深基坑工程施工.docx

1、深基坑工程施工单元3深基坑工程施工【学习目标】 1、掌握深基坑的基本概念以及基坑设计原则；2、深入理解基坑支护结构的类型及适用条件；3、深入理解支护结构上的荷载及土压力计算；4、了解常见深基坑支护结构计算及施工要点。【主要内容】1、基坑的基本概念以及基坑设计原则；2、坑支护结构的类型及适用条件；3、深基坑支护结构计算及施工要点。【学习重点】1、基坑的基本概念以及基坑设计原则；2、深入理解基坑支护结构的类型及适用条件；。【学习难点】支护结构上的荷载及土压力计算，深基坑支护结构计算。 项目3.1深基坑的认知随着城市建设的发展，地下空间在世界各大城市中得到开发利用。如高层建筑地下室、地下仓库、地下民

2、防工事以及多种地下民用和工业设施等。在我国，地铁及高层建筑的兴建，产生了大量的基坑（深基坑）工程。 基坑工程主要包括围护体系的设置和土方开挖两个方面。围护结构通常是一种临时结构，安全储备较小，具有比较大的风险。3.1.1基坑工程的概念及特点建筑基坑是指为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室的施工所开挖的地面以下空间。为保证基坑施工，主体地下结构的安全和周围环境不受损害，需对基坑进行包括土体、降水和开挖在内的一系列勘察、设计、施工和检测等工作。这项综合性的工程就称为基坑工程。 基坑工程是一个综合性的岩土工程问题，既涉及土力学中典型的强度、稳定与变形问题，又涉及土与支护结构共同作用以及工程、水文地

3、质等问题，同时还与计算技术、测试技术、施工设备和技术等密切相关。因此，基坑工程具有以下特点：(1) 一般情况下都是临时结构，安全储备相对较小，风险性较大；(2) 具有很强的区域性和个案性，其由场地的工程水文地质条件和岩土的工程性质以及周边环境条件的差异性所决定，因此，基坑工程的设计和施工，必须因地制宜，切忌生搬硬套;(3) 是一项综合性很强的系统工程，它不仅涉及结构、岩土、工程地质及环境等多门学科，而且勘察、设计、施工、检测等工作环环相扣，紧密相连； (4) 具有较强的时空效应，支护结构所受荷载（如土压力）及其产生的应力和变形在时间上和空间上具有较强的变异性，在软粘土和复杂体型基坑工程中尤为突

4、出。(5) 对周边环境会产生较大影响。基坑开挖、降水势必引起周边场地土的应力和地下水位发生改变，使土体产生变形，对相邻建（构）筑物和地下管线等产生影响，严重者将危及到它们的安全和正常使用。大量土方运输也将对交通和环境卫生产生影响。基坑工程的目的是构建安全可靠的支护体系。对支护体系的要求体现在如下三个方面：(1) 保证基坑四周边坡土体的稳定性，同时满足地下室施工有足够空间的要求，这是土方开挖和地下室施工的必要条件；(2) 保证基坑四周相邻建（构）筑物和地下管线等设施在基坑支护和地下室施工期间不受损害。即坑壁土体的变形，包括地面和地下土体的垂直和水平位移要控制在允许范围内；(3) 通过截水、降水、

5、排水等措施，保证基坑工程施工作业面在地下水位以上。3.1.2基坑支护结构的类型及适用条件基坑支护结构的基本类型及其适用条件如下：（1）放坡开挖及简易支护放坡开挖是指选择合理的坡比进行开挖。适用于地基土质较好，开挖深度不大以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖施工简便、费用低，但挖土及回填土方量大。有时为了增加边坡稳定性和减少土方量，常采用简易支护（图3.1）。边坡高度与坡度控制见表3.1。表3.1 边坡允许坡度值岩土类别状态及风化程度允许坡高允许坡度硬质岩石微风化中等风化强风化121081：0.101：0.201：0.201：0.351：0.351：0.50软质岩石微风化中等风化强风化88

6、81：0.351：0.501：0.501：0.751：0.751：1.00砂土中密以上51：1.00基坑顶面无载重1：1.25基坑顶面有静载1：1.50基坑顶面有动载粉土稍湿51：0.75基坑顶面无载重1：1.00基坑顶面有静载1：1.25基坑顶面有动载(a) 土袋或块石支护 (b) 短桩支护图3.1 基坑简易支护（2）悬臂式支护结构 广义上讲，一切设有支撑和锚杆的支护结构均可归属悬臂式支护结构，但这里仅指没有内撑和锚拉的板桩墙、排桩墙和地下连续墙支护结构（图3.2）。悬臂式支护结构依靠其入土深度和抗弯能力来维持坑壁稳定和结构的安全。由于悬臂式支护结构的水平位移是深度的五次方，所以它对开挖深度

7、很敏感，容易产生较大的变形，只适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。图3.2 悬臂式支护（3）水泥土桩墙支护结构利用水泥作为固化剂，通过特制的深层搅拌机械在地基深部将水泥和土体强制拌和，便可形成具有一定强度和遇水稳定的水泥土桩。水泥土桩与桩或排与排之间可相互咬合紧密排列，也可按网格式排列（图3.3）。水泥土桩墙适合软土地区的基坑支护。（a）水泥土桩墙剖面 （b）水泥土桩墙平面布置图3.3隔栅式水泥土桩墙（4）内撑式支护结构内撑式支护结构（图3.4）由支护桩或墙和内支撑组成。支护桩常采用钢筋混凝土桩或钢板桩，支护墙通常采用地下连续墙。内支撑常采用木方、钢筋混凝土或钢管（或型钢）做成。内支撑支护

8、结构适合各种地基土层，但设置的内支撑会占用一定的施工空间。图3.4 内撑式围护结构（5）拉锚式支护结构拉锚式支护结构由支护桩或墙和锚杆组成。支护桩和墙同样采用钢筋混凝土桩和地下连续墙。锚杆通常有地面拉锚（图3.5.a）和土层锚杆（图3.5b）两种。地面拉锚需要有足够的场地设置锚桩或其它锚固装置。土层锚杆因需要土层提供较大的锚固力，不宜用于软粘土地层中。（a）地面拉锚式；（b）土层拉锚式图3.5 拉锚式支护结构示意图（6）土钉墙支护结构土钉墙支护结构是由被加固的原位土体、布置较密的土钉和喷射于坡面上的混凝土面板组成（图3.6）。土钉一般是通过钻孔、插筋、注浆来设置的，但也可通过直接打入较粗的钢筋

9、或型钢形成。土钉墙支护结构适合地下水位以上的粘性土、砂土和碎石土等地层，不适合于淤泥或淤泥质土层，支护深度不超过18m。 图3.6 土钉墙支护结构示意图（7）逆作拱墙当基坑平面形状适合时，可采用拱墙作为围护墙。拱墙有圆形闭合拱墙、椭圆形闭合拱墙和组合拱墙。对于组合拱墙，可将局部拱墙视为两铰拱。拱墙截面宜为Z字型（图），拱壁的上、下端宜加肋梁（图a）；当基坑较深，一道Z字型拱墙不够时，可由数道拱墙叠合组成（图b），或沿拱墙高度设置数道肋梁（图c），肋梁竖向间距不宜小于2.5m。亦可不加设肋梁而用加厚肋壁（图d）的办法解决。图3.7 拱墙截面示意图1-地面；2-基坑底；3-拱墙；4-肋梁（8）加筋

10、水泥土桩法（SMW工法）即在水泥土搅拌桩内插入H型钢，使之成为同时具有受力和抗渗两种功能的支护结构围护墙。坑深大时亦可加设支撑。国外已用于坑深-20m的基坑，我国已开始应用，用于810m基坑。图3.8 SMW工法围护墙1-插在水泥土桩中的H型钢；2-水泥土桩加筋水泥土桩法施工机械应为三根搅拌轴的深层搅拌机，全断面搅拌，H型钢靠自重可顺利下插至设计标高。加筋水泥土桩法围护墙的水泥掺入比达20%，因此水泥土的强度较高，与H型钢粘结好，能共同作用。（9）双排桩支护结构有的工程为不用支撑简化施工，采用相隔一定距离的双排钻孔灌筑桩与桩顶横梁组成空间结构围护墙，使悬臂桩围护墙可用于-14.5m的基坑（图6

11、-52）。其支护深度比单排悬臂式结构要大，且变形相对较小。图3.9 双排桩围护墙1-钻孔灌筑桩；2-联系横梁（10）挖孔桩挖孔桩围护墙也属桩排式围护墙，多在我国东南沿海地区使用。其成孔是人工挖土，多为大直径桩，宜用于土质较好地区。如土质松软、地下水位高时，需边挖土边施工衬圈，衬圈多为混凝土结构。在地下水位较高地区施工挖孔桩，还要注意挡水问题，否则地下水大量流入桩孔，大量的抽排水会引起邻近地区地下水位下降，因土体固结而出现较大的地面沉降。挖孔桩由于人下孔开挖，便于检验土层，亦易扩孔；可多桩同时施工，施工速度可保证；大直径挖孔桩用作围护桩可不设或少设支撑。但挖孔桩劳动强度高；施工条件差；如遇有流砂

12、还有一定危险。 图3.10 挖孔桩围护墙（11）地下连续墙地下连续墙是于基坑开挖之前，用特殊挖槽设备、在泥浆护壁之下开挖深槽，然后下钢筋笼浇筑混凝土形成的地下土中的混凝土墙。我国于20世纪70年代后期开始出现壁板式地下连续墙，此后用于深基坑支护结构。目前常用的厚度为600、800、l000mm，多用于-12m以下的深基坑。地下连续墙用作围护墙的优点是：施工时对周围环境影响小，能紧邻建（构）筑物等进行施工；刚度大、整体性好，变形小，能用于深基坑；处理好接头能较好地抗渗止水；如用逆作法施工，可实现两墙合一，能降低成本。由于具备上述优点，我国一些重大、著名的高层建筑的深基坑，多采用地下连续墙作为支护

13、结构围护墙。适用于基坑侧壁安全等级为一、二、三级者；在软土中悬臂式结构不宜大于5m。图3.11地下连续墙6.1.3 基坑支护工程设计原则和设计内容(一)、基坑支护结构的极限状态根据中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012的规定，基坑支护结构应采用以分项系数表示的极限状态设计方法进行设计。基坑支护结构的极限状态，可以分为下列两类：1承载能力极限状态这种极限状态，对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形导致支护结构或基坑周边环境破坏。2正常使用极限状态这种极限状态，对应于支护结构的变形已妨碍地下结构施工，或影响基坑周边环境的正常使用功能。基坑支护结构均应进行承载

14、能力极限状态的计算，对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，尚应对基坑周边环境及支护结构变形进行验算。（二）、基坑支护结构的安全等级建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012规定，其坑侧壁的安全等级分为三级，不同等级采用相对应的重要性系数（表3.2），基坑侧壁的安全等级分级如表所示。表3.2 基坑侧壁安全等级及重要性系数 安全等级破坏后果重要性系数0一级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重1.10二级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般1.00三级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工

15、影响不严重0.90注：有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定。支护结构设计，应考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响。对于安全等级为一级的和对周边环境变形有限定要求的二级建筑基坑侧壁，应根据周边环境的重要性，对变形适应能力和土的性质等因素，确定支护结构的水平变形限值。当地下水位较高时，应根据基坑及周边区域的工程地质条件、水文地质条件、周边环境情况和支护结构形式等因素，确定地下水的控制方法。当基坑周围有地表水汇流、排泄或地下水管渗漏时，应妥善对基坑采取保护措施。对于安全等级为一级及对支护结构变形有限定的二级建筑基坑侧壁，应对基坑周边环境及支护结构变形进行

16、验算。基坑工程分级的标准，各种规范和各地也不尽相同，各地区、各城市根据自己的特点和要求作了相应的规定，以便于进行岩土勘察、支护结构设计、审查基坑工程施工方案等用。建筑地基基础工程施工质量验收规范GB 50202-2002对基坑分级和变形监控值作如下规定（表3.3）：表3.3 基坑变形的监控值（cm） 基坑类别围护结构墙顶位移监控值围护结构墙体最大位移监控值地面最大沉降监控值一级基坑353二级基坑686三级基坑81010注：1符合下列情况之一，为一级基坑：（1）重要工程或支护结构做主体结构的一部分；（2）开挖深度大于10m；（3）与临近建筑物、重要设施的距离在开挖深度以内的基坑；（4）基坑范围内

17、有历史文物、近代优秀建筑、重要管线等需严加保护的基坑。2三级基坑为开挖深度小于7m，周围环境无特别要求的基坑。3除一级和三级外的基坑属二级基坑。4与周围已有的设施有特殊要求时，尚应符合这些要求。位于地铁、隧道等大型地下设施安全保护区范围内的基坑工程，以及城市生命线工程或对位移有特殊要求的精密仪器使用场所附近的基坑工程，应遵照有关的专门文件或规定执行。（三）、基坑支护工程设计的基本原则是：(1) 在满足支护结构本身强度、稳定性和变形要求的同时，确保周围环境的安全；(2) 在保证安全可靠的前提下，设计方案应具有较好的技术经济和环境效应；(3) 为基坑支护工程施工和基础施工提供最大限度的施工方便，并

18、保证施工安全。（四）、基坑工程从规划、设计到施工检测全过程应包含如下内容：(1) 基坑内建筑场地勘察和基坑周边环境勘察：基坑内建筑场地勘察可利用构（建）筑物设计提供的勘察报告，必要时进行少量补勘。基坑周边环境勘察须查明：基坑周边地面建（构）筑物的结构类型、层数、基础类型、埋深、基础荷载大小及上部结构现状；基坑周边地下建（构）筑物及各种管线等设施的分布和状况；场地周围和邻近地区地表及地下水分布情况及对基坑开挖的影响程度。(2) 支护体系方案技术经济比较和选型：基坑支护工程应根据工程和环境条件提出几种可行的支护方案，通过比较，选出技术经济指标最佳的方案。(3) 支护结构的强度、稳定和变形以及基坑内

19、外土体的稳定性验算：基坑支护结构均应进行极限承载力状态的计算，计算内容包括支护结构和构件的受压、受弯、受剪承载力计算和土体稳定性计算。对于重要基坑工程尚应验算支护结构和周围土体的变形。(4) 基坑降水和止水帷幕设计以及支护墙的抗渗设计：包括基坑开挖与地下水变化引起的基坑内外土体的变形验算（如抗渗稳定性验算，坑底突涌稳定性验算等）及其对基础桩邻近建筑物和周边环境的影响评价。(5) 基坑开挖施工方案和施工检测设计。 项目3.2 支护结构上的荷载及土压力计算3.2.1 荷载与抗力计算作用于围护墙上的水平荷载，主要是土压力、水压力和地面附加荷载产生的水平荷载。围护墙所承受的土压力，要精确的计算有一定困

20、难，因为影响土压力的因素很多，不仅取决于土质，还与围护墙的刚度、施工方法、空间尺寸、时间长短、气候条件等都有关。目前计算土压力多用朗金（Ramkine）土压力理论。朗金土压力理论的墙后填土为匀质无粘性砂土，非一般基坑的杂填土、粘性土、粉土、淤泥质土等，不呈散粒状；朗金理论土体应力是先筑墙后填土，土体应力是增加的过程，而基坑开挖是土体应力释放过程，完全不同；朗金理论将土压力视为定值，实际上在开挖过程中是变化的。所解决的围护墙土压力为平面问题，实际上土压力存在显著的空间效应；朗金理论属极限平衡原理，属静态设计原理，而土压力处于动态平衡状态，开挖后由于土体蠕变等原因，会使土体强度逐渐降低，具有时间效

21、应；另外，在朗金计算公式中土工参数（、c）是定值，不考虑施工效应，实际上在施工过程中由于打设预制桩、降低地下水位等施工措施，会引起挤土效应和土体固结，使、c值得到提高。因此，要精确地计算土压力是困难的，只能根据具体情况选用较合理的计算公式，或进行必要的修正，供设计支护结构用。根据我国建筑基坑支护技术规程JGJ 120-2012，水平荷载标准值和水平抗力标准值可按下列公式进行计算：3.2.2 水平荷载标准值作用于围护墙上的土压力、水压力和地面附加荷载产生的水平荷载标准值eajk（图3.12），应按当地可靠经验确定，当无经验时按下列规定计算：图3.12 水平荷载标准值计算图1对于碎石土和砂土：（1

22、）当计算点位于地下水位以上时 （3-1）（2）当计算点位于地下水位以下时 （3-2） 式中 ajk作用于深度zi处的竖向应力标准值，按式（6-29）计算；Kai第i层土的主动土压力系数； （3-3）i第i层土的内摩擦角标准值；cik三轴试验（当有可靠经验时，可采用直接剪切试验）确定的第i层土固结不排水（快）剪粘聚力标准值；zj计算点深度；mj计算参数，当zjh时，取zj；当zjh时，取h；hwa基坑外侧地下水位深度；wa计算系数，当hwah时，取1；当hwah时，取零；w水的重度。2对于粉土和粘土： （3-4）当按上述公式计算的基坑开挖面以上水平荷载标准值小于零时，则取其值为零。3基坑外侧竖向

23、应力标准值ajk按下式规定计算： ajkrk+ok+1k （3-5）（1）计算点深度zi处自重竖向应力rk：当计算点位于基坑开挖面以上时： rkmjzj （3-6）当计算点位于基坑开挖面以下时： rkmhh （3-7） 式中 mj深度zj以上土的加权平均天然重度；mh开挖面以上土的加权平均天然重度。（2）当支护结构外侧地面作用均布荷载q0时（图3.13），基坑外侧任意深度处竖向应力标准值ok，按下式计算：okq0 图3.13 地面均布荷载时基坑外侧附加竖向应力计算简图（3）当距离支护结构外侧b1处地表作用有宽度为b0的条形附加荷载q1时（图3.14），基坑外侧深度CD范围内的附加竖向应力标准值

24、1k，按下式计算： （3-8）图3.14 局部荷载作用下基坑外侧附加竖向应力计算简图3.2.3 水平抗力标准值1基坑内侧水平抗力标准值epjk宜按下列规定计算图（3.15）。图3.15 水平抗力标准值计算简图（1）对于砂土和碎石土 （3-9）式中 pjk作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值； pjkmjzj （3-10）Kpi第i层土的被动土压力系数； （3-12）（2）对于粘性土及粉土： （3-13）2作用于基坑底面以下深度zj处的竖向应力标准值pjk，可按下式计算：pjkmjzj 式中 mj深度zj以上土的加权平均天然重度。项目3.3 支护结构计算3.3.1 排桩与地下连续墙计算对

25、于较深的基坑，排桩、地下连续墙围护墙应用最多，其承受的荷载比较复杂，一般应考虑下述荷载：土压力、水压力、地面超载、影响范围内的地面上建筑物和构筑物荷载、施工荷载、邻近基础工程施工的影响（如打桩、基坑土方开挖、降水等）。作为主体结构一部分时，应考虑上部结构传来的荷载及地震作用，需要时应结合工程经验考虑温度变化影响和混凝土收缩、徐变引起的作用以及时空效应。排桩和地下连续墙支护结构的破坏，包括强度破坏、变形过大和稳定性破坏。其强度破坏或变形过大包括（图3.16）：.图3.16 排桩和地下连续墙支护结构的破坏形式（a）拉锚破坏或支撑压曲；（b）底部走动；（c）平面变形过大或弯曲破坏；（d）墙后土体整体

26、滑动失稳；（e）坑底隆起；（f）管涌（1）拉锚破坏或支撑压曲：过多地增加了地面荷载引起的附加荷载，或土压力过大、计算有误，引起拉杆断裂，或锚固部分失效、腰梁（围擦）破坏，或内部支撑断面过小受压失稳。为此需计算拉锚承受的拉力或支撑荷载，正确选择其截面或锚固体。（2）支护墙底部走动：当支护墙底部嵌固深度不够，或由于挖土超深、水的冲刷等原因都可能产生这种破坏。为此需正确计算支护结构的入土深度。（3）支护墙的平面变形过大或弯曲破坏：支护墙的截面过小、对土压力估算不准确、墙后增加大量地面荷载或挖土超深等都可能引起这种破坏。平面变形过大会引起墙后地面过大的沉降，亦会给周围附近的建（构）筑物、道路、管线等造

27、成损害。排桩和地下连续墙支护结构的稳定性破坏包括：（1）墙后土体整体滑动失稳：如拉锚的长度不够，软粘土发生圆弧滑动，会引起支护结构的整体失稳。（2）坑底隆起：在软粘土地区，如挖土深度大，嵌固深度不够，可能由于挖土处卸载过多，在墙后土重及地面荷载作用下引起坑底隆起。对挖土深度大的深坑需进行这方面的验算，必要时需对坑底土进行加固处理或增大挡墙的入土深度。（3）管涌：在砂性土地区，当地下水位较高、坑深很大和挡墙嵌固深度不够时，挖土后在水头差产生的动水压力作用下，地下水会绕过支护墙连同砂土一同涌入基坑。3.3.2 水泥土墙计算水泥土墙设计，应包括：方案选择；结构布置；结构计算；水泥掺量与外加剂配合比确

28、定；构造处理；土方开挖；施工监测。水泥土墙一般宜用于坑深不大于6m的基坑支护，特殊情况例外。1水泥土墙布置水泥土墙和平面布置，主要是确定支护结构的平面形状、格栅形式及局部构造等。平面布置时宜考虑下述原则：（1）支护结构沿地下结构底板外围布置，支护结构与地下结构底板应保持一定净距，以便于底板、墙板侧模的支撑与拆除，并保证地下结构外墙板防水层施工作业空间。当地下结构外墙设计有外防水层时，支护结构离地下结构外墙的净距不宜小于800mm；当地下结构设计无外防水层时，该净距可适当减小，但不宜小于500mm；如施工场地狭窄，地下室设计无外防水层且基础底板不挑出墙面时，该净距还可减小，考虑到水泥土墙的施工偏

29、差及支护结构的位移，净距不宜小于200mm。此时，模板可采用砖胎模、多层夹板等不拆除模板。如地下室基础底板挑出墙面，则可以使地下室底板边与水泥土墙的净距控制在200mm左右。（2）水泥土墙应尽可能避免向内的折角，而采用向外拱的折线形（图3.17）,以利减小支护结构位移，避免由两个方向位移而使水泥土墙内折角处产生裂缝。图3.17 水泥土墙平面形状（a）向内折角较为不利的形状；（b）向外拱形较为有利的形状1-支护结构；2-基础底板边线（3）水泥土墙的组成通常采用桩体搭接、格栅布置，常用格栅的形式如图3.18。图3.18 典型的水泥土桩格栅式布置（a）n3；（b）、（c）n4；（h）、（d）、（e）

30、n5；（f）、（g）n6；（h）n7；（i），（j）n8；（k），（l），（m）n9；（n），（p）n=101）搭接长度Ld搅拌桩桩径d0700mm时，Ld一般取200mm；d0600mm时，Ld一般取150mm；d0500mm时，Ld一般取100150mm。水泥土桩与桩之间的搭接长度应根据挡土及止水要求设定，考虑抗渗作用时，桩的有效搭接长度不宜小于150mm；当不考虑止水作用时，搭接宽度不宜小于100mm。在土质较差时，桩的搭接长度不宜小于200mm。2）支护挡墙的组合宽度b水泥土搅拌桩搭接组合成的围护墙宽度根据桩径d0及搭接长度Ld，形成一定的模数，其宽度b可按下式计算 bd0（n1）（d0Ld） （3-14）式中 b水泥土搅拌桩组合宽度（m）；d0搅拌桩桩径（m）；Ld搅拌桩之间的搭接长度（m）；n搅拌桩搭接布置的单排数。3）沿水泥土墙纵向的格栅间距离Lg当格栅为单排桩时，Lg取15002500mm；当格栅为双排桩时，Lg取20003000mm；当格栅为多排桩时，Lg也可相应的放大。格栅间距应与搅拌桩纵向桩距相协调，一般为桩距的36倍。图3.18为典型的水泥土桩格栅式布置形式。当采用双钻头搅拌桩机