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1、第6章 基坑工程6-1概述一、 基坑工程的概念及特點(diǎn)基坑工程：建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)工程或其他地下工程施工中所進(jìn)行基坑開挖、降水、支護(hù)和土體加固以及監(jiān)測等綜合性工程。何謂深基坑工程?苔羅阿尼先生認(rèn)為:在開挖深度不到6時(shí),單憑經(jīng)驗(yàn)施工也不會(huì)遭到失敗,即使地基土質(zhì)略差,用一般方法也能安全施工。在設(shè)計(jì)中過分保守是不經(jīng)濟(jì)的。另外,如果深度大于6,需要涉及到土力學(xué)方面的一些問題深基坑?；庸こ痰奶攸c(diǎn)：(1)深基坑工程具有很強(qiáng)的區(qū)域性巖土工程區(qū)域性強(qiáng),巖土工程中的深基坑工程,區(qū)域性更強(qiáng)。如黃土地基、砂土地基、軟粘土地基等工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件不同的地基中,基坑工程差異性很大。即使是同一城市不同區(qū)域也有差異。正是

2、由于巖土性質(zhì)千變?nèi)f化,地質(zhì)埋藏條件和水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、不均勻性,往往造成勘察所得到的數(shù)據(jù)離散性很大,難以代表土層的總體情況,且精確度很低。因此,深基坑開挖要因地制宜,根據(jù)本地具體情況,具體問題具體分析,而不能簡單地完全照搬外地的經(jīng)驗(yàn)。(2)深基坑工程具有很強(qiáng)的個(gè)性深基坑工程不僅與當(dāng)?shù)氐墓こ痰刭|(zhì)條件和水文地質(zhì)條件有關(guān),還與基坑相鄰建筑物、構(gòu)筑物及市政地下管網(wǎng)的位置、抵御變形的能力、重要性以及周圍場地條件有關(guān)。因此,對深基坑工程進(jìn)行分類,對支護(hù)結(jié)構(gòu)允許變形規(guī)定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是比較困難的,應(yīng)結(jié)合地區(qū)具體情況具體運(yùn)用。(3)基坑工程具有很強(qiáng)的綜合性深基坑工程涉及土力學(xué)中強(qiáng)度(或稱穩(wěn)定)、變形和滲流3個(gè)

3、基本課題,三者融溶一起需要綜合處理。有的基坑工程土壓力引起支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題是主要矛盾,有的土中滲流引起土破壞是主要矛盾,有的基坑周圍地面變形是主要矛盾。深基坑工程的區(qū)域性和個(gè)性強(qiáng)也表現(xiàn)在這一方面。同時(shí),深基坑工程是巖土工程、結(jié)構(gòu)工程及施工技術(shù)相互交叉的學(xué)科,是多種復(fù)雜因素相互影響的系統(tǒng)工程,是理論上尚待發(fā)展的綜合技術(shù)學(xué)科。(4)深基坑工程具有較強(qiáng)的時(shí)空效應(yīng)深基坑的深度和平面形狀,對深基坑的穩(wěn)定性和變形有較大影響。在深基坑設(shè)計(jì)中,要注意深基坑工程的空間效應(yīng)。土體蠕變體,特別是軟粘土,具有較強(qiáng)的蠕變性。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力隨時(shí)間變化,蠕變將使土體強(qiáng)度降低,使土坡穩(wěn)定性減小,故基坑開挖時(shí)應(yīng)注

4、意其時(shí)空效應(yīng)。(5)深基坑工程具有較強(qiáng)的環(huán)境效應(yīng)深基坑工程的開挖,必將引起周圍地基中地下水位變化和應(yīng)力場的改變,導(dǎo)致周圍地基土體的變形,對相鄰建筑物、構(gòu)筑物及市政地下管網(wǎng)產(chǎn)生影響。影響嚴(yán)重的將危及相鄰建筑物、構(gòu)筑物及市政地下管網(wǎng)的安全與正常使用。大量土方運(yùn)輸也對交通產(chǎn)生影響。所以應(yīng)注意其環(huán)境效應(yīng)。(6)深基坑工程具有較大工程量及較緊工期由于深基坑開挖深度一般較大,工程量比淺基坑增加很多。抓緊施工工期,不僅是施工管理上的要求,它對減小基坑變形,減小基坑周圍環(huán)境的變形也具有特別的意義。(7)深基坑工程具有很高的質(zhì)量要求由于深基坑開挖的區(qū)域也就是將來地下結(jié)構(gòu)施工的區(qū)域,甚至有時(shí)深基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)還是地

5、下永久結(jié)構(gòu)的一部分,而地下結(jié)構(gòu)的好壞又將直接影響到上部結(jié)構(gòu),所以,必須保證深基坑工程的質(zhì)量,才能保證地下結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量,創(chuàng)造一個(gè)良好的前提條件,進(jìn)而保證整幢建筑物的工程質(zhì)量。另一方面,由于深基坑工程中的挖方量大,土體中原有天然應(yīng)力的釋放也大,這就使基坑周圍環(huán)境的不均勻沉降加大,使基坑周圍的建筑物出現(xiàn)不利的拉應(yīng)力,地下管線的某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中等,故深基坑工程的質(zhì)量要求高。(8)深基坑工程具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性深基坑工程是個(gè)臨時(shí)工程,安全儲(chǔ)備相對較小,因此風(fēng)險(xiǎn)性較大。由于深基坑工程技術(shù)復(fù)雜,涉及范圍廣,事故頻繁,因此在施工過程中應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測,并應(yīng)具備應(yīng)急措施。深基坑工程造價(jià)較高,但有時(shí)臨時(shí)性工

6、程,一般不愿投入較多資金,一旦出現(xiàn)事故,造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響往往十分嚴(yán)重。(9)深基坑工程具有較高的事故率深基坑工程施工周期長,從開挖到完成地面以下的全部隱蔽工程,常常經(jīng)歷多次降雨、周邊堆載、振動(dòng)等許多不利條件,安全度的隨機(jī)性較大,事故的發(fā)生往往具有突發(fā)性。從以上各方面綜合看,我國目前深基坑工程存在的主要問題有:深基坑技術(shù)有待盡快發(fā)展提高當(dāng)前,深基坑工程以深、大、復(fù)雜為特點(diǎn),特別是沿海地區(qū),地下水位較高,深基坑工程施工工藝的改進(jìn)等問題,均有待進(jìn)一步的研究與發(fā)展。深基坑工程設(shè)計(jì)質(zhì)量較低一些部門認(rèn)為深基坑工程是施工部門的事,無需設(shè)計(jì)資質(zhì),設(shè)計(jì)院及巖土工程部門介入較少,設(shè)計(jì)大多由施工單位自己完成

7、,但由于設(shè)計(jì)人員技術(shù)水平、參數(shù)取值、計(jì)算方法無章可循,使一些工程隱患較大,導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重工程事故。深基坑工程缺乏理論研究與計(jì)算目前,深基坑工程多是邊開挖邊實(shí)踐邊摸索,往往靠經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行,缺乏成熟的技術(shù)規(guī)范的指導(dǎo),仍然靠半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法解決問題。不必要的浪費(fèi)有的深基坑工程為了避免事故發(fā)生,往往一開始就支護(hù)不考慮墻的受力和變形,全面支護(hù),盲目增加安全系數(shù),造成很大浪費(fèi)。施工混亂管理不嚴(yán)少數(shù)施工單位不具備技術(shù)條件,人力、物力等基本素質(zhì)較差,為了追求利潤或遷就業(yè)主,降低安全度。質(zhì)量檢驗(yàn)不完善深基坑工程的質(zhì)量檢驗(yàn)、驗(yàn)收的方法無章可循,給深基坑工程的質(zhì)量監(jiān)督和質(zhì)量評價(jià)帶來困難,沒有針對深基坑工程特點(diǎn)建立竣工

8、驗(yàn)收的質(zhì)量管理體系。不注重工程勘察深基坑工程的工程勘察工作十分重要,但許多勘察單位常常忽略對基坑環(huán)境地質(zhì)的勘察,專門針對深基坑工程的地質(zhì)及水文地質(zhì)的勘察不夠,以至給設(shè)計(jì)和施工帶來隱患。施工過程中的監(jiān)理不夠,不能做到隨時(shí)監(jiān)測。目前,監(jiān)理工作在人力、物力等方面還不適應(yīng)深基坑工程的特殊要求。缺乏地域性規(guī)范、規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)。二、 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型及適用條件1 放坡開挖及簡易支護(hù)2 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)3 水泥土樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)4 內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)5 拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)6 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)7 其他支護(hù)結(jié)構(gòu)：雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)連拱式支護(hù)結(jié)構(gòu)加筋水泥土拱墻支護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻等三、 基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)內(nèi)容原則：1 安全可靠2

9、 經(jīng)濟(jì)合理性3 施工便利并保證工期設(shè)計(jì)內(nèi)容1 基坑內(nèi)建筑場地勘察和基坑周邊環(huán)境勘察2 支護(hù)體系方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較和選型3 支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度穩(wěn)定和變形以及基坑內(nèi)外土體穩(wěn)定性驗(yàn)算4 基坑降水和止水帷幕設(shè)計(jì)以及支護(hù)墻的抗?jié)B設(shè)計(jì)5 基坑開挖施工方案和施工檢測設(shè)計(jì)四、 作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力等荷載計(jì)算通常用朗肯土壓力理論計(jì)算土壓力經(jīng)驗(yàn)分布圖6-2 排樁、地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)概述：基坑開挖時(shí)，對不能放坡或由于場地限制不能采用攪拌樁支護(hù)，開挖深度在610m左右時(shí)，即可采用排樁支護(hù)。排樁支護(hù)可采用鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、預(yù)制鋼筋混凝土板樁或鋼板樁等。排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)可分為：1柱列式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)2連續(xù)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)3組合

10、式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)按基坑開挖深度及支擋結(jié)構(gòu)受力情況分：1無支撐（懸臂式）支護(hù)結(jié)構(gòu)2單支撐結(jié)構(gòu)3多支撐結(jié)構(gòu)：大直徑鉆孔樁，采用深層攪拌樁防水，多道支撐或中心島施工法，開挖深度可達(dá)13m。地下連續(xù)墻采用特制的成槽機(jī)械在泥漿護(hù)壁下，逐段開挖出溝槽并澆注鋼筋混凝土板而形成。作用：擋水、止水、可作地下結(jié)構(gòu)外墻，開挖深度可大于10m。優(yōu)點(diǎn)：具有剛度大整體性好振動(dòng)噪音小，可逆作法施工以及適用各種地質(zhì)條件等缺點(diǎn)：廢泥漿不好處理、造價(jià)較高。6-2-1 懸臂式排樁支護(hù)的計(jì)算懸臂板樁的變位及土壓力分布圖a) 變位示意圖b)土壓力分布實(shí)際圖形c)懸臂板樁計(jì)算圖式d)Blum計(jì)算圖式板樁將繞基坑底以下某點(diǎn)b點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。b點(diǎn)處墻

11、體無變位，故受到大小相等、方向相反的二力（靜止土壓力）作用，其凈壓力為。b點(diǎn)以上墻體向左移，左側(cè)：被動(dòng)土壓力右側(cè)：主動(dòng)土壓力b點(diǎn)以下墻體向右移左側(cè)：主動(dòng)土壓力右側(cè)：被動(dòng)土壓力因此作用在墻體上各點(diǎn)的凈土壓力為各點(diǎn)兩側(cè)的被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力之差。簡化之后可根據(jù)靜力平衡條件計(jì)算板樁的入土深度和內(nèi)力；、H.Blum簡化計(jì)算方法。 一、 靜力平衡法靜力平衡法計(jì)算懸臂板樁 計(jì)算板樁墻前后的土壓力分布第n層土底面對板樁墻的主動(dòng)土壓力為第n層土底面對板樁墻的被動(dòng)土壓力為 建立并求解靜力平衡方程，求得板樁入土深度1) 計(jì)算樁墻后主動(dòng)土壓力及墻前被動(dòng)土壓力，然后進(jìn)行迭加，求出第一個(gè)土壓力為的點(diǎn)d，該點(diǎn)離坑底的距

12、離為u；u2) 計(jì)算d點(diǎn)以上土壓力合力，求出至d點(diǎn)的距離y； 3) 計(jì)算d點(diǎn)處墻前主動(dòng)土壓力及墻后被動(dòng)土壓力；4) 計(jì)算樁底墻前主動(dòng)土壓力及墻后被動(dòng)土壓力；5) 根據(jù)作用在擋墻結(jié)構(gòu)上的全部水平作用力平衡條件和繞擋墻底部自由端力矩總和為0的條件可得：，整理后得的四次方程：式中解得并求得 計(jì)算板樁最大彎矩板樁墻最大彎矩的作用點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)斷面剪力為零的點(diǎn)。對于均質(zhì)無粘性土，如上圖所示，剪力為零的點(diǎn)在基坑下深度為b時(shí)，即有：由上式解得b后，即可求得最大彎矩 二、布魯姆(Blum)法布魯姆(Blum)建議以圖d代替c，即原來樁腳出現(xiàn)的被動(dòng)土壓力以一個(gè)集中力代替，計(jì)算簡圖如下： 求樁插入深度如圖所示，對樁底

13、C點(diǎn)取矩，則有即 。(1)式中代入(1)得化簡后得。(2)式中：主動(dòng)土壓力、水壓力的合力 ：合力距地面的距離 ：土壓力零點(diǎn)距坑底的距離，可根據(jù)凈土壓力零點(diǎn)處墻前被動(dòng)土壓力強(qiáng)度與墻后主動(dòng)土壓力強(qiáng)度相等的關(guān)系求得，即： 從式(2)的三次式試算求出值，板樁的插入深度布魯姆的簡化計(jì)算：(1) 令，代入式(2)可得(2) 再令，則上式變成(3) 值易確定，與荷載及板樁的長度有關(guān)。求出后在下圖中連一直線并延長即可得值，同時(shí)由于得出值。(4) 樁的插入深度 求最大彎矩最大彎矩在剪力處，設(shè)從O點(diǎn)往下處，則有最大彎矩：求出最大彎矩后，對鋼板樁可以核算斷面尺寸，對灌注樁可以核定直徑及配筋計(jì)算。三、彈性線法四、基床

14、系數(shù)法“”, “” 6-2-2 單支點(diǎn)樁、墻計(jì)算頂端支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，鉸接的簡支點(diǎn)；樁埋入土內(nèi)部分：入土淺時(shí)為簡支；入土深則為嵌固；（1） 支護(hù)樁入土深度較淺，支護(hù)樁前的被動(dòng)土壓力全部發(fā)揮，對支撐點(diǎn)的主動(dòng)土壓力的力矩和被動(dòng)土壓力的力矩相等(如圖)。此時(shí)墻體處于極限平衡狀態(tài)，由此得出的跨間正彎矩其值最大，但入土深度最淺為。此時(shí)其墻前的被動(dòng)土壓力全部被利用，墻的底端可能有少許向左位移的現(xiàn)象發(fā)生。（2） 支護(hù)樁入土深度增加，大于時(shí)，則樁前的被動(dòng)土壓力得不到充分發(fā)揮與利用，這時(shí)樁底端僅在原位置轉(zhuǎn)動(dòng)一角度而不致有位移現(xiàn)象發(fā)生，這時(shí)樁底的土壓力便等于零。未發(fā)揮的土壓力可作為安全度。（3） 支護(hù)樁入土深度繼續(xù)

15、增加時(shí)，墻前墻后都出現(xiàn)被動(dòng)土壓力，支護(hù)樁在土中處于嵌固狀態(tài)，相當(dāng)于上端簡支下端嵌固的超靜定梁。它的彎矩已大大減小面出現(xiàn)正負(fù)二個(gè)方向和彎矩。其底端的嵌固彎矩的絕對值略小于跨間彎矩的數(shù)值，壓力零點(diǎn)與彎矩零點(diǎn)約相吻合。（4） 支護(hù)樁的入土深度進(jìn)一步增加，這時(shí)樁的入土深度已嫌過深，墻前墻后的被動(dòng)土壓力都不能充分發(fā)揮和利用，它對跨間彎矩的減小不起太大作用，因此支護(hù)樁入土深度過深是不經(jīng)濟(jì)的。總結(jié)：第四種不經(jīng)濟(jì)； 第三種是目前常采用的工作狀態(tài)，一般使用正彎矩為負(fù)彎矩的110%115%作為設(shè)計(jì)依據(jù)。也有采用正負(fù)彎矩相等作為依據(jù)，此狀態(tài)得出的樁雖較長，但彎矩小，可以選擇較小的斷面，同時(shí)入土較深，比較安全可靠。第

16、一、 二種，較小的埋深和較大的彎矩，第一種樁底可能有少許位移。自由支撐比嵌固支撐受力明確，造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理。求解：樁的入土深度、支撐反力、跨中最大彎矩。一、 入土較淺時(shí)單支點(diǎn)樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算原理：情況1單支點(diǎn)自由端支護(hù)結(jié)構(gòu)（支點(diǎn)鉸支而下端自由），樁的右面為主動(dòng)土壓力，左側(cè)為被動(dòng)土壓力，可采用下列方法確定樁的最小入土深度和水平向每延米所需的支點(diǎn)力（或錨固力）R。取支護(hù)單位長度，對A點(diǎn)取矩，由，水平力平衡條件可得：最大彎矩：根據(jù)最大彎矩截面的剪力等于零條件求出最大彎矩截面的位置，然后求距。二、 入土較深時(shí)單支點(diǎn)樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算原理：情況三上端簡支而下端嵌固的超靜定梁。方法：圖解分析法（彈性線法，略），

17、等值梁法（圖解分析法的簡化）。圖解分析法（彈性線法）略等值梁法：（1） 正負(fù)彎矩反彎點(diǎn)的確定（即右圖B點(diǎn)的確定）。凈土壓力為零點(diǎn)的位置與彎矩零點(diǎn)位置很接近，假定兩者重合。設(shè)其距基坑底面的距離為u，則可由下式算出：（2） 由等值梁AB根據(jù)平衡方程計(jì)算支撐反力及B點(diǎn)的剪力（3） 由等值梁BG求算出板樁的入土深度，取，則（4） 由等值梁AB求算出最大彎矩（對B點(diǎn)求矩）6-3水泥土樁墻支護(hù)深層攪拌樁一、 概述又稱深層攪拌樁支護(hù)。深層攪拌樁是加固軟土地基的一種新方法，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑，通過深層攪拌機(jī)械將軟土和固化劑（漿液或粉體）強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，

18、使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的樁體。適用：最適宜于各種成因的飽和軟粘土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土和粉質(zhì)粘土等。加固深度從數(shù)米到5060m，因內(nèi)最大深度可達(dá)1518m。一般認(rèn)為含有高嶺石、多不高嶺石與蒙脫石等粘土礦物的加固效果好；含伊利石、氯化物等粘性土以及有機(jī)質(zhì)含量高、pH值較低的粘土加固效果差。近年廣泛被用于57m的深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。加筋可達(dá)15m以上。二、 水泥土的加固機(jī)理與特性水泥的水解和水化反應(yīng)粘土顆粒與水泥水化物的作用碳酸化作用三、 水泥土樁墻的計(jì)算(一) 深層攪拌樁支護(hù)的設(shè)計(jì)原則與形式(二) 水泥土樁墻的計(jì)算1. 剛性自立式擋墻的破壞模式2. 水泥土樁墻的計(jì)算1) 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算2) 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算3) 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算4) 墻體應(yīng)力驗(yàn)算5) 擋墻基底地基承載力驗(yàn)算6) 抗?jié)B計(jì)算7) 水泥土樁墻水平位移的計(jì)算四、 深層攪拌樁支護(hù)的施工要點(diǎn)6-4土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)6-5基坑穩(wěn)定性分析二、 概述三、 基坑整體穩(wěn)定性分析四、 支護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳穩(wěn)定性分析五、 基坑底隆起穩(wěn)定性分析六、 基坑滲流穩(wěn)定性分析6-6地下水控制一、 概述二、 集水明排法三、 降水法輕型井點(diǎn)法噴射井點(diǎn)法管井井點(diǎn)法深井泵井點(diǎn)法四、 截水與回灌