深基坑工程讲座-高大钊

控制降低地下水位对环境的影响

基坑开挖时必须采取坑内排水或降低地下水 位的措施以获得干燥的施工工作空间。 如采 用坑外降水会使大范围的地下水位下降；如 在坑内降水而围护结构不具有止水的功能， 或止水功能失效，则也会引起坑外地下水位 下降；基坑的开挖深度越深，地下水位下降 越多，影响的范围也就越大。当采用坑内降 水方案而止水帷幕能有效工作时，坑外的地 下水位不会明显下降，对相邻建筑物不会构 成威胁。
地下连续墙作重力式
基坑工程的失效模式

ห้องสมุดไป่ตู้
1. 整体失稳 2. 坑底隆起 3. 围护结构倾覆失稳 4. 围护结构滑移失稳 5. 围护结构底部地基承载力失稳 6. “踢脚”失稳 7. 止水帷幕功能失效和坑底渗透变形破坏 8. 围护结构的结构性破坏 9. 支、锚体系失稳破坏
深基坑工程讲座
(一)
同济大学 高大钊
内
深基坑工程总论
容
深基坑工程方案设计
深基坑工程设计计算
深基坑工程施工图设计
深基坑工程总论
深基坑工程的若干事故实例
地下连续墙围护结构的垮塌 钢支撑的失稳 工程桩的倾斜 采用拱圈结构深基坑的垮塌 土钉墙的垮塌

深基坑工程总论
两道钢筋混 凝土支撑
挖土接近设计标高 时 12 幅地下连续 墙发生整体滑移， 坑底隆起，第二道 支撑大部分剪断， 第一道支撑拉脱跌 落，坑外地面下沉 最大达 4m
被动区抗力 不足，土体 失稳
坑底隆起

坑底隆起是指坑底土体产生向上的塑性变形。 基坑开挖以后，坑底向上位移的原因有两种， 一是卸载引起的回弹，其数值较小；另一种 是在开挖引起的压力差作用下土体中产生的 塑性变形，这种变形如果数量较大，表示土 体中的塑流已经比较严重，如果围护结构和 内支撑能形成整体性好的体系，则塑流仅引 起坑外地面下沉，影响环境安全；如果是自 立式结构或节点强度差的支撑体系，隆起可 能是整体失稳的前兆；如果稳定性不能得到 有效的控制，就会发生整体性失稳。
实现围护结构止水功能的条件，一方面是 要求围护结构本身要有一定的隔水性能， 可以同时起止水帷幕的作用，另一方面是 要求设置的止水帷幕有足够的长度，或者 能切入不透水层，或者能将水头梯度减少 到不会发生危害的数值。 有些类型的围护结构可以同时具有挡土 和止水的功能，如地下连续墙；但有些挡 土结构物却不具有止水的作用，如排桩式 围护结构，此时就需要设置止水帷幕，采 用两种材料的复合结构。

建筑红线是法定的建筑界限，不仅限定地 面建筑的范围，而且也不容许地下的设施 超出红线范围。在一般情况下，土锚的锚 固段常常超出红线，亦即已经进入相邻场 地的范围，如果相邻场地进行地下的施工 或设置桩体，土锚就成为其地下障碍物， 因此可能产生相邻的纠纷。从民法的角度 来看，采用的土锚如已进入相邻场地范围， 则已经侵犯了相邻场地业主的合法权益， 相邻场地业主可以诉诸法律。

作为地下结构外墙的使用功能

在软土地区，深基坑工程的围护结构造价 很高，特别如地下连续墙有时可达数千万 之巨，如果仅用作施工时的临时性围护结 构，在地下室施工完毕以后就丧失了使用 价值，确实非常可惜。为了充分利用地下 连续墙的使用价值，提出了将围护结构同 时作为地下室外墙的设计要求，这种设想 无疑是具有经济意义的。
对深基坑工程的技术要求包括： 一 深基坑工程的功能要求 1. 挡土功能 2. 止水功能 3. 作为地下结构外墙的使用功能 二 环境保护与处理相邻关系的要求 1. 控制围护结构位移和坑底隆起对环境 的影响 2. 控制降低地下水位对环境的影响 3. 控制土锚对相邻场地的影响
1. 控制围护结构位移和坑底隆起对环境 的影响 2. 控制降低地下水位对环境的影响 3. 控制土锚对相邻场的影响

控制围护结构位移和坑底隆起 对环境的影响

基坑开挖对土体来说是一种卸荷作用，打 破了土体原来的平衡状态，土体就会产生 各种形态的位移，在基坑内部，表现为围 护结构的水平位移和坑底的隆起，尽管设 置了围护体的支、锚结构，但围护结构连 同周围的土体仍然有不同程度的水平位移；

按围护结构保持稳定方式划分
按围护结构保持稳定的方式，可划分为自立式和 支锚式两类。 自立式围护结构可以不依靠支撑或锚杆的传力作 用而保持其平衡，按照保持稳定的机制可以分为 重力式和悬臂式两类。重力式围护结构依靠自身 的重力所形成的稳定力矩和摩阻力来抵抗土压力 所引起的倾覆和滑移；悬臂式则依靠插入深度范 围内土的嵌固作用维持稳定。 支锚式围护结构则需要依靠内支撑或土锚才能保 持围护结构的稳定。
（12）上海， 主楼 28 层， 主楼基坑深 9.4m，群楼坑 深 6.1m
6
深坑用灌注 桩，800， 长度 18m 浅坑用搅拌 桩，厚度 2700mm， 深、浅基坑 之间用搅拌 桩
800×600 角 支撑与对撑
支撑 3 处断裂，墙 体倒塌，矮墙前倾 位移 2.9m，工程 桩最大位移 3.75m，倾斜 20

围护结构的受力性能与材料密切有关。 用水泥搅拌桩做成的坝体是刚性的、自 立式的。用钢材或钢筋混凝土制成的围 护结构是柔性的，一般需要采用支锚体 系来维持其稳定。但钢筋混凝土地下连 续墙也可以做成如图所示的重力式围护 结构；水泥搅拌桩可以加劲性的型钢成 为柔性的围护结构（SMW工法），也可 以用作柔性的排桩式围护结构的止水帷 幕。
因此深基坑工程大多采用支护开挖的方 案。深基坑设置支护结构（一般包括围 护结构和支锚体系两部分）的目的是阻 止基坑外侧土体的坍塌，为基础施工提 供安全的工作空间。 支护结构的功能是挡土，对基础施工空 间来说具有防护的作用，统称为支护结 构，但将围护结构和支锚体系加以区别 可更确切地表达其在基坑工程中的不同 作用。
深基坑围护结构的类型
按功能划分 按围护结构刚度划分
按围护结构保持稳定方式划分
按围护结构的施工工艺与材料划分
按功能划分
按围护结构功能划分为临时性结构和兼有永久 性结构功能（两墙合一）两类。 临时性围护结构的功能比较单一，设计时只要 满足施工围护结构的挡土、止水和环境保护的 要求； 永久性结构除了满足上述施工围护结构的要求 外，还应满足作为永久性结构的许多要求，例 如传力、协调变形、防渗等要求。同时还要处 理与地下室梁、板、柱的连接构造，对围护结 构的变形也有更严格的要求。

按围护结构刚度划分
按围护结构材料本身的传力特性可以分 为刚性结构和柔性结构两类。 刚性结构围护体材料的抗拉强度很低， 一般不考虑承受弯矩，其变形的特点主 要是平移和转动，当发生挠曲变形时很 容易出现开裂； 柔性结构围护体材料能承受较大的弯矩 和拉应力，因此可以容许发生较大的挠 曲而结构不出现裂缝。

围护结构的倾覆失稳主要发生在重力式结构或 悬臂式围护结构，重力式结构在坑外主动土压 力的作用下，围护结构绕其下部的某点转动， 围护结构的顶部向坑内倾倒。抵抗倾覆失稳的 力矩主要由围护结构自身的重力形成，坑底的 被动抗力也是构成抵抗力矩的因素。关于转动 中心的位置有不同的看法，传统的方法是将转 动中心放在围护结构的前趾，但也有认为绕前 趾上面或下面的某一点转动比较合理，特别的 软土地区由于基底土比较软弱，在力矩作用下 前趾有下沉的可能。
地下水位下降造成土体有效应力增加， 产生大范围的地面沉降，在影响范围内 的建筑物和市政设施就要受到不同程度 的损害。 因此在软土地区通常都采用止水帷幕来 防止坑外地下水位的下降，在基坑工程 设计和施工时，必须充分重视止水帷幕 的质量，密切监控坑外地下水位的变化。

控制土锚对相邻场地的影响

对坑内的施工条件来说，采用土锚比内 支撑更为有利，可以减少对挖土和浇筑 基础的干扰。因此在地质条件比较好的 的地方，大量采用土锚；而在软土地区， 由于软土无法提供足够的锚固力，很少 采用土锚。但除了上述技术方面的考虑 之外，采用土锚时还应充分注意其对相 邻关系的影响，除非建筑场地十分空旷， 土锚能完全设置在建筑红线范围以内。

根据挡土的要求，围护结构不一定是连 续密闭的，在土的强度比较高的地区， 采用间隔式的围护结构就足以起到挡土 的作用；但在软土地区，由于土的强度 低，土压力比较大，则需要设置连续排 列的围护结构才有足够的强度抵抗土压 力的作用和防止软土在侧向压力作用下 通过支挡的间隙绕流。 不同地区、不同土类、不同开挖深度的 基坑，根据挡土的功能要求可以选择不 同的围护结构型式和支锚体系的类型。
1. 深基坑工程的技术要求； 2. 深基坑围护结构的类型； 3. 深基坑工程的失效模式； 4. 深基坑工程的安全等级与设计、施工 要求； 5. 深基坑围护结构的设计荷载； 6. 深基坑设计表达式及安全控制标准；

深基坑工程的技术要求

深基坑工程是指包括基坑开挖、降水和 支护结构设计、施工与监测在内的总称。 支护结构则由包括具有挡土、止水功能 的围护结构和维持围护结构平衡的支、 锚体系两部分组成；支、锚体系是指内 支撑体系或锚杆体系，内支撑体系由支 撑、围檩和立柱等构件组成，锚杆体系 则由锚杆、腰粱和台座等组成。

深基坑工程的功能要求
为什么要做深基坑工程？ 由地下室的施工引起的问题： 挡土和止水的功能－临时性的结构物 作为深基坑围护结构的地下连续墙可以 同时用作地下结构的永久性外墙的使用 功能

挡土功能

放坡开挖和支护开挖虽是两种可供选择 的开挖方案，但放坡开挖的适用范围有 限，因为深基坑的放坡范围过大，城市 不可能提供太大的放坡空间；深基坑放 坡所增加的土方量也比较大；如在软土 地区更由于可能产生深层滑动的制约， 在深基坑中放坡开挖的风险很大。

止水功能

在地下水位比较高的地区，为了使施工作 业的空间比较干燥，必须采取坑内排水或 降低地下水位的措施。如在坑内降低地下 水位则造成了坑内外的水位差 ，地下水 在水头压力的作用下从坑外流向坑内，不 仅不能保持坑内的干燥，而且还会产生管 涌、流砂等渗透变形，危及基坑的安全。 在这种情况下，要求围护结构同时具有止 水的功能，能阻止地下水流向坑内，以保 证坑内的施工作业条件。
在这种条件下，支护结构就具有地下室 外墙的使用功能要求，即永久性的止水 功能、永久性的挡土作用以及传递建筑 物荷载的功能。 对于同时具有地下室外墙使用功能要 求的围护结构，其设计和施工的技术要 求和一般围护结构不同，技术难度比较 大，也比较复杂，需要作专门的研究。

环境保护与处理相邻关系的要求

坑底的隆起是一种向上的位移，产生的 原因一是深层土的卸荷回弹，二是由开 挖形成的压力差导致的土体塑流。由于 土体是连续体，坑底的隆起和围护结构 的水平位移必然导致坑外土体产生沉降 和水平位移，带动相邻建筑物或市政设 施发生倾斜或挠曲，这些附加的变形使 结构构件或管道可能产生开裂，影响使 用，危及安全。

重力式围护结构
重力G 主动土压力 Ea
被动抗力Ep
基底摩阻力H
悬臂式围护结构
主动土压力 Ea
被动抗力Ep 被动抗力E´p
土锚或拉锚
拉锚
土锚
内支撑体系
支撑
立柱
围檩
围护墙 坑底 加固 立柱桩
按围护结构施工工艺与材料划分

按围护结构的施工工艺与材料划分可分 为以水泥稳定土为材料的水泥搅拌桩， 以钢为材料的钢板桩和以钢筋混凝土为 材料的钻孔灌注桩、地下连续墙或钢筋 混凝土板桩。
(56)台北，开 挖深度 13.6m
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厚度 700mm 的 地下连续 墙，长度 24m
开挖至坑底发生破 坏，四周土地陷落 4m，建筑物向外 倾倒，坑底桩上升 2~4m，开挖面下 的土层上升 2~4m，连续墙底 向内位移 2 m
场地处于故 河道填土 区，坑底软 弱，属隆起 破坏
围护结构倾覆失稳
整体失稳

整体失稳是指在土体中形成了滑动面， 围护结构连同基坑外侧及坑底的土体一 起丧失稳定性，一般的失稳形态是围护 结构的上部向坑外倾倒，围护结构的底 部向坑内移动，坑底土体隆起，坑外地 面下陷。
（50）上海， 基坑宽 10m， 长度超过 200m，开挖 深度 10m 左 右
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地下连续 墙，宽度 80cm，长 度 20m