结构构的选择择和布置置基坑围护护结构的的构件（（包括围围护墙、、隔水帷帷幕和锚锚杆）在在一般情情况下不不应超出出工程用用地范围围，否则则应事先先征得政政府主管管部门或或相邻地地块业主主的同意意围护墙体体和支撑结构构的布置遵循循的原则基坑围护护结构构构件不能能影响主主体工程程结构构构件的正正常施工工有条件时时基坑平平面形状状尽可能能采用受受力性能能较好的的圆形、、正多边边形和矩矩形12.2.3围护结构构设计计计算通过设计计计算确确定围护护结构构构件的内内力和变变形，据据以验算算截面承载载力和基坑位移移。计算模模型的的假设条条件必须符符合支支护结结构的的具体情情况，所采采用的的有关关参数数应根根据工工程的的具体体条件件和地地区的的工作作经验验确定定。由于支支护结结构受受力的的内力力计算算和变变形计计算随随着施工的的进展展而不断断变化化，因因此设设计计计算必必须按按不同同施工阶阶段的特征征分别别进行行验算算，同同时应应考虑虑前一一种工工况对对后面面各种种工况况内力力和变变形的的影响响。12.2.4围护结结构稳稳定性性验算算(1)基坑边边坡总总体稳稳定性性验算算(2)围护墙墙体抗抗倾覆覆稳定定验算算(3)围护墙墙底面面抗滑滑移验验算(4)基坑围围护墙墙前抗抗隆起起稳定定验算算(5)抗竖向向渗流流验算算(6)基坑周周围地地面沉沉降及及其影影响范范围的的估计计12.2.5节点设设计在基坑坑工程程中，，经常常发生生由于于支护护结构构局部部节点点构造造不合合理或或由于于施工工不注注意而而导致致基坑坑过大大变形形，甚甚至危危及整整体安安全，，因此此，必必须充充分重重视节节点设设计这这一环环节。。方便施施工合理的的节点构造应符合合的条件件节点构构造与与设计计计算算模型型中的的假设设条件件一致致节点构构造应应起到到防止止构件件局部部失稳稳的作作用尽可能能减少少节点点自身身的变变形量量与整体体稳定定相关关的节节点应应设置置多道道防线线，同同时要要有良良好的的节点点延性性12.2.6其他土土工问问题井点降降水土方开开挖监测12.3自动化化监测测技术术在深深基坑坑工程程的应应用随着我我国现现代化化建设设的飞飞速发发展，，城市市地下下空间间的开开发利利用越越来越越多，，基坑坑设计计和施施工水水平也也得到到了较较大的的提高高。鉴鉴于深深基坑坑工程程的复杂性性和不确定定性,迄今为为止深深基坑坑工程程还没有成成熟的的理论论基础础和合合理的的计算算模式式，复杂杂的地地质条条件又又给选选择支支护结结构方方案和和合理理设计计参数数的选选择带带来一一定的的困难难。在目前前深基基坑工工程中中，施施工方方案的的不合合理性性和施施工经经验的的不足足，是是导致致深基基坑工工程失失效的的重要要原因因。岩岩土工工程量测已已成为为深基基坑施施工中中必不不可少少的手手段。在深深基坑坑工程程施工工中,对基坑坑周边边进行行监测测是控控制施施工进进度预预防事事故发发生的的一个个有效效手段段。随随着岩岩土工工程信信息化化施工工的进进一步步应用用,监测方方法将将越来来越广广泛地地得到到重视视。就就目前前我们们所采采用的的监测测仪器器和手手段来来看,如果和和国际际上目目前较较流行行的方方法比比较,还存在在自动动化程程度不不高的的缺点点。12.3自动化化监测测技术术在深深基坑坑工程程的应应用手工操操作,自动化化程度度不高高传统的的人工测测量方法法的缺点点主要体体现在人为因因素干干扰大大,监测数数据的的可靠靠性难难保证证受天气气气候候的影影响,如遇大大风暴暴雨等等恶劣劣环境境,监测可可能受受到影影响,有时甚甚至无无法进进行无法实实现1天24小时连连续观观测无法实实现实实时监监测、、实时时预报报,当前所所监测测的数数据,需要拿拿回处处理之之后,才能知知道结结果12.3自动化化监测测技术术在深深基坑坑工程程的应应用基坑监监测的的目的的基坑开开挖施施工是是分层层分段段进行行的，，通过过将施施工监监测结结果与与预估估值作作比较较，可可验证证原开开挖施施工方方案的的正确确性，，或根根据分分析结结果调调整施施工参参数，，必要要时采采取附附加施施工措措施，，以达达到信息化化施工工的目的的。(2)作为设计与与施工的重重要补充手手段(1)为施工提供供及时的反反馈信息基坑工程设设计与施工工方案是设设计人员对对实体进行行物理抽象象，采取数数学分析方方法进行定定量预测计计算，加之之以长期工工程实践经经验而确定定的，在很很大程度上上反映了基基坑的实际际情况。但但由于各个个场地的地地质条件不不同，施工工工艺和周周边环境存存在差异，，具体项目目之间千差差万别，设设计计算未未曾计入各各种复杂因因素，因此此必须依据据监测结果果进行局部部修改或完完善。12.3自动化监测测技术在深深基坑工程程的应用基坑监测的的目的根据监测结结果来判断断原施工方方案是否安安全和适当当，必要时时对其进行行调整，如如减少日出出土量、改改变开挖顺顺序或采取取加固排险险措施等，，可以说说监测数据据是基坑提提高施工安安全度的至至关重要的的定量化依依据。(4)积累经验以以提高基坑坑工程设计计和施工水水平(3)作为施工开开挖方案修修改的依据据就目前的技技术水平而而言，基基坑工程的的设计和施施工，对通通常采用的的力学分析析、数值计计算和室内内试验，总总是在不同同程度上对对客观事物物进行了简简化或近似似处理，而而现场监监测技术则则客观真实实地反映了了工程结构构和环境相相互关系。。通过对监监测数据的的分析，可可以为今后后积累相关关经验。12.3自动化监测测技术在深深基坑工程程的应用基坑监测的的目的在建筑物和和地下管网网密布的城城市内进行行基坑施工工，不可避避免地对周周边环境造造成影响，，由此引起起的法律纠纠纷屡见不不鲜，一一份完整的的监测报告告能为客观观公正解决决这些问题题提供依据据（5）监测数据据也是解决决法律纠纷纷的有力证证据12.3自动化监测测技术在深深基坑工程程的应用基坑监测的的基本内容容针对基坑侧侧壁的安全全等级，不不同规范范对基坑监监测项目有有不同的规规定。一般般监测内容容由设计单单位根据具具体情况选选定。基坑监测的的基本要求求①监测工作必必须有计划地进行；②②监测数数据必须真实可靠和及时；③埋设设在结构中中的监测元元件应尽量量减少对结构构正常受力力的影响，埋设水水土压力检检测元件、、测斜管和和分层沉降降管时应注注意回填土土与岩石介介质匹配；；④采取多种方法，实行多项内容的监测方案案；⑤预先先设定报警制度，报警警值包括变变形和内力力深基坑安安全监测技技术及其应应用12.4基坑围护结结构的内力力计算12.4.1围护结构的的计算模型型及计算原原则基坑工程的的计算模型型包括:结构模型、、水土压力力模型、稳稳定性分析析模型等。。对于围护结结构的计算算一般采用用考虑桩（（墙）土共共同作用的的弹性地基上上的杆系或或框架模型型，根据施工工过程中发发生的实际际工况分步步进行计算算，同时考考虑施工工工况引起结结构的先期期位移值以以及支撑变变形的影响响或采用荷荷载增量法法进行计算算，即所谓谓的“先变变形、后支支撑”的原原则。计算工况包包括开挖阶阶段到内部部结构回筑筑阶段各工工况的内力力组合，最最终的位移移及内力值值是各阶段段的累计值值。12.4基坑围护结结构的内力力计算12.4.2桩（墙）内内力的计算算分析方法法弹性地基杆杆系有限单单元法是当当前基坑工工程设计的的最常用方方法：（一）弹性性地基杆系系有限单元元法1.结构理想化化2.结构离散化化3.挡土结构的的节点应满满足变形协协调条件4.单元所受荷荷载和单元元节点位移移之间的关关系5.根据静力平平衡条件，，作用在结结构节点的的外荷载必必须与单元元内荷载相相平衡。12.4基坑围护结结构的内力力计算12.4.2桩（墙）内内力的计算算分析方法法以往采用的的古典法以以及山肩邦邦男法、弹弹性法等计计算方法不能有效地地计入基坑坑开挖时挡挡土结构及及支撑轴力力的变化过过程。（二）挡土土结构的有有限元分析析有限单元法法作为一种种计算方法法具有灵活活、多样、、限制少、、易于模拟拟等优点而而在挡土结结构分析中中广为采用用。在使用有限元对挡土结构构分析时，，可有效地计计入基坑开开挖过程中中的多种因因素，例如作用用在挡土结结构上被动动侧和主动动侧的水土土压力的变变化，支撑撑随开挖深深度的增加加其架设数数量的变化化、支撑架架设前的挡挡土结构位位移以及架架设后支撑撑轴力也会会随后次开开挖过程而而逐渐得到到调整，支支撑预加轴轴力对挡土土结构内力力变化的影影响，以及及空间作用用下挡土结结构的空间间效应问题题等。12.5基坑稳定性性验算整体失稳破破坏基坑失稳的表现形式承载力不足足导致的破破坏基底滑移破破坏基底潜蚀、、管涌渗流支撑结构破破坏被动土压力力丧失12.4.1边坡稳定12.4.2基坑隆起稳稳定12.4.3整体稳定性性验算12.4.4坑底抗渗流流稳定性验验算12.4.5承压水的影影响12.6.2抗倾覆、滑滑移12.5基坑稳定性性验算边坡稳定由于设计不不合理坡度度太陡，或或雨水、管管道渗漏等等原因造成成边坡渗水水导致土体体抗剪强度度降低，引引起基坑边边土体整体滑坡。12.5基坑稳定性性验算重力式挡土土墙基坑的的失稳模式式1、由于墙体体的入土深深度不足，，或由于墙墙底存在软软弱土层，，土体抗剪剪强度不够够等原因，，导致墙体体随附近土土体整体滑移破坏。12.5基坑稳定性性验算2、由于基坑坑外挤土施施工如坑外外施工挤土土桩或者坑坑外超载作作用如基坑坑边堆载、、重型施工工机械行走走等引起墙墙后土体压压力增加，，导致墙体体向坑内倾覆。重力式挡土土墙基坑的的失稳模式式12.5基坑稳定性性验算3、当坑内土土体强度较较低或坑外外超载时，，导致墙底变形过大或整体体刚性移动。重力式挡土土墙基坑的的失稳模式式12.5基坑稳定性性验算1、因为坑底底土体压缩缩模量低，，坑外超载载等原因，，致使围护护墙踢脚产生很大的的变形。内撑式挡土土墙基坑的的失稳模式式12.5基坑稳定性性验算2、在含水地地层（特别别是有砂层层、粉砂层层或者其他他透水性较较好的地层层），由于于围护结构构的止水设施失失效，致使大量量的水夹带砂粒粒涌入基坑坑，严重的水水土流失会会造成支护护还可能先先在墙后形形成空穴而而后突然发发生地面塌塌陷。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算3、由于基基坑底部部土体的的抗剪强强度较低低，致使使坑底土土体随围围护墙踢踢脚向坑坑内移动动，产生生隆起破坏。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算4、在承压压含水层层上覆隔隔水层中中开挖基基坑时，，由于设设计不合合理或超超挖，承承压含水水层的水水头压力力冲破基基坑底部部土层，，发生坑坑底突涌破坏。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算5、在砂层层或者粉粉砂地层层中开挖挖基坑时时，降水水设计不不合理或或井点降降水失效效后导致致水位上上升，产产生管涌，严重时时会导致致基坑失失稳。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算6、在超大大基坑，，特别是是长条形形基坑（（如地铁铁站、明明挖法施施工隧道道等）内内分区放放坡挖土土，由于于放坡较较陡，降降雨或其其他原因因导致滑坡，冲毁基基坑内先先期施工工的支撑撑及立柱柱，导致致基坑破破坏。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算1、由于围围护墙插插入深度度不够，，或基坑坑底部超超挖，导导致基坑坑踢脚破坏坏。拉锚基坑坑的失稳稳模式12.5基坑稳定定性验算算2、由于设设计锚杆杆太短，，锚杆和和围护墙墙均在滑滑裂面以以内，与与土体一一起呈整整体滑移移，致使使基坑整体滑移移破坏。拉锚基坑坑的失稳稳模式12.5基坑稳定定性验算算12.5.1边坡稳定定砂性土考虑水力力影响粘性土条分法安全系数数定义：：12.5基坑稳定定性验算算12.5.2基坑隆起起稳定——圆弧滑动动面假设设基本假设设：1、滑动中中心位于于最下道道支撑和和墙的交交点；2、滑动面面为过墙墙底的圆圆弧；3、水平土土压力计计算：12.5基坑稳定定性验算算12.5.2基坑隆起起稳定——圆弧滑动动面假设设滑动力矩矩：OAMG：OBCA：12.5基坑稳定定性验算算12.5.2基坑隆起起稳定——圆弧滑动动面假设设BCE与BEF重力矩平平衡抵消消。抗滑力矩矩：AM：ACE：12.5基坑稳定定性验算算12.5.2基坑隆起起稳定——圆弧滑动动面假设设BCE与BEF重力矩平平衡抵消消。抗滑力矩矩：EF：12.5基坑稳定定性验算算12.5.2基坑隆起起稳定——圆弧滑动动面假设设滑动力矩矩：抗滑力矩矩：12.5基坑稳定定性验算算12.5.2基坑隆起起稳定——地基承载载力假设设Terzaghi-Peck法(粘性土)饱和软土土中：12.5基坑稳定定性验算算12.5.2基坑隆起起稳定——地基承载载力假设设同济大学学法(考虑c、φ)墙底按光光滑处理理墙底按粗粗糙处理理12.5基坑稳定定性验算算12.5.3抗倾覆12.5基坑稳定定性验算算12.5.4抗滑移12.5基坑稳定定性验算算12.5.5基坑底抗抗渗流稳稳定12.5基坑稳定定性验算算12.5.5基坑底抗抗渗流稳稳定承压水头头稳定性性pcz：坑底至至含水层层顶板土土自重pwy：含水层层水头压压力12.6基坑变形形计算12.6.1围护墙体体变形围护墙体体变形形形态12.6基坑变形形计算12.6.1围护墙体体变形最大变形形点的位位置12.6基坑变形形计算12.6.2坑底隆起起变形在开挖深深度不大大时，坑坑底为弹性隆起，其其特征为为坑底中中部隆起起最高，，当开挖挖达到一一定深度度且基坑坑较宽时时，出现现塑性隆起，隆隆起量也也逐渐由由中部最最大转变变为两边边大中间间小的形形式，但但对于较较窄的基基坑或长长条形基基坑，仍仍是中间间大，两两边小分分布。12.6基坑变形形计算12.6.2坑底隆起起变形隆起沿深深度分布布上海地铁