基坑与边坡工程：第一章 绪论1－基坑

基坑与边坡工程,32学时 钟剑 jzhonghfut.edu.cn,主要内容,第一章 绪论 第二章 土压力与滑坡推力计算 第三章 挡土墙计算与设计 第四章 基坑支护结构计算与设计 第五章 抗滑桩计算与设计 第六章 锚固结构设计,第一章 绪论,1.坡的定义：当岩土体外表面与水平面的夹角不为零时，所形成外表面即为坡。50，90(直立边坡，峭壁）,有关概念,有关概念,2.建筑边坡：在建（构）筑物场地或其周边，由于建（构）筑物和市政工程开挖或填筑施工所形成的人工边坡和对建（构）筑物安全或稳定有影响的自然边坡。 3.临时性边坡: （2年） 5.支挡结构:使岩土边坡保持稳定，控制位移而建造的结构物。,有关概念,6.建筑基坑：为进行建筑物（包括构筑物）基础与地下室施工所开挖的地面以下空间。 7.基坑支护：为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。,基坑工程是一个古老而又有时代特点的岩土工程课题。同时又是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中强度与稳定问题，又包含了变形问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用。, 1 基坑工程概述 1.1 基坑工程概念及现状基坑工程是为保护基坑施工、地下结构的安全和周边环境不受损害而采取的支护、基坑土体加固、地下水控制、开挖等工程的总称，包括勘察、设计、施工、监测、试验等。,导致基坑工程事故的主要原因如下:,设计理论不完善。许多计算方法尚处于半经验阶段，理论计算结果尚不能很好反映工程实际情况。,(2) 设计者概念不清、方案不当、计算漏项或错误。,(3) 设计、施工人员经验不足。实践表明，工程经验在决定基坑支护设计方案和确保施工安全中起着举足轻重的作用。,基坑开挖分类,基坑工程根据其开挖和施工方法可分为:无支护开挖 有支护开挖 有支护的基坑工程可进一步分为:无支撑围护 有支撑围护,1.安全可靠性 确保基坑工程的安全以及周围环境的安全。 2.经济合理性 基坑工程在支护结构安全可靠的前提下，要从工期、材料、设备、人工以及环境保护等多方面综合研究经济合理性。 3.施工便利性和工期保证性 在安全可靠经济合理的原则下，最大限度地满足便利施工和缩短工期的要求。,支护体系选用原则, 1.2 支护结构的类型,支护结构由挡土结构、锚撑结构组成。当支护结构不能 起到止水作用时，可同时设置止水帷幕或采取坑内外降水。,1.支护结构的分类,放坡开挖及简易围护； 悬臂式围护结构； 重力式围护结构； 内撑式围护结构； 拉锚式围护结构； 土钉墙围护结构； 其它型式围护结构。主要有门架式围护结构；拱式组合型围护结构；喷锚网围护结构；沉井围护结构；加筋水泥土墙围护结构；冻结法围护等。,放坡开挖,放坡开挖是选择合理的基坑边坡以保证在开挖过程中边坡的稳定性，包括坡面的自立性和边坡整体稳定性。 放坡开挖适用于地基土质较好，开挖深度不深，以及施工现场有足够放坡场所的工程。放坡开挖一般费用较低，能采用放坡开挖应尽量采用放坡开挖。有时虽有足够放坡的场所，但挖土及回填土方量大，考虑工期、工程费用并不合理，也不宜采用放坡开挖。,悬臂式支护结构,悬臂式支护结构常采用钢筋混凝土桩排桩墙、木板桩、钢板桩、钢筋混凝土板桩、地下连续墙等型式。悬臂式围护结构依靠足够的入土深度和结构的抗弯能力来维持整体稳定和结构的安全，悬臂式结构对开挖深度很敏感，容易产生较大的变形，对相邻建(构)筑物产生不良影响。悬臂式围护结构适用于土质较好、开挖深度较浅的基坑工程。,水泥土重力式支护结构,目前在工程中用得较多的水泥土重力式围护结构，常采用深层搅拌法形成，有时也采用高压喷射注浆法形成。为了节省投资，常采用格构体系。水泥土与其包围的天然土形成重力式挡墙支挡周围土体，保持基坑边坡稳定。重力式围护结构常用于软粘土地区开挖深度约在6.0m以内的基坑工程。水泥土抗拉强度低，水泥土重力式围护结构适用于较浅的基坑工程，其变形也比较大。,内撑式支护结构,内撑式围护结构由围护结构体系和内撑体系两部分组成。围护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。根据不同开挖深度又可采用单层水平支撑、二层水平支撑及多层水平支撑。内撑常采用钢筋混凝土支撑和钢管(或型钢)支撑两种。钢筋混凝土支撑体系的优点是刚度好、变形小，而钢管支撑的优点是钢管可以回收、且加预压力方便。,拉锚式支护结构,拉锚式围护结构由围护结构体系和锚固体系两部分组成。锚固体系可分为锚杆式和地面拉锚式两种。随基坑深度不同，锚杆式也可分为单层锚杆、二层锚杆和多层锚杆。地面拉锚式需要有足够的场地设置锚桩。锚杆式需要地基土能提供锚杆较大的锚固力。锚杆式较适用于砂土地基，或粘土地基。由于软粘土地基不能提供锚杆较大的锚固力，所以很少使用。,土钉墙支护结构,土钉一般通过钻孔、插筋和注浆来设置，传统上称砂浆锚杆。也有采用打入或射人方式设置土钉。边开挖基坑，边在土坡中设置土钉。在坡面上铺设钢筋网，并通过喷射混凝土形成混凝土面板，形成土钉墙围护结构。土钉墙围护结构的机理可理解为通过在基坑边坡中设置土钉，形成加筋土重力式挡墙起到挡土作用。土钉墙围护适用于地下水位以上或人工降水后的粘性土、粉土、杂填土及非松散砂土、卵石土等，不适用于淤泥质土及未经降水处理地下水位以下的土层地基中基坑围护。,其它形式支护结构,门架式支护结构 拱式组合型支护结构 喷锚网支护结构,加筋水泥土挡墙支护 放坡开挖与排桩墙 放坡开挖与内撑排桩墙,被动区土质改良,对基坑围护体系被动区土质改良、降低地下水位等措施可有效改善围护结构的受力性状。被动区土质情况对围护结构的稳定影响较大，若被动区土质很软弱，可采用被动区土质改良来加固，以增大被动区土压力。被动区土质改良范围一般深度取36m，宽度取59m，可对该区域软土进行全面改良，也可部分改良。若部分改良。被动区土质改良常采用深层搅拌法、高压喷射注浆法和压力注浆法。,结构方案及选择,2. 常用的支护结构形式,1) 挡土结构的常用形式 如图所示。,板桩,组合挡土壁,单排与双排桩支护结构,挡土结构的类型,支撑体系,支撑体系是用来支挡围护墙体，承受墙背侧土层及 地面超载在围护墙上的侧压力。 支撑体系是由支撑、围檩、立柱三部分组成。,支撑结构的常用形式, 1.3 基坑工程特点1. 基坑围护体系是临时结构，安全储备小，风险大 2. 基坑工程具有很强的区域性 3. 基坑工程具有很强的个性 4. 基坑工程综合性强 5. 基坑工程具有较强的时空效应 6. 基坑工程是系统工程 7. 基坑工程的环境效应,1. 基坑支护结构设计的极限状态,基坑支护结构设计应满足两种极限状态的要求。,1) 承载能力极限状态基坑工程的承载能力极限状态要求不出现以下各种状况。(1)支护结构的结构性破坏挡土结构、锚撑结构折断、压屈失稳，锚杆的断裂、拔出，挡土结构地基基础承载力不足等使结构失去承载能力的破坏形式。(2) 基坑内外土体失稳基坑内外土体整体滑动，坑底隆起，结构倾倒或踢脚等破坏形式。 (3) 止水帷幕失效坑内出现管涌、流土或流砂。, 1.4 基坑工程设计内容,2) 正常使用极限状态 基坑的正常使用极限状态，要求不出现以下各种状况。(1)基坑变形影响基坑正常施工、工程桩产生破坏或变位；影响相邻地下结构、相邻建筑、管线、道路等正常使用。 (2) 影响正常使用的外观或变形。 (3) 因地下水抽降而导致过大的地面沉降。,2. 基坑支护结构的设计内容 (1) 支护结构体系的选型及地下水控制方式。 (2) 支护结构的强度和变形计算。 (3) 基坑内外土体稳定性计算。 (4) 基坑降水、止水帷幕设计。 (5) 基坑施工监测设计及应急措施的制定。 (6) 施工期可能出现的不利工况验算。,软土地区的深基坑坑底以下土层较软，加固坑内被动区土体， 可减小支护桩入土深度、基坑变形。加固范围由计算或类似工 程经验确定。加固的方法常用喷射注浆、深层搅拌。深层搅拌 局部加固的形式如图所示。,深层搅拌局部加固的形式, 1.5 基坑工程设计依据基坑工程设计时，首先应掌握以下设计资料(即设计依据)。(1)岩土工程勘察报告。区别基坑工程的安全等级进行专门的岩土工程勘察，或与主体建筑勘察一并进行，但应满足基坑工程勘察的深度和要求。区别基坑工程的规模和地质环境条件复杂程度进行分阶段勘察和施工勘察。具体要求详见有关章节。(2) 建筑总平面图、工程用地红线图、地下工程的建筑、结构设计图。,(3) 邻近建筑物的平面位置，基础类型及结构图、埋深及荷载，周围道路、地下设施、市政管道及通信工程管线图、基坑周围环境对基坑支护结构系统的设计要求。在基坑工程的设计中，支护结构、降水井、观测井及止水帷幕、锚拉系统等构件，均不得超越工程用地红线范围。, 1.6 支护结构设计计算方法综述,实体重力式支护结构按重力式挡土墙的设计原则计算，主要 涉及支承挡墙自重的地基承载力及稳定验算，而稳定验算以条 分法为主。桩、墙式支护结构必须按土与支护结构共同作用的原则进行 设计计算，即结构内力与支护结构的刚度、岩土体变形有关。按 土与支护结构共同作用的原则进行分析是一个较难的课题，即使 采用有限元法(考虑因素多，如模拟开挖过程；得到的结果也多， 如可得到坑周土位移)，由于土性是复杂多变的，选择完全符合工 程特点的土的计算参数是十分困难的；另外，基坑支护结构与土 共同工作的条件远较一般基础工程复杂。,目前，支护结构计算的静力平衡法和等值梁法还在广泛使用 于桩、墙式支护结构。这些方法都未考虑土与结构的相互作用， 显然只是在特定条件下方可使用实际应仅用于地层条件及 环境条件较好的小型基坑。, 2 基坑工程勘察,勘察是准确认识基坑的需要，是基坑工程设计的依据，也 是基坑工程事故的多发点。,建筑边坡的勘探范围应包括不小于岩质边坡高度或不小于 1.5倍土质边坡高度以及可能对建(构)筑物有潜在安全影响的区 域。控制性勘探孔的深度应穿过最深潜在滑动面进入稳定层不 小于5 m，并应进入坡脚地质剖面最低点和支护结构基底下不 小于3 m。,边坡工程勘察报告应包括下列内容:,(1)在查明边坡工程地质和水文地质条件的基础上，确定边坡类别和可能的破坏形式。 (2) 提供验算边坡稳定性、变形和设计所需的计算参数值。 (3) 评价边坡的稳定性，并提出潜在的不稳定边坡的整治措施和 监测方案的建议。 (4) 对需进行抗震设防的边坡应根据区划提供设防烈度或地震动 参数。 (5) 提出边坡整治设计、施工注意事项的建议。 (6) 对所勘察的边坡工程是否存在滑坡(或潜在滑坡)等不良地质 现象，以及开挖或构筑的适宜性做出结论。 (7) 对安全等级为一、二级的边坡工程应提出沿边坡开挖线的地 质纵、横剖面图。地质环境条件复杂、稳定性较差的边坡宜在勘察期间进行变 形监测，并宜设置一定数量的水文长观孔。,边坡工程勘察前应取得以下资料：,(1) 附有坐标和地形的拟建建(构)筑物的总平面布置图。 (2) 拟建建(构)筑物的性质、结构特点及可能采取的基础形式、尺寸和埋置深度。 (3) 边坡高度、坡底高程和边坡平面尺寸。 (4) 拟建场地的整平标高和挖方、填方情况。 (5) 场地及其附近已有的勘察资料和边坡支护型式与参数。 (6) 边坡及其周边地区的场地等环境条件资料。,边坡工程勘察应查明下列内容：,(1) 地形地貌特征。 (2) 岩土的类型、成因、性状、覆盖层厚度、基岩面的形态和坡度、岩石风化和完整程度。 (3) 岩、土体的物理力学性能。 (4) 主要结构面(特别是软弱结构面)的类型和等级、产状、发育程度、延伸程度、闭合程度、风化程度、充填状况、充水状况、组合关系、力学属性和与临空面的关系。 (5) 气象、水文和水文地质条件。 (6) 不良地质现象的范围和性质。 (7) 坡顶邻近(含基坑周边)建(构)筑物的荷载、结构、基础形式和埋深，地下设施的分布和埋深。,建筑边坡工程的气象资料收集、水文调查和水文地质勘察应满足下列要求 :,(1)收集相关气象资料、最大降雨强度和十年一遇最大降水量，研究降水对边坡稳定性的影响。 (2) 收集历史最高水位资料，调查可能影响边坡水文地质条件的工业和市政管线、江河等水源因素，以及相关水库水位调度方案资料。 (3) 查明对边坡工程产生重大影响的汇水面积、排水坡度、长度和植被等情况。,建筑边坡工程的气象资料收集、水文调查和水文地质勘察应满足下列要求 :,(4) 查明地下水类型和主要含水层分布情况。 (5) 查明岩体和软弱结构面中地下水情况。 (6) 调查边坡周围山洪、冲沟和河流冲淤等情况。 (7) 论证孔隙水压力变化规律和对边坡应力状态的影响。, 3 基坑工程设计, 3.1 支护结构设计计算方法综述,1.支护结构的荷载应包括下列项目:,(1) 土压力。 (2) 水压力(静水压力、渗流压力、承压水压力)。 (3) 基坑周围的建筑物及施工荷载引起的侧向压力。 (4) 温度应力。 (5) 临水支护结构的波浪作用力和水流退落时的渗透力。 (6) 作为永久结构时的相关荷载。其中，对一般支护结构，其荷载主要是土压力、水压力。,2. 支护结构设计的荷载组合,支护结构设计的荷载组合，应按照建筑结构荷载规范 与建筑结构可靠度设计统一标准，并结合支护结构受力 特点进行。在建筑边坡工程技术规范(GB 503302002)、 建筑地基基础设计规范(GB 500072002)、建筑基坑支 护技术规程(2012)中，支护结构设计的荷载组合并 不统一。, 3.2 基坑的稳定性分析,基坑工程的稳定性主要表现为以下几种形式：,(1) 整体稳定性； (2) 倾覆及滑移稳定性； (3) 基坑底隆起稳定性； (4) 渗流稳定性。, 3.3 地下水控制,基坑工程的地下水控制通常采用两种方法：,(1)基坑降水；(2)基坑止水,基坑降水包括 (1)明排水法(2)井点降水法,基坑止水是用地下连续墙及喷射注浆、深层搅拌或注浆形成截水墙或底板，阻止地下水流入基坑；基坑止水往往还需要在基坑内降水。,竖向止水帷幕穿过透水层进入不透水层或弱透水层12m。当坑 底土体中存在承压水时，可在坑底设置水平止水帷幕；但一般可 在承压水层中设置减压井以降低承压水头(当承压水头高、水量大 时可设置水平止水帷幕、设置减压井组合)。,基坑土方开挖,开挖机械的选择 土方开挖程序，基坑开挖必须遵循“由上而下，先撑后挖，分层开挖”的原则 施工现场平面布置，减少基坑边缘地面荷载 降、排水措施及冬季、雨季、汛期施工措施的拟定 合理施工监测计划和信息化施工方案的拟定 合理应急措施的拟定,基坑工程监测,基坑工程监测是基坑工程施工中的一个重要环节，组织良好的监测能够将施工中各方面信息及时反馈给基坑开挖组织者，根据对信息的分析，可对基坑工程围护体系变形及稳定状态加以评价，并预测进一步挖土施工后将导致的变形及稳定状态的发展。根据预测判定施工对周围环境造成影响的程度，以制定进一步施工策略，实现所谓信息化施工。,监测目的,通过监测成果分析预估基坑工程围护体系本身的安全度，保证施工过程中围护体系的安全。通过监测成果分析预估基坑工程开挖对相邻建(构)筑物的影响，确保相邻建(构)物和各种市政设施的安全和正常工作。通过监测成果分析检验围护体系设计计算理论和方法的可靠性，为进一步改进设计计算方法提供依据。,监测项目,监测成果,基坑工程环境效应,基坑工程环境效应包括围护结构和工程桩施工、降低地下水位、基坑土方开挖各阶段对周围环境的影响，主要表现在下述几方面： 基坑土方开挖引起围护结构变形以及降低地下水位造成基坑四周地面产生沉降、不均匀沉降和水平位移，导致影响相邻建(构)筑物及市政管线的正常使用，甚至破坏； 围护结构和工程桩若采用挤土桩或部分挤土桩，施工过程中挤土效应将对邻近建(构)筑物及市政管线产生不良影响； 基坑开挖土方运输可能对周围交通运输产生不良影响； 视施工机械和工艺情况可能对周围环境产生施工噪声污染和环境卫生污染(如由泥浆处理不当引起等)； 因设计、施工不当或其他原因造成围护体系破坏，导致相邻建(构)筑物及市政设施破坏。,变形控制标准,连续墙监测标准,基坑工程事故分类,基坑工程事故类型很多。在水土压力作用下，围护结构可能发生破坏，围护结构型式不同，破坏形式也有差异。渗流可能引起流土、突涌，造成破坏。围护结构变形过大，引起周围建筑物及地下管线破坏也属基坑工程事故。,支护体系破坏基本形式,(a)墙体折断破坏；(b)整体失稳破坏；(c)基坑隆起破坏； (d)踢脚失稳破坏；(e)流土破坏；(f )支撑体系失稳破坏,水泥土搅拌桩的破坏模式,倾覆破坏：由于墙身入土太浅或宽度不足，当地面堆载过多或重载车辆在坑边频繁行驶，都可能导致倾覆破坏。 地基整体破坏：当开挖深度较大，基底土又十分软弱时，特别当地面存在大量堆载(堆土)时，地基土连同支挡结构一起滑动。地基整体破坏造成的危害极大，往往伴随着地面大量下陷及坑底隆起，也可能推动坑内主体结构工程桩一起位移。 墙址外移破坏：当挡土结构插入深度不够，坑底土太软或因管涌及流砂所削弱，可能发生墙趾外移所引起的破坏。,事故的原因分析,1.勘察设计的失误 2.水处理不当 3.施工因素 4.其他方面,事故前兆,悬臂式围护结构过大的内倾位移 内撑或锚杆围护结构失稳发生较大向内凸变形 边坡失稳 基底隆起 渗流破坏 坑底突涌 周围地面沉降 其他,基坑事故防范措施,施工偷工减料或造价太低，造成围护结构质量低劣，引发基坑工程事故。设计安全储备不足，桩入土深度不够，是常见的发生围护结构倾斜或踢脚失稳的原因。对侵入相邻场地和建筑物下部，影响施工或基础安全的锚杆，应在确保安全条件下，分别情况，采取人工切断、机械抓斗铲除等方法处理，或拆卸锚杆。同时，要考虑拆卸锚杆后，围护结构的安全措施。为防止两相邻基坑施工互相影响，应加强现场施工监测和双方协调工作。在较高水位场地，错误地采用喷锚、土钉墙等护坡，由于基坑开挖使已加固的土体边坡滑坡损坏。首先应停止开挖，有条件时，应进行坑外降水。无条件降水时，应重新设计和施工其它型式的围护结构(包括止水墙)，方可进行土方开挖施工。因基坑土方超挖，引起围护结构损坏，应暂停止施工，回填砂石方或在桩前堆载，保护围护结构稳定。,应急补救措施,1.减载削坡 2.加强内支撑 3.加设锚杆、土钉 4.降水 5.加固与止水 6.尽快浇捣混凝土垫层 7.稳定周围地面土体,感谢聆听！,