（岩土工程专业论文）基坑开挖对邻近建筑物的影响.pdf

基坑开挖对临近建筑的影响分析 摘要 基坑工程作为一个临时性的工程，会对临近建筑的沉降造成很大影响。本文 在系统的总结相关课题研究成果的基础上，针对目前深基坑数值模拟及优化理论 研究的需求和发展现状，以安徽置地大厦基坑施工为背景，应用并融合了有限元 分析、灰色理论、数理统计等理论和技术，对基坑开挖过程进行了以下几个方面 的研究。 1 针对基坑开挖的施工顺序，对基坑降水、基坑开挖和基坑支护等方面所引 起的土体位移做了一个系统的介绍。 2 提出对基坑变形监测的必要性，是基坑开挖信息化施工的一部分，并详 细论述了监测的内容、方法和原理。 3 从观测数据出发，通过监测得到的沉降观测值，选出其中的一部分较好 的数值，用灰色系统及其他预测模型进行预测分析和评价，得到灰色系统g m ( 1 ，1 ) 模型能较好的符合工程实际。 4 从土体的应力与应变的内在规律出发，取基坑开挖的某一个断面，基于 摩尔库伦理论，用p l a x i s 有限元分析计算程序，对基坑开挖过程进行了数值模 拟，总结了基坑开挖引起建筑物沉降的变形规律，对于系统的指导基坑开挖有重 要的工程实际意义。 关键词：基坑开挖；对临近建筑影响；灰色理论；有限元分析计算； t h ei n f l u e n c ea n a l y s i so fd e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o no n n e a r b yb u i l d i n g s a b s t r a c t d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o nw o r k sa sat e m p o r a r yp r o j e c t ，w h i c hh a sag r e a t i m p a c to nt h ea p p r o a c ho ft h eb u i l d i n gs e t t l e m e n t t h i sa r t i c l es u m m e du pt h i ss y s t e m r e l a t e dt o p i c so nb a s i cr e s e a r c hr e s u l t s ，t h ep a p e rd e e pf o u n d a t i o nf o rt h ep r e s e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ed e m a n df o rt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h es t a t u sq u o ，t oa n h u if o u n d a t i o nl a n d m a r kb u i l d i n gc o n s t r u c t i o n f o rt h eb a c k g r o u n d ，a p p l i c a t i o na n di n t e g r a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，g r a y t h e o r y , m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，s u c h a st h et h e o r ya n dt e c h n o l o g y , t h ep r o c e s so f e x c a v a t i o nc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n gs t u d i e s 1 f o rt h ec o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo fe x c a v a t i o n ，t h ef o u n d a t i o np i td e w a t e r i n g ， e x c a v a t i o na n df o u n d a t i o np i t ，e t c c a u s e db ys o i ld i s p l a c e m e n tt od oas y s t e m a t i c i n t r o d u c t i o n 2 d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n gp r o p o s e dt h en e e df o re x c a v a t i o na r ep a r to ft h e c o n s t r u c t i o no fi n f o r m a t i o na n dd e t a i lo fm o n i t o r i n gt h ec o n t e n t s ，m e t h o d sa n d p r i n c i p l e s 3 s t a r t i n gf r o mt h e o b s e r v a t i o n a ld a t a , o b t a i n e dt h r o u g ht h em o n i t o r i n go f s u b s i d e n c eo b s e r v a t i o n s ，s e l e c t e dp a r to fo n eo ft h eb e t t e rv a l u e ，w i t ha 黟a ys y s t e m a n do t h e rp r e d i c t i o nm o d e lp r e d i c t i o na n a l y s i sa n de v a l u a t i o n ，t h eg r a ys y s t e mg m ( 1 ，1 ) m o d e lc a l lb e t t e rc o n s i s t e n tw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e 4 f r o mt h es o i lo ft h es t r e s sa n ds t r a i no ft h ei n h e r e n tl a w , t h ea d m i s s i o no ft h e e x c a v a t i o no fac r o s s s e c t i o n ，b a s e do nt h em o l a rc o u l o m bt h e o r y , f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sp r o g r a mp l a x i so ne x c a v a t i o np r o c e s so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s u m m e du p t h eo p e np i tc a u s e db yb u i l d i n gs e t t l e m e n td u gd e f o r m a t i o nl a wf o rt h eg u i d a n c e s y s t e me x c a v a t i o nw o r k s h a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：d e e pf o u n d a t i o ne x c a v a t i o n ；i n f l u e n c eo nn e a r b yb u i l d i n g s ；g m ( 1 ，1 ) ： f e ms i m u l a t i o n 插图清单 图2 一l 放坡开挖基坑破坏形式8 图2 2 刚性挡土墙开挖基坑破坏形式9 图2 3 无支撑柔性围护墙基坑破坏形式1 0 图2 4 悬臂支护结构变形示意图1 0 图2 5 有支撑的柔性支护结构变形示意图1 1 图2 6 地表沉降分布形式示意图12 图3 1 理想弹性一塑性模型1 9 图3 2 主应力空间中摩尔一库伦准则的屈服面2 1 图3 3 标准排水三轴试验结果中e 。和e 。的定义2 3 图3 4 屈服面上的应力圆( 库伦破坏面相切) 2 4 图4 一l 各模型预测与真实值对比图3 4 图5 一l 场地平面位置图3 7 图5 2 场地范围内的基础埋深图3 7 图5 3 基坑支护剖面示意图3 9 图5 4 土方开挖的剖面示意图4 0 图5 - 5 有限元计算简图4 l 图5 6 计算单元示意图4 1 图5 7 网格划分图示意图4 1 图5 - 8 厚度折算计算图一4 2 图5 9 最大主应力矢量图4 3 图5 - 1 0 最大主应力等值线图4 3 图5 1 1 基坑范围内土体y 方向变形4 4 图5 1 2 开挖4 5 m 主应力矢量图( 支护前) 4 4 图5 一1 3 开挖4 5 m 塑性点分布图( 支护前) 4 5 图5 1 4 开挖4 5 m y 方向变形等值线图( 支护前) 4 5 图5 一1 5 开挖4 5 m 主应力矢量图( 支护后) 4 6 图5 1 6 开挖4 5 m 塑性点分布图( 支护后) 4 6 图5 - 17 护坡桩施工完毕后基坑土体变形速度矢量图4 7 图5 一1 8 护坡桩锚杆施工完毕后基坑土体应力状态图4 7 图5 1 9 开挖到第二期基坑支护图4 8 图5 2 0 开挖第二期土体主应力矢量图4 8 图5 2 1 开挖第三期基坑土体的应力状态图4 9 图5 2 2 开挖第三期基坑土体的塑性分布状态图4 9 图5 2 3 测点8 的沉降曲线图5 0 表格清单 表3 一lm o h r - - c o l u m b 模型参数2 2 表4 1 模型精度分级表3 0 表4 2 周边建筑物沉降的灰色系统预测结果3 2 表4 3 三种预测方法与真实值的对比3 5 表4 4 后期各模型拟合预测误差3 5 表5 1 主要地层物理力学参数表3 6 表5 2 参数取值表4 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金月曼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：z 矛年易月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒自旦王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权尘 罡工些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：导师签名： 签字醐2 节切月叫日 签字蹶沙7 年￥月乙7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址：邮编： 螈l 撼眵嘞 致谢 本课题的从选题、试验到论文整理阶段得到了导师王国体教授的悉心指导与 严格把关。王老师严谨的治学态度，高尚的品德，实事求是的精神给我留下了极 为深刻的印象。作为一名学者，王老师对科学发展的前沿领域以及新事物具有敏 锐的分析与把握能力，使我深受教益；作为一名科技工作者，王老师忘我的工作 态度值得我学习；作为师者，王老师在学习上对我大力支持并且严格要求，在生 活上对我亲切关怀、热情帮助，使我终身难忘。在此，我谨向恩师致以最崇高的 敬意和最良好的祝愿! 师恩难忘! 感谢在我教育成长过程中胡爱根、胡双根、钟国梁等恩师给我无私的帮助和 关怀! 是您们的辛勤与爱心把一个懵懂无知的少年塑造成为一个社会有用之入， 我将铭记于心! 感谢敬爱的父母对我的养育之恩! 不管我身在何处，总能感受到您们永远的 牵挂；不管我遇到多大的艰难险阻，您们的豁达是我强大的精神支柱，一直以来 您们不辞劳苦的身影，淳淳教诲是我前进的不竭动力，未敢放弃! 感谢我挚爱的朋友张李黎、吴涛、熊小平、何兵、赵岚、陈涛、潘峰等在我 精神上的鼓励，生活上的关心与爱护，使我克服了一个又一个难关! 最后，向一直以来，关心我及在我成长过程中给予支持和帮助的老师、同学 和朋友表示最衷心的感谢和最诚挚的问候! 作者：敖斌 2 0 0 9 年3 月2 0 日 第一章绪论 1 1 本文的研究背景 自上个世纪8 0 年代以来，随着经济的不断发展，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。最近十几年来，我国各大中城市万幢高层建筑拔地而起，其中高度超过 百米以上的大约有2 0 0 座，上海金茂大厦高度为4 2 0 5 m ，深圳地王大厦高度为 3 2 5 m ，广州中天大厦3 2 3 m 。他们的巍然耸立，已跻身于世界百座超级巨厦之列。 随着高层建筑的发展，基坑工程的规模也迅速发展，其主要标志是开挖深 度越来越大，已发展至2 0 m 、3 0 m 以上，如武汉的国贸大厦基坑开挖到地面一下 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以下3 0 m ；福 州新世纪大厦的基坑最大深度达2 4 m ，北京京城大厦基坑深度为2 3 7 6 m ；上海 金茂大厦主楼基坑开挖到地面以下1 9 8 m 。许多基坑的平面面积已超过1 0 0 0 0 m 2 ， 基坑平面尺寸最大的上海港汇广场大厦为2 7 5 m x l 8 2 m ，开挖面积达5 0 0 0 0 m 2 。 与此同时，我国大城市的地下交通也在迅速发展，北京地铁继其第一期、 第二期工程之后，又建成复八线，目前正在修建3 1 0 号线地铁；上海地下铁 道l 号、2 号线通车后不久，目前又在建多条地下铁线，此外许多大城市如广 州、深圳、天津、青岛等都在兴建地下铁道。这些地下铁道的车站有百余座， 其基坑的最大深度达2 2 m 。上海徐家汇地铁车站的开挖宽度为2 3 m ，长度6 6 0 m ， 为亚洲最大的地铁车站。此外，在各地兴建了许多大型地下市政设施( 如上海 人民广场地下变电站) 、地下商场( 如石家庄站前地下商场建筑面积4 0 0 0 0 m 2 ) 和工业深基坑( 如上海宝钢热轧厂铁皮坑深达3 2 m ) 。 特别指出的是，近年来在桥梁建设中出现了一些个超深基坑，深度达5 0 m 、 6 0 m 。如瑞扬长江公路大桥北锚定基坑平面尺寸为6 9 m x 5 0 m ，深度达5 0 m 。江阴 长江公路大桥北锚定基础工程基坑平面尺寸为6 9 m x 5 1 m ，沉井下沉深度为5 8 m 。 这些都是国内外罕见的超深基坑工程。 这些大型基坑工程的建成，标志着我国基坑工程技术达到了一个很高的水 平，在这最近十余年中，我国深基坑工程数量之集中，规模之浩大，监测资料 之丰富，都是其他国家望尘莫及的；但是，基坑工程事故率之高，也是首屈一 指的。深基坑工程引起了学术界和工程界的普遍关注，目前已将大量的人力投 入到这一领域的工程研究中来，取得了丰硕的成果“。 1 2 问题的提出 基坑开挖附近一般会发生土体流失及应力状态的改变。土的流失及应力状态 的改变一般以土的水平和竖向位移的形式表现出来。建筑物的破坏是由基础的位 移或变形引起的。支护系统的刚度及开挖方法决定着土的位移，土的位移是否会 引起破坏是通过确定临近建筑物的容许力、变形及扭曲的极限来判定。最容易破 坏的是那些基础位于开挖影响区域附近的建筑。 基坑开挖引起地表变形，地表变形导致临近建筑物的破坏。目前对于基坑开 挖引起的地表变形已有了较多的研究和成果，地表变形对建筑物的影响也有了一 定的研究成果，目前，在复杂工程环境状况下，基坑支护结构、土体和周边建筑 物及其它构筑物之间的共同作用，临近建筑物的变形以及开挖过程中建筑物结构 内力的反应等方面的研究较少。在这种情况下，本文选择了基坑开挖对临近建筑 物的影响作为研究课题，具有一定的理论意义和工程应用价值。“。 1 3 国内外的研究现状 基坑工程对周边建( 构) 筑物和地下管线的影响还与周边建( 构) 筑物和地下 管线对土体位移敏感程度有关。土体位移对它们的影响程度还取决于周边建( 构) 筑物和地下管线的形式、刚度以及材料性质等。由此可见，基坑工程对周围环境 影响是非常复杂的，也越来越成为人们研究和关注的课题，但总的来说，这方面 的研究，尤其是基坑工程对近邻建筑物的影响方面，还有许多不足之处，有待完 善。 宋二祥h3 等对一基坑开挖对邻近高层建筑影响的分析、决策及实施结果，并 对分析过程中所用方法的某些方面，如地基承载力深度修正系数的取值、地基极 限荷载的有限元分析等进行了讨论，对类似工程问题的分析有一定参考价值。 刘建航从事上海软土地层中地下工程和隧道工程技术领域的科研、设计、施 工己4 0 余年，直接参与了上海地铁一号线、二号线和三号线工程建设的技术领导、 协调和咨询工作、研究、发展和应用了上海地铁车站深基坑开挖及区间隧道施工 中预测和控制地层位移的理论和方法，获得了重大的技术、经济、社会和环境效 益。 l a m e 等n 剐定性分析了影响坑周土体变形的各种因素，并将其归为八个方面： 基坑尺寸( 长度、宽度、深度) ：土的性质：地下水条件：基坑暴露时间： 支撑系统：开挖和支撑的顺序：邻近的结构和设施：活荷载。 李勇结合具体的工程实例，针对挖除了土的边载使地基承载力降低而危及 建筑物的安全问题，就基坑开挖对紧邻既有建( 构) 筑物地基承载力的影响作了探 讨及计算。 刘维宁晴3 等对非饱和土的工程性质以及城市地下工程的环境影响和控制理论 方面进行了研究。候学渊m 1 等研究了软土基坑支护结构的变形控制，对不同部位， 如墙体、基底、地表等提出了不同的变形控制。 潘秋元等旧1 研究了基坑开挖中应力路径对不排水强度的影响在基坑开挖过 程中，墙体与土体的摩擦使得各点的应力路径变得非常复杂，很难通过试验完全 模拟，墙后土体处于压缩状态，坑底土体处于膨胀状态：基坑开挖过程中从主动 2 区到被动区，而坑底附近土体单元侧向为大主应力方向。 潘汝龙口叫探讨了基坑开挖卸载与被动土压力的关系：对正常固结的软粘土地 基，天然地面以下某点a ，开挖前a 点的有效覆压力为吼，开挖后，坑底附近a 点 有效上覆压力为气，由于卸载作用，坑底以下一定深度范围内土体处于超固结状 态。 孙均1 研究了地下连续墙基坑开挖对环境土工病害的预测与防治，指出软土 层基坑开挖过程中，卸载作用导致开挖面以下土体内的应力及侧压力减小，但还 保留着相当部分未完成卸除的残余应力，而且上层土体开挖的卸载作用对下层土 体中应力的影响，也只是在一定范围内存在，它对此深度以下土体中的应力影响 很小。 深基坑开挖和工程中的监测技术和动态信息施工，使设计、施工和监测三位 一体化。在深基坑开挖过程中，对支护结构、周边环境的位移、倾斜、沉降、应 力、开裂、基坑隆起以及地下水的变化、土层的空隙水压力变化等进行监测。然 后将各种数据结果余与勘测设计所预测的性状进行比较，从而判断现有施工方案 的是否具有合理性。对后续开挖方案和开挖步骤提出建议，以确保工程安全。 1 4 本论文研究的主要内容 在系统的总结相关课题研究成果的基础上，本文针对目前深基坑数值模拟及 优化理论研究的需求和发展现状，以安徽置地大厦基坑施工为背景，应用并融合 了有限元分析、灰色理论、数理统计等理论和技术，对基坑开挖过程进行了以下 几个方面的研究。 1 ) 针对基坑开挖的施工顺序，对基坑降水、基坑开挖和基坑支护等方面所 引起的土体位移了一个系统的分析。 2 ) 阐述了基坑变形监测内容、方法和原理以及变形监测的必要性。 3 ) 通过监测，做出基坑开挖引起的地表沉降、边坡位移引起建筑物沉降等 的位移时程图并进行了分析，用灰色系统及其他预测模型进行预测分析和评价。 4 ) 取开挖的某一个断面，用有限单元法对基坑开挖过程进行了数值模拟， 总结了基坑开挖的位移变形规律。 第二章深基坑工程对周围环境影响分析的相关理论 2 1 深基坑工程概述 2 1 1 深基坑工程的特点 随着经济建设的发展和人们生活水平的提高，近年来我国的各类建筑与市政 工程瞪到了飞速的发展。多层建筑及高层建筑的地下室、地下车库、地铁车站等 工程施工，都会面临深基坑工程。 房屋建筑、市政工程或地下建筑物在施工时需要开挖的地坑，即为基坑。一 般认为深度在6 m 以上或者有支护结构的基坑即为深基坑。为保证深基坑的施工、 主体地下结构的安全与周围环境不受损害，都要进行基坑支护、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深基坑工 程。 基坑工程是土力学基础工程中一个古老的传统课题，同时又是一个综合性的 岩土工程问题，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，同时还涉及土与 支护结构的共同作用问题。这些将随着土力学理论、测试技术、计算技术以及施 工机械、施工技术的发展而进步。 深基坑工程具有以下特点引： ( 1 ) 建筑趋向高层化，基坑向大深度方向发展； ( 2 ) 基坑开挖面积大，长度与宽度有的达数百米，工程规模日益增大，给 支撑系统带来较大的难度； ( 3 ) 在软弱的土层中，基坑开挖会产生较大的位移和沉降，对周围的建筑 物、市政设施和地下管线造成影响，因此对深基坑稳定和位移控制的 要求很严； ( 4 ) 深基坑施工工期长、场地狭窄，降雨、重物堆放等对基坑稳定性不利， 基坑工程施工条件差； ( 5 ) 在相邻场地的施工中，打桩、降水、挖土及基础浇注混您图等工序会 相互制约与影响，增加协调工作的难度； ( 6 ) 岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件的复杂和不均匀 性，造成勘察所得的数据离散性很大，难以代表土层的总体情况，并 且精度较低，给深基坑工程的设计和施工增加了难度； ( 7 ) 深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常 需要经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其 安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突发性。 2 1 2 深基坑工程的结构设计 深基坑工程是地下工程施工中内容丰富且富有变化的领域，是土木工程中最 为复杂的技术领域之一。它不仅要保证施工工程中的稳定，而且要严格限制周边 4 的地层位移以确保环境安全。因此深基坑工程设计必须高度重视。 深基坑工程设计，是运用勘察资料，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。基坑工程设计的特殊性是与施工密不可分的，其 施工的每一个阶段，外荷载、结构体系等都在变化。施工工艺和施工顺序的变化、 支撑形式时间的长短、支撑拆除的顺序和方式、基坑尺寸的大小及气温的变化， 都影响最后的计算结果。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。此外，基坑工程设计虽然有了长足的进步，但其计算理论并非完美无缺， 诸多影响因素在计算中也难以全面反映，而且施工过程中也可能出现一些以外的 情况。因此，目前进行深基坑设计，要采取理论计算、监测数据和工程经验相结 合的办法。以求基坑工程设计更加合理和经济 1 3 1 。 根据中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 的 规定，基坑支护结构应采用分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。基坑支 护结构的极限状态，可分为下列两类： 1 承载力极限状态 对应于支护接哦故达到最大的承载力或土体失稳、过大变形导致支护结构或 基坑周边环境的破坏。 2 正常使用极限状态 对应于支护结构的变形已妨碍地下结构的施工，或影响基坑周边环境的正常 使用功能。 基坑支护结构故均应进行承载能力极限状态计算，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。 建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 9 9 ) 规定，基坑侧壁的安全等级分为3 级，不同等级采用相应的重要性系数h 。基坑侧壁的安全等级如表2 1 所示： 表2 1 基坑侧壁的安全等级及重要性系数 注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定 支护结构设计，应考虑其结构水平位移、地下水的变化、对周围环境和竖向 变形的影响。对于安全等级为一级和对周边环境变形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，对变形适应能力和土的性质等因素，确定支护 结构的水平变形限制。 当地下水位较高时，应根据基坑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形式等因素，确定地下水的控制方法。当基坑周围有地 表水汇入、排泄或地下水管渗流时，应妥善对基坑采取保护措施。对安全等级为 一级及对支护结构有变形有限定的二级建筑基坑侧壁，应对基坑周边环境及支护 结构变形进行验算。 基坑工程分级的标准，各地也不尽相同，各地区、各城市根据自己的特点和 要求作了相应的规定，以便于进行岩土勘察、支护结构设计、审查基坑工程方案 等之用。 例如上海根据基坑工程的重要性，上海市标准基坑工程设计规程( d b j 0 8 6 卜9 7 ) 5 | ，按基坑重要性分为以下三级： ( 1 ) 符合下列情况之一时，属于一级基坑工程： 1 ) 支护结构作为主体结构的一部分时； 2 ) 基坑开挖深度大于等于l o m 时： 3 ) 距基坑边两倍开挖深度范围内有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等 需严加保护时； ( 2 ) 开挖深度小于7 m ，且周围环境无特别要求时，属于三级基坑工程； ( 3 )除一级和三级基坑工程以外的，均属于二级基坑工程。 对于地铁、隧道等大型地下设施安全保护区范围内的基坑工程，应遵照有关 的专门文件和规定执行。 由以上的基坑工程分级，可以看出一级基坑工程最着那个要，二级基坑工程 辞职，最后是三级基坑工程。对于不同等级的基坑工程，其勘探测试孔的深度、 提供的各土层物理、力学试验指标的统计值、支护结构设计采用的土体抗剪强度 指标、支护结构设计所采用的安全系数都不同。因此，在进行深基坑工程设计和 施工之前，首先要确定其等级，然后分别按不同的要求进行设计和施工。 在进行深基坑工程设计之前，应收集下列资料： ( 1 ) 岩土工程勘察报告； ( 2 ) 邻近建筑物和地下设施的类型及分布图 ( 3 ) 地界线及红线图、邻近地下管线图、建筑总平面图、地下结构平面和 剖面图等； 上述资料，有的由勘察、设计单位提供，有的向有关的市政管理部门收集， 有的还需要通过检验和调查才能取得。 深基坑工程设计的主要内容“引，一般应包括： ( 1 ) 支护体系的方案比较和变形计算； ( 2 ) 支护结构的承载力和变形计算； 6 ( 3 ) 基坑稳定性验算； ( 4 ) 围护墙的抗渗验算 ( 5 ) 降水方案； ( 6 ) 挖土方案； ( 7 ) 监测方案与环境保护要求。 在进行深基坑工程设计时，应考虑的荷载有： ( 1 ) 土压力、水压力； ( 2 ) 地面超载； ( 3 ) 影响范围内建( 构) 筑物产生的侧向荷载； ( 4 ) 施工荷载及邻近基础工程施工( 如打桩、基坑开挖、降水等) 的影响； ( 5 ) 需要时，宜结合工程经验考虑温度影响和混凝土收缩、徐变引起的作 用及挖土和支撑施工的时空效应。 2 1 3 深基坑工程的施工 深基坑工程的成果与否，不仅与设计计算有关，而且与施工方案正确与否、 是否严格按设计计算所采用的施工工况进行施工及施工质量的好坏等密不可分。 深基坑工程施工，是否严格遵照设计要求进行是很关键的问题。回顾过去基坑工 程施工中发生的事故，除设计错误或考虑不周这外，绝大多数皆与此有关。为此， 深基坑工程施工要严格按照设计要求和有关的施工规范、规程进行施工铂n 刚。 基坑工程的施工组织设计或施工方案应根据支护结构形式、地下结构、开挖 深度、地质条件、周围环境、工期、气候和地面荷载等有关资料编制。内容应包 括工程概况、地质资料、降水设计、挖土方案、施工组织、支护结构变形控制、 监测方案和环境保护措施等。对于有支护结构的基坑土方开挖，其开挖的顺序、 方法等必须与设计工况相一致，遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超 挖”的原则。 与上部结构相比，基坑工程的施工由于无法摆脱空间、时间、自然环境、人 为等众多因素的影响，往往带有很大的风险性和随机性，深基坑表现得尤为突出。 这对深基坑工程的施工工艺、施工组织、施工管理以及特殊事件的处理等方面提 出了更高的要求叫乜0 。 对水泥围护结构，施工过程中搅拌是否均匀，搭接长度是否足够，水泥掺量 是否符合设计要求，相邻桩的施工间歇时间是否超过规定，土方开挖前的养护时 间是否达到设计要求，土方开挖是否分层开挖等一系列问题，都影响水泥土围护 结构的承载力、稳定和抗渗能力。该围护结构的成败在很大程度上取决于施工质 量。 板式支护体系由围护墙、围檩与支撑体系、防渗与止水结构等组成。围护墙 结构常用形式有桩排式围护墙和板墙式围护墙。对这类支护体系，同样，施工质 量产生巨大的影响。如钢板桩的施工，垂直度如何，相互咬合是否严密，支撑是 否顶紧等，都影响板桩墙的变形和抗渗能力。 目前运用较多的钻孔灌注桩围护墙，其桩位偏差和桩身垂直度偏差，桩孔成 孔的质量，钢筋笼加工质量和下放位置、混凝土的强度等级，防渗帷幕水泥土搅 拌桩的施工质量，支撑和围檩的施工质量和形成时间等，都影响这种支护体系的 强度、稳定、变形和抗渗能力。一旦某个环节的施工质量和形成时间等，都影响 这种支护体系的强度、稳定、变形和抗渗能力。一旦某个环节的施工质量不保证， 土方开挖后会带来一些麻烦，须及时补救，重者则会带来后果严重的事故。 地下连续墙围护结构是一种整体性较强、受力性能和抗渗性能较好的围护结 构。但如果结构处理不好，墙身浇注质量得不到保证，混凝土强度等级达不到等， 亦会削弱其受力性能和抗渗能力，给基坑工程带来不利的影响。 为此，基坑工程施工是基坑工程的重要组成部分，要严格按照设计要求和有 关的施工规范、规程施工。深基坑工程的设计与施工是一项系统工程，必须具有 结构力学、土力学、地基基础、地基处理、原位测试等多种学科知识，同时要有 而烦恼歌赋的施工经验，并结合拟建场地的土质和周围环境情况，才能制定出因 地制宜的支护方案和实施办法。 2 2 深基坑变形理论 2 2 1 基坑变形破坏现象 由于设计上的过错或施工上的不慎时，往往造成基坑的失稳。导致基坑失稳 的原因很多，主要可以归纳为两个方面：一是结构( 包括墙体、支撑或锚杆等) 的 强度或刚度不够而使基坑失稳：一是地基土的强度不足而造成基坑失稳基坑的 破坏。其主要表现为如下一些形式吲： 1 放坡开挖基坑 由于设计放坡太陡，或雨水、管道漏水等原因导致土体抗剪强度降低，引起 坑边土体滑坡，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 放坡开挖基坑破坏形式 8 ( b ) 图2 2 刚性挡土墙开挖基坑破坏形式 2 无支护刚性挡土墙基坑 刚性挡土墙为水泥搅拌桩、旋喷桩等加固土组成的宽度较大的一种基坑围 护形式，其破坏方式有如下几种： ( 1 ) 由于墙体的入土深度不够，或由于墙底土体太软弱，抗剪强度不 够等原因，致墙体及附近土体整体滑移破坏、基底土体隆起，如图2 2 ( a ) 所示： ( 2 ) 由于基坑周围打排土桩或其它挤土施工、基坑边堆载、重型施工 机械行走引起墙后土压力增加、或者由于设计抗倾覆安全系数不够，导致墙体 倾覆，见图2 2 ( b ) ： ( 3 ) 当设计抗滑安全系数不够，或者墙前被动区土体强度较低时，导致墙 体变形过大或整体刚性位移，见图2 2 ( c ) ； ( 4 ) 当设计挡土墙抗剪强度不够，或者由于施工不当造成墙体的抗剪强度 达不到设计要求，导致墙体剪切破坏，见图2 - 2 ( d ) 3 无支撑柔性围护墙围护基坑 柔性围护墙是相对于刚性围护墙而言的，包括钢板桩墙，钢筋混凝土板 桩墙，柱列式墙，底下连续墙等，其主要破坏形式如下： ( 1 ) 当挡土墙刚度较小时，将会导致墙后地面产生较大的变形，危及周围 地下管，建筑物，地下连续墙等，见图2 3 ( a ) ； ( 2 ) 当挡土墙强度不够，而插入又较深或较好的土层，在土压力的作用 下，会导致墙体折断，见图2 3 ( b ) 。 9 歹 ( o )( b ) 图2 - 3 无支撑柔性围护墙基坑破坏形式 2 2 2 基坑变形现象 由于基坑内土体开挖、地面超载和坑底土体降水等多种因素，导致基坑发 生变形，通常基坑工程的变形主要包括3 个方面心神心引： 墙体侧向位移 基坑底部 、 隆起 ； 图2 4 悬臂支护结构变形示意图 1 0 后地表沉降 墙体侧向位移 基坑底部 、一 、耻 ，叵 隆起 y 八 后地表沉降 锚杆 图2 - 5 有支撑的柔性支护结构变形示意图 1 围护结构的变形，包括墙体的水平变形和竖向变形 ( 1 ) 墙体的水平变形 基坑开挖使得土体卸载，围护结构内侧卸去原有土压力，而基坑外侧承受主 动土压力，坑底墙体内侧承受全部或部分被动土压力，不平衡荷载导致坑外的土 向坑内移动同样围护结构的变形影响到土压力的分布情况，墙外侧的土体向墙内 侧移动，使墙后土体的水平应力减小，剪应力增大，出现塑性区。一般情况下， 水平方向的应力释放和调整是构成地层位移的主要原因，所以对于开挖深度大的 基坑的直立侧壁必须加以支撑 ( 2 ) 墙体的竖向变形 由于基坑开挖土体自重应力的释放，可能导致墙体有所上升。墙体的上升移 动给基坑的稳定、地表沉降以及墙体的自身的稳定性带来极大的危害，特别是对 于饱和的极为软弱的地层中的基坑工程，影响尤其显著：当围护墙底下因为清孔 不干净时候，围护墙在开挖过程中会有所下沉，地面也随之下沉 2 墙后地表沉降 当在软土地区开挖深基坑时，基坑周围土体塑性区比较大，土的塑性流动也 比较大，土体从围护结构外侧向坑内和坑底流动，因此地表产生沉降，这是沉降 产生的主要原因。基坑开挖前期的地下连续墙的施工也会造成地层位移，并相应 的引起地表沉降，有关资料表明，如果施工中的措施不得力，地下连续墙的施工 引起的变形最大可以占到地表最大沉降的3 0 9 6 处怛副幢引。 很多学者对基坑开挖引起的地表沉降曲线的形态做了大量的研究，他们大多 根据实测资料、模型实验或有限元计算等方法和手段提出地表沉降曲线的形式 如候学渊教授提出的三角形沉降曲线和抛物线形沉降曲线，perk 教授提出的 正态分布沉降曲线，还有指数分布曲线和根据上海实测提出的上海经验分布曲线 等。c l o u g h 和s c h i m i d t 认为基坑地表沉降曲线的分布形式取决于沉降量的大小： 沉降量小的时候为抛物线形，沉降量大的时候为三角形。 而在实际的工程中，可能由于地质条件、围护结构的种类、入土深度、支撑 的刚度、施工的方法和降水的不同，地表沉降曲线的性状会有比较大的差异，所 以对于研究地表曲线这一工作，必须结合具体的条件下的基坑工程进行研究。长 期的工程实践发现，地表沉降分布形式主要有两种，一是三角形分布，主要发生 在地层软弱且墙体的入土深度不大的时候，墙底有较大的水平位移，墙体旁边出 现较大的地表沉降，图2 6 ( a ) 。 图2 6 ( a ) 图2 6 ( b ) 图2 6 地表沉降分布形式示意图 另一种是抛物线分布形式，主要是发生在有较大的入土深度或墙体底部深入 刚度比较大的地层当中，此时地表沉降的最大值发生在离基坑有一段距离的位置 上图2 - 6 ( b ) 。 3 基坑底部隆起 坑底隆起主要是由两个方面原因引起，一方面是由于在基坑开挖过程中，坑 底的土体由竖向荷载卸载造成，另一方面是由于围护结构t l - 俱0 的土体在1 9 重和地 面超载的作用下从底部向坑内方向移动得结果：对软粘土的深基坑，地表沉降的 大小与抗隆起的安全程度直接相关。根据工程经验，开挖宽度不大的时候，坑底 为弹性隆起，其特征为坑底中部隆起最高。当开挖到达一定的深度且基坑较宽的 时候，出现塑性隆起，隆起量也逐渐由中间最大转变为两边大中间小的形式：但 对于开挖宽度较窄的基坑，仍是中间大两边小的分布形式 。 2 3 深基坑开挖对临近建筑的影响 基坑开挖带来的水平位移和地层沉降会影响周围邻近建( 构) 筑物、 道路 和地下管线，该影响如果超过一定范围，则会影响其正常使用或带来严重的后果。 所以基坑工程设计和施工，一定要采用措施保护周围环境，尽量减小基坑施工带 来的影响，或使该影响i ；l 曼f n 在允许范围内【27 1 为限制基坑施工的影响，在施工前要对周围环境进行应有的调查，做到心中 有数，以便采取针对性的有效措施。 1 基坑周围邻近建( 构) 物状况调查 在大中城市建筑物稠密地区进行基坑工程施工，宜对下述内容进行调查： ( 1 ) 周围建( 构) 筑物的分布，及其与基坑边线的距离： ( 2 ) 周围建( 构) 筑物的上部结构型式、基础结构及埋深、有无桩基和对沉降 差异的敏感程度，需要时要收集和参阅有关的设计图纸： ( 3 ) 周围建( 构) 筑物是否属于历史文物或近代优秀建筑，或对使用有特殊严 格要求： ( 4 ) 如果周围建( 构) 筑物在基坑开挖之前已经存在倾斜、裂缝、使用不正常 等情况，需要通过拍片、绘图等手段收集有关资料必要时请有资质的单位事先 进行分析鉴定。 2 基坑周围邻近的地下构筑物及设施的调查：如基坑周围邻近有地铁隧道、 地铁车站、地下车库、地下商场、地下通道、人防、管线共同沟等，亦应调查其 与基坑的相对位置、埋设深度、基础型式、对变形与沉降的敏感程度等。这些地 下构筑物及设施往往有较高的要求，进行邻近深基坑施工时要采取有效措施。 3 基坑周围地下管线状况调查： 在大中城市进行基坑工程施工，基坑周围的主要管线为煤气、上水、下水和 电缆。 ( 1 ) 煤气管道，应调查掌握下述内容：与基坑的相对位置、埋深、管径、管内 压力、接头构造、管材、每个管节长度、埋设年代等。 ( 2 ) 上水管道，应掌握与基坑的相对位置、埋深、管径、管节长度、接头构 造、管内水压和埋设年代等。 ( 3 ) 下水管道，应掌握与基坑的相对位置、管径、埋深、管材、管内水压、 管节长度、基础形式、接头构造、# 间距等。 ( 4 ) 电缆，电缆种类很多，有高压电缆、通讯电缆、照明电缆、防御电缆等。 有的放在电缆沟内，有的架空。有的用共同沟，多种电缆放在一起。 应该指出，由于目前技术水平的不足，现场地质勘察资料的准确性以及实际 施工条件和施工方法的限制，基坑开挖对周围地层移动及由此造成的对邻近建筑 物的影响分析还是一个亟待研究解决的问题，广大的岩土工程师们还需要对这 个问题做更进一步的探讨分析 2 4 深基坑工程的变形观测 2 4 1 深基坑工程监测的目的和意义 在岩土工程中，由于地下建( 构) 筑物的受力状态和力学机理是一个非常复杂 的课题，迄今为止，岩土工程还是- f - 不够严谨、不完善、不够成熟的科学技术。 所以无论采用何种理论、软件、计算方法、设计的定量计算往往与实际情况存在 一定的差距，计算结果只是一个近似可能的数值。对于目前全国城市建设中大力 提倡开发的地下空间设计的深基坑工程则是岩土工程中较为突出的问题之一，基 于勘察报告的传统理论模式计算的围护结构受力，采用的施工参数是否能保证围 护结构的安全、设计的安全储备有多少、施工质量如何、工序的安排到底是否合 理一级一旦发生危机应从何处着手、采取补救措施的效果如何等问题的决策和解 决必须建立在拥有一个严密的、科学的、合理的监测监控系统的基础上，以此作 为基坑工程决策的参考心叭弛引。 在全国范围内，近年深基坑工程开展广泛的上海市和深圳市相继颁布实施了 地方性的基坑工程专业规范，如上海市在1 9 9 7 年颁布实施的基坑工程设计规 程( d b j 0 8 6 1 9 7 ) 、深圳市颁布实旅的深圳地区建筑基坑支护技术规范是 其中较为突出且具有一定代表性的两本规范。在这两本规范中，基坑作为一个重 要的章节均予以了详细的规定和叙述。经过多年的实践，在岩土工程尤其是深基 坑工程中实施监测，不仅已成为城市建设和管理部门强制性指令措施，同时也日 益被业主、设计、监理、施工、科研等工程实施的相关单位认问。 概括而言，通过监测工作，可以达到一下几个目的和意义0 | ： ( 1 ) 及时发现不稳定因素 由于土体成分和结构的不均匀性，各向异性及不连续性决定了土体力学性质 的复杂性，加上自然环境因素的不可控影响，人们在认识上尚有一定的局限性， 必须借助监测手段进行必要的补充，以便及时采取补救措施，确保基坑稳定安全， 减少和避免不必要的损失。 ( 2 ) 验证设计、指导施工 客观的说，目前深基坑工程的设计尚处于半理论半经验的状态，通过监测可 以了解周围土体的实际变形和应力分布，用于验证设计与实际的符合程