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1、项目三 基坑工程施工,任务一 基坑支护 任务二 基坑降水 任务三 基坑监测,返回,任务一 基坑支护,一、基坑工程的设计原则与基坑安全等级 （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（）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： 承载能力极限状态 （）支护结构构件或连接因超过材料强度而破坏，或因过度变形而不适于继续承受荷载，或出现压屈、局部失稳； （）支护结构及土体整体滑动；,下一页,返回,任务一 基坑支护,（）坑底土体隆起而丧失稳定； （）对支挡式结构，坑底土体丧失嵌固能力而使支护结构推移或
2、倾覆； （）对锚拉式支挡结构或土钉墙，土体丧失对锚杆或土钉的锚固能力； （）重力式水泥土墙整体倾覆或滑移； （）重力式水泥土墙、支挡式结构因其持力土层丧失承载能力而破坏； （）地下水渗流引起的土体渗透破坏。 正常使用极限状态,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,（）造成基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路等损坏或影响其正常使用的支护结构位移； （）因地下水位下降、地下水渗流或施工因素而造成基坑周边建（构）筑物、地下管线、道路等损坏或影响其正常使用的土体变形； （）影响主体地下结构正常施工的支护结构位移； （）影响主体地下结构正常施工的地下水渗流。 （二）基坑支护结构的安全等级 建筑基坑支护
3、技术规程（）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，基坑侧壁的安全等级分级见表-。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,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，应对基坑采取保护措施。 对于安全等级为一级及对
4、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验算。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,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做了相应的规定，以便于进行岩土勘察、支护结构设计和审查基坑工程施工方案等。 建筑地基基础工程施工质量验收规范（）对基坑分级和变形监控值的规定见表-。 二、土中应力计算 （一）土层自重应力的计算 土层自重应力是指由土体重力引起的应力。自重应力一般是从土体形成就在土中产生，它与是否修建建筑物无关。 竖向自重应力,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,假想天然地基为一无限大的均质同性半无限体，各土层分
5、界面为水平面。于是，在自重力作用下只能产生竖向变形，而无侧向位移及剪切变形存在。因此，地基中任意深度z处的竖向自重应力就等于单位面积上的土柱自重（图-）。 对于均匀土（土的重度 为常数），在地表以下深度z处的竖向自重应力为 所以，均质土层中的自重应力随深度线性增加，呈三角形分布。 水平自重应力,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,地基中除了存在作用于水平面上的竖向自重应力 外，还存在作用于竖直面上的水平向应力 和 。根据弹性理论和土体侧限条件可知，土中任意深度z处的水平自重应力 和 为 不透水层的影响 在地下水位以下如果存在不透水层，如基岩或只含结合水的坚硬黏土层，由于不透水层中不存在水的
6、浮力，作用在不透水层及层面以下的土的自重应力应等于上覆土和水的总重。 地下水对自重应力的影响,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,处于地下水位以下的土，由于受到水的浮力作用，土的重度减轻，计算时采用土的有效重度 。 地下水位的变化会引起土中自重应力的变化，如图-所示。当水位下降时，原水位以下自重应力增加；当水位上升时，对设有地下室的建筑或地下建筑工程地基的防潮不利。 一般情况下，天然地基往往由若干层土组成，则z处的竖向自重应力为各层土竖向自重应力之和，即,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,由式（-）可知，成层土的竖向自重应力沿深度呈折线分布，转折点位于 值发生变化的土层界面上，如图-
7、所示。 （二）基底压力的计算 建筑物上部结构荷载和基础自重通过基础传递，在基础底面处施加于地基上的单位面积压力（方向向下），称为基底压力。同时，也存在着地基对基础的反作用力（方向向上），称为地基反力。两者大小相等。在计算地基土中某点的应力以及确定基础结构时，必须研究基底压力的计算方法和分布规律。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,试验和理论都证明，基底压力的分布形态与基础的刚度、平面形状、尺寸、埋置深度、基础上作用荷载的大小及性质和地基土的性质等因素有关。 当基础为完全柔性时，就像放在地上的薄膜一样，在垂直荷载作用下没有抵抗弯矩变形的能力，基础随着地基一起变形。基底压力的分布与作用在基础
8、上的荷载分布完全一致，如图-所示。在中心受压时，为均匀受压。实际工程中并没有完全柔性的基础，常把土坝（堤）及用钢板做成的储油罐底板等视为柔性基础。 对绝对刚性基础，本身刚度很大，在外荷载作用下，基础底面保持不变形，即基础各点的沉降是相同的，为了使基础与地基的变形保持协调一致，刚性基础基底压力的分布要重新调整。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,通常在中心荷载作用下，基底压力呈马鞍形分布，中间小而两边大，如图-（）所示。当基础上的荷载较大时，基础边缘因为应力很大，使土产生塑性变形，边缘应力不再增大，而使中间部分继续增大，基底压力分布呈抛物线形，如图-（）所示。当作用在基础上的荷载继续增大，
9、接近地基的破坏荷载时，应力图形又变成中部凸出的钟形，如图-（）所示。通常把块式整体基础和素混凝土基础视为刚性基础。 一般建筑物基础是介于柔性基础与绝对刚性基础之间的，具有一定的抗弯刚度。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,作用在基础上的荷载一般不会很大，基底压力分布大多呈马鞍形。因此，精确地确定基底压力是一个相当复杂的问题，工程中通常将基底压力近似按直线分布考虑，根据材料力学公式进行简化计算。 轴心荷载作用下的基底压力计算 轴心荷载作用下的基底所受竖向荷载的合力通过基底形心，如图-所示。基底压力按下式计算：,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,对于荷载沿长度方向均匀分布的条形基础，取
10、单位长度 进行基底平均压力p 的计算，A改为b（），而F 及G 则为沿基础延伸方向 截面内的相应值（）。 偏心荷载作用下的基底压力计算 常见的偏心荷载作用在矩形基础的一个主轴上（称为单向偏心），为了抵抗荷载的偏心作用，设计时通常把基础底面的长边放在偏心方向。此时两短边边缘最大压力p 与最小压力p 按材料力学公式计算：,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,式（-），可得： 由式（-）可知，按荷载偏心距e的大小，基底压力的分布可能出现下述三种情况（图-）： （）当el/时，p，基底压力呈三角形分布，如 图-（）所示； （）当el/时，p，基底压力呈梯形分布，如图 -（）所示；,上一页,下一页,
11、返回,任务一 基坑支护,（）当el/时，p ，表明基底出现拉应力，此时基底与地基之间局部脱离，而使基底压力重新分布。根据偏心荷载与基底反力平衡的条件，荷载合力FG 应通过三角形反力分布图的形心，由此可得： 对于条形基础： 基底附加压力,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,综上所述，一般天然土层，土的自重应力不会引起地基变形，只有新增建筑物的荷载，即作用于地基表面的附加压力才能引起地基产生附加应力和变形。通常，基础总是埋置于天然地面下一定深度处，该处原有的自重应力因基坑开挖而卸除。因此，在计算由建筑物造成的基底附加压力时，应扣除基底标高处土中原有的自重应力后，才是基底平面处新增加于地基的基底
12、附加压力，如图-所示。基底平均附加压力值按式（-）计算： （三）竖向荷载作用下地基附加应力的计算,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,地基中的附加应力是指由新增外加荷载在地基中引起的应力增量，它是引起地基变形与破坏的主要因素。目前我国采用的附加应力计算方法是根据弹性理论推导的。假定地基土是各向同性、均质的线性变形体，而且在深度和水平方向上都是无限延伸的。本节首先讨论在竖向集中荷载作用下地基附加应力的计算，然后应用竖向集中力的解答，通过积分的方法得到矩形均布荷载下土中应力的计算公式。 竖向集中荷载作用下土中附加应力的计算 对于土力学来说， 具有特别重要的意义，它是使地基土产生压缩变形的原因。
13、由式（-）可知，垂直应力 只与荷载p和点的位置有关，而与地基土变形性质无关（，E）。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,当半极限弹性体表面上作用着竖向集中力p时，弹性体内部任意点M（x，y，z）的六个应力分量分别为， ， ， ，如图-所示。 由弹性力学知识和几何关系可以得到：,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护, 竖向矩形均布荷载作用下土中附加应力的计算 在工程实际中荷载很少以集中荷载的形式作用在地基上，一般都是通过一定尺寸的基础传递给地基的。对矩形基础，基础底面的形状和荷载分布都有规律，可利用对上述集中荷载引起的附加应力进行积分的方法，计算地基中任意点的附加应力。 （）矩形均布荷载
14、角点下的附加应力（图-）。假设一竖向矩形均布荷载，长边为L，短边为B，荷载强度为p，则矩形基础底面角点下任意深度z处的附加应力：,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,（）矩形均布荷载下任意点处的附加应力。利用矩形均布荷载角点下的附加应力计算公式（-）和应力叠加原理，可以推导出地基中任意点的附加应力，这种方法称为角点法。计算点不位于角点下的四种情况如图-所示。 由图-可见，通过M点将荷载面积划分为若干个矩形面积，然后再按式（-）计算每个矩形角点下同一深度z处的附加应力 ，并求其代数和。 ）计算矩形荷载面积内任意点M之下的附加应力时， 为,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,）计算矩形荷载
15、面积边缘上一点M之下的附加应力时， 为 ）计算矩形荷载面积边缘外侧一点M之下的附加应力时， 为 ）计算矩形荷载面角积点外侧一点M之下的附加应力时， 为 条形均布荷载下任意点处的附加应力计算 当矩形基础底面的长宽比很大，如LB时，称为条形基础。砌体结构房屋的墙基与挡土墙等，都属于条形基础。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,当条形基础在基底产生的变形荷载沿长度不变时，地基应力属于平面问题，即垂直于长度方向的任一截面上的附加应力分布规律都是相同的（基础两端另行处理）。当条形基础宽度为b，其上作用均布荷载p时，取宽度b的中点作为坐标原点（图-），则地基中任意点M的竖向附加应力为： 条形均布荷载下地基中的应力分布规律如图-所示。,上一页,下一页,返回,任务一 基坑支护,从中可以看出，条形均布荷载下地基中的附加应力具有扩散分布性；在离基底不同深度处的各个水平面上，以基底中心点下轴线处最大，随着距离中轴线越远附加应力越小；在荷载分布范围内之下沿垂线方向的任意点，随深度越向下附加应力越小。 三、土的抗剪强度 在外部荷载作用下，土体中的应力将发生变化。当土体中的剪应力超过土体本身的抗剪强度时，土体将产生沿着其中某一
