关于基坑工程设计的若干问题Word文件下载.docx

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●由于土工计算参数的不确定性，加之计算模型本身的局限性，往往需要根据工程经验和工程实测资料对计算结果进行经验系数修正。

●岩土工程设计应特别注意计算模式、计算参数和安全系数的匹配。

■岩土工程预测的不确定性

●在岩土工程中，其地基或岩土环境几乎不可能完全探知，边界条件和荷载过程也有很大的影响，因而岩土工程问题具有很强的不确定性。

非此非彼、亦此亦彼的情况，一因多果、一果多因的情况都可能发生。

二、概念设计的原则

⏹基坑工程风险性、综合性和实践性很强。

岩土工程师要加强多学科的理论学习研究和实际案例分析。

应具备基本的岩土力学、结构力学、施工技术的知识和概念。

⏹概念设计要“从大处着眼”，要有系统和整体的概念，抓住对工程安全有重大影响的重难点和关键问题进行深入透彻的分析研究，从总体上和本质上把握基坑设计的基本要点和计算方法。

n不能离开实际工程的特点来谈概念设计，要“吃透两头”，一头是工程实际功能要求（包括环境保护功能、土方开挖、主体地下室施工等方面），一头是岩土工程和水文地质条件。

n杜绝“数字游戏”。

只知道“规范+计算”，不了解规范制定的技术背景、计算模式和适用条件。

◆计算条件的模糊性和信息的不完全性，单纯力学计算不能解决所有的实际问题；

◆离开设计计算软件不行，但只依靠计算软件进行设计也不行。

基坑工程的许多分析方法都是来自工程经验的积累和案例分析，而不是来自精确的理论推导。

n“难求计算精确，但求判断正确”，应根据计算成果和工程经验作出合理的设计决策。

◆定性判断和定量计算相结合，理论与工程经验并重，综合判断；

◆强调现场实时监测、信息化施工和动态设计。

⏹设置多道防线，确保基坑工程和周边环境安全可控。

◆三个方面：

稳定（包括渗流稳定）、强度和变形控制。

◆内支撑杆件布置及截面、桩身配筋及嵌固深度、锚杆长度、水泥土挡墙等。

第二部分：

基坑工程设计的若干技术问题

一、关于基坑工程勘察及成果应用

1.对于土质基坑特别是软土的勘察工作应采用原位测试手段；

对于软土及粉土夹层或黏性土与粉土、粉砂交互层土应采用静力触探试验查明其空间分布厚度和土性特征。

◆强调对于软土及交互层采用原位测试的必要性和重要性。

◆由于浅部土层特别是软土及交互层复杂多变，且往往是基坑工程研究的主要对象。

因此是对于软土、粉土夹层或黏性土与粉土、粉砂交互层应侧重采用静力触探试验。

2.对于岩质和土岩组合的基坑工程应重点查明有无软弱结构面，进行现场地质调查和测绘。

有条件时可进行现场原位剪切试验，或采集包含结构面的试样进行室内试验。

◆岩土结合地层应特别注意岩土分界处软弱结构面的性质和强度、以及地下水赋存情况、查明是顺层坡还是逆层坡。

必要时应作抗滑设计和验算；

多数情况下，岩层的产状和软弱结构面的组合性状是岩质基坑或边坡的安全稳定性和失稳方式的决定性因素。

◆对岩质基坑或边坡对强风化软质岩和破碎岩可取等效内摩擦角。

◆对于中、微风化的中硬岩或硬质岩，则应宏观和微观两方面仔细分析其岩层软弱结构面。

地质构造、节理、裂隙、岩层产状、倾角、破碎带软弱夹层等。

3.关于地质剖面细化分层：

勘察报告应对自地面至坑底以下2倍基坑深度范围内的土层进行合理划分，综合指标（如承载力）差别大于30%时应单独分层；

水平方向有趋势性变化时可分区段划分亚层。

◆目前本地区勘察报告相当普遍的特点是对浅部土层分层较粗,对基坑设计施工和工程造价影响很大。

岩土体的破坏和基坑失稳有时取决于某一薄弱区段如软弱土层或软弱结构面。

很多基坑工程失事，多与没有合理的细化分层有关。

4.抗剪强度指标：

对黏性土和粉土可采用直接快剪试验或自重压力下预固结的三轴不固结不排水剪试验（UU），提供总应力c、指标。

◆现行国家标准和其他地方标准均采用固结快剪（Ccq、cq）或三轴固结不排水剪（Ccu、cu）指标（国标中对于淤泥及淤泥质等欠固结土采用有效自重压力下预固结的三轴快剪UU，这点与湖北省标一致）。

◆湖北省目前剪力试验一般采用直剪快剪，本地区多年的经验基本上是基于直剪快剪数据建立起来的。

所以湖北省基坑工程设计仍采用直剪快剪指标。

◆对于软土，未经预固结的三轴uu试验结果往往偏低，偏于保守，因此需要强调在试验前应对试样进行自重应力下的固结。

◆目前年我院正对科研项目《基坑工程软土抗剪强度指标的优化选取及其应用研究》，本课题希望通过一定的样本数的现场原位测试与室内试验（直快、固快、三轴UU、CU）的对比分析，提出符合实际工程性状的软土抗剪强度指标；

其次，对软土深基坑的实测土压力与采用不同试验方法的计算值进行对比研究分析，来回答采用何种抗剪强度指标与计算模式、安全系数的匹配及其对基坑支护结构的影响。

5.对于黏性土与粉土、粉砂交互层土的c、抗剪强度指标建议值可按三者的比例综合取值，同时提供三者中的最小值；

◆原来规定对交互层取黏性土、粉土、粉砂三者中的最小值，主要是考虑顺层剪切时将沿着最薄弱面发生。

因此现行规程提出要求提供三者的综合值，同时提供最小值。

◆支护设计时应区分不同的计算项目有选择地取值：

计算顺层剪切滑移时取小值，计算土压力、水平抗力和变形时取综合值。

6.关于抗剪强度指标的综合意见

⏹比较一致的看法是采用什么样的强度参数应与计算模式、安全系数配套。

⏹从理论上讲，采用有效应力指标按水土分算更符合有效应力原理，但限于试验手段和工程费用问题,本地区很多工程没有进行三轴试验,提供的多为总应力指标，且剪力试验基本都是直剪快剪。

所以按照我们所采用的各种计算模式和方法，认为采用一般情况下采用水土合算、抗剪指标采用直接快剪或自重应力下预固结的三轴不排水剪是合理的。

⏹近几年的工程实践表明，当支护桩、墙底部仍为饱和软弱黏性土时,由于深部土层试样取出地面后扰动过大，一般直剪试验结果往往严重偏低，从而大大增加桩（墙）的嵌固深度。

此时，对受开挖卸荷影响不大的深部正常固结土可采用在原位应力下预固结后的剪切试验c、φ值进行计算，以消除土样扰动和围压解除后的部分影响。

有可靠经验时也可采用固结快剪ccu、cu值予以适当折减。

⏹由于本地区勘察报告一般只提供直接快剪试验指标，很少提供Ccu、cu或Ccq、cq以及c’、’，这也给与其他地方和国家标准对比分析带来了一定的难度。

今后是否过渡到水土分算以及强度指标是否与国标接轨、分项系数如何调整等，还有待于试验方法完善和工程经验的积累。

另外作用于支护结构上的土压力实测应列入今后基坑监测的一项重要内容，以此作为完善计算方法的依据。

二、关于土压力计算

1.作用在支护结构上的土压力，应根据支护结构侧向变形条件分别按静止、主动、被动土压力进行计算。

同时可以采用土与结构共同作用的方法和合理的数值计算方法计算土压力。

◆合理确定土压力的计算状态。

分别取静止土压力、主动土压力极限值、被动土压力极限值和主动土压力提高值、被动土压力降低值。

侧向支护结构变形位移大小、形态和方向与土压力的性质和大小密切相关。

◆湖北省的基坑支护结构设计与计算一般采用杆件有限元，为平面计算方法。

因此有条件时应逐步探索采用土与结构共同作用的非线性平面或空间有限元的数值计算方法等。

◆现代土力学中的数值模拟计算方法。

采用比较符合实际土体的应力-应变-强度（有时还包括时间）关系的本构模型可以将变形计算和稳定分析统一起来。

采用弹性抗力法或其他采用土与结构共同作用的二维和三维有限元法进行数值模拟，可以给出支护结构所受到的土压力、结构内力以及变形，便于设计决策。

◆开展本构模型研究可以从两个方向努力：

一是建立用于解决实际工程问题的实用模型，它应能反映某地区岩土、某类岩土工程问题的主要性状，可以获得工程建设所需计算精度的分析结果；

二是建立能反映某些岩土体应力应变特性的理论模型：

包括弹性模型、弹塑性模型、粘弹性模型、粘弹塑性模型、损伤模型以及结构性模型等，是建立工程实用模型的基础：

◆岩土力学数值模拟中常用的力学参数主要分为两大类：

变形参数和强度参数。

◆模型参数测定和选用；

本构模型的验证。

在武汉乃至湖北省对这方面的工作研究得很少，希望广大工程技术人员多做研究和实证工作。

◆信息化施工方法。

根据原位测试和现场监测得到施工过程中的各种信息进行反分析，根据反分析结果修政设计、指导施工。

三、关于基坑变形控制标准

基坑支护结构水平变形控制标准表

◆以绝对值而不用相对值控制的规定不变。

◆对基坑重要性等级为一级作出调整。

基坑变形控制指标对基坑工程的造价影响很大，这种有所区别的规定更符合经济合理的要求。

◆对二级基坑变形控制由原来的100mm改为80mm。

◆确定基坑变形控制标准时尚应结合保护对象的具体要求。

◆三级基坑变形不作限制，但支护结构不能应因变形过大而不能发挥正常使用功能。

◆合理确定变形控制值。

这直接涉及到工程投资、环境影响控制问题。

四、关于被动区留土计算

1.坑中坑的计算深度：

当基坑内的坑中坑与坡脚的距离小于2m时，以坑中坑底标高为计算深度；

◆对坑中坑的计算深度问题作进一步明确的规定，即当坑中坑距离坡脚≥2m方可考虑，<

2m均按坑中坑的深度计算基坑开挖深度（原规定为1m）。

◆当坡脚留土为淤泥和淤泥质等流塑状态的软土时（流变蠕变效应），不应计入其留土作用。

2.被动区留土示意图：

采用被动区留土时支护结构的变形可根据经验采用以下方法近似计算：

1.考虑留土的抗力作用，调整其m（或kh）值；

2.考虑留土的平衡作用，扣减部分主动土压力。

◆基坑工程被动区留土（或反压土）相当于减小基坑的开挖深度。

在正常的工程实践中，采用被动区留土反压，怎样预估基坑的变形？

支护结构的内力怎样计算？

有必要在理论和实践上予以回答。

◆被动区留土情况下的土压力和变形计算是用经典理论难以解决的问题。

现提出坑底被动区留土时支护结构的变形可采用以下两种方法近似计算：

1.考虑留土的抗力作用，调整kh法。

可用于m法计算；

2.平衡土压力法。

◆在基坑支护设计中，采用被动区留土在武汉地区成功案例很多。

从基坑的水平位移的观测资料来分析：

采用被动区留土加悬臂桩支护方案，基坑的水平位移比纯悬壁桩支护的水平位移小30-40%，比桩锚支护的水平位移大25-35%。

◆设计施工时应考虑问题：

1.采用被动区留土设计技术对于工程规模较大、工期紧的情况、

采用内支撑支护难度大时，利用被动区留土的支护方案（中心岛施工法）可大幅度的节约支护造价，缩短施工工期；

2.被动区留土可产生负孔隙水压力，非饱和土可产生基质吸力，有利于边坡的稳定。

但应加快施工进度，注重时空效应；

3.充分考虑留置土坡自身的稳定性；

4.被动区留土的土方开挖应采用分段开挖、分段施工的方式，并结合利用已施工底板承台设置竖向斜撑或利用已施工的地下室结构楼板、框架梁设置临时水平换撑等进行施工。

五、关于双排桩设计

◆双排桩悬臂支护高度不宜超过12.0m。

◆结合内支撑或锚杆时，可提高支护高度。

◆在武汉软土地区的三层地下室采取双排桩+一道内支撑已有成功的实例，其劣势是工程造价较高，其优势是方便后期土方开挖和地下室主体结构施工，对工期要求紧的项目比较适合。

1.双排桩支护结构的计算模型：

◆设计方法总体上采用门式刚架结构模型。

将桩间土视为实体单元，采用弹性介质或其它有经验的土体本构关系模型进行模拟。

因而能较好地考虑桩间土剪切刚度和刚体转动对结构内力与变形的影响。

由我院主持开发的中勘之星系列软件《双排桩支护结构设计计算程序》已通过湖北省软件测试中心的测评，正进行成果验收。

该计算程序较好的解决了双排桩的理论计算问题。

◆双排桩门式刚架结构是一种超静定空间结构。

◆前后排桩的联系横梁为刚性连接。

1.增加其侧向抗水平力刚度；

2.协同变形和分配内力的作用，前后排桩通过横梁刚性连结时，使桩身的正、负弯矩值接近，减小配筋，减少位移；

◆前后排桩的排距S=2.5～5.0d。

排距S大小和桩间土加固效果对双排桩的空间性能发挥以及桩身内力、变形影响较大。

◆双排桩抗倾覆能力强主要是因为它相当于一个插入土体的刚架，能够依靠坑底面以下的桩前土的被动土压力和刚架插入土中的前桩抗压、后桩抗拔所形成的力偶来共同抵抗倾覆力矩；

◆横梁与桩顶的钢筋锚固长度应满足受拉钢筋的锚固长度要求，横梁与桩顶冠梁采用现浇钢筋砼，且应同时整浇，以确保其连接的整体性刚度。

◆通过在湖北地区近十年的推广应用，应该说取得了较好的效果。

在汉口I级阶地的二层地下室开挖深度10m左右，如大智路的金地名郡全部采用双排桩支护型式，其最终监测结果基坑变形在20mm以内；

其他采用局部双排桩的项目其变形亦在10～20mm。

2.双排桩支护结构的应用

◆全部双排桩

（1）在坑底土质条件较好的情况下悬臂支护深度可达10～12m,变

形可控制在20-30mm左右。

（2）若坑底存在软弱土层，应配合被动区加固。

（3）无内支撑，施工方便，有利于缩短工期，但工程造价需要提高30～50%。

◆部分双排桩

（1）用于减少部分内支撑，如右图减少中间的对顶撑，扩大坑内作业空间。

（2）工程造价介于全单排全双排之间。

◆构造要求

（1）前后排距宜为3～4倍桩径。

（2）前后排之间的桩间土应进行加固，有利于控制变形，并兼有隔渗作用。

（3）前后排桩纵向可为一对一，有时也可前二后一。

（4）处理好前后桩与顶部横梁的联结。

按框架顶层端节点的有关要求设计。

六、关于内支撑设计

1.内支撑设计应注意的问题，包括两个大的方面：

◆平面设计：

（1）仔细分析力的传递路径，满足支撑杆件的平面内外稳定性和截面承载力要求（一般不能出现拉杆）；

方便土方开挖和地下室结构施工等。

（2）基坑平面中凸出的阳角应对其至少在两个方向加设支撑约束，并注意支撑力传递途径的可靠性。

（3）工程实际中，经常出现内支撑体系纵横向（对顶撑）或相邻两个方向（角撑）土压力和变形不尽相等，如果不是几何不变体系，容易发生整体失稳。

因此应采用有较多冗余约束的超静定结构体系，以保证其足够的稳定性。

应设置必要的斜杆。

该斜杆在理论计算上可能是零杆，但它能增加支撑体系的整体稳定性，防止主撑杆件的剪切破坏和增加局部抗压屈的承载能力。

（4）对于基坑平面几何形状不规则、支撑体系复杂、传力不直接的支撑设计，应根据整体稳定性要求及结构力学的基本概念予以适当加强。

◆竖向设计：

（1）满足支护桩（墙）的变形和内力要求以及拆撑换撑的受力要求；

支撑竖向间距满足土方反铲作业及车辆运输要求（竖向净间距不得小于3.0m）；

立柱设计。

（2）基坑阳角处存在软土时，宜采取在主动区局部加固（减少主动土压力）或被动区局部加固（增加被动抗力）的措施，以控制阳角处的基坑变形和增强基坑稳定性。

2.内支撑计算方面的问题

◆内支撑支护体系本质上是空间结构问题。

但三维空间计算十分复杂，不仅涉及到结构问题，还涉及土的本构模型如何建立，土与结构协同作用等问题，普遍推行现在还难以实施。

◆现在主要采用“弹性抗力法”的方法：

其主导思想是将支护结构（支护桩或连续墙）与内支撑分离开考虑。

◆“弹性抗力法”把空间问题转化为平面问题解决，简化了计算。

应用“弹性抗力法”时注意的关键问题：

（1）“约束点”的设置。

总的原则是约束点的设置应保证约束点处的不平衡力和附加弯矩愈少越好，同时通过结构体系的概念设计和工程经验加以合理的判断，确保支撑体系的承载能力和整体稳定性。

（2）“支撑刚度系数”的确定。

复杂时可根据支护体系的整体模型得到平均的支撑刚度KB，按下式计算：

即沿内支撑周边冠梁或围檩施加单位荷载力后，将周边节点法向位移平均值取倒数求“支撑刚度”的方法。

◆现有天汉基坑软件在基坑形状不规则或荷载不对称的情况下，由于约束不当，往往得出不正常的结果。

对局部内支撑（即至少有一面开口的内支撑）在进行平面刚架有限元的计算中，往往选取约束点较难或无法进行合理的约束。

◆考虑支护桩排（墙）纵向约束条件下的内支撑平面计算的基本原理是：

在内支撑结构体系中，冠梁与支护桩墙为刚性连接，冠梁受到桩墙的约束，整个内支撑系统出现大幅度漂移的情况在实际工程中是不可能发生的。

基于以上实际性状，将冠梁与每根支护桩连接部位均作为一个约束点，提出考虑排桩（墙）纵向约束条件下的内支撑平面刚架有限元的计算模型（不同于人为的设置某几个固定约束点，不影响支撑体系的内力分布），即考虑排桩纵向约束刚度对内支撑结构体系的实际贡献。

◆我院现在正进行中勘之星系列软件《考虑排桩纵向约束下的内支撑结构设计计算程序》研究与开发。

希望能解决现有天汉软件由于约束设置不当或无法约束方面的不足。

◆在大型复杂的基坑工程设计计算与分析中考虑土与支护结构协同作用的三维空间有限元数值模拟是一种发展趋势。

实例：

中海国际大厦位于武汉市青山区，拟建工程基坑开挖深度为22.0m，最大开挖深度25m，基坑开挖面积约为11000㎡。

支护结构采用落地式地下连续墙（两墙合一）+三道大直径的圆环内支撑结构体系。

在该工程支护结构设计分析中采用迈达斯MIDAS-GTS大型有限元软件进行了三维数值模拟计算与分析。

中南勘察设计院设计实例：

中海国际大厦地下连续墙、支撑杆件、围檩梁和立柱模型

基坑开挖至设计标高后周边土体位移12～22.0mm

基坑开挖至设计标高后支护结构变形18～25.0mm

⏹某一道支撑杆件的轴向支撑力设计值的计算式：

hhkt'

1.35NN

ξ——内力分布不均匀及温度影响分项系数；

当支撑长度大于20m时可取1.10～1.20，支撑两端主动区土质好时取高值，反之取低值；

当支撑长度小于20m的支撑可取1.00；

当支撑体系不规则、受力复杂时可取1.20。

◆温度变化对支撑杆件的内力有明显的影响。

现行规程考虑到支撑杆件内力不均匀和温度的双重影响，在计算内力时引入了分项系数ξ，实际设计时可根据具体情况在1.1～1.2范围内取值：

基坑侧壁主动区为硬塑土层，对基坑的侧移约束力较大，温度升高时，支撑杆件线膨胀受到两侧较强的约束，内力增长亦大；

当基坑平面形状不规则，支撑杆件平面布置复杂时，为确保支撑体系的安全，分项系数ξ应取大值。

◆合理确定分项系数ξ。

实测温度变化对应力影响较大，建议对内支撑结构在设计时应留有足够的安全储备。

否则支撑杆件一旦发生失稳和破坏，后果不堪设想。

⏹内支撑换撑逆工况的设计原则。

可利用地下室结构楼板、框架梁作为反力支撑点，采用钢筋混凝土板带或钢筋混凝土梁、型钢、型钢与混凝土组合等构件与支护桩（墙）间形成可靠换撑。

⏹逆工况换撑是一个基坑设计和施工不可或缺的重要环节。

必须做到先撑后挖，同时也必须做到先换撑后再拆撑，按设计工况分层换撑、分层拆撑。

换撑设计时还应对楼板缺失部位、地下车道楼板标高不一致的部位、后浇带部位另外专门设置水平传力构件。

七、关于支护结构与主体结构相结合及逆作法

◆基坑支护结构与主体结构相结合的设计需要设计人员具备相应的结构计算和设计经验，需要岩土工程师与结构设计师的密切配合。

◆支护结构与主体结构相结合包括三种类型：

墙体相结合

水平构件相结合

竖向构件相结合

◆支护结构与主体结构可采用下列结合形式和施工方法：

1.地下室结构外墙与地下连续墙体相结合：

即地下连续墙“两墙合一”，水平支撑采用临时水平内支撑结构体系；

施工方法采用顺作法。

这是目前武汉地区常用的设计施工方法。

2.地下室水平梁板结构构件与水平支撑结构局部结合（同时地下室结构柱等竖向构件与竖向支承结构局部结合）：

基坑周边竖向支护结构采用排桩（或作临时支护结构的地下连续墙，非“两墙合一”）,内支撑水平支撑结构利用地下室水平楼板和框架梁，采用逆作法施工。

3.地下室主体结构与支护结构全面结合：

即“两墙合一”地下连续墙+地下室水平结构楼板代替临时水平支撑+地下室结构柱位置以格构立柱替代，采用逆作法施工。

4.采用地下连续墙作为地下室结构外墙时，基坑开挖阶段坑外土压力采用主动土压力，永久使用阶段坑外土压力采用静止土压力；

5.支护结构与主体结构相结合及逆作法的设计同样包括平面设计和竖向结构设计。

还包括很多节点连接构造设计以及逆作施工的技术措施。

八、关于水泥土挡墙设计

1.水泥土挡墙的构造要求：

⏹墙宽BQ应根据土质情况取墙高的HQ的0.6倍～0.9倍（土质好取低值，反之取高值）。

跨于主、被动区之间的变截面水泥土挡墙尚应满足以下要求:

a）主动区墙宽BQ1应为坑底以上墙高HQ1的0.6倍～0.9倍（土质好取低值，反之取高值），否则应插筋加强（图6.11.4-1b）；

b）被动区墙宽BQ2不应大于被动区墙高HQ2的二分之一。

◆增加了变截面挡墙的设计方法，并对其构造要求作出了规定：

BQ1/HQ1（BQ/HQ）=0.6～0.9。

BQ2/HQ2≤1/2（刚性破裂角要求）。

◆变截面挡墙一般坑底标高处的截面是最不利截面。

变截面处抗压、抗拉和抗剪验算。

◆变截面挡墙的主动区应采用实腹式。

◆施工质量的控制。

基坑失稳多与施工质量有关。

九、关于土钉支护结构设计

◆土钉支护和复合土钉支护结构应进行整体滑移稳定性和坑底抗隆起验算，缺一不可。

◆土钉支护设计的构