高层施工2

第二讲基坑工程主讲：建筑工程系基本内容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。本部分对基坑工程的概念及现状、特点、设计内容、设计依据、设计计算方法进行概述，介绍基坑工程勘察、设计、施工、监测、试验的方法。2.1基坑工程概述2.1.1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。基坑工程属于临时性工程，并没有引起岩土工程师们的足够重视，因此目前存在概念、理论体系、计算方法等诸多不统一，工程设计保守浪费、国内外基坑工程事故很多。基坑工程的重要性、技术难度日益引起人们的关注。2.1.1基坑工程概念及现状导致基坑工程事故的主要原因如下。(1)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。2.1.1基坑工程概念及现状实践表明，基坑工程这个历来被认为是实践性很强的岩土工程问题，发展至今天，已迫切需要理论来指导、充实、完善。基坑的稳定性、支护结构的内力和变形以及周围地层的位移对周围建筑物和地下管线等的影响及保护的计算分析，目前尚不能准确地得出定量的结果，但是，有关稳定、变形的理论，对解决这类实际工程问题仍然有非常重要的指导意义。2.1.1基坑工程概念及现状所以，目前在工程实践中采用理论导向、量测定量和经验判断三者相结合的方法。基坑工程的理论，包括考虑应力路径的作用、土的各向异性、土的流变性、土的扰动、土与支护结构的共同作用理论、有限单元法、系统工程等，逐渐形成专门的学科——基坑工程学。2.1.1基坑工程概念及现状放坡大开挖，既经济又方便，适用于空旷场地；由于场地小而没有足够空间安全放坡时，就需要附加结构的基坑支护。前者是土力学的一个经典课题，后者是20世纪60年代以后岩土工程师和土力学家们面临的一个重要基础工程课题。我国20世纪70年代以前的基坑都比较浅，北京70年代地铁建设出现20m深的基坑，80年代后广东、上海、天津等城市的深基坑陆续增加，90年代后广东省、上海等地开始编制了基坑工程地方标准。2.1.2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.基坑支护结构的分类基坑支护结构可以分为以下两大类。1)桩、墙式支护结构2)实体重力式支护结构2.1.2支护结构的类型1)桩、墙式支护结构桩、墙式支护结构常采用钢板桩、钢筋混凝土板桩、柱列式灌注桩、地下连续墙等。支护桩、墙插入坑底土中一定深度(一般均插入至较坚硬土层)，上部呈悬臂或设置锚撑体系。此类支护结构应用广泛，适用性强，易于控制支护结构的变形，尤其适用于开挖深度较大的深基坑，并能适应各种复杂的地质条件，设计计算理论较为成熟，各地区的工程经验也较多，是基坑工程中经常采用的主要形式。2.1.2支护结构的类型2)实体重力式支护结构实体重力式支护结构常采用水泥土搅拌桩挡墙、高压旋喷桩挡墙、土钉墙等。此类支护结构截面尺寸较大，依靠实体墙身的重力起挡土作用，按重力式挡土墙的设计原则计算。墙身也可设计成格构式，或阶梯形等多种形式，无锚拉或内支撑系统，土方开挖施工方便，适用于小型基坑工程。土质条件较差时，基坑开挖深度不宜过大。2.1.2支护结构的类型2.常用的支护结构形式1)挡土结构的常用形式2.1.2支护结构的类型2.1.2支护结构的类型2.1.2支护结构的类型2.1.2支护结构的类型2.1.2支护结构的类型2）支撑结构形式2.1.2支护结构的类型2.1.2支护结构的类型2.1.3基坑工程特点1.综合性强基坑工程涉及工程地质、土力学、渗流理论、结构工程、施工技术和监测设计等。2.临时性和风险性大一般情况下，基坑支护是临时措施，支护结构的安全储备较小，风险大。3.地区性各地区基坑工程的地质条件不同，同一城市不同区域也有差异。因此，设计要因地制宜，不能简单照搬。2.1.3基坑工程特点4.环境条件要求严格邻近的高大建筑、地下结构、管线和地铁等对基坑的变形限制严格，施工因素复杂多变，气候、季节、周围水体均可产生重大变化。以上特点决定了基坑工程设计、施工的复杂性。多种不确定因素，导致在基坑工程中经常发生概念性的错误，这是基坑事故的主要原因。2.1.4基坑工程设计内容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承载能力极限状态、正常使用极限状态，两种极限状态的要求。2.1.4基坑工程设计内容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。2.1.4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。2.1.4基坑工程设计内容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。2.1.4基坑工程设计内容以上设计内容，可以分成三个部分。其一是支护结构的强度变形和基坑内外土体稳定性设计；其二是对基坑地下水的控制设计；其三是施工监测，包括对支护结构的监测和周边环境的监测。2.1.5基坑工程设计依据(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。具体要求详见基坑勘察。(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。2.1.5基坑工程设计依据(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。2.1.6支护结构设计方法综述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，由于土性复杂多变，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。2.1.6支护结构设计方法综述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。用于桩、墙式支护结构的弹性抗力法，又称为侧向弹性地基反力法、地基反力法、土抗力法、竖向弹性地基梁的基床系数法等，属于承受水平荷载的弹性地基梁分析的范畴，能较好地反映基坑开挖和回筑过程各种工况和复杂情况对支护结构受力的影响2.1.6支护结构设计方法综述支护结构设计，必须根据基坑支护的具体方法，分析支护结构各部分与土的相互作用条件，选取适当的算法，才能比较符合实际。影响支护结构变形和地面变形的因素复杂，目前尚无实用的理论计算方法可用于工程实践，在工程设计中主要依据设计经验和工程类比及采取控制性措施解决。2.2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。岩土体的变异性一般都比较大，对于复杂的岩土边坡很难在一次勘察中就将主要的岩土工程问题全部查明；而且对于一些大型边坡，设计往往也是分阶段进行的。当地质环境条件复杂时，岩土差异性就表现得更加突出，往往即使进行了初勘、详勘还不能准确的查明某些重要的岩土工程问题，这时进行施工勘察就很重要了。2.2基坑工程勘察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,物理力学性能。(3)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。(4)气象、水文和水文地质条件。(5)不良地质现象的范围和性质。(6)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。2.2基坑工程勘察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。(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。2.3基坑工程设计2.3.1支护结构设计的荷载及其组合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)基坑周围建筑物及施工荷载引起的侧压力。(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。2.3基坑工程设计支护结构设计的荷载组合没有一个统一标准。对支护结构设计有如下规定：(1)按地基承载力确定挡土结构基础底面积及其埋深时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态的标准组合，相应的抗力应采用地基承载力特征值。(2)支护结构的稳定性和锚杆锚固体与地层的锚固长度计算时，荷载效应组合应采用承载能力极限状态的基本组合，但其荷载分项系数均取1.0，组合系数按现行国家标准的规定采用。2.3基坑工程设计(3)在确定支护结构截面尺寸、内力及配筋时，荷载效应组合应采用承载能力极限状态的基本组合，并采用现行国家标准规定的荷载分项系数和组合值系数；支护结构的重要性系数γ0按有关规范的规定采用，安全等级为一级的取1.1，二、三级的取1.0。(4)计算锚杆变形和支护结构水平位移与垂直位移时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态的准永久组合。2.3.2桩墙式支护结构桩墙式支护结构的设计包括以下内容：(1)支护桩插入深度的确定。(2)支护结构体系的内力分析和结构强度设计。(3)基坑内外土体的稳定性验算。(4)基坑降水设计和渗流稳定验算。(5)基坑周围地面变形的控制措施。(6)施工监测设计。桩墙式支护结构可能出现倾覆、滑移等破坏，产生很大的内力和变形位，其内力与变形计算常用的方法有：极限平衡法和弹性抗力法两种。2.3.3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