基坑工程教案

第三讲: 基坑支护与监测
主要内容 (6课时)
第一节支护结构选型(2课时)
第二节支护结构计算(2课时)
第三节支护结构施工（略）
第四节支护结构监测(2课时)
教学目的与要求:
1.熟悉各类支护结构的特点及适用范围；
2.掌握钢筋砼及钢内支撑的特点；
3.熟悉基坑工程等级的划分要求；
4.了解支护结构的破坏形式;
5.掌握土压力的基本概念与常用计算方法；
6.掌握等值梁计算支护结构的方法与步骤。

7.熟悉基坑监测的目的与要求。

8.了解基坑监测的项目、方法及设备。

授课内容：
第一节支护结构选型
引言:
基坑支护型式的合理选择，是基坑支护设计的首要工作，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。

包括支护结构与支撑体系的选择。

一般当地质条件较好，周边环境要求较宽松时，可以采用柔性支护，如土钉墙等；
当周边环境要求高时，应采用较刚性的支护型式，以控制水平位移，如排桩或地下连续墙等。

同样，对于支撑的型式，当周边环境要求较高地质条件较差时，采用锚杆容易造成周边土体的扰动并影响周边环境的安全，应采用内支撑型式较好；当地质条件特别差，
基坑深度较深，周边环境要求较高时，可采用地下连续墙加逆作法这种最强的支护型式。

基坑支护最重要的是要保证周边环境的安全。

一、各类支护结构简介
（一）深层搅拌水泥土墙
:
适用于有一定胶结能力和密实程度的砂土、粉土、砾石土、素填土、较硬的粘性土中，在松散的砂土、粘性土、和淤泥土中不宜采用。

在土质较好地区应积极推广。

（八）SMW工法
1.概念:
SMW（Soil Mixing Wall）工法亦称劲性水泥土搅拌桩法。

即在水泥土桩未结硬前插入H 型钢或钢板作为应力补强材料,将承受荷载与防渗挡水结合起来,形成一
道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下围护墙体。

2.特点:
施工时基本无噪音,对周围环境影响小; 整体刚度大、强度高，抗渗性好，具有挡土、防渗两重功能；施工工艺简单,施工效率高；施工结束后可拔出H型钢回收再利用，节约造价。

3.适用范围:
凡是适合应用水泥土搅拌桩的场合都可使用,特别适合于以粘土和粉细砂为主的松软地层; 尤其是在6m～12m深基坑中支护更适用，具有较大发展前景。

二、支撑体系的选择
1．内部支撑（见课件图片）
（按形式可分为：对撑、角撑、桁架式支撑、圆形支撑）
（按材料可分为：钢筋混凝土支撑、钢支撑）
2．外部拉锚：土层锚杆（见课件图片）
（一）钢筋混凝土支撑特点（见课件图片）
1．优点
1）.截面形式和尺寸可根据设计要求与受力情况任意确定
2）.支撑系统在平面上可任意布置
3）.截面尺寸大,刚度大,变形小
4）.安全可靠,强度高,整体稳定性好
5）.耐碰撞性能好,有利于机械化挖土施工
2．缺点
1）.不能重复使用,爆破拆除困难,对周围环境有影响
2）.自重大,需用支撑立柱多
3）.支撑浇筑与养护时间长,不利于加快进度
4）.不能预加轴压力以减少支护变形
（二）钢支撑特点（见课件图片）
1．优点
1）.材料强度高,均匀性好
2）.安装与拆除方便,施工速度快
3）.可重复使用,工具化程度高
4）.能预加支撑轴压力以减少支护变形
5）.有利于机械化挖土施工
2．缺点
1）.耐碰撞性能差
2）.截面尺寸小,支护刚度小,变形小
3）.自重大,需用支撑立柱多
4）.不能预加轴压力以减少支护变形
（三）土层锚杆
1.概念:
土层锚杆（亦称土锚或拉锚）是一种新型的受拉杆件，1958年原联邦德国在深基坑开挖中首次运用。

土层锚杆即由锚头、锚头垫座、钻孔、防护套管、拉杆（钢索）、锚固体、锚底板等组成,与支护结构共同形成的拉锚体系。

可分为普通锚杆,扩大头锚杆,齿形锚杆。

2.特点:
土层锚杆系统位于坑外,基坑挖土方便；可施加预应力，对挡墙位移有一定控制作用；无坑内立柱与支撑，地下结构施工方便，还可省却拆撑、换撑等工序；但基坑周边地层需有足够空间，否则无法进行
锚杆施工。

3.适用范围:
适用于深基坑邻近已有建筑物和构筑物、交通干线或地下管线时，深基坑难以放坡开挖，或基坑宽度较大、较深，对支护结构采用内支撑的方法不经济或不可能的情况。

第三讲: 基坑支护与监测(之二)
授课内容：
第二节支护结构计算
引言:
为了保证深基坑开挖施工的安全顺利进行，需要对支护结构体系进行结构分析与设
计计算，以确保支护体系不产生强度、稳定性方面的破坏和周围环境所不允许的过在变
形，同时也为进行支护体系的构件设计提供所需的内力值。

支护结构设计验算项目繁多，
承受的荷载也非常复杂，它与土的物理力学性质、地下水位情况、挖土深度与方法、支
护体系类型等因素均有关，因此需要根据工程实际情况，选定足够的验算项目，对计算
结果进行合理判断，必要时对变形作出估算，以保证基坑开挖及周围建筑物、管线的安
全。

一、基坑工程等级划分：
一级基坑工程:(重要性系数1.1)
1）支护结构为主体结构的一部分（如地下连续墙）
2）土方开挖深度大于等于10m；
3）距基坑周边2倍基坑深度范围内有历史文物、重要建筑物、重要管线等。

三级基坑工程:(重要性系数0.9)
开挖深度小于7m，且周围环境无特别要求的基坑。

除一级和三级基坑工程之外的基坑工程均属于二级基坑工程(重要性系数1.0)
二、支护结构破坏形式
（一）重力式支护结构（二）非重力式支护结构
1．倾覆破坏 1．拉锚破坏或支撑压曲
2．滑移破坏 2．支护墙底部走动
3．桩身强度破坏 3．支护墙变形过大或弯曲破坏
4．整体滑动破坏 4．墙后土体整体滑动
5．坑底隆起破坏 5．坑底隆起
6．管涌 6．管涌
7．格栅破坏
三、支护结构的荷载计算
一). 土压力
朗肯土压力理论
库仑土压力理论
二). 水压力
三). 附加荷载
四)特殊情况下土压力计算
（1）土体表面有均布荷载q作用
当墙后土体表面有连续均布荷载q作用时，均布荷载q在土中产生的上覆压力沿墙体方向矩形分布，分布强度为q，如图。

土压力的计算方法是将上覆压力项gz换以gz＋q计算即可，如粘土的主动土压力强度pa为：
（2）墙后土体有地下水的土压力计算
当墙后土体中有地下水存在时，墙体除受到土压力的作用外，还将受到水压力的作用。

通常所说的土压力是指土粒有效应力形成的压力，其计算方法是地下水位以下部分采用土的有效重度计算，水压力按静水压力计算。

但在实际工程中计算墙体上的侧压力时，考虑到土质条件的影响，可分别采用“水土分算”或“水土合算”的计算方法。

所谓“水土分算”法是将土压力和水压力分别计算后再叠加的方法，这种方法比较适合渗透性大的砂土层情况；“水土合算”法在计算土压力时则将地下水位以下的土体重度取为饱和重度，水压力不再单独计算叠加，这种方法比较适合渗透性小的粘性土层情况。

1. 土压力的分类
作用在挡土结构上的土压力，按挡土结构的位移方向、大小及土体所处的三种极限平衡状态，可分为三种：静止土压力、主动土压力和被动土压力。

（1）静止土压力
如果挡土结构在土压力的作用下，其本身不发生变形和任何位移（移动或转动），土体处于弹性平衡状态，则这时作用在挡土结构上的土压力称为静止土压力，如右图所示。

（2）主动土压力
挡土结构在土压力作用下向离开土体的方向位移，随着这种位移的增大，作用在挡土结构上的土压力将从静止土压力逐渐减小。

当土体达到主动极限平衡状态时，作用在挡土结构上的土压力称为主动土压力，如右图所示。

（3）被动土压力
挡土结构在荷载作用下向土体方向位移，使土体达到被动极限平衡状态时的土压力称为被动土压力，如右图所示
四、支护结构的内力计算
计算方法有：等值梁法，弹性曲线法，竖向弹性地基梁法，有限元法等。

一)．悬臂板桩计算分析步骤
1）计算作用于板柱上的土压力强度，并绘出土的压力
分布图；
2）计算板桩墙上土压力强度为零的点距基坑底距离y；
3）计算上部简支梁的支座反力和最大弯矩；
4）计算板桩墙的最小入土深度t0
二)．等值梁法
1、等值梁法的基本原理
如图1所示，梁ab的b端固定，另一端a简支，其正负弯矩的转折点为c，若将梁ab在点c切断并于c点置于一自由支承，形成新的ac梁，此时ac梁上的弯矩与原ab梁上ac段上的弯矩相同，即可称ac梁为ab梁上ac段的等值梁。

2．单层支点等值梁法计算步骤
1）计算作用于板柱上的土压力强度，并绘出土的压力分布图；
2）计算板桩墙上土压力强度为零的点距基坑底距离y,
3）计算上部简支梁的支座反力和最大弯矩；
4）计算板桩墙的最小入土深度t0
第三节支护结构施工（略）
注明:对于高层建筑基坑支护结构的施工，由于课时限制，我们主要介绍地下连续墙，
土层锚杆，钻孔灌注桩的施工。

其中：地下连续墙施工详见第四讲；土层锚杆施工详见
第五讲；钻孔灌注桩施工详见第七讲，故本节暂不讨论。

其余各种支护结构施工请参考
有关资料与手册。

第四节支护结构监测
引言:
深基坑开挖应注意两个问题：第一是支护结构稳定与安全；第二是对基坑周围环境
的影响。

为了做好信息化施工，在基坑开挖及地下结构施工期间应进行施工监测。

支护
结构的破坏一般由量变到质变，渐变过程中，支护结构位移、变形、受力、土体隆起均
会发生变化，进行施工监测即通过在围护结构、支撑及基坑内外土体埋设相应传感器，
作为开挖施工时的“眼睛”，及时了解变化情况，发现与提出问题，采取措施确保安全，
做到信息化施工。

一、施工监测目的
1.根据现场监测数据与设计值进行比较,如超过某个限值时即采取措施,防止结构破坏和环境事故的发生。

2.用监测数据指导现场施工,进行信息化施工,使施工组织优化。

3.把监测数据用于优化设计,使设计方案更为安全与经济。

二、支护结构监测项目与方法
监测对象监测项目监测方法备注
支
护
结
构挡墙侧压力、弯曲应力、变形土压力计、孔隙水压力计、测斜仪、钢筋计、应变计、水准仪等验证计算的荷载、
内力、变形时需要监测的项目
支撑(锚杆)轴力、弯曲应力应变计、钢筋计、验证计算的内力
围檀轴力、弯曲应力应变计、钢筋计、验证计算的内力
立柱沉降、抬起水准仪观测坑底隆起
的项目之一
周
围
环
境
及
其
它基坑周围地面沉降、隆起、裂缝水准仪、经纬仪、
测斜仪观测基坑周围
的地面变形
邻近建筑物沉降、抬起、位移、裂缝水准仪、经纬仪通常的观测项目
地下管线沉降、抬起、位移水准仪、经纬仪、
测斜仪观测地下管线
变形的项目
基坑底面沉降、隆起水准仪观测坑底隆起的
项目之一
深部土层位移测斜仪观测深部土层的
位移项目
地下水水位变化、孔隙水压水位观测仪、
孔隙水压力计观测降水与
回灌项目
某基坑工程监测设计框图见课件
三、传感器简介（见课件相关图片及文字）
课堂练习与思考:
1.判断:深层搅拌水泥土墙属于刚性支护结构。

2.判断:地下连续墙一般具有挡土，防水，承重三重功能。

3.填空:基坑内部支撑按布置型式不同可为:、
、、、等。

4.判断:深层搅拌桩不适用于厚度较大的可朔及硬朔以上的软土、中密以上的砂土。

5.选择: SMW工法适用于以下情况：( )
A 6m～12m深基坑
B 5m～8m深基坑
C 20m 以上深基坑
D 不超过4m的基坑
6.判断:钢筋混凝土内支撑能通过预加轴压力的方法来减少支护结构的变形。

7.判断: 朗肯理论用于计算主动土压力，而库仑理论则用来计算被动土压力。

8.判断:“水土分算”法是将土压力和水压力分别计算后再叠加的方法，这种方法比较适合渗透性大的砂土层情况。

9.选择: 挡土结构在荷载作用下向土体方向位移，此时土体极限平衡状态时的土压力称为（） A主动土压力 B被动土压力 C静止土压力
10.填空:凡土方开挖深度达到 m时，应视为一级基坑
11.判断: 朗肯土压力理论是库仑土压力理论的特殊情况。

12.简答: 试述等值梁法原理。

课后复习思考题
1. 深层搅拌桩的特点与适用范围如何?
2. 举例说明非重力式支护结构有哪些类型?
3. 土钉墙是怎么回事?
4. 钢筋砼支撑和钢支撑各有何优点?
5. 基坑等级是如何划分的?
6. 非重力式支护结构一般可能产生哪些破坏?
7. 土压力有哪几种类型?
8. 试述等值法基本原理？
9. 为什么要进行支护结构监测？
10. 土体表面有均布荷载时如何计算土压力？
第二讲: 基坑降水与土方开挖
主要内容 (6课时)
第一节基坑降水方法(4课时)
第二节土方开挖技术(2课时)
教学目的与要求:
1. 掌握集水井降水施工方法；
2. 熟悉各类井点的特点与适用范围；
3. 了解水井的分类和涌水量的计算；
4. 掌握轻型井点的平面布置与高程布置。

5. 熟悉轻型井点降水施工方法和程序；
6. 熟悉轻型井点和喷射井点的工作原理；
7. 了解抽水对周边环境的影响及其防止措施；
8. 掌握基坑土方开挖的基本原则；
9. 熟悉不同基坑开挖方法的选择；
10. 掌握各种开挖方法的施工流程。

授课内容：
第一节基坑降水方法
引言:
在基坑开挖过程中，当基底低于地下水位时，由于土的含水层被切断，地下水会不断地渗入坑内。

雨期施工时，地面水也会不断流入坑内。

如果不采取降水措施，把流入基坑内的水及时排走或把地下水位降低，不仅会使施工条件恶化，而且地基土被水泡软后，容易造成边坡塌方并使地基的承载力下降。

另外，当基坑下遇有承压含水层时，若不降水减压，则基底可能被冲溃破坏。

因此，为了保证工程质量和施工安全，在基坑开挖前或开挖过程中，必须采取措施，控制地下水位，使地基土在开挖及基础施工时保持干燥。

降低地下水位的方法主要有集水井降水和井点降水两大类方法。

一、集水井降水
1. 概述:
集水井一般在基坑或沟槽开挖后设置，沿坑底的周围或中央开挖排水沟，并在基础范围以外设置集水井。

土方开挖后地下水在重力作用下经排水沟流入集水井内，然后用水泵抽出坑外。

一般应在逐层开挖，逐层设置（如图）。

2.适用范围
集水井降水法适用于降水深度较小且土层为砂性土或渗水量小的粘性土层。

3.施工要点
1). 排水沟一般沿基础四周布置，纵坡宜控制在1‰～2‰。

2).集水井的间距与土的含水量、渗透系数、基坑平面形状及水泵能力等有关，一般每隔20~40 m 设置一个。

集水坑的直径或宽度一般为0.6~0.8 m，并保持低于挖土面0.7~1.0 m。

集水坑底应铺设碎
石滤水层（一般取0.3 m厚）
3).排水沟和集水井的截面尺寸取决于基坑的涌水量。

二、井点降水概述
1.原理
井点降水就是在基坑开挖前，预先在基坑四周埋设一定数量的滤水管（井）。

在基坑开挖前和开挖过程中，利用真空原理,不断抽出地下水，使地下水位降低到坑底以下。

2.类型与适用范围
井点类型土的渗透系数（m/d）降水深度（m）
轻型井点一级轻型井点0.1 ∽ 503 ∽ 6
多级轻型井点0.1 ∽ 506 ∽ 12
喷射井点0.1 ∽ 508 ∽ 20
电渗井点<0.1配合其它形式使用
管井类管井井点20 ∽ 2006 ∽ 10
深井井点10 ∽ 250>15
3.井点降水的作用
a)防止地下水涌入坑内
b)防止边坡由于地下水的渗流而引起塌方
c)防止坑底管涌
d)使板桩减少横向荷载
e)消除地下水的渗流，防止流砂现象
f)使土壤固结，增加地基土的承载能力
三、轻型井点降水
1.轻型井点设备（框图见课件）
2.轻型井点施工程序(见课件动画)
排放总管→埋井点管→用弯联管将井点管与总管接通→安装抽水设备
→试运行→正式抽水
3.轻型井点工作原理(见课件动画)
4.井点的平面布置
根据基坑（槽）形状，轻型井点可采用单排布置（图a）、双排布置（图b）、环形布置（图c），当土方施工机械需进出基坑时，也可采用U形布置（图1d）。

1)单排布置适用于基坑、槽宽度小于6m，且降水深度不超过5m的情况，井点管应布置在地下水的上游一侧，两端的延伸长度不宜小于坑槽的宽度。

2)双排布置适用于基坑宽度大于6m或土质不良的情况。

3)环形布置适用于大面积基坑，如采用U形布置，则井点管不封闭的一段应在地下水的下游方向。

5.井点的高程布置
高程布置即确定井点管埋深(滤管上口至总管埋设面的距离)，降低后的水位应控制在基坑底面标高以下，保证坑底干燥。

高程布置可按左式计算：
H>h1+ Δh+i*L
注意:井点管的埋深应满足水泵的抽吸能力,当水泵的最大抽吸深度不能达到井点管的埋置深度时，应考虑降低总管埋设位置或采用两级井点降水。

6.水井的分类
确定井点管数量时，需要知道井点管系统的涌水量。

井点管系统的涌水量根据法国水力学家裘布依水井理论进行计算。

根据地下水有无压力和水井底部是否达到不透水层，水井分为四大类（即无压
完整井、无压非完整井、承压完整井、承压非完整井）。

各类井的涌水量计算方法都不同。

四、喷射井点（工作原理见课件框图）
当基坑开挖所需降水深度超过6m时，一级的轻型井点就难以收到预期的降水效果，可以采用二级甚至多级轻型井点以增加降水深度，以达设计要求。

但是会增加基坑土方施工工程量、增加降水设备用量并延长工期，且扩大了井点降水的影响范围而对环境不利。

此时可考虑采用喷射井点。

喷射井点用作深层降水，应用在粉土、极细砂和粉砂中较为适用。

一般一级喷射井点可降低地下位8～20m，甚至20m以上。

五、电渗井点
1.原理
电渗井点，一般与轻型井点或喷射井点结合使用，利用轻型井点或喷射井点管本身作为阴极，以金属棒（钢筋、钢管、铝棒等）作为阳极。

通入直流电后，带有负电荷的土粒即向阳极移动（即电泳作用），而带有正电荷的水则向阴极方向集中，产生电渗现象。

在电渗与井点管内的真空双重作用下，强制粘土中的水由井点管快速排出，井点管连续抽水，从而地下水位渐渐降低。

2.适用范围
适用于渗透系数较小（小于0.1m/d）的饱和粘土，特别是淤泥荷淤泥质粘土
3.应用要点
1）.阳极常用?50~70钢管或?20~25钢筋,埋设在井点管内侧并平行交错排列。

阴阳极数量宜相等。

2）.阴阳极间距离为0.8~1.0m（当为轻型井点时）或 1.2~1.5m（喷射井点时）。

3）.通电工作电压不宜大于60V。

每通电24h，停电2~3h。

且保持地面干燥。

六、管井井点
1.方法与特点
管井井点就是沿基坑每隔一定距离设置一个管井，每个管井单独用一台水泵不
断抽取管井内的水来降低地下水位的方法。

具有排水量大、排水效果好、设备简单、
易于维护等特点。

2.适用范围
对于渗透系数为20～200m/d且地下水丰富的土层、砂层，用明排水造成土颗粒大量流失，引起边坡塌方，用轻型井点难以满足排降水的要求。

这时候可采用管井井点。

3.构造与应用
1）.管井井点主要由滤水井管、吸水管、和水泵组成。

2）.当采用坑外降水时,可沿基坑环状布置,井中心距坑壁0.5~1.5m(冲击钻孔时),或不少于3m(套管成孔时)。

管井深5~10m，间距10~40m。

3）.当采用坑内降水时，可根据所需降水深度，单井涌水量，以及抽水影响半径R确定管井井点间距，以棋盘状布置。

七、深井井点
1.方法与特点
深井井点降水是在深基坑的周围埋置深于基坑的井管，使地下水通过设置在井
管内的潜水电泵将地下水抽出。

本法排水量大，降水深（可达50m），不受吸程限
制，排水效果好；井距大，对平面布置的干扰小；可用于各种情况，不受土层限制；成孔（打井）用人工或机械均可，较易于解决；井点制作、降水设备及操作工艺、维护均较简单，施工速度快；但一次性投资大，成孔质量要求严格；降水完毕，井管拔出较困难。

2.适用范围
适用于渗透系数较大（10～250m/d）,土质为砂类土，地下水丰富，降水深，面积大，时间长的情况，对在有流砂和重复挖填土方区使用，效果尤佳。

3.构造与应用
1）.井点系统设备由深井、井管和潜水水泵等组成。

2）.深井成孔方法可采用冲击成孔,回转成孔,潜水电钻孔,或水冲法成孔。

3）.对于渗透系数较小的深层降水,可利用深井泵结合真空泵,以提高降水的效果。

4）.可采用坑内或坑外降水，坑内降水时井距为10 ～30m,呈棋盘形点状布置。

八、井点降水对周围环境的影响及防范
1.降水对周围环境的不利影响
井点管埋设完成开始抽水时，井内水位开始下降，周围含水层的水不断流向滤
管，在无承压水等环境条件下，经过一段时间之后，在井点周围形成漏斗状的弯曲
水面，即“降水漏斗”，这个漏斗状水面逐渐趋于稳定，一般需要几天到几周的时
间，降水漏斗范围内的地下水位下降以后，就必然会造成地面沉降。

该影响范围较
大，有时影响半径可达百米。

在实际工程中，由于井点管滤网及砂滤层结构不良，
把土层中的粘土颗粒、粉土颗粒甚至细砂同地下水一同抽出地面的情况也是经常发
生的，这种现象会使地面产生的不均匀沉降加剧，造成附近建筑物及地下管线的不
同程度的损坏。

2.防范措施
a)做好对周围环境的调研
b)合理使用井点降水
c)设置水位观测孔
d)场外设置挡水帷幕
e)场外设置回灌水系统
3.回灌技术(回灌原理见动画)
1).概念：回灌技术即在降水井点和要保护的地区之间打一排回灌井点（或设置砂井砂沟）在利用井点降水的同时，利用回灌井点向土层内灌入一定数量的水，形成一道帷幕，从而减少降水以外区域的地下水流失，使其地下水基本不变，达到保护环境的目的。

2).施工要点
a)回灌井点与降水井点的距离不宜少于6m，防止两井相通，失去降水作用。

b)回灌井点的滤管长度应大于抽水井点的滤管，通常2~2.5m
c)应保持回灌水的清洁,以防注水管被堵。

d)回灌保护区内应设置地下水位观测井，以便通过调节注水压力来保持原有地下水位。