土力學(xué)與地基基礎(chǔ)：第10章 基坑工程概述

第十章基坑工程概述問題：什么是基坑？基坑工程有什么特點？基坑工程會出現(xiàn)什么問題？?第十章基坑工程一、基坑工程概念及特點：建筑基坑是指為進(jìn)行建筑物（包括構(gòu)筑物）基礎(chǔ)與地下室的施工所開挖的地面以下空間。為保證基坑施工以及主體地下結(jié)構(gòu)的安全和周圍環(huán)境不受損害，需對基坑進(jìn)行包括土體、降水和開挖在內(nèi)的一系列勘察、設(shè)計、施工和監(jiān)測等工作。這項綜合性的巖土工程就稱為基坑工程?；庸こ淌且粋€綜合性的巖土工程問題，既涉及土力學(xué)中典型的強度、穩(wěn)定與變形問題，又涉及土與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用以及工程、水文地質(zhì)等問題，同時還與計算技術(shù)、測試技術(shù)、施工設(shè)備和技術(shù)等密切相關(guān)。因此?；庸こ叹哂幸韵绿攸c：一、基坑工程概念及特點：支護(hù)結(jié)構(gòu)通常都是臨時性的結(jié)構(gòu)，一般情況下安全儲備相對較小，風(fēng)險性較大。由于場地的工程水文地質(zhì)條件、巖土的工程性質(zhì)以及周邊環(huán)境的差異性，基坑工程往往具有很強的地域特征。因此，它的設(shè)計和施工，必須因地制宜，切忌生搬硬套?；庸こ淌且豁椌C合性很強的的系統(tǒng)工程。它不僅涉及結(jié)構(gòu)、巖土、工程地質(zhì)及環(huán)境等多門學(xué)科，而且勘察、設(shè)計、施工、監(jiān)測等工作環(huán)環(huán)相扣，緊密相連。一、基坑工程概念及特點：基坑工程具有較強的時空效應(yīng)。支護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載（如土壓力）及其產(chǎn)生的應(yīng)力和變形在時間上和空間上具有較強的變異性，在軟粘土和復(fù)雜體型基坑工程中尤為突出。基坑工程對周邊環(huán)境會產(chǎn)生較大影響?；娱_挖、降水勢必會引起周邊場地土的應(yīng)力和地下水位發(fā)生改變，使土體產(chǎn)生變形，對相鄰建筑物和地下管線等產(chǎn)生影響，嚴(yán)重者將危及到它們的安全和正常使用。大量土方運輸也將對交通和環(huán)境衛(wèi)生產(chǎn)生影響。一、基坑工程概念及特點：此外，基坑工程是面對各種各樣的地基土和復(fù)雜的環(huán)境條件進(jìn)行作業(yè)，還存在以下一些不確定因素：（1）外力的不確定性。（2）變形的不確定性。（3）土性的不確定性。（4）一些偶然變化所引起的不確定因素。一、基坑工程概念及特點：目前在基坑工程中發(fā)生工程事故的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主體工程。由于存在以上這些不確定因素，很難對基坑工程的設(shè)計與施工定出一套標(biāo)準(zhǔn)模式，或用一套嚴(yán)密的理論計算方法來把握施工過程中可能發(fā)生的各種變化。目前只能采用理論計算與地區(qū)經(jīng)驗相結(jié)合的半經(jīng)驗、半理論的方法進(jìn)行設(shè)計。要求現(xiàn)場施工技術(shù)人員具有豐富的工程經(jīng)驗和高度的責(zé)任感，能及時處理由于各種意外變化所產(chǎn)生的不利情況，只有這樣才能最有效地防止或減少工程事故的發(fā)生。二、基坑工程出現(xiàn)的必然性：功能要求規(guī)范要求人防要求三、深基坑工程的現(xiàn)狀1、設(shè)計水平：無規(guī)范、無資質(zhì)2、造成水平差異的原因（1）人員素質(zhì)不整齊（2）競爭不公平（3）定額不合理（4）計算理論跟不上3、現(xiàn)狀（1）基坑工程市場廣闊（2）基坑工程事故多，深受社會關(guān)注（3）計算理論不完善，風(fēng)險大（4）造價高四、深基坑工程施工需重點解決的問題

由于我國幅員遼闊，幾乎遍及全國的高層建筑和其它地下工程的基坑遇到了各種不同的、極其復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，高層建筑和地鐵等大型地下工程又多處于城市建設(shè)密集地區(qū)，環(huán)境條件也相當(dāng)苛刻，這就使深基坑工程成為難度大、風(fēng)險大、投資多的工程建設(shè)組成部分?？偨Y(jié)以往的經(jīng)驗教訓(xùn)，深基坑工程應(yīng)重點解決好以下幾方面的問題：四、深基坑工程施工需重點解決的問題圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型方案的選擇地下水的控制基坑及其周圍地層的土體加固開挖方法和挖土順序工程監(jiān)測和信息化施工對鄰近建（構(gòu)）筑物及地下設(shè)施的保護(hù)五、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型及適用條件：放坡開挖懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)拉錨式支護(hù)結(jié)構(gòu)水泥土樁墻支護(hù)結(jié)構(gòu)土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)其他支護(hù)結(jié)構(gòu)六、基坑工程中的現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)問題：1、為什么要做監(jiān)測？2、監(jiān)測什么？3、怎么做監(jiān)測？4、監(jiān)測得到什么結(jié)果？5、監(jiān)測結(jié)果可以帶來什么？?1、基坑工程有什么特點復(fù)雜性不確定性地區(qū)性經(jīng)驗性差異性風(fēng)險性重要性2、監(jiān)測的必要性近年來，國內(nèi)基坑開挖中出現(xiàn)了不少的大小事故，給業(yè)主、施工單位以及基坑周圍的環(huán)境等都造成了很大的損失，在社會上也產(chǎn)生了不良影響。究其原因，主要有兩個方面：（1）實踐證明，影響基坑設(shè)計和施工的不確定因素很多，加上設(shè)計理論也不成熟，這樣就使得基坑的設(shè)計和施工都帶有很大的盲目性；（2）基坑圍護(hù)與開挖本身是一種臨時性工程，地下室完成后一般就失去了作用。因此，一般設(shè)計中所留的安全儲備不大。若施工期間的條件有變，或?qū)嶋H地層情況與設(shè)計不符，就很容易使支護(hù)體系或基坑處于危險狀態(tài)。一旦出現(xiàn)問題，如果不能及時預(yù)警并采取相應(yīng)的補救措施，就可能會釀成事故。其實，基坑支護(hù)與基坑開挖是一個有機(jī)的整體，安全儲備較小的支護(hù)體系必然要伴隨謹(jǐn)慎嚴(yán)密的施工過程和有效地監(jiān)測預(yù)警措施。因此，加強深基坑支護(hù)與開挖的監(jiān)測，對預(yù)警事故，確保施工安全，以及驗證設(shè)計都是非常必要的。開展施工監(jiān)測，一方面對施工動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以便及時預(yù)警，確保安全；另一方面，可通過對監(jiān)測結(jié)果的分析，評估已有的設(shè)計合理性，即所謂的“信息化”施工。3、監(jiān)測的基本要求無論采用何種具體的監(jiān)測方法，都要滿足下列技術(shù)要求：（1）觀測工作必須是有計劃的，應(yīng)嚴(yán)格按照有關(guān)的技術(shù)文件（如監(jiān)測任務(wù)書）執(zhí)行。這類技術(shù)文件的內(nèi)容，至少應(yīng)該包括監(jiān)測方法和使用的儀器、監(jiān)測精度、測點的布置、觀測周期等等。計劃性是觀測數(shù)據(jù)完整性的保證。3、監(jiān)測的基本要求（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)必須是可靠的。數(shù)據(jù)的可靠性由監(jiān)測儀器的精度、可靠性以及觀測人員的素質(zhì)來保證。（3）觀測必須是及時的。因為監(jiān)控開挖是一個動態(tài)的施工過程，只有保證及時觀測才有利于發(fā)現(xiàn)隱患，及時采取措施。3、監(jiān)測的基本要求（4）對于觀測的項目應(yīng)按照工程具體情況預(yù)先設(shè)定預(yù)警值，預(yù)警值應(yīng)包括變形值、內(nèi)力值及其變化速率。當(dāng)觀測發(fā)現(xiàn)超過預(yù)警值的異常情況，要立即考慮采取應(yīng)急措施。（5）每個工程的監(jiān)控支護(hù)監(jiān)測，應(yīng)該有完整的觀測記錄，形象的圖表、曲線和觀測報告。4、監(jiān)測方案

基坑開挖前必須作出系統(tǒng)的監(jiān)測方案，包括監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法及精度要求、監(jiān)測點的布置、觀測周期、記錄制度、報警標(biāo)準(zhǔn)以及信息反饋系統(tǒng)等。5、監(jiān)測項目基坑開挖與支護(hù)的監(jiān)測，可根據(jù)具體情況，采用以下部分或全部內(nèi)容：（1）平面和高程監(jiān)控點的測量；（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)和被支護(hù)土體的側(cè)向位移測量；（3）監(jiān)控坑底隆起的測量；（4）支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外土壓力的測量；（5）支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外孔隙水壓力的測量；（6）支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的測量（包括錨桿內(nèi)力）；（7）地下水位變化的測量；（8）監(jiān)控鄰近建筑物和管線的觀測。6、觀測點布置觀測點的布置應(yīng)以能滿足監(jiān)測要求為準(zhǔn)。基坑開挖影響的范圍隨開挖深度的增加而增大，一般從基坑邊緣向外3～5倍開挖深度范圍內(nèi)的建筑物均為監(jiān)測對象，鄰近重要建筑物，尤其是古文物保護(hù)區(qū)應(yīng)列在監(jiān)測范圍內(nèi)。6、觀測點布置在現(xiàn)場監(jiān)測中，應(yīng)合理地確定監(jiān)測范圍及布置監(jiān)測點，埋設(shè)必要的量測儀器。以便獲得相關(guān)數(shù)據(jù)從而了解和掌握地層和地下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力場、位移場的實際變化規(guī)律，及時采取工程措施。位移監(jiān)測點應(yīng)根據(jù)理論預(yù)測的分布規(guī)律來布置，變化越大的地方，測點應(yīng)布置得越密。離基坑或地下結(jié)構(gòu)越近，測點也應(yīng)越密。土層中的水平位移、土壓力、孔隙水壓力測點，應(yīng)在預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程需要來布置。應(yīng)力場、位移場變化劇烈的地方，測點間距宜小些。7、監(jiān)測手段采用各種專門儀器和專用測試元件，如測斜儀、鋼筋應(yīng)力計、應(yīng)變計、錨桿測力計、土壓力盒、水位計、分層沉降儀、水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀等。變形觀測

在基坑工程中，土體位移的控制是工程成敗的關(guān)鍵問題之一。由于基坑開挖使土中應(yīng)力釋放等因素，土體總是要發(fā)生變形的。即使進(jìn)行了支護(hù)，變形也是難免的。這些變形包括：坑底隆起、坑邊地面沉降，以及坑壁的水平位移等。如果我們能夠準(zhǔn)確及時地做好變形的監(jiān)測工作，對危險的信息采取必要的措施，完全可以避免或減輕破壞的后果。

地表水平位移觀測

觀測方法：光學(xué)方法

觀測儀器：J1或J2型經(jīng)緯儀、全站儀，覘（chan）牌或是帶有讀數(shù)尺的覘牌。觀測點布置：基準(zhǔn)點、工作基點、觀測點；平面控制點標(biāo)石及標(biāo)志；觀測等級：二等；觀測方法：水平位移的觀測方法很多，可根據(jù)現(xiàn)場條件及觀測儀器而定，常用的方法有視準(zhǔn)線、前方交會法、三角測量法，小角度法等。地表豎向位移觀測

觀測方法：光學(xué)方法

觀測儀器：（WILD）N3精密水準(zhǔn)儀、銦鋼水準(zhǔn)尺觀測點布置：基準(zhǔn)點、觀測點；平面控制點標(biāo)石及標(biāo)志；觀測等級：二等水準(zhǔn)精度

；觀測方法：精密水準(zhǔn)測量，不宜采用精度較低的三角高程測量。閉合線路，首次觀測應(yīng)2次以上做為初始值。

深層水平位移觀測

上述水平位移光學(xué)觀測方法得到的是一個點的水平位移。有時更需要了解支護(hù)結(jié)構(gòu)或土層沿垂直方向上的水平位移。這時可考慮采用測斜儀測量。測斜儀是一種可精確地測量沿垂直方向土層或支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平位移的高程測量儀器。在基坑開挖支護(hù)監(jiān)測中常用活動式測斜儀。在基坑開挖之前先將有四個相互垂直導(dǎo)槽的測斜管埋入支護(hù)結(jié)構(gòu)或被支護(hù)的土體中。測量時，就測斜儀測頭放入測斜管，使測頭上的導(dǎo)向滾輪卡在測斜管內(nèi)壁的導(dǎo)槽中，沿槽滾動，這樣可連續(xù)地測定沿測斜管整個深度的水平位移變化。

深層水平位移觀測

測斜儀的工作原理是根據(jù)擺錘受重力作用為基礎(chǔ)測定以擺錘為基準(zhǔn)的弧角變化。當(dāng)土體產(chǎn)生位移時，埋入土中的測斜管隨土體同步位移，測斜管的位移量即為土體的位移量。

測斜管的埋設(shè)：土中鉆孔，結(jié)構(gòu)中綁扎在鋼筋籠上。埋深要足夠深，并認(rèn)為管底為不動點。初始值的測定：至少3遍，取平均值。測試：50cm一個測點，從下往上，正反180各測一遍，以消除儀器的誤差。深層水平位移觀測

用測斜儀對邊壁土體（樁體）位移的觀測每次可得到一組由孔底至孔頂?shù)奈灰评塾嬛?，?jīng)與初始值相減，即可得到該次觀測的土體撓曲變形曲線，由此可以及時、清楚地了解樁體在該工況下的位移及穩(wěn)定情況。

深層豎向位移觀測

深層沉降觀測標(biāo)

回彈觀測標(biāo)

分層沉降儀

土壓力觀測

土壓力是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)周圍的土體傳遞給擋土構(gòu)筑物的原理。在基坑開挖之前，擋土構(gòu)筑物兩側(cè)土體處于靜止平衡狀態(tài)。在基坑開挖過程中，由于基坑內(nèi)一側(cè)的土體被挖去，擋土構(gòu)筑物兩側(cè)土體原始的應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)被破壞了，由相對靜止的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為變形運動的狀態(tài)，在擋土構(gòu)筑物周圍一定范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力重分布。土壓力觀測

在被支護(hù)土體一側(cè)，由于擋土構(gòu)筑物的移動引起土體的松動而使土壓力降低，而在基坑一側(cè)的土體由于受擋土結(jié)構(gòu)的擠壓而使土壓力升高。但是這種變化不會無休止地發(fā)展下去，當(dāng)變形或應(yīng)力超過了一定數(shù)值時，土體就產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的破壞而使擋土結(jié)構(gòu)坍塌。因此土壓力的大小直接決定著擋土構(gòu)筑物的穩(wěn)定和安全。

土壓力觀測

影響土壓力的因素很多，如土體介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)組成，附加荷載的數(shù)值，地下水位變化，擋土構(gòu)筑物的類型，施工工藝和支護(hù)型式，擋土構(gòu)筑物的剛度及位移，基坑挖土程序及工藝等等。這些因素給理論計算帶來一定的困難，因此，僅用理論分析土壓力大小及沿深度分布規(guī)律是無法準(zhǔn)確地表達(dá)土壓力的實際情況。而且土壓力的分布在基坑開挖過程中是動態(tài)變化著，從動態(tài)構(gòu)筑物的安全，地基穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性合理考慮，對于重要的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行必要的現(xiàn)場原型觀測。

土壓力觀測

通過現(xiàn)場土壓力的觀測可達(dá)到以下幾條目的：

驗證擋土構(gòu)筑物各特征部位的側(cè)壓力理論分析值及沿深度的分布規(guī)律；

監(jiān)測土壓力在基坑開挖過程中的變化規(guī)律。由觀測到的土壓力急劇變化，及時發(fā)現(xiàn)影響基坑穩(wěn)定的因素，以采取相應(yīng)的保證穩(wěn)定的措施；積累各種條件下的土壓力規(guī)律，為提高理論分析水平積累資料。

土壓力觀測儀器和壓力傳感器

國內(nèi)目前常用的壓力傳感器根據(jù)其工作原理分為鋼弦式、差動電阻式、電阻應(yīng)變式和電感調(diào)頻式等等。其中鋼弦式原理傳感器長期穩(wěn)定性高，對絕緣性要求較低，較適合用于土壓力的長期觀測。

土壓力觀測儀器和壓力傳感器

鋼弦式土壓力盒的工作原理：當(dāng)壓力盒的量測薄膜上受到壓力時，薄膜將發(fā)生撓曲，使得其上的兩個鋼弦支架張開，將鋼弦拉得更緊。弦拉得愈緊，它的振動頻率也愈高。用頻率計測出鋼弦的振動頻率。為了確定鋼弦的振動頻率與作用在薄膜上的壓力之間的關(guān)系，需要對土壓力盒進(jìn)行標(biāo)定。為此可在試驗室里用油泵裝置對土壓力盒施加壓力，并用頻率計測出對應(yīng)于不同壓力的鋼弦振動頻率。這樣靠近可以繪出土壓力盒的標(biāo)定曲線。當(dāng)現(xiàn)場觀測時，通過測量鋼弦的頻率，根據(jù)標(biāo)定曲線就可以查出該土壓力盒此時所受壓力的大小。土壓力盒的安裝或埋設(shè)

土壓力是作用在擋土構(gòu)筑物表面的作用力，因此土壓力盒應(yīng)鑲嵌在擋土構(gòu)筑物內(nèi)，使其應(yīng)力膜與構(gòu)筑物表面齊平。土壓力盒后面應(yīng)具有良好的剛性支撐，在土壓力作用下不產(chǎn)生任何微小的相對位移，以保證測量的可靠性。量測基底接觸壓力時土壓力盒的埋設(shè)：要求土壓力盒承壓板與基礎(chǔ)底板下的墊層齊平。

量測墻體接觸壓力時土壓力盒的埋設(shè)：？

孔隙水壓力觀測

觀

測

儀

器：

鋼弦式孔壓計，頻率計

孔壓計的埋設(shè)：

壓入法、鉆孔埋設(shè)法地下水監(jiān)測

在深基坑施工中，往往需要進(jìn)行降水，降水則可能對鄰近建筑物或管線產(chǎn)生不均勻沉降或開裂等危害，影響到建筑物的安全。為了解地下水位的變化，需要用水位計來進(jìn)行測定。

電測水位計：由測量鋼尺、側(cè)頭、測讀訊響器等組成。當(dāng)側(cè)頭觸及到水位時訊響器發(fā)音，根據(jù)訊響聲讀取測量鋼尺的讀數(shù)，即可得到地下水位深度。

地下水監(jiān)測

觀測井孔結(jié)構(gòu)、施工工藝方法：鉆孔（泥漿護(hù)壁）、放管、填濾料、洗井

管徑：50~76mm

管材：鋼管、鍍鋅鋼管、塑料管等

管壁上呈梅花型鉆直徑為8~18mm的孔，孔隙率應(yīng)大于15%。管壁外包土工布。樁墻內(nèi)力監(jiān)測

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中有代表性位置的鋼筋混凝土支護(hù)樁和地下連續(xù)墻的主受力鋼筋上，布設(shè)鋼筋應(yīng)力計，監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的應(yīng)力變化。

沿受力主筋（每根樁在迎土側(cè)和開挖側(cè)各布置一根）長度每2m布置一個鋼筋計，將導(dǎo)線引至基坑頂部。測試時用頻率儀可測試到鋼筋計的振動頻率，通過換算可得到鋼筋計所受的軸力，再根據(jù)鋼筋與混凝土的變形協(xié)調(diào)原理，由鋼筋計的拉力或壓力即可計算出樁身的彎矩。樁墻內(nèi)力監(jiān)測

測點布置：取典型斷面，最好是從上到下整個布置，間距2m左右。受拉和受壓面對稱布置。傳感器的安裝：幫焊，幫條長度，單面焊還是雙面焊？降溫措施支撐內(nèi)力監(jiān)測

鋼筋混凝土支撐

對鋼筋混凝土支撐梁，采用鋼筋應(yīng)力計測試砼內(nèi)支撐梁的軸力。施工時在支撐梁每個測試斷面的上、下主筋上各焊接一只鋼筋應(yīng)力計，將導(dǎo)線引出?；娱_挖時用頻率計測試其軸力變化情況。

對混凝土支撐梁軸力的觀測用頻率儀可測試到鋼筋計的振動頻率，通過換算可得到鋼筋計所受的軸力。根據(jù)鋼筋與混凝土共同工作、變形協(xié)調(diào)的條件求得混凝土支撐梁的軸力，其計算公式為：

支撐內(nèi)力監(jiān)測

鋼支撐對鋼管支撐梁，鋼支撐安裝好以后，將鋼弦式表面應(yīng)變計粘貼固定在鋼支撐的表面并把導(dǎo)線引出。測試時用頻率儀測試鋼支撐的應(yīng)變，再用彈性原理即可計算支撐的軸力。

每個測試斷面布置2~4個鋼弦式表面應(yīng)變計，測試時用頻率儀測試鋼支撐的應(yīng)變，再用彈性原理即可計算支撐的軸力。

錨桿及土釘受力監(jiān)測

安裝錨具時將四弦荷載計安裝在錨具和支座之間。為保證荷載計受力均勻，加工一鋼板將荷載計位置固定，使錨桿穿過荷載計的圓心處。同時