2018年注册岩土工程师岩土工程勘察讲义：深基坑开挖的岩土工程问题

2018年注册岩土工程师岩土工程勘察讲义：深基坑开挖的岩土工程问题

　　深基坑开挖的岩土工程问题

　　兴建房屋建筑与构筑物基础，一般都需要进行基坑开挖，尤其在建筑密集的城市中兴建超高层建筑时，为了利用有限的空间及降低基底的净压力，往往设有1～3层地下室，有的甚至达6层，基坑深度一般都超过5m，有的达数十米。深浅基坑的划分界线在我国还没有统一标准，在国外有人建议把深度超过6m的基坑定为深基坑，小于6m的则为浅基坑。浅基坑(包括浅基础的基坑开挖)的岩土工程问题一般较少且不很严重;深基坑的岩土工程问题一般较为复杂且有的较为严重，因此对深基坑应重视岩土工程问题的分析与评价。

　　基础牢固与否是关系到建筑物安全稳定的首要问题，而基础施工大多

　　从基坑开挖开始。实践证明，基坑开挖工作是否顺利，不仅影响基础施工质量，而且影响施工周期与工程造价。基坑开挖过程中，常遇到基坑壁过量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回弹(或隆起)、坑底渗流(或突涌)、基坑流砂等基坑稳定性问题。为防止或抑制这些问题，使基坑开挖与基础施工顺利进行，需要采取相应的防护措施。

　　最近20年，深基坑开挖与支护工程的开展对近代土力学的发展也起了

　　很大的推动作用。主要表现在：以本构关系和有限单元方法为手段，研究支护结构与被支护土体的相互作用;以室内模型试验为依据，研究支护结构刚度对土压力分布的影响及简化计算方法;地下水控制的理论与方法以及以现场监测结果为依据的反分析方法等等。从这个意义上说，对深基坑与支护的研究也具有十分重要的意义。在本节中，不介绍很高深的理论，只对深基坑开挖过程中出现的一般岩土工程问题进行分析与评价。

　　8.1、基坑支护及其土压力

　　8.1.1基坑支护

　　在房屋建筑与构筑物的基坑开挖中，尤其是城市中的基坑开挖，由于

　　场地的局限性，大多为有侧壁支护基坑的开挖，即基坑侧壁常要求垂直开挖，如果不采取支护措施，一般基坑侧壁土体是不稳定的。基坑支护工程的作用主要有：①节约施工空间(不放坡开挖);②保护相邻部位已有构筑物与地下设施的安全;③减小基底隆起;④利用支护结构进行地下水控制;⑤利用支护结构作为永久性结构的一部分等。

　　支护系统一般由挡土结构与支撑系统组成。

　　挡土结构系指支护系统中，直接与被支护的岩土体接触并承受土、水压力的结构。常见类型如下：

　　(1)骨架式结构——分离排列的钢筋混凝土桩或钢桩

　　(2)连续式结构——钢板桩、钢筋混凝土切线桩]、地下连续墙

　　(3)半连续式结构——在骨架式结构的钢筋混凝土桩或钢桩之间加隔板。

　　支撑系统视支撑的位置，可分为两类内支撑系统和外支撑系统。

　　在挡土结构与支撑构件之间，常有腰梁连接。腰梁亦可看作支撑系统的组成部分，其作用是传递支撑力，并将挡土结构与支撑系统连成整体。有挡土结构而无须用支撑时，便形成悬臂支护结构，浅基坑一般采用此种支护型式。深基坑一般采用悬壁式支护结构加支撑系统，如汉口的深基坑多采用悬臂式支护桩加锚杆等。

　　8.1.2土压力分析

　　基坑采取支护措施时，一般都需要分析作用在支护结构上的土压力性质、分布与计算土压力大小。土压力应根据土体经受的侧向变形条件来确定，土压力性质包括静止土压力、主动土压力、被动土压力或与侧向变形条件相应的可能出现的土压力。分析土压力时应考虑场地的工程地质条件、支护结构相对于土体的位移、地面坡度、地面超载、邻近建筑及设施的影响、地下水位及其变化、支护结构体系的刚度、基坑工程的施工方法等。

　　目前对土压力大小的计算，一般采用朗肯土压力理论或库仑土压力理论。但在实际工程中，情况远比该理论的假定条件复杂得多。其一，土对支护结构的压力不仅与土本身的工程性质(如c、φ值)有关，而且还与支护结构的性质特别是刚度有关，因此土压力的大小与分布状态实际上是被支护土体与支护结构之间相互作用的结果。实测结果表明，支护结构的刚度与支撑方式不同，土压力大小及其分布都有一定的区别。其二，与一般挡土墙不同，支护结构的位移往往受到严格限制，在槽边存在已有结构与设施时更是如此，其位移量往往不允许达到出现极限状态时的主动或被动土压力所要求的位置，那么土压力的数值究竟取多大为宜，就需要依据工程类比与经验，包含相当程度的工程判断。实际中也可进行土压力系数的调整来确定土压力值，即当支护结构经受的侧向变形条件不符合主动、被动极限平衡状态条件时，可将计算的主动或被动土压力系数Ka、Kp分别调整为Kma、Kmp，其调整值Kma(主动)、Kmp(被动)分别为：Kma=0.5(K0+Ka),Kmp=(0.5～0.7)Kp(K0为静止土压力系数)。至于土压力分布，实测结果表明，对于刚性支护结构而言，只要其上端的水平位移大于下端位移，主动边和被动边的土压力都可看成三角形分布。如果位移足够大，便可按一般的土压力公式计算[如图3(a)]。在某些情况下，如挡土结构嵌入深度过浅或坑底土质很软时，挡土结构下端向坑内方向的水平位移可

　　能大于其上端的位移，此时土压力沿深度将呈抛物线形分布，设计时要加以考虑。对于柔性支护结构，由于其本身的变形情况比较复杂，导致土压力的分布情况也较为复杂。总之，作用于挡土结构上的土压力取值应根据土压力类型、支护结构类型和允许变形、被支护土体的性质、墙与土之间的摩擦力及挡土结构两面的地面坡度等因素来综合考虑。另外，当存在地下水时，土压力值宜按水压力与土压力分算的原则计算，即作用在支护结构上的侧压力为有效土压力与水压力之和;有效土压力按土的浮重度及有效抗剪强度指标计算。亦可采用水压力与土压力合并计算的原则计算，此时水土合并的压力按土的饱和重度及总应力抗剪强度指标计算。

　　8.2、基坑稳定性分析

　　8.2.1基坑底卸荷回弹(隆起)

　　基坑开挖是一种卸荷过程，开挖愈深，初始应力状态的改变就愈大，这就不可避免地引起坑底土体的隆起变形，有的甚至可能由于受到过大的剪应力而导致基底隆起失效。基坑回弹(隆起)不只限于基坑的自身范围，而且要波及四邻地面，引起地面挠曲，对邻近建筑物或设施均产生影响，应引起注意。必要时要组织施工开挖过程中坑内外地面的变形监测，供及时分析趋势和采取措施之需。在软至中等强度的粘性土(cu≈12～50kPa)中进行深基坑开挖时，基坑底抗隆起稳定性可按下式进行验算

　　控制基坑回弹(隆起)的措施可采用降低地下水位、冻结法或在基坑开挖后立即浇捣相等重量的混凝土，使基坑的回弹量尽可能减小。

　　8.2.2基坑底渗透稳定性

　　如果基坑在粘性土中开挖，且坑底下有承压水存在时，当上覆土层减到一定程度时，承压水水头压力便冲破基坑底板造成渗流(或突涌)现象。基坑底抗渗流稳定性可按下式验算：

　　为使基坑底不因渗流而丧失稳定性，一般要求γrW≥1.2，如果验算的γrW<1.2，应采取必要的措施，如降水等。

　　8.2.3基坑流砂问题

　　当基坑底以上粘性土中夹有砂或粉土，且地下水位较高，基坑开挖揭露这些夹层时;或者当基坑底部为砂土或粉土、随着基坑开挖加深，水力坡度加大，当动水压力超过砂土或粉土颗粒自重使土颗粒悬浮时，砂或粉土与水一起涌于基坑中，便产生流砂现象。

　　是否产生流砂现象可按下式验算：

　　Icr=(ρs-1)(1-n)

　　式中：Icr——临界水力坡度;

　　ρs——土的颗粒密度;

　　n——土的孔隙度，以小数计。

　　当实际水力坡度I大于Icr时，将发生流砂现象，实际中还要考虑一个大于1.0的安全系数。影响流砂现象的因素较多，主要是土的颗粒级配、结构及埋藏条件等。当深挖时水力坡度超过临界水力坡度，又具有以下条件时，就更容易产生流砂现象。

　　(1)土的颗粒组成中，粘粒含量小于10%，粉、砂粒含量大于75%。

　　(2)土的不均匀系数小于5。

　　(3)土的含水量大于30%。

　　(4)土的孔隙比大于0.75(或土的孔隙度大于43%)。

　　(5)在粘性土有砂夹层的土层中，砂土或粉土层的厚度大于25cm。

　　流砂现象的产生，一方面将严重影响施工(如挖了又涨，无法达到设计标高);另一方面因流砂使地下掏空，可导致土体丧失稳定性或地面产生塌陷，危及相邻建筑物的安全。防止流砂的措施主要有人工降低地下水位、打板桩或加固坑壁以增长渗流途径减小实际水力坡度等。

　　8.2.4基坑边坡整体稳定性

　　在房屋建筑与构筑物的基坑开挖中，在没有采用支护结构之前，基坑边坡(一般为粘性土)整体稳定性一般采用极限平衡理论中的条分法(多采用瑞典条分法)进行估算，从而可确定最危险的滑动面。对于采用支护结构的基坑，稳定性验算仍采用条分法，验算时应将支护结构所产生的抗滑力矩计入总的抗滑力矩之中。

　　对于桩、墙式围护结构的基坑，其整体稳定性可按下式验算：

　　为保证基坑的整体稳定，一般要求γrs≥1.1～1.2，如果粘性土中不计渗流力作用时，应满足γrs≥1.40。

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