深基坑工程讲座(2016)

深基坑工程西南交通大学土木工程学院岩土工程系毛坚强2015年12月1.基坑工程综述2.基坑工程设计计算方法3.施工监测及信息化施工4.总结及展望（1）临时结构：安全储备小，风险较大。（4）综合性岩土工程问题：强度、稳定性、变形、渗流。（2）区域性和个案性较强。（3）综合性很强的系统工程：工程地质、岩土、结构、环境。（5）设计与施工需考虑时空效应。（6）与周边环境关系密切，对其影响较大。1.基坑工程综述1.1基坑工程的特点放坡开挖（无支护）及简易支护基坑支护形式土钉墙水泥土墙排桩地下连续墙1.2.1按支护结构形式分类1.2基坑的分类及方案选择单一型复合型单排桩双排桩悬臂式支撑式（内撑）锚拉式（外锚）悬臂式支撑式（内撑）支护结构与主体结构结合的逆作法1）水泥土重力式围护墙（4）计算时作为刚性结构（重力式的）。（1）多用于软土，深层搅拌法或旋喷法施工。（2）通常基坑开挖深度7m。（3）墙宽0.7~1.0倍的基坑开挖深度，多采用格栅式布置。深层搅拌机成孔2）土钉墙支护结构（c)（b)（a)123245436（1）构造和施工插筋、挂网、注浆喷混凝土（2）优点ⅰ）结构轻，柔性大，有良好的延性，抗震性能好。ⅱ）施工设备简单，所需场地小，方便灵活，施工速度快。ⅲ）材料用量及工程量小，工程造价低（为其他类型支护的2/3~4/5）。（3）缺点ⅰ）基坑深度有限。ⅱ）土层变形及沉降不易控制。（4）适用范围ⅰ）地下水位以上、自稳性较好的土层（一般黏性土、弱胶结或较密实的无黏性土）；ⅱ）埋深不很大（12m，非淤泥质土；6m，淤泥质土）；ⅲ）土层变形控制的要求不严格；ⅳ）有较宽松的施工场地。（土钉不超出红线外）15m成都地铁车站基坑（基坑深度15m，土钉支护）土层变形过大造成的裂缝土钉墙+预应力锚索土钉墙+微型桩+预应力锚索复合型土钉墙3）排桩支护结构桩的类型板桩（钢、钢筋混凝土预制）钢筋混凝土桩（预制、现场灌注）钢筋混凝土-素混凝土咬合桩型钢水泥土搅拌墙（SMW）（1）类型支撑形式内撑外锚预应力锚索（锚杆）水平：单向、双向、桁架式竖向（立柱）竖向斜撑内撑外锚斜撑（2）平面布置形式（3）优点ⅰ）较土钉支护适于更深的基坑，能较好地控制土层变形。ⅱ）较地下连续墙施工工艺简单，成本低，平面布置灵活。（4）缺点防渗及整体性不如地下连续墙。钢板桩+钢管内撑排桩支护（地铁车站基坑，深度23m，人工挖孔桩+4道钢管内撑）排桩支护（旋挖桩+钢筋混凝土内撑+钢管内撑）双向钢管内撑的基坑成都国金中心大厦基坑（最大深度34m）排桩支护：人工挖孔桩+9道预应力锚索人工挖孔桩+9道预应力锚索承压型囊式扩体锚索承压型囊式扩体锚索型钢水泥土搅拌桩拔出型钢预制桩支护H型钢内撑角撑立柱钢管斜撑桁架式内撑成都，绿地蜀峰468基坑临街，地下管线多3层钢筋混凝土内撑1层钢筋混凝土内撑+4道预应力锚索基坑开挖深度约30m灌注桩+3层钢筋混凝土内撑灌注桩（直径1.2m，间距2.2m）地铁车站出入口钢筋混凝土内撑灌注桩+1层钢筋混凝土内撑+4道预应力锚索4道预应力锚索1层钢筋混凝土内撑灌注桩（直径1.2m，间距2.2m）成都，绿地蜀峰468基坑•疏排桩+土钉支护（1）组成排桩（单排或双排）+土钉+（预应力锚杆或内支撑）间距：(2~6)D（2）原理排桩提供主要的支撑力并控制变形，土钉保证桩间土的稳定性。4）地下连续墙（1）优点ⅰ）刚度大，支撑能力强，基坑稳定性好，土层变形小。ⅱ）墙身防渗性能好，坑内降水对坑外影响小。（2）缺点ⅰ）废泥浆处理。ⅱ）粉砂地层中易坍壁。ⅲ）施工技术要求高。iv）厚度具有固定的模数，不如灌注桩灵活。ⅲ）可作为地下室的外墙，缩短工期，降低造价。（3）适用条件ⅰ）深度大的基坑。ⅱ）周围环境对变形控制要求高。ⅲ）围护结构需作为主体结构一部分，且基坑施工阶段具有较高的防水、防渗要求。iv）逆作法地上、地下同步施工时，多采用地下连续墙。39导墙施工导墙完成泥浆池成槽施工钢筋笼吊装锁口管起拔砼浇筑•地下连续墙的施工成都火车北站扩能改造行包房工程基坑深度15.05m连续墙厚度1m，深度32m素混凝土距地铁最小间距10.25m（2层地下室，逆作法施工）5）地下连续墙+逆作内衬用于悬索桥锚碇基础的施工。先做地下连续墙，再分层逆作内衬，并开挖。地下连续墙+逆作内衬（阳逻长江大桥锚碇基坑，内径70m，开挖深度45m，墙厚1.5~2.5m）1）按基坑与主体结构施工顺序的分类顺作法逆作法顺逆结合法1.2.2支护结构与主体结构结合及逆作法主楼先顺作，裙楼后逆作裙楼先逆作，主楼后顺作中心顺作，周边逆作2）逆作法优点：ⅰ）楼板成为横撑，刚度大，省材料。ⅱ）地上、地下同时施工，缩短工期。ⅲ）以首层楼板为施工平台，节省施工空间。缺点：ⅰ）技术复杂，对施工要求高。ⅱ）逆作暗挖，作业环境差，影响结构质量。ⅲ）与主体结构关联度大，受主体结构进度的制约。半逆作全逆作适用条件：ⅰ）大面积开挖，可节省支撑。ⅱ）基坑周边环境复杂、敏感，可控制变形。ⅲ）施工场地紧张，节省空间。ⅳ）工期进度要求高，缩短工期。3）支护结构与主体结构（地下）的结合ⅰ）围护结构与地下室墙体的结合方式单一墙分离墙重合墙混合墙ⅱ）梁（板）与围护结构的连接“两墙（地下连续墙及地下室边墙）合一”时，地下连续墙与板之间的连接可按板的厚度（刚度）采用刚性连接和铰接两种方式。板的厚度较大时（相对于连续墙的厚度），可采用预埋钢筋接驳器、预埋钢筋等刚性连接方式，以承受弯矩；较小时，则采用预埋钢筋或剪力连接件等铰接方式。围护结构与地下室外墙相互分开时，从结构受力、构造要求及防水的角度出发，地下室外墙与其相邻梁板需同时浇筑，故外墙与围护结构之间有一定距离。此时需解决两个问题：一是围护结构与梁、板之间传力体系的设置，二是边跨结构二次浇筑接缝止水和传力体系穿外墙处的止水。混凝土型钢组合支撑混凝土型钢组合支撑ⅲ）临时立柱与结构柱临时支柱是指为满足基坑开挖过程中支护结构受力要求而设置的立柱，多采用角钢格构柱或钢柱，最终作为结构柱的一部分，“一柱一桩”是常用的方式。当临时立柱需承担更大荷载（常见于上部结构同时施工且楼层较高或局部荷载较大时），也可采用“一柱多桩”的形式，通常其施工较为复杂，经济性较差。4）工程实例ⅰ）南昌大学第二附属医院医疗中心大楼围护结构：钻孔灌注桩施工：全逆作ⅱ）上海世博500kV地下变电站工程基坑围护结构：地下连续墙+环向水平支撑;施工：半逆作基坑面积50000m2，开挖深度13.3m。若全顺作，临时支撑工作量大，造价高；全逆作，暗挖工作量大，出土困难。最终采用中心顺作，周边逆作的方法。②①③④⑥⑧⑦⑤⑤ⅲ）上海仲盛商业中心基坑上海国际广场二期基坑（逆作法）1.2.3各类支护方式的适用条件2.基坑工程设计计算方法2.3土钉墙计算2.5基坑变形计算2.1基坑设计原则和内容2.2基坑稳定性分析2.6基坑的时空效应2.4排桩、地下连续墙结构计算2.1.1原则2.1.2规划、设计、施工、监测内容（1）满足结构强度、变形、稳定性要求，保证周围环境安全。（2）较好的技术、经济和环境效应。（3）施工方便，安全。（1）建筑场地的水文地质条件勘查及周边环境调查。（2）支护体系方案技术经济比较和选型。（3）结构设计，强度、变形、稳定性检算，土体变形验算。（4）排水、降水设计，对周边环境的影响。（5）施工方案设计。（6）监测方案设计。2.1基坑设计原则和内容2.1.3基坑计算的主要内容基坑稳定性整体稳定性抗隆起稳定性抗倾覆、水平滑移稳定性（重力式支护）抗渗流、承压水稳定性支护结构内力变形截面尺寸及配筋（钢筋混凝土）变形地表沉降坑外土体变形坑底隆起降水和开挖引起降水和排水系统基坑计算嵌固深度（以桩、墙支护结构为例）2.2基坑的破坏形式及稳定性分析（1）开挖坡度过陡、土钉长度不够、桩（墙）入土深度偏浅，无法给土体提供足够的阻力，导致整体失稳破坏。（2）支护结构强度不够，在土压力作用下发生破坏，进一步导致土体的破坏。•常见诱因降雨或地表水的渗入基坑周边堆载振动2.2.1破坏形式（3）因地下水的渗流导致管涌、流砂，承压水导致突涌等导致基坑土层发生破坏。•各类支护结构的失稳破坏形式隆起破坏（1）土体失稳破坏入土深度不够或超挖入土深度不够锚杆长度不够分区开挖，放坡过陡（超大基坑）（2）支护结构破坏剪切破坏弯曲破坏（3）渗透性破坏坑底突涌管涌破坏涌砂内撑破坏锚杆破坏排桩支护基坑失稳破坏基坑失稳破坏基坑围护桩折断杭州地铁车站基坑破坏（2008年）杭州地铁车站基坑破坏（地下连续墙折断）止水帷幕渗漏，桩间流土地面塌陷基坑发生流土与地面塌陷基坑坑底承压水突涌自来水管接头漏水自来水接头爆管自来水管接头漏水导致的基坑破坏2.2.2稳定性分析要求：桩、墙等的嵌固深度、锚杆（锚索）的锚固长度应足够大，满足稳定性的要求。1）悬臂式2）单支点pkp1eaka1EzKEzpkp2eaka2EzKEz安全系数一级：≥1.25二级：≥1.2三级：≥1.15（1）支挡结构的嵌固深度验算主动土压力合力至底端的距离主动土压力合力至支点的距离建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）主动土压力被动土压力3）双排桩pkpGeakaEaGaKEa被动土压力合力主动土压力合力结构及桩间土自重之和paGaaa（2）整体稳定性验算k,vx,s,{[()cos]tan}[cos()]/()sinjjjjjjjjjkkkkijjjjclqbGulRsKqbGs,1s,2s,emin(,,...,,...)iKKKKv0.5sin()tankk下滑力矩抗滑力矩（土体）抗滑力矩（锚杆）瑞典圆弧滑动法（通过试算，确定最危险滑面，以及相应的安全系数）kk安全系数一级：≥1.35二级：≥1.3三级：≥1.25孔隙水压力锚杆与滑面的夹角切向分力抗剪强度（切向）增量（3）基底隆起稳定性验算m2dqebm1d0()lNcNKhlq安全系数一级：≥1.8二级：≥1.6三级：≥1.42otanqtan(45/2)Neeq(1)/tanNNm1d0()hlqm2dldl隆起破坏2.3土钉墙计算2.3.1土钉的受力特点（2）不同的滑面形式假设（1）土钉墙的受力主动区：土体通过摩阻力向土钉传递荷载。稳定区：土体通过摩阻力提供承载力。土钉上摩阻力方向直线滑面对数螺旋线滑面折线滑面复合型（3）土钉与锚杆受力特点的对比预应力锚索（锚杆）土钉轴向应力摩阻力轴向应力摩阻力锚索分自由段和锚固段，土钉是全长粘结的。在锚索的锚固段，锚索的轴力随锚固深度逐渐衰减，摩阻力与拉力反向。对土钉来说，在主动区，土体向坑内产生位移，通过摩擦力向土钉施加向坑内方向的拉力，因此土钉拉力随深度逐渐增长，直到滑面位置；进入稳定区后，土体为土钉提供摩阻力，拉力逐渐衰减。故土钉的轴力随深度由小到大，再减小，钉-土之间的摩擦力有正有负。滑面位置2.3.2土钉计算破坏形式：单个土钉从土中拔出。k,tk,jjRKNk,ak,,,1cosjjjxjzjjNpss•单根土钉所受的拉力（1）单根土钉抗拉承载力第j根土钉土压力土钉间距土钉与水平面的夹角安全系数一级:（不适用）二级：≥1.6三级：≥1.4ak,jpajEajE,xjs,zjsaab()jjzhba1aa1()()njjjnjjjhzEhzEaa11nnjjjjjEE轴向拉力调整系数（调整后土钉轴力之和保持不变）0.6~1.0hj主动土压力承载力拉力k,sk,1mjjiiiRdql•单根土钉的抗拔承载力2ommk11tantan45+2tan2tan2主动土压力折减系数1）土压力按基坑侧壁直立（=90o）时计算。非直立时，只有部分土压力需土钉承担，故1。2）基坑侧壁直立（=90o）时，=1。极限摩阻力hj滑动面m()/2ilsk,iq（2）土钉杆体受拉承载力ysjNfAj土钉滑动面