地下結(jié)構(gòu)工程：第3章 深基坑工程概述

1、第3章 深基坑工程概述支護結(jié)構(gòu)上的作用支護結(jié)構(gòu)方案及選擇基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計原則概述Underground Structure Engineering Chapter 3基坑工程地下水的作用與處理基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則：（1）安全可靠；（確?；邮┕ぜ爸車h(huán)境的安全）（2）經(jīng)濟合理；（符合造價、工期及環(huán)保等方面的經(jīng)濟技術(shù)要求）（3）便利施工。（具有施工的可能性和方便性）3.1 深基坑工程概述 概述：大量的深基坑工程伴隨著城市高層建筑的發(fā)展大量出現(xiàn)。國外，圓形基坑的深度已達74m(日本)，直徑最大的達98m(日本)，而非圓形基坑的深度已達到地下層（法國）。國內(nèi)，上海88層的金茂大廈，基坑平面尺寸為1

2、70m150m，基坑開挖深度達19.5m。上海的匯京廣場，圍護結(jié)構(gòu)與相鄰建筑最近的距離僅40cm。而無支撐基坑的開挖深度也已達到了9m。 Underground Structure Engineering Chapter 3目前深基坑支護存在的主要問題支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中土體的物理力學(xué)參數(shù)選擇不當基坑土體的取樣代表的局限性基坑開挖存在的空間效應(yīng)考慮不周支護結(jié)構(gòu)設(shè)計計算與實際受力不符Underground Structure Engineering Chapter 33.2基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計原則3.2.1支護結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)根據(jù)承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計要求，基坑支護應(yīng)按下列規(guī)定進行計算和驗

3、算： 1）基坑支護結(jié)構(gòu)均應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)的計算，計算內(nèi)容應(yīng)包括：2）對于安全等級為一級及對支護結(jié)構(gòu)變形有限定的二級建筑基坑側(cè)壁，尚應(yīng)對基坑周邊環(huán)境及支護結(jié)構(gòu)變形進行驗算。 3）地下水控制計算和驗算：抗?jié)B透穩(wěn)定性驗算；基坑底突涌穩(wěn)定性驗算；根據(jù)支護結(jié)構(gòu)設(shè)計要求進行地下水位控制計算； 2008年蘇州某基坑事故承載力變形上海某基坑坑底內(nèi)發(fā)生承壓水突涌水湖南浯溪水電站二期基坑出現(xiàn)管涌 水挖斷市政給水管網(wǎng)承壓水管涌承壓水管涌處理建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程JGJ120-2012對基坑側(cè)壁的安全等級：基坑側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù)安全等級破壞后果一級支護結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工

4、影響很嚴重1.10二級支護結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響一般1.00三級支護結(jié)構(gòu)破壞、土體失穩(wěn)或過大變形對基坑周邊環(huán)境及地下結(jié)構(gòu)施工影響不嚴重0.90Underground Structure Engineering Chapter 3建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范GB50202-2002對基坑分級和變形監(jiān)控值的規(guī)定： 以便于支護結(jié)構(gòu)的施工控制該規(guī)范將基坑分為三個等級，并規(guī)定了三個等級的基坑變形監(jiān)控值。控制項目： 圍護結(jié)構(gòu)墻頂位移監(jiān)控值；（3、6、8cm）圍護結(jié)構(gòu)墻體最大位移監(jiān)控值；（5、8、10cm）地面最大沉降監(jiān)控值。 （3、6、10cm）3.2.2 基坑支

5、護結(jié)構(gòu)設(shè)計的勘察要求在主體建筑地基的初步勘察階段和詳細勘察階段，應(yīng)根據(jù)巖土工程條件，進行勘察和室內(nèi)試驗，提出基坑支護的建議方案。Underground Structure Engineering Chapter 33.2.3土的抗剪強度指標規(guī)定各類穩(wěn)定性驗算時，土的抗剪強度指標類別應(yīng)符合下列規(guī)定：1)對地下水位以上的各類土，土壓力計算、土的滑動穩(wěn)定性驗算時，對黏性土、黏質(zhì)粉土，土的抗剪強度指標應(yīng)采用三軸固結(jié)不排水抗剪強度指標ccu、cu或直剪固結(jié)快剪強度指標ccq、cq；對砂質(zhì)粉土、砂土、碎石土，土的抗剪強度指標應(yīng)采用有效應(yīng)力強度指標c、。2)對地下水位以下的粘黏性土、粘黏質(zhì)粉土，可采用土壓力

6、、水壓力合算方法，土壓力計算、土的滑動穩(wěn)定性驗算可采用總應(yīng)力法；此時，對正常固結(jié)和超固結(jié)土，土的抗剪強度指標應(yīng)采用三軸固結(jié)不排水抗剪強度指標ccu、cu或直剪固結(jié)快剪強度指標ccq、cq，對欠固結(jié)土，宜采用有效自重壓力下預(yù)固結(jié)的三軸不固結(jié)不排水抗剪強度指標cuu、uu；3）對地下水位以下的砂質(zhì)粉土、砂土和碎石土，應(yīng)采用土壓力、水壓力分算方法。土壓力計算、土的滑動穩(wěn)定性驗算應(yīng)采用有效應(yīng)力法；此時，土的抗剪強度指標應(yīng)采用有效應(yīng)力強度指標c、，對砂質(zhì)粉土，缺少有效應(yīng)力強度指標時，也可采用三軸固結(jié)不排水抗剪強度指標ccu、cu或直剪固結(jié)快剪強度指標ccq、cq代替，；對砂土和碎石土，有效應(yīng)力強度指標可

7、根據(jù)標準貫入試驗實測擊數(shù)和水下休止角等物理力學(xué)指標取值；3.3支護方案及選擇3.3.1支護形式及使用條件兩個功能：一是擋土；二是止水?；又ёo分兩類：支護型將支護墻（排樁）作為主要受力構(gòu)件；支護型基坑支護包括板樁墻、排樁、地下連續(xù)墻等。在基坑較淺時可不設(shè)支撐，成懸臂式結(jié)構(gòu)；當基坑較深或?qū)χ車孛孀冃螄栏裣拗茣r，應(yīng)設(shè)水平或斜向支撐，或錨錠系統(tǒng)；形成空間力系是發(fā)展方向。Underground Structure Engineering Chapter 3加固型充分利用加固土體的強度。加固型包括水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、注漿和樹根樁等。 不用或少用鋼材. 4600/280Underground Str

8、ucture Engineering Chapter 3結(jié)構(gòu)類型適用條件安全等級基坑深度、環(huán)境條件、土類和地下水條件支擋式結(jié)構(gòu)錨拉式結(jié)構(gòu)一級二級三級適用于較深的基坑1 排樁適用于可采用降水或截水帷幕的基坑2 地下連續(xù)墻宜同時用作主體地下結(jié)構(gòu)外墻，可同時用于截水3 錨桿不宜用在軟土層和高水位的碎石土、砂土層中4 當鄰近基坑有建筑物地下室、地下構(gòu)筑物等，錨桿的有效錨固長度不足時，不應(yīng)采用錨桿5 當錨桿施工會造成基坑周邊建（構(gòu)）筑物的損害或違反城市地下空間規(guī)劃等規(guī)定時，不應(yīng)采用錨桿支撐式結(jié)構(gòu)適用于較深的基坑懸臂式結(jié)構(gòu)適用于較淺的基坑雙排樁當錨拉式、支撐式和懸臂式結(jié)構(gòu)不適用時，可考慮采用雙排樁支護結(jié)構(gòu)

9、與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合的逆作法適用于基坑周邊環(huán)境條件很復(fù)雜的深基坑土釘墻單一土釘墻二級三級適用于地下水位以上或經(jīng)降水的非軟土基坑，且基坑深度不宜大于12m當基坑潛在滑動面內(nèi)有建筑物、重要地下管線時，不宜采用土釘墻預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻適用于地下水位以上或經(jīng)降水的非軟土基坑，且基坑深度不宜大于15m；水泥土樁垂直復(fù)合土釘墻用于非軟土基坑時，基坑深度不宜大于12m；用于淤泥質(zhì)土基坑時，基坑深度不宜大于6m；不宜用在高水位的碎石土、砂土、粉土層中微型樁垂直復(fù)合土釘墻適用于地下水位以上或經(jīng)降水的基坑，用于非軟土基坑時，基坑深度不宜大于12m；用于淤泥質(zhì)土基坑時，基坑深度不宜大于6m重力式水泥土墻二級三級適用于淤

10、泥質(zhì)土、淤泥基坑，且基坑深度不宜大于7m放坡三級1 施工場地應(yīng)滿足放坡條件2 可與上述支護結(jié)構(gòu)形式結(jié)合支護結(jié)構(gòu)類型及其適用范圍 表3-1結(jié) 構(gòu) 形 式適 用 范 圍排樁結(jié)構(gòu)稀疏排樁土質(zhì)較好，地下水位低或降水效果好連續(xù)排樁土質(zhì)差，地下水位高或降水效果差框架式排樁單排樁剛度不能滿足變形要求組合排樁結(jié)構(gòu)排樁加擋板排樁樁距較大，利用擋板傳遞土壓并有一定防滲作用排樁加水泥攪拌樁以水泥攪拌樁互搭組成平面拱代替擋板傳遞土壓力，具有較好防涌效果排樁加水泥防滲墻地下水位較高的軟土地區(qū)排樁或組合排樁加錨桿結(jié)構(gòu)開挖深度較大，排樁或組合排樁結(jié)構(gòu)強度無法滿足要求地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)與地下室墻體合一，防滲性強，施工場地較小，開

11、挖深度大沉井結(jié)構(gòu)軟土地區(qū)重力式擋土墻結(jié)構(gòu)具有一定施工空間，軟土地區(qū)圖31板樁 評價: 工期短 回收率低 鋼結(jié)構(gòu)造價高靜力壓樁移機過程 Underground Structure Engineering Chapter 3管樁防護基坑，基坑深7m，緊鄰公路-開挖后防護管樁 連接鋼筋焊接，防止側(cè)移防護效果:雖然管樁有點側(cè)移，沒有影響施工由于土質(zhì)為淤泥質(zhì)粘土，井點降水后開挖，還是出現(xiàn)了局部 滑坡-井點被沖倒 圖3-2 組合擋土壁缺乏阻水抗?jié)B功能，在地下水較大的基坑應(yīng)用，會造成樁間土大量流失，樁背土體被掏空，影響支護土體的穩(wěn)定高壓噴射樁鉆孔灌注樁灌注樁與高壓噴射樁組合支護擋土灌注樁與水泥土樁組合支護1

12、-擋土灌注樁；2-水泥土樁擋土灌注樁支護形式 ()間隔式；(b)雙排式；(c)連續(xù)式1-擋土灌注樁；2-連續(xù)梁；3-前排樁；4-后排樁圖3-3 單排與雙排樁支護結(jié)構(gòu)圖3-4 接頭管接頭的施工程序a) 開挖槽段； b) 吊放接頭管和鋼筋籠； c) 澆筑砼；d) 拔出接頭管； e) 形成接頭(動畫)國家大劇院基坑支護工程成槽施工 筋籠下放鋼筋籠下放3.3.2 支撐體系支撐體系是用來支擋圍護墻體，承受墻背側(cè)土層及地面超載在圍護墻上的側(cè)壓力。 支撐體系是由支撐、圍檁、立柱三部分組成。 Underground Structure Engineering Chapter 3 內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特征：由擋

13、土結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)兩部分組成； 支撐材料：擋土材料有鋼筋混凝土樁、地下連續(xù)墻，支撐材料有鋼筋混凝土梁、鋼管、型鋼等； 受力特征：水平支撐、斜支撐，單層支撐、多層支撐； 適用條件：各種土層和基坑深度。內(nèi)撐式圍護結(jié)構(gòu) 拉錨式圍護結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特征：由擋土結(jié)構(gòu)與錨固系統(tǒng)兩部分組成； 支撐材料：可采用內(nèi)撐式結(jié)構(gòu)相同的材料外，還可以采用鋼板樁等； 受力特征：由擋土結(jié)構(gòu)與錨固系統(tǒng)共同承擔土壓力； 適用條件：砂土或粘性土地基。拉錨式圍護結(jié)構(gòu)肖村橋車站基坑支護照片特 點平面尺寸不大，且長短邊長相差不多的基坑宜布置角撐。它的開挖土方空間較大，但變形控制要求不能很高鋼支撐和鋼筋混凝土支撐均可布置；支撐受力明確，安全穩(wěn)定

14、，有利于墻體的變形控制，但開挖土方較為困難多采用鋼筋混凝土支撐；中部形成大空間，有利于開挖土方和主體結(jié)構(gòu)施工多采用鋼筋混凝土支撐；支撐體系受力條件好；開挖空間大，便于施工開挖面積大、深度小的基坑宜采用；在軟弱土層中，不易控制基坑的穩(wěn)定和變形便于土方開挖和主體結(jié)構(gòu)施工，但僅適用于周邊場地具有拉設(shè)錨桿的環(huán)境和地質(zhì)條件Underground Structure Engineering Chapter 3鋼管撐的應(yīng)用-南京地鐵中心 鋼管對撐 區(qū)間基坑支護工程杭州地鐵車站鋼支撐及混凝土支撐杭州地鐵車站基坑支護鋼管撐的施工過程未開挖前鋼支撐、立柱施工完畢未開挖前開挖后的鳥瞰圖鋼管撐-工期短 造價高 重復(fù)利

15、用圍檁角上做成階梯形，并預(yù)埋鋼板每個支撐的兩端均為一端固定，一端可伸縮，本圖為安裝前的可伸縮端安裝完成的可伸縮端，中間打入鋼楔進行加固安裝完成的固定端兩層鋼管撐（造價高）首層鋼砼，二層鋼管撐比較合理圓環(huán)基坑 受力合理 作業(yè)空間大 ，施工要求高 需空間分析似乎過于保守的空間桁架撐 （爆破）上海某工地基礎(chǔ)階段的平面布置圖，可以看見基礎(chǔ)支撐已經(jīng)開始施工，圍護形式采用的是鉆孔灌注樁，水泥攪拌樁止水鉆孔灌注樁+支撐壓頂梁基坑總深度為7.6M左右，設(shè)置一道圍護支撐，圍護支撐中心標高為2.55m，開挖深度3.20m。3.4 支護結(jié)構(gòu)上的作用 3.4.1 土壓力主動土壓力和被動土壓力的產(chǎn)生，前提條件是支護結(jié)構(gòu)

16、存在位移；當支護結(jié)構(gòu)沒有位移時，則土對支護結(jié)構(gòu)的壓力為靜止土壓力。 土壓力的分布與支點的設(shè)置及其數(shù)量都有關(guān)系；懸臂支護樁土壓力的實測值與按朗肯公式計算值的對比，非挖土側(cè)實測土壓力小于朗肯主動土壓力，即計算結(jié)果偏大。 Underground Structure Engineering Chapter 3圖3-5 懸臂支護樁土壓力分布Underground Structure Engineering Chapter 3 = H土壓力EEpE0Ea- H15%15%o3.4.1.2規(guī)程規(guī)定的荷載和抗力計算方法圖3-6 芝加哥深基坑土壓力實測圖 圖3-7 柏林地道工程土壓力實測圖Underground

17、 Structure Engineering Chapter 3土的內(nèi)聚力C、內(nèi)摩擦角值可根據(jù)下列規(guī)定適當調(diào)整： 在井點降低地下水范圍內(nèi)，當?shù)孛嬗信潘头罎B措施時，值可提高20%；在井點降水土體固結(jié)的條件下，可考慮土與支護結(jié)構(gòu)間側(cè)摩阻力影響，將土的內(nèi)聚力c提高20%。Underground Structure Engineering Chapter 3分層土土壓力計算分層計算3.4.2 水壓力水壓力，主要根據(jù)土質(zhì)情況確定如何考慮水壓力的問題 。對于粘性土，土壤的透水性較差，此粘性土產(chǎn)生的側(cè)向壓力可采用水土合算的方法，即側(cè)壓力為相應(yīng)深度處豎向土壓力與水壓力之和乘以側(cè)壓力系數(shù)。對于砂性土，采用水土

18、分算，即側(cè)壓力為相應(yīng)深度處豎向土壓力乘以側(cè)壓力系數(shù)與該深度處水壓力之和。Underground Structure Engineering Chapter 3水、土壓力分算方法 對于透水性比較大的砂性土和粉土，分別計算作用在圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力（按朗肯土壓力理論計算）和水壓力（按靜水壓力計算），然后疊加作用在圍護結(jié)構(gòu)上。 對比砂土簡化計算，將水壓力與土壓力分別計算，并把水看作是：主動壓力=靜止壓力=被動壓力= h 水、土壓力合算方法 對于透水性比較差的粘性土地基，采用水、土壓力合算的方法計算作用于圍護結(jié)構(gòu)上的側(cè)向壓力。3.5 基坑工程地下水的作用與處理3.5.1地下水的基本性質(zhì)潛水和承壓水儲存于

19、地下水位以下的飽水帶中，是基坑開挖時工程降水的主要對象。潛水則是指位于飽水帶中第一個具有自由表面的含水層中的水，無壓水。承壓水是指充滿于兩個隔水層之間的含水層中的水，具有承壓性。地下水在土中的流動稱為滲流。兩點間的水頭差與滲透過程長度之比，稱為水力坡度，并以I表示，I=（H1-H2）/L,則水力坡度I=1時的滲透速度稱為滲透系數(shù)K，常用m/d，m/s等表示。Underground Structure Engineering Chapter 3動水壓力: （kN/m3）動水壓力F等于或大于土的有效重度時，土顆粒處于懸浮狀態(tài)，土的抗剪強度等于零，土顆粒將隨著滲流的水一起流動，即所謂“流砂”基坑在開

20、挖過程中受到周圍土體、地表荷載和坑底承壓水的浮托力等各種荷載的作用，往往產(chǎn)生一定的變形和位移，當位移和變形超過基坑支護的承受能力時，基坑就會產(chǎn)生破壞?；悠茐男问教卣鬟吰率Х€(wěn)基坑地面荷載超過設(shè)計允許值；產(chǎn)生流砂、管涌、滑坡坑底隆起基坑維護深度或剛度不足，承載力太?。挥赏馏w內(nèi)應(yīng)力重分布或是由承壓水引起突涌坑內(nèi)承壓水水頭大于上覆坑底土體自重；地下水涌入坑內(nèi)，坑外地表大幅沉陷圍護結(jié)構(gòu)破壞設(shè)計支護結(jié)構(gòu)或安全系數(shù)選取不當；結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量差，且補救措施不當表3-7 常見的基坑破壞形式和特征3.5.2 地下水處理方法歸結(jié)成兩種：一種是降水；第二種是止水防水帷幕。降水的方法有集水井降水和井點降水兩類 。井點降水法有輕型井點、噴射井點和電滲井點 、管井井點和深井泵等。集水井降水 圖 井點降水的作用當土的滲透系數(shù)K5cm/d時，宜用輕型井點和噴射井點；當K520cm/d時,除上述方法外,還可選用管井井點；當K20深井泵、噴射井點深井泵各種井點的適用范圍降水類型適用范圍土的滲透系數(shù)(cm/s)可能降低的水位深度(m)一級輕型井點10-2l0-536多級輕型井點10-2l0-5612噴射井點