地下建筑結構(中國地質大學孫金山)6-3

1基坑的失穩(wěn)模式2基坑計算機輔助設計

3基坑降水1基坑的失穩(wěn)模式基坑工程的失效模式1.整體失穩(wěn)

2.坑底隆起

3.圍護結構傾覆失穩(wěn)

4.圍護結構滑移失穩(wěn)

5.圍護結構底部地基承載力失穩(wěn)

6.“踢腳”失穩(wěn)

7.止水帷幕功能失效和坑底滲透變形破壞8.圍護結構的結構性破壞9.支、錨體系失穩(wěn)破壞整體失穩(wěn)整體失穩(wěn)是指在土體中形成了滑動面，圍護結構連同基坑外側及坑底的土體一起喪失穩(wěn)定性，一般的失穩(wěn)形態(tài)是圍護結構的上部向坑外傾倒，圍護結構的底部向坑內移動，坑底土體隆起，坑外地面下陷。

坑底隆起坑底隆起是指坑底土體產生向上的塑性變形?；娱_挖以后，坑底向上位移的原因有兩種，一是卸載引起的回彈，其數值較??；另一種是在開挖引起的壓力差作用下土體中產生的塑性變形，這種變形如果數量較大，表示土體中的塑流已經比較嚴重，如果圍護結構和內支撐能形成整體性好的體系，則塑流僅引起坑外地面下沉，影響環(huán)境安全；如果是自立式結構或節(jié)點強度差的支撐體系，隆起可能是整體失穩(wěn)的前兆；如果穩(wěn)定性不能得到有效的控制，就會發(fā)生整體性失穩(wěn)。圍護結構傾覆失穩(wěn)圍護結構的傾覆失穩(wěn)主要發(fā)生在重力式結構或懸臂式圍護結構，重力式結構在坑外主動土壓力的作用下，圍護結構繞其下部的某點轉動，圍護結構的頂部向坑內傾倒。抵抗傾覆失穩(wěn)的力矩主要由圍護結構自身的重力形成，坑底的被動抗力也是構成抵抗力矩的因素。關于轉動中心的位置有不同的看法，傳統(tǒng)的方法是將轉動中心放在圍護結構的前趾，但也有認為繞前趾上面或下面的某一點轉動比較合理，特別的軟土地區(qū)由于基底土比較軟弱，在力矩作用下前趾有下沉的可能。

圍護結構滑移失穩(wěn)圍護結構的滑移失穩(wěn)亦主要發(fā)生在重力式結構中，在坑外主動土壓力的作用下，圍護結構向坑內平移。抵抗滑移的阻力主要由圍護體底面的摩阻力以及內側的被動土壓力構成。當坑底土軟弱或圍護結構底部的地基土軟化時，墻體發(fā)生滑移失穩(wěn)。

圍護結構底部地基承載力失穩(wěn)重力式圍護結構的底面壓力過大，地基承載力不足引起的失穩(wěn)。由于在圍護結構的外側還作用著土壓力，因此其合力是傾斜的。在傾斜荷載作用下，地基土發(fā)生向坑內的擠出，圍護結構產生不均勻的沉降，可能導致部分圍護結構的開裂損壞?！疤吣_”失穩(wěn)

在單支撐的基坑中，可能發(fā)生撓支撐點轉動，圍護結構上部向坑外傾倒，圍護結構的下部向上翻的失穩(wěn)模式，故形象地稱為“踢腳”失穩(wěn)。在多支撐的圍護結構中一般不會產生踢腳失穩(wěn)，除非其它支撐都已失效，只有一道支撐起作用的情況。

止水帷幕功能失效和坑底滲透變形破壞

止水帷幕喪失擋水功能，產生滲漏、涌水、流土或流砂。由于水土流失使基坑外地面下沉、塌陷，導致鄰近建筑物的開裂和損壞。引起圍護結構止水帷幕功能失效的主要原因是施工因素，其次是設計因素和材料的因素。由于施工質量低劣，止水帷幕有空洞或裂縫，成為漏水的通道是最普遍的現象；止水帷幕設計過短，沒有全部切斷透水層也是漏水的可能原因。

由于止水帷幕失效產生過大的水力坡降引起坑底滲透變形破壞?？觾炔捎门潘蚪邓胧┖?，造成了坑內外的水頭差，地下水在水頭差的作用下向坑內滲流，在滲流出口處土的細顆粒被帶出，或土顆粒處于懸浮狀態(tài)涌出。這種由滲透引起的破壞因破壞機理不同而有不同的名稱，如管涌、流砂或流土。如不及時制止，由滲透變形引起的坑外土體的位移和陷落是嚴重的。

圍護結構的結構性破壞圍護結構的結構性破壞是指圍護體本身發(fā)生開裂、折斷、剪斷或壓屈，致使結構失去了承載能力的破壞模式。

結構性損壞的原因可能是方案性的錯誤，如支撐體系不當或圍護結構不閉合；也可能是設計計算時荷載估計不足或結構材料強度估計過高，支撐或圍檁截面不足導致破壞；此外，結構節(jié)點處理不當，也會因局部失穩(wěn)而引起整體破壞，特別在鋼支撐體系中，節(jié)點多，加工與安裝質量不易控制。節(jié)點處理包括支撐和墻體的連接處，如不設置圍檁或連接強度不夠。

支、錨體系失穩(wěn)破壞支錨體系的失穩(wěn)破壞包括兩種不同的破壞模式。錨桿的破壞主要表現為錨桿的拔出、斷裂或預應力松弛，土錨的破壞大多是局部的，群錨的破壞實際上是土體的失穩(wěn)而并非是錨桿的結構性破壞；支撐的失穩(wěn)很可能是整體性的，其形態(tài)因體系不同而不同，支撐體系大多是超靜定的，局部的破壞會造成整體的失穩(wěn)，尤其是鋼支撐體系，局部節(jié)點的失效概率比較大。

2基坑計算機輔助設計3基坑降水降水方案降水是在地下水位比較高的地區(qū)進行基坑工程設計時面臨的一個重要問題。采取何種方案主要取決于水文地質條件及周邊環(huán)境的要求。從施工來說則要求提供一個比較干燥的坑內施工環(huán)境，為此應使地下水位低于基坑底面0.5～1.0m左右。如地下水位高于這個位置，需要采取降水的措施，降水的方法很多，都可以達到這個目的。

選擇降水方案時應考慮以下幾個問題：1.

基坑降水深度的要求；2.場地地質條件，土層的滲透特性，地下水的類型、流向和補給條件；3.環(huán)境條件，場地周圍的建筑物和市政管線的位置、類型、對沉降的要求；4.氣象條件，雨季、特別是暴雨季節(jié)和暴雨量；5.

施工單位所擁有的降水設備和數量；6.電源條件，需保證有穩(wěn)定的電源或備用電源，以免斷電時基坑積水而坍塌。降水設計內容1.降水設計要求2.降水方法的選擇3.降水井的布設4.降水系統(tǒng)設計5.降水效果預測6.防范井點降水不良影響的措施降水設計要求1.基坑開挖及地下結構施工期間，地下水位保持在基坑底以下0.5~1.0m；2.深部承壓水不引起坑底隆起；3.降水期間鄰近建筑物及地下管線正常使用；4.基坑邊坡的穩(wěn)定性。降水系統(tǒng)設計包括井深、井數、井距、井的結構及單井出水量的計算。需要根據不同的水文地質條件、基坑工程特點和降水的要求，區(qū)別不同的滲流特征，采用不同的方法進行設計計算。

降水方法的選擇

輕型井點輕型井點按抽水機組類型分為干式真空泵輕型井點、射流輕型井點和隔膜泵輕型井點三種，其參考數據見表。輕型井點的降水深度不超過6m，當降水深度要求超過6m時，采用單級輕型井點不能滿足要求，采用多級輕型井點需要增加機具數量和基坑面積，往往不經濟，此時宜采用噴射井點。輕型井點噴射井點噴射井點是根據射流原理制造的，由噴嘴噴出的高壓水，在噴嘴周圍形成負壓，將土層中的水抽至井點中，形成汽水溶液，由高速水流的動能將其排出地表。噴射井點在滲透系數為3～50m/d的砂土中最為有效，在滲透系數為0.1～3m/d的粉土和淤泥質土中效果也很顯著。但不適用于滲透系數小于0.1m/d。

噴射井點電滲、自滲和深井井點電滲井點是利用粘性土的電滲特性，在直流電場中，土中水流向陰極管集中排走，用以降低飽和粘土中的地下水位。自滲井適用于排除土層中的滯水，這種滯水主要來自生活用水的排放或下水道的滲漏。管井井點和深井井點適用于滲透系數比較大的土層，特別是深井井點，由于將潛水泵或深井泵安置在濾水層部位，特別適用于涌水量大、深層的砂土層，降水深度可達50m。

電滲井點管井井點

結構降水井的布設平面布設1.坑寬小于6m，深度小于6m時，一般可用單排井點；2.坑寬大于6m時，宜采用雙排井點；3.基坑寬度小于40m時，采用環(huán)形井點系統(tǒng)；4.基坑寬度大于40m時，采用多環(huán)形井點，在中央加一排或多排井點。降水的三種類型基坑隔水帷幕深入隔水層（即含水層底板）中，井點降水以疏干基坑內的地下水為目的。由于隔水帷幕的作用，基坑內外地下水無水力聯(lián)系。降水時基坑外地下水位不受影響。這類井點降水影響范圍小。地下水滲流特征：為全封閉含水層，抽水時地下水處于非穩(wěn)定流狀態(tài)。隔水帷幕進入承壓含水層頂板中，井點降水以降低基坑下部承壓含水層的水頭，防止基坑底部隆起或突涌。隔水帷幕未將基坑內外承壓含水層分隔開。地下水滲流特征：由于不受隔水帷幕的影響，基坑內外地下水連續(xù)相通。井點降水的影響范圍比較大，但降水漏斗平緩，降水引起的地面沉降為均勻沉降。隔水帷幕不影響地下水滲流，滲流計算可以借鑒地下水動力學中有關公式計算。隔水帷幕位于降水含水層中上部，基坑內外承壓含水層大部分被隔水帷幕隔開，僅含水層底部未被隔開。井點降水的前期以降低基坑下部承壓含水層的水頭為目的，后期以疏干承壓含水層為目的。地下水滲流特征：由于受隔水帷幕的阻擋，上部基坑內外地下水不連續(xù)，底部含水層連續(xù)相通，地下水呈三維流態(tài)。只能采用三維數字模擬計算，或者采用二維解析公式計算。選擇降水方案時應考慮以下幾個問題：1.

基坑降水深度的要求；2.場地地質條件，土層的滲透特性，地下水的類型、流向和補給條件；3.環(huán)境條件，場地周圍的建筑物和市政管線的位置、類型、對沉降的要求；4.氣象條件，雨季、特別是暴雨季節(jié)和暴雨量；5.

施工單位所擁有的降水設備和數量；6.電源條件，需保證有穩(wěn)定的電源或備用電源，以免斷電時基坑積水而坍塌。深基坑工程的監(jiān)測與控制基坑工程中的觀察法1969年，Peck在“AdvantagesandLimitationsofObservationalMethodinAppliedSoilMechanics”一文中就提出了巖土工程的系統(tǒng)研究方法，稱為“觀察法”。觀察法是符合系統(tǒng)工程原則的、有反饋的封閉系統(tǒng)的研究方法，是巖土工程研究的基本方法，對于巖土工程的發(fā)展具有重要的影響，在觀察法的基礎上形成了巖土工程中的信息化施工方法。根據地質資料和結構設計資料，針對所估計的最可能情況下的地層特征和工作性狀，提出實用的簡化假設，并進行計算和設計；選擇在施工過程（甚至運行過程）中必須要進行觀測的那些量（例如沉降、孔隙水壓力等），并按設計簡化假設，預先估計這些量的數值可能是多少；根據已經掌握的關于地層情況的數據，估計在可能的最不利情況下，選擇需要觀測的那些物理量的數值范圍；要預先估計到施工時所觀測到的數據可能偏離于預先估計的數值。因此要考慮在最不利情況下，如果出現了這種偏離，應如何選擇補救措施，或改變設計；在現場觀測第4項所選擇的物理量，并對現場的實測數據作及時的分析與評價以指導施工；必要時修改設計以適應于現場所發(fā)生的實際情況。深基坑工程的監(jiān)測與控制是巖土工程觀察法的具體應用，是比較復雜的信息反饋與控制，深基坑工程監(jiān)測是指在深基坑開挖施工過程中，借助儀器設備和其它一些手段對圍護結構、基坑周圍的環(huán)境(包括土體、建筑物、構筑物、道路、地下管線等)的應力、位移、傾斜、沉降、開裂及對地下水位的動態(tài)變化、土層孔隙水壓力變化等進行綜合監(jiān)測。根據前段開挖期間監(jiān)測到圍護結構、鄰近建筑物和市政設施的變形及內力，從中提取大量的巖土信息，與勘察、設計階段預測的性狀進行比較，對設計方案進行評價，并判斷施工方案的合理性。通過反分析方法或經驗方法計算與修正巖土的力學參數，預測下階段施工過程中可能出現問題，為優(yōu)化和合理組織施工提供依據，并對進一步開挖與施工的方案提出建議，對施工過程中可能出現的險情進行及時的預報。當有異常情況時，立即采取必要的工程措施，將問題消滅于萌芽狀態(tài)，以確保工程安全。監(jiān)測方案是整個監(jiān)測工作的指導性文件，包括監(jiān)測的目的要求、監(jiān)測項目與測點的布置、監(jiān)測設備與方法的選擇、監(jiān)測與控制的警戒值、監(jiān)測的報表與成果報告等內容。監(jiān)測方案必須根據基坑工程設計文件、鄰近地區(qū)的環(huán)境要求和基坑施工方法編制。監(jiān)測對象包括自然環(huán)境、基坑底部及周圍土體、圍護結構、地下水位、周圍建（構）筑物、周圍重要設施（地鐵、供水管、排水管、電纜、煤氣管等）以及與基坑相鄰的周圍城市道路路面等。監(jiān)測內容1.圍護結構監(jiān)測2.周圍環(huán)境監(jiān)測圍護結構監(jiān)測1)圍護結構完整性及強度監(jiān)測；2)圍護結構頂部水平位移監(jiān)測；3)圍護結構傾斜監(jiān)測；4)圍護結構沉降監(jiān)測；5)圍護結構應力監(jiān)測；6)支撐軸力監(jiān)測；7)立柱沉降監(jiān)測周圍環(huán)境監(jiān)測1)鄰近建筑物沉降、傾斜和裂縫發(fā)生時間及發(fā)展過程的監(jiān)測；2)鄰近構筑物、道路、地下管網等設施變形監(jiān)測；3)表層土體沉降、水平位移以及深層土體分層沉降和水平位移監(jiān)測；

4)圍護結構側面土壓力測試；5)坑底隆起監(jiān)測；6)土層孔隙水壓力測試；7)地下水位監(jiān)測。按照《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》的規(guī)定1.圍護墻（邊坡）頂部水平位移；2.圍護墻（邊坡）頂部豎向位移；3.深層水平位移；4.立柱豎直位移；5.圍護墻內力；6.支撐內力；7.立柱內力；8.錨桿內力；9.土釘內力；10.坑底隆起（回彈）；11.圍護墻側向土壓力；12.孔隙水壓力；13.地下水位；14.土體分層豎向位移；15.周邊地表豎向變形；16.周圍建筑物豎向位移；17.周邊建筑傾斜；18.周邊建筑水平位移；19.周邊建筑、地表裂縫；20.周圍管線變形。墻頂水平位移監(jiān)測墻頂水平位移是圍護結構變形的一部分，是衡量圍護結構工作狀態(tài)的最基本的指標。因此，墻頂水平位移的監(jiān)測也就成了深基坑監(jiān)測工作中最重要的一個監(jiān)測項目。

一般沿圍護結構縱向每間隔5～8m布設一個監(jiān)測點，在基坑轉折處、距周圍建筑物較近處等重要部位應適當加密布點?；娱_挖初期，可每隔2～3天監(jiān)測一次。隨著開挖過程進行，可適當增加觀測次數，以1天觀測一次為宜。當位移較大時，每天觀測1～2次。墻體變形監(jiān)測

墻體變形主要指圍護結構深部水平位移，一般用測斜儀量測。根據圍護結構受力特點及周圍環(huán)境等因素，在關鍵位置鉆孔布設測斜管，用高精度測斜儀進行監(jiān)測，以根據圍護結構在各開挖施工階段傾斜變化，可以推算出圍護結構沿深度方向各測點水平位移隨時間變化曲線。設置在圍護結構中的測斜點，一般每邊可設置1～3個測點，測斜管埋置深度一般為2倍基坑開挖深度。測斜管放置于圍護結構后，一般用中細砂回填圍護結構與孔壁之間的空隙(最好用膨脹土、水泥、水按1:1:6.25比例混合回填)。正式測試前應對測斜孔進行連續(xù)觀測，取其穩(wěn)定值作為初讀數。圍護結構應力監(jiān)測圍護結構應力監(jiān)測就是用鋼筋應力計對樁身鋼筋和鎖口梁鋼筋中較大應力斷面處應力進行監(jiān)測，以防止圍護結構的結構性破壞。支、錨結構軸力監(jiān)測支、錨結構軸力監(jiān)測就是對錨桿和鋼筋混凝土或鋼支撐受力狀況進行監(jiān)測。對錨桿，施工前應進行錨桿現場拉撥試驗，以求得錨桿容許拉力。施工過程中用錨桿測力計監(jiān)測錨桿實際受力情況。對內支撐，可用壓應力傳感器或應變計等監(jiān)測其受力狀態(tài)的變化。安全控制標準基坑工程的安全控制包括兩個方面，圍護結構本身必須滿足材料強度和穩(wěn)定性的要求；同時基坑變形必須滿足坑內和坑外周邊環(huán)境兩方面的控制要求。對圍護結構和支、錨結構材料強度的控制一般是通過監(jiān)測結構的內力進行的，包括支撐的軸力、錨桿的內力、墻體的鋼筋應力等的監(jiān)控。結構的內力也和構件的變形密切相關，隨著墻體的相對變形的增長，結構內力增大，控制墻體的相對變形（即墻體的水平位移與基坑開挖深度之比）可以有效地控制墻體內力。如果不監(jiān)測墻體結構內力，可以通過監(jiān)測與控制墻體變形以達到相同的目的。基坑周圍土體的穩(wěn)定性雖然可以通過孔隙水壓力的監(jiān)測進行分析，但并不是直接控制的指標，通常通過土體變形監(jiān)測進行控制，因為土體的破壞總是變形大量發(fā)展和積累的結果，變形量的大小和變形速率的快慢標志著土體中塑性區(qū)的發(fā)展狀況，用變形限量控制也可以滿足基坑穩(wěn)定性的要求。安全性判別標準注：F2有兩種判別標準，上行適用于基坑近旁無建筑物或地下管線，下行適用于基坑近旁有建筑物或地下管線；

F6、F7有三種判別標準，上、中行的適用情況同F2的上、下行，而下行適用于對變形有特別嚴格要求的情況，一般對于中、下行