地下建筑基坑围护结构培训讲义

第12章基坑围护结构地下建筑结构杨志江yyteach@126.com中国矿业大学力建学院岩土工程研究所本章内容123概述基坑工程的设计内容自动化监测技术在深基坑工程的应用基坑围护结构内力计算基坑稳定性验算变形计算45612.1概述

不仅要能保证基坑的稳定性及坑内作业的安全、方便，而且要使坑底和坑外的土体位移控制在一定范围内，确保邻近建筑物及市政设施正常使用。

80年代末，成为城市建设的新趋势之一。在建筑物稠密的城市中心，深基坑的开挖成为岩土工程的一个重要课题。

基坑围护体系，是一个土体、支护结构相互共同作用的有机体，由于周围建筑物及地下管道等因素的制约，对支护结构的安全性有了更高的要求。12.1.1基坑围护结构的分类桩（墙）式围护体系组成围护墙结构支撑或锚杆结构防水帷幕钢筋混凝土地下连续墙根据围护墙材料柱列式钻孔灌注桩桩（墙）式围护体系重力式围护体系桩（墙）式围护体系钢板桩钢筋混凝土板桩内支撑体系根据支撑方式土层锚杆体系12.1.1基坑围护结构的分类地下连续墙

上海地铁新客站车站的长度为202米，净宽22.6米，基坑开挖深度12.4米，地下墙深为20.5米，壁厚65厘米，支撑采用直径580毫米钢支撑两道，分别设在-3.60米和-9.10米处，支撑水平间距3米。基坑施工时在墙外辅以轻型井点降水，车站结构分两层，上层为站厅，下层为站台，底板下设倒滤层，以减少底板反力。在基坑施工过程中，进行了原位量测，量测的内容有地下墙的侧压力、地下墙的变位、地下墙的内力、支撑轴力、基坑隆起、墙外地层变位及孔隙水压、底板反力及钢筋应力等。

延安东路隧道暗埋段106号地下墙基坑工程，平面呈Y型，地处闹市区，邻近建筑物离基坑最近的仅6.4米。基坑跨度20米，基坑开挖深度最深12米，地下墙深度20～22米，墙厚65厘米。基坑开挖时，采用4道支撑，分别设在-1.0米、-3.5米、-6.0米、-8.5米处。基坑开挖中，对墙体位移、支撑轴力和地表沉降监测，结果表明，第一道支撑轴力最小，第二道支撑轴力为640千牛，第三、四道支撑轴力为750千牛，墙体水平变位最大值为5厘米，约为开挖深度的0.5%，地表沉降最大值为1～2厘米，约为开挖深度的0.1～0.2%左右，安全系数高。12.1.1基坑围护结构的分类

钻孔灌注桩

钻孔灌注桩作为围护结构承受水土压力，是深基坑开挖常用的一种围护形式，根据不同的地质条件和开挖深度可做成悬臂式挡墙、单撑式挡墙、多层支撑式挡墙等。它的排列形式有一字形相接排列、间隔排列、交错相接排列、搭接排列、或是混合排列，常见的排列方式是一字板间隔排列，并在桩后采用水泥土搅拌桩、旋喷桩、树根桩等阻水。

这样的结构形式较为经济，阻水效果较好。大部分开挖深度在7～12米左右的深基坑，采用钻孔灌注桩挡土，水泥土搅拌桩阻水，普遍获得成功。12.1.1基坑围护结构的分类重力式围护体系

重力式围护体系一般是指不用支撑及锚杆的自立式墙体结构，厚度相对较大，主要借助其自重、墙底与地基之间的摩擦力以及墙体在开挖面以下收到的土体被动抗力来平衡墙后的水压力和维持边坡稳定。在基坑工程中，重力式围护体系的墙体在开挖面以下往往需要有一定的埋入深度。12.1.1基坑围护结构的分类重力式搅拌桩挡墙

在软粘土地基中开挖深度为5～7米左右的基坑，应用深层搅拌法形成的水泥土桩挡墙，可以较充分利用水泥土的强度，并可利用水泥土防渗性能，同时作为防渗帷幕。因此，具有较好的经济效益和社会效益。水泥土重力式挡墙一般做成格栅形式，按重力式挡墙计算。广泛用于开挖深度7米以内的深基坑围护结构、管道沟支护结构、河道支护结构、地下人行道等。80～90年代，水泥土搅拌桩支挡结构得到了广泛应用和进一步发展，已有数百项工程采用这一技术。由于施工时无振动、无噪音、无污染、开挖基坑一般不需要井点降水，也不需要支撑和拉锚，基坑内整洁干燥，有利文明施工。基坑周围地基变形小，对周围环境影响小，因此受到普遍欢迎。

12.1.1基坑围护结构的分类重力式搅拌桩挡墙1981年，宝钢纬三路P-5污水处理站是上海地区利用深层搅拌法作为挡土结构的先导。1983年，上海市人防科研所、同济大学地下工程系等单位在市科委的支持下，提出了“水泥土搅拌桩侧向支护应用技术研究”的课题，结合四平路地下车库深基坑开挖进行试验研究。

该基坑的实际开挖面积为86米×49米，开挖深度5.75米，局部深度6.75米。经过对水泥搅拌桩的物理力学特性、影响水泥土抗压强度的各种因素（水泥掺入比、水泥标号、龄期及养护条件等），对水泥土的无侧限抗压强度、抗剪强度、渗透系数等进行了试验研究，获得了许多第一手资料，经过实际开挖，顺利完成了研究任务。

得出结论为：在场地容许下，开挖深度不大于7.0米的基坑，在满足支护体和机械操作所需要的场地面积条件下，不论何种土质条件，只要精心设计（包括支护结构设计和材料配合比设计），严格施工，确保施工质量，采用水泥土搅拌桩进行边坡支护都是可以取得成功的。

12.1.2基坑围护结构设计的特点外力的不确定性

作用在支护结构上的外力往往随着环境条件、施工方法和施工步骤等因素的变化而变化变形的不确定性变形控制是支护结构设计的关键产生变形的原因

围护墙体的刚度支撑（或锚杆）体系的布置构件的截面特性地基土的性质地下水的变化潜蚀和管涌施工质量现场管理水平12.1.2基坑围护结结构设计的的特点土性的不确确定性地层分布的的非均质性性和土性的的变异性。。一些偶然变变化所引起起的不确定定因素施工场地内内土压力分分布的意外外变化、事事先没有掌掌握的地下下障碍物或或地下管线线的发现以以及周围环环境的改变变等等，这这些事前未未曾预料的的因素都会会影响基坑坑工程的正正常施工和和使用。12.2基坑工程的的设计内容容环境调查及及基坑安全全等级的确确定围护结构选选型围护结构设设计计算围护结构稳稳定性验算算节点设计井点降水土方开挖方方案监测要求建筑基坑围围护结构的的设计一般般包括以下下内容12.2.1环境调查及及基坑安全全等级的确确定工程水文地地质资料基坑工程围围护设计中中，首先应应根据基坑坑的深度、、地质条件以以及周边环环境条件确确定基坑的的安全等级级安全等级破坏结果一很严重二严重三不严重基坑围护结构设计所需要的基本资料场地环境条条件资料所建工程的的地下室结结构、基础础桩基图纸纸与施工条件件有关的资资料（如实实验资料））12.2.2围护结构的的选择和布布置工程规模围护墙体和支撑结构所用材料的型式及布置方式主体工程特特点场地条件环境保护要要求应根据岩土工程勘勘察资料土方开挖方方法地区工程经经验12.2.2围护结构的的选择和布布置基坑围护结结构的构件件（包括围围护墙、隔隔水帷幕和和锚杆）在在一般情况况下不应超超出工程用用地范围，，否则应事事先征得政政府主管部部门或相邻邻地块业主主的同意围护墙体和支撑结构的布置遵循的原则基坑围护结结构构件不不能影响主主体工程结结构构件的的正常施工工有条件时基基坑平面形形状尽可能能采用受力力性能较好好的圆形、、正多边形形和矩形12.2.3围护结构设设计计算通过设计计计算确定围围护结构构构件的内力力和变形，，据以验算算截面承载力力和基坑位移。计算模型的的假设条件必须符合支支护结构的的具体情况，所采用的的有关参数数应根据工工程的具体体条件和地地区的工作作经验确定定。由于支护结结构受力的的内力计算算和变形计计算随着施工的进展展而不断变化化，因此设设计计算必必须按不同同施工阶段的特征分别别进行验算算，同时应应考虑前一一种工况对对后面各种种工况内力力和变形的的影响。12.2.4围护结构稳定定性验算(1)基坑边坡总体体稳定性验算算(2)围护墙体抗倾倾覆稳定验算算(3)围护墙底面抗抗滑移验算(4)基坑围护墙前前抗隆起稳定定验算(5)抗竖向渗流验验算(6)基坑周围地面面沉降及其影影响范围的估估计12.2.5节点设计在基坑工程中中，经常发生生由于支护结结构局部节点点构造不合理理或由于施工工不注意而导导致基坑过大大变形，甚至至危及整体安安全，因此，，必须充分重重视节点设计计这一环节。。方便施工合理的节点构造应符合的条件节点构造与设设计计算模型型中的假设条条件一致节点构造应起起到防止构件件局部失稳的的作用尽可能减少节节点自身的变变形量与整体稳定相相关的节点应应设置多道防防线，同时要要有良好的节节点延性12.2.6其他土工问题题井点降水土方开挖监测12.3自动化监测技技术在深基坑坑工程的应用用随着我国现代代化建设的飞飞速发展，城城市地下空间间的开发利用用越来越多，，基坑设计和和施工水平也也得到了较大大的提高。鉴鉴于深基坑工工程的复杂性和不确定性,迄今为止深基基坑工程还没有成熟的理理论基础和合合理的计算模模式，复杂的地质质条件又给选选择支护结构构方案和合理理设计参数的的选择带来一一定的困难。。在目前深基坑坑工程中，施施工方案的不不合理性和施施工经验的不不足，是导致致深基坑工程程失效的重要要原因。岩土土工程量测已成为深深基坑施工中中必不可少的的手段。在深基坑工工程施工中,对基坑周边进进行监测是控控制施工进度度预防事故发发生的一个有有效手段。随随着岩土工程程信息化施工工的进一步应应用,监测方法将越越来越广泛地地得到重视。。就目前我们们所采用的监监测仪器和手手段来看,如果和国际上上目前较流行行的方法比较较,还存在自动化化程度不高的的缺点。12.3自动化监测技技术在深基坑坑工程的应用用手工操作,自动化程度不不高传统的人工测量方法的缺点主要体现在人为因素干扰扰大,监测数据的可可靠性难保证证受天气气候的的影响,如遇大风暴雨雨等恶劣环境境,监测可能受到到影响,有时甚至无法法进行无法实现1天24小时连续观测测无法实现实时时监测、实时时预报,当前所监测的的数据,需要拿回处理理之后,才能知道结果果12.3自动化监测技技术在深基坑坑工程的应用用基坑监测的目目的基坑开挖施工工是分层分段段进行的，通通过将施工监监测结果与预预估值作比较较，可验证原原开挖施工方方案的正确性性，或根据分分析结果调整整施工参数，，必要时采取取附加施工措措施，以达到到信息化施工的目的。(2)作为设计与施施工的重要补补充手段(1)为施工提供及及时的反馈信信息基坑工程设计计与施工方案案是设计人员员对实体进行行物理抽象，，采取数学分分析方法进行行定量预测计计算，加之以以长期工程实实践经验而确确定的，在很很大程度上反反映了基坑的的实际情况。。但由于各个个场地的地质质条件不同，，施工工艺和和周边环境存存在差异，具具体项目之间间千差万别，，设计计算未未曾计入各种种复杂因素，，因此必须依依据监测结果果进行局部修修改或完善。。12.3自动化监测技技术在深基坑坑工程的应用用基坑监测的目目的根据监测结果果来判断原施施工方案是否否安全和适当当，必要时对对其进行调整整，如减少日日出土量、改改变开挖顺序序或采取加固固排险措施等等，可以说说监测数据是是基坑提高施施工安全度的的至关重要的的定量化依据据。(4)积累经验以提提高基坑工程程设计和施工工水平(3)作为施工开挖挖方案修改的的依据就目前的技术术水平而言，，基坑工程程的设计和施施工，对通常常采用的力学学分析、数值值计算和室内内试验，总是是在不同程度度上对客观事事物进行了简简化或近似处处理，而现现场监测技术术则客观真实实地反映了工工程结构和环环境相互关系系。通过对监监测数据的分分析，可以为为今后积累相相关经验。12.3自动化监测技技术在深基坑坑工程的应用用基坑监测的目目的在建筑物和地地下管网密布布的城市内进进行基坑施工工，不可避免免地对周边环环境造成影响响，由此引起起的法律纠纷纷屡见不鲜，，一份完整整的监测报告告能为客观公公正解决这些些问题提供依依据（5）监测数据也也是解决法律律纠纷的有力力证据12.3自动化监测技技术在深基坑坑工程的应用用基坑监测的基基本内容针对基坑侧壁壁的安全等级级，不同规规范对基坑监监测项目有不不同的规定。。一般监测内内容由设计单单位根据具体体情况选定。基坑监测的基基本要求①监测工作必须须有计划地进行；②②监测数据必必须真实可靠和及时；③埋设在在结构中的监监测元件应尽尽量减少对结构正正常受力的影影响，埋设水土土压力检测元元件、测斜管管和分层沉降降管时应注意意回填土与岩岩石介质匹配配；④采取多种方法，实行多项内容的监测方案；；⑤预先设定定报警制度，报警值值包括变形和和内力深基坑坑安全监测技技术及其应用用12.4基坑围护结构构的内力计算算12.4.1围护结构的计计算模型及计计算原则基坑工程的计计算模型包括括:结构模型、水水土压力模型型、稳定性分分析模型等。。对于围护结构构的计算一般般采用考虑桩桩（墙）土共共同作用的弹性地基上的的杆系或框架架模型，根据施工过过程中发生的的实际工况分分步进行计算算，同时考虑虑施工工况引引起结构的先先期位移值以以及支撑变形形的影响或采采用荷载增量量法进行计算算，即所谓的的“先变形、、后支撑”的的原则。计算工况包括括开挖阶段到到内部结构回回筑阶段各工工况的内力组组合，最终的的位移及内力力值是各阶段段的累计值。。12.4基坑围护结构构的内力计算算12.4.2桩（墙）内力力的计算分析析方法弹性地基杆系系有限单元法法是当前基坑坑工程设计的的最常用方法法：（一）弹性地地基杆系有限限单元法1.结构理想化2.结构离散化3.挡土结构的节节点应满足变变形协调条件件4.单元所受荷载载和单元节点点位移之间的的关系5.根据静力平衡衡条件，作用用在结构节点点的外荷载必必须与单元内内荷载相平衡衡。12.4基坑围护结构构的内力计算算12.4.2桩（墙）内力力的计算分析析方法以往采用的古古典法以及山山肩邦男法、、弹性法等计计算方法不能有效地计计入基坑开挖挖时挡土结构构及支撑轴力力的变化过程程。（二）挡土结结构的有限元元分析有限单元法作作为一种计算算方法具有灵灵活、多样、、限制少、易易于模拟等优优点而在挡土土结构分析中中广为采用。。在使用有限元对挡土结构分分析时，可有效地计入入基坑开挖过过程中的多种种因素，例如作用在在挡土结构上上被动侧和主主动侧的水土土压力的变化化，支撑随开开挖深度的增增加其架设数数量的变化、、支撑架设前前的挡土结构构位移以及架架设后支撑轴轴力也会随后后次开挖过程程而逐渐得到到调整，支撑撑预加轴力对对挡土结构内内力变化的影影响，以及空空间作用下挡挡土结构的空空间效应问题题等。12.5基坑稳定性验验算整体失稳破坏坏基坑失稳的表现形式承载力不足导导致的破坏基底滑移破坏坏基底潜蚀、管管涌渗流支撑结构破坏坏被动土压力丧丧失12.4.1边坡稳定12.4.2基坑隆起稳定定12.4.3整体稳定性验验算12.4.4坑底抗渗流稳稳定性验算12.4.5承压水的影响响12.6.2抗倾覆、滑移移12.5基坑稳定性验验算边坡稳定由于设计不合合理坡度太陡陡，或雨水、、管道渗漏等等原因造成边边坡渗水导致致土体抗剪强强度降低，引引起基坑边土土体整体滑坡。12.5基坑稳定性验验算重力式挡土墙墙基坑的失稳稳模式1、由于墙体的的入土深度不不足，或由于于墙底存在软软弱土层，土土体抗剪强度度不够等原因因，导致墙体体随附近土体体整体滑移破坏。12.5基坑稳定性验验算2、由于基坑外外挤土施工如如坑外施工挤挤土桩或者坑坑外超载作用用如基坑边堆堆载、重型施施工机械行走走等引起墙后后土体压力增增加，导致墙墙体向坑内倾覆。重力式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算3、当坑内土体体强度较低或或坑外超载时时，导致墙底变形过大或整体刚刚性移动。重力式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算1、因为坑底土土体压缩模量量低，坑外超超载等原因，，致使围护墙墙踢脚产生很大的变形。内撑式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算2、在含水地层层（特别是有有砂层、粉砂砂层或者其他他透水性较好好的地层），，由于围护结结构的止水设施失效效，致使大量的的水夹带砂粒涌涌入基坑，严重的水土土流失会造成成支护还可能能先在墙后形形成空穴而后后突然发生地地面塌陷。内撑式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算3、由于基坑底底部土体的抗抗剪强度较低低，致使坑底底土体随围护护墙踢脚向坑坑内移动，产产生隆起破坏。内撑式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算4、在承压含水水层上覆隔水水层中开挖基基坑时，由于于设计不合理理或超挖，承承压含水层的的水头压力冲冲破基坑底部部土层，发生生坑底突涌破坏。内撑式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算5、在砂层或者者粉砂地层中中开挖基坑时时，降水设计计不合理或井井点降水失效效后导致水位位上升，产生生管涌，严重时会导导致基坑失稳稳。内撑式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算6、在超大基坑坑，特别是长长条形基坑（（如地铁站、、明挖法施工工隧道等）内内分区放坡挖挖土，由于放放坡较陡，降降雨或其他原原因导致滑坡，冲毁基坑内内先期施工的的支撑及立柱柱，导致基坑坑破坏。内撑式挡土墙墙基坑的失稳稳模式12.5基坑稳定性验验算1、由于围护墙墙插入深度不不够，或基坑坑底部超挖，，导致基坑踢脚破坏。拉锚基坑的失失稳模式12.5基坑稳定性验验算2、由于设计锚锚杆太短，锚锚杆和围护墙墙均在滑裂面面以内，与土土体一起呈整整体滑移，致致使基坑整体滑移破坏。拉锚基坑的失失稳模式12.5基坑稳定性验验算12.5.1边坡稳定砂性土考虑水力影响响粘性土条分法安全系数定义义：12.5基坑稳定性验验算12.5.2基坑隆起稳定定——圆弧滑动面假假设基本假设：1、滑动中心位位于最下道支支撑和墙的交交点；2、滑动面为过过墙底的圆弧弧；3、水平土压力力计算：12.5基坑稳定性验验算12.5.2基坑隆起稳定定——圆弧滑动面假假设滑动力矩：OAMG：OBCA：12.5基坑稳定性验验算12.5.2基坑隆起稳定定——圆弧滑动面假假设BCE与BEF重力矩平衡抵抵消。抗滑力矩：AM：ACE：12.5基坑稳定性验验算12.5.2基坑坑隆隆起起稳稳定定———圆弧弧滑滑动动面面假假设设BCE与BEF重力力矩矩平平衡衡抵抵消消。。抗滑滑力力矩矩：：EF：12.5基坑坑稳稳定定性性验验算算12.5.2基坑坑隆隆起起稳稳定定———圆弧弧滑滑动动面面假假设设滑动动力力矩矩：：抗滑滑力力矩矩：：12.5基坑坑稳稳定定性性验验算算12.5.2基坑坑隆隆起起稳稳定定———地基基承承载载力力假假设设Terzaghi-Peck法(粘性性土土)饱和和软软土土中中：：12.5基坑坑稳稳定定性性验验算算12.5.2基坑坑隆隆起起稳稳定定———地基基承承载载力力假假设设同济济大大学学法法(考虑虑c、φ)墙底底按按光光滑滑处处理理墙底底按按粗粗糙糙处处理理12.5基坑坑稳稳定定性性验验算算12.5.3抗倾倾覆覆12.5基坑坑稳稳定定性性验验算算12.5.4抗滑滑移移12.5基坑坑稳稳定定性性验验算算12.5.5基坑坑底底抗抗渗渗流流稳稳定定12.5基坑坑稳稳定定性性验验算算12.5.5基坑坑底底抗抗渗渗流流稳稳定定承压压水水头头稳稳定定性性pcz：坑坑底底至至含含水水层层顶顶板板土土自自重重pwy：含含水水层层水水头头压压力力12.6基坑坑变变形形计计算算12.6.1围护护墙墙体体变变形形围护护墙墙体体变变形形形形态态12.6基坑坑变变形形计计算算12.6.1围护护墙墙体体变变形形最大大变变形形点点的的位位置置12.6基坑坑变变形形计计算算12.6.2坑底底隆隆起起变变形形在开开挖挖深深度度不不大大时时，，坑坑底底为为弹性性隆起起，，其其特特征征为为坑坑底底中中部部隆隆起起最最高高，，当当开开挖挖达达到到一一定定深深度度且且基基坑坑较较宽宽时时，，出出现现塑性性隆起起，，隆隆起起量量也也逐逐渐渐由由中中部部最最大大转转变变为为两两边边大大中中间间小小的的形形式式，，但但对对于于较较窄窄的的基基坑坑或或长长条条形形基基坑坑，，仍仍是是中中间间大大，，两两边边小小分分布布。。12.6基坑坑变变形形计计算算12.6.2坑底底隆隆起起变变形形隆起起沿沿深深度度分分布布上海海地地铁铁2号线线杨杨高高南南路路车车站站基基坑坑实实测测。。12.6基坑坑变变形形计计算算12.6.3地表表沉沉降降三角角形形地地表表沉沉降降：主主要要发发生生在在悬悬臂臂开开挖挖或或围围护护结结构构变变形形较较大大的的情情况况下下：：凹槽槽形形地地表表沉沉降降：主主要要发发生生在在有有较较大大的的入入土土深深度度或或墙墙底底入入土土在在刚刚性性较较大大的的地地层层内内，，墙墙体体的的变变位位类类同同于于梁梁的的变变位位，，此此时时地地表表沉沉降降的的最最大大值值不不是是在在墙墙旁旁，，而而是是位位于于离离墙墙一一定定距距离离的的位位置置。。地表表沉沉降降影影响响范范围围：1~4开挖挖深深度度。。12.6基坑坑变变形形计计算算12.6.3地表表沉沉降降凹槽槽形形地地表表沉沉降降：最最大大沉