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深基坑工程 2012年11月 一 深基坑工程的定义二 深基坑工程在我国的发展三 深基坑工程的特点四 深基坑工程常用的主要支护形式1 土钉支护2 锚杆支护3 悬臂桩支护4 地下连续墙支护五 深基坑工程的失效模式与案例六 深基坑工程展望 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 一 深基坑工程的定义 二 深基坑工程在我国的发展 在我国 深基坑工程是最近20多年中迅速发展起来的一个领域 以前的几十年中 由于建筑物的高度不高 基础的埋置深度很浅 很少用地下室 基坑的开挖一般仅作为施工单位的施工措施 最多用钢板桩解决问题 没有专门的设计 也并没有引起工程界太多的关注 二 深基坑工程在我国的发展 按照发展的过程 近三十年来我国的深基坑工程大致经历了三个阶段 20世纪的80年代20世纪的90年代21世纪的这10余年 二 深基坑工程在我国的发展 第一阶段 20世纪80年代在一些大城市开始兴建高层建筑 深基坑工程问题逐渐出现 但那时多数是一层地下室 2 3层地下室比较少 主要的围护结构型式是水泥搅拌桩的重力式结构 对于比较深的基坑则采用排桩结构 如果有地下水 再加水泥搅拌桩止水帷幕 二 深基坑工程在我国的发展 那时 地下连续墙用得比较少 SMW工法正在进行开发研究 由于缺乏经验 深基坑的事故比较多 引起了社会和工程界的关注 开始研究深基坑工程的监测技术与数值计算 有一些技术指南 但还没有开始编制基坑工程的规范 二 深基坑工程在我国的发展 第二阶段 20世纪90年代总结经验 出现制定基坑规范的第一波 包括武汉 上海 深圳等地方规范和两本行业规范 一些地方政府建立深基坑方案的审查制度 开始出现超深 超大的深基坑工程 基坑面积达到2 3万平方米 深度达到20m左右 二 深基坑工程在我国的发展 复合式土钉墙在软土地区的浅基坑中推广使用 SMW工法开始推广使用 地下连续墙的大量采用 逆作法施工 支护结构与主体结构相结合的设计方法开始得到重视和运用 商业化的深基坑设计软件大量使用 内支撑出现了大直径圆环的形式和两道支撑合用围檩的方案 最大限度克服了支撑对施工的干扰 二 深基坑工程在我国的发展 第三阶段 进入新世纪以后在更多的城市中 大规模地兴建高层建筑和地下铁道 地下工程向更深部发展空间 出现了更深 更大的深基坑工程 基坑面积 如天津市117大厦9 6万平方米 上海虹桥综合交通枢纽35万平方米 开挖深度 如苏州东方之门22m 上海世博变电站34m 上海董家渡修复基坑41m 二 深基坑工程在我国的发展 新的设计 施工方法得到了推广应用 逆作法施工 支护结构与主体结构相结合的设计方法在更多的工程中推广应用 在我国 包括台北和香港 采用支护结构与主体结构相结合并用逆作法施工的深基坑工程已达100多项 二 深基坑工程在我国的发展 20多年来 由于高层建筑 地下空间的发展 深基坑工程的规模之大 深度之深 成为岩土工程中事故最为频繁的领域 给岩土工程界提出了许多技术难题 因此也是岩土工程中发展最为活跃的领域之一 成为岩土工程的技术热点和难点 二 深基坑工程在我国的发展 技术难点 1 土力学的强度 变形 渗透三大课题全部都出现 2 施工因素的影响既巨大而又具有非常的不确定性 3 各种破坏模式相互交叉 互为因果 设计计算模式的不清晰性 二 深基坑工程在我国的发展 热点 1 事故的频率高 灾害的涉及面宽 对社会的影响非常大 引起政府和社会的高度关注 2 工程费用占造价的比例高 业主对基坑工程的压价 方案不合理和安全度过低是高事故率的潜在因素 3 施工方过度追求高速度和低成本是高事故率的直接引发因素 深基坑的特点 基坑工程主要包括土方开挖和基坑支护 是一项综合性很强的系统工程 同时需要岩土工程和结构工程的专业知识 基坑工程一般具有下述特点 基坑支护体系是临时结构 安全储备较小 具有较大的风险性一般情况下 基坑支护是临时措施 地下室主体施工完成时支护体系即完成任务 与永久性结构相比 临时结构的安全储备要求可小一些 基坑支护体系安全储备较小 因此具有较大的风险性 基坑工程施工过程中应进行监测 并应有应急措施 在施工过程中一旦出现安全事故 需要及时对人员进行抢救 一旦造成安全事故容易发生群死群伤 三 深基坑工程的特点 深基坑的危险性 深基坑的特点 基坑工程的区域性及土压力特点岩土工程区域性强 岩土工程中的基坑工程区域性更强 同一城市不同区域也有差异 基坑工程的土方开挖 特别是支护体系设计与施工要因地制宜 根据本地情况进行 外地的经验可以借鉴 但不能简单搬用 例如廊坊银河新区项目地勘报告中存在大量的严重液化和中等液化区域 而据廊坊市质检站反应廊坊市其他区域还没有发现有土质液化现象 三 深基坑工程的特点 深基坑的特点 基坑工程的区域性及土压力特点基坑支护结构都要承受土压力的作用 基坑支护在考虑地下水对土压力的影响时 是采用水土压力分算 还是水土压力合算较符合实际情况 在学术界和工程界认识还不一致 各地对此制定的技术规范也有差异 结构承受的土压力一般介于主动土压力和静止土压力之间或介于被动土压力和静止土压力之间 目前土压力理论还很不完善 在考虑地下水对土压力的影响时 是采用水土压力分算 还是水土压力合算较符合实际情况 在学术界和工程界认识还不一致 各地对此制定的技术规范也有差异 三 深基坑工程的特点 深基坑的特点 基坑工程具有明显的环境效应基坑工程的土方开挖和支护体系设计与施工不仅与工程地质和水文地质条件有关 基坑开挖势必引起周围地基中地下水位的变化和应力场的改变 导致周围地基土体的变形 与基坑相邻建筑物 构筑物及市政地下管线的位置等变化 有时 保护相邻建 构 筑物和市政设施的安全是基坑工程设计与施工的关键 这就决定了基坑工程具有很强的个性 因此 对基坑工程进行分类 对基坑支护结构的允许变形规定统一标准都是比较困难的 三 深基坑工程的特点 三 深基坑工程的特点基坑工程安全等级划分标准 深基坑的特点 基坑工程综合性强 是系统工程基坑工程涉及土力学中稳定 变形和渗流三个基本问题 三者融溶在一起 需要综合处理 基坑工程主要包括土方开挖和基坑支护两部分 土方开挖的施工组织是否合理将对基坑支护能否成功可能会产生重要影响 不合理的土方开挖方式 步骤和速度可能导致支护结构过大的变形 甚至引起支护体系失稳 在施工过程中应加强监测 力求实行信息化施工 三 深基坑工程的特点 深基坑支护系统 深基坑的特点 基坑工程具有较强的时空效应土体是蠕变体 特别是软粘土具有较强的蠕变性 蠕变能使作用在支护结构上的土压力随时间增大 使土体强度降低 土坡稳定性变小 可见基坑工程具有很强的时间效应 同时 基坑的深度和平面形状对支护体系的稳定性和变形亦有较大影响 在基坑支护体系设计中要注意基坑工程的空间效应 三 深基坑工程的特点 三 深基坑工程的特点 考虑时空效应的支护形式 经过实践筛选 已形成了我国自己的支护结构体系 对于不同基坑深度和地质条件各有若干技术成熟 安全可靠 经济合理的类型可供选用 四 深基坑主要支护形式 四 深基坑主要支护形式 按照结构支护形式分类表 四 深基坑主要支护形式 根据以上支护形式分类可知 水泥土搅拌桩和土钉墙是我国目前量大面广的6m以内 乃至10m以内基坑首选的支护结构类型 前者既能挡土又能挡水 常用于沿海及南方地区 后者较多地用于地下水位低的北方地区 对于6 10m深的基坑 除采用水泥土搅拌桩或土钉墙外 常采用钻 冲 挖 孔桩 沉管桩或钢筋砼预制桩等 并可作密排 疏排等各种布置 如需防渗止水时 则辅之以水泥土搅拌桩 化学灌浆或高压喷射注浆而形成止水帷幕 有时亦用钢板桩或H型钢桩 当基坑深度 10m时 以地下连续墙 排桩板桩支护结构为主 并根据需要设置支撑 锚杆等 但北京地区已有少数10m以上深的基坑试验成功了土钉支护 土层锚杆支护在我国得到了广泛应用 从一层锚杆到四层锚杆 并且都施加了预应力 四 深基坑主要支护形式 下面我们重点讲解工程中最常用的四种支护形式 1 土钉支护2 锚杆支护3 悬臂桩支护4 地下连续墙支护 四 深基坑主要支护形式 1 土钉支护土钉支护亦称锚喷支护 就是逐层开挖基坑 逐层布置排列较密的土钉 钢筋 强化边坡土体 并在坡面铺设钢筋网 喷射混凝土 相应的支护体称为土钉墙 它由被加固的土体 放置在土体中的土钉与喷射混凝土面板三个紧密结合的部分组成 它的设置有打入法 旋入法 以及先钻孔 后置入 再灌浆三种方法 四 深基坑主要支护形式 洛阳铲 土钉机 二 深基坑主要支护形式 四 深基坑主要支护形式 廊坊项目四区已施工好土钉 四 深基坑主要支护形式 1 土钉支护土钉支护的特点 土钉与土体共同形成了一个复合体 合理的利用了土体的自承能力 结构轻柔 有良好的延性和抗震性 施工设备简单 施工占用场地少 工程造价低 经济效益好 容易实现动态设计和信息化施工 对周围环境的干扰小 四 深基坑主要支护形式 1 土钉支护土钉支护设计的几个要点 根据土钉墙结构尺寸和工程地质条件 进行土钉的主要参数设计 包括土钉长度 间距 布置 孔径和钢筋直径等 土钉支护的使用范围 用于地下水位以上或经人工降水措施后的杂填土 普通粘土或弱胶结的砂土的基坑支护或边坡加固 一般认为可用于标准贯入击数N值在5以上的砂质土与N值在3以上的粘性土 单独的土钉墙宜用于深度不大于12m的基坑支护或边坡维护 当土钉墙与放坡开挖 土层锚杆联合使用时 深度可以进一步加大 土钉支护不宜用于含水丰富的粉细砂岩 砂砾卵石层和淤泥质土 不得用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层 四 深基坑主要支护形式 1 土钉支护土钉墙计算简图 1 喷射混凝土面层 2 土钉 四 深基坑主要支护形式 1 土钉支护一般构造 土钉的长度一般为开挖深度的0 5 1 2倍 软土中为1 2倍 间距1 2m 土钉与面层必须有可靠的连接 墙面坡度不宜大于1 0 1 钢筋钉钻孔70 120mm 钢筋直径16 32mm 钢管钉一般用 48 3钢管 注浆材料 水泥浆或水泥砂浆 喷锚网厚度 80mm 混凝土不小于C20 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护定义 锚杆是一种新型受拉杆件 它的一端与工程结构物或挡土桩墙联结 另一端锚固在地基的土层或岩层中 以承受结构物的上托力 拉拔力 倾侧力或挡土墙的土压力 水压力 它是利用地层的锚固力来达到维持结构物稳定的 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护 锚杆支护 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护 锚杆支护 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护锚杆的构造 锚杆由锚头 锚筋和锚固体三部分组成 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护锚固体有三种基本类型 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护锚杆设计的几个要点 调查基坑及周边场地状况 确定工程的重要性等级 选取锚杆支护结构的安全系数 进行工程地质与水文地质调查 选取有关地层参数 设计计算 确定各层锚杆水平力 杆体轴力 锚固段长度 自由段长度 断面尺寸 计算连接锚杆锚头的腰梁的断面尺寸 核算桩 墙与锚杆的整体稳定 绘制锚杆施工图 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护锚杆支护的特点 使用锚杆拉结比坑内支撑 挖土拉锚方便 锚杆要有一定的覆盖深度 才能有一定的抗拔力 预应力锚杆能对挡土桩 墙的位移有较好的控制作用 相邻锚杆张拉后应力损失大 应再张拉调整 锚固段的长度应由计算确定 锚杆实际抗拔力应作试验后确定 四 深基坑主要支护形式 2 锚杆支护锚杆支护的适用范围 一般粘土 砂土地区皆可应用 软土 淤泥质土地区要试验后应用 主要是抗拔力低 地下水压力较大时应用高压射水钻杆钻孔 并应采用一些措施 防止涌水涌砂 与桩顶圈梁或围囹腰梁相比 可以节约资金 对灌注桩 H型钢桩 地下连续墙等挡土结构 都可配合应用锚杆拉结支护 四 深基坑主要支护形式 3 悬臂桩支护 定义 悬臂式 自立式 基坑支护是指单纯借助灌注桩 钢板桩 H型钢桩等自身刚度来承受土压力 水压力及上部荷载来求得基坑平衡与稳定的支护结构 不设内支撑 锚杆等 受力机理 悬臂式支护是由基坑底面以下插入深度内的被动土压力来平衡基坑底面以上所受的主动土压力 地面荷载等 从而使板桩 桩墙保持稳定 四 深基坑主要支护形式 3 悬臂桩支护 悬臂桩 悬臂桩 四 深基坑主要支护形式 3 悬臂桩支护 悬臂桩支护的特点 无须在基坑内设支撑 也不要桩顶锚拉及使用锚杆 挖土方便 基坑四周支护完成即可挖土 但灌注桩 疏排或密排 须等桩顶连结圈梁做完 方能挖土 根据受力机理 桩的插入深度是主要的 准确计算入土嵌固深度很重要 要计算悬臂桩的最大弯矩 因为 如用钢板桩 则需验算钢板强度 如用灌注桩 连续墙 则需按最大弯矩予以配筋 要核算桩顶的变形 便于检测 达到信息施工目的 四 深基坑主要支护形式 3 悬臂桩支护 悬臂桩支护的适用范围 各种土质皆可采用 但应计算结构是否稳妥合理 悬臂部分不能太深 即基坑很深时须采取支撑 锚拉 锚杆等措施 悬臂式桩的受力机理 四 深基坑主要支护形式 4 地下连续墙支护定义 地下连续墙是在基坑四周构筑的具有相当厚度 如800 1200mm 的钢筋混凝土封闭墙 它一般既是建筑物基础的外墙结构 也是基坑的临时维护墙 例如 北四环中关村附近主路支护结构都是地下连续墙 四 深基坑主要支护形式 4 地下连续墙支护工艺原理 开挖前必须先砌筑起基准作用 防止表面泥土坍落的导墙 利用大型挖抓或钻孔机械开筑单元槽段到预定深度 开挖时用配置好的泥浆护壁 单元槽段一般长4 8m 6m为标准槽段 最长达10m 吊装钢筋进入单元槽段的墙内 水下浇筑混凝土 拔出节点管 准备下一单元槽段施工 四 深基坑主要支护形式 4 地下连续墙支护施工工艺流程 四 深基坑主要支护形式 地连墙机械挖槽机 四 深基坑主要支护形式 导墙砌筑 泥浆池 四 深基坑主要支护形式 钢筋笼加工 钢筋笼吊装 四 深基坑主要支护形式 四 深基坑主要支护形式 4 地下连续墙支护地下连续墙支护的特点 地下连续墙止水性好 刚度大 既能承受垂直荷载 又能承受土压力 水压力的水平荷载 对相邻建筑物 构筑物的影响甚小 可以施工成任意形状 墙体深度易于控制 可建造刚度很大的墙体 使用机械设备较多 造价较贵 泥浆配制要求高 需建泥浆回收重复使用的系统 如将地下连续墙作为建筑基础结构墙体 可能反而能够适当降低造价 四 深基坑主要支护形式 4 地下连续墙支护地下连续墙适用范围 对土质的适应性强 基本适用于所有土质 特别在软土地质条件下更有利于施工 对相邻建筑物较近的工程 特别适宜用地下连续墙 施工时噪音及震动较低 适合于环境要求严格的地区施工 五 深基坑工程的失效模式与案例 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 整体失稳 五 深基坑工程的失效模式与案例 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 五 深基坑工程的失效模式与案例 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 五 深基坑工程的失效模式与案例 围护结构的结构性破坏 围护结构的结构性破坏 五 深基坑工程的失效模式与案例 五 深基坑工程的失效模式与案例 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 支 锚体系失稳破坏 五 深基坑工程的失效模式与案例 支 锚体系失稳破坏 五 深基坑工程的失效模式与案例 支 锚体系失稳破坏 五 深基坑工程的失效模式与案例 五 深基坑工程的失效模式与案例 基坑工程失效案例 五 深基坑工程的失效模式与案例 基坑工程失效案例 五 深基坑工程的失效模式与案例 基坑工程失效案例 五 深基坑工程的失效模式与案例 基坑工程失效案例 五 深基坑工程的失效模式与案例 基坑工程失效案例 五 深基坑工程的失效模式与案例 基坑工程失效案例 展望 基坑工程规模向更大 更深方向发展 基坑工程的发展反映在基坑工程本身的规模 支护体系设计理论的发展 施工技术和监测技术的进步等方面 深基坑工程中的 深 字已经在规模上反映了基坑工程的发展方向 随着高层和超高层建筑的发展和人们对地下空间的开发和