基坑围护结构

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基坑围护结构设计计的特点土性的不确定性地层分布的非均质质性和土性的变异异性。一些偶然变化所引引起的不确定因素素施工场地内土压力力分布的意外变化化、事先没有掌握握的地下障碍物或或地下管线的发现现以及周围环境的的改变等等，这些些事前未曾预料的的因素都会影响基基坑工程的正常施施工和使用。12.2基坑工程的设计内内容环境调查及基坑安安全等级的确定围护结构选型围护结构设计计算算围护结构稳定性验验算节点设计井点降水土方开挖方案监测要求建筑基坑围护结构构的设计一般包括括以下内容12.2.1环境调查及基坑安安全等级的确定工程水文地质资料料基坑工程围护设计计中，首先应根据据基坑的深度、地质条件以及周边边环境条件确定基基坑的安全等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件资料料所建工程的地下室室结构、基础桩基基图纸与施工条件有关的的资料（如实验资资料）12.2.2围护结构的选择和和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点场地条件环境保护要求应根据岩土工程勘察资料料土方开挖方法地区工程经验12.2.2围护结构的选择和和布置基坑围护结构的构构件（包括围护墙墙、隔水帷幕和锚锚杆）在一般情况况下不应超出工程程用地范围，否则则应事先征得政府府主管部门或相邻邻地块业主的同意意围护墙体和支撑结构的布置遵循的原则基坑围护结构构件件不能影响主体工工程结构构件的正正常施工有条件时基坑平面面形状尽可能采用用受力性能较好的的圆形、正多边形形和矩形12.2.3围护结构设计计算算通过设计计算确定定围护结构构件的的内力和变形，据据以验算截面承载力和基坑位移。计算模型的假设条件必须符合支护结构构的具体情况，所采用的有关参参数应根据工程的的具体条件和地区区的工作经验确定定。由于支护结构受力力的内力计算和变变形计算随着施工的进展而不断变化，因此此设计计算必须按按不同施工阶段的特征分别进行验验算，同时应考虑虑前一种工况对后后面各种工况内力力和变形的影响。。12.2.4围护结构稳定性验验算(1)基坑边坡总体稳定定性验算(2)围护墙体抗倾覆稳稳定验算(3)围护墙底面抗滑移移验算(4)基坑围护墙前抗隆隆起稳定验算(5)抗竖向渗流验算(6)基坑周围地面沉降降及其影响范围的的估计12.2.5节点设计在基坑工程中，经经常发生由于支护护结构局部节点构构造不合理或由于于施工不注意而导导致基坑过大变形形，甚至危及整体体安全，因此，必必须充分重视节点点设计这一环节。。方便施工合理的节点构造应符合的条件节点构造与设计计计算模型中的假设设条件一致节点构造应起到防防止构件局部失稳稳的作用尽可能减少节点自自身的变形量与整体稳定相关的的节点应设置多道道防线，同时要有有良好的节点延性性12.2.6其他土工问题井点降水土方开挖监测12.3自动化监测技术在在深基坑工程的应应用随着我国现代化建建设的飞速发展，，城市地下空间的的开发利用越来越越多，基坑设计和和施工水平也得到到了较大的提高。。鉴于深基坑工程程的复杂性和不确定性,迄今为止深基坑工工程还没有成熟的理论基基础和合理的计算算模式，复杂的地质条件件又给选择支护结结构方案和合理设设计参数的选择带带来一定的困难。。在目前深基坑工程程中，施工方案的的不合理性和施工工经验的不足，是是导致深基坑工程程失效的重要原因因。岩土工程量测已成为深基坑坑施工中必不可少少的手段。在深基坑工程施施工中,对基坑周边进行监监测是控制施工进进度预防事故发生生的一个有效手段段。随着岩土工程程信息化施工的进进一步应用,监测方法将越来越越广泛地得到重视视。就目前我们所所采用的监测仪器器和手段来看,如果和国际上目前前较流行的方法比比较,还存在自动化程度度不高的缺点。12.3自动化监测技术在在深基坑工程的应应用手工操作,自动化程度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大,监测数据的可靠性性难保证受天气气候的影响响,如遇大风暴雨等恶恶劣环境,监测可能受到影响响,有时甚至无法进行行无法实现1天24小时连续观测无法实现实时监测测、实时预报,当前所监测的数据据,需要拿回处理之后后,才能知道结果12.3自动化监测技术在在深基坑工程的应应用基坑监测的目的基坑开挖施工是分分层分段进行的，，通过将施工监测测结果与预估值作作比较，可验证原原开挖施工方案的的正确性，或根据据分析结果调整施施工参数，必要时时采取附加施工措措施，以达到信息化施工的目的。(2)作为设计与施工的的重要补充手段(1)为施工提供及时的的反馈信息基坑工程设计与施施工方案是设计人人员对实体进行物物理抽象，采取数数学分析方法进行行定量预测计算，，加之以长期工程程实践经验而确定定的，在很大程度度上反映了基坑的的实际情况。但由由于各个场地的地地质条件不同，施施工工艺和周边环环境存在差异，具具体项目之间千差差万别，设计计算算未曾计入各种复复杂因素，因此必必须依据监测结果果进行局部修改或或完善。12.3自动化监测技术在在深基坑工程的应应用基坑监测的目的根据监测结果来判判断原施工方案是是否安全和适当，，必要时对其进行行调整，如减少日日出土量、改变开开挖顺序或采取加加固排险措施等，，可以说监测数数据是基坑提高施施工安全度的至关关重要的定量化依依据。(4)积累经验以提高基基坑工程设计和施施工水平(3)作为施工开挖方案案修改的依据就目前的技术水平平而言，基坑工工程的设计和施工工，对通常采用的的力学分析、数值值计算和室内试验验，总是在不同程程度上对客观事物物进行了简化或近近似处理，而现现场监测技术则客客观真实地反映了了工程结构和环境境相互关系。通过过对监测数据的分分析，可以为今后后积累相关经验。。12.3自动化监测技术在在深基坑工程的应应用基坑监测的目的在建筑物和地下管管网密布的城市内内进行基坑施工，，不可避免地对周周边环境造成影响响，由此引起的法法律纠纷屡见不鲜鲜，一份完整的的监测报告能为客客观公正解决这些些问题提供依据（5）监测数据也是解解决法律纠纷的有有力证据12.3自动化监测技术在在深基坑工程的应应用基坑监测的基本内内容针对基坑侧壁的安安全等级，不同同规范对基坑监测测项目有不同的规规定。一般监测内内容由设计单位根根据具体情况选定定。基坑监测的基本要要求①监测工作必须有计划地进行；②监测测数据必须真实可靠和及时；③埋设在结构构中的监测元件应应尽量减少对结构正常受受力的影响，埋设水土压力力检测元件、测斜斜管和分层沉降管管时应注意回填土土与岩石介质匹配配；④采取多种方法，实行多项内容的监测方方案；⑤⑤预先设设定报警制度，报报警值包包括变形形和内力力深基坑坑安全监监测技术术及其应应用12.4基坑围护护结构的的内力计计算12.4.1围护结构构的计算算模型及及计算原原则基坑工程程的计算算模型包包括:结构模型型、水土土压力模模型、稳稳定性分分析模型型等。对于围护护结构的的计算一一般采用用考虑桩桩（墙））土共同同作用的的弹性地基基上的杆杆系或框框架模型型，根据施施工过程程中发生生的实际际工况分分步进行行计算，，同时考考虑施工工工况引引起结构构的先期期位移值值以及支支撑变形形的影响响或采用用荷载增增量法进进行计算算，即所所谓的““先变形形、后支支撑”的的原则。。计算工况况包括开开挖阶段段到内部部结构回回筑阶段段各工况况的内力力组合，，最终的的位移及及内力值值是各阶阶段的累累计值。。12.4基坑围护护结构的的内力计计算12.4.2桩（墙））内力的的计算分分析方法法弹性地基基杆系有有限单元元法是当当前基坑坑工程设设计的最最常用方方法：（一）弹弹性地基基杆系有有限单元元法1.结构理想想化2.结构离散散化3.挡土结构构的节点点应满足足变形协协调条件件4.单元所受受荷载和和单元节节点位移移之间的的关系5.根据静力力平衡条条件，作作用在结结构节点点的外荷荷载必须须与单元元内荷载载相平衡衡。12.4基坑围护护结构的的内力计计算12.4.2桩（墙））内力的的计算分分析方法法以往采用用的古典典法以及及山肩邦邦男法、、弹性法法等计算算方法不能有效效地计入入基坑开开挖时挡挡土结构构及支撑撑轴力的的变化过过程。（二）挡挡土结构构的有限限元分析析有限单元元法作为为一种计计算方法法具有灵灵活、多多样、限限制少、、易于模模拟等优优点而在在挡土结结构分析析中广为为采用。。在使用有限元对挡土结结构分析析时，可有效地地计入基基坑开挖挖过程中中的多种种因素，例如作作用在挡挡土结构构上被动动侧和主主动侧的的水土压压力的变变化，支支撑随开开挖深度度的增加加其架设设数量的的变化、、支撑架架设前的的挡土结结构位移移以及架架设后支支撑轴力力也会随随后次开开挖过程程而逐渐渐得到调调整，支支撑预加加轴力对对挡土结结构内力力变化的的影响，，以及空空间作用用下挡土土结构的的空间效效应问题题等。12.5基坑稳定定性验算算整体失稳稳破坏基坑失稳的表现形式承载力不不足导致致的破坏坏基底滑移移破坏基底潜蚀蚀、管涌涌渗流支撑结构构破坏被动土压压力丧失失12.4.1边坡稳定定12.4.2基坑隆起起稳定12.4.3整体稳定定性验算算12.4.4坑底抗渗渗流稳定定性验算算12.4.5承压水的的影响12.6.2抗倾覆、、滑移12.5基坑稳定定性验算算边坡稳定定由于设计计不合理理坡度太太陡，或或雨水、、管道渗渗漏等原原因造成成边坡渗渗水导致致土体抗抗剪强度度降低，，引起基基坑边土土体整体滑坡坡。12.5基坑稳定定性验算算重力式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式1、由于墙墙体的入入土深度度不足，，或由于于墙底存存在软弱弱土层，，土体抗抗剪强度度不够等等原因，，导致墙墙体随附附近土体体整体滑移移破坏。12.5基坑稳定定性验算算2、由于基基坑外挤挤土施工工如坑外外施工挤挤土桩或或者坑外外超载作作用如基基坑边堆堆载、重重型施工工机械行行走等引引起墙后后土体压压力增加加，导致致墙体向向坑内倾覆。重力式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算3、当坑内内土体强强度较低低或坑外外超载时时，导致致墙底变形形过大或整整体刚性性移动。重力式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算1、因为坑坑底土体体压缩模模量低，，坑外超超载等原原因，致致使围护护墙踢脚产生很大大的变形。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算2、在含水水地层（（特别是是有砂层层、粉砂砂层或者者其他透透水性较较好的地地层），，由于围围护结构构的止水设施施失效，致使大大量的水夹带砂砂粒涌入入基坑，严重的的水土流流失会造造成支护护还可能能先在墙墙后形成成空穴而而后突然然发生地地面塌陷陷。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算3、由于基基坑底部部土体的的抗剪强强度较低低，致使使坑底土土体随围围护墙踢踢脚向坑坑内移动动，产生生隆起破坏。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算4、在承压压含水层层上覆隔隔水层中中开挖基基坑时，，由于设设计不合合理或超超挖，承承压含水水层的水水头压力力冲破基基坑底部部土层，，发生坑坑底突涌破坏。内撑式挡挡土墙基基坑的失失稳模式式12.5基坑稳定定性验算算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：EF：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：抗滑力矩：12.5基坑稳定性验验算12.5.2基坑隆起稳定定——地基承载力假假设Terzaghi-Peck法(粘性土)饱和软土中：：12.5基坑稳定性验验算12.5.2基坑隆起稳定定——地基承载力假假设同济大学法(考虑c、φ)墙底按光滑处处理墙底按粗糙处处理12.5基坑稳定性验验算12.5.3抗倾覆12.5基坑稳定性验验算12.5.4抗滑移12.5基坑稳定性验验算12.5.5基坑底抗渗流流稳定12.5基坑稳定性验验算12.5.5基坑底抗渗流流稳定承压水头稳定定性pcz：坑底至含水水层顶板土自自重pwy：含水层水头头压力12.6基坑变形计算算12.6.1围护墙体变形形围护墙体变形形形态12.6基坑变形计算算12.6.1围护墙体变形形最大变形点的的位置12.6基坑变形计算算12.6.2坑底隆起变形形在开挖深度不不大时，坑底底为弹性隆起，其特征征为坑底中部部隆起最高，，当开挖达到到一定深度且且基坑较宽时时，出现塑性隆起，隆起量量也逐渐由中中部最大转变变为两边大中中间小的形式式，但对于较较窄的基坑或或长条形基坑坑，仍是中间间大，两边小小分布。12.6基坑变形计算算12.6.2坑底隆起变形形隆起沿深度分分布上海地铁2号线杨高南路路车站基坑实实测。12.6基坑变形计算算12.6.3地表沉降三角