基坑工程设计、施工与监测讲座

基坑工程设计、施工与监测2024/5/232城市地下工程蓬勃发展深基坑工程越来越多第一部分基坑工程的现状与发展

城市土地资源的稀缺性决定了地下空间的开发；

加大了基础的埋置深度，对抗震有利；

基础与土体协同作用加强，增加了建筑物的整体稳定性；

补偿式基础，减少了地基附加沉降。2024/5/233

深基坑是指开挖深度超过5m的基坑、或深度未达到5m但地质情况和周围环境较复杂的基坑。

----------建设部《建筑工程预防坍塌事故若干规定》深基坑工程？环境较复杂？1）与邻近建筑物、重要设施的距离在开挖深度以内的基坑；2）基坑影响范围内（不小于2倍的基坑开挖深度）有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护的基坑。----------山东省工程建设标准《建筑基坑工程监测技术规范》2024/5/234现场地质情况较复杂？1）基坑周边存在面积较大的厚层有机质填土；2）基坑周边存在特软弱的淤泥质粘土；3）基坑周边存在暗浜、暗塘、暗井、古河道；4）临近江、海、河边并有水力联系；5）存在渗透性较大的含水层并有承压水；6）基坑潜在滑塌范围内存在岩土界面且岩体结构面向坑内倾斜等情况。2024/5/2352024/5/236新奥法（地下工程设计施工方法）：

以尽可能不恶化地层中的应力分布为前提，在施工过程中密切监测地层及结构的变形和应力，及时优化支护参数，以便最大限度地发挥地层的自稳能力。2024/5/237基坑工程分析的三个重要方面：理论分析室内外测试工程实践1、本构模型研究2、计算机数值模拟1、室内试验2、原位试验3、现场监测2024/5/238当前基坑工程设计与施工的发展方向动态设计信息化施工现场监测2024/5/239第二部分基坑工程设计和施工支护体系的方案技术经济比较和选型支护结构的强度、稳定和变形计算；基坑内外土体的稳定性验算地下水及地表水控制基坑及其周围地层的土体加固方案土方开挖方案工程监测及信息化施工对邻近建筑物及地下设施的保护应急预案2024/5/23101.支护体系的方案技术经济比较和选型水泥土桩无支护开挖方法有支护开挖方式2024/5/2311支护结构选型排桩与板墙式挡墙：板桩式挡墙：钢板桩、H型钢加横挡板柱列式挡墙：钻孔灌注桩、人工挖孔桩、钢管桩、预制钢筋混凝土桩板墙式挡墙：地下连续墙水泥土挡墙：深层水泥土搅拌桩墙、高压旋喷桩墙边坡稳定式挡墙：土钉墙、锚喷支护、复合土钉墙组合式挡墙：灌注桩与搅拌桩结合、SMW工法逆作拱挡墙2024/5/2312支护结构选型基坑周边环境基坑开挖深度工程地质与水文地质施工作业设备施工季节工程类比2024/5/23131.1排桩与板墙式挡墙2024/5/23142024/5/23152024/5/23162024/5/2317排桩或地下连续墙适用条件:

1.适于基坑侧壁安全等级一、二、三级;

2.悬臂式结构在软土场地中不宜大于5m;

3.当地下水位高于基坑底面时，宜采用降水、排桩加截水帷幕或地下连续墙.2024/5/23181.2水泥土墙2024/5/2319搅拌下沉搅拌、喷浆、提升可重复以上步骤2024/5/2320水泥土墙适用条件

1.基坑侧壁安全等级宜为二、三级

2.水泥土桩施工范围内地基土承载力不宜大于150kPa

3.基坑深度不宜大于6m2024/5/23211.3土钉墙、锚喷支护、复合土钉墙济南地区最广泛采用的基坑支护形式2024/5/2322土钉墙、锚喷支护、复合土钉墙的型式比较土钉墙土钉钢筋网砼面层土层锚杆锚喷支护水泥土墙复合土钉墙土钉2024/5/23232024/5/2324土钉墙适用条件

1.基坑侧壁安全等级宜为一、二、三级的非软土场地（素填土、粘土、粉质粘土、粉土、砂土等）。不宜用于饱和的粉细砂层、淤泥质土、砂砾卵石层。不应用于厚杂填土、松散砂土、淤泥。

2.基坑深度不宜大于12m。

3.当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施。2024/5/2325锚喷支护土层锚杆适用范围无流砂及淤泥土层；基坑周围地下空间允许锚杆占用；基坑开挖深度一般不超过18m；对硬塑土层可适当放宽，对风化岩层可不受此限。2024/5/2326复合土钉墙(b)土钉墙+截水帷幕+预应力锚杆

(c)土钉墙＋微型桩＋预应力锚杆

(d)土钉墙＋搅拌桩截水帷幕＋微型桩+预应力锚杆

(a)土钉墙+预应力锚杆

2024/5/2328超前支护的作用——1.控制变形；2.提高自稳能力；3.隔水。预应力锚杆——控制变形。2024/5/2329复合土钉墙适用范围：非软土，坑深12～15m。(a)土钉墙+预应力锚杆

适用于地下水位以上或经降水的非软土基坑。当土钉墙坡度大于1：0.5时，基坑深度不宜大于15m。2024/5/2330坑深超过15m或受周边环境限制满足不了条件，怎么办？

疏排桩－复合土钉墙支护体系

2024/5/2331(b)土钉墙+截水帷幕+预应力锚杆

适用于需设置截水帷幕和对变形控制有一定要求的工程。2024/5/2332(c)土钉墙＋微型桩＋预应力锚杆

适用于场地有薄层软弱夹层和对变形控制有较严格要求的工程。2024/5/2333适用于以上两种情况且相对较深的基坑工程。(d)土钉墙＋搅拌桩截水帷幕＋微型桩+预应力锚杆下列情况不宜用土钉墙和复合土钉墙：在基坑开挖深度范围内，存在不良土层（软土、流塑和软塑粘性土、松散砂土和填土）总厚度大于6m。在基坑开挖深度范围内，软土或松散填土厚度大于3m。基坑垂直开挖深度超过12m（无坡率）。基坑开挖深度范围内有承压水的地层。坑底以上存在压力水头大于5m的砂土、粉土含水层。常遇到的问题：1、淤泥？一般不应采用复合土钉墙。特殊情况下，淤泥厚度应不大于3m，基坑深度不宜大于6m。2、淤泥质土？周边环境条件许可时，可以采用复合土钉墙。但基坑深度不宜大于6m。（上海规定）遇到较厚（大于3m）的松散填土？1、挖除一部分。2、局部范围的，采用地基加固的方法处理（夯实、注浆、竖向花管等）后，可采用复合土钉墙。3、选择更可靠的支护形式。遇到软土？2024/5/2336遇到物权问题？1、不应超越用地红线（上海规定）。2、不宜伸入临近建筑物基础之下。2024/5/23372024/5/23381.4组合式挡墙SMW工法的工作机理SMW工法的工作机理就是通过特殊的多轴深层搅拌机将土体切散，同时从其钻头前端将水泥浆注入土体，通过搅拌头将水泥浆与原位土反复混合搅拌，采取重迭搭接，在水泥土混合体未结硬前，按设计间距插入H型钢或钢板桩作为应力加强材料，直至水泥土结硬后形成型钢水泥土复合挡土墙，当围护结构的挡土功能完成以后，回收型钢重复使用。（1）SMW工法2024/5/2339SMW工法适用范围

凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用劲性水泥土搅拌桩法，尤其适合于粘土和粉细砂为主的松软地层。基坑深度国内6—10m，日本—20m以上

施工噪音低

止水好，强度可靠，适合于各种土层

一定条件下可取代地下连续墙

2024/5/2341

2024/5/2342（2）灌注桩与水泥土桩结合灌注桩水泥土桩冠梁适用范围：1.适于基坑侧壁安全等级一、二、三级。2.软弱地层，挖深≤12m。2024/5/23432024/5/23441.5逆作拱墙拱墙肋梁基坑侧壁安全等级宜为二、三级，淤泥和淤泥质土场地不宜采用;拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/8;基坑深度不宜大于12m;

地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施.适用范围:2024/5/2345支撑选型内支撑钢结构支撑：钢管（ф609）、型钢（H型钢）钢筋混凝土支撑外拉锚挡墙顶部拉锚土锚杆拉锚内支撑围檩斜撑——济南恒隆广场深基坑节省成本，速度快。但地下结构留洞多。2024/5/2347钢管支撑端部的活络头子和琵琶斜撑的具体构造2024/5/2349外拉锚围檩外拉锚挡墙顶部拉锚土锚杆拉锚顶部拉锚短桩2024/5/2350外拉锚2024/5/2351内支撑的布置方式2024/5/2353２．支护结构的设计计算2.1荷载与抗力计算2.1.1支护结构水平荷载标准值对于碎石土和砂土（水土分算）当计算点位于地下水位以上时:当计算点位于地下水位以下时:2024/5/2354(2)对于粉土和粘土（水土合算）2024/5/23552.1.2基坑外侧竖向应力标准值σajk=σrk+σok+σ1k（１）计算点深度自重竖向应力σrk加权平均天然重度！（2）地面满布附加荷载σok

设计无要求时，按20KPa！（3）地表条形附加荷载σ1k

基础的埋深、作用宽度2024/5/23562.1.3基坑内侧水平抗力标准值（1）碎石土和砂土（2）粉土和粘土

被动土压力系数！2.1.4基坑底面以下竖向应力标准值加权平均天然重度！2024/5/23572.2支护结构的破坏形式2.2.1非重力式支护结构的破坏形式

强度破坏拉锚破坏或支撑压曲支护墙底部走动支护墙的平面变形过大或弯曲破坏

稳定性破坏墙后土体整体滑动失稳坑底隆起管涌2024/5/23592.2.2重力式支护结构的破坏形式

3.3.2.1强度破坏水泥土抗剪强度不足，产生剪切破坏。3.3.2.2稳定性破坏倾覆滑移土体整体滑移失稳坑底隆起管涌2024/5/23602.2.3复合土钉墙的破坏形式

稳定性破坏内部稳定性外部稳定性：整体滑移、整体倾覆整体稳定性底部稳定性：坑底隆起、墙底承载力、坑底附近水泥土桩的破坏、管涌2024/5/23612024/5/23622024/5/23632024/5/23642024/5/2365复合土钉墙的设计与施工2024/5/23661.复合土钉墙的设计计算国标编写：

将考虑帷幕、微型桩和预应力锚杆的贡献。2、复合土钉墙的施工与检测挖土分层厚度应与土钉竖向间距一致，逐层开挖并施工土钉，禁止超挖；开挖后应及时封闭临空面，应在24小时内完成土钉安设和喷射混凝土面层；在淤泥质地层中开挖时，应在12小时内完成土钉安设和喷射混凝土面层；上一层土钉完成注浆后，应至少间隔48小时方可允许开挖下一层土方；水泥土搅拌桩，相互搭接长度应大于200mm，定位误差应小于50mm，垂直度误差应小于1.0%，水泥土搅拌桩中水泥掺量和施工等应符合设计要求；土钉成孔孔径和倾角应符合设计要求；孔位误差应小于50mm，孔径误差应小于±15mm，倾角误差小于±2°，孔深可为土钉长度+300mm；钢筋土钉应沿周边焊接居中支架；2、复合土钉墙的施工与检测钢筋土钉孔内二次注浆；钢管土钉留倒刺，压力注浆；喷射砼厚度符合设计要求，厚度均匀；土钉和锚杆的基本实验和验收试验。1%，不少于3根。喷射砼的抗压强度试验；喷射砼的喷层厚度检查。500m2一组。开挖前微型桩宜进行低应变检测。1%抗拔力问题？2024/5/23693地下水和地表水控制2024/5/23703.1地下水流的基本性质

地下水分潜水和层间水两种。

潜水即从地表算起第一层不透水层以上含水层中所含的水，这种水无压力，属于重力水。

层间水即夹于两不透水层之间含水层中所含的水。如果水末充满此含水层，水没有压力，称无压层间水；如果水充满此含水层，水则带有压力，称承压层间水(因l—1)。2024/5/2371动水压力GDh1z1H1h2z2H2L推论:水的单位阻力T:T=γw(H1–H2)/LT=γwI动水压力GDGD=－T=－γwI2024/5/2372动水压力GDGD=-γwII=(H1–H2)/L流砂现象:GD≥γ’w(土的浸水重度)GDγ’wH1–H2L多发生在颗粒级配均匀而细的粉、细砂等砂性土中。防治措施：1）降水；2）防水帷幕临界坡度IcrGD=γ’wγwIcr=γ’wIcr=γ’w/γw=(γsat–

γw)

/γw防止管涌:Icr

≥kI2024/5/2373渗透系数k

水的流动轨迹包括层流和紊流，水在土中运动的速度不大，属于层流。水在土中渗流的基本规律：达西定律：渗流速度v=kI渗透系数k的物理意义：水力坡度等于1时的渗流速度

影响土的渗透系数的主要因素有：土的粒度、密实度、饱和度、土的结构和构造等。2024/5/23741集水明排3.2地下水控制方法2024/5/2375当基坑侧壁出现分层渗水时，可按不同高程设置导水管、导水沟等构成明排系统；当基坑侧壁渗水量较大或不能分层明排时，宜采用导水降水方法。基坑明排尚应重视环境排水，当地表水会对基坑侧壁产生冲刷时，宜在基坑外采取截水、封堵、导流等措施。2024/5/2376井点降水的作用2.井点降水2024/5/2377

降水方法适用范围降水深度（m）渗透系数（cm/s）适用地层集水明排<51×10-7～2×10-4含薄层粉砂的粉质黏土，黏质粉土，砂质粉土，粉细砂轻型井点多级轻型井点<66～10喷射井点8～20砂（砾）渗井按下卧导水层性质确定＞5×10-7电渗井点根据选定的井点确定＜1×10-7黏土，淤泥质黏土，粉质黏土管井（深井）＞6＞1×10-6含薄层粉砂的粉质黏土，砂质粉土，各类砂土，砾砂，卵石2024/5/2378轻型井点设备2024/5/2379轻型井点设备工作原理滤管构造2024/5/2381水井种类2024/5/2382轻型井点系统的计算步骤确定井点系统的布置方式；计算涌水量；计算井点数量和井距；校核水位降低数值；选择水泵规格等。2024/5/2383高程布置h≥h1十△h十iL(m)2024/5/23842024/5/2385井点管的埋设与使用1）埋设方法：水冲法：冲孔、埋管钻孔法：正循环钻、反循环钻、冲击钻振动水冲法：井点系统的安装顺序是：—挖井点沟槽、铺设集水总管；—冲孔，沉设井点管，灌填砂滤料；—弯联管将井点管与集水总管连接；安装抽水设备；试抽。2024/5/23863)使用要求：开挖前2～5天开泵降水；软土中提前2周降水。连续抽水不间断（水量先大后小，先混后清），防止堵塞。

轻型井点系统安装完毕后，应立即进行抽水试验，如发现漏气、漏水现象，应及时处理。若发现滤管被泥砂堵塞，则属于“死井”，应逐根用高压水反向冲洗或拔出重新沉设。经抽水试验合格后，井点孔到地面以下0.5～1.0m的深度范围内，应用粘土填塞孔，以防止漏气和地表水下渗。

2024/5/2387喷射井点2024/5/2389电渗井点

井渗井点是在降水井点管的内侧打入金属棒(钢筋、钢管等)，连以导线。以井点管为阴极，金属棒为阳极，通入直流电后，土颗料自阴极向阳极移动，称电泳现象，使土体固结；地下水自阳极向阴极移动，称电渗现象，使软土地基易于排水，如图1—11所示。它用于渗透系数小于o．1m／d的土层。<60V的直流电源钢管深井井点井孔粘土封口φ50出水管电缆砾石滤水层φ375钢井管潜水电泵滤水管滤网导向段开孔底板中粗砂φ75总管钢板井盖φ50出水管无砂混凝土管深管井井点井孔潜水电泵砾石滤水层沉砂管无砂混凝土滤水管沉砂管粘土封口深井降水2024/5/2391

带真空的深井泵是近年来在上海等地区应用较多的一种深层降水设备。每一个深井泵由井管和滤管组成，单独配备一台电动机和一台真空泵，开动后达到一定的真空度，则可达到深层降水的目的，在渗透系数较小的淤泥质粘土中亦能降水。真空深井降水2024/5/2392基坑工程中降水方案的选择与设计应满足下列要求:(1)保证降水期间临近建筑物及地下管线的正常使用;(2)基坑开挖及地下结构施工期间，地下水位保持在基底以下0.5-1.0m;(3)深部承压水不引起坑底隆起:(4)保证基坑边坡的稳定。疏干井降水(a)封闭型疏干降水(b)敞开型疏干降水(c)半封闭型疏干降水降低水位；提高稳定性；方便机械作业。2024/5/2394疏干降水效果可从两个方面检验：

1、观测坑内地下水位是否已达到设计或施工要求的埋深；

2、通过观测疏干降水的总排水量或其它测试手段，判别被开挖土体含水量是否已下降到有效范围内。

疏干降水，短期内不可能将被开挖土体完全“疏干”！

(1)在正式开始降水之前，进行降水试运行。

(2)基坑开挖前应提前进行预降水，一般在开挖前须保证有2周左右的预降水时间。

(3)在基坑开挖阶段，坑内因降雨或其他因素形成的积水应及时排出坑外，尽量减少大气降水和坑内积水的入渗。

(4)应避免抽出的地下水就地回渗，影响降水效果。

(5)坑内疏干含水层与坑外地下水水力联系较强的基坑工程，应严格执行“按需疏干”的降水运行原则，避免过量降低地下水位。

(6)在基坑内、外，均应进行地下水位监控。条件许可时，宜采用地下水位自动监控手段，对地下水位实行全程跟踪监测。

(7)疏干井管可随基坑开挖进程逐步割除。当基坑开挖至设计深度后，应根据坑位地下水的补给条件或水位恢复特征，采取合适的封井措施对疏干井进行有效封闭。

疏干降水运行可从以下几个方面进行控制：2024/5/2396承压水降水承压水基坑突涌（突水、涌砂或涌土）

基坑突涌引起的工程事故是无可挽回的灾难性事故，经济损失巨大，社会负面影响严重。（1）坑内减压降水

(a)坑内承压含水层半封闭（L不小于承压含水层厚度的1/2

）

(b)悬挂式止水帷幕

（L不小于10.0m）阻隔效应：帷幕深度影响渗流路线长度。2024/5/2398(c)坑内承压含水层全封闭2024/5/2399(2)坑外减压降水(a)坑内外承压含水层全连通(b)坑内外承压含水层几乎全连通

减小隔水帷幕的挡水(屏蔽)功效，以较小的抽水流量，使基坑范围内的承压水水头降低到设计标高以下，尽量减小坑外水头降深与降水引起的地面变形。2024/5/23100承压水降水运行控制要点：1、通过承压水降水运行，应能保证将承压水位控制在安全埋深以下。2、应严格遵守“按需减压降水”的原则。应避免过量抽水、水位降深过大。3、可采取控制降水幅度、人工地下水回灌或其他有效的环境保护措施。4、降水运行应实行不间断的连续监控。对于重大深基坑工程，应考虑采用水位自动监测系统对承压水位实行全程跟踪监测，2024/5/231013截水井点截水帷幕不透水层坑底2024/5/231021)截水帷幕的厚度应满足基坑防渗要求，截水帷幕的渗透系数宜小于1.0×10-bcm/s。2)落底式竖向截水帷幕应插入下卧不透水层，其插入深度可按下式计算：l=0.2h-0.5b(8.4.2)式中：l──帷幕插入不透水层的深度； h──作用水头； b──帷幕厚度。不透水层

坑底2024/5/231033)当地下含水层渗透性较强，厚度较大时，可采用悬挂式竖向截水与坑内井点降水相结合或采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案。

4)截水帷幕施工方法、工艺和机具的选择应根据场地工程地质、水文地质及施工条件等综合确定。施工质量应满足现行《建筑地基处理规范》JGJ79的有关规定。

承压水层黏土层2024/5/231044回灌回灌后的水位线（1）避免两井相通，回灌与降水井点距离不宜小于6米（2）回灌井点间距应根据降水井点和被保护物的平面位置确定。（3）回灌井点宜进入稳定降水曲线下1米，且位于渗透性较好的土层中，过滤管的长度应大于降水井点过滤段的长度。（4）设置水位观测井回灌井点布置2024/5/23106施工要点（1）回灌井点埋设方法:回灌砂井的灌砂量应取井孔体积的95%，填料宜采用含泥量不大于3%，不均匀系数在3～5之间的纯净中粗砂。（2）回灌水量保持平衡:回灌水量可通过水位观测孔中水位变化进行控制和调节，不宜超过原水位标高。（3）设置高位水箱:回灌水箱高度可根据灌入水量配置。（4）采用清水回灌；（5）降水与回灌协调工作。1.在降水前认真做好对周围环境的调研工作。

2.合理安排工期，避免长时间、大面积降水。绕渗问题。

3.按需降水，严格控制水位降深。

4.防范抽水带走土层中的细颗粒。

5.如果降水现场周围有湖、河、浜导贮水体时，应考虑在井点与贮水体间设置挡土帷幕。

6.宜尽量采用坑内降水方法。

7.降水场地外侧设置隔水帷幕。

8.降水场地外缘设置回灌井系统

5减小与控制降水引起地面沉降的措施2024/5/23108济南某工程降水方案3.3地表水控制总的要求：

有组织的及时排放，防止地表水下渗、漫坡流动和坑内积水。地面硬化：范围和厚度。排水沟、集水井：地面和坑内坡度：排水沟和地面排水坡度。土壁护面和泄水孔。山坡下设截水沟。2024/5/231104基坑及其周围地层的土体加固方案（1）抵抗坑底承压水的坑底地基加固承压水顶破坑底而发生涌砂、隆起，基坑底面作成与挡墙结成整体的抗承压水底板。方法1：旋喷桩加固土体承压水层粘土层加固土体挡墙2024/5/23112方法2：化学灌浆法加固土体承压水层粘土层加固土体用化学灌浆的方法将坑底透水层加固成不透水层。加固层底面以上土重与其下面承压水压力平衡。挡墙2024/5/23113hw方法3：深水井点降低承压水水压。承压水层粘土层挡墙h2024/5/23114（2）基坑外设防水帷幕严防挡墙缝隙水土流失和挡墙底部管涌。在地下水位以下的松散砂、砾或渗透性较大的土层中，在排桩式挡墙或密水性较差的挡墙外侧，采用搅拌桩、旋喷桩、化学灌浆等做成防水帷幕，防水帷幕在坑底以下的插入深度无比满足管涌的安全要求。防水帷幕钢板桩Ht平均渗流水力坡度Im=H/(H+2t)

<

临界水力坡度2024/5/23115（3）坑内降水预固结地基法井点截水帷幕坑底对密封性良好的围护墙体基坑内的含水砂性土或软弱粘性土夹薄砂层等可适宜降水的地基，在开挖前超前降水。

便于开挖土方

提高挡土墙被动区及基坑中土体的强度和刚度，并减少土体流变性，满足基坑稳定和控制土体变形要求。2024/5/23116（4）挡墙被动区加固法流塑、软塑粘性土层的深大基坑，当邻近建筑设施时，为了控制挡墙侧向位移，在基坑开挖前一定时间，对挡墙被动区，用水泥搅拌桩、旋喷桩或分层注浆法进行加固。0.5DD流塑黏土层2024/5/23117（5）放坡开挖的边坡加固法-2.8-3.5-5.5+2.0+3.5+5.0+7.5淤泥质粘土加薄层粉砂粉质粘土上海宝钢4号泵站一侧2024/5/231185开挖方案的选择（1）无支护开挖方法

垂直开挖

放坡开挖

分级放坡2024/5/23119场地允许；邻近无重要建筑物和管线；基坑边土体位移限制不大；土质为一般粘性土或粉土以及碎石土、风化岩石等良好土质；开挖深度超过4—5米时，宜采用分级放坡；地下水位降至坑底。放坡开挖的适用条件2024/5/231204（2）有支护结构的基坑开挖

盆式开挖优点：

挡墙的无支撑