1.3 基坑工程

1 3基坑工程 深基坑的特点具有较大的风险具有很强的区域性具有很强的环境效应 我国深基坑工程存在的主要问题1 深基坑工程设计质量较低2 不必要的浪费3 不注重工程勘察4 缺乏地域性规范 规程及标准 1 3 1土方的边坡及其稳定 一 边坡的形式 T CT 土体下滑力受土体重力 坡上荷载 雨水 静水压力影响 二 边坡稳定的条件 C 土体抗剪力 由土质决定 受气候 含水量及动水压力影响 或者说土体的稳定条件是 在土体的重力及外部荷载作用下所产生的剪应力小于土体的抗剪强度 三 施工中如何防止边坡滑动 1 引起下滑力增加的原因 1 坡顶上堆物 行车等荷载 2 雨水或地面水渗入土中 3 地下水渗流 4 土体竖向裂缝中的积水 2 引起抗剪强度降低的原因 1 气候的影响使土质松软 2 土体内含水量增加而产生润滑作用 3 饱和的细砂 粉砂受振动而液化等 3 防止滑坡的措施 1 降低地下水 2 及时排除雨水 地面水 3 防止坡顶集中堆载和震动 四 施工中如何放坡 1 放坡的条件 场地足够大 周边环境简单 m 坡度系数 m B H 2 边坡形式 斜坡 折线坡 踏步 台阶 式 3 坡度规定 土质均 水位低 时间短 5m深以内 下表 i tg H B 1 B H 1 m 2 放边坡 1 边坡坡度 1 m 深度在5m内的基坑 基槽 管沟边坡的坡度 3 不放边坡 直壁 不加支撑 的允许深度 密实 中密的砂土和砂填碎石土 1 00m 硬塑 可塑的轻亚粘土及亚粘土 1 25m 硬塑 可塑的粘土和粘填碎石土 1 50m 坚硬的粘土 2m 五 边坡的护面措施 覆盖法 挂网法 挂网抹面法 土袋 砌砖压坡法 喷混凝土法 土钉墙 基坑边坡护面方法示意图 d 土袋或砌石压坡护面 c 钢丝网混凝土或钢筋混凝土护面 a 薄膜或砂浆覆盖 b 挂网或挂网抹砂浆护面 鲁能公建基坑土方施工1 开挖方案2 采取什么措施防止滑坡3 施工步骤 放线 排水 挖土 弃土 检查 1 3 2土壁支护 横撑式支撑a 间断式水平挡土板支撑 b 垂直挡土板支撑1 水平挡土板 2 立柱 3 工具式横撑 4 垂直挡土板 5 横楞木 6 调节螺丝 一 基槽 管沟支护1 支护形式横撑式土壁支撑 a b 直槽支撑形式 钢板桩 2 如何设计 传力途径 土压力 挡土板 立柱 横撑 3 如何施工 随挖 随铺 随撑 4 选型 断续式 深度3m内 连续式 深度5m内 2 垂直衬板式 构造 深度不限适用于 较窄且施工操作简单的管沟 基槽 1 水平衬板式 排水管沟支撑设计与施工 深3米 宽2米的排水管沟 在市中心区 土质为粘土 确定支撑形式和施工方案 确定基坑基槽如何开挖 1 鲁能公建 位于山坡 一层地下室 层高4 2m 土质为强风化板岩 2 外网中的雨水管沟 埋深1 5m 碎石土 3 深3米 宽2米的排水管沟 在市中心区 土质为粘土 4 万和购物广场基坑工程 深17 7m 碎石土和风化板岩 地下水较高 适用条件 周边有建筑物地下有管线地下有水两个功能 挡土止水支护类型 二 基坑支护 悬臂式 斜撑式 拉锚式 锚杆式 水平支撑式 悬臂式 构件大 重力式 施工简单 斜撑式 坑内有支撑位置 拉锚式 滑坡面外设锚桩 锚杆式 地面上有障碍物或基坑深度大 水平支撑式 基坑上下都有障碍物 土质很差 一 重力式支护结构 水泥搅拌桩 适用土质 淤泥质土 粘土 素填土 支挡高度 一般4 6m 最大7 8m 加固深度 12 18m 特点 无需支撑拉锚 施工简单 速度快 造价低 能挡土 挡水 什么是水泥搅拌桩 重力式 1 水泥土墙的结构形式 b 0 6 0 8H埋深hd 0 8 1 2H桩长L 1 8 2 2H 2 水泥土墙的构造要求 格栅布置置换率 0 6 0 8 搭接宽度 不宜小于150mm 加固措施 插筋 混凝土面板 加大嵌固深度 3 水泥土墙的设计 计算嵌固深度hd计算墙体厚度b稳定性验算 土压力计算 墙后主动土压力 墙前被动土压力 整体稳定 抗倾覆稳定 位移计算 2 整体稳定 整体稳定安全系数一般取1 2 1 5 3 抗倾覆稳定 抗倾覆安全系数 一般取1 3 1 5 4 抗滑移稳定 抗倾滑移定安全系数 取1 2 1 3 5 位移计算 4 水泥土墙的施工 1 主机 2 机架 3 灰浆拌制机 4 集料斗 5 灰浆泵 6 贮水池 7 冷却水泵 8 道轨 9 导向管 10 电缆 11 输浆管 12 水管 深层搅拌桩机 水泥土搅拌桩施工工艺 一次喷浆 二次搅拌 一次喷浆 二次搅拌 施工流程a 定位 b 预埋下沉 c 提升喷浆搅拌 d 重复下沉搅拌 e 重复提升搅拌 f 成桩 工程应用 工程概况 该工程为某水厂送水泵房吸水井和水泵室基坑工程 其外边缘尺寸分别为49 63 5 80米和56 45 12 50米 开挖深度自室外自然地面标高至坑底分别为6 30米和4 20米 吸水井与水泵室距离为4 00米 吸水井东面有DN1820和DN2220两条管道通过 西 北面为道路和临建 水泵室东 南 西面为空旷地 地质条件根据地质勘察报告 从室外地面自上而下可分为 回填土层 厚1 1 1 3米 松散状 粉质粘土层 厚0 9 1 1米 呈可塑 硬塑状态 淤泥层 厚1 2 1 8米 呈流塑状态 属高压缩性土层 中粗砂层 厚2 5 3 2米 主要成分为石英质中砂 粗砂组成 含少许砾石 间或夹淤泥或粘土薄层 局部地区相变为中砂 均匀性较差 淤泥层 厚2 5 6 6米 呈流塑状态 含有机质及大量贝壳碎屑 为超高压缩性土层 场内地下水位标高为室外自然地面标高下 2 400米 基坑支护方案选择在吸水井东西北三面采用水泥搅拌桩 水泵室东西南三面则进行放坡开挖 基坑支护方案经济性分析水泥土桩围护无须支撑 既能挡土又成为隔水帷幕 工程造价较低 施工工期短 稳定性好 适用于处理淤泥 淤泥质土 粉土和含水量较高且地基承载力标准值不大于120kPa的粘性土等地基基坑围护结构 水泥搅拌桩的设计深层搅拌水泥土桩设计 参照以往类似工程经验 充分考虑土体侧向压力及墙顶周围的施工荷载 按重力式挡墙进行设计并验算抗倾覆和侧向位移 二 板式支护结构 板式支护结构 挡墙系统和支撑系统 1 钢板桩 1 挡墙系统的形式 3 钻孔灌注桩 挡土灌注桩支护形式 a 间隔式 b 双排式 c 连续式1 挡土灌注桩 2 连系梁 圈梁 3 前排桩 4 后排桩 4 人工挖孔桩 人工挖孔挡土桩 2 支撑系统的形式 支撑 钢管 混凝土拉锚 钢筋 钢索 型钢 土层锚杆 3 板式支护结构计算 a 板桩下部走动 b 拉锚破坏 c 支撑破坏 d 拉锚长度不足 e 板桩失稳弯曲 f 板桩变形及桩背土体沉降 板桩设计的五大要素 板桩的入土深度板桩的支点反力拉锚的长度板桩的截面弯矩板桩位移 4 支护结构常用的几种形式 1 桩墙 锚杆支护结构 桩锚支护 适用条件 基坑深度大场地狭窄 不适用条件 无法施工锚杆锚杆施工困难缺点 造价高施工工艺 定位 钻孔 安放拉杆 注浆 张拉锚固 土层锚杆构造组成 锚头 拉杆 锚固体最上层锚杆覆土 4m锚杆倾角易为15 25 锚杆层数可设一层或多层锚杆垂直水平间距 2m 1 5m 9 10 某大厦挡土支护结构构造 某大厦挡土支护结构构造 适用条件 适用广 无法采用锚杆时 缺点 支撑设在基坑内 影响主体施工 支撑系统庞大 工程量大 造价高 2 桩墙 内支撑支护结构 桩墙 内支撑支护结构的施工 作用 形成复合体 提高稳定性 特点 施工简便 费用低 对邻近建筑物影响小 适用于 地下水位以上的杂填土 粘性土 非松散砂土 边坡坡度1 0 1左右 工艺过程 上层土钉完成 土钉定位 钻机定位 打孔 插筋 注浆 铺放 压固钢筋网 喷射混凝土 挖下层土 录象 3 土钉墙支护 喷锚支护 土钉墙构造 与喷锚支护区别 土钉墙坡度 1 0 1 砼面层 强度 C20 厚度 80mm 钢筋d 6 10mm 间距宜为150 300mm 土钉钢筋 直径16 32mm 钻孔直径宜为70 120mm 水平垂直间距1 0 1 5m 土钉长度0 6 1 2H 作用 防渗 挡土 地下室外墙的一部分 适用于 深基坑 土质差 地下水位高 邻近有建 构 筑物 优 缺点 刚度大 环保 造价高 施工难 施工工艺 挖槽 清底 下钢筋笼 钢筋连接 浇筑砼 4 地下连续墙 5 各种支护形式的优劣分析 场地条件 开阔与否开挖深度 深浅地质条件 好坏地下水位 高低多种方案可选的情况下 安全 经济 环境和工期等因素 6 确定基坑支护类型的原则 深基坑支护的工程实例 工程概况 本工程地处沈阳市繁华地段 地上26层 地下2层 基坑近似为65m 65m的正方形 基础的结构形式为筏板基础 电梯井部分基坑开挖深度14m 其余部分开挖深度11 30m 密集建筑群中深基坑支护技术 周边环境 1 基坑周边建筑物密集 东侧 南侧紧邻原办公楼 基坑支护边缘距墙体距离为2 7m 2 基坑周边原办公楼是20世纪50年代建的3层建筑物 独立柱基础 埋深仅为1 5 1 8m 且90年代初在原3层基础上改为现在的7层 3 基坑西侧距常德街7m 受过往车辆的动载荷影响 北侧距工商银行高层住宅楼和3层民宅12m 4 基坑周围管网错综复杂 渗漏点多 且场地内有一条东西走向的人防工程 洞内有国家安全局通讯光缆通过 因此对基坑支护的安全要求极高 5 场地地下水位埋深6 9 7 1m 且水量丰富 基坑最大开挖深度达14m 降水从 6 9m降至 14 5m 降水的幅度较大 所以降水对周围建筑物的影响特别是对原建筑的影响显得尤为重要 工程地质与水文地质概况 杂填土 主要由建筑垃圾 生活垃圾 炉灰 粘性土等组成 结构松散 厚0 5 1m 粉质粘土 黄褐色 可塑状态 上部局部呈硬可塑 含少量铁锰质结核 层位稳定 分布连续 厚3 5 3 6m 粗砂 黄褐色 长石 石英质 级配一般 分选较好 颗粒多呈圆形 亚圆形 粘粒含量低 局部含少量小砾石 稍湿 中密状态 厚1 5 2 7m 砾砂 黄褐色 长石 石英质 混粒结构 级配较好 颗粒多呈圆形 亚圆形 含卵砾石10 15 局部含有粘土夹层 场地地下水为第四纪孔隙潜水 赋存于砾砂 粗砂层中 水量丰富 地下水稳定水位埋深6 9 7 1m 渗透系数K 80m d 基坑支护与降水的设计与施工 表1各地层设计参数的选取表地层厚度 m重度 kN m 3 内摩擦角 粘聚力 kPa杂填土0 5 118 51015粉质粘土3 5 3 61915 4342 7粗砂1 5 2 719330砾砂2019 5380 基坑的设计安全等级与安全系数基坑设计安全等级为一级 基坑侧壁重要性系数 1 1 整体稳定性安全系数1 4 基坑的支护方案 1 根据场地工程地质条件 周边环境等情况综合考虑 基坑支护设计方案顶部1 5m范围采用1 0 3放坡并挂铁丝网喷射50 80mm厚C20混凝土支护 下部采用直径600mm钻孔压浆桩加1 2排锚杆联合支护 其中东侧 南侧布置2排锚杆 北侧 西侧布置1排锚杆 2 护坡桩中心距为1 1 1 2m 其中东侧 南侧中心距为1 1m 北测 西侧中心距为1 2m 钻孔压浆桩桩身采用C25无砂混凝土 主筋采用8 20 冠梁混凝土采用C20 锚杆采用DZ50地质钻杆 锚杆长度第一排为10m 第二排为11m 锚孔直径150mm 锚架采用2 20a 锚杆注浆采用纯水泥浆 水灰比0 45 0 60 3 桩间土采用挂铁丝网喷射混凝土支护 喷射厚度50mm 混凝土强度等级C20 基坑降水方案 1 采用管井法降水 降水井直径650mm 成井直径400mm 水位降深7 6m 渗透系数K 80m d 2 计算模型按潜水非完整井 基坑远离边界考虑 单井出水量1400m3 d 基坑总涌水量约116万m3 d 排水影响半径R 435m 需12眼降水井 单井过滤器进水长度14m 3 在基坑内及四周设计12眼降水管井 按20m间距均匀布设 设计井深 1 10号井为24m 基坑中间2眼 11 12号井 为28m 井壁管内径为400mm 过滤器结构为钢筋笼 外包竹板及2层40目尼龙网 钢筋笼纵筋8 12 横筋 12 250 滤管制成下井后 外填粒径6 8mm碎石或卵石滤料 基坑施工钻孔压浆桩施工工艺流程第一层土开挖1 5m 测放孔位 机具定位 螺旋钻机钻孔至孔底 水泥灰浆搅拌 边慢速提钻边压入灰浆 下入钢筋笼 投入碎石 成桩 土层锚杆施工工艺流程第二层土方开挖至锚杆孔口标高下0 5m 测定锚杆位置 锚杆机就位 钻孔 注水泥浆 养护 拉拔锁定 开挖下一层土方 喷射混凝土施工工艺流程清除坡面及桩间浮土 打入土钉挂钢丝网 喷射混凝土 工程概况 某工程地上30层 地下3层 地下开挖深度15m 局部达17m 南面有9层民宅为钻孔灌注桩基础 直径340 桩长为11m 13m 西面有多层饭店和民宅 为人工挖孔桩基础 桩长约15m 这些建筑物离基坑很近 东北面有市政道路 四周有市政给 排水 电缆等管线 工程实例1 地质条件 上部为冲击土 残积土 下部为沉积岩 水文条件 地下水位埋深为0 2m 1 4m之间 基坑支护方案选择 机械钻孔桩挡墙 桩径0 8米 桩长20米 人工挖孔桩挡墙 桩径1 4米 桩长20米 土钉墙 挖深15米左右 局部17米 基坑支护方案比较 选择土钉墙支护方案 某工程主体建筑为3栋22层的商用楼 高75 00m 裙楼6层 高29 00m 地下1层 总建筑面积约为68501m2 地下总建筑面积为8296m2 基坑占地面积约5000m2 平面形状近似矩形 如图所示 基坑周边实际最大开挖深度为4 3 5 0m 由于地下水丰富 因此应慎重考虑基坑的支护问题 西 南 东 市政管网 离基坑5米左右 北 工程实例2 支护设计参数表 基坑特点 基坑开挖面积较大周边环境复杂地质条件不均匀 基坑支护方案的选择 基坑开挖深度周边环境土层性质地区经验考虑安全 造价 工期 支护方案经济合理 支护方案1 北侧AB BC CD段选用土钉墙 支护方案2 东侧DE段选用桩墙 锚杆结构 支护方案3 西 南侧选用桩墙 锚杆结构 1 3 3降水 降水目的 1 确保边坡及支护的稳定与安全 2 确保施工时干槽作业 3 防止流沙 基底突涌等灾害 4 防止基础上浮 地下水存在的状态 流砂现象1 动水压力 地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力 使水流对土颗粒产生的一种压力 动水压力的大小与水力坡度成正比 方向同渗流方向 GD i w h L w2 流砂原因 3 流砂的防治减小动水压力 板桩等增加L 改变动水压力的方向 井点降水 当动水压力大于或等于土的浮重度 GD 时 土粒被水流带到基坑内 主要发生在细砂 粉砂 轻亚粘土 淤泥中 基底突涌1 产生原因 当基坑下有承压水存在 开挖基坑减小了含水层上覆不透水层的厚度 当它减少到一定程度时 承压水的水头压力能顶裂或冲毁基底 形成突涌 2 基底突涌的防治井点降水 降排水方法 1 集水井法 明排水法 适用条件 用于土质较好 水量不大 基坑可扩大者施工方法 挖至地下水位时 挖排水沟 设集水井 抽水 再挖 动画演示1 动画演示2 集水井降水施工过程 集水井降水构造要求 1 排水沟 沿基坑底四周设置 底宽 300mm 沟底低于坑底500mm 坡度1 2 集水井 沿基坑底边角设置 间距20 40m 直径0 6 0 8m 井底低于坑底1 2m 长期用 有护壁和碎石压底 3 水泵 离心泵 潜水泵 污水泵 一 普通明沟排水法 二 分层明沟排水法 井点降水原理示意图 2 井点降水法 dewateringbywell point 适用条件 粉质粘土 粉砂等土层 地下水位高 特点 避免流砂 防止突涌 可能引起周围地面和建筑物沉降 二 井点降水法 1 防止地下水涌入坑内 图a 2 防止边坡由于地下水的渗流而引起的塌方 图b 3 使坑底的土层消除了地下水位差引起的压力 因此防止了坑底的管涌 图c 4 降水后 使板桩减少了横向荷载 图d 5 消除了地下水的渗流 也就防止了流砂现象 图e 井点降水的作用 井点降水的类型及适用范围 3 轻型井点降水 1 降水原理 2 井点设备井管 38 51 长5 7m 常用6m 无缝钢管 丝扣连滤管 滤管 38 51 长1 1 5m 开孔 12 开孔率20 25 包滤网 总管 75 100无缝钢管 每节4m 每隔0 8 1或1 2m有一短接口 连接管 使用透明塑料管 胶管或钢管 宜有阀门 抽水设备 真空泵 1 设计的基础资料水文地质资料 含水层厚度 土质 土的渗透系数 不透水层位置等 工程性质 基坑形状 大小及深度 3 轻型井点设计 2 平面布置单排 图a 在沟槽上游一侧布置 每侧超出沟槽 B 用于沟槽宽度B 6m 降水深度 5m 双排 图b 在沟槽两侧布置 每侧超出沟槽 B 用于沟槽宽度B 6m 或土质不良 环形 图c 在基坑四周布置 用于面积较大的基坑 U形 图d 当土方施工机械需进出基坑时 3 高程布置 环状井点 井管埋深 H埋 H1 h iL H1 埋设面至坑底距离 h 降水后水位线至坑底最小距离 可取0 5 1m i 地下水降落坡度 环状1 10 L 井管至基坑中心距离 当H埋 6米时 降低埋设面采用二级井点 改用其它井点 环状井点平面及高程布置 3 高程布置 线状井点 井管埋深 H埋 H1 h iL H1 埋设面至坑底距离 h 降水后水位线至坑底最小距离 可取0 5 1m i 地下水降落坡度 线状1 5 L 井管至基槽另侧距离 当H埋 6米时 降低埋设面采用二级井点 改用其它井点 单排井点平面及高程布置 4 计算涌水量Q 判断井型 按照滤管是否到达不透水层完整井 到不透水非完整井 未到不透水层 按照滤管是否在承压水层承压井 无压井 无压完整井涌水量Q计算 环型井点 Q 1 366K 2H S S lgR lgX0 m3 d K 土层渗透系数 m d H 含水层厚度 m S 水位降低值 m S 水位标高 基底标高 0 5R 抽水影响半径 m R 1 95S HK 1 2 X0 环状井点系统的假想半径 m 当长宽比A B 5时 X0 F 1 2 否则分块计算涌水量再累加 F 井点系统所包围的面积 F 基坑长度 2 基坑宽度 2 无压非完整井涌水量Q计算 环型井点 以有效影响深度H0代替含水层厚度H用上式计算Q H0的确定方法 注意 1 当H0值超过H时 取H0 H 2 计算R时 也应以H0代入 Q 1 366K 2H0 S S lgR lgX0 S 井点管内水位降低深度l 滤管长度 承压完整井涌水量计算 Q 2 73KMS lgR lgX0 m3 d M 承压含水层厚度 m 5 确定井管的数量与间距 单井出水量 q 65 dlK1 3 m3 d d l 滤管直径 长度 m 最少井点数 n 1 1Q q 根 1 1 备用系数 最大井距 D L总管 n m 确定井距 取井距D 确定井点数 n L总管 D D 15d 符合总管的接头间距 地下泵房降水施工设计 某地下水泵房 基坑开挖后 基坑底宽8m 长12m 深4 5m 土层构造 自然地面以下1m为亚粘土 其下8m厚为细砂层 再下为不透水层 地下水位标高 1 5m 自然地面标高 0 00 1 m 1 0 5 实测K 5m d 施工时如何采取降水措施 并进行设计施工 确定降水方案根据规范 手册或经验决定采用 轻型井点降水方法 1 设计的基础资料K 5m d如右图所示 亚粘土 细砂 不透水层 0 000 1 500 4 500 1 000 8 000 1 m 1 0 5 8 000 12 000 2 平面布置 3 高程布置井管埋深 H埋 H1 h iL 4 5 0 5 1 10X 4 2 25 1 5 725mH1 埋设面至坑底距离 h 降水后水位线至坑底最小距离 一般可取0 5 1m i 地下水降落坡度 环状1 10 L 井管至基坑中心距离 选择井点管 滤管井点管 51 长6m 滤管 51 长1m 4 计算涌水量Q 无压非完整井 Q 1 366K 2H0 S S lgR lgX0 S 水位降低值 m S 3 0 5 3 5m R 抽水影响半径 m R 1 95S HK 1 2 1 95 3 5 7 5X5 1 2 42mX0 环状井点系统的假想半径 m X0 F 1 2 14 5 18 5 3 14 1 2 8 1mQ 1 366 5 2 7 5 3 5 3 5 lg42 lg8 1 385m3 d l 1ms 6 0 2 1 5 4 3mH0 1 85 s l 9 8m取H0 7 5m 7 5 5 确定井管的数量与间距 单井出水量 q 65 dlK1 3 65 3 14 0 051 1 51 3 17 8 m3 d 最少井点数 n 1 1Q q 1 1 385 17 8 24 根 最大井距 D L总管 n 66 24 2 75 m 确定井距 取井距D 2 0 m 取井距D 确定井点数 n L总管 D 66 2 0 33 根 确定总管 100 间隔2 0米设一个接头 D 15d