基于人工神经网络的深基坑开挖预测研究.doc

第一章 深基坑及基坑支护结构发展第一节 深基坑及基坑支护结构“深基坑”17这一概念是20世纪40 年代在欧美一些国家出现的，所谓“深基坑”是指为进行建筑物(包括构筑物) 基础与地下室的施工而开挖的地面以下的空间，基坑工程界一般将开挖深度大于或等于7m 的基坑称为深基坑。改革开放前，我国的高层建筑较少，基坑开挖深度一般在5m以内，大部分可以采用无支护的放坡开挖或少量钢板支护开挖。20世纪80年代以后，随着经济发展和城市建设的需要，土地资源紧张的矛盾日益突出,向高空、向地下争取建筑空间成为一个发展趋势。我国目前高度在100m以上的高层建筑约200座，其中88层的上海金茂大厦为420m高，居世界第三；325m高的深圳地王大厦居世界第十二。为了保证高层建筑抗震及稳定的需要，同时为了有效地利用地下空间，建筑基础的埋置深度越来越深，在埋置深度范围以内的地下空间23 层的较为常见，4层以上的也有出现，它们作为地下商场、地下仓库、地下停车场、地下人防工程等，一方面为人们节约了大量的土地资源，另一方面也大大加深了深基坑工程设计与施工的难度。城市高层建筑、地下工程（如地铁、地下商场等）一般是建在建筑较密集、人口较稠密的地区，由于场地的局限性，在基坑以外没有足够的空间进行放坡开挖，因此基坑支护结构的设计与施工问题变得非常紧迫而突出。所谓“基坑支护结构”是指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。一般情况下，当基坑开挖结束后，支护结构就需拆除以进行基础和地下室的施工，因此支护结构一般是临时性工程。作为临时性工程，人们希望能用最少的造价取得最合理的结果，因此在结构安全与经济节约之间寻找合理的平衡显得尤为重要。近20年来，由于缺乏对基坑支护技术的了解和认识，酿成了一些基坑工程事故,如支护结构破坏、基坑塌方及大面积滑坡；基坑周围道路开裂、塌陷，临近建筑物开裂甚至倒塌等，造成了恶劣的社会影响和巨大的经济损失，从而引起了政府主管部门及科研、设计、施工单位的高度重视。90 年代以后，各地纷纷组织技术力量进行了基坑工程技术标准的编制工作，如武汉市城乡建管理委员会1995年7月1日发布执行的武汉地区深基坑工程技术指南；深圳市建设局1996年8月发布执行的深圳地区建筑基坑支护技术规范；上海市1997年出台的基坑工程设计规则等。在各地基坑支护技术的工程实施和理论研究的基础上，两本国家级的行业标准：由建设部发布的建筑基坑支护技术规程 (JGJ 120-99) 和由冶金工业部发布的建筑基坑工程技术规范 ( YB9258-97)也已正式发布实施。此外，建设部(1998) 200号文关于进一步推广应用10项新技术的通知中，也把深基坑支护技术列为10项新技术之首，这些国家标准及通知精神的发布、实施，对于避免基坑工程事故,规范和检验基坑工程的设计与施工行为，使深基坑工程走上健康发展的轨道无疑是非常重要而及时的。第二节 深基坑工程的主要形式及特点一、深基坑工程的主要形式深基坑工程主要有以下几种形式：第一，高层建筑深基坑，如上海金茂大厦深基坑，基坑面积2000，主楼基坑深19.65m；武汉国贸大厦深基坑，开挖深度为地下1618m等。第二，地铁站深基坑，如广州市地铁2号线海珠广场站深基坑，最大深度达2614m；上海明珠线南浦大桥地铁站深基坑，深达2415m等。第三，市政工程地下设施深基坑，如上海污水治理工程彭越浦泵站基坑，深达26145m； 上海“东方明珠”电视塔深基坑，基底面积2700，基坑深1215m等。第四，工业深基坑，如上海宝钢热轧厂铁皮坑，坑深达到了32m等。二、深基坑工程的特点（一）工程规模随着地下空间的开发和利用，基坑越来越深，全国各地开挖深度超过7m的深基坑比比皆是，20m左右的深基坑也为数不少。同时，基坑平面尺寸也越来越大，以往一个平面尺寸在5050m左右，面积约3000的基坑已是很可观了，而现在，几幢高层建筑连同裙房、地下车库置于一个“大底盘”的设计方案频频出现，基坑平面尺寸达100100m、100200m , 面积达1000020000，甚至更大，例如位于北京商业繁华区王府井地段的北京东方广场，是亚洲最大的商业房地产建筑群，由13个单体建筑物组成，其基坑平均开挖深度为20m，最深达2515m；基坑开挖平面尺寸为东西长480m，南北宽190m，开挖面积达86000，总挖运土方量为178000m；又如上海外滩金融中心地下结构深基坑,基坑面积达15294，基坑周长达506m，挖运土方25万m等。（二）施工环境在城市大规模的改造进程中，土地资源的稀缺与宝贵，使基坑开挖的场地十分狭小、紧凑，有时基坑边缘距周边设施仅2m左右，在如此狭窄的场地上开挖基坑，其难度是相当大的。此外，附近地段同时开工或相继开工的项目距离很近，两家同时打桩、同时开挖基坑；一家打桩，另一家开挖基坑的情况也有出现。这些施工环境的不利因素增加了基坑支持护结构设计的难度，也给施工带来了困难，因而在设计中有必要对多个项目进行联合设计，并且应该对多种可能因素进行系统地、全盘地考虑。（三）、工程地质条件和气候条件城市建设不能像水电站、核电站等重要设施那样，可以在广阔的地域选择理想的、优越的建设场地，而只能根据城市规划的需要随遇而安。我国的深基坑工程主要集中在沿海等发达地区，这些地区的工程地质条件和气候条件普遍较差，如世界三大软土地基城市之一的上海市，地处长江三角洲,覆盖层厚达150400m，其中埋有很深厚的软弱淤泥质粘性土；武汉市的汉口地区是全市高层建筑较集中的地区,其地下水位较高，故一般开挖基坑时都必须解决地下水问题，1994年11月22日汉口煤气大泄露就是因为威格大厦深基坑降水措施不当，导致涌砂、地面下沉、马路开裂并最终致使煤气主管道被折断而引发的严重后果；深圳地区受气候条件限制，每年长达45个月的雨季及台风等自然灾害，使基坑暴露时间较长，施工周期一般多为12年，这些不利条件给深基坑工程造成极大困难。第三节 深基坑变形机理基坑的变形8-10包括围护结构的变形、基坑底部的隆起和周围地层移动三部分。基坑周围地层移动是基坑工程变形控制设计的首要问题。基坑的开挖过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的变形，同时也引起围护结构在两侧压力差（土压力）的作用下而产生水平位移和因而产生的墙外侧土体位移，坑底土体隆起和围护结构的位移是引起周围地层移动的主要原因。坑底隆起是由于垂直方向卸荷而引起的坑底土体原始状态的改变。随着某坑开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断加大，当开挖到一定的深度，基坑内外面高差所形成的加载和地面各种超载的作用，就会使围护结构外侧土体产生向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的隆起。围护结构体变形是由于水平方向改变基坑内外土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑开挖后，围护结构便开始受力变形。基坑内侧卸去原有土压力时，在墙外侧则受到主动土压力，而在墙内侧底部受到部分被动土压力。影响基坑变形的主要因素包括：1.基坑的工程地质与水文地质条件；2.支护类型及结构设计参数；3.基坑平面尺寸及开挖深度；4.施工过程和场地周边环境；5.地面超载和震动荷载。由此可见,基坑的变形有其本身的内在规律性。对于确定的基坑,其变形的发展具有一定的趋势。而监测数据正是这种规律的反映,因此监测数据不是纯随机的而具有随时间变化的规律性和连续性。基坑位移观测数据序列前后不是相互独立和脱节的,而存在一定的依存关系,前期观测数据的变化规律蕴含着后期位移的变化趋势,也就是说,基坑位移当前的状态是过去状态的延伸。另一方面，基坑施工过程往往受到某些因素的干扰，这使得定期观测的数据具有一定的随机性，表现在累加位移曲线上其曲线具有一定的波动；同时,基坑变形是一个复杂系统，影响基坑位移变化趋势的某些因素，在施工前期没有发挥作用。但随着施工和监测的进行，新的变化数据不断得到收集，这些数据又进一步反映了基坑变形的趋势。因此，对基坑位移监测数据宜采用动态实时分析处理的方法。第四节 基坑支护结构研究进展一、深基坑支护的目的与要求（一）确保坑壁稳定,施工安全;（二）确保邻近建筑物、构筑物和管线安全;（三）有利于挖土及地下室的建造;（四）支护结构施工方便、经济合理。二、基坑支护体系的选择原则支护体系的选用原则是安全、经济、方便施工，选用支护体系要因地制宜。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。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，进行支护结构体系设计。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1.0，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储备条件下，在施工过程中加强监测，并备有应急措施，以保证在事故苗头出现时，采取措施，确保安全施工。一般讲，软粘土地基中基坑工程要侧重处理支护体系围护结构的稳定性问题，或者说处理好挡土问题；地下水位较高的砂性土地基中基坑工程要侧重处理好水的问题，如何降低地下水位，如何设置好止水帷幕，软粘土地基中基坑工程支护体系失稳往往是支护结构失稳。引起支护结构失稳的原因很多,有设计方面的原因，也有施工方面的原因，也有对地质条件了解不清楚的原因。但原理性错误，也经常遇到。渗透性较大的地基中基坑工程支护体系失败往往是水的问题未处理好。要根据地基土质情况合理选用支护体系。三、基坑支护结构类型在深基坑边坡支护中，若按支护结构的受力状态，可分为悬臂式支护，锚碇式支护和内撑支护三种；若按支护的作用原理，则可分为支挡型支护与加固型支护两大类11。悬臂式支护结构是依靠插入坑底足够的深度来保持稳定的，其入土深度和承受的最大弯矩随开挖深度的增加而增大，当开挖深度大时，其入土深度和厚度都要加大，往往在经济上不合算。因而这种形式一般适用于开挖深度较小的情况。锚碇式支护可以改善支护结构的受力状况，为减少支护结构的厚度和入土深度创造了条件。但在液限大于50%的土层中，由于其高塑性会引起锚杆的明显蠕变，故不能长久地保持恒定的锚固力；另外，在相对密度小于3的土层中，锚固段单位面积上的摩阻力极低，难以提供较大的锚固力，因而这种支护方式的应用受到某些地质条件的限制。内撑式支护是改善支挡结构受力状况的另一种形式。按支撑材料可分为钢盘混凝土，钢管和型钢等几种，支撑结构形式可分为角撑、对撑、桁架，大空间平面桁架，园环形等，这类支护形式的支撑材料可以回收在基坑跨度不大时比较经济。支挡型支护是传统的支护方式，是建造支挡结构对抗壁岩土进行支挡的方法。而加固形支护是随着岩土治理技术的发展而出现的新型支护方式。是对基坑四周的岩土体进行加固，从而保证其稳定减少其变形的支护方法。这两类支护方式在我国工程应用中主要有以下八种支护结构。（一）桩排支护桩排支护是目前国内应用最广的支护形式之一。它包括钢板桩、钢管桩、钢筋混凝土预制桩，钢筋混凝土灌注桩等排桩，以及上述桩型与其它桩型或帷幕的组合。这类组合包括桩或桩与挡板的组合，灌注桩与搅拌桩的组合，灌注桩与树根桩或注浆帷幕的组合等。上述组合形式一般以刚度较大的钢筋混凝土灌注桩为骨干承受土的压力，以搅拌桩、旋喷桩、树根桩或注浆帷幕封闭，灌注桩的间隙，超防渗和加固支挡结构的作用。从桩的布置特征来看，桩排式支护又可分为稀疏桩排、连续桩排、双排桩和框架式桩排等。稀疏桩排是利用土拱作用来维持桩间土的稳定，必要时可采用抹砂浆或喷射混凝土的措施来加强桩间土的保护，桩间净距视土质情况而定，一般为0.30.8m,个别工程达到1.1m，这种支护形式大多用于土质尚好且地下水位较底的地区,如北京、沈阳、大连、青岛、烟台等地12。连续桩排主要用于软土地区或土质偏软的地区，如上海、天津和东南沿海地区。特别是在流塑状软土中，不能形成土拱，因此挡桩必须密排，互相搭接。形成既挡土又防渗的简易连续墙。双桩排或框架式桩排主要用于土质软弱且开挖深度大，单桩排的横向刚度不能满足控制变形的要求时。采用双排桩并通过桩顶盖梁联接成门式构架，具有很大的侧向刚度，可以有效地控制支挡结构的侧向位移。（二）地下连续墙地下连续墙是本世纪50年代初开发的一项施工技术，用它作为支护结构具有抗弯刚度大，变形小，整体性强，防渗性能好等特点，因而其适应性强，在地下水位高的软土地区以及对周围建筑和设施影响要求严的情况下，更能显示其优越性。地下连续墙不仅可以起支护作用，而且可以作为主体结构的一部分，发挥承重、防渗、隔震等功能，这样设计可以明显降低工程的费用。有的工程采用地下连续墙结构，配合逆作业法施工，可以把对环境及地面交通的影响减少到很小程度(如哈尔滨市奋斗路地下商业街工程)。但是由于每平方米墙面成本比较高(高于钢板桩)，因而在软土地区，挡土高度较大的情况下，或对环境影响要求严时，采用较多(如上海地区，挡土高度超过7时，多选用地下连续墙)，但在土质情况较好、挡土高度较小的情况下，则较少采用。据北京地区34个基坑支护结构的统计，用地下连续墙的只有3个，不足10%。另外，地下连续墙施工中一般采用泥浆护壁，管理不善时，容易造成环境污染。近年来，我国地下连续墙的工程量有较大的发展，而且突破常用的一字型形式，出现了具有更大侧向刚度的折板型和型地下连续墙。最深的墙达50.7m(宝钢热轧厂铁皮坑工程) 13。（三）沉井支护沉井与地下连续墙的主要区别在于其形成的工艺方法不同。地下连续墙是先在地下分段进行钻掘或挖掘成槽，并用泥浆保持槽壁稳定，然后水下浇筑钢筋混凝土或插入钢筋混凝土预制件，最后处理好槽段的连接部分而形成的。而沉井则是首先在地表制作好(可分节制作),然后放置井内,借井体的自重逐渐下沉而形成的。我国利用沉井作为基坑开挖的支挖结构，是近年来在上海首先实施，然后推广到其他地区的。沉井具有地下连续墙同样的优点，由于其断面多呈圆形或矩形,形成闭合结构，所以整体刚度更大，这种支护形式适用于沉井易于沉入软土地区以及其坑规格不太大的情况。其施工无需特殊的专业设备。这种支护方式的缺点是，沉井下沉时，不可避免对沉井四周土体产生破坏，在破坏棱体范围内，土体会产生裂隙和沉陷，因而在建筑密度大的市区内采用就往往受到限制。（四）锚喷支护锚喷支护是包括锚喷支护、喷射混凝土支护、锚、喷联合支护以及锚、喷与钢筋网联合支护的统称10。这种在本世纪发展起来的支护方式最先应用于岩石地下工程，到50年代，由于土层锚杆的出现与发展，使得这一支护形式在基坑支护中逐渐推广起来。我国于70年代在北京国际信托大厦等基坑工程开始应用土层锚杆。现在已在土质较好的许多地方被广泛采用。据北京地区34个基坑支护方式的资料,采用土层锚杆与挡土结构物联合支护的占62%；沈阳地区近几年施工的深基坑，几乎都采用土层锚杆与挡土结构联合支护的方式，而在大连市,近年还出现了不少单独采用锚喷支护的基坑。目前锚喷技术在基坑支护中主要有四种应用方式:1.锚杆(索)对挡土结构(各种桩排或地下连续墙)进行锚固。这种方式是以挡土结构挡土，用锚杆将挡土结构受到的侧向土压力传给基坑外的稳定地层，提供支点反力，从而改善挡土结构的受力状态，减少其内力和侧向位移，应用最为普遍。2.稀疏桩排采用喷射混凝土(有的还加钢筋网)防止桩间土剥落，这是一种辅助的支护方式，适用于地下水位较低的情况。3.锚杆题与钢筋网喷射混凝土联合支护。这种方式是以钢筋网铺设边坡面并喷射混凝土面层挡土，用锚杆与锚架支承并办固面层。这种方式的费用较低，适用于坑壁有较长的自稳时间，土压力较小，地下水位较低的情况。坑壁若能适度放坡，则效果更佳。4.锚杆与木板联合支护。这种方式的适用条件与上一种相同，且不需要喷射混凝土的设备和时间，但其服务期限较短。锚杆的种类很多。按锚杆体的材质，可分为热轧钢筋、冷拉钢筋、热处理钢筋、钢绞结、炭素钢丝、刻痕钢丝和冷拔低碳钢丝等。目前在基坑支护中应用级热轧钢筋和钢绞线较多。前者多用于设计轴向力不超过300KN时，当设计轴向力较大，或锚杆长度大于20m时，多采用钢铰索。按锚固体的形状可分为圆拉型、端部扩大型和连续球体型等。圆柱型土层锚杆结构简单，施工方便是目前使用最广的类型，但这类锚标题在软弱土层中，往往无法满足较高承载力的要求。端部扩大型土层锚标题适用于埋置较深的粘性土地层；而连续球体型土层锚杆则适用于淤泥，淤泥质土地层，后两种可比圆柱型锚杆提供较大的承载力。若按锚固型式,锚杆可分为:全长粘结型锚杆，端头锚固型锚杆、摩擦型锚杆或预应力锚杆(索)等。目前基坑支护中绝大多数采用预应力锚杆(索)；在风化岩中开挖的基坑，在周围环境较好的情况下，也有采用费用较低的全长粘结型锚杆；在土层、砂层中开挖的基坑，有的采用了可以迅速提供锚固力的螺旋锚，从而加快了工程的进度。（五）水泥搅拌桩水泥搅拌桩用于基坑围护是深层水泥搅拌技术应用的进一步发展。这项技术由日本首创于一世纪60年代，我国于70年代末开始此项技术的研究。在基坑支护中应用是首先在上海四平路地下车库中成功的使用之后很快在上海、浙江、闽等软土地区推广。是一种很有发展前景的支护技术。它是用深层搅拌机械钻入软弱地层中，在边回转边提升的同时，往土中喷射水泥浆液或水泥粉，并借助搅拌轴的搅拌使之与原地土体拌合，形成物理力学性能好的桩粒体。这些搅拌桩可以相互搭接，构成各种型式的水泥搅拌桩墙。在工程中应用主要有以下6种型式：1.板型：几排水泥搅拌桩相互搭接520cm或者桩间搭接，排间相切组成板型墙体。这种墙体可以根据建筑物的特点，设计成各种几何图形，当施工场地允许时，可设计成拱型或圆筒型，以充分利用水泥土抗压性能好于抗拉性能的特点。 2.栅型：由二排以上的搅拌桩组成，当墙体厚度较大时，在保证围护结构安全的前提下，可减少墙体中部分桩数。3.变断面型：根据挡土墙各部分受力的状况不同，可作变断面的形式来减少工程量和造价，或采取局部加固。可以基坑内侧，基坑面打设一、二排搅拌桩，形成上窄下宽的变断面型挡土墙，可增加抗倾覆，搞滑移能力。长度较大的板型墙可在墙体内介每隔一段距离加几排搅拌桩，形成型墙体，以增加其稳定性。4.墙体加筋型：在墙体内加钢筋、钢板或型钢以提高墙体强度和抗弯能力。有的工程采用毛竹代替钢筋，降低了造价，也取得取较好的效果。5.坑底加固型：在软土地区的基坑底部每隔一定距离打一条与挡墙垂直的加固墙，形成能支撑两则墙体的横撑，从而改善了两则墙体的受力状态，提高了其抵抗水平位移的能力。6.复合型：当基坑开挖深度较大时，仅用水泥搅拌挡墙往往承受不了土压力，这时，可采用水泥搅拌桩挡墙防渗挡水，用其他形式桩排为主承受土压力，形成复合型的支护结构。（六）高压喷射注浆加固高压喷射注浆是本世纪60年代后期出现的一种地基处理技术，我国于70年代即开始此项技术的试验与应用。近年来有的基坑支护中也开始试验应用此项技术。该项技术是把注浆管钻入(或先成孔后插入)土层以后，使喷嘴喷出2040MPa的高压射流切割土体，形成预定形状的空间，注入的浆液将冲下的土置换或部分混合成凝固体，以达到改良土体性能的目的。此项技术可以与其它桩排式挡土结构组合形成防水挡土，组合式挡土墙。（七）注浆加固在可灌性较好砂土层基坑边坡中，使边坡的松散砂层有效胶结，在基坑边缘处每隔一定距离，施工排注浆孔，向孔内进行分段静压注浆，注浆材料一般为水泥浆认或水玻璃。同时，也可以向孔内插入与注浆孔等长的2235mm的钢筋，形成微形桩，以便使基坑边坡进一步加固。该施工工艺存在问题是，浆液的渗透范围受地层条件和工艺因素影响很大，不易准确控制。（八）土钉土钉是将一系列钢筋水平或近于水平设置于拟加固的原位边坡中，然后在坡面喷射混凝土或披挂预制面板而形成的支护结构。土钉的设置方法除了常用的钻孔注浆法外，还有打入法和射入法。土钉可视为小尺寸的被动式锚杆，具备以下5个特点: 1.不施加预应力或施加很小的预应力，在土体中产生小量位移时便能充分发挥其摩擦力。2.高密度设置，一般0.52.0设置一根。3.长度短，往往不超过6.0m。4.承受荷载小,单根受荷一般在100KN以下。5.面层结构简单，用喷射混凝土及小尺寸垫板即可满足要求。上述八类深基坑边坡支护方式是目前国内应用的最主要的支护方式，应用于不同的地质、环境条件和工程要求。在软土地区，对深度较浅基坑，水泥搅拌桩因具备造价低廉，环境污染小，施工速度快等优点而应用前景更好。规模较大，地质条件主要为饱和砂土的场地，近年来,随着地下连续墙施工设备和工艺的发展，地下连续墙的应用也日渐广泛(如上海、天津)。同时，将地下连续墙设计成主体结构的部分，已成为一种趋势。在土质较好的地区(如北京、沈阳等)基坑支护形式大多以稀疏桩排为主，大多为灌注桩，对于深度超过5m的基坑，一般都用土层锚杆对桩排加以锚固。在地下水位以上，自稳性能较好的土层和风化岩边坡，近年采用钢筋网喷射混凝土加预应力锚杆支护的逐渐增多，这种支护充分利用岩土体自身的强度。造价低，而且省去许多工序。节省时间，而且污染也很少。当周围环境对基坑周围土体的位移、沉降要求不很严格，采用土针支护可以进一步降低工程费用。四、基坑支护结构的稳定性研究基坑失稳破坏主要包含两类失稳问题。第一，基坑稳定必破坏，包括基坑整体滑动、支护结构有倾覆破坏或踢脚破坏；基坑隆起；管涌和流砂等。第二，基坑支护结构的强度或刚度不足而导致的破坏，包括支撑压屈或拉锚破坏、支挡结构变形过大或弯曲破坏等。由于第一类基坑失稳问题主要表现为支护结构静力平衡条件的丧失，因而这一类问题主要研究的是支护结构满足静力条件的稳定性问题；对于第二类基坑稳定性问题，则是以支护结构(包括支撑墙体、内支撑、锚杆等)的内力(主要是弯矩)和位移作为研究对象，来确定基坑支护结构满足强度和刚度要求的稳定性问题。目前第二类基坑稳定性问题已经与上部结构的设计相接轨，采用的是结构可靠度理论为基础的概率极限状态设计方法，其支护结构设计的强度标准等指标在钢结构设计规划(GBJ 17-88) 和混凝土设计规范(GBJ 10-89)中都有明确的结论。所谓结构的可靠度指的结构或构件在规定的时间内、在规定的条件下完成预定功能的概率,它承认工程变量的随机性状,承认结构有发生失稳破坏的可能性,用概率量值如失效概率Pt 、可靠指标等设计或校核结构。对于第一类基坑稳定性问题，由于支护结构的平衡必然涉及到周围的土层，而岩土作为大自然的产物，其性质十分复杂、多变，不仅不同地点的岩土性质可以差别很大，即使同一地点、同地土层的土，其性质也随位置而变，它们具有比任何人材料得多的变异性；此外支护结构还与水文地质、周边环境等密切相关，这些多变因素使得基坑失稳问题原因复杂、形式多样，因此这一类基坑稳定性问题目前多采用定值设计法进行设计。所谓定值设计法是指不考虑材料性能、结构尺寸、荷载作用等工程变量的随机性，以确定的数值代替这些随机变量，再以经验为主确定一个单一的安全系统来度量结构的可靠性，显然这一不承认变量随机性状的设计方法与工程实际是不相符的。实际工程中，在大多数情况下，按照定值设计法设计的结果是偏于安全的，但是也发生过安全系数足够、基坑却失稳的事故。这说明大力开展第一类基坑支护结构稳定问题的可靠度研究、避免基坑工程事故是非常重要的，研究方法可以借鉴结构可靠度理论的分析方法；即由基坑随机变量的统计参数，用力学的方法计算基坑支护结构的荷载效应及结构抗力，再用概率统计方法计算结构破坏标准下的可靠指标和失效概率，以这些概率量值而不是经验的安全系数来度量第一类基坑支护结构的稳定性和可靠性，达到提高设计和施工质量，避免基坑工程事故的目的。第五节 基坑止水、降水体系和排水措施一、概 述为了保证土方开挖和地下室施工处于“干”状态，常需要通过降低地下水位或配以设置止水帷幕使地下水位在基坑底面0.5m1.0m以下。降低地下水位也有利于基坑围护结构的稳定性,防止流土、管涌、坑底隆起引起破坏。对于渗透性很小的地基也可既不降低地下水位也不设置止水帷幕，在基坑开挖过程中产生的少量积水采用明沟排水处理。水泥土重力式围护结构、地下连续墙围护结构和冻结法围护结构本身又是止水帷幕；而排桩墙围护结构等则需要另外设置止水帷幕以共同形成挡土和挡水的基坑围护体系。目前在基坑工程中应用较多的止水帷幕有3种形式:深层搅拌法水泥土止水帷幕，高压喷射注浆法水泥土止水帷幕和素混凝土地下连续墙止水帷幕。除设置竖向止水帷幕外有时还需设置水平向止水帷幕，以防止流土、坑底隆起等造成破坏。当有承压水时,更应重视。降低地下水位常采用井点降水。常见的有单(多)层轻型井点,喷射井点和深井井点降水等。二、止水帷幕及适用条件试验表明水泥掺合量为10%的水泥土渗透系数比原状土渗透系数小两个数量级以上，在基坑围护体系中常采用水泥土止水帷幕截水。深层拌搅拌法水泥土止水帷幕视土层条件可采用一排、两排、或数排水泥搅拌桩相互叠合形成。相邻水泥搅拌桩可搭接100mm左右。深层搅拌法水泥土止水帷幕适用于粘土、淤泥质土和粉土地基。高压喷射注浆法水泥土止水帷幕一般有两种形式：单独形成止水帷幕，采用单排旋喷桩相互搭接形成；或采用摆喷法形成：与排桩共同形成止水帷幕。高压喷射注浆法水泥土止水帷幕适用于粘土、淤泥质土、粉土、砂土及碎石土等地基。采用深层搅拌法形成竖向水泥土止水帷幕比采用高压喷射注浆法费用低，故能采用深层搅拌法形成水泥土止水帷幕的应优先考虑。高压喷射注浆法的优点是适用范围广。有时也采用素混凝土地下连续墙止水帷幕,常采用冲水成槽,素混凝土地下连续墙壁厚常为200mm300mm。有的基坑工程需封堵坑底以下的地下水，防止地下水冲破基坑底部土层涌入基坑或出于抗浮问题的考虑，就需设置水平向止水帷幕。水平向止水帷幕常采用高压喷射注浆法或深层搅拌法形成。若基坑内已有工程桩，因深层搅拌无法与工程桩密贴，故不能采用深层搅拌法。根据坑底浮力、或承压水的顶托力、整体稳定、抗坑底隆起分析确定封底水泥土厚度。三、降、排水措施及适用条件在基坑工程中，通过降、排水，使基坑土方开挖过程中，地下水位保持在基坑底以下0.5m1.0m。若有承压水，应使深部承压水不致引起坑底突涌破坏。在降、排水过程中应不影响邻近建筑物及地下管线的正常使用。降水措施常用井点降水。井点降水可根据基坑范围、开挖深度、工程地质条件、环境条件等合理选择井点类型。常用井点类型有单(多)层轻型井点、喷射井点、深井井点和电渗法。为了使基坑开挖过程中基坑周围地下水位下降较小，以避免地下水位下降对周围建筑物和地下管线的影响,有时需设置回灌井点。四、降水环境效应基坑工程中降水可能引起较大范围内地下水位下降，特别是没有设置止水帷幕的情况，地下水位下降将引起地面沉降。由于地下水位下降成漏斗状，地面沉降常常是不均匀的,将对基坑周围建筑物、道路和地下管线带来不良影响，严重的可导致道路破裂、建筑物和地下管道破坏，影响使用。第六节 深基坑开挖与支护工程程序深基坑工程委托勘察单位 岩土工程勘测及调查场地的工程地段 对周围环境 对深基坑开挖与 基坑是否降水及水文地质勘察 的勘察 支护方案的建议 及注意事项 勘察报告 施工招标基坑开挖、支护、降水等技术方案及造价、工期的比较开挖方法 监测方法 支护方法 降水方法 可能发生的 对周围环 工期 造价 故及防治 境的影响 确定施工单位 初定方案 基坑深度超过6m，应经专家委员会审批支护结构设计、降水设计 设计单位 施工单位 基坑开挖、支护、降水的施工组织设计 监测 基坑开挖、支护、降水工程的实施 对可能发生的 病害的应急处理 基础施工 验收 N Y 回填、支护结构回收 基础工程竣工基础工程施工总结图1.1深基坑开挖与支护工程程序第七节 深基坑工程事故分析一、实际的主动土压力大于设计值,支护结构产生较大变形（一）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。（二）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。（三）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。（四）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。二、降水、排水措施不当,导致支护结构失效（一）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。（二）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。三、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。四、淤泥地基发生触变,基坑支护结构产生破坏（一）在淤泥或饱和软粘土场地，采用锤击式预制钢筋砼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，土体产生触变，强度迅速下降，桩体挠曲,甚至断裂。（二）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。五、锚杆失效,支护结构发生较大变形（一）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。（二）由于地面排水措施不当，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。（三）于地基土的冻胀作用，使锚杆的锚固力下降。（四）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。六、基坑土体稳定性不足,引起土体破坏（一）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。 （二）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。七、支撑结构布置不合理,导致支护结构大变形（一）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。（二）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。（三）头道支撑位置太低，使支护结构顶部位移过大（四）支撑间距设计过疏，使支撑产生过大的弯曲变形。八、支护结构设计时,安全储备太小为了节约，过大地折减土压力值，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。九、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。十、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。十一、施工质量差，引发事故（一）灌注桩浇注质量差，使桩体达不到设计要求，基坑开挖后，桩体断裂。（二）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。十二、施工管理水平低，造成事故（一）施工单位监测技术落后，或根本未进行施工监测，支护结构由小位移发展到大变形，最后造成事故。（二）施工单位对监测数据分析不够，出现危险信号时，不能及时作出正确处理对策，采取适当的应急措施，从而招致灾难。（三）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。十三、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。十四、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、相变等，致使土的体积的膨胀，而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。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。第八节 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的环节，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。在基坑工程中需进行的现场测试主要项目及测试方法如表1.1。表1.1 监测项目和测试方法监测项目测试方法地表、围护结构及深层土体分层沉降水准仪及分层沉降标地表、围护结构及深层土体水平位移经纬仪及测斜仪建(构)筑物的沉降及水平位移水准仪及经纬仪建(构)筑物的裂缝开展情况观察及测量建(构)筑物的倾斜测量经纬仪孔隙水压力孔压传感器地下水位地下水位观察孔支撑轴力及锚固力钢筋应力计或应变仪围护结构上土压力土压力计第九节 深基坑支护技术的发展趋势一、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。支护结构型式选择的合理,就能做到安全可靠、施工顺利、缩短工期，带来可观的经济与社会效益，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。一般而言，深基坑支护设计方案的优选宜遵从图1.2流程进行。 坡无支护开挖 内支撑 地下连续墙 复合支护方案 桩 锚（上部放坡+下部土钉） 复合支护方案 土钉 （上部放坡+下部桩锚） （上部土钉+下部桩锚）复合支护方案（上部放坡+下部桩） 单排悬臂桩（上部土钉+下部桩） （双排悬臂桩） （水泥土搅拌桩） 图1.2深基坑支护设计方案优选流程此外，为达到方案的最优化,有时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，如内支撑+锚杆、单排桩+双排桩。二、施工工艺上的发展趋势（一）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。（二）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愈来愈大。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杆)将逐渐得以推广运用。（三）为减小基坑工程带来的环境效应（如因降水引起的地面附加沉降），或出于保护地下水资源的需要，有时基坑采用帷幕型式进行支护。除地下连续墙外，一般采用旋喷桩或深层搅拌桩等工法构筑成止水帷幕。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。（四）基坑降水时，为减小因降水引起的地面附加沉降或对邻近建（构）筑物造成的影响，可采取井点回灌技术。（五）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（构）筑物下沉，可采用深层搅拌桩或