地下建筑结构- 第12章 基坑工程

深圳大学地下建筑结构第12章12.1．深基坑工程概述：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９层（法国）。国内，上海88层的金茂大厦，基坑平面尺寸为170m×150m，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。设计与施工工况紧密相关，必须保证围护结构在施工全过程中各工况条件下的安全，同时还要控制围护结构及其周围土体的变形，以保证周围环境(相邻建筑及地下公共设施等)的安全。在安全前提下，设计要合理，又能节约造价、方便施工、缩短工期。要提高基坑工程的设计与施工水平，必须正确选择土压力计算方法和参数，选择合理的围护结构体系，同时还要具有丰富的设计和施工经验。12.1.1基坑围护结构的分类分类：

桩(墙)式围护体系；重力式围护体系

分类：

桩(墙)式围护体系；重力式围护体系

桩(墙)式围护体系一般有围护墙结构、支撑(或锚杆)结构以及防水帐幕等部分组成。根据围护墙材料，桩(墙)式围护体系又可分为钢筋混凝土地下连续墙、柱列式钻孔灌注桩、钢板桩和钢筋混凝土板桩等形式。根据对围护墙的支撑方式，又可以分为内支撑体系和土层锚杆体系两类。原理：桩(墙)式围护体系的墙体厚度相对较小，通常是借助墙体在开挖面以下的插入深度和设置在开挖面以上的支撑或锚杆系统来平衡墙后的水、土压力和维持边坡稳定。对于开挖深度不大的基坑，经过验算也可采用无支撑、无锚杆的悬臂式桩(墙)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受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。目前，在我国各地常用的水泥土围护体系以及地下连续墙一般都归在重力式围护体系中，其受力性能类似于悬臂式的桩(墙)式围护结构，但在板式围护结构中一般不计墙体自重及墙底摩阻力对墙体稳定的影响。类型支护方式支护形式及特点边坡支护结构土钉墙支护适用于硬土地层或软土浅基坑，饱和含水地层采用复合土钉支护结构，特点是造价低廉钢丝网护坡适用于岩石及硬土边坡或软土临时边坡护坡桩支护采用抗滑桩支护重力式支护结构水泥土搅拌桩重力式挡土墙适用于深度较小（软弱地层中小于7米）的基坑刚架重力式挡土墙利用两排或以上刚性挡土墙结构连接形成一定宽度的重力坝，可以减小重力坝宽度及位移沉井式重力挡土结构适用于深水环境的挡土结构混合重力式挡土墙在不同重力坝结构中插入劲性材料或刚性桩，以减少重力坝位移支（锚）撑式支护结构锚杆或锚碇式支护结构自钻式锚杆，可回收锚杆，预应力锚杆，非预应力锚杆内支撑支护结构井字形对撑，边桁架支撑，圆环支撑中心岛支护结构全中心岛全部采用中心岛结构进行支护半中心岛首层或浅层开挖采用内支撑，以下则采用中心岛支护，可以减少中心岛边坡高度及其放置时间以及减少基坑的位移。逆作法支护结构全逆作法利用先施工的主体结构楼板作支撑，从上往下逐层施工半逆作法首层土方开挖采用顺做法支护，深层采用逆作法支护，其特点是加快浅层土方开挖速度中心岛、逆作混合支护结构采用中心岛施工中心部位主体结构，基坑周边采取逆作支护施工，可以减少全逆作法的施工困难。盖挖法支护结构对地面交通环境影响小，时间短，特别适用于地面环境控制严格的城市地面道路下的基坑工程。12.1.2基坑围护结构设计的特点

1.外力的不确定性。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改变；2.变形的不确定性。围护墙体的刚度、支撑(或锚杆)体系的布置和构件的截面特性、地基土的性质、地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管理水平等等都是产生变形的原因。

3.土性的不确定性。地基土的非均质性(成层)和地基土的特性不是常量

4.一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12.2基坑工程的设计内容12.2.1环境调查及基坑安全等级基坑工程围护设计，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，才能开始设计。进行基坑工程设计前，基坑围护结构设计所需的基本资料主要有：(1)工程水文地质资料；(2)场地环境条件资料，包括建筑红线，周边地下管线的种类、埋深、使用年限以及场地内地下人防等地下障碍物等；(3)所建工程的地下室结构、基础桩基图纸等；(4)与施工条件有关的资料，如对于地下连续墙设计时还应根据不同的安全等级提供有关实验资料。对于围护结构应该与其它建筑设计一样，要求在规定的时间内和规定的条件下完成各项预定功能，即：(1)能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种功能；(2)在正常情况下，具有良好的工作性能；(3)在偶然的不利因素发生时和发生后，围护结构仍能保持整体稳定。

1.当围护结构仅仅作为地下主体工程施工所需要的临时性措施时，其使用时间不长，一般不超过2年。而一般建筑结构所规定的设计基准期通常为50年，设计基准期的长短父系到对结构材料的耐久性要求和对发生偶然事件的概率统计等方面的问题。在地震区通常可不考虑地震力对围护结构的作用。

2.基坑围护结构的理论研究目前尚不完备，满意的工程实测资料很少，因此还没有条件能够像建筑结构那样通过对材料性能、荷载作用及结构效应等方面统计分析得出结构可靠性的概率指标。建筑基坑工程技术规范》(YB9258—97)根据结构破坏可能产生的后果严重程度,把基坑划分为不同的安全等级见表12-3还根据工程性质、水文地质条件、基坑开挖深度及规模．把基坑划分为复杂、中等和简单三种等级,见表12-412.2.2围护结构的选择和布置包括围护墙体和支撑(或锚杆)结构两个体系所用材料和型式的选择及布置方式。应该根据工程规模、主体工程特点、场地条件、环境保护要求、岩土工程勘察资料、土方开挖方法以及地区工程经验等因素，经综合分析比较、在确保安全可靠的前提下，选择切实可行、经济合理的方案。围护墙体和支撑结构的布置应遵循以下原则：(1)基坑围护结构的构件(包括围护墙、隔水帷幕和锚杆)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；(2)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；(3)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12.2.3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，用于验算截面承载力和基坑位移。要求：计算模型有关参数考虑前段工况基坑可能的破坏模式《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)将基坑的失稳形态归纳为两类：一、因基坑土体强度不足、地下水渗流作用而造成基坑失稳，包括基坑内外侧土体整体滑动失稳；基坑底土隆起；地层因承压水作用，管涌、渗漏等等。二、因支护结构(包括桩、墙、支撑系统等)的强度、刚度或稳定性不足引起支护系统破坏而造成基坑倒塌、破坏。基坑的第一类失稳形态（1）放坡开挖基坑由于设计不合理坡度太陡，或雨水、管道渗漏等原因造成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

（2）刚性挡土墙基坑a.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b.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加，导致墙体向坑内倾覆c.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

（3）内支撑基坑a.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b.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结构失稳和地面塌陷c.由于基坑底部土体抗剪强度较弱，产生坑底隆起破坏d.在承压含水层上覆隔水层中开挖基坑时，由于设计不合理或者坑底超挖，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

e.在砂层或者粉砂地层中开挖基坑时，降水设计不合理或者井点降水失效后，产生管涌，严重时会导致基坑失稳；f.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、降水等导致滑坡，冲毁坑内支撑或立柱，导致基坑破坏

（4）拉锚基坑a.由于围护墙插入深度不够，或基坑坑底超挖，导致基坑踢脚破坏b.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

2.基坑第二类失稳形态根据破坏类型主要表现为以下几种（1）围护墙破坏破坏模式主要是由于设计或施工不当造成墙体强度不足引起墙体剪切破坏或折断，导致基坑整体破坏。（2）支撑或者拉锚破坏该类破坏主要是因为设计支撑或拉锚强度不足，造成支撑或拉锚破坏，导致基坑失稳（3）墙后土体变形过大引起的破坏

该类破坏主要是因为围护墙刚度较小，造成墙后土体产生过大变形，危及基坑周边既有构筑物，或者使锚杆变位，或产生附加应力，危及基坑安全12.2.4围护结构稳定性验算(1)基坑边坡总体稳定验算。防止因为围护墙插入深度不够，使基坑边坡沿着墙底地基中某一滑动面产生整体滑动。(2)围护墙体抗倾覆稳定验算。防止开挖面以下地基水平抗力不足，使墙体产生绕前趾倾倒。(3)围护墙底面抗滑移验算。防止墙体底面与地基接触面上的抗剪强度不足，使墙体底面产生滑移。(4)基坑围护墙前抗隆起稳定验算。防止围护墙底部地基强度不足，产生向基坑内涌土。(5)抗竖向渗流验算。在地下水较高的地区，在基坑内外水头差或者坑底以下可能存在的承压水头作用下，防止由于地下水竖向渗流使开挖面以下地基土的被动抗力和地基承载力失效。(6)基坑周围地面沉降及其影响范围的估计。12.2.5节点设计合理的节点构造应符合以下条件：(1)方便施工；(2)节点构造与设计计算模型中的假设条件一致；(3)节点构造应起到防止构件局部失稳的作用(4)尽可能减少节点自身的变形量：(5)与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要有良好的节点延性。12.2.6其他土工问题(1)井点降水

(2)土方开挖

(3)监测12.3基坑围护结构的内力计算12.3.1围护结构的计算模型及计算原则计算模型涉及：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的结构的先期位移值以及支撑的变形的影响或采用荷载增量法进行计算，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之累计值。12.3.2桩(墙)内力的计算分析方法弹性地基杆系有限单元法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，以单元的劲度矩阵来确定5.根据静力平衡条件对于弹性地基梁单元，其劲度矩阵有两种假定(1)在弹性地基梁单元的每一节点处，各设置一附加弹性支承杆件，其刚度为：(2)采用Winkler弹性地基梁单元，其弹性曲线的微分方程式为：大多数情况下，围护结构支撑体系在平面上的布置并非呈平面对称状态，平面上各支撑的内力、变形各不相同，需要按平面框架进行设计计算。因此实际上，在这种情况下支护体系是一个三维空间受力体系。为简化设计计算工作量，实际设计往往将其简化为独立的平面支撑系统进行计算。

在工程中将围护结构中的支撑体系在结构上设计成一个水平的封闭框架，可以提高它的整体刚度，当支撑是一种临时结构时，只需要满足施工阶段的各项技术参数和工况要求即可，因此在设计中可以将结构的几何布置，尽可能地优化，选择受力性能良好的几何形式12.3.3支撑体系平面框架的计算力学模型和结构分析方法基坑围护结构一般由围护体系和支撑体系两部分组成，严格地讲，封闭支撑体系与挡土结构共同组成一空间结构体系，二者共同承受土体的约束及荷载的作用，因此支撑体系的水平位移包括两部分:第一部分是荷载作用下，支撑体系的变形；第二部分是刚体位移(包括刚体平移及转动)12.4基坑稳定性验算主要是计算基坑在外荷载作用下是否会丧失稳定(简称失稳)，基坑失稳的表现形式是多种多样的，主要有：(1)整体失稳破坏；(2)承载力不足导致的破坏；(3)基底滑动破坏；(4)基底潜蚀、管涌；(5)渗流；(6)支挡结构破坏；(7)被动土压力丧失等12.4.1边坡稳定所谓边坡稳定是指防止基坑边坡上的部分土体脱离整体而沿着某一个面向下滑动所需要的安全度。在放坡开挖的基坑中需要控制边坡稳定．在没有支护结构的基坑中、当地基深部存在软弱土层时，也需要防止在围护墙底以下可能产生的深层滑动面。边坡稳定的安全系数可定义为：砂性土的边坡稳定

砂性土中边坡稳定只取决于坡角的大小，而与坡的高度或土体的重量无关。

粘性土边坡的稳定

在粘性上中，边坡失稳时的滑动面近似于圆弧，滑动体绕某个中心向下带旋转性的滑动，在这种情况下的边坡稳定通常采用条分法分析。条分法的基本假定是：

(a)边坡失稳时、滑动体沿着一个近似于圆筒形的滑动面下滑。但当地基有软弱夹层时，可按实际可能发生的非圆弧滑动面验算。

(b)考虑平而问题。在实际工程中，可根据地基情况、边坡形状和地面荷载基本相同的原则，把边坡分成几个区段，在每个区段中选取有代表性的断面作为计算断面。边坡滑动面可以有很多个，其中最可能产生滑动的危险面要通过试算才能确定。具体步骤可参阅有关手册。12.4.2基坑抗隆起稳定随着深基坑逐步向下开挖，坑内外的压力差不断增大，就有可能会发生基坑坑底隆起现象。特别在软粘土地基中开挖时很容易发生基坑底土向上隆起现象。由于坑内外地基土体的压力差、使墙背土向基坑内推移，造成坑内土体向上隆起，坑外地面下沉的变形现象，控制这种现象发生的验算大致根据两种假定，即滑动面假定和地基极限承载力假定提出的计算方法。圆弧滑动抗隆起稳定验算

滑动面假定Terzaghi-Peck方法如图12-11，在开挖面以下，假定一个圆弧滑动面。根据在滑动面上土的抗剪强度对滑动圆弧中心的力矩与墙背开挖面标高以上土体重量（包括地面荷载)对滑动中心的力矩平衡条件，计算隆起的安全度。转动中心的位置通常认为可定在基坑最下一道支撑与围护墙的交点处考虑插入基坑开挖面以下的墙体对抗隆起的作用，隆起滑动力矩和抗隆起力矩，可分别按下式计算：式中：则抗隆起安全系数：地基极限承载力假定

如图12-12，当开挖面以下形成滑动面时，由于墙后土体下沉，使墙后土在竖直面上的抗剪强度得以发挥，减少了在开挖面标高上墙后土的垂直压力，其值可按下式估算：相应的垂直分布力为在饱和软土中土的抗剪强度地基极限承载力为抗隆起的安全系数：12.4.3整体稳