深基坑工程讲座-高大钊PPT课件.ppt

深基坑工程讲座 一 同济大学高大钊 1 内容 深基坑工程总论深基坑工程方案设计深基坑工程设计计算深基坑工程施工图设计 2 深基坑工程总论 3 深基坑工程的若干事故实例 地下连续墙围护结构的垮塌钢支撑的失稳工程桩的倾斜采用拱圈结构深基坑的垮塌土钉墙的垮塌 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 深基坑工程总论 1 深基坑工程的技术要求 2 深基坑围护结构的类型 3 深基坑工程的失效模式 4 深基坑工程的安全等级与设计 施工要求 5 深基坑围护结构的设计荷载 6 深基坑设计表达式及安全控制标准 15 深基坑工程的技术要求 深基坑工程是指包括基坑开挖 降水和支护结构设计 施工与监测在内的总称 支护结构则由包括具有挡土 止水功能的围护结构和维持围护结构平衡的支 锚体系两部分组成 支 锚体系是指内支撑体系或锚杆体系 内支撑体系由支撑 围檩和立柱等构件组成 锚杆体系则由锚杆 腰粱和台座等组成 16 对深基坑工程的技术要求包括 一深基坑工程的功能要求1 挡土功能2 止水功能3 作为地下结构外墙的使用功能二环境保护与处理相邻关系的要求1 控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响2 控制降低地下水位对环境的影响3 控制土锚对相邻场地的影响 17 深基坑工程的功能要求 为什么要做深基坑工程 由地下室的施工引起的问题 挡土和止水的功能 临时性的结构物作为深基坑围护结构的地下连续墙可以同时用作地下结构的永久性外墙的使用功能 18 挡土功能 放坡开挖和支护开挖虽是两种可供选择的开挖方案 但放坡开挖的适用范围有限 因为深基坑的放坡范围过大 城市不可能提供太大的放坡空间 深基坑放坡所增加的土方量也比较大 如在软土地区更由于可能产生深层滑动的制约 在深基坑中放坡开挖的风险很大 19 因此深基坑工程大多采用支护开挖的方案 深基坑设置支护结构 一般包括围护结构和支锚体系两部分 的目的是阻止基坑外侧土体的坍塌 为基础施工提供安全的工作空间 支护结构的功能是挡土 对基础施工空间来说具有防护的作用 统称为支护结构 但将围护结构和支锚体系加以区别可更确切地表达其在基坑工程中的不同作用 20 根据挡土的要求 围护结构不一定是连续密闭的 在土的强度比较高的地区 采用间隔式的围护结构就足以起到挡土的作用 但在软土地区 由于土的强度低 土压力比较大 则需要设置连续排列的围护结构才有足够的强度抵抗土压力的作用和防止软土在侧向压力作用下通过支挡的间隙绕流 不同地区 不同土类 不同开挖深度的基坑 根据挡土的功能要求可以选择不同的围护结构型式和支锚体系的类型 21 止水功能 在地下水位比较高的地区 为了使施工作业的空间比较干燥 必须采取坑内排水或降低地下水位的措施 如在坑内降低地下水位则造成了坑内外的水位差 地下水在水头压力的作用下从坑外流向坑内 不仅不能保持坑内的干燥 而且还会产生管涌 流砂等渗透变形 危及基坑的安全 在这种情况下 要求围护结构同时具有止水的功能 能阻止地下水流向坑内 以保证坑内的施工作业条件 22 实现围护结构止水功能的条件 一方面是要求围护结构本身要有一定的隔水性能 可以同时起止水帷幕的作用 另一方面是要求设置的止水帷幕有足够的长度 或者能切入不透水层 或者能将水头梯度减少到不会发生危害的数值 有些类型的围护结构可以同时具有挡土和止水的功能 如地下连续墙 但有些挡土结构物却不具有止水的作用 如排桩式围护结构 此时就需要设置止水帷幕 采用两种材料的复合结构 23 作为地下结构外墙的使用功能 在软土地区 深基坑工程的围护结构造价很高 特别如地下连续墙有时可达数千万之巨 如果仅用作施工时的临时性围护结构 在地下室施工完毕以后就丧失了使用价值 确实非常可惜 为了充分利用地下连续墙的使用价值 提出了将围护结构同时作为地下室外墙的设计要求 这种设想无疑是具有经济意义的 24 在这种条件下 支护结构就具有地下室外墙的使用功能要求 即永久性的止水功能 永久性的挡土作用以及传递建筑物荷载的功能 对于同时具有地下室外墙使用功能要求的围护结构 其设计和施工的技术要求和一般围护结构不同 技术难度比较大 也比较复杂 需要作专门的研究 25 环境保护与处理相邻关系的要求 1 控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响2 控制降低地下水位对环境的影响3 控制土锚对相邻场的影响 26 控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响 基坑开挖对土体来说是一种卸荷作用 打破了土体原来的平衡状态 土体就会产生各种形态的位移 在基坑内部 表现为围护结构的水平位移和坑底的隆起 尽管设置了围护体的支 锚结构 但围护结构连同周围的土体仍然有不同程度的水平位移 27 坑底的隆起是一种向上的位移 产生的原因一是深层土的卸荷回弹 二是由开挖形成的压力差导致的土体塑流 由于土体是连续体 坑底的隆起和围护结构的水平位移必然导致坑外土体产生沉降和水平位移 带动相邻建筑物或市政设施发生倾斜或挠曲 这些附加的变形使结构构件或管道可能产生开裂 影响使用 危及安全 28 控制降低地下水位对环境的影响 基坑开挖时必须采取坑内排水或降低地下水位的措施以获得干燥的施工工作空间 如采用坑外降水会使大范围的地下水位下降 如在坑内降水而围护结构不具有止水的功能 或止水功能失效 则也会引起坑外地下水位下降 基坑的开挖深度越深 地下水位下降越多 影响的范围也就越大 当采用坑内降水方案而止水帷幕能有效工作时 坑外的地下水位不会明显下降 对相邻建筑物不会构成威胁 29 地下水位下降造成土体有效应力增加 产生大范围的地面沉降 在影响范围内的建筑物和市政设施就要受到不同程度的损害 因此在软土地区通常都采用止水帷幕来防止坑外地下水位的下降 在基坑工程设计和施工时 必须充分重视止水帷幕的质量 密切监控坑外地下水位的变化 30 控制土锚对相邻场地的影响 对坑内的施工条件来说 采用土锚比内支撑更为有利 可以减少对挖土和浇筑基础的干扰 因此在地质条件比较好的的地方 大量采用土锚 而在软土地区 由于软土无法提供足够的锚固力 很少采用土锚 但除了上述技术方面的考虑之外 采用土锚时还应充分注意其对相邻关系的影响 除非建筑场地十分空旷 土锚能完全设置在建筑红线范围以内 31 建筑红线是法定的建筑界限 不仅限定地面建筑的范围 而且也不容许地下的设施超出红线范围 在一般情况下 土锚的锚固段常常超出红线 亦即已经进入相邻场地的范围 如果相邻场地进行地下的施工或设置桩体 土锚就成为其地下障碍物 因此可能产生相邻的纠纷 从民法的角度来看 采用的土锚如已进入相邻场地范围 则已经侵犯了相邻场地业主的合法权益 相邻场地业主可以诉诸法律 32 深基坑围护结构的类型 按功能划分按围护结构刚度划分按围护结构保持稳定方式划分按围护结构的施工工艺与材料划分 33 按功能划分 按围护结构功能划分为临时性结构和兼有永久性结构功能 两墙合一 两类 临时性围护结构的功能比较单一 设计时只要满足施工围护结构的挡土 止水和环境保护的要求 永久性结构除了满足上述施工围护结构的要求外 还应满足作为永久性结构的许多要求 例如传力 协调变形 防渗等要求 同时还要处理与地下室梁 板 柱的连接构造 对围护结构的变形也有更严格的要求 34 按围护结构刚度划分 按围护结构材料本身的传力特性可以分为刚性结构和柔性结构两类 刚性结构围护体材料的抗拉强度很低 一般不考虑承受弯矩 其变形的特点主要是平移和转动 当发生挠曲变形时很容易出现开裂 柔性结构围护体材料能承受较大的弯矩和拉应力 因此可以容许发生较大的挠曲而结构不出现裂缝 35 按围护结构保持稳定方式划分 按围护结构保持稳定的方式 可划分为自立式和支锚式两类 自立式围护结构可以不依靠支撑或锚杆的传力作用而保持其平衡 按照保持稳定的机制可以分为重力式和悬臂式两类 重力式围护结构依靠自身的重力所形成的稳定力矩和摩阻力来抵抗土压力所引起的倾覆和滑移 悬臂式则依靠插入深度范围内土的嵌固作用维持稳定 支锚式围护结构则需要依靠内支撑或土锚才能保持围护结构的稳定 36 重力式围护结构 37 悬臂式围护结构 38 土锚或拉锚 39 内支撑体系 40 按围护结构施工工艺与材料划分 按围护结构的施工工艺与材料划分可分为以水泥稳定土为材料的水泥搅拌桩 以钢为材料的钢板桩和以钢筋混凝土为材料的钻孔灌注桩 地下连续墙或钢筋混凝土板桩 41 围护结构的受力性能与材料密切有关 用水泥搅拌桩做成的坝体是刚性的 自立式的 用钢材或钢筋混凝土制成的围护结构是柔性的 一般需要采用支锚体系来维持其稳定 但钢筋混凝土地下连续墙也可以做成如图所示的重力式围护结构 水泥搅拌桩可以加劲性的型钢成为柔性的围护结构 SMW工法 也可以用作柔性的排桩式围护结构的止水帷幕 42 地下连续墙作重力式 43 基坑工程的失效模式 1 整体失稳2 坑底隆起3 围护结构倾覆失稳4 围护结构滑移失稳5 围护结构底部地基承载力失稳6 踢脚 失稳7 止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏8 围护结构的结构性破坏9 支 锚体系失稳破坏 44 整体失稳 整体失稳是指在土体中形成了滑动面 围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一起丧失稳定性 一般的失稳形态是围护结构的上部向坑外倾倒 围护结构的底部向坑内移动 坑底土体隆起 坑外地面下陷 45 46 坑底隆起 坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形 基坑开挖以后 坑底向上位移的原因有两种 一是卸载引起的回弹 其数值较小 另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性变形 这种变形如果数量较大 表示土体中的塑流已经比较严重 如果围护结构和内支撑能形成整体性好的体系 则塑流仅引起坑外地面下沉 影响环境安全 如果是自立式结构或节点强度差的支撑体系 隆起可能是整体失稳的前兆 如果稳定性不能得到有效的控制 就会发生整体性失稳 47 48 围护结构倾覆失稳 围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构 重力式结构在坑外主动土压力的作用下 围护结构绕其下部的某点转动 围护结构的顶部向坑内倾倒 抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力形成 坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素 关于转动中心的位置有不同的看法 传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾 但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理 特别的软土地区由于基底土比较软弱 在力矩作用下前趾有下沉的可能 49 50 围护结构滑移失稳 围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中 在坑外主动土压力的作用下 围护结构向坑内平移 抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被动土压力构成 当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时 墙体发生滑移失稳 51 围护结构底部地基承载力失稳 重力式围护结构的底面压力过大 地基承载力不足引起的失稳 由于在围护结构的外侧还作用着土压力 因此其合力是倾斜的 在倾斜荷载作用下 地基土发生向坑内的挤出 围护结构产生不均匀的沉降 可能导致部分围护结构的开裂损坏 52 53 踢脚 失稳 在单支撑的基坑中 可能发生挠支撑点转动 围护结构上部向坑外倾倒 围护结构的下部向上翻的失稳模式 故形象地称为 踢脚 失稳 在多支撑的围护结构中一般不会产生踢脚失稳 除非其它支撑都已失效 只有一道支撑起作用的情况 54 55 止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏 止水帷幕丧失挡水功能 产生渗漏 涌水 流土或流砂 由于水土流失使基坑外地面下沉 塌陷 导致邻近建筑物的开裂和损坏 引起围护结构止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素 其次是设计因素和材料的因素 由于施工质量低劣 止水帷幕有空洞或裂缝 成为漏水的通道是最普遍的现象 止水帷幕设计过短 没有全部切断透水层也是漏水的可能原因 56 由于止水帷幕失效产生过大的水力坡降引起坑底渗透变形破坏 坑内采用排水或降水措施后 造成了坑内外的水头差 地下水在水头差的作用下向坑内渗流 在渗流出口处土的细颗粒被带出 或土颗粒处于悬浮状态涌出 这种由渗透引起的破坏因破坏机理不同而有不同的名称 如管涌 流砂或流土 如不及时制止 由渗透变形引起的坑外土体的位移和陷落是严重的 57 58 59 60 围护结构的结构性破坏 围护结构的结构性破坏是指围护体本身发生开裂 折断 剪断或压屈 致使结构失去了承载能力的破坏模式 结构性损坏的原因可能是方案性的错误 如支撑体系不当或围护结构不闭合 也可能是设计计算时荷载估计不足或结构材料强度估计过高 支撑或围檩截面不足导致破坏 此外 结构节点处理不当 也会因局部失稳而引起整体破坏 特别在钢支撑体系中 节点多 加工与安装质量不易控制 节点处理包括支撑和墙体的连接处 如不设置围檩或连接强度不够 61 62 63 支 锚体系失稳破坏 支锚体系的失稳破坏包括两种不同的破坏模式 锚杆的破坏主要表现为锚杆的拔出 断裂或预应力松弛 土锚的破坏大多是局部的 群锚的破坏实际上是土体的失稳而并非是锚杆的结构性破坏 支撑的失稳很可能是整体性的 其形态因体系不同而不同 支撑体系大多是超静定的 局部的破坏会造成整体的失稳 尤其是钢支撑体系 局部节点的失效概率比较大 64 65 66 67 安全等级与设计 施工要求 确定安全等级的原则考虑划分安全等级的因素已有规范对安全等级的划分标准不同安全等级基坑工程的设计及施工要求基坑设计的表达式及设计原则关于安全系数的规定 68 确定安全等级的原则 1 基坑工程大多数是临时性的 其安全度和耐久性的要求低于一般的结构工程 2 围护结构失效对周围环境影响的重要性甚于围护结构本身 3 在许多情况下 变形的控制高于强度控制 69 考虑划分安全等级的因素 1 基坑的开挖深度由于土压力与深度的平方成正比 基坑深度越大 围护结构的内力与变形都相应急剧增大 支锚结构的轴力也随之增大 无论对于围护结构本身的安全或对环境的影响都增加了技术难度 工程的重要性和失效带来的危害性都加大了 对于深基坑应提高对设计和施工的技术要求 70 2 土质条件在相同开挖深度的条件下 土质越差 抗剪强度低 侧土压力增大 结构内力加大 对环境的影响也越大 控制的要求必须相应提高 71 3 地下水位地下水对基坑围护结构的安全与使用具有决定性的作用 如果地下水位很深 则技术难度和工程的危险性都要小得多 在地下水位高的地方 降水会形成地面的沉降和损害相邻建筑物 如果设置止水帷幕 则使围护结构承受很大的水压力 同时增加了渗透变形的危险性 因此必须提高对设计和施工的要求 72 4 相邻建筑物与设施的重要性以及对变形的承受能力相邻建筑物的重要性增大 对变形控制的要求更严格 安全等级就越高 例如在地下铁道邻近地区开挖基坑时 常需要提高设计的安全度以保证地下铁道的安全运行 对于变形十分敏感的建筑物或设施 也必须严格控制变形 提高对设计施工的要求 73 规范对安全等级的划分标准 现有各部门和地方的基坑工程规范已经提出了基坑工程安全等级的划分方法 见下表 表中出现的差别反映了地区的地质条件和经验的不同以及规范覆盖面的不同 地方规范针对性强 可以规定得具体一些 而全国性的规范只能规定得原则些 74 75 不同安全等级基坑工程的设计及施工要求 为了统一设计标准 对不同的工程区别对待 需要制定设计依据的控制标准 有些规范对基坑工程划分了安全等级 但有的规范不主张划分安全等级 下面主要讨论按安全等级确定的设计施工要求 76 77 从地方规范的规定可以看出 对基坑围护设计的要求主要按变形控制 对不同安全等级的基坑提出不同数量的变形控制值 安全等级越高 变形控制值越小 变形控制值有两种不同方法 一种是按水平位移的数值控制 另一种是按水平位移与围护结构高度的相对比值控制 78 其实这两种不同的控制方法表示了不同的控制侧重点 相对比值用于控制围护结构本身能处于安全的工作状态 与安全系数相配合以保持围护结构的安全 水平位移的绝对值用于将围护结构对相邻建筑物的影响控制在许可的范围以内 79 对于面向全国的规范 由于各地地质条件相差悬殊 很难如地方规范那样对变形作出具体的规定 建筑基坑工程技术规范在编制过程中曾分别邻近有无永久性建筑物给出了变形控制值 但在最终颁布时删去了这些内容 作为一种经验的总结还是有参考价值 80 81 基坑设计的表达式及设计原则 基坑设计由两部分组成 一部分是涉及土体稳定性的验算 另一部分是围护结构 支撑或锚杆的结构设计 前一种验算时 主要的荷载和抗力都是由土体产生的 后一种设计的荷载主要由土体引起的 而抗力是由结构材料提供的 这两种设计表达式中的荷载和抗力项的物理意义不同 性质不同 安全控制的标准也不相同 82 83 从表可以看出 对稳定性验算 各规范所采用的设计方法基本相同 都是安全系数方法 虽然安全系数设计方法不符合设计统一标准关于概率极限状态设计原则的要求 但在设计表达式的两边都采用标准值表示设计变量 设计体系内部封闭 尚不致造成误解和错误 但是围护结构墙身设计 支撑截面设计和锚杆截面设计的情况就不一样了 设计表达式两边物理量的性质不同 需要在基坑规范中加以协调 84 在围护结构 支撑或锚杆的结构设计表达式中 必须充分注意荷载和抗力的统一 这是因为 产生结构内力的荷载主要是由土形成的 所求得的土压力和结构内力都是标准值 但材料的强度采用现行的混凝土结构规范的设计值 则设计表达式的两端是不一致的 必须采取一定的调整措施加以平衡 85 如果采用现行地基基础规范中关于土压力的计算方法和结构内力计算方法强度结构的内力 同时采用现行混凝土结构规范中的材料强度设计值进行截面强度验算和配筋 忽视了两者之间在设计原则上的差异 就降低了结构的安全度 留下了隐患 86 关于安全系数的规定 各规范对设计安全系数的规定很不一致 符号和术语也并不一致 在使用时务必充分注意区别 各规范对不同的验算模式所规定的安全系数允许值见下表 由于各规范都按自己的符号术语系统规定其物理意义 选用各不相同的安全水准和各种系数 读者在使用这些规范时 只能认定执行一本规范的规定 切忌几本规范混用 87 88 89 深基坑围护结构的设计荷载 基坑工程设计的荷载不同于一般的结构物 作用于围护结构上的荷载主要是侧向压力包括土压力和水压力 其它的一些作用 如地面的施工荷载 相邻建筑物的基底荷载等垂直荷载也都通过侧向压力的形式作用于围护结构 相邻场地的沉桩挤土作用 也以水平压力的形式传给围护结构 直接作用于围护结构上的垂直荷载很少 主要是作用于内支撑上的一些施工机械 90 作用于围护结构上的侧向荷载都是非标准的荷载 其值是不确定的 不稳定的 受施工条件和环境条件的影响非常大 预估的荷载与实际产生的荷载可能相差很远 荷载的确定是基坑工程设计中最为困难而又十分重要的环节 作用于围护结构的侧向土压力作用于围护结构的水压力施工荷载永久性荷载 91 作用于围护结构的侧向土压力 1 对经典土压力理论的认识2 土压力的量测试验结果3 土压力计算中若干问题的讨论4 土压力计算的一些经验方法 92 对经典土压力理论的认识 在讨论到土压力问题时 人们就会提到经典的库仑理论和朗肯理论 由于建设规模的发展 也由于量测技术和计算技术的进步 近代对于土压力的性质和土压力的分布与变化规律的认识远远超过了朗肯和库仑的年代 因此在许多文献中 人们不断地发现实测的结果与理论不符 也经常听到对经典土压力理论的批评 93 但是经典的土压力理论依然是实用计算公式的基本形式 许多关于土压力计算的讨论常常是环绕着如何修正经典公式来开展的 经典公式的局限性是明显的 但至今尚没有看到超越他们的新的理论公式问世 94 经典土压力理论得到的是极限值 95 基坑尚未开挖时作用在围护结构墙面上的是静止土压力 此时土体处于完全弹性状态 基坑开挖以后土体处于塑性局部发展的过程中 墙后和墙前的土压力都没有达到极限状态 处在图中的两条不同的曲线上 而按经典土压力理论计算的仅是曲线的两个端点 至于塑性发展的过程 经典土压力理论并没有给出解答 迄今为止 还没有解析的方法可以计算这个过程 96 经典土压力理论只能计算刚性界面上的接触压力经典土压力理论没有考虑挡墙本身的变形 即将挡墙作为完全刚性的 只考虑挡墙的平移或转动等刚性位移 但在基坑工程中 排桩式和地下连续墙等板式的围护结构都是柔性的 会产生比较大的变形 而且在支撑和锚杆的约束下 围护结构的变形非常复杂 目前也没有解析的方法可以计算柔性挡墙与土体的接触压力 97 经典土压力理论是在平面应变条件下的解答无论是库仑理论或者是朗肯理论 都是平面应变条件下的解答 没有考虑末端的影响 而实际的工程条件总是有限长的 在长边方向的中部比较接近于平面条件 但在基坑的转角处则与平面问题假定相距甚远 存在末端的影响 98 土压力的量测试验结果 国内在90年代初 周应英等报道了五组很有意义的试验结果 为认识土压力的分布规律提供了实测的数据 试验填料分别采用砂土和粘性土 采用压力盒量测土压力 在砂土的试验中用了20个压力盒 粘性土的试验中用了59个压力盒 99 100 宽高比为1 0 101 宽高比为0 66 102 不同宽高比的影响 103 绕墙底转动时 104 绕墙顶转动及平移时 105 墙平移时 106 说明当墙身的高宽比为1时 实测土压力随深度增加而增大 实测数据在理论分布线两侧波动 静止条件下的实测土压力最大 随着位移的增大 土压力减小 墙身的高宽比1 5时的实测结果 分布曲线偏离理论直线比较大 在墙的上半部实测主动土压力值大于库仑理论值 下部则相反 出现在工程实测时通常出现的R形分布 五种不同的宽高比 0 5 0 6 1 0 1 5 2 0 的墙体试验结果说明墙身刚度越小 实测的主动土压力分布越偏离库仑理论值 107 当墙身绕墙底转动时 实测土压力的数据随深度增大 并接近于直线分布 但当墙身平移或绕墙顶转动时 实测主动土压力的分布与直线分布偏离比较大 其分布特点是墙身上部大于理论值 下部小于理论值 同时还可以看出 当墙底部绕墙顶的位移量与平移量相等时 转动的总土压力大于平移的土压力 且平移时更偏离于理论值 108 比较三种不同性质位移的试验结果可知 墙平移时的土压力合力最小 绕墙顶转动时的土压力合力最大 为了研究不同性质位移的相互关系 在进行了绕墙顶转动的试验之后 又将墙顶移动使墙恢复竖直 这相当于两种转动的叠加 与平移相当 此时上部土压力由大变小 下部的土压力由小变大 与直接平移的试验结果相当接近 说明不同性质的位移可以叠加 109 位移叠加对土压力的影响 假设挡墙先绕底部B点转动 墙顶由A移至A 然后绕顶部A 点转动 墙底B点移至B 分两步完成有关平移的运动 则土压力可由前两种情况的平均求得 见图 c 110 三种不同性质位移所产生的破裂面位置很接近 与墙背面的夹角约为33 5 但三种情况土压力的大小与分布却差别比较大 三种不同位移所产生的土压力有较大差别的原因可以用滑动面上在墙顶处抗剪强度发挥的不同程度来解释 111 转动时由于转动中心处基本上没有位移 滑动面上的抗剪强度得不到充分的发挥 而平移时各点的位移接近 沿滑动面上发挥了相同的较大的强度 因而土压力最小 实测主动土压力为40 61kN 而采用楔体试算法 考虑滑动面上的粘聚力和墙面上的粘结力 计算得到的结果为38 75kN 两者非常接近 说明试验的结果是比较可信的 112 理论分析的成果 113 绕墙顶转动 绕墙底转动 114 这种理论计算的结果虽然是在简化假定的基础上求得的 但和上述试验的结果却非常吻合 至少可以说明刚性墙的土压力分布的不同图形是由于墙的位移性质所决定的 115 极限状态时的位移值 当开挖基坑时 在围护结构的前方卸载 墙就有向坑内产生位移的趋势 墙后的静止土压力逐步减小 向主动状态发展 太沙基通过试验发现当水平位移与墙高之比为1 1000数量级时墙后土压力就减小到最小的主动土压力值 莱姆和惠特曼在砂土的三轴试验中观察到水平应变达到0 005数量级时就完成了从静止状态到主动状态的发展过程 116 117 土压力计算中若干问题的讨论 水土合算与水土分算墙面与土之间摩阻力的影响不同试验指标的影响 118 水土合算与水土分算 在土压力计算公式中 要用到土的重度指标 这反映了土体的自重对土压力的影响 所谓水土合算和水土分算 就是在计算公式中 土的重度是用天然重度还是浮重度 在物理概念上是土中水对挡墙的作用如何考虑的问题 从不同的概念出发 建立在不同假定的基础上 采用不同的强度指标 可以得出不同的计算方法 119 按有效应力原理计算 地下水的作用单独考虑 则土压力采用浮重度计算 内摩擦角也采用有效内摩擦角 即按有效应力原理计算 120 总应力法计算 水土分算 地下水作用单独考虑 土压力用浮重度计算 但内摩擦角则用总应力指标计算 121 水土合算 地下水的作用合在土的重度中反映 故采用饱和重度计算 内摩擦角也采用总应力指标 122 上海地区的一些局部经验 按水土分算原则 应采用有效指标计算 但目前勘察报告中很少提供有效指标 如果采用总应力指标是否可行 对于开挖深度在5m左右的基坑 若干对比数据的计算表明 采用总应力指标计算的土压力与采用有效指标计算的土压力基本相当 123 四个工程的计算对比资料 124 墙面与土之间摩阻力的影响 围护结构的表面有一定的粗糙度 与土体之间必然存在摩阻力 计算土压力时考虑了摩阻力的存在就会减小主动土压力和增大被动土压力 在需要充分挖掘潜力时可以将摩阻力考虑进去 上海市标准 基坑工程设计规程 DBJ08 61 97 规定在计算柔性围护结构墙前被动土压力时需要考虑围护结构与土之间的摩阻力 土压力的计算公式仍采用朗肯土压力理论的表达式 但土压力系数采用库仑公式 125 126 不同试验指标的影响 在基坑开挖时 基坑外侧如果不考虑地下水位的变化 竖向的自重应力保持不变 水平方向的应力减少 随着开挖深度增加 水平应力逐步减小 直至主动土压力状态 这个变化过程可以用减少试样侧压力的方法进行模拟 在三轴仪上 保持轴向压力不变而减少侧压力 直至试样破坏 127 128 土压力计算的一些经验方法 129 主动土压力 关于主动土压力的计算 各规范大多采用朗肯理论计算 也有朗肯与库仑理论并列的 在考虑土中水对侧向压力的影响时 各规范作了大体相同的规定 即砂土和粉土大多规定采用水土分算 对粘性土规定可以采用水土合算 130 2020 2 6 131 对于抗剪强度指标 大多数规范都规定水土分算时采用有效强度指标 水土合算时采用总应力指标 但是上海市基坑工程设计规程则规定全部采用总应力指标 这种规定带有很强的地方经验色彩 抗剪强度指标一般采用峰值强度 即取剪切试验时应力应变曲线上的峰值计算抗剪强度指标 武汉深基坑工程技术指南规定对老粘土的粘聚力打折扣 建筑基坑支护技术规程规定粘性土水土合算采用总应力指标时采用七折强度指标 132 133 被动土压力 考虑到发挥主动极限状态和被动极限状态所需的位移不同 在主动土压力侧出现极限状态时 挡墙的内侧远未达到极限状态 因此不可能发挥全部的被动土压力 鉴于这种考虑 有的规范规定对按被动极限状态计算的土压力必须乘以小于1的经验系数 作为动用土压力 134 135 土压力的分布 一些实测资料表明 墙后主动土压力沿深度并不完全符合直线 而是呈近似的R形分布 即在浅层呈线性 在一定的深度以下土压力变小 如下图所示 对于墙后主动土压力沿深度并不完全符合直线分布的原因 还不能解释得非常清楚 尽管意见并不一致 但都接受了这一观测到的客观事实 136 柔性墙的实测土压力分布 137 重力式 悬臂结构 板式结构 板桩墙 138 作用于围护结构的水压力 无地下水渗流时 作用在围护结构外侧 即主动土压力侧的水压力 在坑内水位以上按静水压力三角形分布计算 在坑内水位以下按矩形分布计算 即水压力沿深度不变 并不计作用于围护结构被动土压力侧的水压力 139 无地下水渗流时的水压力分布 140 考虑渗流时的简化分布图式 141 施工荷载 基坑施工时 在基坑周围通常可能堆放建筑材料 运行施工机械和过往载重汽车 这些施工荷载对基坑的稳定性也有影响 设计时必须加以考虑 通常按20kPa施工荷载计算 对于局部的过大超载如无法避免 如场地狭窄时在坑边堆放建筑材料等 则应在设计时加以考虑 按超载计算 或采取局部加强的措施 对于设计时没有计算到的超载必须严格禁止出现 142 施工荷载的面积一般是有限的 但在计算时往往将20kPa施工荷载作为大面积均布荷载考虑 这是偏于安全的 施工荷载还包括塔吊的荷载以及其它建筑机械的荷载 在设计时都必须加以考虑 对塔吊地基进行加固处理 如机械下坑的栈桥利用支撑承载 在支撑设计时必须计入机械的荷载作用 143 永久性荷载 基坑设计的永久性荷载主要是指基坑周边的建筑物基础底面荷载 这种荷载对基坑稳定性有一定的影响 当建筑物离基坑比较近 由这些永久性荷载产生的土压力就不能忽视 必须要加以考虑 144 均布和局部均布荷载作用下的主动土压力 145 深基坑工程方案设计 146 方案设计与施工图设计 深基坑工程设计一般分为总体方案设计和施工图设计两个阶段 总体方案设计的任务是根据主体工程的性质和对地下室的使用要求 场地工程地质和水文地质条件 相邻环境对基坑施工的制约程度等因素 选择合适的围护结构与支撑体系 协调基坑工程与主体工程的关系 控制环境质量 为施工图设计和基坑施工组织计划提供控制性方案 147 基坑工程方案设计 1 确定开挖方案 包括地下水的处理方案 2 选择围护结构的类型 3 选用土层锚杆或内支撑 选择支撑材料 4 对土层锚杆或内支撑进行平面和竖向布置 包括围檩和立柱的布置 148 5 进行各项稳定验算和结构内力计算以确定围护结构 支撑 围檩或锚杆的材料强度和截面尺寸 确定是否需要加固坑底 进行降水的控制性计算 6 进行变形验算以检验是否满足环境要求 7 对施工方案提出要求 8 进行多方案的技术经济比较 优选方案 149 基坑围护设计的依据 深大基坑的设计是一项综合性的设计工作 它与上部结构 包括地下室 设计 工程地质勘察 地下室施工方案以及周围的自然环境 工程环境和社会环境都有密切的关系 因此 在基坑工程设计时必须具备下列几个方面的资料 150 主体结构设计图纸 基坑工程的规模和技术要求 很大程度上取决于主体工程 主体工程地下室的面积 层数和使用要求决定了基坑的大小 深度以及基坑设计的难易程度 对于围护结构不作为永久性结构一部分的基坑工程 设计基坑时至少应有建筑物的总平面图 地下室结构的平面和剖面图 桩位图 以明确基坑边线与红线的关系 基坑底面的标高 基桩位置 地下室外墙尺寸 地下室各层楼面的标高等主要参数 151 对于围护结构兼作主体工程永久性结构的基坑工程设计 更需要与上部结构设计密切配合 应具备完整的工程设计资料 包括完整的建筑设计和结构设计文件和图纸 地下室主体结构的使用要求及防水要求和地下结构及地面主体建筑的施工方案 152 工程勘察报告 1 提供基坑工程设计所需的土工参数指标 如供计算土压力之用的抗剪强度指标 土层的渗透系数等 如果计算土压力问题的抗剪强度指标取值方法与其他土工问题不同 则应专门给出符合基坑工程设计要求的抗剪强度指标 2 评价地下水对基坑工程的影响 对降水或截水的必要性和可能性进行论证 提出降水或截水方案的建议 153 3 对基坑方案提出初步的建议 并论证实施这些建议方案的条件和设计 施工应注意的问题 4 评价场地周边的环境条件对基坑开挖 支护 降水 截水 的要求以及基坑开挖 支护 降水 截水 回灌对周边环境的可能影响 提出基坑工程的设计 施工应注意的问题和应采取的保护措施 5 对施工过程中形成流砂 流土 管涌及整体失稳等渗透破坏现象的可能性进行评价并提出预防措施 154 6 提供场地地下障碍物 如防空洞 废基础 废管道等 的分布范围 埋藏深度 分散程度以及挖除处理方法的建议 7 提供场地平整时回填土的情况 包括回填材料 密实度及在场地的分布情况以及暗浜的分布范围及其深度 8 提供各种必要的图件和表格 155 环境调查资料 基坑开挖引起的周边地面沉降和水平位移会对邻近建筑物 道路和市政管线造成不良的影响 在基坑工程设计时应当采取必要的措施 把这种不良影响减少到最低程度 因此需要在设计前对环境情况作充分的调查 了解基坑周边邻近建筑物和市政设施的基本情况 研究它们对土体变形的承受能力和敏感程度 以便根据环境的要求选择合适的设计方案和施工方案 确定施工控制的标准 156 基坑周边地区建筑物情况 调查的范围应根据周围建筑物的实际情况确定 一般在基坑外缘以外20 50m范围内的建筑物都必须予以调查 浅基坑用下限 深基坑用上限 如果周边相邻建筑物采用的是桩基 则基坑开挖对它的影响可能很小 如果是对变形很敏感的建筑物 或重要的 保护性的建筑物 即使已经超出这个范围 也需要加以了解 157 调查的内容包括建筑物的分布情况 建筑物与基坑边线的距离 与红线的距离 建筑物的平面尺寸 层数 高度 建筑物的性质 结构特点和基础型式与基础埋深 在基坑开挖前建筑物已有的裂缝和倾斜等情况 通过测量 拍照片 录象或描述予以记录 并对开裂部位 裂缝的走向和长度作出标记 以便与开挖以后的可能变化进行比较 158 基坑周边地区市政设施情况 市政设施包括地下管线 煤气 上水 下水 动力电缆 通讯电缆等五大管线 在集中供热的地区还有热力管道 及变电站 泵房 分压站等设施 地下构筑物 地下铁道 地下车库 地下人行通道等 市政设施的种类很多 情况各异 需要区别不同类型的特点 有侧重地进行调查 159 在地下管线中 煤气管线最为敏感 一旦有所损坏 后果非常严重 不同年代的管道 接头的方法不同 对差异沉降的承受能力也各不相同 尤其是年代久远的煤气管道更容易折断破裂 因此在调查中要收集管径 管材 壁厚 管压 埋设年代 接头方式等资料 160 基坑周边地区道路情况 调查周边地区道路的数量 性质 类型 路面结构和宽度 也要了解道路交通流量 通行规则 单行道 双行道 禁止停车等 道路路面的损坏情况及已经修复的情况 161 基坑工程施工条件 基坑工程设计方案的可行性及施工的质量主要取决于施工条件 施工条件包括施工装备和检测设备 施工队伍的经验 技术水平与管理水平 对于重大工程的深基坑 在基坑设计时应已明确主要的施工单位 并有总包单位或施工单位的人员参与基坑设计方案的讨论 对于尚未明确施工单位的项目 则应根据当地已经成熟的施工方法和设备条件进行方案设计 162 开挖方案选择 基坑工程设计方案的第一步是选择开挖方案 各种不同的开挖方法适用于不同的场合 不同的开挖方法对围护结构和支撑体系也提出不同的要求 163 开挖方案选择 放坡开挖无支撑开挖重力式挡墙悬臂式挡墙锚固式挡墙有支撑的开挖组合型的开挖方案 164 放坡开挖 放坡开挖的直接费用最少 而且为主体工程创造了比较宽敞的施工作业空间 因而工作面宽 工期也比较短 如果场地条件允许 放坡开挖应该是首选的方案 制约采用放坡开挖的因素主要是周围场地和开挖深度的限制 放坡需要占用比较大的场地 在城市或建成区往往没有这个条件 165 由于坡体不可避免地会产生一定的位移 如果在场地附近有建筑物或市政管线不能承受较大的变形 亦常常限制了放坡开挖方法的采用 开挖深度也是一个制约条件 但开挖深度是相对于土质而言的 如土质比较好 坡度可以比较陡 占用场地也比较小 深度限制就不那么明显 在软土地区 由于土质软弱 放坡开挖深度就不能太深 166 如整体稳定性允许 可以采用放坡开挖方案时 但有时受场地的限制 只能取用较陡的坡度 如坡面的稳定性不能得到保证时 则可采用喷锚支护或土钉墙的方案 喷锚支护和土钉墙从受力机理上讲不同于无支撑的自立式挡墙 而是属于坡面加固处理的一种方法 通过加强土体共同受力的方式来保持坡面的稳定性 属于自承支护体系 如果坑底土质比较差 整体稳定性不足 则喷锚支护和土钉墙的方案就不能采用 167 无支撑开挖 当不能采用放坡开挖方案时 必须选用围护结构以支承坑外的土体 在可能的条件下应尽可能采用无支撑开挖的方案 因为这种方案能提供比较开阔的坑内施工条件 便于挖土 运土以及地下室的施工 同时 也比较经济 168 重力式挡墙 重力式挡墙是依靠自身的重力维持其稳定的围护结构 由于可以采用价格比较低廉的水泥土等材料制作 是一种比较经济的方案 在开挖深度不大 如软土地区不大于6 7m 环境对位移的要求可允许有50mm左右的条件下是首选方案 但重力式挡墙的宽度比较大 在地下室外墙与红线之间的距离过小时就很难放得下宽度较大的重力式挡墙 169 悬臂式挡墙 悬臂式挡墙是依靠自身的刚度和强度就能维持其稳定的围护结构 由于围护结构承受比较大的弯矩 需要采用钢筋混凝土材料 当重力式挡墙因场地宽度不够而不能采用时 悬臂式挡墙就能克服这个缺点 可以在1 5 2m的狭窄范围内安置悬臂式挡墙 但悬臂式挡墙的位移比较大 难以满足周边环境的严格要求 同时在开挖深度较大时墙身弯矩很大 因此适用的开挖深度也不深 使用条件不当时可能产生围护结构损坏或严重影响环境的事故 170 锚固式挡墙 锚固式挡墙是依靠锚杆传递的拉力来维持其稳定的围护结构 对于深基坑可以采用多道锚杆来平衡土压力 因而可以适用于开挖得很深的基坑 锚固式挡墙分为拉锚式和土层锚杆式两种 拉锚常用于钢板桩顶部的锚固 或作为辅助的锚固措施 土层锚杆要求具有比较好的地质条件 同时还必须有足够开阔的场地条件或者容许锚杆可以伸入红线以外的土层中 在软土地区 由于土层缺乏足够的锚固力而很少采用锚杆 如将锚杆锚固在很深的砂层中 则锚杆的长度很长 也就不是一个经济的方案 171 172 有支撑的开挖 在不具备采用土层锚杆条件的场地 深基坑只能采取有支撑开挖的方案 但是深基坑的平面尺寸一般都比较大 给支撑的设置带来了困难 由于支撑和挖土的工序互相交叉 形成许多各具特色的支护开挖方案 173 分层开挖分层支护法 这是最基本的方法 按照结构受力分析和便于施工的原则布置每道支撑的位置 在深度方向分层挖土与支撑设置交替施工 挖第1层土浇筑第1道支撑挖第2层土浇筑第2道支撑挖第3层土浇筑底板 174 工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 工况6 175 设计时要按照上述工况进行分别验算 施工时要严格按照设计规定的程序实施 才能保证围护结构的稳定性和控制变形 在平面上按设定的挖土与设置支撑流程由一侧向另一侧推进 也可以由中部向两侧推进 但每一层作业作为一个工况考虑进行计算 忽略平面上流程的时间差对围护结构受力的影响 176 中心岛法 对于平面面积很大的基坑 采用分层开挖 分层支护的方法在技术和经济上都不太合理 由于支撑的长度很长 为了增大支撑刚度 需要加大支撑截面和侧向支撑 使支撑的造价很高 而且一层平面的挖土量也很大 前后延续的时间比较长 这就需要在平面上加以划分 177 中心岛法是平面划分的一种考虑 它结合将厚底板分设后浇带的划分 将平面分成两个部分 中心部分先施工 此时先施工的面积比较小 而且具有放坡的余地 可以在坑内按照放坡办法施工 在中心部分浇筑底板以及地下室的部分结构 如核心筒 剪力墙或柱 以后 再分层开挖四周的留土 分层将支撑连接到已建成的底板或地下室的构件上去 178 第一阶段 放坡 浇筑中间部分地下室第二阶段 对周围部分采用分层开挖分层支撑方法施工 179 组合型的开挖方案 在方案设计时 可以根据工程的具体情况将上述几种方法加以组合 以发挥各自的优点 形成最经济合理的方案 可以在立面上组合 也可以在平面上组合 180 立面组合主要是指为了减少围护结构支承的开挖深度 将围护结构顶面的标高压低后形成上部是放坡 下部是支锚的组合断面 围护结构顶面标高压低以后 可以减少围护结构的工程量 减少支锚的数量 上部的处理方法视标高降低的数量和土质条件而定 以保持上部开挖面的稳定为原则 如降低1m左右 可以不放坡 采用砖砌挡墙保护 如标高压低较多 则可采取放坡的办法 也可以采用喷锚护坡的办法 立面组合的方案可以有效地减少基坑工程的难度 明显降低造价 181 立面组合 182 平面组合是指在基坑的几个侧面采用不同的方法 根据各个侧面场地宽余程度的不同 采取不同的方法 在场地比较宽敞的部位尽可能采用放坡的办法 场地能容纳重力式的地方尽量采用重力式挡墙 在实在放不下重力式挡墙的部位才采用排桩式 这样做的目的是为了节省造价 但在技术上带来了一定的困难 主要是在不同型式的结构连接处需要做好构造处理 这些部位往往是最薄弱的环节 也是最容易产生事故的地方 183 实例1组合型的开挖方案 工程名称 上海东方明珠广播电视塔地点 上海浦东基坑尺寸 基底面积2700m2 开挖深度12 5m 局部电梯井部位深度19 5m围护结构 采用二次开挖 三级支护 二级降水的方案 先在地面设置第一级轻型井点 然后将基坑大开挖至 5 3m 放坡1 1 5 土坡采用细石混凝土护坡 在 5 3m基坑内进行沉桩和打设钢板桩 沿坡脚布置第二级轻型井点 进行第二阶段挖土 按先撑后挖原则设置二道内支撑 完成 12 5m的基坑开挖 最后对深坑进行第三级支护 184 185 支撑情况 二道钢支撑实测结果 边坡水平位移不大于50mm 钢板桩上口水平位移不大于50mm 下部位移较大 局部达400mm 立柱最大上拔量120mm比较造价 费用为常规深基坑施工的三分之一挖土速度 工期为常规深基坑施工的三分之一方案评述 对于场地周围环境要求不高的基坑工程 在立面上采取放坡和钢板桩支护相结合的方案 将深基坑转化为开挖深度相对较浅的基坑 技术难度和工程量都有降低 从而缩短了工期 大幅度降低造价 这个方案的思路是可取的 186 选择围护结构的类型 确定了开挖方案以后 根据开挖方案的要求选择围护结构 从总体来说 围护结构按材料和施工方法大体分为三种类型 即水泥土搅拌桩 排桩式围护结构和地下连续墙 选择围护结构时应考虑开挖深度 地质条件 地下水条件 施工条件和工程要求等因素综合确定 187 188 189 如按单方造价 连续墙每一立方米的费用明显地高于排桩 这是因为连续墙施工设备的费用比较高的缘故 根据上海市1990年代的建筑工程预算定额 地下连续墙施工时成槽机设备的费用相当于灌注桩施工钻机费用的2倍 可见在适宜于用排桩的场合采用地下连续墙是不经济的 只有在开挖深度很大 环境要求特别高 采用排桩式围护结构非常不合理时才采用地下连续墙作围护结构 为了充分发挥地下连续墙的作用 提高经济效益 将地下连续墙围护结构兼作永久性结构的一部分是比较合理的方案 190 SMW工法 在水泥搅拌桩体内加劲性型钢 形成组合结构的围护结构墙体 这种在日本已成熟应用的方法称为SMW工法 它组合了型钢受力水泥土止水的各自优点 截面比较小 适应性强 在我国推广使用的主要障碍是型钢造价高 一些单位致力于研究将型钢在工后拔出的技术 已取得进展 191 192 实例2型钢 水泥土组合结构 SMW工法 工程名称 上海申海大厦地点 上海海防路基坑尺寸 基底边长30 65m 60 30m 基坑面积1798m2 开挖深度6 3 7m围护结构 采用双排搅拌桩内插H型钢组合结构形式 H型钢选用45号工字钢 型钢长12m 搅拌桩长度14m 采用直径为700mm的双轴搅拌钻机施工 H型钢按间隔布置 间距为1 0m 基坑顶部设置钢筋混凝土圈梁 圈梁宽1 2m 高1 0m支撑情况 二道直径为580mm钢支撑 围檩采用槽钢复贴钢板 第一道支撑轴线标高 1 0m 第二道支撑轴线标高 4 0m 193 实测结果 对撑部位的墙体最大位移10 88