无支护开挖设计与施工培训资料.doc

第五章 无支护开挖设计与施工无支护开挖(又称自立边坡)是指土质较好、具备自立和放坡条件，不需另设围护结构便可开挖的基坑边坡。边坡是指临空面为倾斜坡面的土体。由于地质作用自然形成的边坡，如山坡、岸坡等称为天然边坡；由人工开挖、填土方形成的边坡，如建筑基坑、渠道、土堤、土坝及路堤等土工建筑物的边坡，通常称为人工边坡。本章主要讨论人工边坡在基坑工程中的应用，边坡的稳定是放坡开挖设计中必须首先考虑的问题。由于边坡的坡面倾斜，在土体自重或其它外力作用下，近坡面的部分土体有向下滑动的趋势。坡面局部土体下滑称为边坡失稳或叫滑坡破坏。边坡坡度设计过陡，不安全，极易丧失稳定；而边坡过于平缓、又过于保守，会大大增加土方工程量，加大占地面积，很不经济。土坡稳定分析计算是放坡开挖时如何解决好安全与经济这对矛盾的关键内容。土坡滑裂面的形式多种多样。对于粘性土坡，多产生圆柱形滑裂面；无粘性土坡失稳，多为平面滑动；不均匀的成层土坡，地基中有软弱层，易产生复合滑动面，土坡稳定分析时应针对不同的土质假定滑裂面形状进行。土坡失稳的根本原因在于土体内剪应力大于抗剪强度。促使剪应力增加的原因很多，如土坡过陡、自重应力过大、水的渗入增加自重、渗透水流的渗透力过大、坡面及坡顶超载过大，打桩、爆破及地震等动荷作用，均会增加剪应力；而造成土的抗剪强度降低的原因为：冻胀、超静水压力增长过快过大、振动液化、浸水土的结构崩解等等。影响土坡稳定性的因素很多，进行稳定分析时，只能抓主要因素，作必要的假定。土坡稳定分析的理论基础是极限平衡理论，计算方法有许多种。较复杂的精确解法，如散体极限平衡理论的解析法、有限单元法等；较简单的普遍采用的方法是假定滑动面的静力分析法，如平面滑动法、瑞典圆弧法、条分法、摩擦圆法、对数螺线法、毕肖普公式及泰勒图表等，各种方法的详细分析可参阅基础工程手册。本章主要就放坡开挖及对土坡加固的一些措施进行分析讨论。第一节 动坡类型在基坑工程设计与施工中，支护形式的选择应遵循建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)的有关规定或参阅本书前几章介绍的内容。常用的边坡类型如图5-1。当选择放坡开挖时，对边坡类型的选择还应考虑如下因素：1当场地为一般粘性土、粉土，基坑周围具有放坡开挖堆放土料和机具的条件，地下水位较低，放坡开挖又不会对相邻建筑物产生影响可采用局部或全深度的基坑放坡开挖方法。当周边条件允许时，也可不放坡或不分级放坡开挖。2基坑周边为密实的碎石土、粘性土、风化岩石以及其他良好土质，基坑土体有直立开挖条件且基坑较浅时，可不放坡竖直开挖。有地面堆载且基坑较深时，也可对周边土体进行加固或部分放坡开挖。3当基坑不具备全深度或分级放坡开挖时，上段可自然放坡或对坡面进行保护处理，以防水渗入或风化碎石土的剥落。保护处理的方法有水泥抹面；铺塑料布或土工布；挂网喷水泥浆，喷射混凝土护面以及浆砌片石等。基坑周围地面也应采用抹砂浆、设排水沟等地面防护措施，防止雨水渗入。下段的土体加固常用土钉墙、螺旋锚、喷锚，在坡脚处堆砌草袋、土工织物砂土袋或砌筑砖石墙体等加固方法。4在基坑深度范围内有软弱土层或基坑较深，为降低支护结构的高度以减少作用在桩墙背后的土压力，场地条件也允许时，上段可挖土卸载、放坡并对坡面进行加固保护；场地狭窄时上段也可竖直挖12m并砌筑砖墙围护。下段设置桩、墙支护结构。5基坑周围的坡面防护是很重要的，首先应当在距坑周边的地面向外有一定的坡度，防止地面水或雨水流入坑内，并有截水沟排走。同时坡面应有水泥砂浆抹面，宽约1520m。墙后土体有开裂裂缝时，应用水泥浆或粘性土填封，防止地面水流入。第二节 自立边坡实际工程中，由于基坑开挖形成的土坡，其破坏时滑动面常是很不规则的，它与许多因素有关，其中主要取决于土坡材料的均匀性。为确保基坑工程的稳定性与安全，自立边坡的放坡应根据建筑基坑工程技术规范(YB9258-97)中有关岩土边坡的坡度和坡高允许值设计，如表5-1和表5-2。士坡滑动破坏面可分为平面破坏面和圆弧破坏面，最危险的破坏面则为圆柱状。因为对单位质量材料来说，圆弧表面积最小，而表面积同抗滑力有关系，单位质量则与滑动力相联系。如果一个大圆弧不可能在土坡里形成，比如在一个深度长度小得多的无限长土坡里，最危险的破坏面则是一个平行于土坡的平面。如果有一些软弱层存在，最危险的破坏面将沿着一系列通过这些软弱层的平面。有时也可能出现平面、圆柱面和其它不规则破坏面的组合(如图5-2)。一、破坏形式1平面破坏图5-3为一顺着山坡填筑的路基，它沿底平面破坏。破坏面为平面的原因是未对原山坡作适当的修整，而且底部存在软弱土层。根据摩尔一库仑理论，破坏面上的抗滑力由式(5-1)确定r-C+atgrp (5一1)式中r-抗剪强度或抗滑应力；应当注意，c和P是破坏面上土的抗剪强度参数。在长度为L的单宽破坏面上，抗滑力=cL+Wcosatg190。其中，彤是破坏面以上土的质量，0t是天然坡角，Wcosa是垂直于破坏面的重力分量。滑动力为顺着破坏面的重力分量，其值为Wsina。安全系数是抗滑力和滑动力的比值，即如果破坏面由两个或更多的平面组成，情况就变得比较复杂，但仍可按平面滑面问题处理。2圆柱破坏面为了找出圆柱破坏面的最小安全系数，必须进行大量滑弧计算，以便确定最危险的一个。图5-4表示众多滑弧中的一个。滑动土体被分为行条，第1的质量为，破坏面的长度为厶，倾斜角为0i，正应力为M。安全系数为抗滑力与滑动力的比值。根据摩尔库仑理论，土条的抗滑动是以，i+Nft9。应当注意，除非做某些简化，f取决于土条两侧面的力，并且是超静定的。滑动力等于WisinOi，是重力沿破坏面的分量，滑动力与土条两边的力无关，因为土条一边有一个力，相邻边便有一个大小相等方向相反的力与之相抵消。安全系数由下式确定破坏面为圆弧时，安全系数可以定义为两个力矩之比。无论用力或力矩都一样，因为后者只是对方程(5-3)的分子和分母同乘以一个相同的力臂-圆弧的半径而已。在费伦纽斯法(即瑞典条分法或原始条分法)中，假设土条两边的力平行于土条底部的破坏面，因此，它们对垂直于破坏面的力没有作用，或将式(5-4)代入式(5-3)可得二、稳定分析土坡稳定分析方法很多，根据要满足的平衡方程数目，这些方法主要包括费伦纽斯法，简化毕肖甫法，对数螺旋法，贾布法，摩根斯顿法和普赖斯法，以及斯潘塞法等。这些方法的基本概念是相同的，不同点在于条块间力的假定。随着计算机广泛地在工程中的应用，有限单元法等数值方法被广泛地在岩土工程界应用，数值计算方法可以考虑弹性模量和泊松比表示的土的变形特性，可求出破坏面的法向力和剪应力，因而是一种较好的方法，但需要较多的参数。在上述所有稳定分析方法中，土的抗剪强度、边坡的荷载以及需要的安全系数都假设是已知的。实际上这些参数都存在着很大的离散性。最近将概率方法引入岩土工程界，提供了有关破坏的概率，因此，边坡稳定分析的概率方法正在得到进一步的发展。下面对传统的较常用的几种稳定分析方法简要介绍。1无粘性土坡稳定分析由无粘性土如砂、卵砾石以及风化砾石等组成的土坡，其滑动面近似于平面，常用直线滑动法分析其稳定性。(1)均质的无粘性土颗粒间无粘聚力，对全干或全部淹没的土坡来说，只要坡面上的土粒能够保持稳定，那末，整个土坡将是稳定的。图5-5(a)为一均质无粘性土坡，坡角为p。现从坡面上任取一小块土体来分析其稳定条件。设土块的重量为，它在坡面方向下滑力丁=Wsinfl；阻止该土块下滑的力是小块土体与坡面间的摩擦力乃。为了保证土坡稳定，设计均质无粘性土简单土坡时，必须使稳定安全系数F，大于1，F，的取值可参照有关规范。由式(5-6b)可见，对于均质无粘性土坡，只要坡角p小于土的内摩擦角9，无论坡的高度为多少，土坡总是稳定的。F=1时。t坡处于极限平衡状态，此时的坡角9就等于无粘性土的内摩擦角妒；并说明此时无粘性土坡的滑动面为一平面，这与观测资料是吻合的。(2)当土坡中有渗流通过时，如图5-5(b)，沿渗流出逸方向产生渗透力j=17。此时，坡面的小土块(其体积为y)除受其自重作用外，还受到渗透力的作用，增大了该土块的滑动力，同时减少了抗滑力。因此，有渗流作用的无粘性土坡的稳定安全系数为式中y7-土体的浮重度；y。-水的重度。其它符号如图5-5(b)所示。当渗流方向为顺坡面流出时，曰一卢，此时水力坡降按水力学原理i=sinfl。将0及1值代入式(5-7)，得由式(5-8)可见，在渗流情况下，无粘性土土坡的稳定性要比无渗流情况下的差，其安全系数约降低12。这就是说，无渗流时，土坡是稳定的；有渗流作用时，坡度就必须变缓，即坡角才能保持稳定。2粘性土坡的稳定分析粘性土坡的稳定分析方法主要有瑞典圆弧法和泰勒图表法(或泰勒曲线法)、条分法(太沙基公式和毕肖甫公式)，各种方法的详细分析可参阅有关手册。下面主要就泰勒图表法作一简单介绍。由于瑞典圆弧法等其它方法需试算，工作量较大。因此不少人寻求简化的图表法，其中泰勒图表法就是其中之一。土坡的稳定性与土体的抗剪强度指标C、9，土料重度y，土坡的尺寸卢和H(H为土坡的极限高度)等五个参数有密切关系。这五个参数考虑到均质粘性土土坡的所有物理特性。泰勒最后算出这五个参数间之关系，并用图表达其计算成果。为了简化又把三个参数f、y和H。合并为一个新的无量纲参数M，称为稳定数，其值只取决于坡角卢与深度因数咒aN，的定义为式中M一稳定数(由边坡的坡度角及土内摩擦角等确定的系数)；f-土的粘结力；y-土的重度。稳定数M根据坡度角卢和硬层埋深由图5-6(a)确定。通过图5-6不仅查得，系数，同时也可知道滑动面破坏的形式。当计算中需同时考虑粘聚力f和内摩擦角垆，则利用图5-6(b)求得稳定数。分析土坡稳定性时，常常会遇到在土坡顶下nail深度处存在硬层的情况(图5-7)。显然，滑动面不可能穿过硬层，这时，就必须考虑此硬层对滑动面的影响。根据此硬层所处的深度不同，土坡滑动面可能为：坡趾圆，即滑弧穿过坡趾，图5-7(a)；斜坡圆，即滑弧穿过坡面，图5-7(b)；中点圆，滑弧经过坡脚之外且与硬层面相切，滑弧的圆心位于通过土坡面中点的垂线上，图5-7(c)。计算结果表明，对于驴一0。或接近于o。的土，当fl53。时，最危险滑动面为坡趾圆；当fl4时，则都为中点圆；若土的痧3。者，最危险滑动面都为坡趾圆，其。与p的关系有如图5-6所示。总之，从图5-6中可以直接由已知的f，P，7，p确定土坡极限高度H也可以由已知的f，y，Hc确定土坡的极限坡角卢。在设计中，应根据计算所得的日。考虑适当的安全系数，以选定土坡高度或坡度。例51基坑开挖边坡角卢一70，土的粘聚力f一15kPa，土的重度7-20kNm3。计算在不考虑土的内摩擦角的临界高度H，当开挖深度为4m时，选择其安全的坡度角p。查图5-6，当卢一70时，N=48，因此临界高度H为如果要安全地开挖40m，则需，值增大，亦即将边坡坡度放缓，使卢53。的边坡，其滑动为斜面前破坏，按图5-8确定滑动圆的参数口。产生底部破坏的边坡，按图5-9确定滑动圆的参数12。目前土坡稳定分析多采用平面模型，但实际工程中也常会遇到空间问题的土坡稳定。近些年虽然有人提出了一些分析空间问题的方法，但工程中还是常把空间问题当作平面问题来处理，由于没有考虑滑坡体两端的约束力，这样的计算结果偏于安全。三、自立边坡设计自立边坡的放坡应按表5-1和表5-2的要求确定开挖放坡坡度及坡高，以确保基坑的稳定性与安全。当采用直立边坡时，应首先确定自立边坡的极限高度。由于土坡类型不同，其土的物理力学性质会差别很大，根据土的极限平衡理论边坡的破裂面与水平面的夹角在土自重作用下的上、下限坡高H。因土而异。当土坡土质均质时，则认为当实际坡高HH。时，土坡是稳定的，对分层土边坡，则认为各层土的极限坡高应分别计算确定。关键问题在于极限坡高是取上限还是下限的问题，应进行工程经验总结或进行边坡模拟试验。对于坡顶荷载的作用，通常做法是将荷载q折算成相应土层的等效土层厚度h(qr)，这时的总：上坡高为H，一H+k。当HH。时，则认为该土坡是稳定的。对于房屋基础来说，荷载面积总是有限的，作用于下卧层顶面上的附加压力，这里引用应力扩散角的概念，按简化方法计算矩形基础条形基础式中口扩散角，一般粘性土取22。d：-为下卧层顶面至基础底面的距离；6-垂直边坡的基底边长；L-平行边坡的基底边长。无坡顶荷载作用时，如图5-10(a)所示，当HH。时，其高差H-H-日。延长破裂面线至坡底面，可得一水平距离才E，这里定义为失稳距离。如果斜坡坡顶至坡脚的水平距离小于，则认为坡是不稳定的，反之则是稳定的。因此，放坡可按阶梯形设置，或做成斜坡丽。当坡顶有荷载作用且hqH。时，则破裂面在虚土坡内出现，如图5一i0(b)所示，水平距离硒即定义为荷载外缘距坡顶的最小距离q。也就是说，当外荷载较大时，外荷边缘至坡顶边缘要有一定的安全距离，大小与土质强度有关。特别是c值，粘聚力越大，则9可以减少，甚至等于零。对比式(5一10a)和式(5一10b)来说，q与a具有同样的物理意义，但确定方法或思路已有很大的不同。满下卧层层顶面上的总压力是上覆土层自重应力和荷载引起的附加压力之和，但由于土的重度y变化较小，自重应力折算土层厚度与上覆土层厚度基本相同，因此仅考虑外荷折算层厚度作为附加边坡高度。按上述方法，自上而下逐层确定荷载作用最小距离却和失稳距离边坡过渡平台的宽度不小于05m，施工时应按上陡下缓原则开挖，坡度不宜超过1：075。对于砂土和用砂填充的碎石土，分级坡高H5m，坡度按自然休止角确定；人工填土放坡坡度按当地经验确定。土质边坡放坡开挖如遇边坡高度大于5m、具有与边坡开挖方向一致的斜向界面、有可能发生土体滑移的软弱淤泥或含水量丰富夹层、坡顶堆料、堆物有可能超载时以及各种易使边坡失稳的不利情况，应对边坡整体稳定性进行验算，必要时进行有效加固及支护处理。对于土质边坡或易于软化的岩质边坡，在开挖时应采取相应的排水和坡脚、坡面保护措旋，基坑周围地面也应采用抹砂浆、设排水沟等地面防护措施，防止雨水渗入。并不得在影响边坡稳定的范围内积水。对非粘性土坡坡顶不得有振动荷载。因为在振动荷载作用下，土质很容易松动，甚至引起局部或大部分坡面滑塌。因此，一定要了解基坑周边的荷载条件，如有振动荷载时应适当降低边坡高度。第三节 土钉与喷锚支护结构基坑开挖时，常用的边坡加固方法有喷锚、土钉墙、螺旋锚、片石及砖砌体、土袋堆置护坡等许多措施，均应按ila时性工程设计。一、土钉墙土钉墙由被加固土体、锚固于土体中的土钉群和面板组成，形成类似重力式的挡土墙，土钉与土体构成的复合体，以此来抵挡墙后传来的土压力或其它附加荷载，从而保护开挖面的稳定而土钉间的变形则通过钢筋网喷射混凝土面层给予约束力。土钉墙可分不注浆和钻孔全长范围注浆土钉。前者适用于土体面层维护或开挖较浅的边坡维护，后者适用于开挖较深的边坡维护。其构造如图5-11。1土钉墙的形式土钉墙是通过打入、射入或钻孔置入土钉的方法构成的。(1)钻孔置入：先在基坑侧壁上用人工或机具钻孔到达预定深度后，插入钢筋、钢杆件或钢丝束，并用压力注浆，与周围土体形成密实粘结的土钉，在基坑外露的插筋端部与坡面结构(混凝土垫板、承压板、螺母)联结，并连挂钢筋网及喷射细石混凝土面层材料，构成土钉墙面。这是常用的土钉墙形式。(2)打入型土钉。用气动土钉机将长度不超过6m的小型角钢打入土内，摩阻力较低，用钢量大。(3)射入型土钉。用气动射钉机将土钉射入土中，土钉可以是粗钢筋或钢管，直径2538mm，长度6m以内。2土钉墙的特点土钉墙融合了锚杆挡墙和加筋土墙的长处，应用于基坑开挖支护和挖土方边坡稳定，有以下特点：(1)形成土钉墙复合体，显著提高了边坡整体稳定性和承受坡顶超载的能力；(2)设备简单。由于钉长一般比锚杆的长度小的多，故所用的施工设备要简单得多，不论是钻孔、注浆，还是喷射混凝土面板，施工单位均易办到；(3)随基坑开挖逐次分段实施作业，不占和少占单独作业时间，施工效率高，一旦开挖完成，土钉墙也就建好了，这一点对膨胀土的边坡尤其重要；(4)施工不需单独占用场地，对于施工场地狭小，放坡困难，有相邻低层建筑或堆放材料、大型护坡施工机械不能进场时，该技术尤显示其优越性；(5)土钉墙成本费用比护坡桩、板桩支撑墙及锚拉挡墙等明显降低；(6)土钉是用低强度钢材制作的，与永久性锚杆相比，大大地减少了防腐的麻烦；(7)施工噪音、振动小；(8)土钉墙本身的变形很小，对邻近建筑影响不大；(9)土钉墙适合于地下水位以上或经排降水措施后的杂填土、普通粘性土和非松散砂土边坡。一般认为，土钉墙适用于值在5以上的砂质土和值在3以上的粘性土。3土钉墙的应用领域土钉墙不仅用于临时性构筑物，而且也用于永久性构筑物。当用于永久性构筑物时，宜增加喷射混凝土层厚度或敷设预制板，并有必要考虑其美观。目前土钉墙的应用领域主要有：(1)托换基础，图5-12(a)；(2)竖井或基坑的支挡，图5-12(b)；(3)斜坡面的挡土墙，图5-12(c)；(4)斜坡面的稳定，图5-12(d)；(5)与锚杆相结合作斜面的防护，图5-12(e)。二、土钉墙稳定性分析进行土钉墙稳定性分析时，需考虑土钉墙内部稳定性分析和外部整体稳定性分析两部分。内部稳定性是假定圆弧形破裂面，只考虑土钉的抗拉作用，进行力矩极限平衡各阶段的稳定性分析，它可以计算出施工阶段不同位置和使用阶段各排土钉处及墙底部处稳定性分析结果。而外部整体稳定性分析是将土钉墙简化成一个类似重力式墙，进行简化后墙的抗滑、抗倾覆和墙底部土极限承载力三项稳定性计算。所有的计算均可编制成计算机程序，输出结果为总体安全系数和各个阶段破裂面示意图，使稳定性分析结果简单明了。1内部稳定性分析的力矩极限平衡法(1)基本假定破裂面为圆弧形，破坏是由圆形破裂面确定的准刚性区整体滑动产生的；破坏时土钉的最大拉力和剪力在破裂面处；土体抗剪强度(由库仑破坏准则定义)沿着破裂面全部发挥；假定小土条两边的水平力相等；土强度参数取加权平均值。(2)土钉力简化土钉的实际受力状态非常复杂，一般情况下，土钉中产生拉应力、剪应力和弯矩，土钉通过这个复合的受力状态对土钉墙稳定性起作用。要合理地确定土钉墙所产生的拉力、剪力和弯矩的大小，就需要知道土体中会出现的变形，土钉的弯曲刚度，土钉的抗弯能力以及土钉周围土体的侧向刚度，这在实际工程中往往是困难的。我们在土钉墙稳定性分析计算中仅考虑土钉的抗拉作用，这是因为同激发侧向拉力相比，激发土钉的抗拉能力所要求的土体变形量要小得多(Juran 1985)，而且只考虑土钉的抗拉作用就使得分析计算大大简化(如图5-13)。大量实型试验认为土钉剪力的作用是次要的，仅考虑抗拉作用的设计虽有点保守但是很方便的设计方法(Gass Ier 1990)。土钉相对弯曲刚度对土钉墙安全系数的影响大约为N15之间(Glasgow 1990)。土钉的抗拉作用具体计算为该土钉与被破裂面交点处的土钉拉力，简化后的破裂面与土钉相交处二钉承受的拉力丁。上面土钉允许拉力计算可根据已知条件和实际工作情况选择一种即可，尽管土钉为空间三维分布，但为了简便起见，仍以二维方式取单位长度来进行土钉墙的计算。(3)最危险破裂面选择土钉墙的实际破裂面是无任何确定形状的，这种破裂面形状取决于破裂面的几何形状、土的强度参数、土钉间距、土钉能力以及土钉的倾斜角度等等。分析中采用圆弧形破裂面是因为它与一些实尺试验结果比较接近，且许多方法采用了这种破裂面，并且圆弧形破裂面分析计算比较容易一些。最危险破裂面具体选择方法如下：圆心点位置确定。根据格兰德格德郝思对于土坡稳定性分析的研究结果，有一个确定可能圆心点位置的经验公式，它与土的强度参数c、妒值及边坡坡角p值有关。将此圆心位置作为土钉墙稳定性分析圆一C-搜索区域的中心。圆心搜索区范围的确定。由上面确定的圆心位置为中心，四个方向各扩大035H1，形成一个07肌07H，的矩形区域作为计算滑裂面圆心的搜索范围，经反复计算验证，上面所确定的区域已足够大，再扩大搜索计算范围已无必要，此处HI=HH+日，HH为每次计算的坡高，日。为坡顶超载换算高度。最危险破裂面的确定。在滑裂面圆心搜索范围内按一定规律确定17,1，2个圆心，以圆心到计算高度底部连线为半径画弧，确定了个圆弧形破裂面，分别计算每个滑裂面上考虑与不考虑土钉作用的整体稳定安全系数，并分别从中选择最小安全系数所对应的滑动面即为最危险破裂面。(4)整体安全系数计算安全系数计算方法为改进的边坡稳定性分析条分法，如图5-14所示。对于施工阶段不同开挖高度和使用阶段不同位置，对应于每个圆心坐标沿圆弧面滑动的整体安全系数计算为滑裂面上下滑力矩与抗滑力矩之比。当不考虑土钉作用时，其安全系数K计算为计算取得最后结果是每个计算高度中考虑与不考虑土钉作用的最小安全系数，分别表示为Ki(K)和Ki(K)，其对应的圆心位置和滑动圆弧面情况以图示方式给出。(5)计算高度的选择根据以前的试验情况分析，在土钉墙建成以后，滑裂面破坏一般都通过土钉头位置。在最下排土钉离基坑底面较近的情况下，最危险的滑动面常常通过最下排土钉头位置。因此，除了计算基坑底部的滑裂面安全系数外，还计算了每排土钉头位置处的滑裂面安全系数，如图5-15所示。由于土钉墙是从上到下逐段施：亡而形成的，因而在基坑边坡开挖阶段的稳定性非常重要，它往往比建成土钉墙后使用阶段的稳定性更处于危险的状态，尤其是某一层开挖完毕，而土钉还没有安装的情况下。因此，计算时选取每个开挖阶段的这个时候进行稳定性分析，如图5-16所示。(6)喷射混凝土面板强度验算喷射混凝土面板的作用除保证土钉之间局部土体的稳定以外，还要使土钉周围的土压力有效地传递给土钉，这就要求土钉头与喷射混凝土面板的连接牢靠，即做如下验算(该部分计算有待试验进一步证实，如图517：土钉喷射混凝土局部冲切强度验算喷射混凝土钉头处抗冲切安全系数定义为K一PK (5-18)Px为土钉头垫板四周混凝土抗冲切能力PK=(6)FF3Tcos45。FF3是无喷射混凝土的抗剪强度，71是喷层厚度，a、b是土钉垫板的长度和宽度。睇是作用在土钉头处的土侧压力或简化计算为土钉间喷射混凝土强度验算(图5-18)假定在土钉墙整体稳定的前提下，在土钉之问形成一个剪切楔体，进行面层混凝土强度验算。土钉间喷射混凝土局部抗剪安全系数计算为这里抗剪力仅考虑混凝土的抗剪强度，结果偏于安全。2外部稳定性分析的类重力式墙法以土钉就地加固土体，当土钉达到一定密度时(已有研究认为土钉间距不大于土钉长度时)，所形成的复合土体就会出现类似锚定板群锚现象中的破裂面后移现象，在土钉加固范围内形成一一个土墙，它的作用机理类似重力式挡墙。因此，用重力式挡墙的稳定性分析方法对土钉墙进行分析。(1)土墙厚度确定将土钉加固的土体分三部分考虑，辞乏确定土墙厚度。第一部分为加强体的均匀压缩加固带，(2)类重力式土墙的稳定性计算根据重力式挡墙的方法分别计算简化土墙的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和墙底部土的承载能力，如图5-20所示。计算时纵向取一个单元，即一个土钉的水平间距进行计算。抗滑动稳定性验算三、喷锚对于破碎岩石、软质岩石及老粘土边坡，为维护基坑侧壁的稳定，可采用喷锚加固方法。该法是通过向坑壁钻孔插入锚杆，向锚杆孔注浆(分为非锚固段和锚固段)，挂钢丝网，先后向受喷面高速喷射水泥砂浆及混凝土。对于较深基坑可根据计算，隔一定间距设置槽钢并张拉锁定锚杆。喷锚护面的施工程序及设计要点，参见图5-21。基坑的喷锚加固是配合施工进行的，分段开挖，分段成孔，分段施工锚杆，分段挂钢丝网并喷射混凝土。不可一次全开挖到底和自上而下进行喷锚施工，严防由于施工措施不当，造成基坑坍塌。土钉墙与喷锚支护结构在构造特点、作用机理和施工方法等方面，既有其不同点，也有其相似的地方，表5-3为土钉墙与喷锚支护结构的比较。1喷锚设计风化岩石的混凝土面层厚度不低于60mm，一般土层取100200mm，软土层取大值，硬土层取小值，混凝土等级不应低于C20。混凝土面层的钢筋网除按计算配筋外，一般不宜小于6200mm200mm的网眼。钢筋网喷射混凝土面层应向上翻过边坡顶部1015m，以形成护坡顶，向下伸至基坑底以下不小于20m，以形成护脚；在坡顶和坡脚应做好防水；位于喷锚护面顶部的预应力锚杆的锚固端，宜加长0102H(H为基坑开挖深度)，软土取大值。钢筋网、喷射混凝土板上的荷载按下式汁算式中9-板上均布荷载(kPa)；P-锚杆锚头对喷射混凝土板实际施加的轴向力(kN)；L一一混凝土板的计算宽度(m)；一一混凝土板的计算高度(m)。锚头处加强筋的设计计算如图5-22。图5-22为锚杆头与钢筋网和加强筋的连接。加强筋宽度取6-3d为喷射混凝土层厚)。加强筋上荷载取值为有纵横向暗梁时：仅有横向暗梁时：当加强钢筋在锚杆头纵横布设时，按双向板计算；当仅有水平加强筋时，按单向板计算。由于钢筋网一般只设一层，所以，板的嵌固条件可近似按双向四边简支和单向两端简支计。对于软弱土层，可根据场地条件设置竖向锚管，以增加喷锚平面的整体性和承受喷锚混凝土面层的重量。竖向锚管的计算为：竖向锚管的直径和间距分别宜取声108150mm和5001000mm。锚管伸入基坑底的深度h，如图5-23所示，按下式计算在竖向锚管上应加焊两道不小于2j516mm钢筋，与钢筋网和喷射混凝土形成整体。喷锚支护结构应验算不同施工阶段和使用阶段的整体稳定性、内部稳定性和抗隆起稳定性。2喷锚支护结构施工喷锚支护的施工应包括：基坑开挖、修坡、挂网(对于不稳定土层应先喷层砂浆后挂网，对基坑稳定土层可先挂网后喷第一层混凝土。对稳定土层可先成孔后挂网)、成孔、安放锚杆、注浆、焊锚、喷射混凝土(对基本稳定土层为二次喷射)、养护、预应力张拉等。喷射混凝土施工的详细要求可参看锚杆喷射混凝土技术规范(GBJ86-85)和喷射混凝土施工技术规程(YBJ226-91)进行。喷锚结构的施工监测内容应包括支护整体位移测量，临近基坑的地表，地物的变形，开裂状态的观察。有条件时还应对支护的工作状态全面监测，如用应变仪测量锚杆的应力，以及支护后的土层压力测量等。 第六章 基坑工程监测与信息化施工 第一节 概 述基坑工程监测是指在整个基坑开挖过程及运营阶段，对基坑岩土性状、支护结构变位和周围环境条件的变化进行各种观测工作，并将观测结果及时反馈以指导设计与施工。现场监测既是检验设计理论的正确性和发展设计理论的重要手段，又是及时指导正确施工，避免事故发生的必要措施。在基坑工程中它已成为一种信息技术。基坑工程技术有着先实践，后理论和地区性的特点，其设计计算理论和技术还很不成熟，每一种支护技术和设计计算方法都是以一定的假设条件(如地层参数、物理模型、边界条件等)为基础建立的。对于较复杂的大中型工程或周围环境恶劣的工程，往往缺少成熟的经验和确切的定量分析方法。由于对工程地质和周围环境调查不实或疏漏而导致困扰施工的可能性也是难以避免的。现在，国内外有经验的岩土工程师，都十分重视施工监测工作，其目的在于工程开工后凭借监测手段，对土体(或结构)的位移、应力、土中孔隙水压力和相邻结构物、管线的位移进行跟踪监测，及时发现施工中的问题，从而及时改进施工技术措施或调整设计，以取得良好的工程效果和保持周围环境的效果，同时为今后改进设计、施工提供实测数据。通过合理准确的施工监测信息，不仅可以进一步优化设计方案，指导施工，而且可以实时监测边坡的稳定状况。当边坡变形出现不稳定时，可以及时采取补救措施，以防止因基坑失稳而带来损失。基坑工程监测的主要目的是：(1)根据监测结构，发现可能发生危险的先兆，判断工程的安全性，防止工程事故和环境事故发生，采取必要的工程措施；(2)以工程监测的结果指导现场施工，确定和优化施工参数，进行信息化施工；(3)检验工程勘察资料的可靠性，验证设计理论和设计参数的正确性。在岩土工程监测时，除了应具备工程地质勘察资料外，还应对周围环境进行详细的调查，主要包括：相邻结构的型式；地下管线(包括上、下水管道、煤气管道、电缆等)的管径、埋深、接头构造、管材；相邻道路的路基、路面结构情况及载重量等。基坑工程的监测可参阅图6-1。对具体工程而言，监测工作的布置必须根据工程特点，施工方法，可能对环境带来的危害综合确定。当无地区经验时，可参考表6-1。根据设计，即可制订监测方案，进行监测设计。其基本内容有：工程概况，工程地质条件和周围环境情况，监测目的和内容，监测点的布置，监测的实施(包括仪器的选择、率定、埋设、测试及报表内容等)，报警数值及应急措施等。监测内容大致有：地表的竖向位移和水平位移；地层中的竖向位移和水平位移；土中的应力与孔隙水压力；相邻建筑物或地下管线的位移；作用在支挡结构上的侧压力及支挡结构本身的内力、变形、支撑轴力。监测范围：当基坑的长度和宽度之比较大时，应在基坑长度方向选择不少于两个断面进行测量，在每个断面上，其监测范围应根据位移影响范围的理论预测结果而定。如果难以以理论预测，监测范围可定为开挖深度的24倍。对于矩形基坑，应在两个方向上均布置监测断面。监测范围可根据工程性质、地质条件及周围环境具体确定。监测点布置：在现场监测中应合理确定监测范围及监测点的布置，埋设必要的仪器，获得数据以了解地层和地下结构中的应力场、位移场的实际变化规律，作为采取工程措施的依据。位移监测点应根据理论预测的分布规律来布置，变化越大的地方，测点应布置的越密。离基坑或地下结构越近，测点也应越密。土层中的水平位移、土压力、孔隙水压力测点，应在预测的基础上，结合实际工程需要来布置。应力场、位移场变化剧烈的地方，测点间距宜小些，例如1m左右；而在应力场、位移场变化较小的区域，测点可以稀疏一些，例如23m。基坑工程的监测应与施工过程密切配合，根据施工速度，监测结果的绝对数值及变化速率，调整监测的时间间隔，必要时要进行跟踪监测。应将监测结果及相应的施工活动、工况记录及时提供给施工管理人员。当监测数据超过警戒指标时，应不失时机地采取相应的技术措施。对重要而复杂的工程，应选择适当范围进行信息化施工。在施工监测中，运用反分析方法，优化后续施工。现场监测是基坑工程的重要组成部分，基坑工程必须进行现场监测。基坑工程的有关技术人员应准确了解和推断基坑开挖所引起各种影响的当前程度、变化规律和发展趋势，并及时在设计和施工上采取相应的防治措施。监测人员应严格实施现场监测方案，及时处理监测结果，并将监测结果及时向监理、设计和施工人员作信息反馈。监理、设计和施工人员应在现场监测结果的指导下及时采取相应措施。第二节 变形监测变形监测就是对设置在基坑影响范围内的观测点进行重复观测，以确定被观测点的变化情况。为监测深基坑程施n贡量与边坡的稳定性为验证有关基坑L：程设计理论与设计参数的准确性提供技术数据。由于变形雌测方法简单，测试精度较高。在实际工程中应用最广泛。对监测的成果，应及时进行计算平差及精度评定，重要的监测成果，还应进行变形分析，并根据变形趋势作出预报观测。监测成果一般应在工作结束后提交，也可根据需要提交阶段性成果资料。在施工监测中，如果发现变形异常，应及时提交变形警报资料。变形观测全部成果资料应包括如下内容：(1)技术设计书；(2)控制网和观测点平面布置图；(3)标石、标志规格及埋深图；(4)仪器设备检验资料；(5)观测记录；(6)平差计算，精度评定资料；(7)各种观测成果图表；(8)监测网和观测点稳定性分析资料；(9)技术报告书。一、基坑开挖回弹观测基坑开挖后，由于卸除了基坑底部以上土的自重荷载以及由于可压缩土层不排水蠕变等原因，会引起基坑底面的隆起(又称基底回弹)。为了测定其回弹量的大小，需要在基坑开挖前在坑底的各个部位埋设回弹观测标，并在基坑开挖前后分别测出回弹标的高差变化，这种高差变化的大小就是坑底因挖土方卸荷产生的回弹量。实践证明，这种基坑回弹现象不仅在深、大基坑内发生，而且在小、浅基坑中也会发生；不仅基坑内有，基坑外一定距离内也会受到不同程度的影响，而且在基坑开挖好后，回弹现象并不马上就停止，还要持续一段时间。较小基坑由于控制土方卸荷较小，一般可不考虑其影响。深、大基坑的回弹量大，对建筑物本身和邻近建筑物都有较大影响，因此需要进行基坑回弹观测，以确定其数值的大小。当建筑物建成后，坑底因挖土方所产生的回弹量，经建筑物上部的再压缩，就会变成基础的沉降量。因此回弹观测的目的之一就是通过实测基坑回弹量，用来估计今后地基可能产生的再压缩量，以改进基础设计；回弹观测另一方面可用来估计基坑开挖卸荷对邻近建(构)筑物的影响，以便及时采取保护措施。基坑回弹观测主要的问题是对精度要求较严，由于回弹量相对来说较小，如误差过大就会影响到观测数据的准确性。采用辅助测杆观测时，事先必须精确测定辅助测杆的长度和线膨胀系数，需进行温度修正。如采用钢尺垂测，在观测前后应对所有钢尺进行尺长检定。基坑回弹观测方法通常采用几何水准法，观测次数不少于3次：即第一次在基坑开挖之前；第二次在基坑开挖好之后；第三次在浇灌基础底板混凝土之前。1回弹观测点布设基坑回弹观测点的布设要与设计、施工、岩土工程等工程技术人员共同确定，应按基坑形状及地质条件，以最少的点数测出所需的各纵横断面回弹量为原则进行。可充分利用基坑回弹变形的近似对称性特点选择观测点。如在基坑中央、距坑底边缘约14坑底宽度处及其它变形特征位置必须设点；方形、圆形基坑可按单向对称布点；矩形基坑可按纵横向布点；复合矩形基坑可多向布点。地质情况复杂时，应适当增加点数。基坑外的观测点应选在基坑内观测点方向的延长线上一定距离(一般为基坑深度的1520倍)布置。当所选点遇到地下管道或其它构筑物时应避开，可将观测点移到与之对应方向线的空位上。在基坑外相对稳定和不受施工影响的地点，应选设工作基点(水准点)以及为寻找标志用的定位点。2回弹标规格及埋设回弹观测标如图6-2所示。其中I型回弹观测标有圆钢或圆管一段(其直径应小于护壁管内径)制成，长约20cm，上端中心加工成半球状，半径，一1520mm，另一端沿圆钢周边加工成楔形。埋设时与钻孔护壁管合用。型回弹观测标(钻杆送入式标志)，头部用圆钢(其直径应与钻杆相配合)一段，长约10cm，顶端加工成半球状(声一20mm，高25mm)，并用反丝扣方式与钻杆相接，尾部长400500mm的角钢(50mm50mm5mm)，上端焊在圆盘底部，一端削尖，圆盘声一100mm，厚18ram，用钢板加工而成。四部分应焊接成整体，埋设时与钻杆合用。型回弹观测标(直埋式标志)可用于深10m以内的基坑，直接用一段长约400mm，520mm524mm的圆钢或螺纹钢，上端加工成半球状，另一端锻尖即可，埋设时结合探井(直径不应大于1m)用。回弹观测标埋设时，一般采用钻孔埋设。如采用型回弹标时，先用127mm钻头打孔，孔壁要垂直，孔口与孔底中心点偏差不能超过5cm，保护管要下至钻孔底部。当钻孔深度达到设计坑底标高以下20cm时，提起钻杆，卸下钻头，换上回弹标，打入或压入土中，使回弹标顶部低于基坑底标高20cm左右，以防开挖基坑时被破坏。当回弹标在指定深度埋好后，即可拧动钻杆与回弹标头脱开(回弹标与钻杆为反丝扣)，提起钻杆后，即可进行高程测量，测量完毕，才能将套管拔出并回填钻孔。也可采用探井埋设，挖一口较小探井(7080cm)，井深达到基坑底部设计标高以下约10cm，将型回弹标直接打入井底土中，至其顶端低于基坑设计标高数厘米为止。回弹标高程测量完毕后，井内用白灰和素土回填。3回弹观测方法和要求回弹观测方法有：辅助测杆观测法、磁锤法和电磁探头观测法。(1)辅助测杆观测法将回弹标压入孔底后，提起保护套管约10cm，将其临时固定，并将事先准备好的辅助测杆(长度比孔深长约30cm，顶部安装一个圆气泡水准器)下至孔底，竖立在回弹标上，保持垂直(气泡居中)，再在辅助测杆上立水准尺进行高程测量。辅助测杆应在使用前各精确测定其长度一次。应找一陡壁处立杆，用精密水准测量杆底和杆顶两点高差，并需测定测杆的线膨胀系数，需要考虑温度变化的影响，如系探井埋设回弹标，应取井口和井底两个温度读数的平均数进行测杆长度的修正。施测时间最好在温度变化不大时进行。(2)磁锤法测量此法的成孔方法和回弹标的埋设方法均与辅助杆观测法相同。孔内重锤底面应设置磁铁块，使其凭借磁铁的吸力与回弹标紧密接触，用手缓慢提起重锤感觉接触情况。重锤是起垂直拉力的作用，当孔内重锤与回弹标接触良好时，应使重锤保持平衡；当用水准仪观测基准点与回弹标间的高差时，钢尺应保持垂直，并测量孔内温度；所用钢尺在观测前应进行尺长检定，特别是使用那一段的长度应精确测定，同时要考虑拉力、尺长、温度变化和钢尺自重的影响。采用探井埋设回弹标，则磁锤法可不用磁铁，而是用人下到井底监督重锤与回弹标的接触情况和测量井底温度。(3)电磁探头观测法观测装置与磁锤法相同，通电后探头产生磁力吸住回弹标顶，其力量超过孔外重锤的质量，因此钢尺被拉直。测量完毕，关电源前应先托住重锤，以免其猛然落地造成事故。无论采用哪种方法观测，每测三组读数为一测回，至少应测两个测回。测量精度要求各回弹点的高差中误差应小于。二、基坑开挖对周围环境变形观测基坑开挖过程中对周围环境(包括邻近建筑物和管线等)进行变形观测(监测)主要目的是：根据观测数据，及时调整开挖速度及位置，保护邻近建筑物及管线不因土体底面位移的过镀而遭破坏，以利工程顺利进行。基坑开挖日,周围管线的观测不同于其它项目的观测。基坑一经开挖，开挖面上就进入的过程。卸荷引起土体产生以向上为主的位移(即基坑底部的隆起)，同时在支护结构两侧土体内产生压力差，基坑内土体亦产生由边缘向中心的水平位移。同时支护结构的变形也使墙外侧体产生位移，带动管线位移。这种位移在施工过程中是连续进行的，所以必须对管线同时进行水平位移及垂直位移的变形观测。一般情况下，观测得到的位移数值，往往是相适应的，即水平位移指向基坑方向，垂直位移向下。在数值变化较大或发生异常时，除及时向有关施单位报警外，还应增加观测次数，同时应绘出位移曲线图，以利分析管线变形情况。1观测点布设通常基坑开挖时的影响范围约为开挖深度的1520倍。因此用于平面位移和高程位移的控制点，一般应设置在基坑边2530倍开挖深度的距离以外，以保证固定点在影响范围以外。平面控制点的后视方向宜更远一些为好。观测点没霞之前，要收集基坑周围的管线图，调查管线的走向、管线类型、管线埋深、管线材料、管线直径、管道每节长度、管壁厚度、管道接头形式和受力要求等，并查明距基坑的距离。要听取管线主管部门的意见，按照各类管线重要性来设置观测点。管线上观测点的数量，亦应听取管线主管部门的意见，如上水管道承插式接头的，一般应按23个节度没霞一个观测点。在不宜开挖的地方，亦可用于钢筋直接打入地下，其深度应与管底一致，作为观测标志。观测点均应加窨井以利保护。建筑物上的观测点，一般只作垂商位移观测，所用的标志与一般建筑物沉降观测相同。需观测的建筑物除了锘近基坑的一侧要设点观测外，在另一一侧亦设点观测，以作比较。2水观测力法观测水移的力太很多根据现场条件及观测仪器而定，常用的方法有方向线法(简称照准线法或视准线法)、二三角测砖法、导线测量法、前方交会法、小角度法等。下面介绍几种用测定一个疗向(即向基坑力向)位移的观测方法。(1)小角度法该方法适用1：观测点零乱。小在同一直线上的情况，如图63所示。在离基坑2倍开挖深度距离的地方，选设测站点4若测站点至观测点71的距离为S，则在不小于2S的范围之外，选设后视方向A7。为方便起见，一般可选用建筑物的棱边或避雷针等作为固定目标A7用级经纬仪测定p角。角度测量的测回数可根据距离S及观测点的精度要求而决定，一般用24测回测定。并丈量A至71点的距离。为保证J9角初始值的正确性，需要2次测定。每次测定卢角的变动量，按下式计算71的位移量。如果按卢角测定中误差为2，s为100m代入上式，则位移的中误差约为1mm。(2)视准线法适用于直线管线向基坑方向位移的观测。在基坑开挖深度2倍距离以上的管线延长线上，设置测站点，在另一方向上打一个固定目标作为后视方向，用带有刻划的读数觇牌，设置在观测点上，读取数值。一般用经纬仪正倒镜4次读数取中数，作为一次观测。初始值亦要测2次，以保证无误。以后每次观测读数值与初始值比较，求得平面位移量。(3)三角测量法角测量法就是把建筑物各变形观测点包括在三角网中。如图6-4。用三角测量的方法进行观测和差计算由不同时期对同点观测所得的坐标差值即可求的该点水平位移量。3垂直位移观测力法垂直位移观测方法，主要是