项目6基坑工程

项目(xiàngmù)6基坑工程共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程【项目(xiàngmù)概述】建筑物或构筑物地下部分施工前需开挖基坑，为保证基坑施工、主体地下结构的安全和周围环境不受损害，要进行支护、降水和开挖，并进行相应的勘察、设计、施工和监测等工作，这项综合性的工程就称为基坑工程。

国外在深基坑工程方面的研究比较早，技术比较成熟。而我国在这方面的研究起步较晚，一直存在着施工技术领先于设计理论的情况。20世纪90年代以来，基坑工程的设计理论和施工技术日益进步，不但涌现出多种符合我国国情的适用的基坑支护方法，而且使得基坑工程的设计理论、计算方法也得到了不断的改进，施工工艺得到了长足进步。共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程【项目(xiàngmù)目标】共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.1概述(ɡàishù)基坑的开挖方式可分为放坡开挖和支护开挖两大类。放坡开挖施工方便，工期短且较经济，在空旷地区应优先采用。但在建筑物稠密的地区施工时，基坑周围往往没有足够的放坡区域，这时就需要采用支护开挖。无论采用哪一种开挖方式，基坑工程通常都应满足以下三个方面的要求：1.保证基坑的稳定性，包括基坑整体稳定性、坑底抗隆起和抗渗流稳定性；2.基坑周围的地面沉降和水平位移应控制在允许范围内，以保证相邻的建筑物、构筑物和地下管线不受损害；3.采取必要的降水或截水措施，以保证地下工程的施工作业面在地下水位以上。6.1.1基坑支护结构的概念基坑支护是为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。为了在基坑支护工程中做到技术先进，经济合理，确保基坑放坡、基坑周边建筑物道路和地下设施的安全，应综合场地工程地质与水文地质条件、地下室的要求、基坑开挖深度、降排水条件、周边环境和周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，因地制宜的选择合理的支护结构形式。共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.1概述(ɡàishù)6.1.2基坑工程特点基坑工程是一项综合性很强的系统工程，其内容包括勘察、支护结构设计、施工、监测和周围环境保护等。基坑工程具有如下的特点：1.设计理论不完善。2.技术综合性强3.基坑支护结构属于临时性结构4.与自然条件及环境条件密切相关5.与施工方案密切相关共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.2常用支护结构(jiégòu)类型及选择基坑支护结构型式主要有以下几类：1.放坡开挖及简易支护结构当地基土性较好，基坑开挖深度不大．施工场地条件允许时可采用放坡开挖。为了增加基坑边坡的稳定性，可在坡脚采用换装砂土、堆砌块石等简易围护措施。但挖填土方量太大致使工期长、费用高时，则不宜采用放坡开挖。图片文字不清共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.2常用支护(zhīhù)结构类型及选择

2.悬臂式支护结构。

悬臂式(自立式)挡墙不设置支撑或锚杆，完全依靠挡墙的嵌固深度维持其自身的稳定。如右图所示，其型式有板桩墙、排挤墙和地下连续墙。悬臂式挡墙的截和弯矩与水平位移会随着悬臂长度的增加而迅速增大，因此这种开挖方式适用于开挖深度不大(一般在6m以内)、对挡墙水平位移控制要求不严的基坑。3.重力式支护结构重力式挡墙是依靠其自重来抵抗土压力、维持自身的稳定性，其型式主要有挖孔填料式挡墙和水泥土挡墙。如右图所示。这类挡墙形式简单、施工方便、造价经济，适用于基坑边缘有一定宽度的施工场地、开挖深度较小(一般在6m以内)、对周围环境保护要求不高的基坑支护。共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.2常用支护结构类型(lèixíng)及选择水泥土重力式围护墙的破坏形式主要有以下几种：

(1)由于墙体入土深度不够，或由于墙底土体太软弱，抗剪强度不够等原因，导致墙体及附近土体整体滑移破坏，基底土体隆起。如图（a）；

（2）由于墙体后侧发生挤土施工、基坑边堆载、重型施工机械作用等引起墙后土压力增加、或者由于墙体抗倾覆稳定性不够，导致墙体倾覆，如图（b）；

（3）由于墙前被动区土体强度较低、设计抗滑稳定性不够，导致墙体变形过大或整体刚性移动。设计墙体抗压强度、抗剪强度或抗拉强度不够，或者由于施工质量达不到设计要求时，导致墙体压、剪或拉等破坏如图（c）（d）。共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.2常用支护(zhīhù)结构类型及选择4.内撑式支护结构。内撑式挡墙是在基坑内设置一层或数层钢或钢筋混凝土支撑，以减小挡墙的内力和位移。挡墙常采用板桩、排桩或地下连续墙。支撑型式有水平支撑和竖向斜支撑两大类如图6.6所示。内撑体系采用现浇钢筋混凝土杆件、钢管或型钢等。因内撑体系刚度好、变形小，可用于各类土层的基坑工程中。目前在工程中应用的地下连续墙的结构形式主要有壁板式、T型和П形地下连续墙、格形地下连续墙、预应力或非预应力U形折板地下连续墙等几种形式。

(1)板式又可分为直线壁板式(2)T型(3)格形地下连续墙(4)应力或非预应力U形折板地下连续墙注意行距共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.2常用(chánɡyònɡ)支护结构类型及选择5.锚杆式支护结构锚杆式挡墙和锚杆（包括地面拉锚）两部分组成。适用范围与内撑式相似，其特点是不占用坑内空间，方便土方开挖和结构施工，但锚杆的设置需要周围环境允许。当软土层较厚而不足为锚杆提供足够的锚固力时，宜采用内撑式挡墙支护。锚杆是将受拉杆件的一端（锚固段）固定在稳定地层中，另一端与工程构筑物相联结，用以承受由于土压力、水压力等施加于建筑物的推力，从而利用地层的锚固力以维持构筑物的稳定。锚杆外露于地面的一端用锚头固定。一种情况是锚头直接附着结构上并满足结构的稳定；另一种情况通过梁板、格构或其他部件将锚头施加的应力传递于更为广阔的岩土体面。岩土锚固通过埋设在地层中的锚杆，将结构物与地层紧紧地联系在一起，依赖锚杆与周围地层体的稳定。与其它支护形式相比，锚杆支护具有以下特点：（1）提供开阔的施工空间，极大地方便土方开挖和主体结构施工，锚杆施工机械及设备的作业空间不大，适合各种地形及场地。（2）对岩土体的扰动小，在地层开挖后，能立即提供抗力，且可施加预应力，控制变形发展。（3）锚杆的作用部位、方向、间距、密度和施工时间可以根据需要灵活调整。（4）用锚杆代替钢或钢筋混凝土支撑，可以节省大量钢材，减少土方开挖量，改善施工条件，尤其对于面积很大、支撑布置困难的基坑。

（5）锚杆的抗拔能力可通过实验来确定，可保证设计有足够的安全度。共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.2常用支护(zhīhù)结构类型及选择6.土钉围护结构土钉围护结构（土钉墙）是由被加固土、设置于原位土体中的土钉(螺纹钢筋、型钢等)及附着于坡面厚度约80~100mm的配筋喷射混凝土面板组成，形成类似重力式墙的挡土墙，以抵抗墙后土压力等荷载，使边坡维持稳定。土钉墙施工设备简单，施工速度快，工程造价低，对环境干扰小，适宜在地下水位以上高度小于12m的基坑边坡围护工程中采用，不适宜在含水丰富的粉细砂、砂砾石层，淤泥质土、淤泥及其他饱和软土层中采用。主要类型有：（1）土钉墙+预应力锚杆（2）土钉墙+止水帷幕（3）土钉墙+微型桩

（4）土钉墙+止水帷幕+预应力锚杆

（5）土钉墙+微型桩+预应力锚杆（6）土钉墙＋搅拌桩+微型桩

（7）土钉墙+止水帷幕+微型桩+预应力锚杆共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.2常用支护结构(jiégòu)类型及选择7.水泥土深层搅拌桩挡墙国内常用深层搅拌法形成重力式挡墙。一般形成格栅状。这类挡土结构的优点是不设支撑，不渗水，并且只需水泥，不要钢材，造价低，但为了保持稳定，一般宽度很大。在日本一般采用SMW工法(SoilMixedwall)，这种方法是在单排搅拌桩内插入H型钢，再配以支撑系统，从而达到既挡土又挡水的目的。如门架式支护结构、拱式组合型支护结构、加筋水泥土支护结构、沉井支护结构等。8.其他支护结构如门架式支护结构、拱式组合型支护结构、加筋水泥土支护结构、沉井支护结构等。共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.3基坑支护(zhīhù)结构的计算与设计早在20世纪40年代．Terzaghi和Peck等学者就对基坑开挖的稳定性和支撑的内力等进行了研究并提出了计算方法。20世纪50年代，Bjerrum等又分析了基坑坑底的隆起。20世纪80年代，我国开始出现一些较深的基坑，在上海软土地区出现两层地下室，开挖深度8m左右。基坑多采用钢板桩支护，计算多采用等值梁法、弹性曲线法等简单的方法。进入20世纪90年代，我国的高层和超高层建筑进入迅速发展的新阶段，工程实践的增多，促进了基坑工程学科的发展，支护结构的形式逐渐多样化。例如，水泥土深层搅拌桩、钻孔灌注桩、挖孔桩、土钉墙和地下连续墙等应用在不同条件的基坑工程中。在计算理论和计算技术方面提高更快，有限元法和计算机的应用，大大提高了计算精度和速度。我国在1999年制定了国家行业标准JGJ120—1999《建筑基抗支护技术规程》。这些法规的出现，将能进一步提高基坑工程的设计和施工水平。6.3.1基坑工程设计所需资料及设计内容

基坑支护作为一个结构体系，应要满足稳定和变形的要求，即通常规范所说的两种极限状态的要求，即承载能力极限状态和正常使用极限状态。共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.3基坑(jīkēnɡ)支护结构的计算与设计基坑支护设计相对于承载力极限状态要有足够的安全系数，不致使支护产生失稳，而在保证不出现失稳的条件下，还要控制位移量，不致影响周边建筑物的安全使用。因而，作为设计的计算理论，不但要能计算支护结构的稳定问题，还应计算其变形，并根据周边环境条件，控制变形在一定的范围内。基坑工程设计是应用勘察资料进行支护结构、降水、土方开挖方案、监测和环境保护方案等的设计，基坑工程的设计与施工密切相关，施工工艺、施工顺序、支撑形成与拆除等都会影响计算结果。因此，详细了解各个施工工况对正确进行支护设计十分重要。在进行基坑工程设计之前，应收集下列资料：岩土工程勘察报告；邻近建筑物和地下设施的类型及分布图；用地界限及红线图、邻近地下管线图、建筑总平面图、地下结构平面和剖面图等。基坑工程的设计内容：1.支护体系的方案比较和选型；2.支护结构的强度和变形计算；3.基坑稳定性验算；4.围护墙的抗渗计算；5.降水方案；6.挖土方案；7.监测方案与环境保护要求。共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.3基坑支护结构的计算(jìsuàn)与设计6.3.2土压力计算挡土墙上的土压力有三种：（1）静止土压力；（2）主动土压力；（3）被动土压力。朗肯土压力理论是朗肯于1857年提出的，它是假定挡土墙为刚性体，墙背直立、光滑，墙后的土体表面水平且无限延伸，这时墙背和土体内的任意水平面均为主平面，而且在这两个平面上的剪应力为零。作用在该平面上的法向应力即为主应力。朗肯根据墙后土体处于极限平衡状态，应用极限平衡条件，推导出了主动土压力和被动土压力计算公式。朗肯土压力理论因为没有考虑墙背摩擦力，计算的主动土压力偏小，而被动土压力偏大。6.3.3支护结构设计共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.3基坑(jīkēnɡ)支护结构的计算与设计6.3.3支护结构设计深基坑支护结构的设计与计算一般采用“荷载——结构”的定量计算与分析方法。以桩、墙式支护结构为例，其设计计算方法主要有极限平衡法、土抗力法和有限单元法。1.极限平衡法极限平衡法是目前工程设计人员最常用的方法，其要点是假定作用在支护结构前后的土压力分别达到被动和主动土压力极限，采用经典土力学理论计算出土压力，在此基础上再做某些力学上的简化，把超静定的结构力学问题简化为静定问题求解。等值梁法、静力平衡法、太沙基法和二分之一分割法等部属于此类方法，国内采用较多的是等值梁法和静力平衡法。此类方法难以反映参数变异性对围护结构稳定性的影响。2.土抗力法土抗力法又称“地基反力法”、“弹性抗力法”或“竖向弹性地基梁的基床系数法”等。它针对常规设计方法中支护结构内侧被动土压力计算中的问题提出了改进。引用横向抗力的概念，将外侧主动土压力作为水平荷载施加在支护结构上，用弹性地基梁法计算支护结构的变形和内力。内侧土体对支护结构的水平土压力用弹性抗力系数模拟。弹性抗力法除了对被动土压力做了少许修改外，对于常规方法中出现的其他问题并没有解决。另外，计算与实际情况符合与否取决于基床系数的选取，具有很强的经验性。共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.3基坑支护结构的计算(jìsuàn)与设计6.3.3支护结构设计3.有限元法有限元法可以从空间、时间上比较全面地反映各种因素(固结、渗流、流变)对支护结构及周围土体应力、位移的影响，直接解得杖体侧向位移和地表沉降及土体双层沉降，还可以对分级开挖施工过程进行模拟。有限元法是科研的主要计算手段。4.基坑支护结构设计原则：(1)基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计表达式进行设计。(2)基坑支护结构极限状态可分为下列两类：承载能力极限状态、正常使用极限状态(3)支护结构设计应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响，对于安全等级为一级和对周边环境有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性、对变形的适应能力及土的性质等因素确定支护结构的水平变形限值。(4)当场地内有地下水时，应根据场地及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构与基础型式等因素，确定地下控制方法。当场地周围有地表水汇流、排泻或地下水管渗漏时，应对基坑采取保护措施。共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.3基坑支护(zhīhù)结构的计算与设计(5)根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求，基坑支护应按下列规定进行计算和验算：①基坑支护结构均应进行承载能力极限状态的计算，计算内容应包括：①根据基坑支护形式及其受力特点进行土体稳定性计算；②基坑支护结构的受压、受弯、受剪承载力计算；③当有锚杆或支撑时，应对其进行承载力计算和稳定性验算；②对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。③地下水控制计算和验算a.抗渗透稳定性验算；b.基坑底突涌稳定性验算；c.根据支护结构设计要求进行地下水位控制计算；(6)基坑支护设计内容应包括对支护结构计算和验算、质量检测及施工监控的要求。(7)当有条件时，基坑应采用局部或全部放坡开挖，放坡坡度应满足其稳定性要求。6.3.3支护结构设计共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.4基坑(jīkēnɡ)稳定性分析基坑稳定性分析是基坑支护设计的重要内容之一，其目的在于对给定的支护结构形式设计出合理的嵌固深度，或验算拟定支挡结构的设计是否稳定和合理。基坑的稳定性不同于支护结构的抗滑移、倾覆稳定性，当基坑失稳时，支护结构可能同时丧失整体稳定，也有可能仍处于稳定状态，仅基坑底出现隆起、流土等。其内容包括：基坑整体稳定性验算、基坑底抗隆起稳定性验算和基坑底抗渗流稳定性验算等；6.4.1基坑整体稳定性验算基坑整体稳定性分析实际上是对支护结构的直立土坡进行稳定性分析，通过分析确定支护结构的嵌固深度，如水泥土桩墙、多层支点排桩和地下连续墙的嵌固深度。基坑整体稳定性计算方法，采用圆弧滑动面简单条分法，按总应力法计算。取单位墙宽分折（如图），基坑支护结构整体稳定性安全系数应满足：

基坑整体稳定性分析共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.4基坑(jīkēnɡ)稳定性分析6.4.2基坑底抗隆起稳定性验算基坑底抗隆起的验算方法很多，下面主要介绍普朗特与太沙基的抗隆起验算方法。将墙底面的平面作为求极限承载力的基准面，参照普朗特和太沙基的地基承载力公式，其滑动线形状如图所示。建议采用下式进行抗隆起安全系数验算，以求得支护结构的嵌固深度：太沙基和普朗特抗隆起计算法共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.4基坑(jīkēnɡ)稳定性分析6.4.3基坑底抗渗流稳定性验算

在地下水丰富、渗流系数较大的地区进行支护开挖时，通常要在基坑内降水，由于基坑内外水位差导致基坑外的地下水绕过围护墙下端向基坑内渗流。在软粘土地基中渗流力往往使地基产生突发性的泥流涌出，从而出现管涌现象。以上现象发生后，使基坑内土体向上推移，基坑外地面产生下沉，墙前被动土压力减少甚至丧失，危及支护结构的稳定。验算抗渗流稳定的基本原则是:使基坑内土体的有效压力大于地下水的渗透力。基坑抗渗流稳定性验算包括坑底抗流砂稳定性验算和坑底土抗突涌稳定性验算。1.坑底抗流砂稳定性抗流砂稳定安全系数应满足基坑底抗流砂稳定性验算基坑底抗突涌稳定性验算2.基坑底土突涌稳定性如果在基底下的不透水层较薄，而且在不透水层下面存在承压水层时，当上覆土重不足以抵挡下部的水压时，基坑底土体将会发生突涌破坏(反压顶破)共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.5基坑(jīkēnɡ)工程施工对周边及环境的影响基坑工程施工对周边建筑物、地铁隧道、大型地下管线等造成的损伤或破坏性影响，不仅会因其重大的经济损失，更将造成严重的社会及政治影响，且其损失是不可挽回的。另一方面，缺乏研究和正确的认识又往往存在夸大基坑工程对周边环境影响程度的倾向，使得这种环境条件下的基坑工程设计和施工异常保守，导致工程造价偏高，浪费大量人力和物力资源，不利于基坑工程的可持续发展和节约型社会的建设。因此，城市环境条件下的基坑工程既是一个技术问题也是一个社会问题，必须引起足够重视。近些年，基坑工程的环境条件日趋复杂，常常有由于基坑施工而引起建筑物或地下管线破坏的现象发生，而基坑支护结构并无破坏现象，因此基坑支护结构除满足强度要求外，还要满足基坑周边环境的变形控制要求，即设计由传统的强度控制转变为变形控制。对于复杂条件下的基坑工程，需要全面掌握周边环境的状况，采用合理的分析方法分析基坑开挖可能对周边环境的影响，施工中对周边环境设置安全监测系统并进行全过程监控，必要时采取相关的措施实施对周边环境的保护。共二十七页项目(xiàngmù)6基坑工程6.5基坑(jīkēnɡ)工程施工对周边及环境的影响6.5.1基坑工程的环境效应基坑工程具有环境效应是指基坑开挖势必引起周围地基地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对周围建（构）筑物和地下管线产生影响，严重的将危及其正常使用或安全。大量土方外运也将对交通和弃土点环境产生影响。

1.地下水位下降引起的环境效应基坑开挖对地下水的处理有两条途径：基坑降水和基坑止水。为保证施工作业面的需要，对基坑直接猩猩坑内降水或坑外降水或设置止水帷幕，隔断坑外地下水，形成水头差，锚杆施工可能发生溢水漏砂，降低地下水位引起的环境效应表现为：地面沉降、基坑坍塌、基土开裂。2.支护结构变形和位移引起的环境效应支护结构的变形主要表现为水平和竖向变形，当基坑开挖较浅时，支护结构主要为水平变位，随着开挖深度的增加，土压力增大，支护结构变位逐渐回复，地表变形范围增大，最大变位量也增大，基坑深度再加深时，基坑应力释放量增大，往往会在成地下支护结构发生变形和位移引起的环境效应表现形式为：基坑失稳、基坑隆起和临近建筑设施破坏。3.支护结构施工引起的环境效应支护结构施工的过程，一方面是对基坑采取安全防护的过程，另一方面是对基坑侧壁和地质环境进行破坏的过程。支护结构施工引起的环境效应主要表现为：挤土效应、振动效应、环境化学效应。共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.5基坑(jīkēnɡ)工程施工对周边及环境的影响6.5.2基坑工程对周边建筑物的影响基坑周围的建筑物包括一般有：多层或高层建筑、地铁车站、隧道等。基坑工程的施工，必定会对周围建筑物产生一定影响。可能产生的影响有以下几方面：1.支护结构的设置和坑内土方开挖会使土体应力状况改变并发生变形，引起基坑周边紧邻建筑物的不均匀沉降，出现裂缝和倾斜。2.放坡开挖时，由于地表水疏排不当，边坡土体浸水饱和，强度急剧降低，使边坡局部破坏或整体失稳滑移，随之破坏，而滑移区的建筑物则严重倾斜、下陷以致倒塌。当隔渗、降水措施不力或失效时，会发生基土渗流破坏，如基地管涌流土、侧壁水土流失、土层掏空等，从而引起地面建筑物急剧沉降。当长时间、大幅度降低深层地下水时，会引起大面积的地面沉降，或是上层滞水、潜水排向基坑，水位降低，从而邻近建筑物沉降、变形开裂。3.当支护结构突然失效，也会对相邻建筑物产生影响。打、拔钢管桩的噪声、振动以及拔桩时，土体松动变形对周围居民生活和建筑的影响也不容忽视。另外，采用挤土桩作为支护结构时，打桩施工也会给邻近建筑物造成损害的可能。4.在超出地界设置锚杆、土钉等设施，会给邻近场地已有或拟建的建筑物地基基础造成危害或施工障碍。5.当采用喷锚支护时，在软弱土层（淤泥、淤泥质土）施工过程中，会产生地基土扰动变形、边坡失稳、基地隆起等，给邻近建筑物造成危害。共二十七页项目6基坑(jīkēnɡ)工程6.6基坑(jīkēnɡ)工程施工应注意的问题6.6.1技术交底

基坑工程施工前应组织有关单位（建设单位、总包、监理、监测等单位）进行基坑支护设计方案技术交底，明确各工序的设计要求、技术要求和质量标准。

此