深基坑工程(高大钊).ppt

1、深基坑工程,同济大学 高大钊 2008年3月,内 容,深基坑工程在我国的发展 逆作法与冻结法的应用 基坑工程的失效模式与案例 深基坑工程方案设计,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。,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

2、。,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；,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。,通过20多年的工程实践和业内人士的努力，学术研究和工程研发非常活跃，在深基坑工程领域中，取得了很大的进展，主要表现为下面几个方面：,1. 设计思想的更新 2. 施工技术的发展

3、 3. 设计方法的进步 4. 管理制度的建立 5. 标准化工作的开展,深基坑工程领域的进展,设计思想的更新,1.深基坑工程的设计是一个相对独立的设计项目或设计阶段； 2.深基坑工程设计包括方案设计和施工图设计两个阶段，方案设计阶段的工作是决定性的环节。基坑工程设计的条件很大程度上取决于施工，基坑工程设计与施工组织设计的关系异常密切，在方案设计时必须统一考虑；,3.深基坑工程设计不仅要满足地下室施工空间和安全的要求，而更重要的是必须满足保护环境的要求； 4.深基坑工程设计应满足强度和变形两种极限状态，在许多情况下，由于环境条件的限制，满足变形控制的要求比满足强度和稳定性的要求更为严格，基坑工程的

4、成败经常取决于变形控制。,5.地下水是控制基坑工程性状的重要条件，水压力占作用于围护结构侧向压力的重要部分，地下水的动水压力和渗透破坏常常是基坑工程失效的主要原因，地下水影响是基坑工程设计中不确定性最大、控制最困难的问题。,施工技术的进步,这里讲的是综合性的施工技术，施工技术的进步带动设计、检测等方法的进步。 逆作法 冻结法 SMW工法,设计方法的进步,1. 符合两墙合一使用要求的设计方法 “两墙合一”是指围护结构同时作为地下主体结构一部分，即围护结构墙与地下室外墙合一。“两墙合一”是充分发挥地下连续墙承载作用的一种设计思路，具有很大的经济意义，是地下连续墙作为围护结构的发展方向，正在一些重要

5、的工程中采用。采取两墙合一设计的基坑工程，在设计方法上不同于一般的围护结构设计，对于承载、防渗、结构连接都提出了非常高的要求，推动了基坑工程围护结构设计方法的发展。,2. 深基坑工程数值计算方法的发展 作用于柔性结构上的土压力实际上是结构与土共同作用的响应，采用有限元方法在原理上可以解决这类问题的计算，在实现中还有各种困难需要进一步去解决，20多年来深基坑工程的数值解计算方法得到了长足的进步。,3. 计算软件及商业化开发研究 深基坑工程的设计计算的内容和要求日益提高，已经必须依靠计算机才能实现深基坑工程设计的计算工作要求。于是，计算程序的开发研究有了很大的发展，形成了一些商业化的计算软件。 但

6、计算软件只能作为一种工具和手段，garbage in to，garbage out. 正确的方法应当是计算加工程判断。不能盲目地依赖计算软件。,上海力学学会举行的一次深基坑工程计算软件考核,开挖深度为15m的3层地下室基坑 采用1000mm厚的地下连续墙 三道钢筋混凝土支撑 支撑的尺寸、位置平面布置都统一规定 土层的设计参数和地面荷载也都统一规定,管理制度的建立,许多主要的城市都先后建立了不同形式的机构，规定了深基坑工程的设计方案必须经过评审，这一制度的建立为深基坑工程走向健康的发展提供了制度的保证。,标准化工作的开展,20年来，在总结工程经验的基础上，许多城市编制了地方的深基坑工程技术规范，

7、二本全国性的深基坑工程技术的行业标准，初步确立了我国深基坑工程的标准化体系，给深基坑工程的设计和施工有章可循，有法可依。 第二轮的规范修编工作正在开展，总结十余年来的经验。,逆作法与冻结法的应用,深基坑工程的逆作法,逆作法是地上和地下同时施工的方法，又称为逆筑法。逆作法利用先施工的地下连续墙和中间支承柱承受荷载，从地面逐层下挖并从上到下地完成地下室的梁板、楼面工程，利用上一层的楼板结构作为下一层开挖时的支撑，逐层交替开挖与浇筑楼板结构；与此同时，逐层向上建造上部结构，使地面上和地下可同时进行施工。因此，可以缩短工期，降低造价，是一种合理的建筑方法，具有明显的经济效益。,1935年日本首次提出逆

8、作法施工的概念，经历了60余年的研究与工程实践，目前已应用于高层建筑的多层地下室、大型地下商场、地下车库、地铁、隧道和大型变电站及污水处理池等构筑物。 国际上采用逆作法建造的地下建筑：最大的是东京八重洲地下街，共层，建筑面积万m2；最深的地下街是莫斯科切尔坦沃住宅小区地下街，深达70100m;最高的地下综合体是德国慕尼黑卡尔斯广场综合体，共层。,1994年日本新建的高层建筑中，地下结构有18.2%采用逆作法施工。 19651989年，德国慕尼黑地铁共建57座地铁车站中，20座采用逆作法施工。 我国在最近10余年来，在北京、上海、辽宁、深圳、广州等地推广了逆作法施工技术，有60多项工程项目的地下

9、结构采用了逆作法施工。,逆作法施工的基本概念图示,1. 缩短工程施工的总工期 2. 基坑变形小，相邻建筑物的沉降小 3. 可节省地下室外墙及外墙下工程桩费用 4. 使底板设计趋向合理 5. 可节省支撑费用 6. 可最大限度利用红线内的地下空间,逆作法的特点,缩短工程施工的总工期,带多层地下室的高层建筑，如采用传统方法施工，其总工期为地下结构的工期加地上结构的工期，再加装修等所占的工期。,采用逆作法施工，一般情况下只有地下一层占绝对工期，其他各层地下室可与地上结构同时施工，不占绝对工期，因此可以縮短工程的总工期。,地下一层,地下地上同时施工,装修,日本读买新闻社大楼，地上层，地下层，用封闭式逆作

10、法施工，总工期只用了月，比传统施工方法縮短工期个月。 法国巴黎拉弗埃特百货大楼，层地下室，用逆作法施工，工期縮短1/3。 广州新中国大厦，地上层，地下层，平均开挖深度，采用逆作法施工，工期縮短个月。,基坑变形小，相邻建筑物的沉降小,采用逆作法施工，是利用逐层浇筑的地下室结构作为围护结构的内支撑。与临时支撑相比，地下结构的刚度大得多，所以，围护结构的变形小得多，相邻建筑物的变形也小得多。 同时，由于中间支承柱的存在，底板增加了支点，浇筑后的底板成为多跨的连续板结构，减少了隆起。,德意志联邦银行大楼用逆作法施工；而联邦德国国家银行总部大楼的深度相同，用地下连续墙加五层土锚的传统方法施工。两者的比较

11、如下：,逆作法有七个“小”的特点,墙前水平位移小； 墙后沉降小； 坑底隆起小； 差异变形小； 楼板应力小； 土压力小； 墙体应力小。,可节省地下室外墙及外墙下工程桩费用,多层地下室采用常规的支护结构，包括锚杆与内支撑，都需要围护桩或围护墙，锚杆或内支撑，花费的工程费用很可观。 采用逆作法施工，要求围护墙也能发挥永久性结构的承重作用，材料得到充分的利用，节省了地下室外墙与外墙下工程桩的费用，据分析可以节省地下室工程造价的1/3左右。,顺作法施工,逆作法施工,使底板设计趋向合理,钢筋混凝土底板要满足抗浮要求。用传统方法施工时，底板的支点少，跨度大，上浮力产生的弯矩大，有时为了满足施工时的抗浮要求，

12、而需要加大底板的厚度，或增强底板的配筋。 用逆作法施工时，底板的支点增多，跨度小，弯矩比较小，底板的设计可以更为合理。,可节省支撑费用,深度大的多层地下室，用传统方法施工时，为了减少支护结构的变形，需要设置强大的内支撑或锚杆，消耗大量的材料，费用相当可观。 用逆作法施工，利用地下室的梁板系统来支撑围护结构，可以不设置临时的支、锚体系，节省材料，不需要拆撑，縮短工期，避免污染环境。,可最大限度利用红线内的地下空间,多层地下室采用传统方法施工时，在地下室外墙与红线之间必须留有支护结构截面尺寸和施工操作面所必要的距离，縮小了地下室的建筑面积。 采用逆作法施工时，在满足室外管线或构筑物布置的前提下，作

13、为地下室外墙的地下连续墙可以紧靠建筑红线。,逆作法施工的一些代表性工程,上海寥创兴金融中心 上海仲盛商业中心 广州新中国大厦 上海世博500kV地下变电站,上海寥创兴金融中心,主楼37层，裙房3层，5层地下室，基坑平均开挖深度22.4m，地下室每层面积4000m2。,地下连续墙厚度1000mm，深度35m。 地下连续墙与中柱桩之间，中柱桩之间的差异变形不超过20mm和1/400柱距，使楼板不致产生裂缝。 墙体侧斜孔的最大位移20.0134.59mm之间。 地下连续墙顶的水平位移很微小而没有测到。 地下连续墙顶的竖向位移6.115.4mm之间。,地下连续墙后的土体水平位移18.8421.65mm

14、之间。 支撑轴力和楼板应力均控制在设计允许范围以内。 支撑轴力86kN392kN之间。 楼板应力2.01kN5.41kN之间。 中柱桩的隆起变形13.5mm29.9mm之间。,上海仲盛商业中心,地上五层，地下三层。 基坑面积50000m2，开挖深度13.5m。,中心岛顺作，三级放坡，周边环板一层逆作； 地下连续墙两墙合一； 基坑外侧采用卸土放坡；,广州新中国大厦,地上13层，地下5层，开挖深度19m， 工程占地7343m2。 地下连续墙厚度800mm，深度25m。 布置了6个深度为22的降水井。 采用逆作法，工期比顺作法减少11个月。,上海世博500kV地下变电站,上海世博500kV地下变电站

15、，开挖深度34m，基坑面积13000m2，地下结构外墙外壁直径130m。 采用地下连续墙两墙合一，地下连续墙厚度1200mm，结构梁板代替水平支撑，环形临时支撑，逆作法施工。,上海市的逆作法工法简介(YJGF02-96),1.工法特点 2.工艺原理 3.适用范围 4.施工工艺 5.质量标准 6.机械设备 7.施工安全 8.工程实例及效益分析,工法特点,利用柱下桩和地下连续墙作为逆作法施工期间承受地上、地下结构荷载和施工荷载的构件，利用地下室楼板作为基坑施工的支撑。 首层楼板结构完成以后，在楼板下挖土，采用土模承重法浇筑下一层楼板。 循环采用上述方法继续施工。,工艺原理,先沿建筑物周围施工地下墙

16、，在建筑物内部按柱网轴线施工柱下支承桩。 然后进行地下首层施工，完成后同时施工地下、地上结构。 待大底板完成后，再进行复合柱、复合墙的施工。,施工工艺（要点）,按设计图纸要求，埋设地下结构相关节点的钢板及连接钢筋；暴露节点后按设计要求清理、焊接。 结构沉降差控制，对地下连续墙底部和柱下桩的底部进行注浆； 根据静载荷试验曲线，计算各工况的沉降，得出在极限沉降差范围内的上部结构可能施工的层数； 进行沉降观测，拟合荷载沉降关系，预测施工过程中的沉降差，控制施工。,冻结法施工,利用人工制冷技术，使土层中的水结冰将天然土变成冻土以增加其强度和稳定性，冻结加固均匀完整，形成一道冻土墙，不仅可以承受水土压力

17、和基坑开挖过程中的各种施工荷载，而且可作为一道防水性很好的止水帷幕，发挥围护结构的作用，在冻土墙的保护下进行地下结构的施工。冻结法施工在采矿工程中已经得到了广泛的应用，进行了大量的试验研究，积累了丰富的经验。但用于深基坑工程则是近几年的发展。,人工冻结法的应用开始于19世纪。1883年，德国阿尔里德煤矿井筒施工中首次应用冻结法并获得成功。 1886年，瑞典24长的人行隧道建设工程中，首先将冻结法应用于城市土木工程。 100多年来，人工冻结法在各种工程建设中得到了应用，解决了许多困难的施工问题。,德国多塞道夫中心火车站附近，扩展的地铁要经过居民建筑和闹市街道，隧道顶部离建筑物基础只有很小顶距离，

18、在三段40m长的隧道施工中成功地采用了人工冻结法。 日本名古屋建造地下输电隧道时，在两个隧道地连接处，成功地应用了人工冻结法技术。,70年代，北京地铁建设时首次采用人工冻结法，冻结段长90m，深度28m。 1975年，沈阳地铁号井采用冻结法施工，井筒直接7m，冻结深度51m。 1992年、1998年上海地铁施工中成功采用冻结法施工技术，现在已经成为成熟的施工方法，用以区间隧道的修筑旁通道。 1997年北京复八线采用冻结法加固隧道顶部土层。,冻结技术用于基坑工程的可行性取决于设计要求、现场及工程项目的限制条件。其中，地质条件和水文条件是评价冻结法可行性的两个重要因素。当地下水流速小于1.5m/d

19、时采用冻结法是可行而且是经济的；水质、水温是决定冻结法费用的重要因素，对于含盐量高的土，冻结成本会提高。冻胀可能引起地层移动，但并非人们想象的那么大，这在上海和北京的地铁应用冻结法施工中已有证实，可以通过速冻和泄压等方法减少冻胀量。,润杨大桥南锚碇,润杨大桥南汊桥采用跨径1490m双塔单跨双铰钢箱梁悬索桥。根6.8105kN的拉力通过锚碇及重力嵌岩基础传至地基。 基岩为风化花岗岩，全风化层和强风化层分布不均匀，场地地下水位1.82.2m，区域赋存第四系孔隙微承压及基岩裂隙微承压两大含水层组。,南锚碇冻结排桩围护体系是以含水地层冻结形成的冻结帷幕为基坑的封水结构，以排桩及内支撑体系为抵抗水土压力

20、的承力结构，形成了新的围护技术，较好地解决了基坑围护结构的嵌岩及封水问题。 锚碇的平面尺寸70.552.5m，基坑开挖到基岩，深度29m，采用钻孔排桩挡土，1.3m厚的冻土薄壁隔水，“排桩冻结法”。 排桩直径1.5m，中心距1.7m，桩长35m，嵌岩6m。,冻结帷幕布置在外侧，采用单排冻结孔冻结封水，与排桩插花布置，冻结孔深40m，冻结帷幕入岩11m。 先浇排桩结构，再在外侧冻土。为了降低冻胀力对排桩结构的不利影响，在冻结帷幕外设置288个直径25cm的卸压孔。开挖过程中，实测冻胀力0.0907MPa衰减到0.0576MPa。从04冻胀力增加到幅度最大，低于4以后变化很小。,北京复八线地铁,区

21、间隧道施工时，拱顶遇到饱和含水的粉细砂层，此段隧道地处格贸立交桥下，又有多条地下管线，为了确保地下管线和地面交通的安全运行，采用隧道内水平冻结法施工，水平距离45m。 设计冻结壁厚1.2m，平均温度-10C，冻结粉细砂持久抗压强度6MPa，抗弯强度2.5MPa。,基坑工程的失效模式与案例,深基坑工程的技术要求与类型 失效的若干案例 地下连续墙的垮塌 拱圈围护结构的垮塌 引水渠道基坑开挖边坡失稳 土钉墙的垮塌 基坑工程的失效模式,深基坑工程的技术要求,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

22、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。,对深基坑工程的技术要求包括： 一 深基坑工程的功能要求 1. 挡土功能 为地下室施工创造安全的施工面 2. 止水功能 为地下室施工创造干燥的施工面 3. 作为地下结构外墙的使用功能 地下室施工结束后成为地下室的结构外墙,二 环境保护与处理相邻关系的要求 1. 控制围护结构位移和坑底隆起对环境的影响 通过减小变形保护相邻建筑物 2. 控制降低地下水位对环境的影响 减少坑外地下水位的变化 3. 控制土锚对相邻场地的影响 保护相邻场地的地下资源的使用权,深基坑围护结构的类型,按

23、功能划分 按围护结构刚度划分 按围护结构保持稳定方式划分 按围护结构的施工工艺与材料划分,按功能划分,按围护结构功能划分为临时性结构和兼有永久性结构功能（两墙合一）两类。 临时性围护结构的功能比较单一，设计时只要满足施工围护结构的挡土、止水和环境保护的要求； 永久性结构除了满足上述施工围护结构的要求外，还应满足作为永久性结构的许多要求，例如传力、协调变形、防渗等要求。同时还要处理与地下室梁、板、柱的连接构造，对围护结构的变形也有更严格的要求。,按围护结构刚度划分,按围护结构材料本身的传力特性可以分为刚性结构和柔性结构两类。 刚性结构围护体材料的抗拉强度很低，一般不考虑承受弯矩，其变形的特点主要

24、是平移和转动，当发生挠曲变形时很容易出现开裂； 柔性结构围护体材料能承受较大的弯矩和拉应力，因此可以容许发生较大的挠曲而结构不出现裂缝。,按围护结构保持稳定方式划分,自立式围护结构可以不依靠支撑或锚杆的传力作用而保持其平衡，按照保持稳定的机制可以分为重力式和悬臂式两类。重力式围护结构依靠自身的重力所形成的稳定力矩和摩阻力来抵抗土压力所引起的倾覆和滑移；悬臂式则依靠插入深度范围内土的嵌固作用维持稳定。 支锚式围护结构则需要依靠内支撑或土锚才能保持围护结构的稳定。,重力式围护结构,悬臂式围护结构,土锚或拉锚,内支撑体系,按围护结构施工工艺与材料划分,按围护结构的施工工艺与材料划分可分为以水泥稳定土

25、为材料的水泥搅拌桩，以钢为材料的钢板桩和以钢筋混凝土为材料的钻孔灌注桩、地下连续墙或钢筋混凝土板桩。,围护结构的受力性能与材料密切有关。用水泥搅拌桩做成的坝体是刚性的、自立式的。用钢材或钢筋混凝土制成的围护结构是柔性的，一般需要采用支锚体系来维持其稳定。但钢筋混凝土地下连续墙也可以做成如图所示的重力式围护结构；水泥搅拌桩可以加劲性的型钢成为柔性的围护结构（SMW工法），也可以用作柔性的排桩式围护结构的止水帷幕。,基坑工程失效案例,地下连续墙的垮塌,基坑面积2600m2，周边长度260m，开挖深度12.35m，采用600mm厚、24m深的地下连续墙，设四道支撑，第一道钢筋混凝土支撑，其余为609

26、mm的钢管支撑,几点教训,设计：荷载用标准值，抗力用设计值，设计表达式两端不匹配，降低了安全度。钢支撑直接支承在与其斜交的地下连续墙上，没有用围檩，更无平衡剪力垛。 施工：未按设计图纸的要求施工，包括超挖、不及时支撑，坑底没有加固。,监测：没有及时发现险情，没有发出警报。 管理：邻近工程的负责人发现问题，向这个项目的经理提出忠告，但项目经理却置若罔闻，没有引起警觉。事故发生前晚，已发现预兆，但没有及时采取工程措施抢险。,拱圈围护结构的垮塌,拱圈逆作法,拱圈逆作法的主要问题,大面积的建筑基坑平面受力状态不同于圆拱的受力条件； 从上而下修筑的栏墙没有插入深度，对于敞开开挖的施工条件，会发生从底部涌

27、入坑内的塑性流动； 止水措施不足以阻止地下水从坑外向坑内流动。,引水渠道基坑开挖边坡失稳,4孔箱涵，单孔尺寸为3.25m3.60m，总长75m 地面标高4.24.7m，设计基坑底面标高5.33m，开挖深度近10m 按三级放坡，从上至下依次为1:1.5 、 1:2 和1:3，变坡处留1.0m宽的马道 二级轻型井点降水 采用水冲法施工，泥浆沉淀池设置在基坑顶部南北两侧，距基坑外缘12m15m,10m高的土坡滑动,滑坡发生在挖到基坑底面，浇筑垫层后，正在绑扎箱涵的钢筋时 没有进行任何的位移观测，因此没有发现滑坡的预兆，突发性的事故 塌入基坑中的土方5000立方米，泥面涌高6m 第一级井点向基坑中移动

28、13m,事故分析,1. 10m的高差形成的压力差超过了软土的承载能力； 2. 由于坡面非常平缓，滑动的形式是深层滑动，以中点圆的形式破坏；,3. 卸载引起负的孔隙水压力，产生强度较高的假象，随着负压的消散，土的抗剪强度降低，滑坡并不发生的开挖的同时，而滞后一定的时间； 4. 没有进行监测的教训。,土钉墙的垮塌,阳角处土钉墙的破坏,钢支撑围护结构的失稳,不同类型围护结构接头处及深、浅坑之间支档墙的失稳,基坑工程的失效模式,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

29、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,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。,坑底隆起,坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形。基坑开挖以后，坑底向上位移的原因有两种，一是卸载引起的回弹，其数值较小；另一种是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的塑性变形，这种变形如果数量较大，表示土体中的塑流已经比较严重，如果围护结构和内支撑能形成整体性好的体系，则塑流仅引起坑外地面下沉，影响环境安全；如果是自立式结构或节点强度

30、差的支撑体系，隆起可能是整体失稳的前兆；如果稳定性不能得到有效的控制，就会发生整体性失稳。,围护结构倾覆失稳,围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或悬臂式围护结构，重力式结构在坑外主动土压力的作用下，围护结构绕其下部的某点转动，围护结构的顶部向坑内倾倒。抵抗倾覆失稳的力矩主要由围护结构自身的重力形成，坑底的被动抗力也是构成抵抗力矩的因素。关于转动中心的位置有不同的看法，传统的方法是将转动中心放在围护结构的前趾，但也有认为绕前趾上面或下面的某一点转动比较合理，特别的软土地区由于基底土比较软弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。,围护结构滑移失稳,围护结构的滑移失稳亦主要发生在重力式结构中，在坑外主

31、动土压力的作用下，围护结构向坑内平移。抵抗滑移的阻力主要由围护体底面的摩阻力以及内侧的被动土压力构成。当坑底土软弱或围护结构底部的地基土软化时，墙体发生滑移失稳。,围护结构底部地基承载力失稳,重力式围护结构的底面压力过大，地基承载力不足引起的失稳。由于在围护结构的外侧还作用着土压力，因此其合力是倾斜的。在倾斜荷载作用下，地基土发生向坑内的挤出，围护结构产生不均匀的沉降，可能导致部分围护结构的开裂损坏。,“踢脚”失稳,在单支撑的基坑中，可能发生挠支撑点转动，围护结构上部向坑外倾倒，围护结构的下部向上翻的失稳模式，故形象地称为“踢脚”失稳。在多支撑的围护结构中一般不会产生踢脚失稳，除非其它支撑都已

32、失效，只有一道支撑起作用的情况。,止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏,止水帷幕丧失挡水功能，产生渗漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，导致邻近建筑物的开裂和损坏。引起围护结构止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是设计因素和材料的因素。由于施工质量低劣，止水帷幕有空洞或裂缝，成为漏水的通道是最普遍的现象；止水帷幕设计过短，没有全部切断透水层也是漏水的可能原因。,由于止水帷幕失效产生过大的水力坡降引起坑底渗透变形破坏。坑内采用排水或降水措施后，造成了坑内外的水头差，地下水在水头差的作用下向坑内渗流，在渗流出口处土的细颗粒被带出，或土颗粒处于悬浮状态涌出。这种由渗透引起的

33、破坏因破坏机理不同而有不同的名称，如管涌、流砂或流土。如不及时制止，由渗透变形引起的坑外土体的位移和陷落是严重的。,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。,支、锚体系失稳破坏,支锚体系的失稳破坏包括两种

34、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。,深基坑工程方案设计,方案设计与施工图设计,深基坑工程设计一般分为总体方案设计和施工图设计两个阶段，总体方案设计的任务是根据主体工程的性质和对地下室的使用要求、场地工程地质和水文地质条件、相邻环境对基坑施工的制约程度等因素，选择合适的围护结构与支撑体系、协调基坑工程与主体工程的关系、控制环境质量，为施工图设

35、计和基坑施工组织计划提供控制性方案。,基坑工程方案设计,1）确定开挖方案，包括地下水的处理方案； 2）选择围护结构的类型； 3）选用土层锚杆或内支撑，选择支撑材料； 4）对土层锚杆或内支撑进行平面和竖向布置，包括围檩和立柱的布置；,5）进行各项稳定验算和结构内力计算以确定围护结构、支撑、围檩或锚杆的材料强度和截面尺寸，确定是否需要加固坑底；进行降水的控制性计算； 6）进行变形验算以检验是否满足环境要求； 7）对施工方案提出要求； 8）进行多方案的技术经济比较，优选方案。,基坑围护设计的依据,深大基坑的设计是一项综合性的设计工作，它与上部结构（包括地下室）设计、工程地质勘察、地下室施工方案以及周

36、围的自然环境、工程环境和社会环境都有密切的关系，因此，在基坑工程设计时必须具备下列几个方面的资料：,基坑工程设计必需的资料,主体结构设计图纸 工程勘察报告 环境调查资料 基坑周边地区建筑物情况 基坑周边地区市政设施情况 基坑周边地区道路情况 基坑工程施工条件,方案设计讨论及案例,开挖方案的选择 选择围护结构的类型 支锚体系的选择 支撑的平面布置 支撑和锚杆的竖向布置 立柱的设置 降水,开挖方案选择,放坡开挖 无支撑开挖 重力式挡墙 悬臂式挡墙 锚固式挡墙 有支撑的开挖 组合型的开挖方案,放坡开挖,放坡开挖的直接费用最少，而且为主体工程创造了比较宽敞的施工作业空间，因而工作面宽，工期也比较短，如

37、果场地条件允许，放坡开挖应该是首选的方案。制约采用放坡开挖的因素主要是周围场地和开挖深度的限制。放坡需要占用比较大的场地，在城市或建成区往往没有这个条件。,如整体稳定性允许，可以采用放坡开挖方案时。但有时受场地的限制，只能取用较陡的坡度；如坡面的稳定性不能得到保证时，则可采用喷锚支护或土钉墙的方案。喷锚支护和土钉墙从受力机理上讲不同于无支撑的自立式挡墙，而是属于坡面加固处理的一种方法，通过加强土体共同受力的方式来保持坡面的稳定性，属于自承支护体系。如果坑底土质比较差，整体稳定性不足，则喷锚支护和土钉墙的方案就不能采用。,无支撑开挖,当不能采用放坡开挖方案时，必须选用围护结构以支承坑外的土体。在

38、可能的条件下应尽可能采用无支撑开挖的方案，因为这种方案能提供比较开阔的坑内施工条件，便于挖土、运土以及地下室的施工；同时，也比较经济。,重力式挡墙,重力式挡墙是依靠自身的重力维持其稳定的围护结构，由于可以采用价格比较低廉的水泥土等材料制作，是一种比较经济的方案。在开挖深度不大（如软土地区不大于67m），环境对位移的要求可允许有50mm左右的条件下是首选方案，但重力式挡墙的宽度比较大，在地下室外墙与红线之间的距离过小时就很难放得下宽度较大的重力式挡墙。,悬臂式挡墙,悬臂式挡墙是依靠自身的刚度和强度就能维持其稳定的围护结构，由于围护结构承受比较大的弯矩，需要采用钢筋混凝土材料。当重力式挡墙因场地宽

39、度不够而不能采用时，悬臂式挡墙就能克服这个缺点，可以在1.52m的狭窄范围内安置悬臂式挡墙。但悬臂式挡墙的位移比较大，难以满足周边环境的严格要求，同时在开挖深度较大时墙身弯矩很大，因此适用的开挖深度也不深；使用条件不当时可能产生围护结构损坏或严重影响环境的事故。,锚固式挡墙,锚固式挡墙是依靠锚杆传递的拉力来维持其稳定的围护结构，对于深基坑可以采用多道锚杆来平衡土压力，因而可以适用于开挖得很深的基坑。锚固式挡墙分为拉锚式和土层锚杆式两种，拉锚常用于钢板桩顶部的锚固，或作为辅助的锚固措施；土层锚杆要求具有比较好的地质条件，同时还必须有足够开阔的场地条件或者容许锚杆可以伸入红线以外的土层中。在软土地

40、区，由于土层缺乏足够的锚固力而很少采用锚杆，如将锚杆锚固在很深的砂层中，则锚杆的长度很长，也就不是一个经济的方案。,有支撑的开挖,在不具备采用土层锚杆条件的场地，深基坑只能采取有支撑开挖的方案，但是深基坑的平面尺寸一般都比较大，给支撑的设置带来了困难；由于支撑和挖土的工序互相交叉，形成许多各具特色的支护开挖方案。,分层开挖分层支护法,这是最基本的方法，按照结构受力分析和便于施工的原则布置每道支撑（或锚杆）的位置，在深度方向分层挖土与支撑设置交替施工。 挖第1层土 浇筑第1道支撑 挖第2层土 浇筑第2道支撑 挖第3层土 浇筑底板。,工况1,工况2,工况3,工况4,工况5,工况6,设计时要按照上述

41、工况进行分别验算，施工时要严格按照设计规定的程序实施，才能保证围护结构的稳定性和控制变形。在平面上按设定的挖土与设置支撑流程由一侧向另一侧推进，也可以由中部向两侧推进，但每一层作业作为一个工况考虑进行计算，忽略平面上流程的时间差对围护结构受力的影响。,中心岛法,对于平面面积很大的基坑，采用分层开挖、分层支护的方法在技术和经济上都不太合理。由于支撑的长度很长，为了增大支撑刚度，需要加大支撑截面和侧向支撑，使支撑的造价很高，而且一层平面的挖土量也很大，前后延续的时间比较长，这就需要在平面上加以划分。,中心岛法是平面划分的一种考虑，它结合将厚底板分设后浇带的划分，将平面分成两个部分，中心部分先施工，

42、此时先施工的面积比较小，而且具有放坡的余地，可以在坑内按照放坡办法施工，在中心部分浇筑底板以及地下室的部分结构（如核心筒、剪力墙或柱）以后，再分层开挖四周的留土，分层将支撑连接到已建成的底板或地下室的构件上去。,第一阶段，放坡，浇筑中间部分地下室 第二阶段，对周围部分采用分层开挖分层支撑方法施工,组合型的开挖方案,在方案设计时，可以根据工程的具体情况将上述几种方法加以组合，以发挥各自的优点，形成最经济合理的方案。可以在立面上组合，也可以在平面上组合。,立面组合主要是指为了减少围护结构支承的开挖深度，将围护结构顶面的标高压低后形成上部是放坡，下部是支锚的组合断面。围护结构顶面标高压低以后，可以减

43、少围护结构的工程量，减少支锚的数量；上部的处理方法视标高降低的数量和土质条件而定，以保持上部开挖面的稳定为原则。如降低1 m左右，可以不放坡，采用砖砌挡墙保护；如标高压低较多，则可采取放坡的办法，也可以采用喷锚护坡的办法。立面组合的方案可以有效地减少基坑工程的难度，明显降低造价。,立面组合,平面组合是指在基坑的几个侧面采用不同的方法，根据各个侧面场地宽余程度的不同，采取不同的方法。在场地比较宽敞的部位尽可能采用放坡的办法，场地能容纳重力式的地方尽量采用重力式挡墙，在实在放不下重力式挡墙的部位才采用排桩式。这样做的目的是为了节省造价，但在技术上带来了一定的困难，主要是在不同型式的结构连接处需要做

44、好构造处理，这些部位往往是最薄弱的环节，也是最容易产生事故的地方。,实例1 组合型的开挖方案,工程名称： 上海东方明珠广播电视塔 地点： 上海浦东 基坑尺寸： 基底面积2700m2，开挖深度12.5m，局部电梯井部位深度19.5m 围护结构： 采用二次开挖，三级支护，二级降水的方案。先在地面设置第一级轻型井点，然后将基坑大开挖至5.3m，放坡1:1.5， 土坡采用细石混凝土护坡，在5.3m基坑内进行沉桩和打设钢板桩；沿坡脚布置第二级轻型井点，进行第二阶段挖土，按先撑后挖原则设置二道内支撑，完成12.5m的基坑开挖，最后对深坑进行第三级支护。,支撑情况： 二道钢支撑 实测结果： 边坡水平位移不大

45、于50mm，钢板桩上口水平位移不大于50mm，下部位移较大，局部达400mm，立柱最大上拔量120mm 比较造价： 费用为常规深基坑施工的三分之一 挖土速度： 工期为常规深基坑施工的三分之一 方案评述： 对于场地周围环境要求不高的基坑工程，在立面上采取放坡和钢板桩支护相结合的方案，将深基坑转化为开挖深度相对较浅的基坑，技术难度和工程量都有降低，从而缩短了工期，大幅度降低造价，这个方案的思路是可取的。,平面分区方案,平面分区开挖的目的是为了总体上满足工期要求或者为了分期投资的目的。 平面分区包括地下室同一个平面和不同底标高两种不同的情况。 但分区开挖必须设置区域之间的分隔围护结构，这部分费用是额

46、外增加的，比整体开挖肯定费用贵。需要进行技术经济比较才能确定。,金茂大厦基坑分区复合顺作法,基坑开挖面积20000m2，地下三层，基坑开挖至-15.1m，四道支撑。 为了不使裙房的基坑施工影响主楼的工期，采用主楼和裙房分区开挖施工方案。 裙房外围采用地下连续墙，两墙合一。主楼与裙房之间用钻孔灌注桩分隔，准备后期拆除，打通地下室。 主楼裙房都采用顺作法施工。,环球金融中心基坑分区顺逆作,基坑开挖面积22500m2，地下三层，基坑开挖至-18.45m，四道支撑。 也采用主楼和裙房分区开挖施工方案。 裙房外围采用地下连续墙，两墙合一。主楼与裙房之间用钻孔灌注桩分隔，准备后期拆除，打通地下室。 采用主

47、楼顺作，裙房逆作的方法施工，可以节省支撑。,选择围护结构的类型,确定了开挖方案以后，根据开挖方案的要求选择围护结构，从总体来说，围护结构按材料和施工方法大体分为三种类型，即水泥土搅拌桩、排桩式围护结构和地下连续墙。 选择围护结构时应考虑开挖深度、地质条件、地下水条件、施工条件和工程要求等因素综合确定。,SMW工法,在水泥搅拌桩体内加劲性型钢，形成组合结构的围护结构墙体，这种在日本已成熟应用的方法称为SMW工法，它组合了型钢受力水泥土止水的各自优点，截面比较小，适应性强。在我国推广使用的主要障碍是型钢造价高，一些单位致力于研究将型钢在工后拔出的技术，已取得进展。,实例2 型钢-水泥土组合结构（S

48、MW工法） 工程名称： 上海申海大厦 地点： 上海海防路 基坑尺寸： 基底边长30.65m60.30m，基坑面积1798m2，开挖深度6.37m 围护结构： 采用双排搅拌桩内插H型钢组合结构形式。H型钢选用45号工字钢，型钢长12m，搅拌桩长度14m，采用直径为700mm的双轴搅拌钻机施工。H型钢按间隔布置，间距为1.0m。基坑顶部设置钢筋混凝土圈梁，圈梁宽1.2m，高1.0m 支撑情况： 二道直径为580mm钢支撑，围檩采用槽钢复贴钢板。第一道支撑轴线标高-1.0m，第二道支撑轴线标高-4.0m。,实测结果：对撑部位的墙体最大位移10.8813.70mm, 支撑薄弱部位的墙体最大位移 26.

49、65mm，邻近水管最大沉降31.44mm, 煤气管最大沉降5.55mm 方案评述： 由型钢和水泥搅拌桩组合而成的围护结构具有抗弯能力，又能止水，且造价比较便宜，是一种有开发前景的围护结构型式。由于我国经济条件的制约，在地下室建成以后如何将型钢方便地拔出成为普遍推广使用这一结构型式的关键技术，近年来这方面的研究已有一定的进展。,另一个技术关键是组合式围护结构的设计计算方法，特别是对于型钢和水泥土在受力条件下共同作用的机理，是合理设计组合结构的基础，这一课题也已有进展。上述方案是一项试验性工程，位于闹市中心，基坑与相邻建筑物及道路的距离都很近，现工程已经顺利完成，型钢也都已拔出，对相邻建筑物和城市

50、道路没有造成损害，技术指标和经济指标都达到了预期的要求。,灌注桩加强的搅拌桩墙体,在水泥搅拌桩墙体的两侧或一侧加钻孔灌注桩，形成组合断面以实现对深度大于7 m的深基坑采用无内支撑的重力式挡墙（改良的重力式挡墙）或简易支撑的挡墙方案。开始时，在水泥土中加筋作为一种技术措施采用，用廉价的毛竹插入水泥土中。发展至采用钻孔灌注桩加筋已经不是一种技术措施，而是一种组合结构，这种方案的最大优点是造价便宜。但这种复合型的结构内力计算方法尚需进一步研究，钻孔灌注桩的布置原则也需进一步明确。,实例3 水泥搅拌桩墙体加钻孔灌注桩 工程名称： 上海新亚汤臣大酒店 地点：上海浦东 基坑尺寸：基底面积6000m2，开挖

51、深度8.6m，局部开挖深度11.2m； 围护结构：宽度4.25.2m的重力式挡墙，墙身每隔3m设置一根直径600mm的钻孔灌注桩加强； 支撑情况：在地面下2.5m处设置钢筋混凝土环形支撑。,实测结果： 实测最大水平位移32mm 方案评述： 在水泥搅拌桩重力式挡墙中采用钻孔灌注桩加强，并可以设置支撑以避免重力式挡墙位移过大的缺点；在8.6m开挖深度的基坑中，一般的排桩支护需要设置二道支撑，而在复合式的围护结构中只需一道支撑，可以节省造价，且水平位移也不大。,双排桩模型试验,由双排钻孔灌注桩和桩顶圈梁形成的字形断面，构成无支锚的悬臂式围护结构，可用于较大的开挖深度而有宽敞的施工条件；这种结构型式的

52、计算尚未形成统一的方法，国内曾经做过模型试验，得到比较好的规律。,模型桩采用直径为30mm的黄铜管，桩长1.8m，单排桩距60mm，双排桩的排距取为桩距的2倍和4倍，即120mm和240mm两种。试验得到的桩体水平位移曲线见图，当开挖深度为1.4m时的桩顶水平位移值见表 。从图示曲线可以看出，单排桩和双排桩的变形曲线形态有很大的差别，由于桩顶刚性连接梁的制约，限制了桩顶的转角，尤如刚架的变形。模型试验数据充分说明了双排桩可以有效地减少桩的水平位移。,单排桩,双排桩，排距120mm,双排桩，排距 240mm,通过模型试验对双排桩的内力分析，得出不同排距的双排桩弯矩分布图如图所示。当排距为120m

53、m时，前排桩和后排桩的弯矩仅有一些数量的差别而没有性质的差别；但排距为240mm的双排桩前后桩桩身弯矩方向相反，桩的外侧受拉，与前排桩有性质的根本区别，说明后排桩在桩顶受到由前排桩传来的拉力，起了锚拉的作用而不是悬臂挡土的作用。,模型试验的结果显示，双排桩的排距是影响结构体系性能的重要因素，在排距较小时，前、后排桩共同作为悬臂桩承受荷载，能减少变形和内力的余地不大；当排距足够大时，前、后排桩的作用及受力状态不同，后排桩并不作为悬臂桩发挥作用，而起了拉锚的作用。因此对于不同排距的双排桩，要根据结构特点的不同，采用不同的计算方法。,后排桩发挥了拉锚的作用,前、后排桩只起悬臂作用,实例4 双排桩支护

54、工程 工程名称： 北京安外华侨公寓 地点： 北京安定门外大街 基坑尺寸： 长119m，宽21.9m，周长281.8m，开挖深度14.04m； 围护结构：东、北两侧先以10.6的坡度放坡开挖至7.0m处，再做直径为600mm的钻孔灌注桩，双排梅花形布置；桩长13.20m，桩间距2.0m，排距1.20m，桩嵌入土深度为5.56m；圈梁宽1800m，高500m；,支撑情况： 无支撑 方案评述： 该项目采用双排桩悬臂支护的方案，省去了土层锚杆，可以缩短工期一个月，节省工程造价50万元。不失为一种具有新意的支护方案，在其它地方，也有过类似的设计，但不如北京在试验研究的基础上，设计概念清楚，提出了计算的方

55、法，比较系统和完整。,组合型的重力式围护结构,由地下连续墙构成的T字形断面或字形断面，成为自立式围护结构。如上海耀华皮尔金顿浮法玻璃熔窑无支撑格形地下连续墙工程。大型玻璃熔窑是浮法生产线的关键部位，平面尺寸为90m50m，开挖深度为13m。围护结构采用由T字形槽段组成的格形结构，由内墙、外墙、剪力墙、墙顶圈梁和格内的土体共同承受水平荷载，成为重力式结构。,实例5 无支撑格形地下连续墙 工程名称： 上海耀华皮尔金顿浮法玻璃熔窑 地点：上海浦东 基坑尺寸： 长90m，宽50m，周长280m，开挖深度12.8m 围护结构： 内墙采用厚度为0.8m的T形槽段和肋墙组成，翼墙长6.0m，深22m；肋墙长

56、2.5m，厚0.6m，深15.1m。外墙由T形槽段和板墙组成，墙厚0.6m。剪力墙厚度为0.6m。 支撑情况： 无支撑 实测结果： 外墙墙顶水平位移110mm，内墙墙顶水平位移80mm外墙最大沉降19mm，内墙最大沉降6mm；,比较造价：与钢筋混凝土角对撑比较节省一半造价；与型钢支撑相比可节省造价 30%； 挖土速度： 13.5万土方，用32天完成，平均每天4500 m3，最高7000m3 方案评述： 无支撑格形地下连续墙围护结构是一种依靠格内土体自重增加稳定性的重力式挡墙。其结构由内墙、外墙和剪力墙组成，可以认为，内墙是直接承受水土压力的主要挡土结构，通过剪力墙与外墙连接，剪力墙的作用相当于

57、拉杆，而外墙相当于锚碇墙；但实际上是具有一定刚度的整体结构与格内土体共同作用。基坑开挖时墙顶位移大于有内支撑的基坑，但不影响安全和使用，且能缩短工期，节省造价。,支、锚体系的选择,当无法采用自立式挡墙（包括重力式和悬臂式）时，必须采用内支撑或锚杆体系来平衡土压力，以维持围护结构的稳定性。 锚杆要受场地条件和地质条件的限制，而内支撑的适应性比较强；由于锚杆体系对坑内施工的干扰比较少，因此当具备可以采用锚杆体系的条件时，一般首选锚杆方案；,在不具备采用锚杆体系的条件时，才考虑采取内支撑体系，但内支撑对坑内挖土和浇筑地下室的干扰比较大，在选用支撑的材料和形式时要根据施工要求，采取合适的布置方案，尽量

58、减少对坑内施工的干扰。 按深基坑支撑的受力特征，支撑体系实际上是一个空间体系，但设计时通常将它分解为平面支撑体系和立柱分别计算；对于开挖深度不大的基坑或基坑的某些局部，可以布置竖向斜撑或竖向斜撑体系。,内支撑材料的选择,支撑的平面布置,支撑的平面布置时应考虑支撑材料的性质、基坑的开挖深度、基坑面积大小与平面形状、挖土与出土方案以及环境对变形控制的要求等因素，通常应考虑几种不同的布置方案进行比较、论证，选择最佳方案采用。钢支撑和钢筋混凝土支撑的材料刚度和节点构造有较大的差异，平面布置时考虑问题的侧重面也不相同。,实例6大直径圆形钢筋混凝土内支撑之一 工程名称： 万都大厦 地点： 上海虹桥开发区

59、主体结构： 54层主楼，4层裙房，2层地下室 基坑尺寸： 长137.9m，宽112.3m，周长476m，基坑面积1255m2，开挖深度12.8m 支撑尺寸： 两道圆形钢筋混凝土内支撑，直径92.3m，平面布置见图 实测结果： 上道圆形支撑平均轴力17500kN；下道圆形支撑平均轴力19500kN；平行位移3.9 6.7mm；立柱平均上浮23.8mm；围护结构（排桩）最大沉降22.7mm，水平位移6.7mm；管线最大沉降47.1mm。,比较造价： 与钢筋混凝土角对撑比较节省一半造价；与型钢支撑相比可节省造价30%； 挖土速度： 13.5万土方，用32天完成，平均每天4500 m3，最高7000m3 方案评述： 圆形钢筋混凝土内支撑是一种受力性能好、布置合理的支撑体系；所形成的敞开空间，为挖土和混凝土浇筑施工提供了非常方便的条件，同时又减少了混凝土支撑的工程量节省造价、缩短了工期，是一举数得的事。,实例7大直径圆形钢筋混凝土内支撑之二 工程名称： 天津今晚报大厦 地点： 天津南开区 主体结构： 38层主塔楼，2层地下室 基坑尺寸： 平面不规则，最大尺寸为长134m，宽115