（岩土工程专业论文）群光大厦深基坑工程支护方案评价研究.pdf

i 宁楞技术大学工挥碜上学位论文 摘要 随着高层建筑的不断增加和地下空间的开发利用，深基坑工程大量的出现， 且深基坑支护的难度也越来越大。在当前的工程实践中，深基坑一方面存在极大 的浪费，另一方面事故也频频发生，事故原因也多样化，但最终都是由于设计考 虑的因素不全面。深基坑工程已成为当前大家十分关心的岩土工程热点，而深基 坑支护结构要满足保障安全、方便施工、经济合理的要求，设计是关键。现阶段 基坑支护型式也越来越多，如何根据实际情况对众多的支护方案进行优化，选出 最合适的一种已成为焦点问题。 本文首先采用理论分析，对深基坑的理论基础进行了说明，并根据实际工程 论证理论分析结果，再应用有限差分法软件f l a c 对工程中提出的几种支护方案 分别进行分析，提出一个最优化的方案，最后根据监测结果论证计算结果。以成 都某实际工程为例，综合考虑其场地地质条件、荷载等因素，提出合适的基坑支 护方案，并对这个支护方案的设计、施工及监测中需要注意的方面进行了分析 在深基坑支护型式的选择上根据具体的工程概况，采用理论和数值分析相结 合的方法，最终得到一个优化方案。最后在前述分析基础上得到了一些结论，供 以后工程借鉴。 关键词：深基坑；支护型式；方案优化；数值分析； 辽宁工程投来九学丁稳硕士学位论文 黄z 精要 a b s t r a c t w i t ht h ei n e a s eo fh i 曲s t r u c t u r e sa n di n c e s s a n tu s eo fu n d e r g r o u n ds p a c e ， d e e pf o u n d a t i o np i ta p p e a rl a r g e l y , t h es h o r i n go fi ti sh a r d e rt h a nb e f o r e i nt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c ep r e s e n t l y , o n ei ta p p e a r sh u g ew a s t ea n da n o t h e rt h ea c c i d e n t s h a p p e nc o n t i n u a l l yi nt h ed e e pf o u n d a t i o np i t ，t h er e a s o ni sv a r i o u s ，b u tf i n a l l yi t h a p p e n sb e c a u s et h ed e s i g n e r sd o n tc o n s i d e ra l lt h ef a c t o r sw h e nt h e yd e s i g ni tt h e d e e pf o u n d a t i o np i te n g i n e e r i n gi st h eh o tm a t t e ri ng e o t e c h n i c a lw h i c ha r ec a r e db y m a n yp e o p l e , t h es h o r i n go fi tw a n t st om e e tt h en e e d o fs a f e t y , c o n s t r u c t i o n c o n v e n i e n c ea n de c o n o m i c a l ，t h ed e s i g ni st h ek e y n o wt h ef o r mo ft h es h o r i n gi ss o m a n y , h o wt oc h o o s et h em o s ts u i t a b l eo n eo ft h e mb yf a c t u a lc o n d i t i o nw h i c hi s c a l l e dp r o j e c to p t i m i z e di sb e c o m et h ef o c u s t h i sp a p e rf i r s tu s e st h e o r e t i ca n a l y s i sm e t h o dt oe x p l a i nt h et h e o r yb a s i so f d e e p f o u n d a t i o np i ta n du s e sp r a c t i c a lr e s u l t st ov a l i d a t et h et h e o r e t i ca n a l y s i sr e s u l t s ，t h a n u s et h ef l a cn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o dt oa n a l y z et h ep r o j e c t sw h i c ha r eb ec h o s e n , a n ds e l e c tt h em o s to p t i m u ms c h e m e ，f i n a l l ys u p p o at h ed e s i g n , c o n s t r u c t i o na n d i n s p e c tm e t h o df o rt h em o s to p t i m u ms c h e m e t a k et h ed e e pf o u n d a t i o np i ti n c h e n g d uf o re x a m p l e ，i ts y n t h e t i c a l l yc o n s i d e r st h ef a c t o r so ft h i sp r a c t i c a l e n g i n e e r i n ga sg e o l o g i c a lc o n d i t i o n , l o a da n d5 0o n , t h e ng i v et h es u i t a b l ep r o j e c tf o r i t l a s ti ta l s os a y st h ee m p h a s e sa n ds o m e t h i n gm u s tb en o t i c e di n d e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n ds u p e r v i s eo f t h i se n g i n e e r i n g i nt h ec h o i c eo ft h es h o r i n go fd e e pf o u n d a t i o np i t , i tm u s tb a s eo nt h e e n g i n e e r i n gc o n d i t i o na n da d o p tt h et h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s t og e t t h eo p t i m i z e dp r o j e c t i ts u p p o r ts o m ec o n c l u s i o n sf o re n g i n e e r i n gl a t e r k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t ；s h o r i n gf o r m ；o p t i m i z ep r o j e c t ；n u m e r i c a l a n a l y s i s 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 1 绪论 随国外著名的地下工程有法国的巴黎中央商场着高层建筑的不断增加和地 下空间的开发利用，产生了大量的深基坑工程。、美国明尼苏达大学土木工程系 的办公楼和实验室、日本东京八重洲地下街等。我国近年来也有了许多基坑工程， 目前最深基坑已达3 2 0 m 川。在城市基坑工程中，由于周围建筑密集和地下设施 的存在，简单放坡施工越来越没有可能，基坑支护难度也越来越大。在当前的工 程实践中，深基坑一方面存在极大的浪费，另一方面事故也频频发生。基坑工程 的研究无论在理论上还是在实践上还不很成熟，因此对其深入研究是十分必要 的。 1 1 闯题的提出 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国城市化进入了一个新的发展时期。我国城市的 数量规模以及城市人口都有了巨大的增长，同时作为城市化的产物之一高层建筑 不仅在数量上越来越多，而且在高度上越来越高。相应的基坑开挖的深度越来越 大，如武汉的国贸大厦基坑开挖到地面以下1 6 8 m ；北京市经贸委大楼，地下4 层结构基础埋置深度为地面下3 0 m ；上海的金茂大厦主楼基坑开挖到地面以下 3 2 m 1 2 l 。总之，我国高层建筑数量将会越来越多，建筑面积将会越来越大，基坑 向大深度、大面积发展已成必然趋势。 深基坑工程是当前大家十分关心的岩土工程热点，也是技术复杂、综合性很 强的难点。同时又是提高工程质量、减少事故的重点，并涉及到理论和实践中诸 多方面的问题。深基坑支护结构要满足保障安全、方便施工、经济合理的要求， 设计是关键，如何根据实际情况，确定采用合理的围护系统和支撑拉锚系统以及 面对工程所处的环境条件，把握好设计的重点，都是深基坑支护结构设计中的关 键。 1 2 深基坑支护体系的研究现状 1 2 1 深基坑支护体系的研究内容1 3 】 4 1 基坑工程是个古老而又具有时代特征的岩土工程课题，放坡开挖和简易木 桩支护可以追溯到远古时代。人类土木工程频繁活动促进了基坑支护的发展，特 别是在2 0 世纪，随着高层、超高层建筑结构以及地下工程不断涌现，基坑工程 作为一个重要分支挤身于岩土工程领域，同时随着工程问题越来越多，受到高度 重视。 最早提出分析方法的是t e r z a g h i 和p e c k 等人，他们早在2 0 世纪4 0 年代就 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法。这一方法一直沿用至今， 当然在实践中也得到了许多改进和修正。在2 0 世纪5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 给 出了分析深基坑底板隆起的方法。在2 0 世纪6 0 年代开始在奥斯陆和墨西哥城软 粘土深基坑中使用仪器进行了现场监测，后来工程中的大量实测资料提高了预测 的准确性，从2 0 世纪7 0 年代起，产生了相应的指导开挖的法规【5 1 。从2 0 世纪8 0 年代以来，随着高层建筑和地下工程的兴起，促进了深基坑的发展，随之产生了 深基坑支护于施工阀题。基坑开挖深度的不断加大，促使了深基坑开挖技术的研 究与发展，产生了许多先进的设计、计算方法，新的施工工艺不断付诸实施。我 国也逐步涉入深基坑设计与施工领域，在深圳市的一个深基坑支护工程率先应用 了信息施工法，大大节省了工程造价。进入9 0 年代后，我国己经开始编制全国 性和地方性的行业规范，使设计和旖工经验得到了较好推广。 深基坑工程的研究设计涉及到很多方面，但主要是基坑的稳定性问题、围护 结构和土体的变形问题以及环境问题对策等三个方面，也涉及到岩土工程之土压 力理论，同时在数值分析时不可避免地牵涉到开挖应力途径下土体本构关系。而 研究基坑工程的方法很多，有工程经验、模型观测、理论分析以及数值模拟等方 法。因实施困难，模型观测法很少采用。 常用的经验、半经验公式是著名的p e c k ( 1 9 6 3 ) 的经验曲线，它将基坑的稳定 性与地面交形相结合，较全面地反映了土体的工程性质、场地条件、施工工艺与 质量对地面沉降的影响；而同济大学候学渊教授在p e e k 和s c h m i d t 的基础上， 借鉴了三角形沉降公式的思路，依据墙体位移和地面沉降两者的地层移动面积相 关的原理，提出了确定底面沉降的地层损失法，并把此法较好的应用于沿海软土 地区；刘建航院士在参考新奥法隧道施工面时空效应理论和上海软土基坑实践的 基础，提出了时空效应法，用于计算和控制基坑结构变形和周围地层位移。 1 2 2 深基坑支护设计方法 深基坑支护设计方法大致分为三类【6 】：第一类是常规设计方法；第二类称为 弹性抗力法；第三类是有限元方法。 常规设计方法是最常用的方法，也称静力平衡法，主要有二分之一分割法、 简支梁法、整体等值梁法、分段等值梁法、山肩邦男近似法等方法。其要点是在 选择一定的入土深度以满足整体稳定、抗隆起和抗渗要求的前提下用经典土力学 理论计算主动土压力和被动土压力，然后对重力式刚性墙验算其抗倾覆、抗滑 移稳定性、安全系数沿用设计规范中对普通挡土墙的规定。常规方法存在的主要 问题是没有考虑墙体和锚杆、或支撑与土体的共同作用与二者变形协调关系。未 考虑板桩变形对土压力分布的影响，特别是当被动区土体远远达不到极限平衡状 态时，仍然采用r a n k i n e 被动土压力计算是欠妥的。 2 扛宁工程硅术大学工程硕士学位论文 弹性抗力法针对常规方法中挡墙内侧被动土压力计算中的问题提出了改进 考虑到基坑内侧土并未完全进入塑性状态，而实际上仍有部分处于弹性抗力阶 段。因而，引用承受水平荷载桩的横向抗力概念，将外侧主动土压力作为篪加在 墙体上的水平荷载，用竖向弹性地基梁的方法计算挡土墙的变位与内力。土对墙 体的水平向支承用弹性抗力系数来模拟、支锚结构也用弹簧来模拟、对基坑底面 以上土层可按朗肯理论或库伦理论计算主动土压力。土压力分布模式相应有4 种假定，即“土压力零点分布”模式、“零分布”模式、“梯形分布”模式和“矩 形分布”模式。这4 种模式中以“土压力零点分布模式”较为合理，因为主被动 土压力相减以后，在土压力零点以下的力为净被动土压力，此压力正好由弹簧模 拟。这种方法主要问题是地基反力系数的选取，通常有“张氏”法、“m ”法、“k ” 法和“c ”法。所以选用哪一种方法，要充分考虑土的性质。 有限元方法提供了一种更为合理得到设计计算方法。优点：其一可以考虑挡 结构土被动和主动侧水土压力变化；其二支撑及锚杆的架设或移除以及它们对 挡土结构位移及内力的影响和支撑轴力随后次开挖过程而得到调整；其三空间作 用下的空间效应问题可以得到解决，它可以从整体上分析支护结构及周围土体的 应力与位移性状，而且适用于动态模拟计算。用有限元方法的关键是要正确选用 计算模型和设计参数。 自从c l o u g h 等( 1 9 7 1 ) 首先将有限元法应用于基坑变形分析中，针对土体的 非线性和基坑工程的时空效应对基坑支护结构体系的影响，国内外专家学者做了 大量的研究工作：0 ) c l o u g h 和h a l l s g n 在计算中考虑了土体各向异性的影响，结 果表明：土体各向异性明显影响土压力的分布，墙体位移和底面沉降会显著的增 加，塑性区也显著的增大；( 2 ) 孙均等用有限元、边界元法分析了基坑开挖等地 下工程与围岩介质的静、动态共同作用，在本构关系上引入了弹性、塑性、粘弹 塑性等不同的岩土介质本构模型，在几何关系上从线性发展到非线性分析，使数 值方法能适应各种土体的计算：( 3 ) 朱百里( 1 9 9 1 ) 采用修正剑桥模型，考虑土体的 固结与变形耦合作用以及土体与支护系统的共同作用，讨论了基坑周围土体的沉 降、侧移的规律和基底隆起变形规律，并指出基坑周围土体应力路径有一定的规 律，由此可用室内试验模拟其变化规律；( 4 ) 同济大学地下系对上海软土进行一 系列三轴剪切蠕变实验和单剪蠕变实验，并按试验曲线通过非线性函数拟合和程 序的编制，提出了流变本构模型及其参数的确定方法，导出了考虑土体流变性能 的地下连续墙内力和变形分析的计算方法一粘弹性有限元计算法，来研究土的流 变性对基坑围护结构的影响；( 5 ) 应宏伟( 1 9 9 7 ) 利用有限元法，考虑了基坑坑底土 抗剪强度受应力历史的影响，详细的分析了开挖过程中由于土的固结而引起的对 基坑工程的试件效应问题。近年来，为了全面了解基坑不同部位的应力、变形的 辽宁工程技术大学工稃硕士学位论文 分布规律，三维有限元法也逐渐用来分析基坑工程的空间效应：( 6 ) 俞建霖( 1 9 9 9 ) 用三维空间有限元法，研究了基坑开挖过程中围岩支护变形、土压力的空间分布 及基坑的几何尺寸影响，并与按二维平面问题分析结果进行了比较；( 7 ) 高文华 以m i n d l i n 板理论为基础，将围护墙体作为以竖放在地基上的板，并考虑地基的 时效性、板土之间的摩擦以及分步开挖效应，建立了深基坑支护体系受力与变形 时空效应的有限元模型，获得了一种实用的基坑支护体系受力与变形的三维简化 分析方法，可用来指导基坑设计、开挖和周围环境的维护。这些研究工作从不同 角度对深基坑工程进行模拟分析，得到了一些规律性的认识，但距离工程的实际 应用还有一定的距离1 7 】 1 3 深基坑支护技术的发展趋势朔 基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题。放坡开挖和简易木 桩围护可以追溯到远古时代。事实上，人类土木工程的频繁活动促进了基坑工程 的发展。特别是在2 0 世纪，随着大量高层、超商层建筑以及地下工程的不断涌 现，对基坑工程的要求越来越高，随之出现的问题也越来越多，迫使工程技术人 员须从新的角度去审视基坑工程这一古老课题，从而使许多新的经验，理论或研 究方法得以出现与成熟。 1 3 1 深基坑支护结构方案优选 深基坑支护结构的设计与施工不同于上部结构。除地基土类别的不同外，地 下水位的高低、土的物理力学性质指标以及周围环境条件等，都直接与支护结构 的选型有关。支护结构型式的选择合理，就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工 期，带来可靠的经济与社会效益，可见支护结构形式的优化选择是深基坑支护技 术发展的必然趋势。此外，为达到方案的最优化，有时候根据地层土质的变化、 基坑周围环境，也可采用更为灵活的组合支护方案。 1 3 2 施工工艺上的发展趋势 ( 1 ) 土钉墙方案的大量实施，使得喷射混凝土技术得以充分运用和发展，为 减少喷射混凝土的回弹量以及保护环境的需要，湿式喷射混凝土将逐步取代干式 喷射混凝土。 ( 2 ) 基坑向着深、大、周围环境复杂的方向发展，使得深基坑开挖与支护的 难度越来越大。受地下空间所属权的限制，内支撑或新型锚杆( 如可拆式锚杆、 抗拔力较大的全程应力复合型锚秆) 将逐渐得以推广应用。 ( 3 ) 为减小基坑工程带来的环境效应( 如因排水引起的地面附加沉降) ，或出于 保护地下水资源的需要，有时基坑采用帷幕式进行支护。除地下连续墙外，一般 采用旋喷桩或深层搅拌桩等方法构筑成止水帷幕。目前，有将水利工程中防渗墙 的工法引入到基坑工程中的趋势。 4 辽宁工程技术大学工程碗士学位论文 ( 4 ) 基坑降水时，为减小因降水引起的地面附加沉降或对邻建筑物造成的影 响，可采取井点回灌技术。 ( 5 ) 在软土地区，为避免基坑底部隆起、造成支护结构水平位移加大和邻近 建筑物下沉，可采用深层搅拌桩或注浆技术对基坑底部土体进行加固，即提高支 护结构被动区土体的强度的方法。 ( 6 ) 为减小坑壁土体的侧向变形，可以通过基坑内外双液快速注浆加固土体； 也可以对支撑( 或拉结) 施加预应力；还可以调整挖土速度以及旎工的程序等措施 来限制基坑的侧向变形。 1 3 3 信息监测与信息化施工技术 为了保护环境而加强监测。现已应用计算机监测，可以提供施工工程中支 护体系及环境的受力状态及变形数据，由于信息技术及加固技术的提高，已经可 以实现毫米级的变形控制。如上海香港广场工程对附近地铁隧道变形控制在 7 m m 。 深基坑施工安全监测在基坑设计和施工中起到如下几点作用：1 ) 较客观地反 映基坑土体及受基坑开挖影响的邻近建筑物和设施当前所处的状态；2 ) 较客观地 评价监测对象的稳定程度：3 ) 可以不断减弱甚至消除各个不稳定因素，逐步加强 有利于稳定的各种因素；4 ) 预测险情，以便及时采取措施，防患未然；5 ) 修正设 计方案，通过最经济的手段最大限度地发挥支护能力。为此，对深基坑施工安全 监测的探讨，值得我们高度重视。、 深基坑支护工程安全监测主要是在深基坑开挖期间及完成之后一段时间内 进行，基坑内外的水土压力平衡问题依靠护壁桩加预应力锚索支护体系实现，而 支护结构的破坏情况随着基坑的开挖而不断变化，在这个变化过程中支护结构的 位移、变形和受力以及土体的沉降位移都会发生变化。进行安全监测的目的就是 要通过护壁桩、预应力锚索埋设、安装相应传感器，作为深基坑开挖施工时的监 视仪。随时掌握护壁桩、预应力锚索的位移、变形、受力情况，及时发现问题， 及时采取措施，确保基坑安全开挖，做到信息化施工。在深基坑开挖施工监铡中， 针对基坑实际情况，主要监测内容有：( 1 ) 护壁桩顶部的水平位移、沉降及基坑 周围建筑物的沉降监测；( 2 ) 护壁桩的测斜；( 3 ) 护壁桩的桩身钢筋应力监铡；( 4 ) 预应力锚索的应力监测。 信息化施工管理能及时提供反馈信息，有助于施工技术水平提高。深基坑开 挖施工是从点到面，将局部和前期的施工效应与安全监测结果进行分析并与报警 值比较的过程。动态验证基坑支护设计和施工方案的正确性，不断调整施工方法， 采取附加抢险措施。信息化施工安全监测核心任务是监测基坑支护结构变形、基 坑四周水位和土层变化、预防支护结构大变形造成支护结构开裂渗水、影响基坑 辽宁工程技术大学工程硕士学伊论文 支护、邻近建筑物和道路以及管线的安全。 总之，严格的工程质量管理结合“信息化施工”和“动态设计”手段，基坑 支护工程就可安全、顺利地完成，还可以节省投资，降低造价，从而收到更好的 社会效益和经济效益。 1 4 本文的主要研究内容和方法 深基坑工程是当前国内外十分关注的岩土工程热点、也是技术复杂、综合性 很强的难点，又是提高质量减少事故的重点。对于这样一个具有挑战性的系统工 程问题，国内外许多单位和学者提出了不少的设计理论和计算方法，常常采用常 规的计算方法( 静力平衡法) ，最近的有限元理论，如弹性抗力有限元、二维、三 维弹塑性有限元法、大变形有限元理论等相继应用于基坑工程，并取得了满意的 效果。 在了解深基坑工程的重要性和复杂性，以及其支护选型的重要性和原则后， 本文首先采用理论分析，对深基坑的理论基础进行了说明，并根据实际工程论证 理论分析结果，再应用有限差分法软件f l a c 对工程中提出的几种支护方案分别 进行分析，提出一个最优化的方案，最后根据监测结果论证计算结果。以群光大 厦基坑工程为例，综合考虑其场地地质条件、荷载等因素，提出合适的基坑支护 方案，并对这个支护方案的设计、施工及监测中需要注意的方面进行了说明介绍。 本文的主要研究内容有： ( 1 ) 针对深基坑工程可能发生的破坏形态提出支护的要求和原则，并指 出各种支护形式的优缺点和适用范围。 ( 2 ) 结合群光大厦基坑工程的岩土地质资料，考虑各种可能的影响因 素，提出三种支护方案供选择；并用传统设计方法以及f l a c 数值模拟方 法对三种支护方案进行初步计算分析，选出一种最优化方案。 ( 4 ) 对最终确定的支护结构做出合理的设计、施工和监测方案。 ( 5 ) 在前面的分析基础上总结研究成果，供后续类似工程建设借鉴。 6 j z 宁工程技术太学工程硕士学位论文 7 2 深基坑支护工程的理论基础 近年来，随着我国经济和城市建设的迅猛发展，地下工程越来越多，出现了 地铁、地下车库、地下变电站、地下商场、地下仓库、地下人防工程、地下民用 及工业设施、高层建筑的多层地下室等不同功能和用途的地下空间。随着这些地 下空间的开发和利用，深基坑工程在开挖深度、平面规模、工程数量和分布区域 上都有很大的发展，其重要性和复杂性也逐渐显露出来，成为工程界的一个焦点 问题。 2 1 深基坑支护工程的特点 深基坑工程传统特点表现为：深基坑支护工程般属临时性建筑，相对永久 性建筑而言，其安全储备较小，而且影响其安全性的因素众多，事故相对容易出 现，一旦发生事故，造成的经济损失一般较大，社会影响也比较恶劣；岩土性质 差异性大，基坑工程与自然地质及环境条件密切相关，具有很强的区域性，在软 土地区时空效应尤为突出；基坑工程与主体结构的地下室施工密切相关：基坑工 程实践性很强，常常表现为实践先于理论，往往由于耨材料、薪的支护型式和新 的施工工艺带动理论分析的向前发展。近年来，深基坑工程的开挖与支护又呈现 出许多新的特点： ( 1 ) 开挖的平面尺寸越来越大、深度越来越深 过去，即使在大城市也很少有2 层的地下室，但现在的高层、超高层建筑中， 常设3 q 层地下室，5 - - - 6 层的也有，各种地下空间的开发也导致了开挖的深度与 平面规模越来越大。这在一些地质状况较差的软土地区的城市建设中表现尤为突 出，目前上海高层建筑深基坑的最大平面尺寸达2 7 4 m x1 8 7 m ，最大开挖深度达 3 2 m ；福州的最大开挖深度也达到2 6 m 。 ( 2 ) 周边环境越来越恶劣，施工难度越来越大 在旧城区的改建或新建工程中，深基坑工程周围的建筑物密集，城市公共设 施和管线拥挤不堪，场地内施工作业空间狭窄、地面超载严重，深基坑支护工程 施工难度增大。即使在新城建设区，寸土寸金，建设用地也越来越紧张，相邻建 筑修建的相互影响较大，给深基坑支护方案与施工工艺流程的进步与完善提出了 新的挑战。 ( 3 ) 工程地质和水文地质条件越来越差 随着城市建设的扩张和建筑物数量的飚升，在较好工程地质和水文地质条件 的城市土地得到开发利用后，为增加建设用地，劈山填海的做法不断涌现，新开 辟出来的建设用地及已有的工程地质、水文地质条件较差的土地也逐渐得到开发 利用，这无疑使深基坑工程施工的实施状况更为复杂，从而对深基坑的支护方案 7 辽宁工程技术太学：【程硕士学位论文 与施工工艺流程都提出了更高、更为严峻的要求。 ( 4 ) i 程事故越来越多 深基坑工程大多集中在建筑密度大、人口密集、交通拥挤的狭小场地，周围 的道路、永久性建筑和市政公用设施等常对深基坑的稳定性和位移控制有严格的 要求。但由于影响深基坑工程安全性的因素众多，且这些因素具有很大的模糊性、 不确定性，甚至突发性，加上施工过程中降雨、深基坑周边堆载的不良影响，深 基坑支护工程出的事故逐年增多。据不完全统计，有l 4 的深基坑支护工程都存 在或多或少的工程事故，而万丈高楼平地起，深基坑支护工程事故不仅引起深基 坑支护结构本身的破坏或失效，对周围道路、建筑物和市政设施产生不良影响， 酿成生命或财产损失，而且会给上部结构施工的质量、安全、工期及竣工后的正 常使用造成较大压力，甚至隐患。 ( 5 ) 深基坑支护结构型式越来越多 深基坑支护结构型式在传统的板桩支撑或板桩锚拉的基础上，出现了一些新 的支护方法，如喷锚网支护和土钉墙支护等新型支护方法。迄今已有数十种深基 坑支护结构型式。多种支护方法的出现既给深基坑支护结构选型带来了较大的备 选范围和便利性，也为深基坑支护结构选型方法的发展提出了更高的要求。 2 2 我国深基坑的主要特点及存在的主要问题 基坑是建筑工程的一部分，其发展与建筑业的发展密切相关，而深基坑是充 分利用土地资源的方式之一。由于我国地少人多，人均占有土地还不及全世界人 均占有土地的1 1 0 ，为节约土地，向空间要住房，向旧房要面积，许多高层建筑 拔地而起。据不完全统计，1 9 8 0 1 9 8 9 年1 0 年间，我国新建高层建筑1 0 0 0 余 幢，1 9 9 0 1 9 9 9 年1 0 年间，全国新建的高层建筑超过9 0 0 0 幢。适当发展多层 和高层，向空中和地下发展，是解决我国土地资源紧张的一条重要出路。 随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来越多。同时， 密集的建筑物、大深度的基坑周围复杂的地下设施，使得放坡开挖基坑这一传统 技术不再能满足现代城镇建设的需要。因此，深基坑开挖与支护引起了各方面的 广泛重视。 ， 尤其是2 0 世纪9 0 年代以来，基坑开挖与支护问题已经和正在成为我国建筑 工程界的热点问题之一。基坑工程数量、规模、分布急剧增加，同时所暴露的问 题也很多。总体来看，目前我国基坑开挖与支护状况具有以下特点： ( 1 ) 基坑越挖越深。 或为了使用方便，或因为地皮珍贵，或为了符合建管规定及入防需要，建筑 投资者不得不向地下空间发展。过去，即使在大城市建l 2 层地下室，也不普 遍，中等城市更为少见。现在大城市、沿海城市，尤其是特区，地下3 4 层己 8 辽宁工程技术大学工程硕士学位论文 很寻常，5 6 层也有，基坑深度多大于l o r e 。 ( 2 ) - 1 - 程地质条件越来越差。 城市建设不像水电站、核电站等重要设施那样，可以在广阔地域中选择优越 的建设场地，只能根据城市规划需要，随遇而安，地质条件往往较差。这一点在 某些沿海经济开发区较为突出。有些开发区位于填海、填湖、淤河、泥塘或沼泽 地，工程地质条件十分复杂。 ( 3 ) 基坑四周己建或在建高大建筑物密集或紧靠重要市政设施大兴土木，不 仅要确保奉身基坑稳定，更不能殃及池鱼。 ( 4 ) 基坑围护方法多。 诸如人工挖孔桩、预制桩、深层搅拌桩、地下连续墙、钢支撑、木支撑、砂 袋堆撵、拉锚、抗滑桩、注浆、喷锚网支护法，各种桩、板、墙、管、撑同锚杆 联合支护法，以及土钉墙法等等，应有尽有，各显神通。 ( 5 ) 基坑工程事故多。 此问题目前在建筑界显得异常突出，以致很难举出哪个地区、哪个大城市或 特区己建基坑工程近年来不出现问题的例子。地质条件较好的地区( 如北京) 出现 问题，地质条件差的地区( 如上海、海1 2 1 、惠州等) 更出现问题；坑浅的出现问题； 坑深的更出现问题。有的地区基坑工程成功率大体仅为l 3 ，另有2 3 是出了工 程事故的，或多少有问题的。其结果是，给国家造成巨大经济损失，影响居民安 定生活，造成市政交通堵塞，危及四邻安全，投诉四起，新闻跟踪，打不完的官 司，扯不完的皮，做不完的检查，开不完的事故分析会，使有关勘察、设计、施 工、监理工程技术人员及质检、建管部门压力如山。 综合起来，目前存在的主要问题有以下几个方面： ( 1 ) 深基坑技术有待尽快发展提高，以适应当前工程的需要。当前深基坑开 挖支护工程己发展到以深、大、复杂为特点的新时期，特别是沿海地区，地下水 位较高，深基坑工程施工工艺的改进等问题，均有待于进一步的研究和尽快发展。 ( 2 ) 一些基坑工程设计质量较低，是发生事故的主要原因。一些部门误认为 深基坑开挖支护工程是施工部门的事，无需设计资质，设计院及岩土工程部门介 入较少，设计大多是由施工单位自己完成，由于设计人员的技术水平参差不齐， 参数取值、计算方法无章可循，使一些工程设计缺陷多、隐患较大，盲目挖潜， 以致造成安全储备过低，发生严重工程事故，或盲目增加安全系数造成严重浪费。 ( 3 ) 施工混乱，管理不力。对属于岩土工程的地下施工项目，资质限制不严 格，基坑支护工程转手承包较为普遍，少数施工单位不具备技术条件，入力、物 力等基本素质较差，为了追求利润或为迁就业主，随意修改工程设计，降低安全 度。现场管理混乱，以致出现险情时惊慌失措。 9 辽宁j 程技术大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 质量检验方面也有不少问题。基坑支护结构的质量检测、验收方法也无 章可循，给基坑支护结构的质量监督和质量评价带来困难，没有针对基坑支护工 程特点建立竣工验收的质量管理体系，检测部门资质混乱。 。( 5 ) 深基坑工程对工程勘察有特殊要求。基坑工程勘察工作十分重要，但许 多勘察单位常常忽略对基坑环境地质的勘察，专门针对基坑的工程地质及水文地 质的勘察重视不够，对各种计算参数的试验方法及取值也缺乏科学性或不符合现 场实际情况，对于费时费力的现场试验及原位测试工作较少进行，有些勘察深度 和勘察点的布置不符合基坑工程要求，以致给设计、施工带来困难和隐患。 ( 6 ) 监理工作的问题。目前鉴理工作在人力、技术等方面还很不适应深基坑 工程的特殊要求，要把对基坑工程的监理作为整个建筑工程监理的一个重点。 2 3 深基坑的破坏形式及工程事故原因的分析 2 3 1 破坏形式 在深基坑工程中，事故较多，这里有设计的原因，也有施工方面的原因。基 坑破坏往往给周围带来严重的不良影响，如影响附近管线的正常使用，坑内工程 的倾斜，附近房屋的开裂，特别是由于整体失稳导致结构地下部分不能正常施工 因此，在施工的整个过程中要加强工程的监测，防止基坑的破坏，或通过采取防 范措施进行及时抢救以使损失减少到最小。 支护结构破坏的形式可以分为以下三种： ( 1 ) 稳定性破坏 整体失稳：包括由于围护桩入土深度太小引起的圆弧式滑动，俗称“踢脚”， 4 以及由于墙体截面太小引起的整体移动。 坑内隆起：开挖后，应力释放会引起坑底隆起，可通过加深墙体入土深度和 加固基坑土来防止。 管涌和流沙：可通过降低地下水位差，加深墙体深度以增加渗径或改善墙体 及地基土的抗渗性能来避免。 ( 2 ) 强度破坏 支撑系统破坏：包括围护桩墙和支撑杆的破坏。破坏原因有；围护桩墙尺寸 太小或跨度太大，支撑杆件截面不够或计算长度太大。 围护墙体破坏：包括墙体强度不够，截面不够或配筋不当等。 c 3 ) 变形破坏 这种变形对支护本身除了变形太大外没有带来更大的危害，但对临近构筑物 或地下管线会造成不良影响。例如：引起临近建筑的开裂，路面开裂或下陷煤气， 电力电缆或通信设施破坏，管道漏水等。 讧宁工程投术丈学工程硕士学忙论文 2 3 2 工程事故原因分析 2 3 2 1 实际的主动土压力大于设计值，支护结构产生较大变形 ( 1 ) 支护结构土压力计算简图选择不当，与实际受力状况相差过大。支护结 构的设计对运土车辆活荷载、施工荷载等考虑不足或漏算，导致实际的地面荷载 增大，主动土压力变大，支护结构变形过大，地面开裂，甚至基坑坍塌。 ( 2 ) 基坑周围严重堆载。由于施工现场狭窄，挖出的土方，大量的建筑材料 如钢筋、管材堆放在基坑边，形成基坑周围地面超载，使支护结构过大变形或破 坏。 ( 3 ) 违犯规程作业。如大型挖土机工作时离桩顶距离太近，并且反铲挖土， 使桩顶严重超载。 。 ( 4 ) 地面防水措施不利，大量的地面水渗下，或者地下管道渗漏，使地基土 的含水量增大，粘聚力和内摩擦角降低，土的侧压力增大，造成基坑支护结构严 重变形或破坏。 2 3 2 2 降水、排水措施不当，导致支护结构失效 ( 1 ) 基坑开挖时，未作止水帷幕，在基坑内大面积降水，引起基坑周围一定 范围内的地基土随着降水漏斗曲线的形成而产生不均匀沉降，使周围建筑物、道 路及地下管线等设施下沉，开裂或严重破损。 ( 2 ) 止水帷幕的设计未充分考虑场地的地质条件和基坑的不同开挖深度，采 用同一长度的单头单排水泥土搅拌桩阻水，并且搅拌桩不穿透粉细砂层，造成基 坑内严重漏水或支护桩失效。 2 3 2 3 对地基保护、处理不当，导致支护结构失效 页岩地基，深基坑开挖时坑壁强度很高，但由于未及时封闭岩面，使页岩失 水风化，质地变得松散，导致锚固体拔出，支护体失效。 2 324 淤泥地基发生触变，基坑支护结构产生破坏 ( 1 ) 在淤泥或饱和软粘土场地，采用锤击式预制钢筋混凝土桩作为工程桩及 支护桩，布桩密，锤击数多，使地基土严重扰动，孔隙水压力急剧上升，短时间 内不能消散，土体产生触交，强度迅速下降，桩体挠曲，甚至断裂。 。 ( 2 ) 在淤泥或饱和软粘土场地，不降水开挖基坑，由于挖土、运土设备的扰 动，土体抗剪强度下降，使基坑周围土产生滑动，导致支护桩向基坑方向位移。 2 3 2 5 锚杆失效，支护结构发生较大变形 ( 1 ) 锚杆设计的位置不当，使得支护桩抗力不足，引起支护结构大变形，甚 至断桩。 ( 2 ) 由于地面排水措旌不当，大量雨水渗透使地基土的粘聚力和内摩擦角值 下降，锚杆的锚固力降低，导致锚杆失效。 辽宁工程投术，：学1 程硕士学位论文 ( 3 ) 由于地基土的冻张作用，使锚杆的锚固力下降。 ( 4 ) 机械振动使地基土内孔隙水压力上升，有效应力下降，从而使砂土液化， 粘性土产生触变，降低锚固力。 2 3 2 6 基坑土体稳定性不足，引起土体破坏 ( 1 ) 支护结构插入坑底土体中的深度不够，被动土压力不足，使支护结构稳 定性差，产生位移。甚至基坑坡脚滑动，坑底土体大面积隆起，引起整体滑动。 ( 2 ) 在饱和粉细砂场地的基坑内降水，土体因坑底的管涌而失稳。 2 3 2 7 支撑结构布置不合理，导致支护结构大变形 ( 1 ) 基坑平面尺寸较大，采用钢管内支撑时，由于钢管的细长杆压曲变形， 使支护结构产生位移，甚至破坏。 ( 2 ) 支撑的支点数少，联接不牢固，甚至挖土机在其上工作，使得支撑杆下 挠，产生弯曲变形，达一定程度后，丧失支撑作用，对基坑稳定造成严重威胁。 ( 3 ) 头道支撑位置太低，使支护结构项部位移过大。 ( 4 ) 支撵间距设计过疏，使支撑产生过大的弯曲变形 2 3 2 8 支护结构设计时，安全储备太小 为了节约，过大的折减土压力值，减少支护结构的配筋，在基坑周围土质条 件发生不利的变化时，导致支护结构过大变形，甚至破坏。 2 3 2 9 由于暴雨、管道漏水等原因造成破坏 由于暴雨、管道漏水等原因，使基坑外侧地下水位突然增高，作用在支护结 构上的侧向静水压力增大，导致支护结构过大变形，甚至破坏。 2 321 0 相邻工程的不利影响 相邻基坑同时施工，一个基坑开挖，一个基坑打桩，由于打桩速度快，产生 超静孔隙水压力，造成严重的侧向挤土作用，使相邻基坑的支护桩位移，甚至断 裂破坏。 2 3 2 1 1 施工质量差，引发事故 ( 1 ) 灌注桩浇注质量羞，使桩体达不到设计要求，基坑开挖后，桩体断裂。 ( 2 ) 由于防水注浆工艺不完善，使得水泥土搅拌施工质量差，起不到阻水作 用。基坑开挖后，产生严重的渗水漏水现象，桩间土流失，导致周围地面严重的 不均匀沉降。 ， 2 3 2 1 2 施工管理水平低，造成事故 ( 1 ) 旎工单位监测技术落后，或根本未迸行施工监测，支护结构由小位移发 展到大变形，最后造成事故。 ( 2 ) 施工单位对监测数据分析不够，出现危险信号时，不能及时做出正确处 理对策，采取适当的应急措施，从而招致灾难。 辽宁1 = 程技术大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 施工时，随意改变设计意图，不严格遵守施工程序，使施工现场处于混 乱状态，从而造成事故。 2 3 2 1 3 突发性原因造成深基坑支护结构破坏 由于突发性的地震、洪水以及大面积滑坡等自然灾害的发生，造成深基坑支 护结构的严重破坏。 2 3 2 1 4 土的冻胀影响 土冻结时，土中原有水分冻结成冰，并且在冻结过程中未冻结部分的水分不 断向冻结峰面迁移、聚集，水分结冰致使体积膨胀，这种现象称为土的冻胀作用。 在湿土冻结时，因水分迁移、楣变等，致使土的体积膨胀，两对支护结构产 生的作用力称为冻胀力。当地层处于无水源补给的所谓“封闭系统”时，其冻胀 力一般不大；当处于有水源补给( 如地表生活用水或地下管道渗漏补给) 的所谓 “开敞系统”时，冻胀力就可能成倍增加，并转变为对支护结构的附加应力。此 时对支护结构的破坏影响最大，甚至破坏。另外，冻土在融化过程中还会产生融 陷现象，而融陷就会对原有的支护结构的完整性产生影响，为支护结构的失效留 下隐患。i 当然，上述每个原因，只是造成某个深基坑事故的一个主要方面。一般来说， 每个深基坑事故都是由许多不利因素组合在一起而共同引发的，这与深基坑工程 的设计、施工、工程监测及工程管理密切相关，不能以简单的方式处理复杂的 深基坑事故，这是十分重要的。 2 4 深基坑支护的目的要求及重要性 2 4 1 基坑支护的目的要求 对建筑物的基坑支护主要有以下几方面的目的： ( 1 ) 确保坑壁稳定，施工安全； ( 2 ) 确保邻近建筑物、构筑物和管线的安全； ( 3 ) 有利于挖土和地下室的建造； ( 4 ) 支护结构施工方便、经济合理。 2 4 2 支护结构的重要性 支护结构的作用是在基坑挖土期间挡土、挡水，保证基坑开挖和基础( 地下 室) 结构施工能安全、顺利地进行，并在基础施工期间不对邻近的建筑物、道路 和地下管线等产生危害。 支护结构为起到上述作用，必须在强度、稳定性和变形等方面都满足要求。 如无足够的强度和稳定性，挡墙会破坏，支撑会压曲，坑底会产生坑底隆起或管 涌，都会引起支护结构破坏和地下基础无法施工，亦会危及周围环境。如果剐度 不足，产生过大的变形，坑内会影响工程桩，坑外则会影响周围建筑物的正常使 辽宁工程技术大学工程硕士学世论文 1 4 用或对周围环境造成有害影响( 路面沉降开裂、管线断裂漏水、漏气等) 。严重时 会造成重大事故。这种事故在我国工程建设中已多次发生，应当在支护结构设计 和施工中引起我们的充分重视。 2 5 深基坑支护选型的基本原则和一般规定 2 5 1 深基坑支护结构选型的基本原则 深基坑支护结构选型应遵循“安全、经济、合理”的原则。安全不仅指支护 体系本身安全，保证基坑开挖、地下结构施工顺利，而且要保证邻近建( 构) 筑物 和市政设施的安全和正常使用。经济不仅是指支护体系的工程费用，而且要考虑 工期，考虑挖土是否方便，考虑安全储备是否足够，应采用综合分析，确定该方 案是否经济合理。方便施工也应是支护体系的选用原则之一。方便施工可以降低 挖土费用，而且可以节省工期、提高支护体系的可靠性。 具体地说，就是要综合考虑基坑平面尺寸、基坑周边环境、场地工程地质与 水文地质条件、施工季节、已有的施工机械设备、地区经验做法、施工便捷性、 安全性要求、相应的行业规范和条例、经济性要求与社会效益等多种影响因素， 合理选择深基坑支护结构型式并在细部予以优化。 ， 一个优秀的支护体系设计，要做到因地制宜，根据基坑工程周围建( 构) 筑物 对支护体系变位的适应能力，选用合理的支护型式，进彳亍支护结构体系设计。相 同的地质条件，相同的挖土深度，允许围护结构变位量不同，满足不同变形要求 的不同的支护体系的费用相差可能很大。优秀的设计，应能较好地把握支护结构 安全变位量，使支护体系安全，周围建筑物不受影响，费用又小。 支护体系一般为施工过程中临时构筑物，设计中不宜采用较大的安全系数， 但适当的安全储备还是需要的。安全系数取1 o ，对一个工程不一定出问题；但 宏观地看，对一个地区，工程事故数量就可能不少。从安全与经济两方面考虑， 可以在采用较小的安全