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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基坑围护结构设计的特点土性的不确定性地层分布的非均质性和土性的变异性。一些偶然变化所引起的不确定因素施工场地内土压力分布的意外变化、事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等，这些事前未曾预料的因素都会影响基坑工程的正常施工和使用。12.2基坑工程的设计内容环境调查及基坑安全等级的确定围护结构选型围护结构设计计算围护结构稳定性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的设计一般包括以下内容12.2.1环境调查及基坑安全等级的确定工程水文地质资料基坑工程围护设计中，首先应根据基坑的深度、地质条件以及周边环境条件确定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所建工程的地下室结构、基础桩基图纸与施工条件有关的资料（如实验资料）12.2.2围护结构的选择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土方开挖方法地区工程经验12.2.2围护结构的选择和布置基坑围护结构的构件（包括围护墙、隔水帷幕和锚杆）在一般情况下不应超出工程用地范围，否则应事先征得政府主管部门或相邻地块业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构构件不能影响主体工程结构构件的正常施工有条件时基坑平面形状尽可能采用受力性能较好的圆形、正多边形和矩形12.2.3围护结构设计计算通过设计计算确定围护结构构件的内力和变形，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的具体情况，所采用的有关参数应根据工程的具体条件和地区的工作经验确定。由于支护结构受力的内力计算和变形计算随着施工的进展而不断变化，因此设计计算必须按不同施工阶段的特征分别进行验算，同时应考虑前一种工况对后面各种工况内力和变形的影响。12.2.4围护结构稳定性验算(1)基坑边坡总体稳定性验算(2)围护墙体抗倾覆稳定验算(3)围护墙底面抗滑移验算(4)基坑围护墙前抗隆起稳定验算(5)抗竖向渗流验算(6)基坑周围地面沉降及其影响范围的估计12.2.5节点设计在基坑工程中，经常发生由于支护结构局部节点构造不合理或由于施工不注意而导致基坑过大变形，甚至危及整体安全，因此，必须充分重视节点设计这一环节。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算模型中的假设条件一致节点构造应起到防止构件局部失稳的作用尽可能减少节点自身的变形量与整体稳定相关的节点应设置多道防线，同时要有良好的节点延性12.2.6其他土工问题井点降水土方开挖监测12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用随着我国现代化建设的飞速发展，城市地下空间的开发利用越来越多，基坑设计和施工水平也得到了较大的提高。鉴于深基坑工程的复杂性和不确定性,迄今为止深基坑工程还没有成熟的理论基础和合理的计算模式，复杂的地质条件又给选择支护结构方案和合理设计参数的选择带来一定的困难。在目前深基坑工程中，施工方案的不合理性和施工经验的不足，是导致深基坑工程失效的重要原因。岩土工程量测已成为深基坑施工中必不可少的手段。在深基坑工程施工中,对基坑周边进行监测是控制施工进度预防事故发生的一个有效手段。随着岩土工程信息化施工的进一步应用,监测方法将越来越广泛地得到重视。就目前我们所采用的监测仪器和手段来看,如果和国际上目前较流行的方法比较,还存在自动化程度不高的缺点。12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用手工操作,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,监测数据的可靠性难保证受天气气候的影响,如遇大风暴雨等恶劣环境,监测可能受到影响,有时甚至无法进行无法实现1天24小时连续观测无法实现实时监测、实时预报,当前所监测的数据,需要拿回处理之后,才能知道结果12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用基坑监测的目的基坑开挖施工是分层分段进行的，通过将施工监测结果与预估值作比较，可验证原开挖施工方案的正确性，或根据分析结果调整施工参数，必要时采取附加施工措施，以达到信息化施工的目的。(2)作为设计与施工的重要补充手段(1)为施工提供及时的反馈信息基坑工程设计与施工方案是设计人员对实体进行物理抽象，采取数学分析方法进行定量预测计算，加之以长期工程实践经验而确定的，在很大程度上反映了基坑的实际情况。但由于各个场地的地质条件不同，施工工艺和周边环境存在差异，具体项目之间千差万别，设计计算未曾计入各种复杂因素，因此必须依据监测结果进行局部修改或完善。12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用基坑监测的目的根据监测结果来判断原施工方案是否安全和适当，必要时对其进行调整，如减少日出土量、改变开挖顺序或采取加固排险措施等，可以说监测数据是基坑提高施工安全度的至关重要的定量化依据。(4)积累经验以提高基坑工程设计和施工水平(3)作为施工开挖方案修改的依据就目前的技术水平而言，基坑工程的设计和施工，对通常采用的力学分析、数值计算和室内试验，总是在不同程度上对客观事物进行了简化或近似处理，而现场监测技术则客观真实地反映了工程结构和环境相互关系。通过对监测数据的分析，可以为今后积累相关经验。12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用基坑监测的目的在建筑物和地下管网密布的城市内进行基坑施工，不可避免地对周边环境造成影响，由此引起的法律纠纷屡见不鲜，一份完整的监测报告能为客观公正解决这些问题提供依据（5）监测数据也是解决法律纠纷的有力证据12.3自动化监测技术在深基坑工程的应用基坑监测的基本内容针对基坑侧壁的安全等级，不同规范对基坑监测项目有不同的规定。一般监测内容由设计单位根据具体情况选定。基坑监测的基本要求①监测工作必须有计划地进行；②监测数据必须真实可靠和及时；③埋设在结构中的监测元件应尽量减少对结构正常受力的影响，埋设水土压力检测元件、测斜管和分层沉降管时应注意回填土与岩石介质匹配；④采取多种方法，实行多项内容的监测方案；⑤预先设定报警制度，报警值包括变形和内力深基坑安全监测技术及其应用12.4基坑围护结构的内力计算12.4.1围护结构的计算模型及计算原则基坑工程的计算模型包括:结构模型、水土压力模型、稳定性分析模型等。对于围护结构的计算一般采用考虑桩（墙）土共同作用的弹性地基上的杆系或框架模型，根据施工过程中发生的实际工况分步进行计算，同时考虑施工工况引起结构的先期位移值以及支撑变形的影响或采用荷载增量法进行计算，即所谓的“先变形、后支撑”的原则。计算工况包括开挖阶段到内部结构回筑阶段各工况的内力组合，最终的位移及内力值是各阶段的累计值。12.4基坑围护结构的内力计算12.4.2桩（墙）内力的计算分析方法弹性地基杆系有限单元法是当前基坑工程设计的最常用方法：（一）弹性地基杆系有限单元法1.结