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1、第九章 基坑工程应用,第一节 概 述,第二节 基坑工程的特点与安全等级,第三节 基坑支护结构的类型与特点,第四节 基坑支护结构选型及稳定性验算,本章讲授内容,第五节 土中水的渗透性与地下水控制,第六节 基坑土体加固与周围环境监测,第一节 概 述,基坑是为了修建建筑物、构筑物的基础、地下室或其它地下设施所开挖而形成的地面以下空间。 基坑开挖使坑底和周围土体中的应力场发生变化，这些变化不仅涉及到土力学中典型的强度与稳定问题，又涉及到变形问题，可以说基坑工程是土力学知识的综合应用。,知识：了解基坑工程特点和基坑支护结构的类型及特点，掌握支护结构的选型原则和稳定性验算、地下水的控制方法，熟悉基坑土体加
2、固和周围环境监测等内容。 能力：能合理选择支护结构的类型和进行稳定性验算，并能正确实施基坑支护方案。,第二节 基坑工程的特点与安全等级,基坑工程是指建筑物地下部分施工时，需开挖基坑、进行降水和对坑壁围挡，同时要对周围建（构）筑物、道路和地下管线进行检测及维护，确保正常、安全施工的整个过程。 基坑工程是一项综合性很强的系统工程，它不仅包括基坑支护体系设计，而且还与开挖施工技术紧密相关。,一、基坑工程的特点,（1）基坑工程综合性强。,（2）基坑工程具有很强的区域性，同时亦个性突出。,（3）建筑基坑支护工程，一般情况下均为临时性构筑物，安全储备较小，具有较大的风险性。,（4）基坑开挖的施工组织是否合
3、理将对支护体系是否成功具有重要作用。,（5）基坑工程的开挖对四周既有建（构）筑物、道路、地下设施等会产生影响，即环境效应。,二、基坑安全等级,根据基坑工程破坏后果的严重程度，依据建筑基坑支护技术规程JGJ120-99，基坑安全等级划分为三个安全等级。,表9-1 基坑侧壁安全等级及重要性系数,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。,第三节 基坑支护结构的类型与特点,基坑按是否设置支护结构分,无支护基坑,有支护基坑,一般采用放坡开挖，当无支护基坑开挖深度大于45m时，宜采用分级放坡；当地下水位高于坡脚时，应采取降水措施。,重力式支护结构 悬臂式支护结构 拉锚式支护结构 土钉墙
4、 内支撑支护结构 逆作法,一、重力式支护结构,重力式支护结构也叫重力式挡土墙，是依靠支挡结构本身的自重来平衡坑内外的土压力差，保证基坑的顺利开挖。,工艺：由深层搅拌桩或高压旋喷桩与桩间土组成。 特点：材料抗拉强度小。 挡土墙水平方向截面通常做成格栅形状，形成厚而重的刚性墙。 适用：淤泥、淤泥质土、粘土、粉质粘土、粉土、夹有薄砂层的土、素填土等地基承载力不大于150kPa的土层。 优点：结构简单，便于施工，造价较低。,“工”字和“王”字形水泥土桩格栅,二、悬臂式支护结构,概念：悬臂式支护结构指没有内支撑和拉锚的板桩墙、排桩墙和地下连续墙支护结构。 特点：悬臂式支护结构采用抗拉强度较高的材料（如钢
5、、钢筋混凝土）抵抗土压力引起的结构内力，保证施工期间基坑侧壁稳定。 分类：根据支护结构采用的材料可分为：钢板桩、钢筋混凝土板桩、钻孔灌注桩、SMW工法、地下连续墙等。,1.钢 板 桩,适用：淤泥、淤泥质土、饱和软土及地下水位较高的深基坑支护。当环境要求不高，安全等级二、三级，开挖深度5m时适用。 工艺：钢板桩是对钢带进行连续冷弯变形，形成截面为Z形、U形或其它形状，可通过锁口互相连接的板材。 施工：钢板桩用打桩机打（压）入地基，使其互相连结成钢板桩墙对坑壁土体进行支挡。 特点：钢板桩强度高，防水性能好，施工快速简便，占用空间小，并可在基坑施工完毕后拔出，在下一工程重复使用。,(a)U形钢板桩,
6、(b) Z形钢板桩,(c) 一字形钢板桩,2.钢筋混凝土板桩,(a)矩形榫槽结合,(b) 工字形薄壁,(c) 方形薄壁,形式：截面形状有矩形、工字形薄壁和方形薄壁三种形式。 工艺：矩形板桩采用榫槽结构，宽度一般0.40.7m，厚度0.5m，深度可达20m左右，板桩两侧设置阴阳榫槽，板桩沉入土中后可在接缝处注浆处理，防止地下水渗透。工字形和方形预制钢筋混凝土板桩壁厚0.080.12m，截面尺寸在0.50.5m。 特点：造价较低，但施工不便，插入土中时易引起周围土体挤压变形，接头处的防水处理不易做好。不宜在建筑密集的市区使用，也不适于在硬土层中施工。,3.钻孔灌注桩,适用：较硬的土层中开挖基坑，上
7、面两种板桩不易插入坑周土层中，可采用大直径钻孔灌注桩，灌注桩直径一般0.61.2m。 布置：钻孔灌注桩作为围护结构的常用平面布置方式如图9-4所示。当无地下水时，可稀疏布置；当地下水位较高时，可采用搭接或在钻孔桩外侧再增设阻水帷幕（深层搅拌桩、旋喷桩或注浆处理方式）。 特点：钻孔灌注桩施工容易，自身刚度大，强度高，既适用于软土层，又适用于硬土层，基坑开挖深度在512m之间。其缺点是施工速度慢，质量控制难度大，工期较长。,(a)一字排列 (b)交错排列 (c)一字搭接排列(d)水泥土搅拌桩 与稀疏布桩,4.SMW 工法,工艺：是在深层搅拌桩施工后，在水泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力
8、补强材料，至水泥结硬，便形成一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体，这种结构充分发挥了水泥土混合体和受拉材料的力学特性。 形式：常用的布置型式如图9-5所示。SMW工法成墙厚度0.51.3m，常用厚度0.6m，成墙深度可达3040m。 适用：粘性土、粉土、砂土、砂砾土中应用。 特点：占地面积小、挡水效果好、对周围地基影响小，造价较低，是国内目前较新的基坑围护工艺。,(a) 全孔设置,(b) 隔孔设置,(c) 组合设置,5.地下连续墙,工艺：是在地面用特殊的挖槽设备，在泥浆护壁的情况下沿基坑的周边开挖一条狭长的深槽，在槽内放置钢筋笼并水下浇灌混凝土，筑成一段钢筋混凝土墙段，然后将
9、若干墙段连接成整体，形成一条连续的地下墙体。 形式：地下连续墙既可挡土又可防水，为基坑开挖提供条件，也可以作为建筑的外墙承重结构，两墙合一，提高经济效益。连续墙壁厚一般有0.6m、0.8 m、1.0m三种规格，深度可达数十米。 特点：结构刚度大、整体性、抗渗性和耐久性好的特点，可作为永久性的挡土、挡水和承重结构；能适应各种复杂的施工环境和水文地质条件。 在一些特殊的地质条件下（如很软的淤泥质土，含漂石的冲积层和超硬岩石等），地下连续墙施工难度很大，如果用作临时的挡土结构，比其它方法所用的费用要高些。,地下连续墙施工程序,三、拉锚式支护结构,概念：在基坑一定深度处对悬臂式支护结构施加水平向外的拉
10、力，该拉力由设置于土层中的锚杆提供，这样组成的支护结构称为拉锚式支护结构。,形式：拉锚式支护结构由锚杆和支护排桩或墙组成（图9-6），支护桩或墙采用钢筋混凝土桩或地下连续墙。,工艺：施工时在基坑壁土层中钻孔，达到设计深度后，在孔内放入钢筋、钢管或钢绞线等抗拉材料，灌入水泥浆或化学浆液，使之与土层结合成为抗拉(拔)力强的锚杆。整根锚杆分为自由段和锚固段（图9-6a）。,(a)锚杆构造示意图,优点：是为地下工程施工提供开阔的工作面，土方开挖、运输和地下结构施工非常方便，能施加预应力，可有效地控制土体变形；施工不用大型机械，可代替钢支撑侧壁支护，造价低。,适用：较硬土层，以利于锚固，深度不宜超过18
11、m，此外，锚杆施工范围内应无地下管线、相邻建筑的地下室或基础。,(b) 地下连续墙-锚杆支护结构,四、土钉墙,概念：土钉墙支护结构是一种原位土体加固技术，它是以较密集排列的插筋作为土体主要补强手段，通过插筋体与土体之间的摩擦力达到改善土体力学性能的目的，使加固区土体成为能自稳的重力式的挡土结构（见图9-7）。,图9-7 土钉支护截面构造示意图,机理：土钉墙是高强度土钉、喷射混凝土面层及原状土三者共同受力，通过相互作用，土体自身结构强度潜力得到充分发挥，改变了边坡变形和破坏的性状，显著提高了整体稳定性，更重要的是土钉墙具有明显的渐进性变形和开裂破坏，不会发生整体性塌滑。,适用：当基坑开挖深度不大
12、于15m，场地土质较好时，可采用土钉墙支护坑壁土体。土钉墙主要用于加固基坑底以上土体，一般适合于地下水位以上或经过降排水后的素填土、粘性土、粉土以及非松散的砂土、卵石等，不宜用于淤泥质土、饱和软土及未经降水处理的地下水以下的土层。,特点：土钉则是全长范围内受力。其次，土钉一般要求土体产生小量位移，从而使土钉与土体之间的摩阻力得以充分发挥；土钉墙是在土钉的作用下把潜在破裂面前的主动土压力区的复合土体视为具有自撑能力的稳定土体。,五、内支撑支护结构,概念：当基坑开挖深度较大，而且周围环境不具备锚杆施工时，可在悬臂式支护结构内部设置支撑结构体系，该体系称为内支撑支护结构。内支撑式支护结构由支护桩或墙
13、和内支撑组成。,机理：支撑结构是承受围护桩或墙所传递的水、土压力的结构体系，作用在围护结构上的水、土压力可以由内支撑有效地传递和平衡，减少支护结构的位移。内支撑支护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。,特点：设置内支撑可有效地减少围护桩、墙的内力和变形，通过设置多道内支撑可用于开挖很深的基坑，但内支撑的设置对土方开挖和地下结构施工带来较大不便。,形式：按内支撑采用材料内支撑支护结构可分为钢筋混凝土内支撑和钢结构内支撑。钢筋混凝土内支撑为现场浇注，截面为矩形，施工方便，拆除难。钢结构内支撑一般采用钢管、型钢等，施工方便省时，可重复使用，构造复杂，整体性较差。,(a) 纵横对
14、撑,(b)对撑结合角撑,(c)边桁架,工艺： 1.纵横对撑构成的井字形式安全稳定，整体刚度大，施工不便，拆除困难。 2.角撑结合对撑在挖土及主体结构施工时较方便，但整体刚度及稳定性差，当基坑的范围较大时不宜采用。 3.边桁架挖土及主体结构施工较方便，但其整体刚度及稳定性相对较差，适用开挖范围小的基坑。,(d)圆形环梁,(d)竖向斜撑,工艺： 4.圆形环梁较经济，受力较合理，可节省钢筋混凝土用量，挖土及主体结构施工较方便。 5.竖直向斜撑优点是节省立柱及支撑材料，但其不易控制基坑稳定和变形，适用于开挖面积大而挖深小的基坑。,六、逆作法,概念与机理：逆作法是先施工基坑周围地下连续墙，同时在基坑内部
15、的有关位置浇筑或打下中间支承桩、柱，作为施工期间于底板封底之前承受上部结构自重和施工荷载的支撑；然后施工地面一层的梁板楼面结构，作为地下连续墙刚度很大的内支撑；随后逐层向下开挖土方和浇筑各层地下结构，各层地下结构就起到刚度很大的内支撑作用，保证坑壁稳定，直至底板封底。由于地面一层的楼面结构已完成，可以同时向上逐层进行地上结构的施工。,逆作法施工相对顺作法有以下优点：,（1）基坑变形小。逆作法施工，充分利用逐层浇筑的地下室结构作为地下连续墙的内部支撑，而地下室结构比临时支撑刚度大得多，所以，地下连续墙变形小；,（2）节约成本。基坑水平内支撑支护与地下室结构楼板合一，地下连续墙与地下室墙体合一，降
16、低造价；,（3）缩短工期。相比与顺作法，逆作法上部结构与地下室可同时施工，工期短。,第四节 基坑支护结构选型及稳定性验算,一、基坑工程的设计内容,变形：正常使用极限状态的要求（变形不超使用容许值）,设计要求,稳定：承载能力极限状态的要求（结构稳定安全）,设计荷载：土压力、水压力、建筑物荷载、施工荷载等,基坑工程设计内容,（1）支护结构体系的方案比较和选型，支护结构的强度和变形计算； （2）基坑稳定性验算，包括：整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性、地下水渗透稳定性和基坑突涌验算； （3）地下水控制方案； （4）基坑周围环境保护要求、监测方案和应急措施等。,二、支护结构的选型,基坑支护型式的选择，应根据地质条件、周边环境的要求及不同支护型式的特点、造价等综合确定。,三、支护结构稳定性验算,稳定性分析,有支护基坑,无支护基坑,无支护基坑的稳定性主要取决于开挖边坡的稳定性，可采用边坡稳定的分析方法；,有支护基坑的稳定性验算包括：整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性、地下水渗透稳定性和基坑突涌验算。,1.整体稳定性验算方法,整体稳
