深基坑工程(高大釗)

1、深基坑工程,同濟大學 高大釗2008年3月,內 容,深基坑工程在我國的發(fā)展逆作法與凍結法的應用基坑工程的失效模式與案例深基坑工程方案設計,在我國，深基坑工程是最近20多年中迅速發(fā)展起來的一個領域。 以前的幾十年中，由于建筑物的高度不高，基礎的埋置深度很淺，很少用地下室，基坑的開挖一般僅作為施工單位的施工措施，最多用鋼板樁解決問題，沒有專門的設計，也并沒有引起工程界太多的關注。,20多年來，由于高層建筑

2、、地下空間的發(fā)展，深基坑工程的規(guī)模之大、深度之深，成為巖土工程中事故最為頻繁的領域，給巖土工程界提出了許多技術難題。 因此也是巖土工程中發(fā)展最為活躍的領域之一，成為巖土工程的技術熱點和難點。,技術難點：1.　土力學的強度、變形、滲透三大課題全部都出現(xiàn)；2.　施工因素的影響既巨大而又具有非常的不確定性；3.　各種破壞模式相互交叉，互為因果，設計計算模式的不清晰性；,熱點：1.　事故的頻率高，災害的涉及面寬，對社會的

3、影響非常大，引起政府和社會的高度關注；2. 工程費用占造價的比例高，業(yè)主對基坑工程的壓價，方案不合理和安全度過低是高事故率的潛在因素；3.　施工方過度追求高速度和低成本是高事故率的直接引發(fā)因素。,通過20多年的工程實踐和業(yè)內人士的努力，學術研究和工程研發(fā)非?；钴S，在深基坑工程領域中，取得了很大的進展，主要表現(xiàn)為下面幾個方面：,1. 設計思想的更新2. 施工技術的發(fā)展3. 設計方法的進步4. 管理制度的建立5. 標準化工

4、作的開展,深基坑工程領域的進展,設計思想的更新,1.深基坑工程的設計是一個相對獨立的設計項目或設計階段；2.深基坑工程設計包括方案設計和施工圖設計兩個階段，方案設計階段的工作是決定性的環(huán)節(jié)。基坑工程設計的條件很大程度上取決于施工，基坑工程設計與施工組織設計的關系異常密切，在方案設計時必須統(tǒng)一考慮；,3.深基坑工程設計不僅要滿足地下室施工空間和安全的要求，而更重要的是必須滿足保護環(huán)境的要求；4.深基坑工程設計應滿足強度和變形兩種極限狀

5、態(tài)，在許多情況下，由于環(huán)境條件的限制，滿足變形控制的要求比滿足強度和穩(wěn)定性的要求更為嚴格，基坑工程的成敗經常取決于變形控制。,5.地下水是控制基坑工程性狀的重要條件，水壓力占作用于圍護結構側向壓力的重要部分，地下水的動水壓力和滲透破壞常常是基坑工程失效的主要原因，地下水影響是基坑工程設計中不確定性最大、控制最困難的問題。,施工技術的進步,這里講的是綜合性的施工技術，施工技術的進步帶動設計、檢測等方法的進步。逆作法凍結法SMW工法,

6、設計方法的進步,1.      符合兩墻合一使用要求的設計方法 “兩墻合一”是指圍護結構同時作為地下主體結構一部分，即圍護結構墻與地下室外墻合一?！皟蓧弦弧笔浅浞职l(fā)揮地下連續(xù)墻承載作用的一種設計思路，具有很大的經濟意義，是地下連續(xù)墻作為圍護結構的發(fā)展方向，正在一些重要的工程中采用。采取兩墻合一設計的基坑工程，在設計方法上不同于一般的圍護結構設計，對于承載、防滲、結構連接都提出了非常高的要

7、求，推動了基坑工程圍護結構設計方法的發(fā)展。,2. 深基坑工程數(shù)值計算方法的發(fā)展 作用于柔性結構上的土壓力實際上是結構與土共同作用的響應，采用有限元方法在原理上可以解決這類問題的計算，在實現(xiàn)中還有各種困難需要進一步去解決，20多年來深基坑工程的數(shù)值解計算方法得到了長足的進步。,3.  計算軟件及商業(yè)化開發(fā)研究 深基坑工程的設計計算的內容和要求日益提高，已經必須依靠計算機才能實現(xiàn)深基坑工程設計的計算工作要求。于是，

8、計算程序的開發(fā)研究有了很大的發(fā)展，形成了一些商業(yè)化的計算軟件。 但計算軟件只能作為一種工具和手段，garbage in to，garbage out. 正確的方法應當是計算加工程判斷。不能盲目地依賴計算軟件。,上海力學學會舉行的一次深基坑工程計算軟件考核,開挖深度為15m的3層地下室基坑采用1000mm厚的地下連續(xù)墻三道鋼筋混凝土支撐支撐的尺寸、位置平面布置都統(tǒng)一規(guī)定土層的設計參數(shù)和地面荷載也都統(tǒng)一規(guī)定,,,,

9、,,,管理制度的建立,許多主要的城市都先后建立了不同形式的機構，規(guī)定了深基坑工程的設計方案必須經過評審，這一制度的建立為深基坑工程走向健康的發(fā)展提供了制度的保證。,標準化工作的開展,20年來，在總結工程經驗的基礎上，許多城市編制了地方的深基坑工程技術規(guī)范，二本全國性的深基坑工程技術的行業(yè)標準，初步確立了我國深基坑工程的標準化體系，給深基坑工程的設計和施工有章可循，有法可依?！　〉诙喌囊?guī)范修編工作正在開展，總結十余年來的經驗。,逆作法

10、與凍結法的應用,深基坑工程的逆作法,逆作法是地上和地下同時施工的方法，又稱為逆筑法。逆作法利用先施工的地下連續(xù)墻和中間支承柱承受荷載，從地面逐層下挖并從上到下地完成地下室的梁板、樓面工程，利用上一層的樓板結構作為下一層開挖時的支撐，逐層交替開挖與澆筑樓板結構；與此同時，逐層向上建造上部結構，使地面上和地下可同時進行施工。因此，可以縮短工期，降低造價，是一種合理的建筑方法，具有明顯的經濟效益。,1935年日本首次提出逆作法施工的概念，經歷

11、了60余年的研究與工程實踐，目前已應用于高層建筑的多層地下室、大型地下商場、地下車庫、地鐵、隧道和大型變電站及污水處理池等構筑物?！　H上采用逆作法建造的地下建筑：最大的是東京八重洲地下街，共３層，建筑面積７萬m2；最深的地下街是莫斯科切爾坦沃住宅小區(qū)地下街，深達70~100m;最高的地下綜合體是德國慕尼黑卡爾斯廣場綜合體，共６層。,1994年日本新建的高層建筑中，地下結構有18.2%采用逆作法施工?！　?965~1989年，德國

12、慕尼黑地鐵共建57座地鐵車站中，20座采用逆作法施工?！　∥覈谧罱?0余年來，在北京、上海、遼寧、深圳、廣州等地推廣了逆作法施工技術，有60多項工程項目的地下結構采用了逆作法施工。,逆作法施工的基本概念圖示,,,,,,,,,,1. 縮短工程施工的總工期2. 基坑變形小，相鄰建筑物的沉降小3. 可節(jié)省地下室外墻及外墻下工程樁費用4. 使底板設計趨向合理5. 可節(jié)省支撐費用6. 可最大限度利用紅線內的地下空間,逆作法的特點,縮

13、短工程施工的總工期,帶多層地下室的高層建筑，如采用傳統(tǒng)方法施工，其總工期為地下結構的工期加地上結構的工期，再加裝修等所占的工期。,采用逆作法施工，一般情況下只有地下一層占絕對工期，其他各層地下室可與地上結構同時施工，不占絕對工期，因此可以縮短工程的總工期。,,,,地下一層,地下地上同時施工,裝修,日本讀買新聞社大樓，地上９層，地下６層，用封閉式逆作法施工，總工期只用了２２月，比傳統(tǒng)施工方法縮短工期６個月。 法國巴黎拉弗埃

14、特百貨大樓，６層地下室，用逆作法施工，工期縮短1/3。 廣州新中國大廈，地上４３層，地下５層，平均開挖深度１９ｍ，采用逆作法施工，工期縮短１１個月。,基坑變形小，相鄰建筑物的沉降小,采用逆作法施工，是利用逐層澆筑的地下室結構作為圍護結構的內支撐。與臨時支撐相比，地下結構的剛度大得多，所以，圍護結構的變形小得多，相鄰建筑物的變形也小得多。 同時，由于中間支承柱的存在，底板增加了支點，澆筑后的底板成為多跨的連

15、續(xù)板結構，減少了隆起。,德意志聯(lián)邦銀行大樓用逆作法施工；而聯(lián)邦德國國家銀行總部大樓的深度相同，用地下連續(xù)墻加五層土錨的傳統(tǒng)方法施工。兩者的比較如下：,逆作法有七個“小”的特點,墻前水平位移?。粔蟪两敌。豢拥茁∑鹦。徊町愖冃涡?；樓板應力?。煌翂毫π?；墻體應力小。,可節(jié)省地下室外墻及外墻下工程樁費用,多層地下室采用常規(guī)的支護結構，包括錨桿與內支撐，都需要圍護樁或圍護墻，錨桿或內支撐，花費的工程費用很可觀?！　〔捎媚孀鞣ㄊ┕ぃ?/p>

16、要求圍護墻也能發(fā)揮永久性結構的承重作用，材料得到充分的利用，節(jié)省了地下室外墻與外墻下工程樁的費用，據(jù)分析可以節(jié)省地下室工程造價的1/3左右。,順作法施工,逆作法施工,使底板設計趨向合理,鋼筋混凝土底板要滿足抗浮要求。用傳統(tǒng)方法施工時，底板的支點少，跨度大，上浮力產生的彎矩大，有時為了滿足施工時的抗浮要求，而需要加大底板的厚度，或增強底板的配筋。用逆作法施工時，底板的支點增多，跨度小，彎矩比較小，底板的設計可以更為合理。,可節(jié)省支撐費用

17、,深度大的多層地下室，用傳統(tǒng)方法施工時，為了減少支護結構的變形，需要設置強大的內支撐或錨桿，消耗大量的材料，費用相當可觀。用逆作法施工，利用地下室的梁板系統(tǒng)來支撐圍護結構，可以不設置臨時的支、錨體系，節(jié)省材料，不需要拆撐，縮短工期，避免污染環(huán)境。,可最大限度利用紅線內的地下空間,多層地下室采用傳統(tǒng)方法施工時，在地下室外墻與紅線之間必須留有支護結構截面尺寸和施工操作面所必要的距離，縮小了地下室的建筑面積。采用逆作法施工時，在滿足室外管

18、線或構筑物布置的前提下，作為地下室外墻的地下連續(xù)墻可以緊靠建筑紅線。,,,,,,,,,,,,,,逆作法施工的一些代表性工程,上海寥創(chuàng)興金融中心上海仲盛商業(yè)中心廣州新中國大廈上海世博500kV地下變電站,上海寥創(chuàng)興金融中心,主樓37層，裙房3層，5層地下室，基坑平均開挖深度22.4m，地下室每層面積4000m2。,地下連續(xù)墻厚度1000mm，深度35m?！　〉叵逻B續(xù)墻與中柱樁之間，中柱樁之間的差異變形不超過20mm和1/400柱距

19、，使樓板不致產生裂縫。　　墻體側斜孔的最大位移20.01~34.59mm之間。　　地下連續(xù)墻頂?shù)乃轿灰坪芪⑿《鴽]有測到?！　〉叵逻B續(xù)墻頂?shù)呢Q向位移6.1~15.4mm之間。,地下連續(xù)墻后的土體水平位移18.84~21.65mm之間?！　≈屋S力和樓板應力均控制在設計允許范圍以內?！　≈屋S力86kN~392kN之間?！　前鍛?.01kN~5.41kN之間?！　≈兄鶚兜穆∑鹱冃?3.5mm~29.9mm之間。,上海仲盛

20、商業(yè)中心,地上五層，地下三層。基坑面積50000m2，開挖深度13.5m。,,,中心島順作，三級放坡，周邊環(huán)板一層逆作；地下連續(xù)墻兩墻合一；基坑外側采用卸土放坡；,廣州新中國大廈,地上13層，地下5層，開挖深度19m，工程占地7343m2。地下連續(xù)墻厚度800mm，深度25m。布置了6個深度為22ｍ的降水井。采用逆作法，工期比順作法減少11個月。,上海世博500kV地下變電站,上海世博500kV地下變電站，開挖深度34m，

21、基坑面積13000m2，地下結構外墻外壁直徑130m?！　〔捎玫叵逻B續(xù)墻兩墻合一，地下連續(xù)墻厚度1200mm，結構梁板代替水平支撐，環(huán)形臨時支撐，逆作法施工。,,,上海市的逆作法工法簡介(YJGF02-96),1.工法特點2.工藝原理3.適用范圍4.施工工藝5.質量標準6.機械設備7.施工安全8.工程實例及效益分析,工法特點,利用柱下樁和地下連續(xù)墻作為逆作法施工期間承受地上、地下結構荷載和施工荷載的構件，利用地下室樓板

22、作為基坑施工的支撐。首層樓板結構完成以后，在樓板下挖土，采用土模承重法澆筑下一層樓板。循環(huán)采用上述方法繼續(xù)施工。,工藝原理,先沿建筑物周圍施工地下墻，在建筑物內部按柱網(wǎng)軸線施工柱下支承樁。然后進行地下首層施工，完成后同時施工地下、地上結構。待大底板完成后，再進行復合柱、復合墻的施工。,施工工藝（要點）,按設計圖紙要求，埋設地下結構相關節(jié)點的鋼板及連接鋼筋；暴露節(jié)點后按設計要求清理、焊接。　　結構沉降差控制，對地下連續(xù)墻底部和柱

23、下樁的底部進行注漿；　　根據(jù)靜載荷試驗曲線，計算各工況的沉降，得出在極限沉降差范圍內的上部結構可能施工的層數(shù)；　　進行沉降觀測，擬合荷載～沉降關系，預測施工過程中的沉降差，控制施工。,凍結法施工,利用人工制冷技術，使土層中的水結冰將天然土變成凍土以增加其強度和穩(wěn)定性，凍結加固均勻完整，形成一道凍土墻，不僅可以承受水土壓力和基坑開挖過程中的各種施工荷載，而且可作為一道防水性很好的止水帷幕，發(fā)揮圍護結構的作用，在凍土墻的保護下進行地下結

24、構的施工。凍結法施工在采礦工程中已經得到了廣泛的應用，進行了大量的試驗研究，積累了豐富的經驗。但用于深基坑工程則是近幾年的發(fā)展。,人工凍結法的應用開始于19世紀。1883年，德國阿爾里德煤礦井筒施工中首次應用凍結法并獲得成功。　　1886年，瑞典24ｍ長的人行隧道建設工程中，首先將凍結法應用于城市土木工程?！　?00多年來，人工凍結法在各種工程建設中得到了應用，解決了許多困難的施工問題。,德國多塞道夫中心火車站附近，擴展的地鐵要經過

25、居民建筑和鬧市街道，隧道頂部離建筑物基礎只有很小頂距離，在三段40m長的隧道施工中成功地采用了人工凍結法。　　日本名古屋建造地下輸電隧道時，在兩個隧道地連接處，成功地應用了人工凍結法技術。,70年代，北京地鐵建設時首次采用人工凍結法，凍結段長90m，深度28m?！　?975年，沈陽地鐵２號井采用凍結法施工，井筒直接7m，凍結深度51m?！　?992年、1998年上海地鐵施工中成功采用凍結法施工技術，現(xiàn)在已經成為成熟的施工方法，用以

26、區(qū)間隧道的修筑旁通道?！　?997年北京復八線采用凍結法加固隧道頂部土層。,凍結技術用于基坑工程的可行性取決于設計要求、現(xiàn)場及工程項目的限制條件。其中，地質條件和水文條件是評價凍結法可行性的兩個重要因素。當?shù)叵滤魉傩∮?.5m/d時采用凍結法是可行而且是經濟的；水質、水溫是決定凍結法費用的重要因素，對于含鹽量高的土，凍結成本會提高。凍脹可能引起地層移動，但并非人們想象的那么大，這在上海和北京的地鐵應用凍結法施工中已有證實，可以通過速

27、凍和泄壓等方法減少凍脹量。,潤楊大橋南錨碇,潤楊大橋南汊橋采用跨徑1490m雙塔單跨雙鉸鋼箱梁懸索橋。２根6.8×105kN的拉力通過錨碇及重力嵌巖基礎傳至地基。　　基巖為風化花崗巖，全風化層和強風化層分布不均勻，場地地下水位1.8~2.2m，區(qū)域賦存第四系孔隙微承壓及基巖裂隙微承壓兩大含水層組。,南錨碇凍結排樁圍護體系是以含水地層凍結形成的凍結帷幕為基坑的封水結構，以排樁及內支撐體系為抵抗水土壓力的承力結構，形成了新的圍護

28、技術，較好地解決了基坑圍護結構的嵌巖及封水問題?！　″^碇的平面尺寸70.5×52.5m，基坑開挖到基巖，深度29m，采用鉆孔排樁擋土，1.3m厚的凍土薄壁隔水，“排樁凍結法”。　　排樁直徑1.5m，中心距1.7m，樁長35m，嵌巖6m。,凍結帷幕布置在外側，采用單排凍結孔凍結封水，與排樁插花布置，凍結孔深40m，凍結帷幕入巖11m。 先澆排樁結構，再在外側凍土。為了降低凍脹力對排樁結構的不利影響，在凍結帷幕

29、外設置288個直徑25cm的卸壓孔。開挖過程中，實測凍脹力0.0907MPa衰減到0.0576MPa。從0°～－4°凍脹力增加到幅度最大，低于－4°以后變化很小。,北京復八線地鐵,區(qū)間隧道施工時，拱頂遇到飽和含水的粉細砂層，此段隧道地處格貿立交橋下，又有多條地下管線，為了確保地下管線和地面交通的安全運行，采用隧道內水平凍結法施工，水平距離45m。設計凍結壁厚1.2m，平均溫度-10°C，凍結粉細

30、砂持久抗壓強度6MPa，抗彎強度2.5MPa。,,基坑工程的失效模式與案例,深基坑工程的技術要求與類型失效的若干案例 地下連續(xù)墻的垮塌 拱圈圍護結構的垮塌 引水渠道基坑開挖邊坡失穩(wěn) 土釘墻的垮塌基坑工程的失效模式,深基坑工程的技術要求,深基坑工程是指包括基坑開挖、降水和支護結構設計、施工與監(jiān)測在內的總稱。支護結構則由包括具有擋土、止水功能的圍護結構和維持圍護結構平衡的支、錨體系兩部分組成；支、錨體系是指內支撐

31、體系或錨桿體系，內支撐體系由支撐、圍檁和立柱等構件組成，錨桿體系則由錨桿、腰粱和臺座等組成。,對深基坑工程的技術要求包括：一 深基坑工程的功能要求1. 擋土功能為地下室施工創(chuàng)造安全的施工面2. 止水功能為地下室施工創(chuàng)造干燥的施工面3. 作為地下結構外墻的使用功能地下室施工結束后成為地下室的結構外墻,二 環(huán)境保護與處理相鄰關系的要求1. 控制圍護結構位移和坑底隆起對環(huán)境的影響通過減小變形保護相鄰建筑物2

32、. 控制降低地下水位對環(huán)境的影響減少坑外地下水位的變化3. 控制土錨對相鄰場地的影響保護相鄰場地的地下資源的使用權,深基坑圍護結構的類型,按功能劃分 按圍護結構剛度劃分 按圍護結構保持穩(wěn)定方式劃分 按圍護結構的施工工藝與材料劃分,按功能劃分,按圍護結構功能劃分為臨時性結構和兼有永久性結構功能（兩墻合一）兩類。 臨時性圍護結構的功能比較單一，設計時只要滿足施工圍護結構的擋土、止水和環(huán)境保護的要求；永久性結構除了滿足

33、上述施工圍護結構的要求外，還應滿足作為永久性結構的許多要求，例如傳力、協(xié)調變形、防滲等要求。同時還要處理與地下室梁、板、柱的連接構造，對圍護結構的變形也有更嚴格的要求。,按圍護結構剛度劃分,按圍護結構材料本身的傳力特性可以分為剛性結構和柔性結構兩類。剛性結構圍護體材料的抗拉強度很低，一般不考慮承受彎矩，其變形的特點主要是平移和轉動，當發(fā)生撓曲變形時很容易出現(xiàn)開裂；柔性結構圍護體材料能承受較大的彎矩和拉應力，因此可以容許發(fā)生較大的撓曲

34、而結構不出現(xiàn)裂縫。,按圍護結構保持穩(wěn)定方式劃分,自立式圍護結構可以不依靠支撐或錨桿的傳力作用而保持其平衡，按照保持穩(wěn)定的機制可以分為重力式和懸臂式兩類。重力式圍護結構依靠自身的重力所形成的穩(wěn)定力矩和摩阻力來抵抗土壓力所引起的傾覆和滑移；懸臂式則依靠插入深度范圍內土的嵌固作用維持穩(wěn)定。支錨式圍護結構則需要依靠內支撐或土錨才能保持圍護結構的穩(wěn)定。,重力式圍護結構,懸臂式圍護結構,土錨或拉錨,,內支撐體系,按圍護結構施工工藝與材料劃分,按圍

35、護結構的施工工藝與材料劃分可分為以水泥穩(wěn)定土為材料的水泥攪拌樁，以鋼為材料的鋼板樁和以鋼筋混凝土為材料的鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻或鋼筋混凝土板樁。,圍護結構的受力性能與材料密切有關。用水泥攪拌樁做成的壩體是剛性的、自立式的。用鋼材或鋼筋混凝土制成的圍護結構是柔性的，一般需要采用支錨體系來維持其穩(wěn)定。但鋼筋混凝土地下連續(xù)墻也可以做成如圖所示的重力式圍護結構；水泥攪拌樁可以加勁性的型鋼成為柔性的圍護結構（SMW工法），也可以用作柔性的排樁式圍

36、護結構的止水帷幕。,基坑工程失效案例,地下連續(xù)墻的垮塌,,基坑面積2600m2，周邊長度260m，開挖深度12.35m，采用600mm厚、24m深的地下連續(xù)墻，設四道支撐，第一道鋼筋混凝土支撐，其余為609mm的鋼管支撐,,,,,,,幾點教訓,設計：荷載用標準值，抗力用設計值，設計表達式兩端不匹配，降低了安全度。鋼支撐直接支承在與其斜交的地下連續(xù)墻上，沒有用圍檁，更無平衡剪力垛。施工：未按設計圖紙的要求施工，包括超挖、不及時支撐，坑底

37、沒有加固。,監(jiān)測：沒有及時發(fā)現(xiàn)險情，沒有發(fā)出警報。管理：鄰近工程的負責人發(fā)現(xiàn)問題，向這個項目的經理提出忠告，但項目經理卻置若罔聞，沒有引起警覺。事故發(fā)生前晚，已發(fā)現(xiàn)預兆，但沒有及時采取工程措施搶險。,拱圈圍護結構的垮塌,,拱圈逆作法,拱圈逆作法的主要問題,１．大面積的建筑基坑平面受力狀態(tài)不同于圓拱的受力條件；２．從上而下修筑的欄墻沒有插入深度，對于敞開開挖的施工條件，會發(fā)生從底部涌入坑內的塑性流動；２．止水措施不足以阻止地下水從坑

38、外向坑內流動。,,,,,引水渠道基坑開挖邊坡失穩(wěn),4孔箱涵，單孔尺寸為3.25m?3.60m，總長75m地面標高＋4.2~4.7m，設計基坑底面標高－5.33m，開挖深度近10m按三級放坡，從上至下依次為1:1.5 、 1:2 和1:3，變坡處留1.0m寬的馬道二級輕型井點降水采用水沖法施工，泥漿沉淀池設置在基坑頂部南北兩側，距基坑外緣12m～15m,10m高的土坡滑動,滑坡發(fā)生在挖到基坑底面，澆筑墊層后，正在綁扎箱涵的鋼筋時

39、沒有進行任何的位移觀測，因此沒有發(fā)現(xiàn)滑坡的預兆，突發(fā)性的事故塌入基坑中的土方5000立方米，泥面涌高6m第一級井點向基坑中移動13m,,,事故分析,1. 10m的高差形成的壓力差超過了軟土的承載能力；2. 由于坡面非常平緩，滑動的形式是深層滑動，以中點圓的形式破壞；,3. 卸載引起負的孔隙水壓力，產生強度較高的假象，隨著負壓的消散，土的抗剪強度降低，滑坡并不發(fā)生的開挖的同時，而滯后一定的時間；4. 沒有進行監(jiān)測的教訓。

40、,土釘墻的垮塌,,陽角處土釘墻的破壞,鋼支撐圍護結構的失穩(wěn),,,不同類型圍護結構接頭處及深、淺坑之間支檔墻的失穩(wěn),,,基坑工程的失效模式,基坑工程的失效模式,1. 整體失穩(wěn) 2. 坑底隆起 3. 圍護結構傾覆失穩(wěn) 4. 圍護結構滑移失穩(wěn) 5. 圍護結構底部地基承載力失穩(wěn) 6. “踢腳”失穩(wěn) 7. 止水帷幕功能失效和坑底滲透變形破壞8. 圍護結構的結構性破壞9. 支、錨體系失穩(wěn)破壞,整體失穩(wěn),

41、整體失穩(wěn)是指在土體中形成了滑動面，圍護結構連同基坑外側及坑底的土體一起喪失穩(wěn)定性，一般的失穩(wěn)形態(tài)是圍護結構的上部向坑外傾倒，圍護結構的底部向坑內移動，坑底土體隆起，坑外地面下陷。,,坑底隆起,坑底隆起是指坑底土體產生向上的塑性變形。基坑開挖以后，坑底向上位移的原因有兩種，一是卸載引起的回彈，其數(shù)值較??；另一種是在開挖引起的壓力差作用下土體中產生的塑性變形，這種變形如果數(shù)量較大，表示土體中的塑流已經比較嚴重，如果圍護結構和內支撐能形成整體

42、性好的體系，則塑流僅引起坑外地面下沉，影響環(huán)境安全；如果是自立式結構或節(jié)點強度差的支撐體系，隆起可能是整體失穩(wěn)的前兆；如果穩(wěn)定性不能得到有效的控制，就會發(fā)生整體性失穩(wěn)。,圍護結構傾覆失穩(wěn),圍護結構的傾覆失穩(wěn)主要發(fā)生在重力式結構或懸臂式圍護結構，重力式結構在坑外主動土壓力的作用下，圍護結構繞其下部的某點轉動，圍護結構的頂部向坑內傾倒。抵抗傾覆失穩(wěn)的力矩主要由圍護結構自身的重力形成，坑底的被動抗力也是構成抵抗力矩的因素。關于轉動中心的位置有

43、不同的看法，傳統(tǒng)的方法是將轉動中心放在圍護結構的前趾，但也有認為繞前趾上面或下面的某一點轉動比較合理，特別的軟土地區(qū)由于基底土比較軟弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。,圍護結構滑移失穩(wěn),圍護結構的滑移失穩(wěn)亦主要發(fā)生在重力式結構中，在坑外主動土壓力的作用下，圍護結構向坑內平移。抵抗滑移的阻力主要由圍護體底面的摩阻力以及內側的被動土壓力構成。當坑底土軟弱或圍護結構底部的地基土軟化時，墻體發(fā)生滑移失穩(wěn)。,圍護結構底部地基承載力失穩(wěn),重力式圍護

44、結構的底面壓力過大，地基承載力不足引起的失穩(wěn)。由于在圍護結構的外側還作用著土壓力，因此其合力是傾斜的。在傾斜荷載作用下，地基土發(fā)生向坑內的擠出，圍護結構產生不均勻的沉降，可能導致部分圍護結構的開裂損壞。,,“踢腳”失穩(wěn),在單支撐的基坑中，可能發(fā)生撓支撐點轉動，圍護結構上部向坑外傾倒，圍護結構的下部向上翻的失穩(wěn)模式，故形象地稱為“踢腳”失穩(wěn)。在多支撐的圍護結構中一般不會產生踢腳失穩(wěn)，除非其它支撐都已失效，只有一道支撐起作用的情況。,止水帷

45、幕功能失效和坑底滲透變形破壞,止水帷幕喪失擋水功能，產生滲漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，導致鄰近建筑物的開裂和損壞。引起圍護結構止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是設計因素和材料的因素。由于施工質量低劣，止水帷幕有空洞或裂縫，成為漏水的通道是最普遍的現(xiàn)象；止水帷幕設計過短，沒有全部切斷透水層也是漏水的可能原因。,由于止水帷幕失效產生過大的水力坡降引起坑底滲透變形破壞。坑內采用排水或降水措施后，造成了坑

46、內外的水頭差，地下水在水頭差的作用下向坑內滲流，在滲流出口處土的細顆粒被帶出，或土顆粒處于懸浮狀態(tài)涌出。這種由滲透引起的破壞因破壞機理不同而有不同的名稱，如管涌、流砂或流土。如不及時制止，由滲透變形引起的坑外土體的位移和陷落是嚴重的。,圍護結構的結構性破壞,圍護結構的結構性破壞是指圍護體本身發(fā)生開裂、折斷、剪斷或壓屈，致使結構失去了承載能力的破壞模式。 結構性損壞的原因可能是方案性的錯誤，如支撐體系不當或圍護結構不閉合；也可能是設計計

47、算時荷載估計不足或結構材料強度估計過高，支撐或圍檁截面不足導致破壞；此外，結構節(jié)點處理不當，也會因局部失穩(wěn)而引起整體破壞，特別在鋼支撐體系中，節(jié)點多，加工與安裝質量不易控制。節(jié)點處理包括支撐和墻體的連接處，如不設置圍檁或連接強度不夠。,支、錨體系失穩(wěn)破壞,支錨體系的失穩(wěn)破壞包括兩種不同的破壞模式。錨桿的破壞主要表現(xiàn)為錨桿的拔出、斷裂或預應力松弛，土錨的破壞大多是局部的，群錨的破壞實際上是土體的失穩(wěn)而并非是錨桿的結構性破壞；支撐的失穩(wěn)很可

48、能是整體性的，其形態(tài)因體系不同而不同，支撐體系大多是超靜定的，局部的破壞會造成整體的失穩(wěn)，尤其是鋼支撐體系，局部節(jié)點的失效概率比較大。,,,深基坑工程方案設計,方案設計與施工圖設計,深基坑工程設計一般分為總體方案設計和施工圖設計兩個階段，總體方案設計的任務是根據(jù)主體工程的性質和對地下室的使用要求、場地工程地質和水文地質條件、相鄰環(huán)境對基坑施工的制約程度等因素，選擇合適的圍護結構與支撐體系、協(xié)調基坑工程與主體工程的關系、控制環(huán)境質量，為施

49、工圖設計和基坑施工組織計劃提供控制性方案。,基坑工程方案設計,1） 確定開挖方案，包括地下水的處理方案；2） 選擇圍護結構的類型；3） 選用土層錨桿或內支撐，選擇支撐材料；4） 對土層錨桿或內支撐進行平面和豎向布置，包括圍檁和立柱的布置；,5） 進行各項穩(wěn)定驗算和結構內力計算以確定圍護結構、支撐、圍檁或錨桿的材料強度和截面尺寸，確定是否需要加固坑底；進行降水的控制性計算；6）&#

50、160;進行變形驗算以檢驗是否滿足環(huán)境要求；7） 對施工方案提出要求；8） 進行多方案的技術經濟比較，優(yōu)選方案。,基坑圍護設計的依據(jù),深大基坑的設計是一項綜合性的設計工作，它與上部結構（包括地下室）設計、工程地質勘察、地下室施工方案以及周圍的自然環(huán)境、工程環(huán)境和社會環(huán)境都有密切的關系，因此，在基坑工程設計時必須具備下列幾個方面的資料：,基坑工程設計必需的資料,主體結構設計圖紙 工程勘察報告環(huán)境調查資料基坑周

51、邊地區(qū)建筑物情況基坑周邊地區(qū)市政設施情況基坑周邊地區(qū)道路情況基坑工程施工條件,方案設計討論及案例,開挖方案的選擇選擇圍護結構的類型支錨體系的選擇支撐的平面布置支撐和錨桿的豎向布置立柱的設置降水,開挖方案選擇,放坡開挖 無支撐開挖 重力式擋墻 懸臂式擋墻 錨固式擋墻有支撐的開挖 組合型的開挖方案,放坡開挖,放坡開挖的直接費用最少，而且為主體工程創(chuàng)造了比較寬敞的施工作業(yè)空間，因而工作面寬

52、，工期也比較短，如果場地條件允許，放坡開挖應該是首選的方案。制約采用放坡開挖的因素主要是周圍場地和開挖深度的限制。放坡需要占用比較大的場地，在城市或建成區(qū)往往沒有這個條件。,如整體穩(wěn)定性允許，可以采用放坡開挖方案時。但有時受場地的限制，只能取用較陡的坡度；如坡面的穩(wěn)定性不能得到保證時，則可采用噴錨支護或土釘墻的方案。噴錨支護和土釘墻從受力機理上講不同于無支撐的自立式擋墻，而是屬于坡面加固處理的一種方法，通過加強土體共同受力的方式來保持坡

53、面的穩(wěn)定性，屬于自承支護體系。如果坑底土質比較差，整體穩(wěn)定性不足，則噴錨支護和土釘墻的方案就不能采用。,無支撐開挖,當不能采用放坡開挖方案時，必須選用圍護結構以支承坑外的土體。在可能的條件下應盡可能采用無支撐開挖的方案，因為這種方案能提供比較開闊的坑內施工條件，便于挖土、運土以及地下室的施工；同時，也比較經濟。,重力式擋墻,重力式擋墻是依靠自身的重力維持其穩(wěn)定的圍護結構，由于可以采用價格比較低廉的水泥土等材料制作，是一種比較經濟的方案。

54、在開挖深度不大（如軟土地區(qū)不大于6～7m），環(huán)境對位移的要求可允許有50mm左右的條件下是首選方案，但重力式擋墻的寬度比較大，在地下室外墻與紅線之間的距離過小時就很難放得下寬度較大的重力式擋墻。,懸臂式擋墻,懸臂式擋墻是依靠自身的剛度和強度就能維持其穩(wěn)定的圍護結構，由于圍護結構承受比較大的彎矩，需要采用鋼筋混凝土材料。當重力式擋墻因場地寬度不夠而不能采用時，懸臂式擋墻就能克服這個缺點，可以在1.5～2m的狹窄范圍內安置懸臂式擋墻。但懸臂

55、式擋墻的位移比較大，難以滿足周邊環(huán)境的嚴格要求，同時在開挖深度較大時墻身彎矩很大，因此適用的開挖深度也不深；使用條件不當時可能產生圍護結構損壞或嚴重影響環(huán)境的事故。,錨固式擋墻,錨固式擋墻是依靠錨桿傳遞的拉力來維持其穩(wěn)定的圍護結構，對于深基坑可以采用多道錨桿來平衡土壓力，因而可以適用于開挖得很深的基坑。錨固式擋墻分為拉錨式和土層錨桿式兩種，拉錨常用于鋼板樁頂部的錨固，或作為輔助的錨固措施；土層錨桿要求具有比較好的地質條件，同時還必須有足

56、夠開闊的場地條件或者容許錨桿可以伸入紅線以外的土層中。在軟土地區(qū)，由于土層缺乏足夠的錨固力而很少采用錨桿，如將錨桿錨固在很深的砂層中，則錨桿的長度很長，也就不是一個經濟的方案。,有支撐的開挖,在不具備采用土層錨桿條件的場地，深基坑只能采取有支撐開挖的方案，但是深基坑的平面尺寸一般都比較大，給支撐的設置帶來了困難；由于支撐和挖土的工序互相交叉，形成許多各具特色的支護開挖方案。,分層開挖分層支護法,這是最基本的方法，按照結構受力分析和便于施

57、工的原則布置每道支撐（或錨桿）的位置，在深度方向分層挖土與支撐設置交替施工。挖第1層土 澆筑第1道支撐 挖第2層土 澆筑第2道支撐 挖第3層土 澆筑底板。,,,,,,,工況1,工況2,工況3,工況4,工況5,工況6,設計時要按照上述工況進行分別驗算，施工時要嚴格按照設計規(guī)定的程序實施，才能保證圍護結構的穩(wěn)定性和控制變形。在平面上按設定的挖土與設置支撐流程由一側向另一側推進，也可以由中部向兩側推進，

58、但每一層作業(yè)作為一個工況考慮進行計算，忽略平面上流程的時間差對圍護結構受力的影響。,中心島法,對于平面面積很大的基坑，采用分層開挖、分層支護的方法在技術和經濟上都不太合理。由于支撐的長度很長，為了增大支撐剛度，需要加大支撐截面和側向支撐，使支撐的造價很高，而且一層平面的挖土量也很大，前后延續(xù)的時間比較長，這就需要在平面上加以劃分。,中心島法是平面劃分的一種考慮，它結合將厚底板分設后澆帶的劃分，將平面分成兩個部分，中心部分先施工，此時先施

59、工的面積比較小，而且具有放坡的余地，可以在坑內按照放坡辦法施工，在中心部分澆筑底板以及地下室的部分結構（如核心筒、剪力墻或柱）以后，再分層開挖四周的留土，分層將支撐連接到已建成的底板或地下室的構件上去。,,第一階段，放坡，澆筑中間部分地下室第二階段，對周圍部分采用分層開挖分層支撐方法施工,組合型的開挖方案,在方案設計時，可以根據(jù)工程的具體情況將上述幾種方法加以組合，以發(fā)揮各自的優(yōu)點，形成最經濟合理的方案?？梢栽诹⒚嫔辖M合，也可以在平面

60、上組合。,立面組合主要是指為了減少圍護結構支承的開挖深度，將圍護結構頂面的標高壓低后形成上部是放坡，下部是支錨的組合斷面。圍護結構頂面標高壓低以后，可以減少圍護結構的工程量，減少支錨的數(shù)量；上部的處理方法視標高降低的數(shù)量和土質條件而定，以保持上部開挖面的穩(wěn)定為原則。如降低1 m左右，可以不放坡，采用磚砌擋墻保護；如標高壓低較多，則可采取放坡的辦法，也可以采用噴錨護坡的辦法。立面組合的方案可以有效地減少基坑工程的難度，明顯降低造價。,立面

61、組合,平面組合是指在基坑的幾個側面采用不同的方法，根據(jù)各個側面場地寬余程度的不同，采取不同的方法。在場地比較寬敞的部位盡可能采用放坡的辦法，場地能容納重力式的地方盡量采用重力式擋墻，在實在放不下重力式擋墻的部位才采用排樁式。這樣做的目的是為了節(jié)省造價，但在技術上帶來了一定的困難，主要是在不同型式的結構連接處需要做好構造處理，這些部位往往是最薄弱的環(huán)節(jié)，也是最容易產生事故的地方。,實例1 組合型的開挖方案,工程名稱： 上海東方明珠

62、廣播電視塔地點： 上海浦東基坑尺寸： 基底面積2700m2，開挖深度12.5m，局部電梯井部位深度19.5m圍護結構： 采用二次開挖，三級支護，二級降水的方案。先在地面設置第一級輕型井點，然后將基坑大開挖至－5.3m，放坡1:1.5， 土坡采用細石混凝土護坡，在－5.3m基坑內進行沉樁和打設鋼板樁；沿坡腳布置第二級輕型井點，進行第二階段挖土，按先撐后挖原則設置二道內支撐，完成－12.5m的基坑開挖，最后對深坑進行第三

63、級支護。,,支撐情況： 二道鋼支撐實測結果： 邊坡水平位移不大于50mm，鋼板樁上口水平位移不大于50mm，下部位移較大，局部達400mm，立柱最大上拔量120mm比較造價： 費用為常規(guī)深基坑施工的三分之一挖土速度： 工期為常規(guī)深基坑施工的三分之一方案評述： 對于場地周圍環(huán)境要求不高的基坑工程，在立面上采取放坡和鋼板樁支護相結合的方案，將深基坑轉化為開挖深度相對較淺的基坑，技術難度和工程量都有降低，從而縮短了工期，大

64、幅度降低造價，這個方案的思路是可取的。,平面分區(qū)方案,平面分區(qū)開挖的目的是為了總體上滿足工期要求或者為了分期投資的目的。平面分區(qū)包括地下室同一個平面和不同底標高兩種不同的情況。但分區(qū)開挖必須設置區(qū)域之間的分隔圍護結構，這部分費用是額外增加的，比整體開挖肯定費用貴。需要進行技術經濟比較才能確定。,金茂大廈基坑分區(qū)復合順作法,基坑開挖面積20000m2，地下三層，基坑開挖至-15.1m，四道支撐。為了不使裙房的基坑施工影響主樓的工期，

65、采用主樓和裙房分區(qū)開挖施工方案。裙房外圍采用地下連續(xù)墻，兩墻合一。主樓與裙房之間用鉆孔灌注樁分隔，準備后期拆除，打通地下室。主樓裙房都采用順作法施工。,環(huán)球金融中心基坑分區(qū)順逆作,基坑開挖面積22500m2，地下三層，基坑開挖至-18.45m，四道支撐。也采用主樓和裙房分區(qū)開挖施工方案。裙房外圍采用地下連續(xù)墻，兩墻合一。主樓與裙房之間用鉆孔灌注樁分隔，準備后期拆除，打通地下室。采用主樓順作，裙房逆作的方法施工，可以節(jié)省支撐。,

66、選擇圍護結構的類型,確定了開挖方案以后，根據(jù)開挖方案的要求選擇圍護結構，從總體來說，圍護結構按材料和施工方法大體分為三種類型，即水泥土攪拌樁、排樁式圍護結構和地下連續(xù)墻。選擇圍護結構時應考慮開挖深度、地質條件、地下水條件、施工條件和工程要求等因素綜合確定。,SMW工法,在水泥攪拌樁體內加勁性型鋼，形成組合結構的圍護結構墻體，這種在日本已成熟應用的方法稱為SMW工法，它組合了型鋼受力水泥土止水的各自優(yōu)點，截面比較小，適應性強。在我國推廣

67、使用的主要障礙是型鋼造價高，一些單位致力于研究將型鋼在工后拔出的技術，已取得進展。,實例2 型鋼-水泥土組合結構（SMW工法）工程名稱： 上海申海大廈地點： 上海海防路基坑尺寸： 基底邊長30.65m×60.30m，基坑面積1798m2，開挖深度6.3~7m圍護結構： 采用雙排攪拌樁內插H型鋼組合結構形式。H型鋼選用45號工字鋼，型鋼長12m，攪拌樁長度14m，采用直徑為700mm的雙軸攪拌鉆機施工。

68、H型鋼按間隔布置，間距為1.0m?；禹敳吭O置鋼筋混凝土圈梁，圈梁寬1.2m，高1.0m支撐情況： 二道直徑為580mm鋼支撐，圍檁采用槽鋼復貼鋼板。第一道支撐軸線標高-1.0m，第二道支撐軸線標高-4.0m。,實測結果：對撐部位的墻體最大位移10.88~13.70mm, 支撐薄弱部位的墻體最大位移 26.65mm，鄰近水管最大沉降31.44mm, 煤氣管最大沉降5.55mm方案評述： 由型鋼和水泥攪拌樁組合而成的圍護結

69、構具有抗彎能力，又能止水，且造價比較便宜，是一種有開發(fā)前景的圍護結構型式。由于我國經濟條件的制約，在地下室建成以后如何將型鋼方便地拔出成為普遍推廣使用這一結構型式的關鍵技術，近年來這方面的研究已有一定的進展。,另一個技術關鍵是組合式圍護結構的設計計算方法，特別是對于型鋼和水泥土在受力條件下共同作用的機理，是合理設計組合結構的基礎，這一課題也已有進展。上述方案是一項試驗性工程，位于鬧市中心，基坑與相鄰建筑物及道路的距離都很近，現(xiàn)工程已經順