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1、第八章 基坑工程 基坑工程基坑工程是一个古老而又有时代特点的是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。岩土工程课题。同时又是一个综合性的岩土同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中工程难题，既涉及土力学中强度与稳定强度与稳定问题，问题，又包含了又包含了变形变形问题，同时还涉及到土与支护问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。结构的共同作用。8.1 8.1 概述概述杭州地铁基坑事故北京地铁基坑事故苏州某基坑事故深基坑工程特点基坑围护体系是临时结构，安全储备小，风险大基坑围护体系是临时结构，安全储备小，风险大基坑工程具有很强的区域性基坑工程具有很强的区域性基坑工程具有很强的个性基坑工程具有
2、很强的个性基坑工程综合性强基坑工程综合性强基坑工程具有较强的时空效应基坑工程具有较强的时空效应基坑工程是系统工程基坑工程是系统工程基坑工程的环境效应基坑工程的环境效应 8.1 8.1 概述概述基坑围护体系的作用创造基坑工程土方开挖的作业条件和地下室施工条件，要求基坑围护体系起到挡土和地下室在无水条件下施工的作用。在基坑开挖和地下室施工过程中，保证基坑相邻建筑物、构筑物和地下管线的安全及正常使用，要求基坑围护体系能限制周围土体的变形，使其不会对相邻建筑物、构筑物和地下管线，以及主体结构基础产生损害。基坑围护体系的要求E保证基坑四周边坡的稳定性，满足地下室施工有足够空间的要求。也就是说基坑围护体系
3、要能起到挡土的作用，这是土方开挖和地下室施工的必要条件。E保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线在基坑工程施工期间不受损害。这要求在围护体系施工、土方开挖及地下室施工过程中控制土体的变形，使基坑周围地面沉降和水平位移控制在容许范围以内。E保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。围护体系通过截水、降水、排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。基坑开挖分类 w基坑工程根据其开挖和施工方法可分为:无支护开挖 有支护开挖w有支护的基坑工程可进一步分为:无支撑围护 有支撑围护 1.安全可靠性 确保基坑工程的安全以及周围环境的安全。2.经济合理性 基坑工程在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材
4、料、设备、人工以及环境保护等多方面综合研究经济合理性。3.施工便利性和工期保证性 在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足便利施工和缩短工期的要求。支护体系选用原则基坑围护体系 基坑围护体系一般包括两部分：挡土体系和止水降水体系 基坑围护结构一般要承受土压力和水压力，起到挡土和挡水的作用。一般情况下围护结构和止水帷幕共同形成止水体系。止水帷幕自成止水体系围护结构本身也起止水帷幕的作用，如水泥土重力式挡墙和地下连续墙等。围护体系型式放坡开挖及简易围护；悬臂式围护结构；重力式围护结构；内撑式围护结构；拉锚式围护结构；土钉墙围护结构；其它型式围护结构。主要有门架式围护结构；拱式组合型围护结构；喷锚
5、网围护结构；沉井围护结构；加筋水泥土墙围护结构；冻结法围护等。放坡开挖 放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程中边坡的稳定性，包括坡面的自立性和边坡整体稳定性。放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖一般费用较低，能采用放坡开挖应尽量采用放坡开挖。有时虽有足够放坡的场所，但挖土及回填土方量大，考虑工期、工程费用并不合理，也不宜采用放坡开挖。悬臂式支护结构 悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。悬臂式围护结构依靠足够的人土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全悬臂式结构对开挖深度很敏感，
6、容易产生较大的变形，对相邻建(构)筑物产生不良影响。悬臂式围护结构适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。水泥土重力式支护结构 w目前在工程中用得较多的水泥土重力式围护结构，常采用深层搅拌法形成，有时也采用高压喷射注 浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定。w重力式围护结构常用于软粘土地区开挖深度约在6.0m以内的基坑工程。水泥土抗拉强度低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程，其变形也比较大。内撑式支护结构 w内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体系常采用钢筋混 凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体
7、系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑 w内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管(或型钢)支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管文撑的优点是钢管可以回收、且加预压力方便。常用支撑体系的布置形式a平面交叉式(单层或多层)支撑；b井字式支撑；c角(斜)撑式支撑；d周边桁架；e圆形环梁；f水平压杆支撑；g圆拱形支撑；h竖向斜撑；i中心岛式开挖及支撑j逆作法；k锚杆；l拉锚(锚破)；m组合式支撑。拉锚式支护结构 w拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆
8、、二层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩。锚杆式需要地基土能提锚杆较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基，或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。土钉墙支护结构 土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入或射人方式设置土钉。边开挖基坑，边在土坡中设置土钉。在坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙围护结构。土钉墙围护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。土钉墙围护适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理地下
9、水位以下的土层地基中基坑围护。其它形式支护结构 门架式支护结构 拱式组合型支护结构 喷锚网支护结构 加筋水泥土挡墙支护 放坡开挖与排桩墙 放坡开挖与内撑排桩墙 被动区土质改良w对基坑围护体系被动区土质改良、降低地下水位等措施可有效改善围护结构的受力性状。w被动区土质情况对围护结构的稳定影响较大，若被动区土质很软弱，可采用被动区土质良来加固，以增大被动区土压力。被动区土质改良范围一般深度取36m，宽度取59m，可对该区域软土进行全面改良，也可部分改良。若部分改良。被动区土质改良常采用深层搅拌法、高压喷射注浆法和压力注浆法。常见的支护结构类型 作用于支护结构上的荷载w地基土产生的土压力；w地下水产
10、生水压力；w基坑顶面的超载（邻近建筑物、汽车、吊车 及场地堆载等）；w地震产生的垂直和水平荷载；w温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载。作用与支护结构上的土压力是比较难于准确计算的荷作用与支护结构上的土压力是比较难于准确计算的荷载。在设计计算和参数取值上常常采用经验和偏于安全的载。在设计计算和参数取值上常常采用经验和偏于安全的方法。一般情况下支护设计中不计地震产生的影响。方法。一般情况下支护设计中不计地震产生的影响。土 压 力主动土压力 静止土压力 被动土压力 土压力的大小及其分布规律是同支护结构的水平位移方向和大小、土的性质、支护结构物的刚度及高度等因素有关。作用与支护结构上的土压力可分为以下
11、三种：？土压力计算w主动土压力w被动土压力朗肯土压力理论朗肯土压力理论水土合算与水土分算w总应力强度指标 C、f 水土合算w有效应力强度指标 C、f 水土分算水平荷载和水平抗力有地下水位时土压力的计算地下水位对土压力的影响，具体表现在：(1)地下水位以下填土重量将因受到水的浮力而减小计算土压力时应用浮容重；(2)地下水对填土的强度指标c、的影响。一般认为对砂性土的影响可以忽略；但对粘性填土，地下水将使c、值减小从而使土压力增大；(3)地下水对墙背产生静水压力作用。水土合算水土合算 粘性土粘性土水土分算水土分算 无粘性土无粘性土止水、降水体系和排水措施 w为为了了保保证证土土方方开开挖挖和和地地
12、下下室室施施工工处处于于“干干”状状态态，常常需需要要通通过过降降低低地地下下水水位位或或配配以以设设置置止止水水帷帷幕幕使使地地下下水水位位在在基基坑坑底底面面0.50.51.01.0mm以以下下。降降低低地地下下水水位位也也有有利利于于基基坑坑围围护护结结构构的的稳稳定定性性，防防止止流流土土、管管涌涌、坑坑底底隆隆起起引引起起破破坏坏。对对于于渗渗透透性性很很小小的的地地基基也也可可既既不不降降低低地地下下水水位位也也不不设设置置止止水水帷帷幕幕，在在基基坑坑开挖过程中产生的少量积水采用明沟排水处理。开挖过程中产生的少量积水采用明沟排水处理。w基基坑坑工工程程中中应应用用较较多多的的止止
13、水水帷帷幕幕有有三三种种形形式式：深深层层搅搅拌拌法法水水泥泥土土止止水水帷帷幕幕，高高压压喷喷射射注注浆浆法法水水泥泥土土止止水水帷帷幕幕和和素素混混凝凝土土地下连续墙止水帷幕地下连续墙止水帷幕。w除除设设置置竖竖向向止止水水帷帷幕幕外外有有时时还还需需设设置置水水平平向向止止水水帷帷幕幕，以以防防止流土、坑底隆起等造成破坏。当有承压水时，更应重视。止流土、坑底隆起等造成破坏。当有承压水时，更应重视。w降降低低地地下下水水位位常常采采用用井井点点降降水水。常常见见的的有有单单(多多)层层轻轻型型井井点点、喷射井点喷射井点和和深井井点降水深井井点降水等。等。基坑底面水平向止水帷幕 深层搅拌法水
14、泥土桩止水帷幕 高压喷射注浆法水泥土止水帷幕 渗透力 当hlh2时，土中水处于静止状态，无渗流发生。贮水器向上提升，使hl h2，由于存在水头差土中产生向上的渗流。水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用 j j表示。渗透破坏试验 渗透力概念 渗透力和渗透变形渗透力 j=w i 渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。ic/w 它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降。临界水力坡降 土工建筑物及地基由于渗流作用
15、而出现的变形或破坏称渗透变形(或称渗透破坏)。如土层剥落，地面隆起，细颗放被水带出以及出现集中渗流通道等。土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流土和管涌两种基本型式。1.流土 在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流土。只要水力坡降达到一定的大小，都会发生流土破坏。2.管涌 在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。管涌发生在一定级配的无粘性土
16、中，发生的部位可以在渗流逸出处，也可以在土体内部，故也称之为渗流的潜蚀现象。土的渗透变形(或称渗透破坏)土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒组成和结构,即几何条件；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。1.流土可能性的判别 任何土，包括粘性土或无粘性土,在自下而上的渗流逸出处，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实，均要发生流土。可按下列条件，判别流土的可能性：i ic 土体发中流土破坏 i=ic 土体处于临界状态渗流破坏类型的判别级配良好的土和级配不良的土哪一种土易发生管涌?土是发生管涌，首先决定于土的性质。一般粘性土(分散性土例外)只会发生流土而不会发生管涌，
17、故属于非管涌土；无粘性土中产生管涌必须具备下列两个条件。(1)几何条件 土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，才可能让细颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。(2)水力条件 渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力坡降表示。流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。2 管涌可能性的判别基坑土方开挖 开挖机械的选择土方开挖程序，基坑开挖必须遵循“由上而下，先撑后挖，分层开挖”的原则施工现场平面布置，减少基坑边缘地面荷载降、排水措施及冬季、雨季、汛期施工措施的拟定合理施工监测计划和信息化
18、施工方案的拟定合理应急措施的拟定基坑工程监测 基坑工程监测是基坑工程施工中的一个重要环节，组织良好的监测能够将施工中各方面信息及时反馈给基坑开挖组织者，根据对信息的分析，可对基坑工程围护体系变形及稳定状态加以评价，并预测进一步挖土施工后将导致的变形及稳定状态的发展。根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度，以制定进一步施工策略，实现所谓信息化施工。监测目的 通过监测成果分析预估基坑工程围护体系本身的安全度，保证施工过程中围护体系的安全。通过监测成果分析预估基坑工程开挖对相邻建(构)筑物的影响，确保相邻建(构)物和各种市政设施的安全和正常工作。通过监测成果分析检验围护体系设计计算理论和方法的可靠
19、性，为进一步改进设计计算方法提供依据。监测项目监测成果基坑工程环境效应 基坑工程环境效应包括围护结构和工程桩施工、降低地下水位、基坑土方开挖各阶段对周围环境的影响，主要表现在下述几方面：基坑土方开挖引起围护结构变形以及降低地下水位造成基坑四周地面产生沉降、不均匀沉降和水平位移，导致影响相邻建(构)筑物及市政管线的正常使用，甚至破坏；围护结构和工程桩若采用挤土桩或部分挤土桩，施工过程中挤土效应将对邻近建(构)筑物及市政管线产生不良影响；基坑开挖土方运输可能对周围交通运输产生不良影响；视施工机械和工艺情况可能对周围环境产生施工噪声污染和环境卫生污染(如由泥浆处理不当引起等)；因设计、施工不当或其他
20、原因造成围护体系破坏，导致相邻建(构)筑物及市政设施破坏。变形控制标准连续墙监测标准基坑工程事故分类 基坑工程事故类型很多。在水土压力作用下，围护结构可能发生破坏，围护结构型式不同，破坏形式也有差异。渗流可能引起流土、突涌，造成破坏。围护结构变形过大，引起周围建筑物及地下管线破坏也属基坑工程事故。支护体系破坏基本形式(a)墙体折断破坏；(b)整体失稳破坏；(c)基坑隆起破坏；(d)踢脚失稳破坏；(e)流土破坏；(f)支撑体系失稳破坏水泥土搅拌桩的破坏模式 w倾覆破坏：由于墙身入土太浅或宽度不足，当地面堆载过多或重载车辆在坑边频繁行驶，都可能导致倾覆破坏。w地基整体破坏 ：当开挖深度较大，基底土
21、又十分软弱时，特别当地面存在大量堆载(堆土)时，地基土连同支挡结构一起滑动。地基整体破坏造成的危害极大，往往伴随着地面大量下陷及坑底隆起，也可能推动坑内主体结构工程桩一起位移。w墙址外移破坏 ：当挡土结构插入深度不够，坑底土太软或因管涌及流砂所削弱，可能发生墙趾外移所引起的破坏。事故的原因分析 1.勘察设计的失误 2.水处理不当3.施工因素 4.其他方面事故前兆悬臂式围护结构过大的内倾位移内撑或锚杆围护结构失稳发生较大向内凸变形边坡失稳基底隆起渗流破坏坑底突涌周围地面沉降其他基坑事故防范措施w施工偷工减料或造价太低，造成围护结构质量低劣，引发基坑工程事故。w设计安全储备不足，桩人土深度不够，是
22、常见的发生围护结构倾斜或踢脚失稳的原因。w对侵入相邻场地和建筑物下部，影响施工或基础安全的锚杆，应在确保安全条件下，分别情况，采取人工切断、机械抓斗铲除等方法处理，或拆卸锚杆。同时，要考虑拆卸锚杆后，围护结构的安全措施。w为防止两相邻基坑施工互相影响，应加强现场施工监测和双方协调工作。w在较高水位场地，错误地采用喷锚、土钉墙等护坡，由于基坑开挖使已加固的土体边坡滑坡损坏。首先应停止开挖，有条件时，应进行坑外降水。无条件降水时，应重新设计和施工其它型式的围护结构(包括止水墙)，方可进行土方开挖施工。w因基坑土方超挖，引起围护结构损坏，应暂停止施工，回填砂石方或在桩前堆载，保护围护结构稳定。应急补
23、救措施1.减载削坡2.加强内支撑3.加设锚杆、土钉4.降水5.加固与止水6.尽快浇捣混凝土垫层7.稳定周围地面土体w上海柳州路申德公寓基坑全貌申德公寓基坑土钉及喷射混凝土面层申德公寓基坑土钉及喷射混凝土面层02w申德公寓基坑土钉及喷射混凝土面层03w申德公寓基坑土钉墙喷射混凝土w上海柳州路申德公寓土钉（锚管）w上海浦东金桥新村排水系统雨水泵站排水管道灌注桩基坑全貌w上海浦东金桥新村排水系统雨水泵站排水管道搅拌桩加支撑w上海浦东金桥新村排水系统雨水泵站排水管道水泥土搅拌桩外貌w上海浦东污水总管SMW工法01w上海浦东污水总管SMW工法02w上海浦东污水总管SMW工法03w上海浦东污水总管SMW工法04w上海外滩金融中心 基坑工程 地下连续墙 土方的开挖（立柱、钢筋砼支撑）w上海外滩金融中心基坑土方开挖w上海印钞厂钢板桩的打入w上海印钞厂已打入的钢板桩w同济大学中德学院基坑工程土钉墙围护结构及井点降水w外环隧道浦东接线基坑南京中山北路运通大厦基坑南京中山北路运通大厦基坑南京中山北路运通大厦基坑南京中山北路运通大厦基坑南京中山北路运通大厦基坑