第八章、基坑工程

第八章基坑工程基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。8.1概述深基坑工程特点基坑围护体系是临时结构，安全储备小，风险大基坑工程具有很强的区域性基坑工程具有很强的个性基坑工程综合性强基坑工程具有较强的时空效应基坑工程是系统工程基坑工程的环境效应8.1概述基坑围护体系的作用创造基坑工程土方开挖的作业条件和地下室施工条件，要求基坑围护体系起到挡土和地下室在无水条件下施工的作用。在基坑开挖和地下室施工过程中，保证基坑相邻建筑物、构筑物和地下管线的安全及正常使用，要求基坑围护体系能限制周围土体的变形，使其不会对相邻建筑物、构筑物和地下管线，以及主体结构基础产生损害。基坑围护体系的要求保证基坑四周边坡的稳定性，满足地下室施工有足够空间的要求。也就是说基坑围护体系要能起到挡土的作用，这是土方开挖和地下室施工的必要条件。保证基坑四周相邻建筑物、构筑物和地下管线在基坑工程施工期间不受损害。这要求在围护体系施工、土方开挖及地下室施工过程中控制土体的变形，使基坑周围地面沉降和水平位移控制在容许范围以内。保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。围护体系通过截水、降水、排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。基坑开挖分类基坑工程根据其开挖和施工方法可分为:无支护开挖有支护开挖有支护的基坑工程可进一步分为:无支撑围护有支撑围护1.安全可靠性确保基坑工程的安全以及周围环境的安全。2.经济合理性基坑工程在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等多方面综合研究经济合理性。3.施工便利性和工期保证性在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足便利施工和缩短工期的要求。支护体系选用原则基坑围护体系基坑围护体系一般包括两部分：挡土体系和止水降水体系基坑围护结构一般要承受土压力和水压力，起到挡土和挡水的作用。一般情况下围护结构和止水帷幕共同形成止水体系。止水帷幕自成止水体系围护结构本身也起止水帷幕的作用，如水泥土重力式挡墙和地下连续墙等。围护体系型式放坡开挖及简易围护；悬臂式围护结构；重力式围护结构；内撑式围护结构；拉锚式围护结构；土钉墙围护结构；其它型式围护结构。主要有门架式围护结构；拱式组合型围护结构；喷锚网围护结构；沉井围护结构；加筋水泥土墙围护结构；冻结法围护等。放坡开挖放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程中边坡的稳定性，包括坡面的自立性和边坡整体稳定性。放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖一般费用较低，能采用放坡开挖应尽量采用放坡开挖。有时虽有足够放坡的场所，但挖土及回填土方量大，考虑工期、工程费用并不合理，也不宜采用放坡开挖。悬臂式支护结构悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。悬臂式围护结构依靠足够的人土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建(构)筑物产生不良影响。悬臂式围护结构适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。水泥土重力式支护结构目前在工程中用得较多的水泥土重力式围护结构，常采用深层搅拌法形成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定。重力式围护结构常用于软粘土地区开挖深度约在6.0m以内的基坑工程。水泥土抗拉强度低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程，其变形也比较大。内撑式支护结构内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管(或型钢)支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管文撑的优点是钢管可以回收、且加预压力方便。常用支撑体系的布置形式a平面交叉式(单层或多层)支撑；b井字式支撑；c角(斜)撑式支撑；d周边桁架；e圆形环梁；f水平压杆支撑；g圆拱形支撑；h竖向斜撑；i中心岛式开挖及支撑j逆作法；k锚杆；l拉锚(锚破)；m组合式支撑。拉锚式支护结构拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩。锚杆式需要地基土能提锚杆较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基，或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。土钉墙支护结构土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入或射人方式设置土钉。边开挖基坑，边在土坡中设置土钉。在坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙围护结构。土钉墙围护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。土钉墙围护适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理地下水位以下的土层地基中基坑围护。其它形式支护结构门架式支护结构拱式组合型支护结构喷锚网支护结构加筋水泥土挡墙支护放坡开挖与排桩墙放坡开挖与内撑排桩墙被动区土质改良对基坑围护体系被动区土质改良、降低地下水位等措施可有效改善围护结构的受力性状。被动区土质情况对围护结构的稳定影响较大，若被动区土质很软弱，可采用被动区土质良来加固，以增大被动区土压力。被动区土质改良范围一般深度取3－6m，宽度取5－9m，可对该区域软土进行全面改良，也可部分改良。若部分改良。被动区土质改良常采用深层搅拌法、高压喷射注浆法和压力注浆法。常见的支护结构类型作用于支护结构上的荷载地基土产生的土压力；地下水产生水压力；基坑顶面的超载（邻近建筑物、汽车、吊车及场地堆载等）；地震产生的垂直和水平荷载；温度影响和混凝土收缩引起的附加荷载。作用与支护结构上的土压力是比较难于准确计算的荷载。在设计计算和参数取值上常常采用经验和偏于安全的方法。一般情况下支护设计中不计地震产生的影响。土压力主动土压力静止土压力被动土压力土压力的大小及其分布规律是同支护结构的水平位移方向和大小、土的性质、支护结构物的刚度及高度等因素有关。作用与支护结构上的土压力可分为以下三种：？土压力计算主动土压力)245tan(2)245(tan002czpa)245(tan02zpa)245(tan02zpp)245tan(2)245(tan002czpp被动土压力朗肯土压力理论水土合算与水土分算总应力强度指标C、f水土合算有效应力强度指标C´、f´水土分算HKcHKpwaaa''2''aaaKcHKp2satwsat水平荷载和水平抗力有地下水位时土压力的计算地下水位对土压力的影响，具体表现在：(1)地下水位以下填土重量将因受到水的浮力而减小．计算土压力时应用浮容重γ；(2)地下水对填土的强度指标c、的影响。一般认为对砂性土的影响可以忽略；但对粘性填土，地下水将使c、值减小．从而使土压力增大；(3)地下水对墙背产生静水压力作用。水土合算→粘性土水土分算→无粘性土止水、降水体系和排水措施为了保证土方开挖和地下室施工处于“干”状态，常需要通过降低地下水位或配以设置止水帷幕使地下水位在基坑底面0.5～1.0m以下。降低地下水位也有利于基坑围护结构的稳定性，防止流土、管涌、坑底隆起引起破坏。对于渗透性很小的地基也可既不降低地下水位也不设置止水帷幕，在基坑开挖过程中产生的少量积水采用明沟排水处理。基坑工程中应用较多的止水帷幕有三种形式：深层搅拌法水泥土止水帷幕，高压喷射注浆法水泥土止水帷幕和素混凝土地下连续墙止水帷幕。除设置竖向止水帷幕外有时还需设置水平向止水帷幕，以防止流土、坑底隆起等造成破坏。当有承压水时，更应重视。降低地下水位常采用井点降水。常见的有单(多)层轻型井点、喷射井点和深井井点降水等。基坑底面水平向止水帷幕深层搅拌法水泥土桩止水帷幕高压喷射注浆法水泥土止水帷幕渗透力当hl＝h2时，土中水处于静止状态，无渗流发生。贮水器向上提升，使hl＞h2，由于存在水头差．土中产生向上的渗流。水头差h是土体中渗流所损失的能量。能量损失说明土粒对水流给以阻力；反之．渗流必然对每个土颗粒有推动、摩擦和拖曳的作用力，称之为渗透力，可定义为每单位土体内土颗粒所受的渗流作用力，用j表示。渗透破坏试验渗透力概念渗透力和渗透变形渗透力j=wi渗透力是一种体积力，量纲与w相同。渗透力的大小和水力坡降成正比，其方向与渗流方向一致。ic＝’/w它是土体开始发生流土破坏时的水力坡降。临界水力坡降eGisc11土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏称渗透变形(或称渗透破坏)。如土层剥落，地面隆起，细颗放被水带出以及出现集中渗流通道等。土的渗透变形类型就单一土层来说主要有流土和管涌两种基本型式。1.流土在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象称为流土。只要水力坡降达到一定的大小，都会发生流土破坏。2.管涌在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动．以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透流速不断增加．较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破坏。管涌发生在一定级配的无粘性土中，发生的部位可以在渗流逸出处，也可以在土体内部，故也称之为渗流的潜蚀现象。土的渗透变形(或称渗透破坏)土的渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因。内因是土的颗粒组成和结构,即几何条件；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。1.流土可能性的判别任何土，包括粘性土或无粘性土,在自下而上的渗流逸出处，只要满足渗透坡降大于临界水力坡降这一个事实，均要发生流土。可按下列条件，判别流土的可能性：iic土体处于稳定状态iic土体发中流土破坏i=ic土体处于临界状态渗流破坏类型的判别级配良好的土和级配不良的土哪一种土易发生管涌?土是发生管涌，首先决定于土的性质。一般粘性土(分散性土例外)．只会发生流土而不会发生管涌，故属于非管涌土；无粘性土中产生管涌必须具备下列两个条件。(1)几何条件土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，才可能让细颗粒在其中移动，这是管涌产生的必要条件。(2)水力条件渗透力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动是发生管涌的水力条件，可用管涌的水力坡降表示。流土现象发生在土体表面渗流渗出处，不发生在土体内部。而管涌现象可以发生在渗流逸出处，也可以发生于土体的内部。2管涌可能性的判别基坑土方开挖开挖机械的选择土方开挖程序，基坑开挖必须遵循“由上而下，先撑后挖，分层开挖”的原则施工现场平面布置，减少基坑边缘地面荷载降、排水措施及冬季、雨季、汛期施工措施的拟定合理施工监测计划和信息化施工方案的拟定合理应急措施的拟定基坑工程监测基坑工程监测是基坑工程施工中的一个重要环节，组织良好的监测能够将施工中各方面信息及时反馈给基坑开挖组织者，根据对信息的分析，可对基坑工程围护体系变形及稳定状态加以评价，并预测进一步挖土施工后将导致的变形及稳定状态的发展。根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度，以制定进一步施工策略，实现所谓信息化施工。监测目的通过监测成果分析预估基坑工程围护体系本身的安全度，保证施工过程中围护体系的安全。通过监测成果分析预估基坑工程开挖对相邻建(构)筑物的影响，确保相邻建(构)物和各种市政设施的安全和正常工作。通过监测成果分析检验围护体系设计计算理论和方法的可靠性，为进一步改进设计计算方法提供依据。监测项目监测成果基坑工程环境效应基坑工程环境效应包括围护结