土力学与地基基础：第10章 基坑工程概述

第十章基坑工程概述问题：什么是基坑？基坑工程有什么特点？基坑工程会出现什么问题？?第十章基坑工程一、基坑工程概念及特点：建筑基坑是指为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。为保证基坑施工以及主体地下结构的安全和周围环境不受损害，需对基坑进行包括土体、降水和开挖在内的一系列勘察、设计、施工和监测等工作。这项综合性的岩土工程就称为基坑工程。基坑工程是一个综合性的岩土工程问题，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及土与支护结构共同作用以及工程、水文地质等问题，同时还与计算技术、测试技术、施工设备和技术等密切相关。因此。基坑工程具有以下特点：一、基坑工程概念及特点：支护结构通常都是临时性的结构，一般情况下安全储备相对较小，风险性较大。由于场地的工程水文地质条件、岩土的工程性质以及周边环境的差异性，基坑工程往往具有很强的地域特征。因此，它的设计和施工，必须因地制宜，切忌生搬硬套。基坑工程是一项综合性很强的的系统工程。它不仅涉及结构、岩土、工程地质及环境等多门学科，而且勘察、设计、施工、监测等工作环环相扣，紧密相连。一、基坑工程概念及特点：基坑工程具有较强的时空效应。支护结构所受荷载（如土压力）及其产生的应力和变形在时间上和空间上具有较强的变异性，在软粘土和复杂体型基坑工程中尤为突出。基坑工程对周边环境会产生较大影响。基坑开挖、降水势必会引起周边场地土的应力和地下水位发生改变，使土体产生变形，对相邻建筑物和地下管线等产生影响，严重者将危及到它们的安全和正常使用。大量土方运输也将对交通和环境卫生产生影响。一、基坑工程概念及特点：此外，基坑工程是面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行作业，还存在以下一些不确定因素：（1）外力的不确定性。（2）变形的不确定性。（3）土性的不确定性。（4）一些偶然变化所引起的不确定因素。一、基坑工程概念及特点：目前在基坑工程中发生工程事故的概率远远高于主体工程。由于存在以上这些不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工定出一套标准模式，或用一套严密的理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变化。目前只能采用理论计算与地区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计。要求现场施工技术人员具有丰富的工程经验和高度的责任感，能及时处理由于各种意外变化所产生的不利情况，只有这样才能最有效地防止或减少工程事故的发生。二、基坑工程出现的必然性：功能要求规范要求人防要求三、深基坑工程的现状1、设计水平：无规范、无资质2、造成水平差异的原因（1）人员素质不整齐（2）竞争不公平（3）定额不合理（4）计算理论跟不上3、现状（1）基坑工程市场广阔（2）基坑工程事故多，深受社会关注（3）计算理论不完善，风险大（4）造价高四、深基坑工程施工需重点解决的问题

由于我国幅员辽阔，几乎遍及全国的高层建筑和其它地下工程的基坑遇到了各种不同的、极其复杂的工程地质和水文地质条件，高层建筑和地铁等大型地下工程又多处于城市建设密集地区，环境条件也相当苛刻，这就使深基坑工程成为难度大、风险大、投资多的工程建设组成部分。总结以往的经验教训，深基坑工程应重点解决好以下几方面的问题：四、深基坑工程施工需重点解决的问题围护结构类型方案的选择地下水的控制基坑及其周围地层的土体加固开挖方法和挖土顺序工程监测和信息化施工对邻近建（构）筑物及地下设施的保护五、基坑支护结构的类型及适用条件：放坡开挖悬臂式支护结构内撑式支护结构拉锚式支护结构水泥土桩墙支护结构土钉墙支护结构其他支护结构六、基坑工程中的现场监测技术问题：1、为什么要做监测？2、监测什么？3、怎么做监测？4、监测得到什么结果？5、监测结果可以带来什么？?1、基坑工程有什么特点复杂性不确定性地区性经验性差异性风险性重要性2、监测的必要性近年来，国内基坑开挖中出现了不少的大小事故，给业主、施工单位以及基坑周围的环境等都造成了很大的损失，在社会上也产生了不良影响。究其原因，主要有两个方面：（1）实践证明，影响基坑设计和施工的不确定因素很多，加上设计理论也不成熟，这样就使得基坑的设计和施工都带有很大的盲目性；（2）基坑围护与开挖本身是一种临时性工程，地下室完成后一般就失去了作用。因此，一般设计中所留的安全储备不大。若施工期间的条件有变，或实际地层情况与设计不符，就很容易使支护体系或基坑处于危险状态。一旦出现问题，如果不能及时预警并采取相应的补救措施，就可能会酿成事故。其实，基坑支护与基坑开挖是一个有机的整体，安全储备较小的支护体系必然要伴随谨慎严密的施工过程和有效地监测预警措施。因此，加强深基坑支护与开挖的监测，对预警事故，确保施工安全，以及验证设计都是非常必要的。开展施工监测，一方面对施工动态进行监测，以便及时预警，确保安全；另一方面，可通过对监测结果的分析，评估已有的设计合理性，即所谓的“信息化”施工。3、监测的基本要求无论采用何种具体的监测方法，都要满足下列技术要求：（1）观测工作必须是有计划的，应严格按照有关的技术文件（如监测任务书）执行。这类技术文件的内容，至少应该包括监测方法和使用的仪器、监测精度、测点的布置、观测周期等等。计划性是观测数据完整性的保证。3、监测的基本要求（2）监测数据必须是可靠的。数据的可靠性由监测仪器的精度、可靠性以及观测人员的素质来保证。（3）观测必须是及时的。因为监控开挖是一个动态的施工过程，只有保证及时观测才有利于发现隐患，及时采取措施。3、监测的基本要求（4）对于观测的项目应按照工程具体情况预先设定预警值，预警值应包括变形值、内力值及其变化速率。当观测发现超过预警值的异常情况，要立即考虑采取应急措施。（5）每个工程的监控支护监测，应该有完整的观测记录，形象的图表、曲线和观测报告。4、监测方案

基坑开挖前必须作出系统的监测方案，包括监测内容、监测方法及精度要求、监测点的布置、观测周期、记录制度、报警标准以及信息反馈系统等。5、监测项目基坑开挖与支护的监测，可根据具体情况，采用以下部分或全部内容：（1）平面和高程监控点的测量；（2）支护结构和被支护土体的侧向位移测量；（3）监控坑底隆起的测量；（4）支护结构内外土压力的测量；（5）支护结构内外孔隙水压力的测量；（6）支护结构内力的测量（包括锚杆内力）；（7）地下水位变化的测量；（8）监控邻近建筑物和管线的观测。6、观测点布置观测点的布置应以能满足监测要求为准。基坑开挖影响的范围随开挖深度的增加而增大，一般从基坑边缘向外3～5倍开挖深度范围内的建筑物均为监测对象，邻近重要建筑物，尤其是古文物保护区应列在监测范围内。6、观测点布置在现场监测中，应合理地确定监测范围及布置监测点，埋设必要的量测仪器。以便获得相关数据从而了解和掌握地层和地下结构中的应力场、位移场的实际变化规律，及时采取工程措施。位移监测点应根据理论预测的分布规律来布置，变化越大的地方，测点应布置得越密。离基坑或地下结构越近，测点也应越密。土层中的水平位移、土压力、孔隙水压力测点，应在预测的基础上，结合实际工程需要来布置。应力场、位移场变化剧烈的地方，测点间距宜小些。7、监测手段采用各种专门仪器和专用测试元件，如测斜仪、钢筋应力计、应变计、锚杆测力计、土压力盒、水位计、分层沉降仪、水准仪和经纬仪等。变形观测

在基坑工程中，土体位移的控制是工程成败的关键问题之一。由于基坑开挖使土中应力释放等因素，土体总是要发生变形的。即使进行了支护，变形也是难免的。这些变形包括：坑底隆起、坑边地面沉降，以及坑壁的水平位移等。如果我们能够准确及时地做好变形的监测工作，对危险的信息采取必要的措施，完全可以避免或减轻破坏的后果。

地表水平位移观测

观测方法：光学方法

观测仪器：J1或J2型经纬仪、全站仪，觇（chan）牌或是带有读数尺的觇牌。观测点布置：基准点、工作基点、观测点；平面控制点标石及标志；观测等级：二等；观测方法：水平位移的观测方法很多，可根据现场条件及观测仪器而定，常用的方法有视准线、前方交会法、三角测量法，小角度法等。地表竖向位移观测

观测方法：光学方法

观测仪器：（WILD）N3精密水准仪、铟钢水准尺观测点布置：基准点、观测点；平面控制点标石及标志；观测等级：二等水准精度

；观测方法：精密水准测量，不宜采用精度较低的三角高程测量。闭合线路，首次观测应2次以上做为初始值。

深层水平位移观测

上述水平位移光学观测方法得到的是一个点的水平位移。有时更需要了解支护结构或土层沿垂直方向上的水平位移。这时可考虑采用测斜仪测量。测斜仪是一种可精确地测量沿垂直方向土层或支护结构内部水平位移的高程测量仪器。在基坑开挖支护监测中常用活动式测斜仪。在基坑开挖之前先将有四个相互垂直导槽的测斜管埋入支护结构或被支护的土体中。测量时，就测斜仪测头放入测斜管，使测头上的导向滚轮卡在测斜管内壁的导槽中，沿槽滚动，这样可连续地测定沿测斜管整个深度的水平位移变化。

深层水平位移观测

测斜仪的工作原理是根据摆锤受重力作用为基础测定以摆锤为基准的弧角变化。当土体产生位移时，埋入土中的测斜管随土体同步位移，测斜管的位移量即为土体的位移量。

测斜管的埋设：土中钻孔，结构中绑扎在钢筋笼上。埋深要足够深，并认为管底为不动点。初始值的测定：至少3遍，取平均值。测试：50cm一个测点，从下往上，正反180各测一遍，以消除仪器的误差。深层水平位移观测

用测斜仪对边壁土体（桩体）位移的观测每次可得到一组由孔底至孔顶的位移累计值，经与初始值相减，即可得到该次观测的土体挠曲变形曲线，由此可以及时、清楚地了解桩体在该工况下的位移及稳定情况。

深层竖向位移观测

深层沉降观测标

回弹观测标

分层沉降仪

土压力观测

土压力是基坑支护结构周围的土体传递给挡土构筑物的原理。在基坑开挖之前，挡土构筑物两侧土体处于静止平衡状态。在基坑开挖过程中，由于基坑内一侧的土体被挖去，挡土构筑物两侧土体原始的应力平衡和稳定状态被破坏了，由相对静止的状态转化为变形运动的状态，在挡土构筑物周围一定范围内产生应力重分布。土压力观测

在被支护土体一侧，由于挡土构筑物的移动引起土体的松动而使土压力降低，而在基坑一侧的土体由于受挡土结构的挤压而使土压力升高。但是这种变化不会无休止地发展下去，当变形或应力超过了一定数值时，土体就产生结构性的破坏而使挡土结构坍塌。因此土压力的大小直接决定着挡土构筑物的稳定和安全。

土压力观测

影响土压力的因素很多，如土体介质的物理力学性质及结构组成，附加荷载的数值，地下水位变化，挡土构筑物的类型，施工工艺和支护型式，挡土构筑物的刚度及位移，基坑挖土程序及工艺等等。这些因素给理论计算带来一定的困难，因此，仅用理论分析土压力大小及沿深度分布规律是无法准确地表达土压力的实际情况。而且土压力的分布在基坑开挖过程中是动态变化着，从动态构筑物的安全，地基稳定性及经济性合理考虑，对于重要的基坑支护结构，要进行必要的现场原型观测。

土压力观测

通过现场土压力的观测可达到以下几条目的：

验证挡土构筑物各特征部位的侧压力理论分析值及沿深度的分布规律；

监测土压力在基坑开挖过程中的变化规律。由观测到的土压力急剧变化，及时发现影响基坑稳定的因素，以采取相应的保证稳定的措施；积累各种条件下的土压力规律，为提高理论分析水平积累资料。

土压力观测仪器和压力传感器

国内目前常用的压力传感器根据其工作原理分为钢弦式、差动电阻式、电阻应变式和电感调频式等等。其中钢弦式原理传感器长期稳定性高，对绝缘性要求较低，较适合用于土压力的长期观测。

土压力观测仪器和压力传感器

钢弦式土压力盒的工作原理：当压力盒的量测薄膜上受到压力时，薄膜将发生挠曲，使得其上的两个钢弦支架张开，将钢弦拉得更紧。弦拉得愈紧，它的振动频率也愈高。用频率计测出钢弦的振动频率。为了确定钢弦的振动频率与作用在薄膜上的压力之间的关系，需要对土压力盒进行标定。为此可在试验室里用油泵装置对土压力盒施加压力，并用频率计测出对应于不同压力的钢弦振动频率。这样靠近可以绘出土压力盒的标定曲线。当现场观测时，通过测量钢弦的频率，根据标定曲线就可以查出该土压力盒此时所受压力的大小。土压力盒的安装或埋设

土压力是作用在挡土构筑物表面的作用力，因此土压力盒应镶嵌在挡土构筑物内，使其应力膜与构筑物表面齐平。土压力盒后面应具有良好的刚性支撑，在土压力作用下不产生任何微小的相对位移，以保证测量的可靠性。量测基底接触压力时土压力盒的埋设：要求土压力盒承压板与基础底板下的垫层齐平。

量测墙体接触压力时土压力盒的埋设：？

孔隙水压力观测

观

测

仪

器：

钢弦式孔压计，频率计

孔压计的埋设：

压入法、钻孔埋设法地下水监测

在深基坑施工中，往往需要进行降水，降水则可能对邻近建筑物或管线产生不均匀沉降或开裂等危害，影响到建筑物的安全。为了解地下水位的变化，需要用水位计来进行测定。

电测水位计：由测量钢尺、侧头、测读讯响器等组成。当侧头触及到水位时讯响器发音，根据讯响声读取测量钢尺的读数，即可得到地下水位深度。

地下水监测

观测井孔结构、施工工艺方法：钻孔（泥浆护壁）、放管、填滤料、洗井

管径：50~76mm

管材：钢管、镀锌钢管、塑料管等

管壁上呈梅花型钻直径为8~18mm的孔，孔隙率应大于15%。管壁外包土工布。桩墙内力监测

在基坑支护结构中有代表性位置的钢筋混凝土支护桩和地下连续墙的主受力钢筋上，布设钢筋应力计，监测支护结构在基坑开挖过程中的应力变化。

沿受力主筋（每根桩在迎土侧和开挖侧各布置一根）长度每2m布置一个钢筋计，将导线引至基坑顶部。测试时用频率仪可测试到钢筋计的振动频率，通过换算可得到钢筋计所受的轴力，再根据钢筋与混凝土的变形协调原理，由钢筋计的拉力或压力即可计算出桩身的弯矩。桩墙内力监测

测点布置：取典型断面，最好是从上到下整个布置，间距2m左右。受拉和受压面对称布置。传感器的安装：帮焊，帮条长度，单面焊还是双面焊？降温措施支撑内力监测

钢筋混凝土支撑

对钢筋混凝土支撑梁，采用钢筋应力计测试砼内支撑梁的轴力。施工时在支撑梁每个测试断面的上、下主筋上各焊接一只钢筋应力计，将导线引出。基坑开挖时用频率计测试其轴力变化情况。

对混凝土支撑梁轴力的观测用频率仪可测试到钢筋计的振动频率，通过换算可得到钢筋计所受的轴力。根据钢筋与混凝土共同工作、变形协调的条件求得混凝土支撑梁的轴力，其计算公式为：

支撑内力监测

钢支撑对钢管支撑梁，钢支撑安装好以后，将钢弦式表面应变计粘贴固定在钢支撑的表面并把导线引出。测试时用频率仪测试钢支撑的应变，再用弹性原理即可计算支撑的轴力。

每个测试断面布置2~4个钢弦式表面应变计，测试时用频率仪测试钢支撑的应变，再用弹性原理即可计算支撑的轴力。

锚杆及土钉受力监测

安装锚具时将四弦荷载计安装在锚具和支座之间。为保证荷载计受力均匀，加工一钢板将荷载计位置固定，使锚杆穿过荷载计的圆心处。同时