地下建筑结构(中国地质大学孙金山)6-3

1基坑的失稳模式2基坑计算机辅助设计

3基坑降水1基坑的失稳模式基坑工程的失效模式1.整体失稳

2.坑底隆起

3.围护结构倾覆失稳

4.围护结构滑移失稳

5.围护结构底部地基承载力失稳

6.“踢脚”失稳

7.止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏8.围护结构的结构性破坏9.支、锚体系失稳破坏整体失稳整体失稳是指在土体中形成了滑动面，围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一起丧失稳定性，一般的失稳形态是围护结构的上部向坑外倾倒，围护结构的底部向坑内移动，坑底土体隆起，坑外地面下陷。

坑底隆起坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形。基坑开挖以后，坑底向上位移的原因有两种，一是卸载引起的回弹，其数值较小；另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性变形，这种变形如果数量较大，表示土体中的塑流已经比较严重，如果围护结构和内支撑能形成整体性好的体系，则塑流仅引起坑外地面下沉，影响环境安全；如果是自立式结构或节点强度差的支撑体系，隆起可能是整体失稳的前兆；如果稳定性不能得到有效的控制，就会发生整体性失稳。围护结构倾覆失稳围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构，重力式结构在坑外主动土压力的作用下，围护结构绕其下部的某点转动，围护结构的顶部向坑内倾倒。抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力形成，坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素。关于转动中心的位置有不同的看法，传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾，但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理，特别的软土地区由于基底土比较软弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。

围护结构滑移失稳围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中，在坑外主动土压力的作用下，围护结构向坑内平移。抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被动土压力构成。当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时，墙体发生滑移失稳。

围护结构底部地基承载力失稳重力式围护结构的底面压力过大，地基承载力不足引起的失稳。由于在围护结构的外侧还作用着土压力，因此其合力是倾斜的。在倾斜荷载作用下，地基土发生向坑内的挤出，围护结构产生不均匀的沉降，可能导致部分围护结构的开裂损坏。“踢脚”失稳

在单支撑的基坑中，可能发生挠支撑点转动，围护结构上部向坑外倾倒，围护结构的下部向上翻的失稳模式，故形象地称为“踢脚”失稳。在多支撑的围护结构中一般不会产生踢脚失稳，除非其它支撑都已失效，只有一道支撑起作用的情况。

止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏

止水帷幕丧失挡水功能，产生渗漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，导致邻近建筑物的开裂和损坏。引起围护结构止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是设计因素和材料的因素。由于施工质量低劣，止水帷幕有空洞或裂缝，成为漏水的通道是最普遍的现象；止水帷幕设计过短，没有全部切断透水层也是漏水的可能原因。

由于止水帷幕失效产生过大的水力坡降引起坑底渗透变形破坏。坑内采用排水或降水措施后，造成了坑内外的水头差，地下水在水头差的作用下向坑内渗流，在渗流出口处土的细颗粒被带出，或土颗粒处于悬浮状态涌出。这种由渗透引起的破坏因破坏机理不同而有不同的名称，如管涌、流砂或流土。如不及时制止，由渗透变形引起的坑外土体的位移和陷落是严重的。

围护结构的结构性破坏围护结构的结构性破坏是指围护体本身发生开裂、折断、剪断或压屈，致使结构失去了承载能力的破坏模式。

结构性损坏的原因可能是方案性的错误，如支撑体系不当或围护结构不闭合；也可能是设计计算时荷载估计不足或结构材料强度估计过高，支撑或围檩截面不足导致破坏；此外，结构节点处理不当，也会因局部失稳而引起整体破坏，特别在钢支撑体系中，节点多，加工与安装质量不易控制。节点处理包括支撑和墙体的连接处，如不设置围檩或连接强度不够。

支、锚体系失稳破坏支锚体系的失稳破坏包括两种不同的破坏模式。锚杆的破坏主要表现为锚杆的拔出、断裂或预应力松弛，土锚的破坏大多是局部的，群锚的破坏实际上是土体的失稳而并非是锚杆的结构性破坏；支撑的失稳很可能是整体性的，其形态因体系不同而不同，支撑体系大多是超静定的，局部的破坏会造成整体的失稳，尤其是钢支撑体系，局部节点的失效概率比较大。

2基坑计算机辅助设计3基坑降水降水方案降水是在地下水位比较高的地区进行基坑工程设计时面临的一个重要问题。采取何种方案主要取决于水文地质条件及周边环境的要求。从施工来说则要求提供一个比较干燥的坑内施工环境，为此应使地下水位低于基坑底面0.5～1.0m左右。如地下水位高于这个位置，需要采取降水的措施，降水的方法很多，都可以达到这个目的。

选择降水方案时应考虑以下几个问题：1.

基坑降水深度的要求；2.场地地质条件，土层的渗透特性，地下水的类型、流向和补给条件；3.环境条件，场地周围的建筑物和市政管线的位置、类型、对沉降的要求；4.气象条件，雨季、特别是暴雨季节和暴雨量；5.

施工单位所拥有的降水设备和数量；6.电源条件，需保证有稳定的电源或备用电源，以免断电时基坑积水而坍塌。降水设计内容1.降水设计要求2.降水方法的选择3.降水井的布设4.降水系统设计5.降水效果预测6.防范井点降水不良影响的措施降水设计要求1.基坑开挖及地下结构施工期间，地下水位保持在基坑底以下0.5~1.0m；2.深部承压水不引起坑底隆起；3.降水期间邻近建筑物及地下管线正常使用；4.基坑边坡的稳定性。降水系统设计包括井深、井数、井距、井的结构及单井出水量的计算。需要根据不同的水文地质条件、基坑工程特点和降水的要求，区别不同的渗流特征，采用不同的方法进行设计计算。

降水方法的选择

轻型井点轻型井点按抽水机组类型分为干式真空泵轻型井点、射流轻型井点和隔膜泵轻型井点三种，其参考数据见表。轻型井点的降水深度不超过6m，当降水深度要求超过6m时，采用单级轻型井点不能满足要求，采用多级轻型井点需要增加机具数量和基坑面积，往往不经济，此时宜采用喷射井点。轻型井点喷射井点喷射井点是根据射流原理制造的，由喷嘴喷出的高压水，在喷嘴周围形成负压，将土层中的水抽至井点中，形成汽水溶液，由高速水流的动能将其排出地表。喷射井点在渗透系数为3～50m/d的砂土中最为有效，在渗透系数为0.1～3m/d的粉土和淤泥质土中效果也很显著。但不适用于渗透系数小于0.1m/d。

喷射井点电渗、自渗和深井井点电渗井点是利用粘性土的电渗特性，在直流电场中，土中水流向阴极管集中排走，用以降低饱和粘土中的地下水位。自渗井适用于排除土层中的滞水，这种滞水主要来自生活用水的排放或下水道的渗漏。管井井点和深井井点适用于渗透系数比较大的土层，特别是深井井点，由于将潜水泵或深井泵安置在滤水层部位，特别适用于涌水量大、深层的砂土层，降水深度可达50m。

电渗井点管井井点

结构降水井的布设平面布设1.坑宽小于6m，深度小于6m时，一般可用单排井点；2.坑宽大于6m时，宜采用双排井点；3.基坑宽度小于40m时，采用环形井点系统；4.基坑宽度大于40m时，采用多环形井点，在中央加一排或多排井点。降水的三种类型基坑隔水帷幕深入隔水层（即含水层底板）中，井点降水以疏干基坑内的地下水为目的。由于隔水帷幕的作用，基坑内外地下水无水力联系。降水时基坑外地下水位不受影响。这类井点降水影响范围小。地下水渗流特征：为全封闭含水层，抽水时地下水处于非稳定流状态。隔水帷幕进入承压含水层顶板中，井点降水以降低基坑下部承压含水层的水头，防止基坑底部隆起或突涌。隔水帷幕未将基坑内外承压含水层分隔开。地下水渗流特征：由于不受隔水帷幕的影响，基坑内外地下水连续相通。井点降水的影响范围比较大，但降水漏斗平缓，降水引起的地面沉降为均匀沉降。隔水帷幕不影响地下水渗流，渗流计算可以借鉴地下水动力学中有关公式计算。隔水帷幕位于降水含水层中上部，基坑内外承压含水层大部分被隔水帷幕隔开，仅含水层底部未被隔开。井点降水的前期以降低基坑下部承压含水层的水头为目的，后期以疏干承压含水层为目的。地下水渗流特征：由于受隔水帷幕的阻挡，上部基坑内外地下水不连续，底部含水层连续相通，地下水呈三维流态。只能采用三维数字模拟计算，或者采用二维解析公式计算。选择降水方案时应考虑以下几个问题：1.

基坑降水深度的要求；2.场地地质条件，土层的渗透特性，地下水的类型、流向和补给条件；3.环境条件，场地周围的建筑物和市政管线的位置、类型、对沉降的要求；4.气象条件，雨季、特别是暴雨季节和暴雨量；5.

施工单位所拥有的降水设备和数量；6.电源条件，需保证有稳定的电源或备用电源，以免断电时基坑积水而坍塌。深基坑工程的监测与控制基坑工程中的观察法1969年，Peck在“AdvantagesandLimitationsofObservationalMethodinAppliedSoilMechanics”一文中就提出了岩土工程的系统研究方法，称为“观察法”。观察法是符合系统工程原则的、有反馈的封闭系统的研究方法，是岩土工程研究的基本方法，对于岩土工程的发展具有重要的影响，在观察法的基础上形成了岩土工程中的信息化施工方法。根据地质资料和结构设计资料，针对所估计的最可能情况下的地层特征和工作性状，提出实用的简化假设，并进行计算和设计；选择在施工过程（甚至运行过程）中必须要进行观测的那些量（例如沉降、孔隙水压力等），并按设计简化假设，预先估计这些量的数值可能是多少；根据已经掌握的关于地层情况的数据，估计在可能的最不利情况下，选择需要观测的那些物理量的数值范围；要预先估计到施工时所观测到的数据可能偏离于预先估计的数值。因此要考虑在最不利情况下，如果出现了这种偏离，应如何选择补救措施，或改变设计；在现场观测第4项所选择的物理量，并对现场的实测数据作及时的分析与评价以指导施工；必要时修改设计以适应于现场所发生的实际情况。深基坑工程的监测与控制是岩土工程观察法的具体应用，是比较复杂的信息反馈与控制，深基坑工程监测是指在深基坑开挖施工过程中，借助仪器设备和其它一些手段对围护结构、基坑周围的环境(包括土体、建筑物、构筑物、道路、地下管线等)的应力、位移、倾斜、沉降、开裂及对地下水位的动态变化、土层孔隙水压力变化等进行综合监测。根据前段开挖期间监测到围护结构、邻近建筑物和市政设施的变形及内力，从中提取大量的岩土信息，与勘察、设计阶段预测的性状进行比较，对设计方案进行评价，并判断施工方案的合理性。通过反分析方法或经验方法计算与修正岩土的力学参数，预测下阶段施工过程中可能出现问题，为优化和合理组织施工提供依据，并对进一步开挖与施工的方案提出建议，对施工过程中可能出现的险情进行及时的预报。当有异常情况时，立即采取必要的工程措施，将问题消灭于萌芽状态，以确保工程安全。监测方案是整个监测工作的指导性文件，包括监测的目的要求、监测项目与测点的布置、监测设备与方法的选择、监测与控制的警戒值、监测的报表与成果报告等内容。监测方案必须根据基坑工程设计文件、邻近地区的环境要求和基坑施工方法编制。监测对象包括自然环境、基坑底部及周围土体、围护结构、地下水位、周围建（构）筑物、周围重要设施（地铁、供水管、排水管、电缆、煤气管等）以及与基坑相邻的周围城市道路路面等。监测内容1.围护结构监测2.周围环境监测围护结构监测1)围护结构完整性及强度监测；2)围护结构顶部水平位移监测；3)围护结构倾斜监测；4)围护结构沉降监测；5)围护结构应力监测；6)支撑轴力监测；7)立柱沉降监测周围环境监测1)邻近建筑物沉降、倾斜和裂缝发生时间及发展过程的监测；2)邻近构筑物、道路、地下管网等设施变形监测；3)表层土体沉降、水平位移以及深层土体分层沉降和水平位移监测；

4)围护结构侧面土压力测试；5)坑底隆起监测；6)土层孔隙水压力测试；7)地下水位监测。按照《建筑基坑工程监测技术规范》的规定1.围护墙（边坡）顶部水平位移；2.围护墙（边坡）顶部竖向位移；3.深层水平位移；4.立柱竖直位移；5.围护墙内力；6.支撑内力；7.立柱内力；8.锚杆内力；9.土钉内力；10.坑底隆起（回弹）；11.围护墙侧向土压力；12.孔隙水压力；13.地下水位；14.土体分层竖向位移；15.周边地表竖向变形；16.周围建筑物竖向位移；17.周边建筑倾斜；18.周边建筑水平位移；19.周边建筑、地表裂缝；20.周围管线变形。墙顶水平位移监测墙顶水平位移是围护结构变形的一部分，是衡量围护结构工作状态的最基本的指标。因此，墙顶水平位移的监测也就成了深基坑监测工作中最重要的一个监测项目。

一般沿围护结构纵向每间隔5～8m布设一个监测点，在基坑转折处、距周围建筑物较近处等重要部位应适当加密布点。基坑开挖初期，可每隔2～3天监测一次。随着开挖过程进行，可适当增加观测次数，以1天观测一次为宜。当位移较大时，每天观测1～2次。墙体变形监测

墙体变形主要指围护结构深部水平位移，一般用测斜仪量测。根据围护结构受力特点及周围环境等因素，在关键位置钻孔布设测斜管，用高精度测斜仪进行监测，以根据围护结构在各开挖施工阶段倾斜变化，可以推算出围护结构沿深度方向各测点水平位移随时间变化曲线。设置在围护结构中的测斜点，一般每边可设置1～3个测点，测斜管埋置深度一般为2倍基坑开挖深度。测斜管放置于围护结构后，一般用中细砂回填围护结构与孔壁之间的空隙(最好用膨胀土、水泥、水按1:1:6.25比例混合回填)。正式测试前应对测斜孔进行连续观测，取其稳定值作为初读数。围护结构应力监测围护结构应力监测就是用钢筋应力计对桩身钢筋和锁口梁钢筋中较大应力断面处应力进行监测，以防止围护结构的结构性破坏。支、锚结构轴力监测支、锚结构轴力监测就是对锚杆和钢筋混凝土或钢支撑受力状况进行监测。对锚杆，施工前应进行锚杆现场拉拨试验，以求得锚杆容许拉力。施工过程中用锚杆测力计监测锚杆实际受力情况。对内支撑，可用压应力传感器或应变计等监测其受力状态的变化。安全控制标准基坑工程的安全控制包括两个方面，围护结构本身必须满足材料强度和稳定性的要求；同时基坑变形必须满足坑内和坑外周边环境两方面的控制要求。对围护结构和支、锚结构材料强度的控制一般是通过监测结构的内力进行的，包括支撑的轴力、锚杆的内力、墙体的钢筋应力等的监控。结构的内力也和构件的变形密切相关，随着墙体的相对变形的增长，结构内力增大，控制墙体的相对变形（即墙体的水平位移与基坑开挖深度之比）可以有效地控制墙体内力。如果不监测墙体结构内力，可以通过监测与控制墙体变形以达到相同的目的。基坑周围土体的稳定性虽然可以通过孔隙水压力的监测进行分析，但并不是直接控制的指标，通常通过土体变形监测进行控制，因为土体的破坏总是变形大量发展和积累的结果，变形量的大小和变形速率的快慢标志着土体中塑性区的发展状况，用变形限量控制也可以满足基坑稳定性的要求。安全性判别标准注：F2有两种判别标准，上行适用于基坑近旁无建筑物或地下管线，下行适用于基坑近旁有建筑物或地下管线；

F6、F7有三种判别标准，上、中行的适用情况同F2的上、下行，而下行适用于对变形有特别严格要求的情况，一般对于中、下行